石油钻井新型水力提速技术研究

【摘要】随着石油资源的不断减少，石油勘探的重点逐渐的转向了深井硬地层和复杂地层，现阶段在难钻地层还没有高效的钻井技术，钻井速度慢、成本高的问题一直制约着深井复杂地层钻井技术的发展。因此开展新型高效石油钻井技术研究，对于提高石油钻井速度，节约钻井成本具有重要的意义。文章通过调研分析，研究几种新型水力提速技术，包括井底脉冲振动钻井技术、井底旋流器、超高压钻头钻井技术等，研究了新型水力提速技术工作原理、装置结构及应用效果。研究为水力提速技术的发展，石油钻井提高速度，降低钻井成本提供了技术支持。

【关键词】石油 钻井 水力 脉冲振动 旋流器 超高压钻头 提速

钻井实践表明通过高效的破岩钻井方法，可以有效的提高石油钻井的机械钻速，通过改善或者改变传统的钻井破岩方式，可以提高能量的利用率，保证石油钻井的速度和质量。文中研究了几种新型的水力提速钻井装置。第一种脉冲振动钻井技术，通过在井底钻头处产生脉冲振动，给井底钻头施加一定频率的冲击力，改善了井底钻头岩石的受力状态，提高了钻头对井底岩石的作用力，从而提高了井底钻头破岩的效率，提高了钻井速度。第二种是通过一种井下水力旋流装置，在井底钻头的上部安装旋流发生装置，该旋流发生装置利用水力旋流器的工作原理，当钻井液通过旋流发生器时，钻井液中密度大的成分，会在旋流发生器的作用下，从钻井液中分离出来，直接排向井筒环空中，这样重钻井液成分没有经过钻头，就降低了井底钻头的磨损，改善了井底钻头的受力环境，提高了钻头的破岩效率，延长了钻头的工作寿命。第三种是利用特制的超高压钻头，通过高压射流辅助破岩的方法来提高钻头的破岩效率。该类型的钻头内部有特制的超高压流道，高压流体通过特制的高压流道后，流向钻头的特制高压喷嘴，再从高压喷嘴中喷出，形成的高压射流可以辅助钻头的机械破岩，改变了常规钻头的破岩方式，提高了钻井的机械钻速。

1 脉冲振动钻井技术

脉冲振动钻井技术通过综合利用钻井液脉冲作用和钻头冲击振动的方法，来提高钻头的破岩效率，脉冲振动钻井技术通过在钻头的上部脉冲振动工具，该工具通过能量转换机构，可以将一定比例钻井液的脉冲能量转化成井底钻头的冲击力，而且还能是井底钻头具有一定的频率的振动作用。理论研究表明，脉冲振动钻井的方式可以有效的提高井底钻头的冲击力，同时还能改变井底岩石的受力状态，使井底岩石更易于破碎，提高了石油钻井的机械钻速。该技术的动力来源就是钻井液的脉冲振动作用，脉冲振动工具将钻井液的脉冲振动作用直接转换成井底钻头的机械振动和井底冲击，装置的能量转换结构和常规的冲击锤的结构要简单的多，安全性和可靠性较高。同时脉冲振动钻井采用的小振幅、高频率的工作方式，工作的状态稳定、对于钻头的磨损小，而且脉冲振动工具的成本低，应用前景广阔。井下脉冲振动钻井工具目前已经开展了多口井的现场试验，现场试验的结果表明，该装置结构可靠，适应性强，工作效率高，脉冲振动工具的寿命可以到达两百多个小时，性能良好可以满足现场钻井的工程需要，同时和现有钻井工艺的配合性好，具有广阔的应用前景。

2 井下水力旋流钻井提速技术

钻井液在石油钻井中发挥着重要的作用，钻井液的各项参数直接影响到了石油钻井的速度和工作寿命。井下水力旋流钻井提速技术就是利用旋流器的工作原理，将密度大的钻井液成分在经过钻头之前提前分离出来，避免了密度大的钻井液成本对钻头的影响，提高了钻头的工作寿命和效率。井下水力旋流发生器安装在井下钻头的上部，钻井液在井口经过泥浆泵加压后，通过钻杆进入到旋流发生器中，从旋流发生器上部的流道，流向旋流发生筒中，从旋流发生筒的切线方向进入，在旋流发生筒中，经过离心分离的作用，将钻井液的密度大的成分分离出来，从旋流发生器的上部喷嘴流向钻井环空中，避免了重组分的钻井液经过钻头，而从旋流发生器流出来的低密度的钻井液则从钻头喷出，完成清洗井底和携岩等任务，这样井底钻头的工作环境就得到了较大改善，射流的清岩和携岩的效率也提高了，进而提高了钻井的速度，减少了钻井成本。水力旋流发生器通过大量的室内实验，得到水力旋流发生器的优化结构参数，并且验证了水力、旋流发生器优良的分离效果。并且通过实验对原有的旋流发生器进行了优化，提高了装置整体的结构强度，保证了水力旋流发生器能够成功的现场实验。同时将装置分成两个部分，将旋流发生器的上下两个部分分别作为一个整体，加工方便。井下旋流钻井提速装置现场试验表明，该装置结构合理，工作可靠，井下工作达到一百多个小时，起钻后装置没有明显的损伤，同时提高钻井速度效果明显。

3 超高压钻头技术

研究表明，通过提高井底钻头的射流压力，可以有效提高井底钻头的破岩效率，射流辅助破岩技术已经得到了石油钻井工程人员的认可。超高压钻头技术就是在常规的钻头的内部设计了特殊的超高压流道，当超高压钻井液进入到超高压钻头后，首先进入到高压管中，从高压管再流向高压软管中，为了防止高压管的旋转和轴向运动，在高压管的外侧设计了特殊的花键结构，防止了高压管的旋转，在高压管的上部装有防止高压管轴向运动的锁片弹簧结构。高压软管可以缓冲超高压流体对管壁的撞击，保证了高压杆的长久稳定运行，同时还能保护高压管的密封结构。超高压流体通过高压软管后进入到高压钻头中，特殊烧制的超高压流道，最终流向超高压钻头的高压喷嘴，从喷嘴喷射出去，形成高压细射流，在钻头机械破岩之间，提前破碎小部分的岩石，改变了岩石的应力结构，降低了岩石的破碎强度，提高了钻头的破岩的效率，充分的利用了井底钻井液的能量，可以有效的提高石油钻井的机械钻速。超高压钻头目前已经开展了多口井的现场试验，配合井下增压装置后，钻井提速效果明显，钻头的工作寿命长，破岩的效率高，具有广阔的应用前景。

4 结束语

新型水力提速技术的研究，对于提高我国石油钻井的机械钻速，提高钻井的效率和质量，降低石油钻井的成本具有重要的意义。文章分析了研究了底脉冲振动钻井技术、井底旋流发生器、超高压钻头钻井技术的工作原理，提高钻井速度机理，以及各自的应用效果。研究对于提高石油钻井速度和降低钻井成本具有重要的意义。

参考文献

[1] 拓佰民，马旭.井下旋流器预研究[J].石油钻采工艺研究，1991

[2] 倪红坚，韩来聚.水力脉冲诱发井下振动钻井工具研究[J].石油钻采工艺，2006