一种转化钻柱振动能量的井底高压喷射钻井装置
刘永旺1, 管志川1, 张洪宁2, 马广军2, 贾晓涵1, 陈宝玉1, 陈昕晟1, 安龙龙1
1.中国石油大学(华东)石油工程学院
2.中国石化石油工程技术研究院

作者简介:刘永旺,1983年生,讲师,硕士生导师,博士;从事钻井工程新理论及新技术方面的教学与科研工作。地址:(266580)山东省青岛市黄岛区长江西路66号。电话:13355467601。ORCID: 0000-0002-5946-565X。E-mail:liuyongwang2003@163.com

摘要

通过转化井下钻柱振动能量来增加井底钻井液喷射压力是提高钻井速度的重要途径,而现有技术还未能充分合理地利用钻柱振动能量。为此,基于井下钻柱振动能量的利用理论,提出了钻井液井下增压、增排量的井底高压喷射钻井理念,设计出了井底高压喷射钻井装置,并对其进行了数值仿真研究。结果表明:①井底高压喷射钻井装置可以将钻柱振动能量有效转化给井底钻井液从而实现井下高压喷射钻井;②井底高压喷射钻井装置增加了喷嘴钻井液过流流量,在Ø215.9 mm井眼中,其输出的钻井液流量可以提高5 L/s;③增大了钻井液喷射压力,喷嘴处钻井液脉冲压力最高达到11.3 MPa;④深井内井底高压喷射钻井装置应用效果比上部地层更加显著。结论认为,井底高压喷射钻井装置为高压喷射钻井技术的实现提供了一种新的手段,可以解决现有高压喷射钻井技术设备费用昂贵、安全性差、适用范围有限的问题。

关键词: 钻柱振动能量; 转化; 井底高压喷射钻井装置; 高压喷射钻井技术; 提速; 数值仿真
A downhole high-pressure jet drilling device transforming drilling string vibration energy
Liu Yongwang1, Guan Zhichuan1, Zhang Hongning2, Ma Guangjun2, Jia Xiaohan1, Chen Baoyu1, Chen Xinsheng1, An Longlong1
1. College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum <East China>, Qingdao, Shandong 266580, China;
2. Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering, Beijing 100101, China
Abstract

The important way to improve the rate of penetration (ROP) is to increase the jet pressure of downhole drilling fluid by transforming the vibration energy of downhole drilling string. However, the existing technologies cannot make full use of the vibration energy of drilling string rationally. In this paper, the concept of downhole high-pressure jet drilling to increase the downhole pressure and displacement by using drilling fluid was put forward based on the utilization theory of vibration energy of downhole drilling string. Then, a bottom-hole high-pressure jet drilling device was designed and numerically simulated. It is shown that via this device, the vibration energy of drilling string can be transformed effectively to the drilling fluid at the bottom hole, so that downhole high-pressure jet drilling is realized; that via this device, the flow rate of drilling fluid through the nozzle is increased, in a Ø215.9 mm borehole, for example, the outflow rate of drilling fluid can be increased by 5 L/s; that the jet pressure of drilling fluid is increased and the pulse pressure of drilling fluid at the nozzle is up to 11.3 MPa; and that the application effect of this device in deep formations is more remarkable than that in shallow formations. It is concluded that downhole high-pressure jet drilling device provides a new means for the realization of high-pressure jet drilling technology, and it can solve the problems in high-pressure jet drilling equipments, such as high cost, poor security and limited application ranges.

Keyword: Vibration energy of drilling string; Transformation; Downhole high pressure jet drilling device; High pressure jet drilling technology; ROP improvement; Numerical simulation
0 引言

钻井现场实践表明, 提高钻井液的喷射压力及排量可以提高钻井速度[1]。现在提高钻井液排量仅能通过改变地面钻井泵压来实现, 还没有井下增加钻井液排量的技术[2]; 提高钻井液喷射压力包括地面增压和井下增压两种方式, 其中, 井下增压方式由于不需要更换地面设备、不会给钻井管柱及人员带来风险等优势而受到人们的关注。为此, 近些年来, 专家学者设计了多种增加钻头处钻井液喷射压力的装置, 包括基于动力钻具的井下增压钻井装置、基于大小活塞的井下超高压泵、射流式井下增压钻井装置等[3], 通过室内或者现场实验均证明了井下增压技术提速的可行性。然而上述装置存在一个共同的特点, 即增压动力来源于钻井液, 钻井水力学计算结果表明, 随着井深的增加, 钻头处水力能量呈衰减趋势, 换而言之, 随着井深的增加, 上述井下增压装置能量来源均会衰减, 这将导致增压效果大幅下降。另外值得关注的是, 上述装置工作过程需要所有钻井液参与, 一旦工具失效, 钻井液循环将会被破坏, 给钻井带来风险。若能够在井下安装一个装置, 在不影响钻井液循环的基础上既能实现井下钻井液增压、又能实现井底增加钻井液排量的目标, 则会对提高钻井速度、保证钻井安全、增加高压喷射钻井技术的适用范围起到重要的推进作用。

要解决增压过程不影响钻井液循环, 需要在井下寻找新的可利用能量源, 并研发出用于转化井下能量的配套装置。中国石油大学(华东)管志川、刘永旺提出的利用钻柱振动来提高钻井速度的技术理念为此提供了较好的借鉴, 已经形成的利用钻柱振动来提高钻井速度的技术装置, 包括井下钻柱减振增压装置[4, 5, 6, 7, 8, 9]、吸振式井下液压脉冲发生装置[10, 11, 12, 13]。这两种装置的成功应用证明了井下振动能量利用思路的正确性及可行性。能量随着利用方式的转变, 其发挥的作用亦会产生变化。鉴于上述成果, 笔者提出了井底高压喷射钻井理念, 研制了井底高压喷射钻井装置, 并对装置进行了数值仿真。研制的井底高压喷射钻井装置可以同时引入环空流体增大井底钻井液排量、引入钻井液以外的能量— — 钻柱振动的能量、实现脉冲射流调制, 既可以提高破岩效率, 又可以增强井底携岩效果, 从而提高钻进速度。

1 基于钻柱振动的井底高压喷射钻井装置设计理念及结构
1.1 井底高压喷射钻井理念

钻压的高频率大幅度变化直接作用于钻头会使得钻头的切削齿瞬间承受极大的冲击力, 结果会引起切削齿的崩裂, 同时还会造成管柱疲劳破坏, 地面设备损毁等问题。在钻柱中间、钻头上部安装弹簧及阻尼结构使得钻压经弹簧及阻尼结构后传递到钻头, 则钻压的波动会转化为弹簧的弹性势能和阻尼功, 一方面钻压的波动幅度会大幅度衰减, 一方面冲击力的作用时间会延长, 可以有效地降低钻柱振动危害。笔者提出了井底高压喷射钻井理念, 该理念具体工作原理如图1所示:实现该理念的装置需要由柱塞、增压缸、弹簧、环空流体引入腔、环空流体引入单向阀和增压单向阀构成。当钻压增加时, 柱塞下冲, 增压单向阀全部关闭, 增压缸内液体被增压排出, 同时弹簧集聚能量, 环空液体经环空流体引入单向阀进入环空流体引入腔; 当钻压减小时, 弹簧释放能量, 柱塞上提, 增压单向阀全部开启, 环空流体引入单向阀关闭, 环空流体引入腔内流体及上部钻柱泵入流体进入增压缸, 为柱塞下冲增压做准备。该工作原理利用柱塞泵结构运转时内部液体压力的反作用来充当衰减钻压波动的阻尼, 来吸收钻柱的振动, 利用阻尼功转化为柱塞泵结构内部液体压力, 实现柱塞泵排出液体压力的提升的目标; 利用柱塞缸内柱塞向下运动时, 上部形成的腔体内形成的负压作为能量源, 吸入柱塞缸外部液体, 实现增加缸内排量的目的。实现了减振、增排量、增压同时进行的创新性目标。

图1 井底高压喷射钻井工作原理示意图

1.2 井底高压喷射钻井装置结构及工作过程

基于上述理念, 设计开发出了井底高压喷射钻井装置[14], 具体结构如图2所示。芯轴体、限位环、活塞总成通过螺纹连接组成钻柱振动连动总成。防冲击密封端盖、花键腔密封总成、花键外筒、注油孔堵头、排气孔堵头、弹簧保护筒、弹簧下封堵接头、弹簧腔密封总成、环空流体入口单向阀、环空流体入口过流压紧头、增压缸套、增压缸套密封、增压总成外筒相连接构成井底静止承振总成。

图2 井底高压喷射钻井装置结构图

当钻柱振动时, 钻柱振动连动总成相对于井底静止承振总成产生相对运动, 该运动速度呈现周期性变化, 当向下振动时, 相对运动速度由0加速到某一速度后速度降低直至归0, 向下振动结束; 当向上振动开始时, 相对运动速度由0加速到反方向的某一速度后速度降低直至归0, 再开始向下振动, 如此周而复始。

钻柱向下振动时, 井底钻具组合带动钻柱振动连动总成相对井底静止承振总成向下运动, 当相对运动速度超过钻井液在增压缸套内截面的过流速度时, 环空流体出口单向阀及钻具内孔单向阀关闭、大排量流体射流脉动增压调制腔内液体压力升高, 钻头上安装的普通喷嘴上形成高压正脉冲环空流体射流; 与此同时, 环空携有小颗粒岩屑的钻井液经环空流体入口过流压紧头筛孔的过滤, 流过环空流体入口单向阀、环空流体入口流道进入到环空钻井液储存腔, 为钻柱向上振动时环空流体进入大排量流体射流脉动增压调制腔提供准备。

钻柱向上振动时, 井底钻具组合带动钻柱振动连动总成相对井底静止承振总成向上运动, 环空流体出口单向阀及钻具内孔单向阀开启、钻具中空的钻井液正常流到井底, 发挥其作用, 与此同时, 环空流体入口单向阀关闭, 环空流体出口单向阀开启、携有小颗粒岩屑的钻井液经环空流体出口流道、环空流体出口单向阀进入到大排量环空射流脉动增压调制腔中, 等待钻柱向下振动时再次形成大排量高压正脉冲流体射流。如此周而复始, 装置利用产生的大排量高压正脉冲射流在井底提高破岩效率, 增强井底携岩效果, 从而提高钻进速度。

2 井底高压喷射钻井装置仿真研究

井下钻柱减振增压装置及吸振式井下液压脉冲发生装置的开发及实践表明, 利用matlab的simulink软件可以有效地模拟出冲击力作用下柱塞泵内钻井液压力及流量变化情况[15, 16]。为了研究井底高压喷射钻井装置性能, 开展了井底高压喷射钻井装置的simulink仿真研究, 并与吸振式井下液压脉冲发生装置进行了对比。

2.1 仿真模型

根据实际钻井过程及井底高压喷射钻井装置工作原理, 等效出井底高压喷射钻井装置液压原理图如图3所示。

图3 井底高压喷射钻井装置液压原理图

图3中, 进入到增压缸V1的钻井液流量由Q1Q3两部分组成, 其中Q1为地面钻井泵泵入到钻杆内的钻井液, 该部分钻井液在单向阀(G1)的控制下进入增压缸V1; Q3为装置从井眼环空引入的钻井液, 该部分钻井液在增压缸与环空间压差的作用下经单向阀(G2)控制进入增压缸V1

仿真原理图中相关原件的数学模型如下所示:

2.1.1 单向阀的数学模型

忽略阀芯的质量和阻尼, 单向阀可以看作一弹簧, 则有:

式中Kd表示单向阀的弹簧刚度, N/m; xd表示单向阀的开度, m; xmax表示单向阀的最大开度, m; Ad表示单向阀的平均过流面积, m2

单向阀压力— 流量特性方程:

可得单向阀的流量— 压力特性:

式中RG表示单向阀稳定在最大开度时的液导, m3/(s· Pa); pd表示单向阀在最大开度处的压力降, Pa。

2.1.2 液压缸的数学模型

1)活塞运动模型

忽略液压缸内的摩擦阻力以及活塞重力, 活塞运动模型可简化为弹簧阻尼模型。其运动方程为:

式中M表示活塞及运动件质量, kg; K1表示串联弹簧组等效刚度, N/m; B表示运动阻尼系数, N· m/s; F表示钻压浮动引起的正弦力, N; p1表示液压缸内压力, Pa; A1表示液压缸横截面积, m2; p2表示钻铤内压力, Pa; A2表示钻铤流道横截面积, m2

2)液压缸内流量模型

流入液压缸内的流量为Q1, 流出液压缸的流量为Q2, 液压缸内的体积变化为A1× x, 由压力与流量的关系方程可得:

式中V1表示液压缸的体积, m3; x表示活塞位移, m; x'表示活塞速度, m/s。

2.1.3 容积腔的数学模型

钻井液从钻井泵泵出经过钻杆进入到井底高压喷射钻井装置, 则整个钻杆空间可视为一个容积腔, 流入该容积腔的流量为Q, 流出该容积腔的流量为Q2, 可得容积腔内压力随流量变化的方程为:

2.1.4 环空流体引入腔数学模型

钻井液从钻井泵泵出经过钻杆进入到井底高压喷射钻井装置, 则整个钻杆空间可视为一个容积腔, 流入该容积腔的流量为Q, 流出该容积腔的流量为Q2, 可得容积腔内压力随流量变化的方程为:

式中V3表示液压缸的体积, m3; Q4表示环空进入到引入腔体内的流量, m3/s; Q3表示引入腔体内的钻井液进入到增压缸内的流量, m3/s。

2.2 仿真结果与分析

井底高压喷射钻井装置是吸振式液压脉冲发生装置的升级产品, 为分析井底高压喷射钻井装置优势性能特征, 取常用井眼内某一组参数来进行仿真对比分析。

仿真模型针对实际井眼尺寸为215.9 mm的实际钻进工况, 设定井底高压喷射钻井装置外径为177.8 mm, 钻头当量喷嘴直径为25 mm, 流量为30 L/s, 未连接该装置条件下钻头压降为3.5 MPa。其他物理参数分别为:取钻柱振动连动总成质量M=200 kg; 弹簧总成中, 单片弹簧刚度K0=13.442 kN/mm, 弹簧组由138片串联组成, 则弹簧总成组合刚度为K1=K0/138=0.097 4 kN/mm; 活动部件阻尼系数N· m/s(取液压缸的阻尼比为0.7即保证液压缸组成的弹簧质量系统比较稳定); 取钻井液体积弹性模量K=1.4× 109 Pa; 柱塞直径D=130 mm; 柱塞面积为:; 取柱塞腔体积:V1=A1× l=0.013 278× 0.6=0.007 964 m3; 取容积腔液体体积; 取环空引入腔面积。

如图4所示, 吸振式液压脉冲发生装置所调制的脉冲压力介于1.1~9.2 MPa, 脉冲压力幅值为8.1 MPa, 而井底高压喷射钻井装置所调制的脉冲压力为介于1.7~11.3 MPa, 脉冲压力幅值为9.5 MPa, 井底高压喷射钻井装置较吸振式液压脉冲发生装置所调制的钻井液脉冲压力幅值增加了1.4 MPa, 钻井液最高压力提高了2.1 MPa。因此可以得出:井底高压喷射钻井装置可以产生高幅值, 高压力的脉冲射流, 从而实现高压喷射钻井目的。

图4 输出脉冲压力对比曲线图

井底高压喷射钻井装置能够产生高于吸振式液压脉冲发生装置的钻井液压力原因在于其可以引入部分的环空钻井液, 在不增加地面钻井液排量的前提下, 增加钻头处钻井液排量。虽然钻头处增加的钻井液来源于环空, 但装置以上环空钻井液并不会减少, 因此, 该装置的使用不会为钻井循环带来不利影响。

井底高压喷射钻井装置能够增大钻头处钻井液排量是该装置创新性技术特征, 因此对其钻井液排量变化特征进行研究是必要的。图5为两种装置所输出的脉冲流量对比曲线图, 从图5中可以得出, 吸振式液压脉冲发生装置所调制的瞬态脉冲流量介于16.3~48.6 L/s, 井底高压喷射钻井装置所调制的瞬态脉冲流量介于21~54.9 L/s, 井底高压喷射钻井装置所输出的最大瞬态排量提升了6.3 L/s, 这对于钻井过程中井下岩石破碎及岩屑清除具有重要意义。

图5 输出脉冲流量对比曲线图

图6 单位时间内累积输出流量对比图

图6为两种装置单位时间内输出钻井液总量对比图, 可以得出, 1 s内吸振式液压脉冲发生装置输出的流量30 L/s(即常规钻井液排量), 1 s内井底高压喷射钻井装置输出的流量为35 L/s, 井底高压喷射钻井装置可以实现井底钻井液排量增加5 L/s的目标。

综上可以得出, 井底高压喷射钻井装置可以在不改变地面钻井设备, 不为循环管路带来风险的基础上, 实现井下高压、增排量钻井的目标。从井底高压喷射钻井装置原理及仿真可以看出, 该装置适用于钻井液可压缩系数等于零或者近似等于零的井内, 如果钻井液可压缩系数较大, 该装置无法发挥作用。

3 结论

1)提出了可转化钻柱振动能量给钻井液、在提高钻井液喷射压力同时提高钻头处钻井液排量的井底高压喷射钻井技术理念, 设计了井底高压喷射钻井装置。

2)通过仿真研究得出:Ø 215.9 mm井眼内钻井液瞬态流量可以提高6.3 L/s以上, 钻井液单位时间可增加排量大于5 L/s, 喷嘴处钻井液脉冲压力最高可以超过11.3 MPa。并且这些值随着井深增加恒定, 为高压喷射钻井技术在深部地层中应用提供了有利条件。

3)研发出的转化钻柱振动能量的井底高压喷射钻井装置可以实现即减小钻柱振动的危害, 亦能提高钻井效率, 可谓一举两得。

4)井下钻柱振动能量利用技术的相关研究刚刚开始, 目前仅实现了振动能量到钻井液喷射能量的转换, 相信不久的将来, 随着研究的深入, 该能量还可以拓展应用于钻井其他领域。

The authors have declared that no competing interests exist.

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