液力加压器使用中的相关问题探讨

马泽永,姜东哲,楚合川,蒋成伟,贾 洋

(1.胜利油田井下作业公司修井作业大队,山东东营257077;2.川庆钻探工程有限公司川东钻探公司机械厂,重庆401124;3.大庆钻探工程有限公司大庆钻井一公司,黑龙江大庆163411)

液力加压器使用中的相关问题探讨

马泽永1,姜东哲1,楚合川2,蒋成伟3,贾 洋3

(1.胜利油田井下作业公司修井作业大队,山东东营257077;2.川庆钻探工程有限公司川东钻探公司机械厂,重庆401124;3.大庆钻探工程有限公司大庆钻井一公司,黑龙江大庆163411)

液力加压器的研究与应用在我国已经有几十年的历史,但是一直没有得到很好的推广应用。就该工具使用中存在的问题进行了分析,从确定工具级数、调整钻头喷嘴直径、采用钻铤配重、配置钻具、与螺杆钻具配合等方面提出了合理使用液力加压器的建议,使该钻井工具得以发挥应有的作用。

液力加压器;应用;配置

液力加压器是一种应用于钻井修井等作业中能量转换装置,利用循环泵泵压为动力把液体压能转化为钻压的一项新型钻井技术,改变了常规钻井或其他作业是靠下部钻铤的重力施加钻压的方式,使钻头或下部部分钻具与钻柱中的其他部分柔性连接,将钻铤给予钻头或其他工具的刚性加压变为液力柔性加压,克服了刚性加压的种种弊端,从而达到高速度、高质量、低成本钻井的目的,其功能和作用[1-2]如图1。

但在现场使用时却不能够发挥其应有的效果,因此有必要对现场使用进行探讨[3]。

图1 液力加压器功能和作用

1 问题分析

多次实践说明,液力加压器产生的推力在钻压表上是不显示的,即,推力不在上部钻具上产生反作用力,钻头接触井底和不接触井底钻具悬重不变化。

当忽略钻头喷嘴面积时,推力就是结构系数与压差的积。由此可知,在忽略钻头喷嘴面积的情况下,推力的大小只与液力加压器以下的压力降(压差)和本身的结构有关,与其他因素无关,该压差是底部钻具内比环空大的部分△p,推力是液体压差产生的[4]。可以理解为:

a) 在没有加入液力加压器之前压降△p也存在,它未给钻具一个反作用力,而是使钻柱产生拉伸伸长。加入加压器之后,把钻柱从加压器分开,加压器壳体和上部钻柱为A部分,心轴活塞以下(有马达和钻头)为B部分,液压力只对B部分有一个向下的力(如图2)。

b) 对A部分来说,它跟没有加液力加压器时相似,可以完全不接触井底(没有压并),完全悬空在井眼中。对B部分来说,根据水力学计算,在心轴上活塞和钻头内腔处有一个压差△p,产生一个向下的力,即液压推力,这个推力在钻头未接触井底时,是作用在钻柱上的(外壳体上);当钻头接触井底时,受到井底的反作用力而平衡(如图3)。

2 现场应用研究

2.1 确定工具级数

根据现场经验或钻头生产厂家的技术要求以及动力钻具的合理钻压,确定钻进的钻压G,然后,根据钻头喷嘴的压降△p(有动力钻具时要加其压降),确定结构系数k,即可以选择级数。

图2 钻具受力分析Ⅰ

图3 钻具受力分析Ⅱ

2.2 调整钻头喷嘴直径

如果选择级数之后推力还不满足钻压要求(差别不是很大),可以通过调整钻头喷嘴的大小来补偿钻压要求。

2.3 采用钻铤配重

当工具的级数一定(现场条件指级数较少,推力比要求钻压小,并且不能再提高压降的情况),要求钻压G确定,工具以下压降△p确定。即,工具推力G1=系数×△p＜G,这时可以在工具以下加入1～2根钻铤配重W,使G≈G1+W。

2.4 配置钻具

硬地层钻井时,由于地层较硬,一般使用牙轮钻头,牙轮钻头这时的主要作用效果是冲击凿碎,所以在液力加压器之下加入1～2根钻铤,加大受迫振动的质量,对牙齿凿碎地层是有好处的,还不至于失去减振作用,1～2根钻铤的质量振动不致于造成钻头牙齿的损坏。

2.5 与螺杆钻具配合

当液力加压器和螺杆钻具配合(如图4)使用时,由于螺杆钻具具有“扭矩与压差成正比关系”的特性,钻头受到地层的“强烈的反作用”发生蹩钻时,在螺杆钻具上的扭矩瞬时增加,螺杆钻具产生的压降也急剧增加,当螺杆钻具失速时,就发生蹩泵(除定子橡胶磨损严重的情况)。而液力加压器具有推力与其下部钻具的压差成正比关系,也就是说,当钻头受到地层的“强烈的反作用”发生蹩钻时,螺杆钻具产生的压降也急剧增加,这时液力加压器的推力也急剧增大,使钻头受到更大的压力,地层对钻头产生的反扭矩增加,蹩钻更严重。但只要钻进参数选择得当,液力加压器与螺杆钻具的参数选择合理,就不可能出现连锁反应的问题。

a) 根据地层和钻头的情况,选择合理的钻压范围。

b) 根据螺杆钻具的性能优选钻压值,选择好排量,确定该排量下的螺杆钻具的压降(螺杆钻具说明书)。

c) 根据液力加压器的预定级数,同时考虑优选钻头喷嘴大小。

d) 根据预定钻压、钻头喷嘴压降和螺杆钻具的压降,计算液力加压器的级数。

图4 液力加压器和螺杆钻具配合使用

在参数优选配合后,液力加压器始终提供给螺杆钻具均匀的推力,继而提供给钻头均匀的钻压,而地层给钻头的反作用力也是均匀的,出现地层对钻头“强烈的反作用”的情况就不存在了。当钻头与地层发生作用(地层不均质)振动时,由于液力加压器具有减振作用,钻头很容易摆脱地层的约束解除蹩钻、跳钻现象。所以,两者配合好了,不但不会出现那种极端情况,还对保护钻头、螺杆钻具都有好处,但是不管怎样,螺杆钻具和液力加压器配合使用时,合理配置加压器的推力是至关重要的。

2.6 行程段两端工作显示问题

2.6.1 上死点

液力加压器具有“零钻压”显示,那么到上死点(即伸缩行程全部压缩)只要压并就有钻压显示。当下放钻具,地面钻压表只要有钻压显示(比如2～10 kN),就可以知道到上死点已经压并,停止下放钻柱,只旋转钻柱钻进,这时除了加压器的推力外,还多了这个显示的钻压,但停止下放钻柱,显示的钻压很快就会消失。因此上死点不用专门的限位指示装置,只考虑下死点的显示问题。

2.6.2 下死点

a) 如果使用电动钻机(或顶驱或使用扭矩仪)可以通过扭矩观察到(扭矩减小,电流也减小),因为到下死点(即伸缩行程全部拉开)后如果不及时下放钻具,随着钻头钻进,钻压会逐渐减小,并且在设计液力加压器时就让第2级活塞的行程略小于整个液力加压器的伸缩行程,这样,当第1级活塞到达下死点之前,第1级以上所有级产生的推力都失去作用,钻压突然减小(只有一级的推力钻压),则钻机扭矩突然减小,而后又逐渐减小。如果是这样,就不需要任何指示装置。

b) 如果是使用机械钻机,也没有使用扭矩仪,扭矩大小的观察就比较困难(有经验的司钻通过转盘转动声音和转盘传动链条的颤动等现象还是能判断出来的),如果下部使用螺杆马达,因为底层对钻头的扭矩减小,马达的压降减小,地面还是能观察到;如果不使用马达时就比较困难。但是,司钻可以根据地层的机械钻速,及时下放钻具,通过几次下放钻具的时间间隔就可以较好地掌握下放钻具的合适时间间隔,这样就可以避免“下死点”的出现,这也是具有较长伸缩距的液力加压器才能做到的。

3 结论

过去由于认识不足,设计的液力加压器伸缩行程太短,不能有效地发挥其应有的作用,也很难从实践中找到正确的结论,严重影响了该工具的应用与发展。本文明确提出了液力加压器产生的推力钻压在地面钻压表中显示“零钻压”的概念,对于指导现场正确地使用液力加压器具有一定的作用。

[1] 汪福华,刘寿军,张 玉.SL-160型液力加压器的研制及应用[J].石油矿场机械,2002,31(6):36-37.

[2] 唐玉渤,秦利民,赵希江.长伸缩距液力加压器的研制[J].石油矿场机械,2010,39(3):85-86.

[3] 谢桂芳.水力加压器在钻井施工中的作用[J].石油矿场机械,2009,38(5):89-91.

[4] 汪 楠,陈桂珍.工程流体力学[M].北京:石油工业出版社,2007.

TE921.2

B

1001-3482(2010)06-0079-03

2009-12-10

马泽永(1974-),男,河北海兴人,1998年毕业于西安石油学院机械设计及制造专业,主要从事井下作业工作。