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煤层气井水力-机械式裸眼造穴工具

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煤层 气井 水力 机械式 裸眼 工具
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  新 产 品 开 发  煤 层 气 井 水 力 2机 械 式 裸 眼 造 穴 工 具刘 志 和(胜 利 石 油 管 理 局 钻 井 工 艺 研 究 院 )摘 要   煤 层 气 裸 眼 洞 穴 完 井 是 开 采 煤 层 气 的 先 进 技 术 。 为 改 变 我 国 煤 层 气 钻 探 井 裸 眼 造 穴 技术 对 国 外 技 术 过 于 依 赖 的 现 状 , 研 制 出 列 水 力 2机 械 式 裸 眼 造 穴 工 具 。 这 种 工 具 主 要 由上 接 头 、 壳 体 、 活 塞 总 成 、 推 杆 总 成 和 牙 轮 总 成 等 部 分 组 成 。 具 体 造 穴 工 艺 是 : 在 煤 层 气 井 钻 完后 , 将 该 裸 眼 造 穴 工 具 下 入 预 计 造 穴 井 段 , 通 过 工 具 的 水 力 冲 击 和 机 械 切 削 方 法 将 原 井 眼 扩 大 到有 利 于 煤 层 气 采 气 的 设 计 尺 寸 。 5口 井 的 现 场 试 验 表 明 , 该 工 具 原 理 正 确 , 结 构 简 单 , 操 作 方 便 ,是 一 种 有 效 的 煤 层 气 井 裸 眼 造 穴 工 具 。关 键 词   煤 层 气 井   水 力 2机 械 式   裸 眼 造 穴 工 具   现 场 试 验引       言煤 层 气 是 近 20年 来 在 世 界 上 崛 起 的 一 种 新 型洁 净 能 源 , 开 发 这 种 能 源 对 缓 解 能 源 的 供 需 矛 盾 、实 施 可 持 续 发 展 的 能 源 战 略 、 保 护 人 类 的 生 存 环境 、 解 决 煤 炭 开 采 安 全 问 题 等 都 具 有 十 分 重 要 的 现实 意 义 。 我 国 煤 层 气 储 量 丰 富 , 已 探 明 储 量 居 世 界第 三 , 而 石 油 天 然 气 相 对 缺 乏 , 大 规 模 开 发 利 用 煤层 气 是 一 种 发 展 趋 势 。美 国 是 世 界 上 开 采 煤 层 气 最 早 的 国 家 , 也 是 第一 个 率 先 成 功 实 现 煤 层 气 商 业 性 开 发 的 国 家 。 煤 层气 的 开 发 无 论 在 技 术 水 平 上 还 是 在 产 业 化 水 平 上 均居 世 界 前 列 。国 外 煤 层 气 井 裸 眼 造 穴 已 具 备 一 整 套 完 善 的 技术 , 但 他 们 对 外 实 行 技 术 封 锁 。 由 于 我 国 对 煤 层 气的 地 面 钻 探 开 展 较 晚 , 煤 层 气 钻 探 技 术 还 处 于 比 较落 后 的 状 态 , 煤 层 气 钻 探 井 裸 眼 造 穴 技 术 对 国 外 公司 过 于 依 赖 , 既 增 加 了 作 业 成 本 , 又 限 制 了 煤 层 气钻 探 井 的 快 速 发 展 。 2003年 , 先 后 有 几 家 煤 层 气施 工 井 队 就 煤 层 气 造 穴 工 具 问 题 向 研 究 单 位 求 助 。为 满 足 现 场 需 要 , 2003~ 2004年 胜 利 石 油 管 理 局钻 井 工 艺 研 究 院 结 合 国 内 外 工 具 现 状 和 现 场 实 际 情况 , 经 过 科 技 攻 关 , 研 制 出 一 款 适 应 现 场 需 要 的 煤层 气 井 500水 力 2机 械 式 裸 眼 造 穴 工 具 。2004年 , 该 造 穴 工 具 在 武 1V 井 完 成 现 场试 验 。技   术   讨   论11工 具 结 构 和 原 理(1) 工 具 结 构   水 力 2机 械 式 裸 眼 造 穴 工 具 结构 如 图 1所 示 , 主 要 由 上 接 头 、 壳 体 、 活 塞 总 成 、推 杆 总 成 、 牙 轮 总 成 等 部 分 组 成 。图 1  水 力 2机 械 式 裸 眼 造 穴 工 具1— 上 接 头 ; 2— 活 塞 总 成 ; 3— 壳 体 ;4— 推 杆 总 成 ; 5— 销 轴 ; 6— 牙 轮 总 成(2) 工 作 原 理   当 工 具 下 到 预 定 造 穴 位 置 后开 泵 , 钻 井 液 通 过 活 塞 喷 嘴 产 生 压 力 降 , 在 活 塞 上产 生 的 推 力 推 动 活 塞 下 行 , 活 塞 进 而 推 动 推 杆 下移 , 使 牙 轮 侧 弯 。 通 过 钻 具 的 旋 转 和 牙 轮 的 自 转 运动 切 削 地 层 , 牙 轮 侧 转 到 一 定 位 置 后 , 推 杆 对 牙 轮的 推 力 逐 渐 降 为 0, 此 时 造 台 阶 成 功 。 通 过 逐 渐 增—06—            石   油   机   械 第 36卷   第 8期大 钻 压 使 牙 轮 与 工 具 处 于 垂 直 状 态 , 可 以 正 常 造 穴钻 进 。 本 体 上 的 2个 喷 嘴 用 来 清 洗 牙 轮 , 对 于 疏 松煤 层 , 从 水 眼 中 喷 射 出 的 高 压 射 流 同 时 具 有 破 岩 的作 用 , 可 以 有 效 提 高 造 穴 速 度 。21技 术 特 点(1) 该 工 具 采 用 水 力 活 塞 式 结 构 , 利 用 喷 嘴产 生 的 压 降 推 动 活 塞 , 带 动 扩 眼 刀 翼 工 作 , 结 构 简单 , 操 作 方 便 , 安 全 可 靠 。(2) 牙 轮 上 的 切 削 齿 可 根 据 地 层 的 软 硬 来 选择 装 配 片 或 者 硬 质 合 金 球 齿 。(3) 在 钻 具 旋 转 时 , 牙 轮 产 生 公 转 与 自 转 ,从 而 达 到 造 穴 的 目 的 。 牙 轮 的 自 转 可 以 减 小 钻 具 扭矩 , 避 免 扭 矩 过 大 损 坏 钻 具 。(4) 通 过 更 换 不 同 长 度 的 牙 轮 , 可 满 足 工 程上 对 造 穴 直 径 的 需 要 。(5) 可 根 据 现 场 地 层 硬 度 及 具 体 情 况 选 择 加入 泵 压 显 示 装 置 , 通 过 地 面 泵 压 的 变 化 判 断 工 具 在井 下 的 工 作 状 态 。(6) 牙 轮 切 削 刃 采 用 合 理 的 结 构 设 计 、 独 特的 切 削 元 件 , 保 证 了 造 穴 工 具 的 使 用 寿 命 和 切 削 速度 要 求 。(7) 工 作 完 成 后 或 需 要 紧 急 起 钻 时 , 可 停 泵上 提 。 由 于 水 力 活 塞 依 靠 外 力 回 收 , 结 构 简 单 , 不会 因 切 削 刃 不 能 回 收 而 卡 钻 。(8) 可 根 据 钻 井 现 场 的 实 际 情 况 , 选 择 确 定造 穴 工 具 节 流 装 置 喷 嘴 的 大 小 和 钻 井 泵 排 量 。(9) 本 体 上 设 计 2个 喷 嘴 , 从 水 眼 中 喷 射 出的 高 压 射 流 具 有 清 洗 牙 轮 和 辅 助 破 岩 作 用 , 可 以 有效 提 高 造 穴 速 度 。(10) 牙 轮 内 部 采 用 无 弹 夹 、 大 颗 粒 滚 动 轴承 , 轴 承 寿 命 长 。31主 要 技 术 参 数系 列 造 穴 工 具 主 要 技 术 参 数 见 表 1。表 1  系 列 造 穴 工 具 主 要 技 术 参 数工 具 型 号 连 接螺 纹 本 体 外径 / 扩 最 大直 径 / 具 总长 / 于 井 眼直 径 /500 15 500 1 213 118650 15 650 1 213 118500 42 500 1 213 152650 42 650 1 213 15241裸 眼 造 穴 施 工 程 序 及 注 意 事 项(1) 工 具 入 井 前 要 保 证 井 眼 畅 通 , 使 造 穴 工具 能 够 顺 利 到 达 造 穴 井 段 。 同 时 , 要 在 施 工 前 对 所有 设 备 、 仪 表 进 行 严 格 检 查 , 保 证 造 穴 作 业 顺 利 进行 。 维 护 处 理 好 钻 井 液 性 能 , 使 其 具 有 较 强 的 悬 浮能 力 , 以 降 低 岩 屑 的 沉 降 速 度 , 同 时 还 要 保 证 井 眼的 清 洁 和 井 下 的 安 全 。(2) 工 具 入 井 前 进 行 严 格 检 查 , 并 做 好 地 面试 验 , 确 保 工 具 牙 轮 部 分 伸 缩 自 如 , 保 证 工 具 安 全可 靠 ; 根 据 钻 井 现 场 实 际 情 况 , 选 择 确 定 造 穴 工 具节 流 装 置 喷 嘴 的 大 小 和 钻 井 泵 排 量 。(3) 在 套 管 内 靠 近 套 管 鞋 处 安 放 满 眼 扶 正 器 ,保 证 下 部 钻 具 的 刚 性 , 确 保 造 穴 工 具 居 中 和 稳 定 。(4) 下 钻 时 , 所 有 下 井 钻 具 与 工 具 均 需 双 钳紧 扣 , 达 到 标 准 推 荐 扭 矩 要 求 。 下 钻 操 作 要 平 稳 ,严 格 控 制 下 钻 速 度 , 尤 其 是 工 具 入 转 盘 、 喇 叭 口 、封 井 器 及 特 殊 井 段 , 应 防 止 突 然 遇 阻 造 成 工 具 损坏 、 套 管 损 伤 或 其 它 更 为 严 重 的 钻 井 事 故 发 生 。 下钻 过 程 中 严 禁 开 泵 及 划 眼 , 遇 阻 不 得 硬 压 强 下 , 情况 恶 劣 时 应 起 钻 通 井 , 严 禁 用 造 穴 工 具 划 眼 。(5) 造 台 阶 时 , 将 造 穴 工 具 下 到 预 定 开 始 造穴 位 置 , 首 先 转 动 钻 具 , 钻 柱 旋 转 正 常 后 , 然 后 缓慢 开 启 钻 井 泵 , 建 立 循 环 , 小 排 量 顶 通 后 , 排 量 由小 到 大 , 注 意 观 察 扭 矩 变 化 , 此 时 不 要 下 放 钻 具 ,当 牙 轮 完 全 侧 弯 后 (根 据 造 穴 地 层 软 硬 确 定 造 台阶 时 间 ) , 再 由 小 到 大 缓 慢 增 加 钻 压 , 逐 步 增 加 到正 常 钻 压 。(6) 造 穴 过 程 中 要 求 专 人 负 责 操 作 刹 把 , 密切 注 意 观 察 扭 矩 、 泵 压 等 钻 进 参 数 的 变 化 。 根 据 扭矩 情 况 随 时 调 整 钻 压 , 为 提 高 造 穴 效 果 应 控 制 扩 进速 度 。 每 次 接 单 根 后 , 应 先 开 泵 ; 停 转 盘 时 , 严 防钻 具 猛 烈 反 转 , 造 成 倒 扣 , 严 防 溜 钻 。(7) 施 工 完 毕 应 及 时 起 钻 。 起 钻 前 应 充 分 循环 钻 井 液 , 清 洗 井 眼 , 然 后 停 泵 。 停 泵 后 继 续 旋 转2~ 3 m 然 后 缓 慢 上 提 钻 具 , 记 录 好 钻 具 悬 重 ,挂 窗 口 最 多 不 超 过 5 t, 严 防 一 次 性 拔 死 ; 可 以 下放 钻 具 到 大 井 眼 , 反 复 活 动 钻 具 及 开 停 泵 , 直 到 牙轮 回 收 后 再 慢 慢 上 提 。现 场 试 验 情 况2004年 , 500型 水 力 2机 械 式 裸 眼造 穴 工 具 研 制 成 功 后 , 首 先 在 奥 瑞 安 国 际 能 源 公 司施 工 的 武 1 井 中 进 行 了 下 井 试 验 。 该 井位 于 山 西 岚 县 境 内 , 是 一 口 准 备 与 周 围 鱼 骨 分 支 水平 井 进 行 连 通 的 洞 穴 采 气 直 井 , 投 资 方 为 中 国 石 油天 然 气 集 团 公 司 。 该 井 是 中 石 油 在 煤 层 气 勘 探 开 发领 域 进 行 的 第 一 口 试 验 井 , 项 目 委 托 中 国 石 油 勘 探开 发 研 究 院 廊 坊 分 院 总 负 责 , 奥 瑞 安 国 际 能 源 公 司负 责 提 供 鱼 骨 分 支 井 和 洞 穴 采 气 井 的 技 术 支 持 , 施工 井 队 为 华 北 钻 井 二 公 司 20525钻 井 队 。—16—2008年   第 36卷   第 8期 刘 志 和 : 煤 层 气 井 水 力 2机 械 式 裸 眼 造 穴 工 具            11试 验 步 骤该 井 煤 层 厚 度 5 m, 井 段 878~ 883 m。 首 先 使用 胜 利 石 油 管 理 局 钻 井 工 艺 研 究 院 研 制 的 78型 套 管 段 铣 器 将 该 井 段 套 管 段 铣 掉 , 然 后 下 入500型 水 力 2机 械 式 裸 眼 造 穴 工 具 进 行造 穴 。(1) 施 工 钻 具 组 合   500型 水 力 2机 械 式 裸 眼 造 穴 工 具 + <10116 1根 +满 眼扶 正 器 1个 + <10116 1根 +满 眼 扶 正 器 1个 + <8819 。(2) 工 具 钻 台 试 验   造 穴 工 具 与 方 钻 杆 连 接后 , 将 工 具 放 入 钻 台 面 以 下 , 但 不 进 入 套 管 , 开 动钻 井 泵 , 试 验 工 具 是 否 能 够 伸 缩 自 如 。(3) 造 台 阶   工 具 下 入 到 开 始 造 穴 井 段 878m, 首 先 启 动 转 盘 , 缓 慢 开 泵 , 不 送 钻 , 由 于 地 层坚 硬 , 造 台 阶 时 间 延 续 40 m 若 为 疏 松 煤 层 , 造台 阶 只 需 5~ 10 m 4) 造 穴 钻 进   此 过 程 中 要 送 钻 均 匀 不 溜 钻 。(5) 主 要 参 数   钻 压 为 10~ 15 排 量 为 8~ 12 L / s, 转 盘 转 数 为 40~ 60 r/m 1试 验 效 果整 个 试 验 耗 时 6 h, 造 穴 进 尺 5 m, 造 穴 段 直径 均 达 到 500 从 试 验 可 以 看 到 : 该 工 具 原 理正 确 , 操 作 方 便 , 安 全 可 靠 , 但 在 造 穴 过 程 中 , 扭矩 有 时 偏 大 。 为 了 减 小 钻 具 扭 矩 , 对 工 具 进 行 了 改进 , 如 牙 轮 部 分 增 加 齿 , 牙 轮 结 构 改 为分 体 式 。 工 具 改 进 后 又 进 行 了 4口 井 的 现 场 试 验 ,试 验 数 据 见 表 2。表 2  造 穴 工 具 现 场 试 验 数 据井 号 工 具 型 号 试 验 年 份 造 穴 井 段 /m 造 穴 进 尺 / 速 度 /(m· h - 1 ) 施 工 煤 田 施 工 井 队 合 作 单 位武 1V 500 2004 87810~ 88310 510 1120 山 西 岚 县 华 北 钻 井 20525队 奥 瑞 安 8井 500 2004 61715~ 62910 1115 1128 山 西 保 德 中 原 钻 井 1506队 500 2005 62810~ 64310 1510 1115 山 西 保 德 中 原 钻 井 1506队 500 2005 62815~ 64410 1515 1137 山 西 保 德 中 原 钻 井 1506队 500 2005 64010~ 65318 1318 1142 山 西 保 德 中 原 钻 井 1506队 与 建 议(1) 武 1V、 8、 现 场 试 验 应 用 证 明 , 水 力 2机 械 式 裸 眼 造 穴 工 具 是一 种 有 效 的 煤 层 气 井 造 穴 工 具 , 能 够 有 效 保 证 所 造洞 穴 的 尺 寸 , 施 工 安 全 快 捷 。(2) 这 种 系 列 工 具 的 研 制 成 功 , 可 以 有 效 缓解 该 类 工 具 主 要 依 赖 国 外 技 术 的 局 面 , 不 但 能 有 效满 足 现 场 煤 层 气 造 穴 施 工 的 需 要 , 并 且 能 大 大 节 约施 工 成 本 。(3) 与 同 类 工 具 相 比 , 该 工 具 结 构 简 单 , 操 作方 便 , 可 靠 性 强 , 可 根 据 地 层 软 硬 选 择 合 适 的 切 削刃 , 根 据 造 穴 施 工 需 要 , 选 择 合 适 的 牙 轮 规 格 型 号 。(4) 该 工 具 的 有 效 推 广 必 将 促 进 煤 层 气 钻 探造 穴 技 术 的 进 一 步 提 高 。(5) 该 工 具 除 能 用 于 煤 层 气 井 裸 眼 造 穴 外 ,还 可 用 于 短 半 径 水 平 井 造 穴 和 储 气 层 造 穴 , 应 用 前景 广 阔 。作 者 简 介 : 刘 志 和 , 工 程 师 , 生 于 1972年 , 1992年 毕业 于 胜 利 石 油 学 校 石 油 钻 井 专 业 , 1999年 毕 业 于 石 油 大 学(华 东 ) 矿 场 机 械 专 业 , 现 攻 读 油 气 井 工 程 硕 士 学 位 , 主要 从 事 钻 井 及 井 下 工 具 研 究 工 作 。 地 址 : (257017) 山 东 省东 营 市 。 电 话 : (0546) 8772430。收 稿 日 期 : 2008 - 04 - 21(本 文 编 辑   李 学 富 )信 息 广 角  挠 性 油 管 探 测 技 术美 国 成 功 研 究 了 一 种 挠 性 油 管 探 测 系 统 。 它 是 一 种 将 多 路 探 测 器 和 整 体 模 块 结 合 的 可 存 储探 测 器 , 其 模 块 有 1个 井 下 总 成 和 1个 压 力 、 温 度 、 井 斜 、 压 缩 性 、 拉 力 和 冲 击 载 荷 等 参 数 探 测 器 , 其 电 池 组 的 使 用 寿 命可 达 6个 月 。 该 油 管 探 测 系 统 适 合 于 各 种 井 下 钻 具 配 置 , 包 括 射 孔 、 压 裂 、 可 膨 胀 封 隔 器 坐 封 、 桥 塞 坐 封 和 回 收 、 打 捞 作业 、 磨 铣 作 业 、 振 动 冲 击 、 牵 引 车 配 置 和 滑 套 操 作 等 , 可 提 供 的 资 料 和 数 据 有 挠 性 油 管 载 荷 、 地 面 拉 力 与 井 底 钻 具 组 合 载荷 的 对 比 、 地 面 压 力 与 实 际 井 下 钻 具 组 合 压 力 的 对 比 , 用 于 摩 擦 分 析 的 井 下 钻 具 组 合 倾 角 、 冲 击 时 的 实 际 受 力 、 监 控 器 变化 和 压 力 分 析 等 。 该 系 统 可 适 用 于 任 何 垂 向 挠 性 油 管 钻 具 组 合 。 冯 耀 忠 译 自 2008 (4)—26—             石   油   机   械 2008年   第 36卷   第 8期
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