新型井下增壓裝置研制及現場試驗研究

張玉英，劉永旺，巴魯軍，趙 健，徐依吉

（中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島266555） ＊

新型井下增壓裝置研制及現場試驗研究

張玉英，劉永旺，巴魯軍，趙 健，徐依吉

（中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島266555）＊

研制了一種新型井下增壓裝置，闡述了該裝置的技術優勢，并在勝利油田及吉林油田進行了井下增壓裝置現場試驗。試驗結果表明：井下增壓裝置產生的超高壓射流可以起到輔助機械破巖，從而達到提高機械鉆速的目的；在鉆進參數基本相同的情況下，勝利油田埕北602井和義180井使用該裝置后同比機械鉆速提高了41.0%和63.8%以上；吉林油田長深D平13井和長深D平5井使用該裝置后同比機械鉆速提高了71.7%和96.7%。

井下增壓裝置；鉆井工程；試驗

20世紀60年代末，鉆井工程領域開始研究如何將超高壓水射流應用于鉆井領域［1－3］。截至目前，共經歷了地面全排量鉆井液增壓、地面部分鉆井液增壓、井下增壓［4－7］3個發展時期。地面全排量鉆井液增壓技術能使機械鉆速有效提高，縮短鉆井時間，但循環系統及設備復雜，安全性能差，實施成本高，因此在工業上并未得到廣泛應用。地面部分鉆井液增壓利用了雙管射流鉆井輔助系統來傳輸超高壓液體，該技術提高鉆速明顯，但設備問題更加突出，也未得到推廣應用。井下增壓是研究的熱點，1993年，美國Flowdril公司和美國天然氣研究所（GRI）共同合作，開始著手研制第1代井下增壓泵。

與地面增壓泵相比，井下增壓泵具有以下顯著的優勢：①容易實現由常規鉆井向超高壓射流鉆井方式的轉變，而且設備投資低，經濟性好，安全性強，可靠性好，市場前景更為廣闊；②井下超高壓泵位于鉆頭上方，鉆井液通過鉆柱以常規排量的形式輸送至井下超高壓泵，大約10%的鉆井液由井下超高壓泵加壓到200MPa，經過鉆頭的專用流道，這些超高壓鉆井液流至鉆頭的加長噴嘴處，未加壓的剩余部分鉆井液流向普通噴嘴；③因在常規鉆井液體系中能使用該項技術，超高壓噴射鉆井非常容易實現。但截至目前未見國外有推廣應用的報道。

我國也提出了幾種井下增壓方式，在研的井下增壓器還有靜壓式［8－9］、射流式［6，10］、離心式［11］等。但各種裝置到目前為止都還沒有得到大面積應用，究其原因可能為：①制造技術和加工能力可能還不能達到設計要求；②研究的基本原理以及技術路線可能還存在某些問題［12－15］。但無論如何，超高壓射流輔助破巖技術是一個提高鉆速的有效和重要途徑。

1 結構原理及技術優勢

1.1 結構及工作原理

新型井下增壓裝置由螺桿馬達、旋轉接頭、動力轉換體、過濾筒、柱塞、柱塞外筒、接頭等零部件組成，可分解成動力、增壓、動力轉換和固液分離［16－17］4個單元，其結構如圖1所示。

圖1 新型井下增壓裝置結構

1.1.1 動力單元

螺桿鉆具是動力單元的主要部件，其作用是將鉆井液的水力動能經螺桿馬達以扭矩形式傳遞給旋轉體。動力單元的主體采用螺桿鉆具，與普通螺桿鉆具相比存在2點不同：①螺桿鉆具傳動軸外筒需要加厚，為增壓器的連接做好準備；②螺桿鉆具傳動軸的接頭需要由母接頭改為現在的公接頭，且接頭的外徑相應縮小，目的是為動力轉換體的連接留出空間。

1.1.2 動力轉換單元

動力轉換單元主要由動力轉換體和旋轉體部件構成。它把旋轉體的旋轉運動轉換為動力旋轉體軸向運動；未轉換完全的扭矩依然存在，這些扭矩對接下來的增壓過程沒有用處，動力轉換體下端的花鍵被用來消除剩余扭矩。

1.1.3 固液分離單元

固液分離單元包括過濾網和過濾筒。在起下鉆或者接單根時，少量的砂石會進入增壓器，為防止增壓缸進口閥堵死，可以采取在增壓缸吸入鉆井液之前進行過濾的方法，為此設計了一個在柱塞上端的過濾裝置，防止砂石堵死進液閥。在設計時，取流道的孔徑大于普通水眼的孔徑，就可實現防砂石堆積在腔內的目的。

1.1.4 增壓單元

柱塞及柱塞外筒總成組成增壓單元。經動力轉換單元將旋轉運動轉化為軸向運動，實現鉆井液增壓作業。

增壓裝置工作原理為：利用鉆井液的動能驅動馬達轉子轉動，能量以扭矩的形式從轉子傳給傳動軸，扭矩傳至旋轉接頭，其扭矩經動力轉換體后轉變成為過濾筒和柱塞的軸向運動；對增壓缸內鉆井液增壓，高壓流體則經高壓管引流，然后從高壓噴嘴里噴出，形成高速水射流，提高鉆速，其他流體從普通噴嘴流出。柱塞的1次往復運動只需螺桿馬達轉子旋轉1周就可以實現。新型井下增壓裝置實物如圖2所示。

圖2 新型井下增壓裝置實物

1.2 技術優勢

1） 螺桿泵是目前現場比較常用的井下鉆具，其工作壽命為200～300h，扭矩大，工作穩定［18－21］，作為增壓器的動力來源比較理想，并且理論研究表明能夠提供增壓所需的動力。

2） 該增壓裝置流道簡單，易損件少，為保障增壓器的工作壽命提供了有利條件。

3） 該裝置利用機械作用實現柱塞換向，不存在換向失敗的問題。

4） 裝置內不存在復雜的密封系統，是提高增壓器壽命的另一重要條件。

2 現場試驗

2.1 勝利油田埕北602井

中國石油大學（華東）研制的新型井下增壓裝置與超高壓雙流道PDC鉆頭，于2011－05－11—05－12在海洋鉆井勝利七號鉆井平臺承鉆的埕北602井進行了現場試驗。

1） 試驗井段 451～736m。

2） 試驗地層 明化鎮組，為棕紅色泥與淺灰色粉砂質泥巖，泥質粉砂巖、細砂巖不等厚互層。

3） 鉆具組合 ?311.1mm超高壓PDC鉆頭＋?228.6mm井下螺桿增壓裝置＋?203mm鉆鋌＋?177.8mm鉆桿。

4） 鉆井參數 鉆壓20～40kN；轉速60～80 r／min；排量49～56L／s；泵壓9～13MPa；泥漿密度1.06g／cm3。

5） 試驗效果 井下螺桿增壓提速裝置與超高壓雙流道PDC鉆頭入井11.9h，純鉆進5.9h，進尺285m。出井后觀察發現：結構完整、未見損傷；鉆頭磨損較小，無損壞現象。

井下螺桿增壓提速裝置與超高壓雙流道PDC鉆頭在勝利油田埕北602井的使用情況如表1所示。按照鉆頭類型相同、地層相同、井深相近的可比原則，與鄰井埕北斜601井同井段常規機械鉆速進行了對比分析，機械鉆速提高約41.0%，結果如表1。

表1 螺桿式井下增壓裝置現場實鉆數據對比之一

2.2 勝利油田義180井

2011－07－12—07－15，在勝利油田渤海二公司承鉆的勝利油田義180井進行了第2次現場試驗。

1） 試驗井段 2 048～2 282m。

2） 試驗地層 東營組，為灰色和深灰色泥巖、油泥巖為主夾砂巖。

3） 鉆具組合 ?311.2mm PDC超高壓雙流道鉆頭＋?197mm井下螺桿增壓裝置＋?203mm鉆鋌＋?308mm扶正器＋?203mm鉆鋌＋?177.8 mm鉆鋌。

4） 鉆井參數 鉆壓40～80kN；轉速103～ 110r／min；排量36～47L／s；泵壓11～15MPa；泥漿密度1.13～1.15g／cm3。

在勝利油田義180井的使用情況如表2所示。與鄰井義178井同井段常規機械鉆速進行了對比分析，機械鉆速提高了63.8%，結果如表2。

表2 螺桿式井下增壓裝置現場實鉆數據對比之二

2.3 吉林油田長深D平13井

2011－06－05—06－07，在中原油田四公司50753隊承鉆的吉林油田長深D平13井進行了現場試驗。

1） 試驗井段 2 235～2 355m。

2） 試驗地層 中生界青山口組，主要為灰黑、灰綠色泥巖與雜色粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、粉砂巖成不等厚互層，偶見淺灰色粉砂質泥巖。

3） 鉆具組合 ?241.3mmPDC超高壓鉆頭＋?197mm井下螺桿增壓裝置＋?178mm鉆鋌＋?159mm鉆鋌＋?127mm鉆桿。

4） 鉆井參數 鉆壓40～80kN；轉速75～110 r／min；排量40L／s；泵壓10～14MPa；泥漿密度1.23～1.25g／cm3。

5） 試驗效果 井下螺桿增壓提速裝置與超高壓雙流道PDC鉆頭入井70h，純鉆進35h，進尺120m。出井后觀察發現：結構完整、未見損傷；鉆頭磨損較小，損壞較輕。

井下螺桿增壓提速裝置與超高壓雙流道PDC鉆頭在吉林油田長深D平13井的使用情況如表3所示，與鄰井（長深D平3、4、8、9井）同井段進行了對比分析，機械鉆速平均提高了71.7%。

表3 螺桿式井下增壓裝置現場實鉆數據對比之三

2.4 吉林油田長深D平5井

2011－08－02—08－04，在長城鉆探鉆井二公司承鉆的吉林油田長深D平5井進行了現場試驗。

1） 試驗井段 1 967～2 182m。

2） 試驗地層 中生界青山口組，以紫紅色泥巖為主，偶見灰綠色泥巖，間夾雜色粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、粉砂巖。

3） 鉆具組合 ?241.3mmPDC超高壓雙流道鉆頭＋?197mm井下螺桿增壓裝置＋?177.8 mm鉆鋌＋?165mm鉆鋌＋?127mm鉆桿。

4） 鉆井參數 鉆壓10～40kN；轉速75～105 r／min；排量30L／s；泵壓12～17.5MPa；泥漿密度1.24～1.26g／cm3。

5） 試驗效果 井下螺桿增壓提速裝置與超高壓雙流道PDC鉆頭入井58h，純鉆進40h，進尺215m。出井后觀察發現：結構完整、未見損傷；鉆頭磨損較小，無損壞現象。

井下螺桿增壓提速裝置與超高壓雙流道PDC鉆頭在吉林油田長深D平5井的使用情況如表4所示，與鄰井（長深D平4、8井）同井段進行了對比分析，機械鉆速同比提高了97.6%。

表4 螺桿式井下增壓裝置現場實鉆數據對比之四

3 結論

1） 提出了一種新型增壓方案，應用現有螺桿鉆具為增壓裝置提供動力源，利用專門設計的換向機構實現運動形式的轉換，利用增壓腔總成實現鉆井液增壓；并利用該原理設計出了一種新型的井下增壓裝置。

2） 利用該方案設計出的井下增壓裝置具有很多技術優勢，例如動力源扭矩大、工作穩定、增壓裝置流道簡單、易損件少、不存在換向失敗的問題和復雜的密封系統等，為實現增壓及提高增壓器壽命提供了保障。

3） 井下螺桿增壓鉆井裝置分別在勝利油田埕北602井和義180井進行了現場試驗，同比機械鉆速提高了41.0%和63.8%；在吉林油田長深D平13井和長深D平5井進行了現場試驗，同比機械鉆速提高了71.7%和96.7%，提速效果明顯。

［1］ 陳庭根，管志川.鉆井工程理論與技術［M］.東營：石油大學出版社，2000：186－207.

［2］ 成 海，王甲昌，楊本靈.國內外井底增壓噴射鉆井技術研究現狀［J］.石油礦場機械，2008，37（6）：34－38.

［3］ 宋祖廠，陳建民，劉 豐.基于SPH算法的高壓水射流破巖機理數值模擬［J］.石油礦場機械，2009，38（12）：39－43.

［4］ Veenhuizen S D.Development and Testing of Downhole Pump for High－Pressure Jet－Assist Drilling［R］.SPE／IADC 38581.

［5］ Labus T J.Fluid Jet Technology：Fundamentals and Applications［M］.Missouri：Water jet Technology Association，1995.

［6］ Kolle J J.Laboratory and Field Testing of an Ultra－high－pressure Jet－Assisted Drilling System［R］.SPE／IADC 22000.

［7］ 李洪敏，朱明亮.井下增壓鉆井技術前景展望［J］.石油鉆采工藝，1998，20（3）：20－27.

［8］ 王德玉.井下增壓器的結構初探［J］.西南石油學院學報，1995，17（3）：109－112.

［9］ 艾 池，李士斌，周榮興，等.分隔式井下增壓器主要結構參數的計算［J］.大慶石油學院學報，2001，25（1）：92－94.

［10］ 張文華，汪志明，王小秋，等.射流式井下增壓裝置的設計［J］.石油機械，2005，33（11）：32－33.

［11］ 孫 偉，孫 峰，趙崇鎮，等.離心式井下增壓裝置的系統設計［J］.石油機械，2006，34（3）：36－38.

［12］ 魏文忠，管志川，劉永旺，等.直井眼鐘擺鉆具縱向振動特性的實驗研究［J］.中國石油大學學報：自然科學版，2007，31（2）：64－68.

［13］ 魏文忠，管志川，劉永旺，等.鐘擺與偏軸鉆具鉆壓波動規律對比實驗研究［J］.石油天然氣學報，2008，30（1）：157－160.

［14］ 劉永旺，管志川，魏文忠 等.井底鐘擺類鉆具轉動規律的實驗研究［J］.鉆采工藝，2008，31（5）：27－29.

［15］ 劉永旺.井下減振增壓裝置設計研究［D］.東營：中國石油大學（華東），2007.

［16］ 徐 義，周長李，劉永旺，等.螺桿式井下增壓鉆井裝置原理及設計［J］.鉆采工藝，2011，34（3）：71－73.

［17］ 趙軍友，徐依吉，孫培先，等.雙螺旋槽螺桿馬達井下增壓器設計［J］.石油礦場機械，2010，39（12）：34－37.

［18］ 符達良.國外螺桿鉆具發展近況［J］.石油礦場機械，1985，14（3）：36－40.

［19］ 于衛東，殷鳳玲，孫 偉，等.螺桿鉆具在深井快速鉆進中的應用［J］.石油礦場機械，2010，39（4）：92－94.

［20］ 李明謙，黃繼慶，袁洪濤.螺桿鉆具殼體斷裂分析［J］.石油礦場機械，2009，38（6）：22－25.

［21］ 苗同勇，劉永旺，趙 偉，等.等壁厚螺桿鉆具及應用［J］.石油礦場機械，2011，40（10）：72－76.

Study on a New Type of Down－hole Supercharger and Field Experimental

ZHANG Yu－ying，LIU Yong－wang，BA Lu－jun，ZHAO Jian，XU Yi－ji
（College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China）

Developed a new type down－hole supercharger，elaborated technology advantage of this equipment.And down－hole supercharger field test were made in the Shengli Oilfield and Jilin Oilfield.The results show that ultra－high pressure water jet built up in down－hole supercharger could play an auxiliary mechanical rock breaking，so as to increase the ROP.Field test in the Chengbei 602and Yi 180well of Shengli Oilfield results shows that，under the same condition of drilling parameters，the use of down－hole supercharger after an ROP increase 41%and 63.8%respectively，test results in Jilin oilfield Changshen D Ping 13well and Changshen D Ping 5well field show that，compared to the same period after using down－hole supercharger，the mechanical drilling speed is increased by 71.7%and 96.7%respectively.

down－hole supercharger；drilling engineering；experimental

1001－3482（2012）03－0058－05

TE921.2

A

2011－09－23

張玉英（1961－），男，山東魚臺人，高級工程師，中國石油大學（華東）在讀博士研究生，主要從事井下系統、信息與控制工程及高壓射流破巖技術研究。