高效破岩技术(第二讲).pdf

第二讲 水力破岩能量有效利用 在石油钻井中,充分利用水力能量,以有效的强化水力辅助破岩作用 和清岩效果，是提高破岩效率的重要措施之一。强化水力辅助破岩作用 效果的实质在于增加井底水马力，早期的高压喷射钻井技术在软地层中 （浅井）有效的提高了钻井速度，但在较硬地层中或深井中常规的高压 喷射钻井技术已难以发挥作用，近十几年来人们开始探索新一代水力辅 助破岩方法与配套工具设备。必威体育精装版的成果如下： 一、新一代高压喷射设备 二、超高压喷射技术 三、脉冲射流技术 一、新一代高压喷射设备 发展方向： ①高压、大排量泥浆泵。泵压达到30MPa的泥浆泵已经问世。 ②增加钻杆直径，减少沿程损耗，增加钻头压降。 井深2500m不同尺寸钻杆的沿程压耗对比 二、超高压喷射技术 超高压喷射钻井技术研究经历了三个阶段: 第一阶段地面全排量增压,因地面机泵经受不了长时间超高 压运转而终止; 第二阶段是地面局部排量增压,即地面两套机泵组,井下是 内外双管,但因承受高压的内管密封可靠性和安全性问题而终止; 第三阶段井下局部排量增压,即地面是常规机泵组,在钻头 上方安装增压器(井底超高压喷射钻井技术) 1.地面泵增压技术 70年代,美国便开始进行将高压射流技术应用于深井钻井的研究 与试验。Mauer等提出利用地面装置,将整个循环钻井液的压力提高到 68～105M Pa,在5口3000m左右的深井中进行了试验,机械钻速提高 2～3倍。由于该技术要求整个循环系统承受很高的压力,尽管可以获 得很高的机械钻速,但未能推广应用。因为当时钻井泵、地面循环管汇、 钻柱、钻头等均不能在这样高的压力下可靠地工作,甚至会使钻井作业 出现难以想象的危险。 2.射流辅助双管钻井系统 80年代末90年代初,美国Flow Dril公司研制出一套用于射流 辅助双管钻井系统,在地面上利用增压泵将小排量(约2.5L/s)的钻 井液压力提高到200M Pa以上,采用双通道钻柱把大量的常规钻井液 和小排量的超高压钻井液同时送到钻头。超高压钻井液从钻头上的 特殊喷嘴射出,以500m/s以上的速度冲击破碎岩石;而常规钻井液 仍从普通喷嘴喷出,清洗井底和携带岩屑。该系统需要独立的高压 地面管汇、立管、水龙带、双水龙头和双层方钻杆。 应用该技术，机械钻速比常规钻井提高2～ 3倍,证明射流辅 助钻井可以大幅度提高钻井速度。但该系统存在可靠性差、寿命短 以及使用不方便等问题,而且价格昂贵,用户难以接受,未能获得推 广应用. 3.井底超高压喷射钻井技术 井底超高压喷射钻井技术是基于水力与机械联合破岩方法和 水力增压原理,开发的一套具有射流式井底增压装置和新型双流 道高效破岩钻头。 井下超高压泵装在钻头上方,钻井液以常规排量通过钻柱送 至井下超高压泵,井下超高压泵将大约10-30%的钻井液加压至 100MPa以上。这部分超高压钻井液通过钻头的专用流道到达钻 头的专用喷嘴,而未加压的钻井液流向普通喷嘴。 1)井下增压器结构及工作原理 n 该增压器由以下三部分组成:进出液部分控制部分、增压部分。 图1 射流式井下增压器总成 井下增压器的工作原理： 来自钻井泵的钻井液经钻具进入增压工具,假定大活塞处于上位,此 时二位三通阀亦处于上位,活塞腔下腔与节流器下部低压腔相通,上腔与 射流元件进口相连。在节流压降静压差的作用下,钻井液推动大活塞向 下运动,推动增压小活塞向前运动增压,增压后的高压液体经高压管路输 出至钻头特殊喷嘴。 大活塞运动至下死点,推动二位三通阀换向,此时大活塞下腔与节流 器低压端关闭,打开射流元件与下腔通道,利用射流附壁切换功能在射流 动压差作用下将两级大活塞及增压小活塞推至上死点。此时增压小活塞 通过单流阀进液,完成一个增压过程。如此循环,实现相对稳定的射流输 出。 2)超高压双流道PDC钻头工作原理 超高压双流道PDC钻头是一种具有射流辅助作用的钻头。钻头的 内部结构设计不改变普通PDC钻头基本设计原理和方法,为五刀翼、大 复合片PDC钻头,主要是在钢体PDC钻头的内部设置超高压管,与井下增 压器直接相连,利用井下增压器输出的超高压射流直接切削岩石,实现 水力机械联合破岩