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1、中国石油大学（华东）毕业设计（论文） 外文翻译及原文带有井下增强器的连续油管喷射钻井学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导教师： 2008年6月20日带有井下增强器的连续油管喷射钻井J.J.Kolle，K.Theimer，A.Theimer，R.Cox和S.R.Schershel1摘要高压旋转喷射钻井在减小钻压、扭矩及振动水平的同时，保持了钻进速度的增加。为了适应这种旋转喷射钻井技术，发展了高压旋转喷射钻机、压力增强器和油气分离器。高压反作用式涡轮喷气旋翼因所钻的孔径不同，而制定了从1-1/8到3-5/8不等的尺寸。喷射钻井的检验显示，70MPa（10000psi）压力的射流能有效的钻穿最常规
2、的油气生产层。常规泵、水龙头和油管工作时压力最高可达28MPa（4000psi），为达到此压力要求，高效钻井，开发了2.51的压力增强器。通过使用井下油气分离器，该增强器可以操控两相流动。在两相流的操控当中，分离的气体用来为增强器提供能量，而高压水则提供给射流喷嘴。从增强器中排出的气体被移送到钻头，从而扩大喷射的范围。测试表明，喷射钻井的底部钻具组合（BHA）有水泥磨铣的能力，但是它的钻进速度比电动机还要低并且磨铣和泵入的压力要求更高。所以该工具可以用于电动机不能应用的情况。比如，该工具能够为小直径的喷管射流钻具提供能量，而这种钻具可以通过一个超短半径曲线应用于侧向水平钻井。此外，修井的应用包
3、括在不损害井下设备的条件下，没有风险的移除硬水垢。2 前言喷射钻井受限于冲蚀岩石的门限压力以及被淹没流体的喷射损耗。被传递到岩石表面的射流压力决定了射流切割岩石的能力，而射流的能量决定了钻进的速度。通过连续油管传递到射流工具的压力受到蛇管疲劳极限和现有水泵压能的限制。为使压力能够安全的通过蛇管，可在喷射钻井时填加磨料（ Eslinger等人，2000年 ）和交换液如超临界二氧化碳（ koll ，2000年）或酸（Moss等人，2006年）。但与这些做法相关的材料消耗大大增加了成本和操作的复杂性。另一种方法是利用井下增强器提高射流的压力。井下增强器被发展应用于7-7/8到8-3/4井眼的射流辅助
4、钻井（ Veenhuizen等人，1995 年）。这个装置单元被设计以能与常规旋转钻柱一起工作并依靠钻井泥浆下入井内。该增强器面积比是141，即能将压力23MPa，流量1260Lpm的供应泥浆转化为压力200MPa，流量84Lpm的输送泥浆。总之，这个系统提供了更高的钻进速度，但需要较高的泥浆压力，并且它的经济效益也是微不足道的。一个连续油管井下增强器已经研制成功，它可以将流体的压力提高为原来的二倍，从而在标准蛇管和标准泵的作用下磨碎矿物沉垢（ koll等人，2007年 ）。旋转式油气分离器去除喷射液中的氯，以进行直线流体喷射钻进。此外，双通道旋转喷射工具可以移除射流周围的氮气，从而提高喷射的
5、范围。正如下面所要讨论的，油气生产层的喷射钻井至少需要70MPa的射流压力。所以在这里讨论一个具有更强增压能力的增强器，这种型号的增强器在基岩钻进中有着更高的增强比。3岩石冲蚀的门限压力典型的连续油管泵压范围从低压蛇管的28MPa到加重高强度蛇管的70MPa。在含有硫化氢的区域，那最大的蛇管压力将会被削减。产生于底部钻具组合的压差可能比泵压小10MPa左右，而泵压则取决于泵的流速、蛇管的直径和长度。对氮水混合物的负压操作能够降低井底的压力，并且可以增加底部钻具组合相对于泵压的压力差。喷射钻井和冲蚀的数据始终表明，当射流压力大于岩石初期的门限压力时，岩石的剥离速度与射流压力成线性关系。一个相关的
6、分析显示，当超过门限压力时，单位生产效率会迅速的增加，具体如图1所示。当单位生产效率达到最大值1时，射流的压力是门限压力的3倍左右，但当射流压力是门限压力的1.5倍时，生产效率的峰值已经足够大，此时的射流的冲蚀作用依然非常有效。射流冲蚀在渗透性粒状岩石中的效果比在非渗透性地层中的效果要更好。岩石的渗透性与相应射流冲蚀门限压力的关系在如图2所示的28块岩石样本中可以显现。产油层的基岩渗透率在10mD到10000mD的范围之内，而常规的产气层的基岩渗透率却只有1mD左右。行业标准对致密气藏砂的定义是其基岩渗透率为0.1mD甚至更小。正如图2中所示，一个压力在70MPa的射流应该能够切割任何常规未压
7、裂的油气产层渗透率在1mD或更大的岩石。图1 射流冲蚀单位生产率随射流压力与门限压力比值的关系图2 28块岩石样本的基岩渗透率与门限压力的关系4 1-1/8喷射钻具图3所示为一钻小直径水平井的高压旋转射流钻具，此钻具结合了一个能被喷射的扭矩所驱动的旋转压头。这个工具上的压头旋转的速度为50000rpm，射流的喷射方向由标准环决定，从而限制了前部射流的进度以使所有的岩石被剥离。正如图中所示的这种装置会产生一个标准孔洞。用这种喷射钻具在一系列不同类型的沉积岩当中进行了测试，测试的结果归纳于表1。在压力为55到70MPa时，喷射钻进在砂岩中会迅速穿透，但在一些坚硬的非渗透性岩层如白云岩和硬页岩中，效
8、率不是让人满意。表中提供了一个钻进比能的计算，所谓比能，是指单位为瓦特的液压动力与单位为立方毫米每秒的岩石移除速度的比值。图3 硬砂岩中1-1/8喷射钻具、钻进测试和所钻孔洞实物图表1 1-1/8喷射钻井测试结果5 3-5/8喷射钻井底部钻具组合(BHA)该喷射钻井底部钻具组合如图4所示，它由筛管短节、油气分离器、井下增强器和喷射钻具组成。该系统的详细技术指标列于表2。基于射流冲蚀测试数据和上述1-1/8喷射钻具的钻进测试，为3-5/8的喷射钻具选择一个70MPa的操作压力。在此压力下，射流冲蚀将对所有的常规未压裂的油气产层和超过半数以上类型的沉积岩有效。图4 92mm(3-5/8)井眼喷射钻
9、井所用的2.75底部钻具组合装配外视图。图中尺寸为英寸和毫米表2 3-5/8喷射钻井系统的技术规格6油气分离器使用氮可以降低井底压力，也可以增加底部钻具组合的压差从而为工具提供动力。另外，氮还可以减小蛇管内压力的变化幅度。油气分离器可将侵入高压水当中的气体含量降低到0.5%以下，以防止因气体膨胀而造成的喷射能量的损耗。同时，这些气体还能用来为井下增强器提供能量，最终被排出到射流钻具表面处为射流提供一个气罩。气旋性的油气分离器可以与连续油管一起使用，但是它们的可行性被限制在小直径的井眼。与其相比，转鼓分离器非常短并且更有效，尤其是它的直径很小。这些工具的现场实验显示，带有气罩的射流对硬水垢的碾磨
10、和对气举阀工作筒内的垢类移除是有效的。为将射流用水中侵入的气体减小到溶解气含量以下，发展了一个2-3/4的涡轮驱动转鼓油气分离器。该油气分离器的详细技术指标列于表2。这个油气分离器也为容积式马达的操作进行了相应的配置。7井下增强器（DHI）一个复式作用的增压泵示意图如图5所示。它的操作原理是通过向一个大面积活塞施加低压来驱动一个小面积活塞，从而提升压力。此DHI的设计使用了一个复式作用的增强器以进行连续的操作。DHI能够按照它的面积增强比，也即大小活塞的面积比进行描述。出口压力会按这个比例增大，而高压出口流体会相对应的减少。此典型工具有一个3.91的面积比，它的出口流体体积的80%被用来为钻具
11、提供能量，20%的流体用来产生高压水射流。但渗漏和容积效率低下，进一步降低了实际应用中高压流体的流量。此DHI结合了一个长的轴向流动通道，将流体分流到增压器的两侧。这些通道易受到湍流的影响，产生摩擦压力损失，并会导致本可增加流体流量的DHI的水力效率减小。被此工具引起的压力变化的例子如图6所示。在每个冲程的最后，出口压力波动到最小值。另外，在入口压力为28MPa时，出口压力的峰值接近90MPa。在这项测试中，高压喷射中的水力能率为42kW，占传递到工具当中能量的30%。在其它的测试当中，水力能量效率能达到50%以上。图5 井下增强器工作原理图6 在263Lpm的水、9.7scmm的N2和1.9
12、MPa回压条件下的测试数据绘制图。8 3-5/8喷射钻具淹没式、非气穴作用的流体喷射由于流体的湍流混合，很容易遭受快速的损耗。在这些条件下，一个理想射流产生的高压喷射核的长度是喷嘴直径的七倍。此喷射钻具结合了双通道，如图7所示。高压水被引导通过钻具，最后到达旋转喷嘴压头处六个射流喷嘴。射流喷嘴对于转子的中心线来说是偏心的，这样可以为旋转水头提供扭矩。射流工具结合了压力平衡的机械端面密封结构，这种结构具有标准漏失和较低的摩擦损失，并可允许70MPa的操作压力。底部钻具组合产生的废气被分离，然后通过工具到达喷嘴头，提供了一个可扩展喷射范围的气罩。六个喷嘴的配置，以使射流核交叠所扫过的面积能够切割整
13、个的岩石表面。远离中心的射流切割到标准环外面的岩石，而这决定了最小直径的孔眼，而最内部的射流交叉穿过工具的中心线进行岩石切割。位于Austin Chalk的一个喷射钻具产生的切割形式的例子如图8所示。图7 3-5/8的喷射钻具图8 3-7/8的喷射钻具在Austin Chalk岩层的切削形式9水泥磨铣测试水泥磨铣测试可通过位于测试井内部的钻井钻具组合来实施，其中包括一个釆油树和节流阀管汇的密封测试，从而对工具产生回压以模拟特定的井下工作条件。测试井平面图如图9所示。两根隶属于釆油树的5m长、7-5/8的防喷管使整个底部钻具组合处于上述回压之下。一个二次循环罐为此测试提供水源，所以，一个带有多个
14、50微米袋子的滤水器滑架被装在二次循环罐的的水泵吸入口处。测试是利用一个连续油管钻井装置、一个2000m长2.00*0.175尺寸的低压蛇管以及一个靠起升装置悬浮于井内的喷射头来进行的。底部钻具组合隶属于连续油管的连接管，并且在釆油树组合的防喷管作用下，承载着上述所产生的回压。底部钻具组合的筛管短节配有一个100微米的楔形导线过滤器，喷射钻具的喷嘴头配有一个250微米的筛网。如图10所示为底部钻具组合的地面操作，这是为了确认增强器正确的操作而进行的。增强器的操作是可以听到的，它就如一个快速的破裂敲打声，即使当钻具在井中被封堵时，也会产生这种声音。当蛇管仅仅充满水时，增强器的压力变化被传至上游，
15、这促使了蛇管的摆动。当蛇管的摆动衰减后，则说明氮气已经到达底部钻具组合。图9 测试井平面图图10 对增强器和喷嘴头旋转的地面检验操作水泥磨铣测试在增压测试井内实施时，井内包括多根4-1/2的油管，这些油管装满了老化一周的G级纯水泥。这种水泥的单一射流冲蚀测试显示，门限压力为60MPa并且在70MPa的喷射压力时，比能为7J/mm3。如图11所示，射流使水泥断裂并产生大的碎屑。图11 对直径50mm的G级纯水泥的单一冲蚀结果最有效的射流磨铣技术即能设置一个较低数值的进给速度，又能监视钻压（WOB）的变化。如果进给速度设定的合适，随着喷射对标准环前方岩石的破碎，钻压将缓慢的增加或减小10%左右，所以需要升高的钻压比预期还要高。我们在整个测试中使用2000-5000dN的钻压，在此条件下，测试达到了最优的磨铣速率。事实上，全部的磨铣是井口压力（WHP）在1-2MPa的条件下完成的。当井口压力升到4MPa时，磨铣就会停止。最初，钻具在泵压为30MPa时，磨蚀1米的水泥需要6分钟（平均0.2m/min）。当蛇管的压力开始迅速升高时，说明是喷嘴堵塞或增强器停止工作，这时测试终止。拆卸工具后，并没有发现关键的问题存在。第二次测试时，钻具在2.3小时内钻穿了另外的6米水泥(平均0.04 m/min)。在这个过程中，最大的磨蚀速度
