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水力加压技术在石油钻井中的应用
山东伟创石油技术有限公司
概述
水力加压技术是一项广泛应用于工业生产及其产品中的实用技术。根据其液压能转化为机械能的原理研制的水力加压装置,应用于石油天然气钻井作业中,可以在不消耗额外能量、不需要其它特殊设备的情况下,利用循环钻井液产生的液压力给钻头加压,从而为钻头提供一个稳定的钻压,有效地改变下部钻具的受力状态,改善钻头和钻具的工作条件,达到加
快钻井速度、延长钻头、钻具的使用寿命、减少井下事故、保证井身质量、减轻司钻劳动强度的目的。常规钻井是靠钻头上部的钻铤重量给钻头加压,为了获得稳定的钻压,需要司钻小心翼翼地精心操作,均匀送钻。采用液力加压技术给钻头加压,不但可使钻头获得稳定的钻压,而且还能起到吸震防跳、保护钻头钻具、实现自动送钻、保证井身质量等作用。是石油钻井中一项投入小、效果明显、容易操作的实用技术,值得推广应用。在20 世纪90 年代国外首先将液力加压技术应用于石油钻井中。国内应用此项技术是在1996 年塔里木油田所钻的和4井,—。随后国内西南石油学院、山东伟创石油技术有限公司等也开始研制相应工具,现场试验均取得了一定的效果。但是由于多数现场技术人员对此项技术了解较少,对其工作原理及井下钻具受力情况仍有不同认识,现场试验应用的范围有限等,因而使得该项优越的技术不能广泛推广。下面结合试验水力加压装置的现场实践,论述液力加压装置的工作原理,分析其使用前后钻具在井下的受力状态,总结其所起的作用,回答使用该装置时人们可能存在的一些疑问,提出现场应用的几种钻具组合。旨在为推广应用此项技术提供理论依据和技术支持。
一、结构与工作原理
1、基本结构
如图1-1所示:根据水力加压原理研制的水力加压装置(单级)由上接头、缸体(外筒)、活塞、心轴(花键轴)、花键体、下接头等组成。其基本结构简单,加工制造容易。
2、工作原理
水力加压器在使用时连接在靠近钻头的下部钻具中(上接钻铤,下接钻头)。钻进(工作)时,开泵循环钻井液,钻具内高压流体直接作用于活塞端面上,产生推力推动活塞下行,
下接头花键轴传动轴低压腔活塞缸套高压腔上接头
通过与活塞相连的心轴(花键轴)传递推力给钻头,此推力即为钻进时所需钻压。
3、液压力计算
钻井液从钻井泵→地面管汇→高压立管→水龙带→水龙头→钻具内→钻头(喷嘴)→环空→地面钻井液罐→钻井泵,形成一个循环系统,从而泵压为:泵压=所有地面管汇压耗+钻具内压耗+钻头喷嘴压降+环空压耗当井身结构、钻具组合、钻头喷嘴、钻井液密度、排量等一定时,钻具内某一点处的液体压力是可以计算出来的。那么,在水力加压装置活塞上面(高压腔内)的液体压力也是可以求出的。即:液体压力P=钻头喷嘴压降Pb+加压装置以下钻具内压耗PL又当液力加压装置加工成后,其基本尺寸一定,通过计算即可求出当量面积S(或厂家给出计算面积)。
4、钻压计算
由上述分析可知:施加在钻头上的钻压的大小,与作用于活塞上的液体压力、活塞有效面积以及液力加压装置以下钻具、钻头的重量成正比。即
W=F+G1+G2+G3
式中:W——施加在钻头上的钻压,kN
G1——传压杆及接头重量,kN
G2——液力加压装置以下钻具重量,kN
G3—