螺桿鉆具及其破巖鉆井方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種螺桿鉆具及其破巖鉆井方法，用于石油天然氣勘探開發(fā)中鉆井工程領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]鉆井工程占油氣開發(fā)成本的50%以上，投資大，且風(fēng)險(xiǎn)高，提高鉆井效率是降低勘探開發(fā)成本的最佳途徑。隨著深井、超深井、易斜井、硬地層、水平井及大位移井在石油鉆井中所占的比例越來越大，深井中遇到的硬地層和堅(jiān)硬地層用常規(guī)單純旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法破巖效果差，鉆進(jìn)效率低，深井中的井斜問題也日益突出；在水平井和大位移鉆井中，隨著水平位移的增加，水平井的加壓更為困難，鉆具的損壞也更為嚴(yán)重。近三五年，提高鉆速、降低鉆井成本是石油工程領(lǐng)域高度需求的技術(shù)之一。
[0003]目前，提高破巖效率主要從三個(gè)方面研宄:
一.機(jī)械高效破巖法。
[0004]1.新型高效鉆頭。2001年休斯克里斯坦森公司生產(chǎn)的BD536PDC鉆頭創(chuàng)造了一次下井鉆深6994m的世界紀(jì)錄。
[0005]2.旋沖鉆具。國內(nèi)外對用旋沖鉆技術(shù)來解決這些問題比任何時(shí)候都重視，并投入大量人力物力進(jìn)行研宄。目前，旋沖鉆井技術(shù)因沖擊器質(zhì)量不過關(guān)，壽命還達(dá)不到所需要的時(shí)間，滿足不了實(shí)際鉆井的需要，不能廣泛推廣。沖擊器是通過沖錘提供沖擊力的，這種工作原理決定了提高其質(zhì)量是十分困難的。
[0006]3.扭沖工具。在井下，PDC鉆頭的運(yùn)動(dòng)是極其無序的，包括橫向、縱向和扭向的振動(dòng)及這幾種振動(dòng)的組合。井下橫向、縱向和扭向的振動(dòng)將分別表現(xiàn)為:回轉(zhuǎn)、鉆頭彈跳、粘滑。只有當(dāng)能量積蓄到紅線以上時(shí)，巖層才會(huì)被剪切。井下振動(dòng)會(huì)損壞單個(gè)roc切削齒，導(dǎo)致鉆頭壽命降低，引起扭矩波動(dòng)干擾定向控制和隨鉆測井LWD信號(hào)，以及產(chǎn)生不規(guī)則井眼降低井身質(zhì)量。
[0007]扭沖工具巧妙地將泥漿的流體能量轉(zhuǎn)換成扭向的、高頻的、均勻穩(wěn)定的機(jī)械沖擊能量，產(chǎn)生750-1500次/分鐘甚至更高的高頻的、均勻的、扭矩方向的沖擊力，并直接傳遞給roc鉆頭，就相當(dāng)于每分鐘750-1500次切削地層，使鉆頭和井底始終保持連續(xù)性，完全改變了 PDC鉆頭的運(yùn)動(dòng)。使用扭力沖擊發(fā)生器，會(huì)大大增加ROP機(jī)械鉆速和鉆井導(dǎo)向性，使roc更有效地剪切破碎地層。很好地將這種粘滑現(xiàn)象大大的消除。由于是在扭向上產(chǎn)生穩(wěn)定均勻的高頻沖擊，所以只適用于PDC鉆頭，并對金剛石覆合片起到保護(hù)作用，從而延長roc鉆頭壽命，在使用的同時(shí)也減弱其他鉆具的疲勞強(qiáng)度，延長其他鉆具的壽命。
[0008]實(shí)踐表明:扭沖工具能顯著提高機(jī)械鉆速，降低成本。
4.降低摩擦阻力工具。
[0009]定向井和水平井鉆進(jìn)過程中，由鉆具組合與井壁摩擦所造成的額外扭矩與摩阻，導(dǎo)致機(jī)械鉆速低、工具面控制困難、單趟鉆進(jìn)尺很少、異常嚴(yán)重的鉆柱和鉆頭磨損等；當(dāng)累積摩擦力超過所施加鉆壓時(shí)，迫使管柱發(fā)生正旋彎曲或螺旋屈曲，就會(huì)出現(xiàn)托壓現(xiàn)象。對于定向井和水平井而言，高摩阻還會(huì)形成彎曲井眼，從而造成鉆機(jī)鉆達(dá)最大深度的能力降低。
[0010]實(shí)踐表明，利用水力脈沖產(chǎn)生鉆柱軸向振蕩，可有效降低滑動(dòng)鉆進(jìn)鉆具組合與井壁的摩擦力并有效改善鉆壓傳遞，進(jìn)行定向滑動(dòng)鉆進(jìn)效果明顯；還可減小井下扭轉(zhuǎn)，減輕橫向振動(dòng)并提高機(jī)械鉆速。應(yīng)用水力振蕩器，定向鉆進(jìn)效率能夠得到大幅度提高，可以鉆出更為平滑的井眼，而且單趟鉆效率提高很多。目前，國外水力振蕩減阻工具已經(jīng)非常成熟，已經(jīng)成為國外最常用的鉆井減阻工具，在頁巖氣開發(fā)中，數(shù)口井應(yīng)用了水力振蕩減阻工具，取得了良好的效果。水力振蕩減阻工具在國內(nèi)應(yīng)用中均能有效提高機(jī)械鉆速。
[0011]二.射流輔助鉆井破巖方法。
[0012]1.井下增壓泵。通過井下增壓泵增壓達(dá)10MPa以上的超高壓射流，提高機(jī)械鉆速2倍，但最多工作50h失效，其關(guān)鍵技術(shù)室增壓結(jié)構(gòu)和使用壽命。
[0013]2.井下它激增壓裝置，主要依靠射流卷吸作用或者共振腔反饋?zhàn)饔没蛘攮h(huán)空流體壓力的它激作用。水力脈沖空化射流發(fā)生器能夠耦合自振空化效應(yīng)和流體的擾動(dòng)作用，將鉆頭處的連續(xù)射流耦合成脈沖空化射流。其在井底欠平衡狀態(tài)下產(chǎn)生3種效應(yīng)一水力脈沖、空化沖蝕和局部瞬時(shí)負(fù)壓，這3種效應(yīng)能很好地改善井底流場、提高井底凈化效率和輔助破巖，起到提高機(jī)械鉆速的作用
三.欠平衡鉆井技術(shù)提高破巖效率的方法。
[0014]欠平衡鉆井是指在鉆井時(shí)井底壓力小于地層壓力，地底的流體有控制地進(jìn)入井筒并且循環(huán)到地面上的鉆井技術(shù)。
[0015]20世紀(jì)90年代，欠平衡鉆井技術(shù)開始在國外迅速發(fā)展，目前全球裝備的欠平衡鉆井?dāng)?shù)量已經(jīng)超過1.5萬口，到2010年將超過2萬口。在許多發(fā)達(dá)國家，欠平衡鉆井已經(jīng)成為常規(guī)鉆井技術(shù)，例如，美國、加拿大兩國的欠平衡鉆井已經(jīng)占到本國鉆井總量的1/5左右。國外應(yīng)用結(jié)果表明:低壓欠平衡鉆井可以提高鉆速4至10倍，鉆頭壽命可延長I倍以上。
[0016]我國欠平衡鉆井技術(shù)發(fā)展也比較快。例如:風(fēng)南8井日前在三開3629?4257.01米井段實(shí)施泡沫欠平衡鉆井，平均機(jī)械鉆速由常規(guī)泥漿鉆井的0.55米/小時(shí)提高至2.81米/小時(shí)，提速510%，節(jié)約鉆井周期48天。
[0017]又如:由于柯柯亞區(qū)塊地層研磨性強(qiáng)、可鉆性差、夾層多，在常規(guī)鉆井過程中往往存在機(jī)械鉆速低、鉆頭壽命短、鉆井周期長、鉆井成本高等難題。該區(qū)塊曾多次試驗(yàn)新型鉆頭、井下工具、調(diào)整鉆井參數(shù)和鉆井液性能等措施，都沒有取得明顯效果。為實(shí)現(xiàn)盡快上產(chǎn)，吐哈油田公司決定在柯19-3井800—2500米井段試驗(yàn)充氣欠平衡鉆井，以達(dá)到提速和節(jié)約鉆井成本目的。該井于10月20日開始欠平衡鉆進(jìn)，至10月23日，單只鉆頭欠平衡鉆井進(jìn)尺達(dá)429米，純鉆時(shí)間47.58小時(shí)，該段平均機(jī)械鉆速9.02m/h，創(chuàng)下了柯柯亞區(qū)塊鉆井平均機(jī)速歷史新高，相對于同區(qū)塊各鄰井機(jī)械鉆速提高I一2倍，同型號(hào)單只鉆頭進(jìn)尺提高2—4倍，不僅大幅度提高了機(jī)械鉆速，縮短了鉆井周期，而且還節(jié)約了鉆井成本。
[0018]以上各種提高破巖效率的方法或工具，都是從不同角度出發(fā)設(shè)計(jì)的，都具有獨(dú)立性，甚至不能同時(shí)應(yīng)用。例如扭沖工具能很好改善PDC鉆頭的受力情況，提高機(jī)械鉆速，但還需要與螺桿鉆具等井下動(dòng)力工具一起使用，才能進(jìn)行定向井或水平井鉆井，而且對鉆具長度和鉆井參數(shù)有較高要求。能否將這些方法集成在一個(gè)工具上。又如，水力振蕩器工具能很好的解決水平井托壓問題，但也需要與螺桿馬達(dá)等動(dòng)力工具配合使用，才能進(jìn)行水平井鉆進(jìn)。另外，有些破巖工具對井下鉆具組合還有較大影響。例如井下增壓泵，必須設(shè)置在動(dòng)力工具的前端，造成動(dòng)力工具與鉆頭之間的距離較長，在足夠大鉆壓鉆井過程，容易造成鉆具與井壁之間發(fā)生渦動(dòng)，磨損失效，發(fā)生斷鉆具，掉鉆頭等事故。
[0019]中國專利號(hào):CN102777122B，授權(quán)公告日2014年07月09日，發(fā)明專利的名稱為一種沖擊式螺桿鉆具，該專利案公開了 “沖擊式螺桿鉆具，解決了現(xiàn)有技術(shù)中螺桿鉆具瞬間產(chǎn)生沖擊力使鉆頭的切削齒容易損壞的問題，包括依次連接的旁通閥總成，馬達(dá)總成，萬向軸總成和傳動(dòng)軸總成，其中，旁通閥總成主要由閥體、閥芯、彈簧、篩板組成，馬達(dá)總成主要由定子殼體和轉(zhuǎn)子組成，萬向軸總成主要由萬向軸殼體和萬向軸組成，傳動(dòng)軸總成主要由傳動(dòng)軸殼體、中空的傳動(dòng)軸、推力軸承組和徑向軸承組構(gòu)成；所述傳動(dòng)軸總成和萬向軸總成之間設(shè)有流量調(diào)節(jié)總成?！逼淞髁空{(diào)節(jié)總成距離鉆頭較遠(yuǎn)，且閥調(diào)節(jié)的頻率較高，產(chǎn)生的負(fù)壓波脈沖傳遞到鉆頭噴嘴時(shí)，鉆具環(huán)空的高壓波已經(jīng)回傳到鉆頭，補(bǔ)償了壓力不平衡，不能達(dá)到瞬時(shí)欠平衡鉆進(jìn)效果，另外，流量調(diào)節(jié)總成設(shè)置在水冒附近，水擊增壓造成傳動(dòng)軸兩端的壓差更大，使傳動(dòng)軸受力狀況更復(fù)雜，影響螺桿動(dòng)力工具輸出扭矩。
[0020]中國專利號(hào):CN101581196A，公開日2009年11月18日，發(fā)明專利的名稱為具有沖擊功能的螺桿鉆具傳動(dòng)軸總成的制作方法，該專利案公開了“一種具有沖擊功能的螺桿鉆具傳動(dòng)軸總成，它具有傳動(dòng)軸及外體，外體與傳動(dòng)軸之間設(shè)有雙向限位軸承，特點(diǎn)是，傳動(dòng)軸分為上傳動(dòng)軸和下傳動(dòng)軸兩部分，對應(yīng)于傳動(dòng)軸的外體也分為上、下外體兩部分，在下外體與下傳動(dòng)軸之間的環(huán)形空腔內(nèi)活動(dòng)設(shè)有連為一體的環(huán)形剛體沖擊套和上啟振座，在環(huán)形剛體沖擊套的下端設(shè)有沖擊座，沖擊座固定連接在下傳動(dòng)軸上，在上啟振座與下傳動(dòng)軸之間、環(huán)形剛體沖擊套與下傳動(dòng)軸之間設(shè)有啟振裝置，在上啟振座與下啟振座接觸的端面上沿周向平面對應(yīng)的分別設(shè)置N個(gè)等分等高度等斜度的斜面”。由于螺桿鉆具傳動(dòng)軸不僅輸出扭矩，還為鉆頭提高較大鉆壓，在傳動(dòng)軸上設(shè)置斜面；讓上下軸在旋轉(zhuǎn)過程，斜面推動(dòng)上部鉆具上移，然后突然下移而產(chǎn)生沖擊，必然要消耗較大能量，使螺桿鉆具的輸出扭矩受到較大影響，甚至憋壓，