震击器和螺杆钻具在钻井事故处理中的结合运用

2022-08-13 07:30陈晓勇
中国新技术新产品 2022年9期
关键词:锥子钻具螺杆

陈晓勇

(湖南省矿产资源调查所,湖南 郴州 423000)

0 前言

钻探施工中发生井内事故在所难免,尤其在绳索取芯钻探工艺中,绳索取芯工艺钻杆与井壁间隙很小,通常在2~4mm,钻具下部岩芯管的扩孔器上都没有空隙。因此一旦发生事故,钻具遗留井内,而且处理事故的方式有限。为了避免报废钻井造成巨大的损失,该课题研究了如何结合运用震击器和螺杆钻具来处理井内事故。

1 震击器和螺杆钻具的认识

1.1 震击器

震击器是一种典型的震击类的解卡重要工具,但因为价格比较昂贵和行业交流欠缺的原因,导致在我们小口径钻探中几乎很少用到震击器。它一般用于油井中深井的砂卡、封隔器卡和落物卡等卡钻事故。

工作原理:GS95型超级震击器是通过锥体活塞在液缸内的运动压缩液体和钻具被提拉贮能来实现上击动作的。安装在超级震击器上方的钻具被提拉时,超级震击器的锥体活塞压缩液体,由于锥体活塞与密封体之间的阻尼作用,为钻具贮能提供了时间。当锥体活塞运动到释放腔时,随着高压液压油瞬时卸荷,钻具突然收缩,产生向上的动载荷,为被卡的钻具提供巨大的打击力。

震击器的规格和性能参数见表1。

表1 震击器规格性能参数表

1.2 螺杆钻具

螺杆钻具是一种井底动力钻具,有许多突出的优点,在绳索取芯钻井中应用最广泛,也是在钻井过程中常用的一种定向、造斜、纠偏工具。

工作原理如下:螺杆钻具是一种把液体的压力能转换为机械能的能量转换装置。它是以泥浆为动力的一种井下动力钻具。泥浆泵排出的高压泥浆液流入旁通阀,使阀芯关闭,泥浆在马达进出口处形成一定压差,推动马达的转子旋转,并将扭矩和转速通过万向轴和传动轴传递给钻头,达到钻井的目的。

2 击器和螺杆钻具在页岩气钻井中的结合运用

现结合2019年云南宣地1井页岩气钻探施工项目中的事故处理过程来浅谈液压震击器和螺杆钻具的实际结合运用。

项目情况如下:云宣地1井是一口页岩气调查井,设计井深1680m,终井井径95mm。井身结构为五开结构:194mm套管下至井深9m,168mm套管下至井深37.5m,146mm套管下至井深44.35m,114mm套管下至井深275m处,以下口径为95mm。

井内事故情况如下:在施工过程中,由于跑钻导致钻具滞留井内,事后用89mm公锥进行处理,在上提时,因锥子锥得不够牢固,再一次脱落,在反复脱落的过程中,钻具多部位受损,在井内形成喇叭状贴紧井壁,使简单的跑钻事故变成了复杂的井内事故。最后一次用公锥提钻的过程中,钻杆从679m处脱落,至此导致井内遗留780m钻杆,然后再也无法用此方法进行事故处理作业。事故处理作业处于僵局状态。

综上所述,目前井内钻具滞留的主要原因是钻具受损后,紧贴井壁形成了较大的上提阻力,导致公锥反复脱落,强行硬拉只能使井内情况变得更加复杂。根据井内现状,该文决定用石油钻井中处理事故的一种常用处理工具液压震击器对剩余的井内钻具进行处理。当滞留井内钻具所剩不多后再采用螺杆钻具进行偏斜绕障的方式完成最后的钻探工作量,达到完井的目的。

2.1 震击器的运用

震击器运用于事故处理前需要进行一些必要性测试。首先,检查液压油的情况,如果需要添加压油,应当使震击器处于拉开状态,然后注入用L-HM32抗磨液压油。

其次,在试验架上用45kN的拉力进行拉压试验。此过程应该均匀、平稳、缓慢、无急跳和爬行现象,并反复进行三次。接着调定试验架活塞杆空载运动速度为400~650mm/min,试拉3~5次,其震击释放力符合规定的标定释放力要求为合格。若不合格,就将产品拆卸检查,排除故障后再重新试验。

运用震击器处理事故前,部分配件的加工如下。震击器一般用于石油钻井中,在页岩气和小口径的钻探施工中运用很少,因此扣型与我们现有钻具扣型不匹配,在连接前首先加工对应接头。震击器上部是API接头螺纹,接头类型NC26,按照(图1)标准加工一个震击器上部连接头,接头上部通过钻杆接箍连接89mm钻杆。震击器下部再加工一个圆接箍,接箍上部为API接头螺纹,下部接头类型NC38的89mm钻杆扣加工成上公下母的形式,上部连接震机器,下部连接89mm公锥。

图1 震击器上部丝扣加工图

打捞钻具的连接方式采用89mm钻杆接箍(上公下母)+GS95震击器接箍(上公下母)+89mm公锥。将连接好的打捞钻具下入井内,当锥子到达678m左右后合上立轴,轻转钻机让钻具缓慢下行,当锥子与事故头触碰后,采用逐步加压的方式进行加压旋转,让锥子与事故头充分吻合。在操作中我们通常采用钻机的受力状态的改变来判断是否连接牢固。对接操作完成后,即可进行震击提拉钻具。在钻具提拉过程中,锥子与事故头虽然连接,但在上提过程中无法受力迅速脱落。多次尝试对接、提拉无果,锥子与事故头无法稳固连接,因此震击器在本次打捞中发挥不了震击作用,需要重新分析研判井内情况,制定钻具连接方案。失败原因分析如下。锥子与事故头充分接触后,无法承受钻机的上拉力,考虑事前用公锥反复处理落鱼时已对事故头造成严重劈裂,在钻机加压往下推移的过程中,锥子还没有完全与事故头吻合,GS95震击器就已经顶住了事故钻杆,使打捞钻具无法继续下行,导致公锥与事故头不能进行有效吻合。要达到充分连接的目的,打捞钻具应有足够的下行距离,使公锥锥到事故钻具体的完整部分,才有可能满足钻机的提拉力并抵抗住震击器的瞬间震击力。

针对井内实际情况,现对打捞钻具进行如下改良连接。第一次事故处理时GS95震击器直接连接了89mm公锥,这种连接局限了锥子往下充分推动的行程,因GS95震击器基本与事故钻杆同径,阻力点在震击器下部,要解决这个问题只需要在震击器下方连接一根6米长的50钻杆,然后将89mm公锥连接到50mm钻杆端,这样连接后的锥子碰到事故钻杆后往下推移的最大行程就达到了6米以上,于是就解决了锥子与事故头不能充分连接的难题。在这个过程中需要加工一个圆接箍,接箍上部API接头螺纹连接震击器,下部连接普通50mm钻杆,圆接箍按上公下母的形式设计加工。改良后的具体连接方式为89mm钻杆接箍(上公下母)+GS95震击器接箍(上公下母)+50mm普钻钻杆接箍(上公下母)+89mm公锥。

将改良连接好的钻具组合下入井内,当锥子下至井内678米左右处,采用轻压慢转的方式进行对接,钻具下到682米时,钻机旋转明显受力,初步判断锥子与事故头吻合。为了确保震击器充分闭合,用钻机往钻柱上施压,使钻柱传递到超级震击器心轴上的压力约3~4吨为宜。提钻震击时,应把握好提钻的速度和拉力,使钻杆产生一定的弹性伸长度,然后刹住刹把,等待震击器启动震击。因井下情况的不同,震击所发生的时间会有差异,因此需要根据具体操作进行初步判断,像这种井内事故震击后需要再一次震击或者多次震击才能产生明显效果,因该井内钻具变形较为严重,第一次震击后并无明显效果,根据震击器的工作原理,只能对井内钻具进行多次反复的震击操作,来实现滞留井内钻具解卡的目的。

震击器的效果分析如下。通过震击器反复多次震击后,滞留在井内的780米钻杆提上来546米。效果比较显著,同时为下一步的事故处理奠定了良好的基础。

2.2 螺杆钻具的运用

通过GS95震击器的反复震击打捞,目前井内仍遗留钻杆234m,且钻杆内有之前处理事故脱落已损坏的可退式打捞矛,无法开展震击打捞工作。此时,为了如期完成该项目的施工,可以采用螺杆钻具偏斜绕障的方式完成后面的工作量,达到完井的目的。

目前,国内外修井专家都一致把侧钻技术作为尽快解除井下事故行之有效的手段。且该次使用的螺杆钻具侧钻技术适用范围广、可靠性高、对完井作业影响小,应用广泛,是常规的钻井技术之一,因此该次采用螺杆钻具绕障侧钻完井是比较理想的方案。

云宣地1井具备了侧钻施工的条件如下:1) 侧钻部位以上的裸眼井段岩性为粉砂质泥岩和泥质粉砂岩,砂质含量高,岩石强度大,稳定性高,能够产生稳定连续不断的造斜力。2) 事故头以上至侧钻点有足够长度注入水泥塞,能避开原井眼的复杂情况对钻新井眼的影响。3) 为避免井下地层压力较低或较高而发生压差卡钻,故在侧钻过程中会重新调配钻井液,并加入润滑剂或用防卡钻井液体以防止卡钻。

该井的事故头在1225米,要确保用1.25°的螺杆钻具在偏斜的过程中有足够的行程距离,当钻具到达井内1225米处时,已经成功开出新眼绕过障碍。首先,通过三角函数公式tan=/计算出到达井深1225米处时已经完全开出心眼的理论长度为=2.8米,这里需要考虑井的自身倾斜度和实际偏斜钻进中的误差值及水泥塞的硬化强度等多方面的因素,结合理论数据并参考经验值,最后决定该次侧钻水泥塞长度设计为30m。

钻头选取:对岩石可钻性5级以上的地层一般选用金刚石钻头。

钻具选取:钻具选取应根据侧钻井眼轨道设计(包括井眼大小、井眼造斜率和井斜角的大小)及地层的软硬程度进行选择。对一些侧钻点深、地层硬度大、井眼大、井下侧钻点处情况复杂的井,应采取大弯度螺杆钻具进行侧钻。云宣地1井侧钻点相对较浅,井下侧钻点处地层硬度适中、井眼小,井下情况简单,故本次侧钻钻具采用1.25°螺杆即可满足侧钻要求。

综上所述,该试验的钻具组合为89mm钻杆+75mm螺杆(1.25°)+95mm金刚石钻头。

打水泥塞:按照计算出来的水泥塞的长度30米的标准进行注入,水泥浆液的比例按照1∶1的比例进行调配。根据井内情况,使用高标号水泥,采用水下灌注法注水泥塞,封隔住1195~1225m井段,并取样检测水泥的强度候凝48h,当水泥的强度满足要求后,调整好钻井液的性能下钻造斜。

侧钻造斜:螺杆钻具下入井内之前先对定位槽、旁通阀、马达间隙几个部位进行检查。以上部位无任何异常后计算出螺杆马达所需的泵压。事故处理时,泥浆泵泵出的钻井液路径为立杆-水龙头-钻杆-螺杆钻具(马达)-通过钻头水眼及环空返回地面。在泥浆的循环过程中,泥浆本身的摩擦和钻井液与管壁、井壁的摩擦及各局部流动造成的损失都会消耗一部分的能量,该能量损失通过压力损失体现出来,然后把各部分的压力损失累加,就可得出压力损失之和。计算出总压力损失后,这个数值可以作为泵压的一个参数。其实这种计算压力损失的方法太复杂,在实际运用中常采用另一种方法进行计算。操作中,只要将钻具适当提离井底约1m左右,把泥浆泵挂到档位4(理论流量250L/min,理论压力2.5MPa),主管压力表上的读数值为2.95MPa,那么这个数值就是总压力损失值。得到压力值后就可以开始进行侧钻造斜施工。将螺杆钻具下入井内施工前应该保证钻头离井底约0.5米,启动泥浆泵且知晓压力表所显示的数值,并与之前计算出来的压力值进行比对,假如该数值比之前计算出来的压力数值大,需要认真分析导致压力过高的原因。出现这种情况有以下几个方面的因素:第一,由钻头侧钻引起;第二,钻头水眼被堵或转动轴被卡死,如果是这样,此时循环压力要比计算压力高得多,就需要及时进行处理,才能继续进行偏斜钻进。假如循环压力正常,则从侧钻点1195m处开始造斜。侧钻造斜开始时必须控制钻时钻压及排量等重要参数,故侧钻造斜时尽量控制钻压在10kN内,泵压4~6MPa,排量145L/min,控制钻速在0.1m/10min~0.1m/15min。当侧钻偏斜钻进进尺速度越来越缓慢时,说明钻井轨迹已经逐步由水泥塞往原始地层方向在钻进。在钻进至井深1220米或者1225米时,偏斜井深已经钻进完成,远远超过计算出来的偏斜深度。此时可以将钻具换成正常钻进的钻具组合,即95mm钻头+95.5mm扩井器+95绳索取芯双管钻具+95mm绳索钻杆+专用接头+主动钻杆进行取芯钻进。通过偏斜后第一次取芯(图2左)情况判断,新钻井还没有完全形成,因此在后续的钻进中还得将钻进压力控制在10kN以内,以确保钻具的运行轨迹沿着螺杆钻具造斜的方向钻进。当提取的岩芯是完整新地层岩芯后(图2右),证明造斜成功,此时可以调整正常钻进参数钻进。

图2 岩芯

3 结语

该研究在云宣地1井事故的处理中充分将GS95液压震击器和1.25度的螺杆钻具的功能进行有效组合使用,把该事故的损失降低到了最小,并如期完成了该项目的施工。在钻井施工中多种工具的结合使用能在很大程度上提高事故处理的效率。各种大小钻钻井施工原理相通。所以石油钻探中很多工具和方法同样值得在小口径钻井施工中去学习和运用。

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