液力加壓器使用中的相關問題探討

馬澤永,姜東哲,楚合川,蔣成偉,賈 洋

(1.勝利油田井下作業公司修井作業大隊,山東東營257077;2.川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司機械廠,重慶401124;3.大慶鉆探工程有限公司大慶鉆井一公司,黑龍江大慶163411)

液力加壓器使用中的相關問題探討

馬澤永1,姜東哲1,楚合川2,蔣成偉3,賈 洋3

(1.勝利油田井下作業公司修井作業大隊,山東東營257077;2.川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司機械廠,重慶401124;3.大慶鉆探工程有限公司大慶鉆井一公司,黑龍江大慶163411)

液力加壓器的研究與應用在我國已經有幾十年的歷史,但是一直沒有得到很好的推廣應用。就該工具使用中存在的問題進行了分析,從確定工具級數、調整鉆頭噴嘴直徑、采用鉆鋌配重、配置鉆具、與螺桿鉆具配合等方面提出了合理使用液力加壓器的建議,使該鉆井工具得以發揮應有的作用。

液力加壓器;應用;配置

液力加壓器是一種應用于鉆井修井等作業中能量轉換裝置,利用循環泵泵壓為動力把液體壓能轉化為鉆壓的一項新型鉆井技術,改變了常規鉆井或其他作業是靠下部鉆鋌的重力施加鉆壓的方式,使鉆頭或下部部分鉆具與鉆柱中的其他部分柔性連接,將鉆鋌給予鉆頭或其他工具的剛性加壓變為液力柔性加壓,克服了剛性加壓的種種弊端,從而達到高速度、高質量、低成本鉆井的目的,其功能和作用[1-2]如圖1。

但在現場使用時卻不能夠發揮其應有的效果,因此有必要對現場使用進行探討[3]。

圖1 液力加壓器功能和作用

1 問題分析

多次實踐說明,液力加壓器產生的推力在鉆壓表上是不顯示的,即,推力不在上部鉆具上產生反作用力,鉆頭接觸井底和不接觸井底鉆具懸重不變化。

當忽略鉆頭噴嘴面積時,推力就是結構系數與壓差的積。由此可知,在忽略鉆頭噴嘴面積的情況下,推力的大小只與液力加壓器以下的壓力降(壓差)和本身的結構有關,與其他因素無關,該壓差是底部鉆具內比環空大的部分△p,推力是液體壓差產生的[4]。可以理解為:

a) 在沒有加入液力加壓器之前壓降△p也存在,它未給鉆具一個反作用力,而是使鉆柱產生拉伸伸長。加入加壓器之后,把鉆柱從加壓器分開,加壓器殼體和上部鉆柱為A部分,心軸活塞以下(有馬達和鉆頭)為B部分,液壓力只對B部分有一個向下的力(如圖2)。

b) 對A部分來說,它跟沒有加液力加壓器時相似,可以完全不接觸井底(沒有壓并),完全懸空在井眼中。對B部分來說,根據水力學計算,在心軸上活塞和鉆頭內腔處有一個壓差△p,產生一個向下的力,即液壓推力,這個推力在鉆頭未接觸井底時,是作用在鉆柱上的(外殼體上);當鉆頭接觸井底時,受到井底的反作用力而平衡(如圖3)。

2 現場應用研究

2.1 確定工具級數

根據現場經驗或鉆頭生產廠家的技術要求以及動力鉆具的合理鉆壓,確定鉆進的鉆壓G,然后,根據鉆頭噴嘴的壓降△p(有動力鉆具時要加其壓降),確定結構系數k,即可以選擇級數。

圖2 鉆具受力分析Ⅰ

圖3 鉆具受力分析Ⅱ

2.2 調整鉆頭噴嘴直徑

如果選擇級數之后推力還不滿足鉆壓要求(差別不是很大),可以通過調整鉆頭噴嘴的大小來補償鉆壓要求。

2.3 采用鉆鋌配重

當工具的級數一定(現場條件指級數較少,推力比要求鉆壓小,并且不能再提高壓降的情況),要求鉆壓G確定,工具以下壓降△p確定。即,工具推力G1=系數×△p＜G,這時可以在工具以下加入1～2根鉆鋌配重W,使G≈G1+W。

2.4 配置鉆具

硬地層鉆井時,由于地層較硬,一般使用牙輪鉆頭,牙輪鉆頭這時的主要作用效果是沖擊鑿碎,所以在液力加壓器之下加入1～2根鉆鋌,加大受迫振動的質量,對牙齒鑿碎地層是有好處的,還不至于失去減振作用,1～2根鉆鋌的質量振動不致于造成鉆頭牙齒的損壞。

2.5 與螺桿鉆具配合

當液力加壓器和螺桿鉆具配合(如圖4)使用時,由于螺桿鉆具具有“扭矩與壓差成正比關系”的特性,鉆頭受到地層的“強烈的反作用”發生蹩鉆時,在螺桿鉆具上的扭矩瞬時增加,螺桿鉆具產生的壓降也急劇增加,當螺桿鉆具失速時,就發生蹩泵(除定子橡膠磨損嚴重的情況)。而液力加壓器具有推力與其下部鉆具的壓差成正比關系,也就是說,當鉆頭受到地層的“強烈的反作用”發生蹩鉆時,螺桿鉆具產生的壓降也急劇增加,這時液力加壓器的推力也急劇增大,使鉆頭受到更大的壓力,地層對鉆頭產生的反扭矩增加,蹩鉆更嚴重。但只要鉆進參數選擇得當,液力加壓器與螺桿鉆具的參數選擇合理,就不可能出現連鎖反應的問題。

a) 根據地層和鉆頭的情況,選擇合理的鉆壓范圍。

b) 根據螺桿鉆具的性能優選鉆壓值,選擇好排量,確定該排量下的螺桿鉆具的壓降(螺桿鉆具說明書)。

c) 根據液力加壓器的預定級數,同時考慮優選鉆頭噴嘴大小。

d) 根據預定鉆壓、鉆頭噴嘴壓降和螺桿鉆具的壓降,計算液力加壓器的級數。

圖4 液力加壓器和螺桿鉆具配合使用

在參數優選配合后,液力加壓器始終提供給螺桿鉆具均勻的推力,繼而提供給鉆頭均勻的鉆壓,而地層給鉆頭的反作用力也是均勻的,出現地層對鉆頭“強烈的反作用”的情況就不存在了。當鉆頭與地層發生作用(地層不均質)振動時,由于液力加壓器具有減振作用,鉆頭很容易擺脫地層的約束解除蹩鉆、跳鉆現象。所以,兩者配合好了,不但不會出現那種極端情況,還對保護鉆頭、螺桿鉆具都有好處,但是不管怎樣,螺桿鉆具和液力加壓器配合使用時,合理配置加壓器的推力是至關重要的。

2.6 行程段兩端工作顯示問題

2.6.1 上死點

液力加壓器具有“零鉆壓”顯示,那么到上死點(即伸縮行程全部壓縮)只要壓并就有鉆壓顯示。當下放鉆具,地面鉆壓表只要有鉆壓顯示(比如2～10 kN),就可以知道到上死點已經壓并,停止下放鉆柱,只旋轉鉆柱鉆進,這時除了加壓器的推力外,還多了這個顯示的鉆壓,但停止下放鉆柱,顯示的鉆壓很快就會消失。因此上死點不用專門的限位指示裝置,只考慮下死點的顯示問題。

2.6.2 下死點

a) 如果使用電動鉆機(或頂驅或使用扭矩儀)可以通過扭矩觀察到(扭矩減小,電流也減小),因為到下死點(即伸縮行程全部拉開)后如果不及時下放鉆具,隨著鉆頭鉆進,鉆壓會逐漸減小,并且在設計液力加壓器時就讓第2級活塞的行程略小于整個液力加壓器的伸縮行程,這樣,當第1級活塞到達下死點之前,第1級以上所有級產生的推力都失去作用,鉆壓突然減小(只有一級的推力鉆壓),則鉆機扭矩突然減小,而后又逐漸減小。如果是這樣,就不需要任何指示裝置。

b) 如果是使用機械鉆機,也沒有使用扭矩儀,扭矩大小的觀察就比較困難(有經驗的司鉆通過轉盤轉動聲音和轉盤傳動鏈條的顫動等現象還是能判斷出來的),如果下部使用螺桿馬達,因為底層對鉆頭的扭矩減小,馬達的壓降減小,地面還是能觀察到;如果不使用馬達時就比較困難。但是,司鉆可以根據地層的機械鉆速,及時下放鉆具,通過幾次下放鉆具的時間間隔就可以較好地掌握下放鉆具的合適時間間隔,這樣就可以避免“下死點”的出現,這也是具有較長伸縮距的液力加壓器才能做到的。

3 結論

過去由于認識不足,設計的液力加壓器伸縮行程太短,不能有效地發揮其應有的作用,也很難從實踐中找到正確的結論,嚴重影響了該工具的應用與發展。本文明確提出了液力加壓器產生的推力鉆壓在地面鉆壓表中顯示“零鉆壓”的概念,對于指導現場正確地使用液力加壓器具有一定的作用。

[1] 汪福華,劉壽軍,張 玉.SL-160型液力加壓器的研制及應用[J].石油礦場機械,2002,31(6):36-37.

[2] 唐玉渤,秦利民,趙希江.長伸縮距液力加壓器的研制[J].石油礦場機械,2010,39(3):85-86.

[3] 謝桂芳.水力加壓器在鉆井施工中的作用[J].石油礦場機械,2009,38(5):89-91.

[4] 汪 楠,陳桂珍.工程流體力學[M].北京:石油工業出版社,2007.

TE921.2

B

1001-3482(2010)06-0079-03

2009-12-10

馬澤永(1974-),男,河北海興人,1998年畢業于西安石油學院機械設計及制造專業,主要從事井下作業工作。