螺杆钻具提速技术研究

2020-05-22 12:51许开杰张全善
石油研究 2020年1期

许开杰 张全善

摘要:随着钻井工程的快速发展,螺杆钻具也有了长足的发展。作为将钻井液压力能转换成机械能的井下能量转换装置,螺杆钻具已由起初的定向井、大位移斜井,水平井及一般直井,发展到近些年的大规模推广的直井复合钻井及河流穿越工程等领域。本文是参考当前国内外关于螺杆钻具前沿技术研究,结合了钻井工程对钻具的要求,旨在螺杆钻具的输出转矩,钻速,效率,以及钻井成本得到合理的协调,通过对钻井实例的分析和对螺杆钻具不同工作状况下的研究分析,并简要给出了对螺杆钻具提速技术的建议。

关键词:螺杆钻具;钻速;工作参数;PDC钻头

1 前言

PDC钻头破碎岩石的作用机理与牙轮钻头相比有着本质上的不同,它完全是靠切削破碎地层而不是靠压入破碎地层,因此,PDC钻头的切削速度与转速成正比关系,而钻压对其切削速度影响不大。也就是说,PDC钻头适合于在较高转速、低钻压条件下作业。因为在转盘钻井中,随着井眼的加深(2000m以深),大部分的井段只能采用一档(60r/min)钻进,所以,仅仅靠转盘不能充分发挥PDC钻头的作用。而螺杆钻具的高转速(与转盘转速相比较而言)可以为PDC钻头提高切削速度提供井下动力保障,因此,螺杆钻具配合PDC钻头可以大幅度地提高机械钻速。

2 螺杆钻具应用情况

2003年在某区块井三个井段进行了“螺杆钻具配合高效钻头”提高钻井效率的试验研究。第1次在3727.40-3751.87m,进尺24.47m,机械钻速0.87m/h,钻速比牙轮钻头提高20.83%;第2次在3756.77-3898.83m,进尺142.o6m,机械钻速l.27m/h,比牙轮钻头进尺提高近2倍,钻速提高75.83%;第3次在4200.26-4305.45m,进尺105.19m,机械钻速0.74m/h,钻速比牙轮钻头提高60.87%。试验结果表明,使用“螺杆钻具配合高效钻头”不仅能提高深部井段的机械钻速,而且如果钻头、地层和螺杆钻具三者匹配合适,其它参数选用得当的话,提高钻速还有很大潜力。

2.1 螺杆钻具配合PDC钻头注意事项

2.1.1 PDC钻头的破岩机理

PDC钻头是70年代后广泛应用于石油钻井中的一种高效破岩钻头。其基体主要有鱼尾形、浅锥形、短抛物线形和抛物线形4种形式。由于聚晶金刚石片与碳化钨基片之间的有机结合,使得PDC齿具有金刚石的硬度、耐磨性、抗冲击-自锐能力以及热稳定性(其耐温上限为700℃左右)。PDC钻头主要以剪切方式破岩,机械钻速高,岩屑产出量大,但必须依靠水力能量进行强制冷却和清屑。切削齿前面的岩石在挤压下产生弹性和屈服变形,并形成初始滑移破坏面。当初始滑移破坏面极限点处岩石的剪切应力τ>τs(岩石的屈服剪切应力)时,切削齿齿面以下岩石开始发生膨胀,并沿极限破坏面开始滑动。随着滑移破坏面的移动,被破碎的岩屑将沿切削齿前面(或终止破坏面)流出,最后完成切削。即切削层从产生弹性变形到滑移破坏,被破碎的岩屑在高射流冲击作用下迅速离开井底而流向环空的过程。其实质是岩石在挤压下以滑移变形方式切削,在钻压作用下能够自锐地吃入地层,在扭矩作用下向前移动剪切岩石。

2.1.2 钻进时的注意事项

(1)选择螺杆钻具 在选择使用螺杆钻具时,要结合油井的实际情况,按照各类型钻具的性能规范,选择合适的钻具,避免钻具超负荷工作。

(2)钻杆刚性 在定向井或侧钻井中使用螺杆钻具时,若用铝合金钻杆,应将所计算的反扭角乘以3,因为铝合金钻杆的刚性大约是钢钻杆的1/3。

(3)采用适当的排量 因2种钻具(纳维和代纳)同属定排量容积式马达,只要排量一定,其他参数也就随之确定。只有将排量控制在规定的范围内,才能使工具发挥最大的工作效能。

(4)含砂量的要求 泥浆中的固体颗粒对工具的危害性很大,若含砂量大于5%,工具效能将降低50%。严重时会使工具大修或报废。因此,含砂量应控制在0.3%~ 0.5%以下。

(5)要考虑井斜所产生的摩擦阻力 在确定定向井钻压时,应考虑由于井斜产生的摩擦阻力。具体方法是采用实测法,即在不同的井段反复上提下放钻具,从指重表上记录每次的载荷变化,计算出摩阻值后,再附加到应施加的钻压上,以确定轴承载荷。

(6)泵压计算 在使用螺杆钻具时,通过立管上压力表的压力变化,可较准确地判断钻头在井底的工作状况以及钻井参数的变化情况。所以在螺杆钻具下井前,应对3种压力降进行较准确的计算,即,在定排量下的钻头压力降;在定排量下,全部钻柱和地面管匯的压力损失。计算可参考喷射钻井的管汇压力损失计算方法;要附加马达空转时的压降。环空压耗的计算,亦与喷射钻井计算方法相同。

2.2 不同工况下使用螺杆钻具时的注意事项

2.2.1 起下钻过程

(1)将螺杆钻具提上钻台后,用木棍向下压旁通阀活塞,检查能否正常工作。然后联接方钻杆,开泵观察钻具是否转动。开泵时间不宜太长,只要能够看见钻头转动即可。

(2)下钻至距井底0.50~1.00m左右,开泵并记录此时的泵压。

(3)在定向井下入钻具测斜定向后,应上提下放活动几次钻具(一般5~9 m左右),每次活动钻具后间隔少许时间,以消除定向时由于钻具转动引起的扭力,确保弯接头就位。

2.2.2 钻进过程

下钻完,距井底1 m左右启动钻具,并记录立管压力。然后慢慢加压钻进,直到压力升至计算的立管压力。在整个钻进期间,要保证钻压稳定,并密切注意泵压的变化,要保证立管总压降不大于该型钻具允许的马达最大压降,若压力突然上升的幅度较大,应立即停泵并上提钻具,然后重新启动钻具并钻进。若多次调整无效,应立即起钻。

3结论

(1)控制螺杆钻具压降和排量和对于螺杆钻具输出性能至关重要。

(2)等壁厚定子螺杆钻具和耐油耐高温耐磨砺橡胶配方的研制是当前螺杆钻具研制的热点和关键技术之一,其成功应用可有效提高螺杆钻具的性能,并延长使用时间。

(3)螺杆加PDC钻头复合钻具有效的提高了大港油区的钻井速度,并使井身质量得到有效保证。

参考文献:

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