井底壓力控制工具的設計與計算驗證

鄭瑞強，陳國慶，李相勇，王 偉，李 博

（1.大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶 163413；2.大慶鉆探工程公司機械修理廠，黑龍江大慶 163413）

1 技術研發背景

隨著油田勘探向深部地層的發展，深井鉆井的數量逐年增多。由于井深的增加，鉆井液柱對井底巖石的壓持效應加劇，使鉆進過程中破巖和清巖的難度加大，導致鉆頭破巖困難，機械鉆速降低，鉆井成本升高。針對這一難題，國內外研究了井底局部負壓脈沖鉆井技術和環空舉升降壓鉆井技術，在井下形成相對負壓區域，改善井底巖石的受力狀況，降低井底巖石壓持效應，有效地提高了機械鉆速。國外的Tempres公司、Waltech公司，國內的勝利油田鉆井院等都開展了相關技術的研究，并取得了一定的效果。

國外，2002年2月，美國Tempress公司在貝克休斯公司的實驗區對負壓脈沖鉆井系統的樣機進行了現場試驗，試驗表明，該系統在硬巖石鉆進可提高機械鉆速50%以上；加拿大的Waltech公司在20世紀90年代初設計了一種基于附壁射流原理的負壓脈沖工具，該工具能根據地層的需要，控制負壓時間的長短。

2002年國內開始研究負壓脈沖鉆井技術，根據水力脈沖破巖機理和瞬變流理論，設計了機械阻斷式水力脈沖鉆井工具，現場試驗證明，該工具可提高機械鉆速10%以上。另外還研制了一種鉆頭腔內轉子調制式脈沖鉆井工具，現場試驗證明，該工具原理可行，能夠提高機械鉆速，但工具可靠性較差，壽命低。

為此，我們設計了井底壓力控制工具。

2 方案設計

2.1 結構及工作原理

（1）結構。井底壓力控制工具由動力系統和壓力轉換系統等組成，如圖1所示。

圖1 井底壓力控制工具結構示意圖

鉆井液經由鉆桿進入動力系統，分流后，一部分鉆井液驅動動力系統，另一部分鉆井液經由動力系統心軸進入壓力轉換系統心軸，動力系統通過系統聯軸器驅動壓力轉化系統，壓力轉化系統將心軸內部鉆井液增壓后從鉆頭高壓噴嘴噴出。該方案將對待鉆地層產生以下三方面的影響：

①有效清巖，避免鉆頭重復切削；

②高速噴出會對小于1/4的待鉆地層產生壓持效果，但會對其他低速鉆井液進行增速，依據伯努利原理，液體動壓與靜壓之和為常數，從而使近3/4的待鉆地層產生相對負壓；

③高低壓交替將對待鉆地層產生脈動效應。

以上三方面均可提高機械鉆速。

（2）工作原理。通過井底壓力調整改變巖石的受力狀態，提高鉆頭破巖效率，有效提高深層鉆井機械鉆速。通過井下動力發生工具，將鉆桿內的鉆井液在鉆頭處局部加速，產生高速射流，在切削齒部位產生局部負壓區，利于破巖。

（3）主要技術參數。

①工具最大外徑：?180mm；

②工具最小內徑：?45mm；

③工具最高使用溫度大于200℃；

④工具總長：1900mm。

2.2 計算驗證

（1）工具的功能關系計算驗證。假設泵壓為20MPa，總排量30L/s，則地面鉆井泵能夠提供的總能量為：

對于3000m井深的循環壓耗為6.32MPa，則它所消耗的能量為：

對應于3000m井深的鉆頭常規噴嘴壓降為6.18MPa，該井深條件下的鉆頭所需水功率為168.714kW。

設計的離心泵葉輪為Q20型，轉速2880r/min，軸殼長5m，169級數，出口處可增壓17.5MPa，額定流量為2.3L/s，功率58.25kW，根據QN20型電泵曲線得此時效率為63%，則要將這個流量的鉆井液增壓17.5MPa，所需要的有效功率為58.25÷63%=92.46(kW)。

設計流經渦輪的鉆井液為27L/s（此處考慮了渦輪頂隙泄漏），渦輪共11級，單級有效功率為9kW，單級壓耗為0.535MPa，則11級渦輪消耗的總功率為0.535MPa×11×27L/s=158.895kW，輸出的有效總功率為9kW×11=99kW。

因此，3000m井深，整個鉆井系統所消耗的總能量為：

189.6+168.714+158.895=517.209(kW)＜600kW

11級渦輪的輸出功率99kW大于離心泵消耗的功率92.46kW。

綜上所述，從工具的功能關系的角度來講，設計可行。

（2）外殼最小壁厚，壓力轉化系統中心總成最小壁厚計算驗證。

①外殼最小壁厚計算驗證：工具外殼最大直徑為?180mm，最大內徑為?152mm，壁厚為14mm，材料為40CrMnMo，內加厚5寸鉆桿壁厚為7.52mm，內外加厚5寸鉆桿有兩種，壁厚分別為9.19mm、12.7mm，通過類比，壁厚14mm的工具外殼滿足強度要求。

②壓力轉化系統中心總成最小壁厚計算驗證：壓力轉化系統中心總成壁厚最小的零件為力神泵業提供的壓力轉化系統中心總成殼體，壁厚為7.5mm。該件為成熟產品，滿足強度要求。

③碟簧彈力計算驗證：設計碟簧的主要目的是為中心總成下密封體提供預壓力，從而保證在離心泵未工作時，起到密封和防止小顆粒破壞錐部密封面的作用。根據尺寸要求，選取碟簧A 35.5 GB/T 1972-2005，具體尺寸為D=35.5mm，d=18.3mm，自由高度為H=4H0=4×2.8=11.2(mm)，安裝時壓縮量定為4f=4×0.3=1.2(mm)（f為單個壓縮量，該碟簧最大壓縮量為0.6mm），剩余高度H-4f=11.2-1.2=10(mm)。

3 結論

井底壓力控制工具原理可行、結構設計合理，并通過工具的功能關系計算、外殼最小壁厚，壓力轉化系統中心總成最小壁厚計算以及碟簧彈力計算，進一步驗證了工具的可行性，為進行進一步深入研究，優化完善工具結構，使其達到預期的提速效果，提供了有力支撐。