微小井眼水力加壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計及鉆壓計算_劉清友_圖文

1、第30卷 第2期2009年3月石油學(xué)報A CT A PETROLEI SINICAV o l. 30M arN o. 22009基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(No 50674078, No 50874096 資助。作者簡介:劉清友, 男, 1965年10月生, 1997年獲西南石油學(xué)院博士學(xué)位, 現(xiàn)為西南石油大學(xué)教授, 博士生導(dǎo)師, 主要從事石油天然氣裝備、油氣井工E qy com. cn文章編號:0253 2697(2009 02 0304 04微小井眼水力加壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計及鉆壓計算劉清友 單代偉 王國榮(西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室 四川成都 610500摘要:微小井眼鉆

2、進過程中, 連續(xù)管的直徑小、剛度低, 采用傳統(tǒng)的鉆鋌施加鉆壓不能滿足鉆井需要, 為此設(shè)計了一種用于88 9mm 井眼的微小井眼水力加壓器。綜合考慮井下馬達、水力加壓器以下鉆柱與井壁的摩擦力、水力加壓器運動部件與缸體內(nèi)壁的摩擦力等因素對井底鉆壓的影響, 建立了水力加壓器串聯(lián)在井下馬達上方時井底鉆壓計算模型, 通過對模型的求解可以得到鉆井液流量、噴嘴直徑與鉆壓關(guān)系曲線, 為水力加壓器在微小井眼鉆進中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。關(guān)鍵詞:微小井眼; 水力加壓器; 結(jié)構(gòu)設(shè)計; 鉆柱; 摩擦力; 鉆壓; 計算模型中圖分類號:T E 21 文獻標(biāo)識碼:AStructure design of hydraulic

3、thruster and computationmodel of weight on bit in micro -holeLIU Qingy ou SH AN Daiw ei WANG Guorong(State K ey L abor atory f or Oil and Gas Reser voir Geolo gy and Ex p loitation ,Southwest P etr oleum Univ er sity , Chengd u 610500, ChinaAbstract :T he coiled tubing used in the micro -ho le drill

4、ing has the shor tcoming s of slender and highly flex ible structure. T he dr illing weig ht on bit acted by the popular co llar is difficult to meet the requirement of the micr o -hole dr illing. A micro -ho le hydraulicthruster was designed t o employ in bo rehole with a diameter of 88. 9mm. A com

5、putatio n mo del for dr illing weig ht on bit while the hy dr aulic thr uster co nnected abov e t he mud mo tor was pro posed, in consider ation of the effects of mud mot or, frict ion betw een side wall and dr illing str ing beneat h the thrust er, fr iction betw een the mo ving components of thrus

6、ter and the inner wall of its housing on the bot tom of dr illing w eig ht. Solving the model co uld derive the r elation curv es o f flow rate and nozzle diameter w ith the weig ht on bit. T he r esear ch r esults can prov ide t he r eference fo r applicatio n o f hydraulic t hr uster in micro -ho

7、le drilling. Key words :m icro -ho le; hy dr aulic thruster; structur e desig n; drilling collar ; fr iction; weig ht on bit; co mputatio n mo del微小井眼鉆井是指采用小型化連續(xù)管鉆井技術(shù)鉆直徑小于88 9mm 的井眼。連續(xù)管直徑小, 剛度低, 傳統(tǒng)的鉆鋌施加鉆壓方式不適用于微小井眼鉆井, 需要利用水力加壓器將鉆井液壓力轉(zhuǎn)化為推力向井底施加鉆壓。早在1995年, 地礦部石油鉆井研究所就成功研制了水力加壓工具1, 近年來根據(jù)鉆井施工的需要又發(fā)展出了雙行程

8、水力加壓器和帶測位裝置的水力加壓器2-3。在國外, 美國Baker H ug hes 公司和加拿大Co ug ar 公司對水力加壓器的研發(fā)處于領(lǐng)先地位, Baker H ughes 公司研制開發(fā)了小尺寸的水力加壓器( 98 4114 3mm , 用于解決水平井或套管開窗側(cè)鉆井中施加鉆壓的問題。目前, 國內(nèi)外還沒有研發(fā)可用于88 9mm 井眼的微小井眼水力加壓器, 在水力加壓器鉆壓研究方面也大多是建立單一水力加壓器的鉆壓計算模型3-5或者是考慮的因素不夠完善6-7。筆者設(shè)計了一種微小井眼水力加壓器, 并建立了水力加壓器安裝在井下馬達上方的井底鉆壓模型, 模型中考慮了井下馬達和摩擦力對井底鉆壓的影

9、響。水力加壓器鉆壓研究有助于合理選擇鉆井參數(shù), 保證鉆頭獲得所需鉆壓, 從而提高鉆進速度。1 微小井眼水力加壓器結(jié)構(gòu)和工作原理根據(jù)微小井眼鉆井的需要, 設(shè)計了一種可用于88 9m m 井眼的水力加壓器, 其結(jié)構(gòu)參數(shù)為:外徑為65mm ; 鉆壓范圍為2030kN; 工作行程為300mm; 最大工作壓力為15MPa; 最大工作扭矩為1500N m 。水力加壓器活塞級數(shù)為五級, 采用六方鉆桿傳遞扭矩。微小井眼水力加壓器結(jié)構(gòu)如圖1所示。在水力加壓器下端設(shè)計有一個噴嘴短節(jié), 通過噴嘴短節(jié)實現(xiàn)下第2期劉清友等:微小井眼水力加壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計及鉆壓計算305 部鉆具(如扶正器或井下動力鉆具 與水力加壓器的連接,

10、 同時根據(jù)設(shè)計鉆壓的大小, 可以方便的更換噴嘴短節(jié)內(nèi)的噴嘴, 以滿足向井底提供不同鉆壓的需要。鉆井液流入水力加壓器后, 由于噴嘴的節(jié)流作用, 在水力加壓器內(nèi)部與井眼環(huán)空之間產(chǎn)生一個壓差, 水力加壓器活塞上端面受加壓器內(nèi)部壓力作用, 而活塞下端面與井眼環(huán)空相通, 受井眼環(huán)空壓力作用, 活塞在水力加壓器內(nèi)外壓差的作用下產(chǎn)生一個正壓力, 并通過六方鉆桿傳遞給鉆頭,形成鉆壓。 1 噴嘴短節(jié); 2 噴嘴; 3 六方鉆桿與主活塞桿; 4 主缸體; 5 二級副缸體; 6 二級活塞; 7 三級或多級副缸體; 8 三級或多級活塞; 9 上接頭。圖1 微小井眼水力加壓器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure

11、schematic diagram of micro -holehydraulic thruster2 微小井眼水力加壓器井底鉆壓計算鉆井過程中, 帶水力加壓器的典型底部鉆具組合如圖2所示, 此時水力加壓器施加的鉆壓受到多種因素的影響。在鉆具組合中, 雖然鉆井液流過水力加壓器的壓降和鉆頭上的壓降可以直接計算出來, 但是井下馬達的壓降不是恒定不變的, 而是隨鉆頭扭矩的變化而變化。由此可見, 要計算水力加壓器產(chǎn)生的下推力, 得先計算出水力加壓器及其以下各鉆具的壓降, 其中馬達壓降的計算是一個難點6。 圖2 帶水力加壓器的底部鉆具組合鉆頭上的鉆壓F dr 是水力加壓器下推力F t 、水力加壓器運動部

12、件與缸體內(nèi)壁的摩擦力F p 、水力加壓器以下鉆具與井壁的摩擦力F d 以及水力加壓器以下鉆具重量F w (浮重 的函數(shù)(圖3 , 即F dr =F t +F w cos -F d -F p (1式中: 為井斜角, ( 。圖3 底部鉆具組合受力示意圖Fig. 3 Force schematic diagram of BHA2 1 水力加壓器的下推力根據(jù)所設(shè)計的微小井眼水力加壓器結(jié)構(gòu), 可以得出下推力f t 的計算公式為f t =( p t + p d + p m (d 22-d 21 +( p t + p d + p m 224-S d(2 p t =22gc 2S 2(3 p d =22gc

13、2S 2d(4式中: p t 為水力加壓器噴嘴產(chǎn)生的壓降, Pa ; p d 為鉆頭噴嘴產(chǎn)生的壓降, Pa ; p m 為井下馬達產(chǎn)生的壓降, Pa ; g 為重力加速度, m/s 2; Q 為鉆井泵排量, m 3/s ; S 為水力加壓器噴嘴面積, m 2; c 為噴嘴流量系數(shù); 為鉆井液密度, kg/m 3; S d 為鉆頭噴嘴當(dāng)量面積, m 2; d 1為副活塞桿外徑, m ; d 2為副缸體內(nèi)徑, m 。p m 隨馬達轉(zhuǎn)子輸出扭矩增大而增大。由于受鉆井因素影響, 井下馬達的壓降并非隨馬達轉(zhuǎn)子扭矩變化而完全按線性規(guī)律增長, 即馬達的實際工作特性為一條曲線。為了簡化計算, 忽略機械效率和水

14、力效率的影響, 依據(jù)馬達的理論工作特性得壓降與扭矩關(guān)系為8-9p m =V 0(M +M f =V 0M +V 0M f(5式中:M f 為摩擦扭矩, N m , 在實際應(yīng)用中認(rèn)為是常數(shù); M 為馬達轉(zhuǎn)子的輸出扭矩, N m ; V 0為馬達排量, m 3/r , 即0s r 0r (Z r 0r s(6306石 油 學(xué) 報2009年 第30卷式中:F 0為過流面積, m 2; T s 為襯套導(dǎo)程, m ; T r 為螺桿導(dǎo)程, m ; Z s 為襯套線數(shù); Z r 為螺桿線數(shù)。當(dāng)井下馬達轉(zhuǎn)子未輸出扭矩(即M =0 時, 壓降為馬達空轉(zhuǎn)壓降, 記為 p 0, 則p 0=V 0M f所以式(5

15、變?yōu)?p m =V 0M + p 0(7很明顯, 當(dāng)馬達帶負(fù)載運轉(zhuǎn)時, 其壓降由兩部分組成。一部分是空轉(zhuǎn)壓降(起動壓降 p 0(馬達空載運轉(zhuǎn)時馬達進出口間的壓差并非為零, 此時的馬達壓降為空轉(zhuǎn)壓降 。它用于轉(zhuǎn)子克服鉆具內(nèi)部摩擦和水力摩阻, 它的大小直接反映馬達的配合狀態(tài), 馬達配合過盈量大, 空轉(zhuǎn)壓降越大, 轉(zhuǎn)矩內(nèi)部損耗能量越大, 空轉(zhuǎn)壓降一般為0 51M Pa10, 具體數(shù)值可由實驗求得。另一部分帶載運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的壓降 p L 等于井下馬達工作壓降 p m 與空轉(zhuǎn)壓降 p 0之差, 即 p L = p m - p 0, 它是鉆頭鉆進時克服地層的阻力矩。鉆頭的扭矩系數(shù)描述了鉆頭扭矩與鉆頭壓力的關(guān)

16、系, 其值受鉆頭類型和地層軟硬的影響, 具體關(guān)系為7C M =F dr d b(8式中:d b 為鉆頭直徑, m 。牙輪鉆頭的扭矩系數(shù)為0 030 05, 金剛石鉆頭的扭矩系數(shù)為0 10 3。2 2 水力加壓器以下鉆柱與井壁的摩擦力水力加壓器以下鉆柱與井壁的摩擦力F d 對鉆壓的影響相對較小, 這里簡化計算為水力加壓器以下鉆柱重力作用下與井壁產(chǎn)生的摩擦力, 即F d = 1F w sin(9式中: 1為滑動摩擦因數(shù), 其值為0250 40(水基鉆井液 11。2 3 水力加壓器運動部件與缸體內(nèi)壁的摩擦力 水力加壓器運動部件與缸體內(nèi)壁的摩擦力包括兩部分:由活塞與缸體內(nèi)部產(chǎn)生的摩擦力F p 1, 這

17、部分力較小; 傳遞扭矩的六方鉆桿與六方缸體之間的摩擦力F p 2, 這部分力較大?；钊c缸體內(nèi)壁的摩擦力可以以活塞與缸體機械運動效率的方式考慮, 橡膠密封在泥漿中緩慢移動時可取機械運動效率 為0 90 96, 其表達式為F p 1=F t (1- (10由于六方鉆桿和六方缸體的間隙很小, 忽略間隙的影響, 缸體內(nèi)壁的受力如圖4所示, 則有 M =6f l =3f R(11式中:f 為六方鉆桿與六方缸體之間的正壓力, N ; l 為力; , 六方鉆桿與六方缸體之間的摩擦力為F p 2=6f 2=2M 2R =2F dr d b C M 2R(12式中:F p 2為六方鉆桿與六方缸體之間的摩擦力,

18、 N 。取無潤滑狀態(tài)下鋼與鋼之間的滑動摩擦因數(shù) 2=015。圖4 六方缸體受力示意圖Fig. 4 Force schematic diagram of hexagonal housing2 4 鉆壓的計算由以上的分析可以看出, 水力加壓器的下推力F t以及六方鉆桿與六方缸體內(nèi)壁的摩擦力F p 2均與鉆壓有關(guān), 它們隨著鉆壓的增大而增大, 而鉆壓又是F t 和F p 2的函數(shù), 因而鉆壓的計算過程實際上是一個迭代計算過程, 具體迭代步驟為: 估計一個初始鉆壓C 1, 即設(shè)F dr =C 1; 由式(5 可計算出對應(yīng)的馬達壓降 p m ; 由式(2 計算出水力加壓器下推力F t ; 由式(9 式(

19、12 計算出摩擦力F d 和F p ; 由式(1 計算出鉆壓, 令C 2=F dr ; 若|C 1-C 2| , 則收斂, 計算結(jié)束, 認(rèn)為C 2為所求的鉆壓, 否則重復(fù)步驟 。計算結(jié)果如圖5所示。曲線從上到下分別表示水力加壓器噴嘴直徑從812m m 時流量與鉆壓的關(guān)系, 根據(jù)所鉆地層的設(shè)計鉆壓, 可依據(jù)曲線圖對流量和噴嘴直徑進行選擇。圖5 流量、噴嘴直徑與鉆壓關(guān)系曲線Fig. 5 Relationship curves of f low rate and nozzle diameter第2期劉清友等:微小井眼水力加壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計及鉆壓計算3073 結(jié) 論(1 設(shè)計了一種用于88 9m m 井眼

20、的水力加壓器, 通過對水力加壓器與井下馬達的鉆壓分析可以看出, 在鉆井過程中不能把水力加壓器認(rèn)為是一個獨立的工具。(2 水力加壓器和安裝在其下的所有元件組成一個相互作用的系統(tǒng), 即帶水力加壓器底部鉆具組合的穩(wěn)定操作鉆壓取決于鉆具組合的形式和各種鉆井參數(shù), 它們共同作用使得鉆壓達到一個穩(wěn)定的值。(3 要獲得應(yīng)用水力加壓器的最佳效益除了需要相應(yīng)的理論指導(dǎo)外, 還需要一定的經(jīng)驗。參考文獻1 丁培積, 陳天成, 劉嘉銘, 等. 水平井水力加壓工具及其應(yīng)用J .石油鉆探技術(shù), 1995, 23(3 :41-43.Ding Peiji, Chen T iancheng, Liu Jiaming, et a

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