鉆井用井底負壓發生器

李國慶 李子豐

（1.大慶油田有限責任公司鉆井三公司，黑龍江大慶 163413；2.燕山大學石油工程研究所，河北秦皇島 066004）

鉆井用井底負壓發生器

李國慶1李子豐2

（1.大慶油田有限責任公司鉆井三公司，黑龍江大慶 163413；2.燕山大學石油工程研究所，河北秦皇島 066004）

在石油、天然氣和地質鉆井過程中，井筒內的鉆井液壓強造成的壓持效應，極大地降低了鉆進速度。針對現有以液體鉆井液為循環介質的常規鉆井技術，以減少鉆頭處的鉆井液壓持效應為目的，根據射流泵的工作原理，研制了一種能夠降低井底鉆井液壓強的井底負壓發生器。該井底負壓發生器具有3個功能：將環空分為上部環形空間和井底環形空間兩個壓強區；井底環形空間壓強低于上部環形空間壓強，且流體從井底環形空間流向上部環形空間；有鉆進功能。介紹了井底負壓發生器的結構和使用方法。

負壓；鉆井；發生器；射流；欠平衡

在石油、天然氣和地質鉆井過程中，井筒內的鉆井液壓強造成的壓持效應，極大地降低了鉆進速度［1］。井底鉆井液壓強越大，鉆速越慢；井底鉆井液壓強越小，鉆速越高。為了提高鉆進速度，采用了欠平衡鉆井技術［2-4］、充氣鉆井技術［5］、泡沫鉆井技術［6］、氣體鉆井技術［7］。這些鉆井技術雖然有效地提高了鉆速，但也有地面設備復雜、井壁穩定困難和地層壓力控制困難等問題。以液體鉆井液為循環介質的常規鉆井技術，具有設備相對簡單、井壁穩定性好、井控容易、鉆柱磨損較輕等優點，如果能在井底產生負壓，降低鉆井液壓持效應，將提高鉆進速度和有效降低鉆井成本。本文就介紹這樣一種工具——鉆井用井底負壓發生器。

1 結構和工作原理

井底負壓發生器結構：管狀中心軸外套有膠桶安裝環，膠桶安裝環外安裝有膠桶，膠桶內安裝有低壓腔、噴嘴、液流排出孔和低壓液流管，在低壓液流管下端安裝有濾網，在中線軸上開有液流孔，在膠桶安裝環和膠桶上開有液流孔，在中心軸與膠桶安裝環間有密封圈，在膠桶安裝環上方有止推軸承，止推軸承上方有彈簧，中心軸上有止推臺肩（圖1）。從結構上可以分為封隔器組、射流泵組及推進組3部分。封隔器組包括膠桶安裝環和膠桶。射流泵［8］組包括液流排出孔、低壓腔、噴嘴、低壓液流管和濾網。推進組包括中心軸、彈簧和止推軸承。上母接頭用于與上部鉆柱連接，下公接頭用于與鉆頭或下部鉆柱連接。密封圈用于防止高壓液體從環隙中泄露。封隔器組套在推進組的中心軸上。射流泵組安裝在封隔器組的膠桶內。封隔器組的功能是靠液體壓強使膠桶膨脹，密封環形空間。射流泵組的功能是使封隔器組下部環形空間的壓強低于上部環形空間的壓強，并排出巖屑。推進組的作用是使鉆頭旋轉向下鉆進。

圖1 鉆井用井底負壓發生器結構

在自由狀態下，膠桶外徑小于井筒直徑，可以用鉆柱將工具送入井底。當向鉆柱內流體施加壓強時，流體流經路線：中心軸中孔——中心軸液流孔——中心軸與膠桶安裝環間環空——膠桶安裝環液流孔——膠桶內腔——噴嘴——低壓腔——液流排出孔——上部環形空間。由于膠桶內腔壓強大于環形空間壓強，膠桶膨脹，封閉了環形空間，將環形空間分為上部環形空間和井底環形空間。當液流流經噴嘴后，在低壓腔產生負壓，負壓將井底環形空間流體吸入低壓腔，兩路流體一起經液流排出孔流入上部環形空間。為了避免大巖屑顆粒堵塞管道，在入口處，裝有濾網。使井底環形空間壓強低于上部環形空間壓強，且流體能夠從井底環形空間流向上部環形空間。鉆井液壓強升高后，可以旋轉鉆柱并施加鉆壓鉆進，此時，膠桶安裝環和膠桶固定在井壁上不動，中心軸轉動，傳遞鉆壓，并向下滑動，同時壓縮彈簧，當止推軸承接觸止推臺肩時，就需要卸掉鉆井液壓力，使膠桶收縮，彈簧推動膠桶向下，直至下死點。

2 使用方法

圖2是井底負壓發生器在井底的工作方式。該井底負壓發生器連接在鉆柱上，并送入井底。當鉆井液壓強升高后，膠桶膨脹并封閉環形空間。安裝在膠桶內的射流泵組使得井底環形空間的壓強小于上環形空間的壓強。上環形空間的壓強使得井壁穩定和井控易于實現。井底環形空間的壓強使得鉆速快。當鉆柱旋轉并向下鉆進時，推進組的中心軸下移，壓縮彈簧。當止推軸承頂到止推臺肩時，就要停止向鉆柱內液體施加壓強，使膠桶收縮，彈簧伸長，向下推膠桶達到下死點，此時，井底環形空間沒有負壓強。再開泵向鉆柱內液體施加壓強時，井底環形空間產生負壓強。

圖2 鉆井用井底負壓發生器的應用

3 結論

井底負壓發生器是在傳統工藝上的改進，具有成本低、結構簡單、穩定性好和耐久性，建議盡快投入現場應用。

［1］ 胡湘炯，陳庭根，梁之躍.壓差因素對鉆速影響的統計分析［J］. 石油學報，1988，9 （1）：96-101.

［2］ 李士斌，竇同偉，董德仁，等.欠平衡鉆井井底巖石的應力狀態［J］.石油學報，2011，32（2）：329-334.

［3］ 周英操，王廣新，翟洪軍，等.欠平衡鉆井技術在大慶油田衛深5井中的應用［J］.石油學報，2003，24（6）：90-93.

［4］ 張守良，鄧金根，徐顯廣，等.欠平衡鉆井合理壓差的確定技術及在新疆油田的應用［J］.巖石力學與工程學報，2003，22（S0）：2457-2460.

［5］ 羅昭素，郭永恒，郎應虎，等. 空氣欠平衡鉆井技術在徐深21井的應用［J］. 石油鉆采工藝，2006，28 （5）：16-18.

［6］ 楊虎，江勇，胡軍，等. 牛102井欠平衡泡沫水平井鉆井技術［J］. 石油學報，2002，23（1）：88-93 .

［7］ 祝效華，賈彥杰，童華. 氣體鉆井鉆柱振動特性及控制措施［J］. 石油學報，2012，33 （2）：293-297.

［8］ 袁恩熙. 工程流體力學［M］. 北京：石油工業出版社，1986：67-68.

［9］ 燕山大學.鉆井用井底負壓發生器：中國，201210264775［P］. 2012-07-30.

Bottom hole negative pressure generator for drilling

LI Guoqing1, LI Zifeng2
（1. No.3Drilling Company of Daqing Oilfield Company Limited,Daqing163413,China;2. Petroleum Engineering Institute of Yanshan University,Qinhuangdao066004,China）

Pressure hold effect caused by drilling fluid pressure within the wellbore reduces greatly drilling speed during oil, gas,and geological drilling.This paper provides a bottom hole drilling fluid pressure vacuum generator based on the works of the jet pump, in order to reduce pressure hold effect for the conventional drilling using liquid mud as the circulating medium. The bottom hole negative pressure generator has three functions:the annulus is divided into two pressure zone of the upper annular space and the bottom annular space; the bottom annular space pressure below the upper annular space pressure, and drilling fluid flows from the bottom annular space to the upper annular space; drilling. This paper also introduces the structure and the use method of the negative pressure generator.

negative pressure; drilling; generator; jet; under balance

李國慶，李子豐.鉆井用井底負壓發生器 ［J］.石油鉆采工藝，2013，35（4）：101-102.

TE921

：B

1000–7393（2013） 04–0101–02

李國慶，1959年生。1982年畢業于大慶石油學院鉆井工程專業，現任總工程師。 E-mail：li4983678@163.com。

2013-02-24）

〔編輯 景 暖〕