井下增压器（精选4篇）
井下增压器 篇1
摘要：高压旋转水射流钻井可以提高钻井的速度, 减小钻压、扭矩振动, 因此可以采用常规的地面泵送设备和连续管, 利用高压旋转水射流钻机、增压器和油气分离器进行喷射钻井。利用高压反作用式涡轮射流可以钻181～385in的井眼。喷射钻井实验显示70MPa的射流可以有效地钻穿最常规的油气产层。常规泵、旋转接头和管线达到28MPa才能够操作, 而一个压力比为2.5∶1的增压器可以在所要求的压力下进行有效的钻进。增压器可以利用气锚对两相流产生作用, 从两相流中分离出来的气可以供给增压器和要通过射流喷嘴的高压水, 并可以传到钻头上用来延伸射流的喷射范围。实验表明, 井底钻具组合的喷射钻井可以有效地铣削胶结物, 但是钻进速度比电动机和磨铣钻头的组合慢, 且要求更高的泵压。可以在无法应用电动机的地方应用这种工具, 例如这个工具可以通过超短半径的流动给小直径喷管射流钻井提供能量来进行水平钻井。可用于去除对井底设备有害的硬水垢等油井服务。
关键词：井下增压器,连续管钻井,射流钻井,磨铣实验
1 前言
喷射钻井受到破碎岩石的极限压力和淹没射流损耗的限制。岩石表面的射流压力决定射流切割岩石的能力, 而射流能量决定钻井的速度。通过连续管传递到射流工具的压力受到连续管的疲劳极限和现有的泵压力的限制。在可利用的压力水平上, 能够通过连续管进行射流钻井的方法包括磨料和可代替流体, 例如超临界状态的二氧化碳或者酸液。同时与这些方法相关的材料增加了成本和操作的复杂性。
另一个方法是利用井下增压器来提高射流的压力。井下增压器已经发展成为钻undefined和undefinedin井眼的辅助射流工具。这个工具的设计与常规旋转钻柱配套并由钻井液提供能量。在钻井液为23 MPa、1 260 lpm (L/min) 时, 若增压器的面积比为14∶1, 则输出为200 MPa、84 lpm。系统增加了进尺速度, 但是要求有更高的泥浆压力和边际经济效益。
连续管井下增压器可以2∶1的比例提高流体压力, 并能够在标准连续管和泵的条件下对材料有一定的磨铣作用。旋转气体分离器分离射流流体中的氮气, 使射流以整齐的流体喷射。双通道旋转射流工具带走射流周围的氮气, 增加喷射距离。
2 极限压力下冲蚀岩石
标准的连续管泵压范围是从低压连续管的28 MPa到厚壁、高强度连续管的70 MPa。在有硫化氢的地方, 连续管的极限压力将要降低。井底钻具组合的有效压差可能是10 MPa, 低于由流速、连续管半径和连续管长度产生的泵压。带有氮气和水的欠平衡钻井减少了井底压力并增加了井底钻具组合相对于泵压的有效压差。
喷射钻井和冲蚀数据显示, 岩屑的移动速率与高于初始极限压力的喷射压力成线性关系。在高于极限压力的条件下, 单位生产率迅速增加。当射流压力大约是极限压力的3倍时, 单位生产率达到最大值1, 但峰值很宽, 且喷射冲蚀在压力是极限压力的1.5倍时, 仍然非常有效。
喷射冲蚀在渗透性粒状岩中比在不渗透地层中更有效。图1表明了28个岩石试样的实验中渗透率和射流冲蚀极限压力的相互关系。油层的原始渗透率范围从10 mD (1 mD=1.02×10-3 μm2) 到10 000 mD, 而常规天然气地层可能低到1 mD。工业标准定义致密天然气砂岩的原始渗透率为0.1 mD或者更小。如图1所示, 一束70 MPa的射流就可以切割渗透率为1 mD或者更高的任何常规非裂缝性油气产层岩石。
3 设备介绍
3.1
喷射钻井
高压旋转射流钻小直径侧向井。射流产生的扭矩驱动喷射钻头和旋转头。工具上的射流旋转头以50 000 r/min的速度自转。射流可以定向, 一个环规限制进尺速度直到清除掉所有的岩石。在一系列沉积岩上做了喷射钻头的实验, 结果如表1所示。在压力为55～70 MPa时, 喷射钻头在砂岩中有很快的进尺, 但对白云岩和硬质页岩等不渗透岩石不是很有效。
3.2
井底钻具组合喷射钻井
如图2所示的井底钻具组合喷射钻井, 由筛管短节、气体分离器、井底增压器和喷射钻头组成。上述分析是基于undefinedin的喷射钻头的射流冲蚀实验数据和喷射钻井实验, 对于undefinedin喷射钻头, 工作压力为70 MPa。在这个压力下, 射流冲蚀在所有的常规非裂缝性油气层和大约一半的沉积岩中是有效的。
3.3 气体分离器
利用氮气可以减少井底压力, 增加井底钻具组合的有效压差并给工具提供动力。氮气也减少了连续管内的压力波动。气体分离器将高压水中的气含量降至0.5%以下, 阻止了由于气体膨胀带来的水射流的损耗。气体也给井底增压器提供能量, 从喷射钻头面上吸收的气体可以给喷射器提供气体护罩。
气旋性的气体分离器已经用于连续管, 但它们的效率在小直径中受到限制。旋转鼓型分离器更短且更有效, 尤其对于小直径的工具。这些工具的油田实验表明, 具有气体护罩的射流对于硬水垢的磨铣和气举心轴的除垢是有效的。undefinedin涡轮驱动的旋转鼓型油气分离器可以减少气侵, 这些气体在射流中的含量小于溶解气。
3.4 井下增压器
图3是复式增压泵的示意图。增压器的作用是用大面积活塞上的低压驱动小面积活塞来提高压力。井底增压器的设计是使用复式增压泵来连续运转。井底增压器可以用它的面积增压比来描述, 就是大活塞和小活塞的面积比。输出压力按照这个比例放大, 同时高压出口流量的减少也与增压器的面积比成比例。标准工具的面积比为3.9∶1, 所以80%的入口流量用来给工具增压, 20%的流量提供给高压射流。在实际中, 漏失和无效的容积 (余隙容积) 进一步减少了高压水的流量。井底增压器具有很长的轴向流动通道, 便于流向增压器的两边。
3.5
喷射钻头
淹没非空化射流因为流体的湍流混合而快速耗散。高压水射流核心在7个喷嘴直径长度上产生理想射流。高压水通过安装在工具的旋转喷嘴头上的6个射流喷嘴定向。射流喷嘴偏离转子的中心线, 以此产生扭矩, 旋转喷嘴头。喷射工具含有压力平衡机械面密封, 允许在70 MPa正常漏失和很低的摩阻条件下工作。井底增压器的废气单独通过工具上的喷嘴头, 提供一个可以延伸射流喷射距离的气体护罩。配置6个喷嘴以使射流核相互重叠, 波及面积可以达到整个岩石面。最外面的射流能够切割到环规的外面, 定义为最小孔径。最深处的射流通过工具的中心线。
4 实验部分
4.1 磨铣水泥的实验
水泥的磨铣实验是用在实验井内的钻具组合进行的, 包括密封试验井口和多用途节流阀, 给工具造成回压, 形成特定的井下工作条件, 如图4所示。两个5 m长、undefinedin的防喷管线连到井口, 便于在一定压力下放入整个井底钻具组合。一个回流罐为实验提供水。在连到水箱的水泵吸入口处有一个带有50 μm袋子的水过滤器。实验工具有连续管钻机和2 000 m长、2.00 in×0.175 in低压连续管以及用吊车悬吊在井口上的注水器。在组合到井口之前, 井底钻具组合和连续管连接器连接, 从下面放入防喷管中。井底钻具组合的筛管短节装有100 μm的楔形金属筛网。喷射钻头的喷嘴头装有250 μm的末端滤网。增压器工作时, 即使是工具密封在井中, 也可以听到快速“敲打破裂”的声响。当连续管中仅仅充满水时, 来自增压器的压力波动向上传递, 造成连续管的震荡。当氮气到达井底钻具组合时, 振荡衰减。
水泥磨铣实验在一个增压的实验井中进行, 包含undefinedin的油管单根, 其中填满硬化一周的G级纯水泥。对水泥的单次射流冲蚀实验表明, 在70 MPa射流压力下, 极限压力是60 MPa, 比能是7 J/mm3。
最有效的射流磨铣技术是设定一个小的给进速度并观察钻压设备。如果恰当地设定给进速度, 钻压随射流在环规的前面磨铣慢慢变化大约±10%。钻压要求比预先的要高。在实验过程中, 使钻压在2 000～5 000 dN之间。最佳的磨铣速度是钻压为4 000～5 000 dN时。事实上, 在井口压力为1 MPa和2 MPa时, 能够完成所有的磨铣。当井口压力达到4 MPa时, 磨铣停止。
最初泵压为30 MPa时, 工具在6 min内磨铣长1 m的水泥 (平均0.2 m/min) 。当连续管压力开始快速上升时, 表明喷嘴堵塞或者增压器停止工作, 实验结束。拆开工具, 但没有发现严重的问题。
在2.3 h内, 磨铣了另外6 m长的水泥 (平均0.04 m/min) 。在这个过程中, 最大的磨铣速度是0.09 m/min。尝试在回压为4 MPa时磨铣, 使钻井进度暂停, 导致了很慢的平均磨铣速度。水泵没有充气压力时, 磨铣停止。泵的吸入口过滤器充满了碎屑。检查工具, 在喷射钻头喷嘴头上的6个喷嘴中的3个堵塞, 这毫无疑问是因为慢的钻进速度造成的。
清洗所有的喷嘴, 进行第三次实验, 此时增压器已经泄漏。在开始的30 min内, 磨铣了另外的一些水泥, 但随后进度停止。经过12 min的努力, 试图用不同的技术和配置进行磨铣, 但没有成功, 实验停止。拆开以后, 发现一个喷嘴堵塞, 增压器一个高压水力密封毁坏。在喷嘴头上的末端滤网充满了碎屑, 碎屑导致筛网破裂。这些问题是由无效的连续磨铣造成的。
4.2 实验井的性能和磨铣讨论
undefinedin喷射钻头井底钻具组合在泵压为30 MPa、井口压力为1～5 MPa的条件下运转。在实验中, 井底钻具组合的中间出口压差是井底入口压差的2.7～3.0倍。通过性能实验发现, 增压器能量的利用效率比预期的效率略低。本实验的平均能量利用率大约为30%。以前的实验表明, 这个工具的能量利用率能够达到约50%。毫无疑问由于过多的内部漏失造成了较低的效率。喷射钻井的井底钻具组合在压力下共工作了6 h, 磨铣了7 m长的G级纯水泥。在第一个水泥试样中, 工具磨铣了1 m, 平均速度为0.2 m/min (10 m/h) 。在第二个水泥磨铣实验中, 一开始工具的磨铣速度为0.1 m/min (5.4 m/h) , 但后来降到平均速度为0.03 m/min (2 m/h) 。实验后观察, 喷嘴堵塞是降低磨铣性能的主要因素。这些实验的磨铣比能为2～20 J/mm3, 能够达到undefinedin喷射钻头在砂岩中射流冲蚀的比能。水泥的射流冲蚀比能和砂岩的类似, 并与水泥磨铣实验获得的值相一致。因此, 358 in喷射钻头井底钻具组合可以以0.1～0.2 m/min的速度钻砂岩。在同样的水泥试样的偏心实验中, 容积式马达和磨铣钻头用不掺添加剂的水或者混合水和氮气, 以大于1 m/min的速度在泵压20 MPa、井底压力7 MPa的条件下磨铣。
当井口压力达到4 MPa时, 等价于在400 m深的井中的静水压力, 磨铣完全停止。不断增加的井口压力将减少可用于射流护罩的气体体积流量, 并减少射流磨铣不到地方的有效射流距离。
射流磨铣要求很大的钻压, 达到机械磨铣的钻压。这个结果令人惊讶, 因为射流冲蚀钻井不要求轴向载荷。磨铣水泥不同于钻砂岩, 水泥是低渗透材料, 它是通过裂缝侵蚀, 而不是颗粒运移。磨铣也不同于钻井, 因为水泥受限在套管中, 有4 in的偏差, 而环规直径只有undefinedin。水泥的高压射流冲蚀产生大的岩屑, 岩屑会存在于偏差圆环和控制射流磨铣进度的套管之间。这些岩屑可能妨碍进度, 除非钻压将它们压碎。大的岩屑也可将堵塞喷射头中的大通道, 导致水力反力, 因此磨铣要求高的钻压。在粒状沉积岩 (例如砂岩) 中钻进产生的细小岩屑能够很容易通过喷射钻头上的大通道。
5 小井眼水平钻井
增压器可以接在油管接头上或者利用连续油管钻小直径的水平井眼, 用于井的增产。undefinedin的喷射钻头接在小直径管的末端, 小直径管通过一个大曲率半径轨迹进入产层, 而井下增压器仍然在垂直井筒中。井下增压器可以在70 MPa下产生45 kW的射流动力。用undefinedin的钻头做实验, 结果表明在这个能量水平可以有高的进尺速度。传递到undefinedin的小直径工具上的水力能量密度是undefinedin井眼的10倍, 钻井速度相应更高。这个小直径工具仅需要两股喷嘴射流就可以确保覆盖整个面积。这些喷嘴射流可以更大, 因此不容易堵塞。
6 结论
利用连续管和28 MPa地面泵压, 一个完整的喷射钻井井底钻具组合有能力磨铣水泥和钻大多数油气产层。井底钻具组合包括一个气体分离器, 对混合的氮气和水进行分离。标准的井下增压器可以提高3倍的井底压力, 但可靠性问题使得它的工作时间不超过6 h。实验表明高压喷射钻头的喷嘴堵塞妨碍了工具的正常运转。目前正在发展的第三代井下增压器工具具有更高的效率、颗粒筛选能力和可靠性。
标准的喷射钻井井底钻具组合磨铣水泥的性能实质上低于电动机和磨铣钻头。射流冲蚀水泥产生大的岩屑, 且效率不如机械磨铣。砂岩地层的喷射钻井产生小的岩屑, 并且比水泥磨铣更有效。这个过程可能对于电动机和磨铣钻头在钻压和扭矩受限的情况下更有竞争力。例如高压射流可以在额定的钻压和零扭矩条件下, 利用弯管钻成undefinedin的井眼。它的潜在应用包括为井的增产而钻的水平井。
气体分离器、井下增压器和喷射钻头在作业期间还有其他的应用。气体分离器可以在用容积式电机钻井时使用, 在电机以上的分离器支路的多余气体可以保护弹性挡板。目前正在进行undefinedin电机的气体分离器的商业应用研究。带有井下增压器的高压射流磨铣可以去除硬材料的水垢, 而机械磨铣有伤害管线和井下产层的风险。气体护罩射流能够清洗偏心工作筒。
井下增压钻井提速技术研究 篇2
1 井下螺杆增压钻井技术
井下螺杆增压技术是利用现有成熟的螺杆钻具及柱塞泵工作原理而研究发展起来, 井下螺杆增压装置的长度大于在10m左右, 其外观和普通的钻铤相同, 最上部为常规的螺杆钻具, 通过在最下部改装了与增压器连接的转换接头, 螺杆钻具为井下增压装置的动力来源, 通过转换接头螺杆钻具的转子就和增压器内部动力换向结构连接到一起, 螺杆钻具的下部是增压器的动力换向机构, 该机构有两个拨叉组成, 包括上拨叉和下拨叉, 通过上拨叉拨动下拨叉往复运动, 将上部螺杆钻具转子的旋转运动转换为往复运动。动力换向机构的下部就是增压柱塞泵, 下拨叉的往复运动带动柱塞泵的柱塞往复运动, 将大约3%-5%的钻井液进入到柱塞泵, 通过柱塞泵对钻井加压, 加压后的钻井液通过特制的超高压流道连接到钻头喷嘴, 加压后的钻井液通过钻头喷嘴喷出, 形成高压喷射辅助钻头机械破岩, 该类型的井下增压器工作稳定、增压压力可控、结构简单。井下螺杆增压装置已在胜利油田、吉林油田、四川地区现场试验多口井, 提速效果明显, 与邻井相比机械钻速均提高了50%以上, 由于地层的不同, 提速的效果不同, 最高的可以提高机械钻速一倍以上。总体上分析, 在软地层由于机械钻速本来就很高, 提速效果不是太明显, 而在中硬到硬地层, 提速效果明显。
2 井下减震增压钻井技术
在钻井过程中, 井底钻头工作时存在纵向和横向振动, 井下减震增压钻井装置就是利用井底钻头的纵向振动而研制出的, 通过将钻头的纵向运动转化为增压装置的往复运动, 在不利用钻井液水力能量的前提下, 对部分钻井液进行加压, 在钻头喷嘴处形成高压喷射。既减少了井底钻头的纵向振动, 保护了钻头, 同时可以形成高压喷射辅助钻头破岩。具体的工作原理为在井底钻头工作时, 钻头的产生的纵向振动通过转化接头带动连接轴及柱塞上下运动, 而增压器的柱塞外筒通过连接装置连接上部钻铤。当井底钻头产生向上的纵向振动时, 钻头连接的柱塞产生向上的运动, 而柱塞外筒保持相对静止, 这样在增压器的内部形成负压, 部分钻井液在负压的作用下进入到增压缸内, 当钻头产生向下产生纵向振动时, 柱塞相对与柱塞外筒向下运动, 实现了增压缸内的钻井液加压。通过增压缸增压后的钻井液, 通过特制的超高压流道, 流道钻头喷嘴处, 从钻头喷嘴喷出形成高压喷射, 辅助钻头破岩。该技术已在胜利油田现场试验三口井, 现场试验结果表明该技术提速效果明显, 而且具有显著的减震作用。由于该技术动力来源是井下钻头产生的纵向振动, 因此产生的高压射流不稳定, 而且不适用于定向井和水平井, 具有一定的局限性。由于该技术具有减震和增压两种作用, 因此具有较强实用性, 特别是在利用该技术钻坚硬地层时, 井下减震增压装置具有良好的减震作用, 由于井底钻头的振动产生的井口设备的振动得到了明显的抑制。
3 井下射流增压钻井技术
射流式井下增压装置利用射流节流, 通过不断的改变射流的方向, 带动下部的上下两级增压装置。通过节流元件将钻井液形成一定的节流压降, 节流压降可以实现上下两级增压缸的往复运动, 从而形成高压射流, 辅助井底钻头破岩。在增压装置增压工作的过程中, 通过射流原件产生的节流压降, 产生的节流压降通过设计的流道分别连接到增压装置的上下活塞缸上, 由于压降的作用, 增压缸开始带动活塞向下运动, 对钻井液井下加压, 形成高压射流。在增压装置泄压的过程中, 形成节流压降的低压流道关闭, 通过射流原件后的钻井液直接进入到增压缸内, 推动活塞上移, 同时吸入钻井液, 完成了增压装置的复位过程。该技术已在吐哈油田现场试验, 实验结果表明机械钻速提高了30%以上, 结构合理, 工作稳定可靠。该技术充分利用了井下钻井液的能量, 通过射流的作用形成了增压泵的高压流体, 能量的转换效率相对较高。
4 结束语
提高钻井速度是目前石油钻井降低钻井成本, 提高经济效益的主要方式之一。随着科学技术的不断发展, 新型的钻井技术不断的发展与应用, 大大的提高了石油钻井的速度和钻井的质量。其中利用井下增压钻井技术, 在井底钻头形成高压喷射提高机械钻速的方法, 近年来发展迅速, 通过新型井下增压技术现场试验结果表明, 该技术提高机械明显。文章通过研究, 分析了井下螺杆增压钻井技术、减震增压钻井技术、射流增压钻井技术的工作原理及现场试验情况。目前这些技术还处在现场试验的阶段, 实现推广应用还有一定的距离, 应当加快增压装置的系列化和标准化, 扩大增压装置的应用范围, 对于提高石油钻井速度和降低钻井成本具有重要意义。
摘要：随着我国石油资源的不断枯竭, 石油勘探开发逐渐的转向深井硬地层和复杂地层, 在这些地层钻井中存在着钻井速度慢, 钻井成本高难题, 亟需新型的钻井新技术新方法研究。油气井的钻井实践表明, 通过在井底钻头喷嘴处形成高压喷射射流, 可以大幅度的提高钻井速度, 降低钻井成本。因此国内外钻井工程研究人员提出井下增压钻井新技术, 文章通过调研和理论研究, 分析了井下螺杆增压技术、井下减震增压技术、井下射流增压技术的工作原理、工艺流程及现场试验的效果。为提高石油钻井速度降低钻井成本提高技术基础。
关键词：石油钻井,井下增压,高压喷射,工作原理,现场试验
参考文献
[1]李洪敏.井下增压钻井技术的新进展[J].石油科技论坛, 2004[1]李洪敏.井下增压钻井技术的新进展[J].石油科技论坛, 2004
井下增压器 篇3
关键词：井下安全阀,气体增压器,可编程逻辑控制器
1 引言
井下安全阀是一种安放于井筒内的连接于油管上设定位置的安全装置, 在井口装置失控时防止井喷和污染环境, 以确保油井生产安全。井下安全阀试验检测系统是按照美国石油协会API 14A标准完成井下安全阀验证试验和功能试验的设备。空气增压系统则是井下安全阀试验检测系统中非常重要的一部分。
在井下安全阀试验检测系统中, 一些试验系统过程需要高压气体的支持。本文综合考虑试验系统的需求, 设计了空气增压系统。该系统的主要功能是在井下安全阀进行气体泄漏试验时提供高压气源, 根据试验要求, 预增气压力范围是3~15MPa, 经过升压以后可达到140MPa。
2 系统组成和工作原理
在气动系统中, 由于特殊工作要求, 局部需要较高的工作压力。往常的做法是提高系统总的工作压力, 但这样会使得设计总成本增加, 造成资源浪费。实际工作中可采用气体增压器, 在不增加工作压力的情况下达到获得局部高压的目的。
2.1 升压原理
本试验系统采用气体增压器作为升压设备, 基于帕斯卡原理, 即在流体力学中, 封闭容器中静止流体的某一部分发生的压强变化, 将毫无损失地传递至流体的各个部分及容器壁。气体增压技术是利用两个串联活塞的面积差, 通过压力传递及转换, 将大面积活塞上的低压转换成小面积活塞上的高压。原理如图1所示。
根据静压平衡原理可得:PB·a=PL·A
其中:A、a分别为大小活塞面积, PB、PL分别是小活塞和大活塞受到的气体压力。大小活塞面积比为增压比:i=A/a
当A>a时, 可得PB>PL, 从而实现增压目的。A与a相差越大, 增压比越大, 所能达到高压越大, 增压的效果就越明显。气体增压器利用空气做介质, 具有无污染、成本低等特点, 因此在生活中得到广泛的应用。
本系统增压器选择气驱气体增压器, 其是高压往复式压缩机的一种, 可在不增加气源压力的情况下, 获得比较高的工作压力。对于一个气体增压器来说, 增压比是不变的。因此, 可以对驱动气源压力进行调整, 从而实现对输出高压气源的无级调节。
气驱气体增压器选择美国Haskel公司的14AGD-125型, 该增压器为单级双作用气体增压器, 其增压比为10, 最高输出压力可达241.5MPa, 驱动压力为0.6MPa, 每冲程排量为3.53inch3。
现假设活塞向左运动对气体升压, 其工作示意图如图2所示。初始时, 增压腔A、B以及驱动腔A同时输入Pin, 驱动腔B放空。当活塞向左移动后, 增压腔B中压力升高, 而驱动腔A以及增压腔A中的压力Pin不变, 当受力平衡时有:
式中:F1-增压腔A中产生的作用力;F2-驱动腔A中产生的作用力;F3-增压腔B中产生的作用力;D-驱动活塞的直径;d-增压活塞的直径。
此时增压腔B中的压力就是输出压力Pout,
增压比为i=D2/d2
2.2 系统结构及工作原理
空气增压系统主要由气体增压器、气控阀、仪表、压力传感器、高压管件等部分组成。系统动力由压缩空气提供, 采用气驱气体增压器增压, 将压缩气体进一步升压至高压, 从而满足试验系统的需求。空气增压系统的结构原理组成如图3所示。
如图3所示, 当需要升压时, 控制系统控制气控阀打开, 卸压阀关闭, 电磁阀通电接通, 驱动气进入左侧驱动腔, 推动活塞向右运动进行压缩行程, 增压腔内气体在高压活塞作用下通过单向阀排出, 同时高压气体进入增压腔左侧。当驱动活塞运动到行程末端时, 电磁阀换向, 驱动气进入右侧驱动腔, 驱动活塞向右运动进行压缩行程, 如此往复工作, 直至达到所需高压气体。
当需要卸压时, 电磁阀断电切断驱动气源, 气体增压器停止工作, 同时气控阀关闭, 卸压阀打开, 空气增压系统卸压。
系统中设有安全阀, 可以设定管线输出的最高压力, 防止压力过高而损坏井下安全阀以及相关试验设备。系统中装有消声器, 防止产生噪音污染, 安全环保。
3 控制系统的设计
空气增压系统的控制部分主要由电脑、可编程逻辑控制器、压力传感器、低压电器、电缆等设备组成, 其可以实现对压力表、阀门以及其他元件的自动控制, 对操作人员技术要求不高。其主要结构如图4所示, 系统采用上下两级控制。
系统上位机采用PC机或者工控机, 控制部分的软件则选择用虚拟仪器软件Labview作为开发平台来编写控制程序, 上位机对下位机的指令的控制通过串口通信实现, 下位机采用PLC完成对各类阀件的自动控制以及对压力传感器数据的采集及传输。
综合考虑本系统的控制需要, 输入有模拟电流, 功率输出也为模拟量, 因此所选择的PLC型号为西门子公司的S7-200系列。压力传感器为0~150MPa, 最大输出信号为4~20m A。
通过对控制系统的要求研究分析, 选用PLC的功能扩展模块EM235来实现PLC与压力传感器之间的连接, EM235的A/D转换器分辨率为12位, D/A转换分辨率为11位, 输入范围为0~20m A, 输出精度为满量程的±0.5%, 其完全可以满足控制系统的需要。
4 本系统设计特点
(1) 选用气驱气体增压器, 达到工作压力后自动停机, 不再消耗多余的能量和产生热量。
(2) 不产生热量, 不会有火花和火焰危险, 安全防爆。
(3) 气动活塞及其他气动部件在工作状态下不需要添加润滑油, 从而节省运行成本, 并可防止油气污染环境。
(4) 系统管路装有高压表和压力传感器, 可以比较直观地观察分析压力变化状态。
(5) 该系统运用PLC以及虚拟仪器技术, 实现了对系统的控制和实时测量, 提高了系统的自动化程度和试验精度。
参考文献
[1]API SPEC14A/ISO10432, Specification for Subsurface Safety Valve Equipmen[tS].
[2]周大伟, 钟宫祥, 梁政.国内外井下安全阀的技术现状及发展趋势[J].石油矿场机械, 2007, 36 (3) :14-16.
[3]刘志阳.气体增压器结构设计与实验研究[D].大连:大连海事大学机械电子工程系, 2010.
[4]陈能德.气体增压器[J].炼油化工自动化, 1994 (6) :69-72.
井下增压器 篇4
1 现有技术分析
提高深井钻速一直是困扰钻井工程领域的重点问题, 通过不断探索却见效甚微的课题。为了增加油气产能, 各开采单位不断增加深井钻井数量, 可是深井钻井费用却不断抬高。在钻井过程中, 遇到的破岩和清岩难度不断加大, 水力能量递减, 特别是在井深到一定程度时, 地层岩石强度相当大, 造成了大量的岩屑, 这些情况增加了工程量, 提升了施工难度, 从根本上导致了深井钻井时间加长, 远远超出了可控的成本预算。按我国实际情况计算, 目前一口深井钻井费用在几千万至上亿元不等, 如此高的成本费用, 已经到了严重制约钻探开发效益的程度。
高压射流辅助钻井技术指井下增压器实施高压射流辅助机械破岩钻进的技术, 国内外普遍认为, 使用这项技术能够有效解决深井钻速问题, 美国第三代井下增压器装置正在研发中。而我国的中石化、中石油、民营企业也在对这方面进行探索创新, 已经有所成就, 未来几年内, 自主国产的井下增压器就能够投入到各类工业应用中。
美国第一、二代井下增压器的井下实验表明, 与常规钻井相比提高50%~300%, 高压射流辅助钻井的速度, 受射流水力效率和机械破碎关系的影响, 除对井下增压器进行开发研制外, 当前迫切解决的问题是对高压射流辅助钻井技术进行研究, 只有这样才能有效提升射流直接切割破岩和辅助破岩效率。高压射流动压力衰减规律、高压喷嘴与普通喷嘴组合及复合流场的特性, 直接影响高压射流在井底切割深度和清岩能力, 这方面研究成果, 目前在国内外研究文献和报导中尚不可见。
20世纪80年代, PDC钻头引入国内工业应用, 剪切破坏是PDC钻头的破岩原理, 其工作原理与牙轮钻头不同。由于岩石的抗剪强度比抗压强度小, PDC钻头破岩所需要的能量比同尺寸的牙轮钻头小, 其能在较短时间内以较小的钻压实现更有效的钻进, 使机械钻速成倍提高, 更是普通牙轮钻头的2至4倍, 提高了生产效率, 节省了大量时间。由于PDC钻头上没有活动部件, 可以减少井下事故, 在较短时间内, 得到普遍应用。PDC钻头虽然有许多自身优点, 但在实际操作时, 问题不断, PDC切削齿比较脆弱。容易在作用力下发生断裂, 不适用软硬交错的地层, 特别是在施工时, PDC钻头水眼离井底太近, 则射流从井底反射冲击力, 使钻头冠部压力加大, 巨大的压力冲蚀钻头体, 大大减少了钻头使用效果, 减少了使用时间。如果在目前基础上, 只有不断在实践中摸索, 才能通过技术改良, 用新型PDC钻头, 解决水力能量与机械刀具有效协调的问题, 提高破岩能力, 对工程建设将会产生巨大的历史意义。
总的来看, 旋转钻井推广以后, 其破岩的机理没有发生大的改动, 还是使用机械应变力对岩石进行破碎, 有些问题没有得到良好解决, 如能量传输、转换、分配和利用效率等。20世纪60年代, 各国不断探索新工艺, 研究新方法, 想通过改变能量传输方式的办法, 提高能量转化, 强化利用效率, 促进了泥浆增压技术的发展;同时期, PDC钻头的应用极大提高了钻井速度, 其技术优势夺人眼球。这两项技术的出现, 推动了钻井技术发展。
2 结构原理
2.1井下螺杆增压提速装置。井下螺杆增压提速装置和超高压双流道PDC钻头, 能够紧密配合石油、天然气钻井作业, 这套工具外观是一根钻铤, 通过螺杆增压提速装置和钻井液增压系统相互协调, 有效连接在钻柱和超高压双流道PDC钻头中间, 完成工程施工需要。螺杆钻具工作原理主要就是利用钻井液的水力作用, 通过不断往复的旋转运动, 产生巨大扭矩, 输出需要的巨大能量, 完成钻头操作, 达到破碎岩石的目的。装置内螺杆钻具输出的能量不是用来带动钻头的, 而是用来对井下部分钻井液实现增压设置的, 当增压到60~100MPa时, 就需要通过特殊喷嘴喷出高速射流, 使井底岩石破碎, 增加钻井工作能力和速度。井下螺杆增压提速装置与超高压双流道PDC钻头的结构原理图如图1所示。增压装置主要就是利用井下钻井液中的水力进行动力输出, 使螺杆马达转子持续运动, 达到最大输出扭矩, 所产生的动力和能量, 不断传导、输出, 使能量不间断的进行传递, 此时, 由旋转接头传递的动力, 经过动力转换体短时间内迅速转换, 把当初旋转运动转化成轴向往复的持续运动, 使过滤筒、柱塞一起运动, 加大缸内钻井液压, 经增压后的高压水射流, 经高压管引流至特殊的高压喷嘴喷出, 产生一股强大的水射流, 快速到达井底, 对岩石进行冲蚀、破碎, 通常情况下, 螺杆马达旋转转子旋转一周就实现柱塞的一次往复运动。
斜盘式增压装置钻井液流程如下:压力为10~13Mpa的常规钻井液被输送到井下, 螺杆马达接收水力传播, 带动马达转子, 大部分钻井液由螺杆马达转子进入旋转体内部流道, 小部分钻井液从马达传动轴的轴承缝隙流入旋转体外部腔内, 使接头外部流道与旋转接头内钻井液均匀混合, 一起注入动力转换体内, 过滤筒与长筒之间有一个环形腔, 在压力差不断作用下, 一部分钻井液经过滤网过滤, 传输到柱塞内部, 在液阀作用下注进高压缸内, 增压后产生巨大的能量, 再从高压阀按程序不断排出, 经过超高压双流道PDC钻头喷嘴高速喷射而出, 瞬间产生力量, 冲击井底并破碎岩石;还有一部分常压钻井液, 需要由从过滤网外的环形间隙流向下方, 从钻头普通喷嘴出来, 持续产生压力, 对井底岩屑实现即刻清洗作业。
增压装置各部件功能不同, 虽然结构比较复杂, 但通过拆解, 我们可以把他们分解为动力单元、动力转换单元、固液分离单元和增压单元等四个功能单元。装置结构主要是由螺杆马达、动力转换体、旋转接头、过滤筒、柱塞外筒、接头等零部件组成一个整体。增压装置如图1所示。 (1) 动力单元。螺杆钻具是动力单元的核心部件, 工作原理是将钻井液水力能量通过螺杆马达以扭矩形式进行输出, 把动力学传导至旋转体。完全能够通过改变马达头数和流量设置, 完成对马达输出扭矩和转速的操作过程。需要注意的是, 一定要保证螺杆钻具传动轴外筒厚度, 只有这样才能有效保证连接增压器。当前情况下, 均把螺杆钻具传动轴接头由公接头改为母接头, 缩小接头外径, 给动力转换体紧密连接留出可操作的空间。 (2) 动力转换单元。核心部件是旋转体和动力转换体。旋转体输出扭矩, 经过动力转换体的往复运动, 使旋转体轴线转换为沿动力旋转体轴向的往复运动。这个过程需要注意那些未转换到位的扭矩, 一定要合理操作动力转换体下端的花键, 以此充分抵消这个扭矩。 (3) 固液分离单元。单元的核心是过滤筒及过滤网。在下钻或接单根时, 会产生少量砂石, 这些砂石如果不留意就会滑入增压器内, 极容易堵死井下增压缸进口, 需要在柱塞上端设计一个由过滤筒和过滤网组合而成的过滤装置, 解决并防止砂石堵死进液阀的现象。在对柱塞外筒流道设计时, 一定使流道孔径大于普通水眼的孔径, 这样做的目的是防止井下砂石在下钻中通过普通水眼倒灌, 形成恶性循环, 造成过滤筒与外筒环形腔砂石堆积, 使增压过程缓慢, 只有不断提高设计能力, 才能更有效解决砂石堆积问题, 保护机械设置工作流畅。 (4) 增压单元。增压单元由柱塞及柱塞外筒总成组成。由螺杆钻具传递的动力经动力转换单元将马达的旋转运动转化为轴向的往复运动, 并带动柱塞做往复运动, 实现对部分钻井液的增压。
1-高压合金管;2-定心夹具;3-钻头体;4-密封圈;5-可换式普通喷嘴;6-密封圈;7-圆柱体;8-外套;9-超高压喷嘴。
2.2超高压双流道PDC钻头。超高压双流道PDC钻头内部结构设计比较复杂主要是在钢体PDC钻头的内部设置一根超高压管, 上部连接井下增压泵出口, 下部通过钻头内加工流道与超高压射流喷嘴相连, 超高压喷嘴设计安装在钢体PDC钻头刀翼上, 一般在切削齿后面, 结合PDC切削齿进行快速破岩。要考虑钻头内部的喷管符合使用寿命, 方便安装、更换等。总体设计示意图如图2所示。双流道超高压PDC钻头结构较为复杂, 各配件间连接紧密, 相互协作。主要就是在钻头的最上部安装一个能够扶正的装置, 这样就可以有效的扶正超高压管。扶正装置一般为缺口式的环形卡簧, 上下均为圆柱形状, 而在中间有一处通道, 由上下圆柱体中间开三条径向缝, 然后在两条壁厚上开轴向流道。可换式普通喷嘴通过后续加工的流道连接到钻头内腔上, 在上喷嘴前, 一定要把“O”型密封圈放置入槽内, 再进行喷嘴旋入, 保持密封状态。超高压管的最下部分, 能够通过丝扣进行相连, 把钻头体上加工好的超高压流道与超高压喷嘴接到一处, 使超高压喷嘴与外套形成一个内外整体, 然后再连通内有通道孔圆柱体与超高压流道, 超高压喷嘴圆柱体、外套与钻头体之间, 必须要有“O”型密封圈, 以此进行密封, 切实保证不漏液。
3 现场实验
2011年7月12日至2011年7月15日, 井下螺杆增压提速装置与超高压双流道PDC钻头在胜利油田渤海二公司承钻的胜利油田义180井进行现场试验。该井为直井, 设计井深4260m。试验井段 (2048-2282m) 为东营组, 岩性为为灰色、深灰色泥岩、油泥岩为主夹砂岩。
试验井段所用的钻具组合为:Φ311.1mm超高压PDC钻头 (2个Φ1.5mm的超高压喷嘴, 6个Φ12mm的普通喷嘴) +Φ228.6mm井下螺杆增压装置+Φ203钻铤+Φ177.8钻杆。钻井参数为:钻压:20-40KN、转速:60-80RPM、排量:49-56L/S、泵压:9-13MPa、泥浆密度:1.06g/cm3。
实验结果: (1) 井下螺杆增压提速装置与超高压双流道PDC钻头井下工作69h, 进尺为234m, 机械钻速为16.1m/h, 出井后工具外观整体结构完整, 工具返回至车间拆解后, 内部零件磨损轻微, 完全可以满足井下工作100h的需要。 (2) 现场取得明显提速效果。按钻头情况、地层状况、井深程度, 进行比较, 与邻井同井段常规机械钻速进行了分析, 结果是相当良好的, 使用该装置的机械钻速有了明显的提速 (结果见表1) 。
4 结束语
(1) 现场试验结果表明, 井下螺杆增压提速装置与超高压双流道PDC钻头的工作原理正确, 结构可靠, 出井后工具外观整体结构完整; (2) 井下螺杆增压提速装置与超高压双流道PDC钻头提速效果相当明显; (3) 着力完善细节, 不断加强结构及钻井工具设计, 进一步优化设计思路, 从根本上全面提高工具实际工作效率, 保持可靠性、安全性, 这才是今后井下螺杆增压提速装置与超高压双流道PDC钻头技术的研究重点。
摘要：利用螺杆钻具动力推动的井下螺杆增压装置, 是通过螺旋斜面式换向工具, 不断把螺杆钻具的旋转运动转化成往复的柱塞泵运动, 使一部分钻井液压增长到100MPa以上, 通过超高压双流道PDC钻头的喷嘴喷出, 实现高压水射流破岩、提高钻头的破岩效率。该装置在胜利油田东营组地层配合12.2"钻头, 现场试验一口井, 试验井深2048-2282m, 工具在井下正常工作60h以上, 机械钻速同比提高63.8%。井下增压装置结构合理、工作寿命长、提速效果明显, 该技术的试验成功对于硬地层、复杂地层的提高钻井速度、缩短建井周期提供了一条有效途径。
关键词：井下增压,超高压,PDC钻头,提高钻速,现场试验
参考文献
[1]李明谦, 黄继庆.螺杆钻具的应用现状及发展建议[J].石油机械, 2006, 34 (5) :73-76.