鉆井外文翻譯：帶有井下增強(qiáng)器的連續(xù)油管噴射鉆井

1、中國石油大學(xué)（華東）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 外文翻譯及原文帶有井下增強(qiáng)器的連續(xù)油管噴射鉆井學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 2008年6月20日帶有井下增強(qiáng)器的連續(xù)油管噴射鉆井J.J.Kolle，K.Theimer，A.Theimer，R.Cox和S.R.Schershel1摘要高壓旋轉(zhuǎn)噴射鉆井在減小鉆壓、扭矩及振動(dòng)水平的同時(shí)，保持了鉆進(jìn)速度的增加。為了適應(yīng)這種旋轉(zhuǎn)噴射鉆井技術(shù)，發(fā)展了高壓旋轉(zhuǎn)噴射鉆機(jī)、壓力增強(qiáng)器和油氣分離器。高壓反作用式渦輪噴氣旋翼因所鉆的孔徑不同，而制定了從1-1/8到3-5/8不等的尺寸。噴射鉆井的檢驗(yàn)顯示，70MPa（10000psi）壓力的射流能有效的鉆穿最常規(guī)

2、的油氣生產(chǎn)層。常規(guī)泵、水龍頭和油管工作時(shí)壓力最高可達(dá)28MPa（4000psi），為達(dá)到此壓力要求，高效鉆井，開發(fā)了2.51的壓力增強(qiáng)器。通過使用井下油氣分離器，該增強(qiáng)器可以操控兩相流動(dòng)。在兩相流的操控當(dāng)中，分離的氣體用來為增強(qiáng)器提供能量，而高壓水則提供給射流噴嘴。從增強(qiáng)器中排出的氣體被移送到鉆頭，從而擴(kuò)大噴射的范圍。測(cè)試表明，噴射鉆井的底部鉆具組合（BHA）有水泥磨銑的能力，但是它的鉆進(jìn)速度比電動(dòng)機(jī)還要低并且磨銑和泵入的壓力要求更高。所以該工具可以用于電動(dòng)機(jī)不能應(yīng)用的情況。比如，該工具能夠?yàn)樾≈睆降膰姽苌淞縻@具提供能量，而這種鉆具可以通過一個(gè)超短半徑曲線應(yīng)用于側(cè)向水平鉆井。此外，修井的應(yīng)用包

3、括在不損害井下設(shè)備的條件下，沒有風(fēng)險(xiǎn)的移除硬水垢。2 前言噴射鉆井受限于沖蝕巖石的門限壓力以及被淹沒流體的噴射損耗。被傳遞到巖石表面的射流壓力決定了射流切割巖石的能力，而射流的能量決定了鉆進(jìn)的速度。通過連續(xù)油管傳遞到射流工具的壓力受到蛇管疲勞極限和現(xiàn)有水泵壓能的限制。為使壓力能夠安全的通過蛇管，可在噴射鉆井時(shí)填加磨料（ Eslinger等人，2000年 ）和交換液如超臨界二氧化碳（ kollé ，2000年）或酸（Moss等人，2006年）。但與這些做法相關(guān)的材料消耗大大增加了成本和操作的復(fù)雜性。另一種方法是利用井下增強(qiáng)器提高射流的壓力。井下增強(qiáng)器被發(fā)展應(yīng)用于7-7/8到8-3/4井

4、眼的射流輔助鉆井（ Veenhuizen等人，1995 年）。這個(gè)裝置單元被設(shè)計(jì)以能與常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆柱一起工作并依靠鉆井泥漿下入井內(nèi)。該增強(qiáng)器面積比是141，即能將壓力23MPa，流量1260Lpm的供應(yīng)泥漿轉(zhuǎn)化為壓力200MPa，流量84Lpm的輸送泥漿?？傊?，這個(gè)系統(tǒng)提供了更高的鉆進(jìn)速度，但需要較高的泥漿壓力，并且它的經(jīng)濟(jì)效益也是微不足道的。一個(gè)連續(xù)油管井下增強(qiáng)器已經(jīng)研制成功，它可以將流體的壓力提高為原來的二倍，從而在標(biāo)準(zhǔn)蛇管和標(biāo)準(zhǔn)泵的作用下磨碎礦物沉垢（ kollé等人，2007年 ）。旋轉(zhuǎn)式油氣分離器去除噴射液中的氯，以進(jìn)行直線流體噴射鉆進(jìn)。此外，雙通道旋轉(zhuǎn)噴射工具可以移除射流周

5、圍的氮?dú)?，從而提高噴射的范圍。正如下面所要討論的，油氣生產(chǎn)層的噴射鉆井至少需要70MPa的射流壓力。所以在這里討論一個(gè)具有更強(qiáng)增壓能力的增強(qiáng)器，這種型號(hào)的增強(qiáng)器在基巖鉆進(jìn)中有著更高的增強(qiáng)比。3巖石沖蝕的門限壓力典型的連續(xù)油管泵壓范圍從低壓蛇管的28MPa到加重高強(qiáng)度蛇管的70MPa。在含有硫化氫的區(qū)域，那最大的蛇管壓力將會(huì)被削減。產(chǎn)生于底部鉆具組合的壓差可能比泵壓小10MPa左右，而泵壓則取決于泵的流速、蛇管的直徑和長度。對(duì)氮水混合物的負(fù)壓操作能夠降低井底的壓力，并且可以增加底部鉆具組合相對(duì)于泵壓的壓力差。噴射鉆井和沖蝕的數(shù)據(jù)始終表明，當(dāng)射流壓力大于巖石初期的門限壓力時(shí)，巖石的剝離速度與射流壓

6、力成線性關(guān)系。一個(gè)相關(guān)的分析顯示，當(dāng)超過門限壓力時(shí)，單位生產(chǎn)效率會(huì)迅速的增加，具體如圖1所示。當(dāng)單位生產(chǎn)效率達(dá)到最大值1時(shí)，射流的壓力是門限壓力的3倍左右，但當(dāng)射流壓力是門限壓力的1.5倍時(shí)，生產(chǎn)效率的峰值已經(jīng)足夠大，此時(shí)的射流的沖蝕作用依然非常有效。射流沖蝕在滲透性粒狀巖石中的效果比在非滲透性地層中的效果要更好。巖石的滲透性與相應(yīng)射流沖蝕門限壓力的關(guān)系在如圖2所示的28塊巖石樣本中可以顯現(xiàn)。產(chǎn)油層的基巖滲透率在10mD到10000mD的范圍之內(nèi)，而常規(guī)的產(chǎn)氣層的基巖滲透率卻只有1mD左右。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)致密氣藏砂的定義是其基巖滲透率為0.1mD甚至更小。正如圖2中所示，一個(gè)壓力在70MPa的射流

7、應(yīng)該能夠切割任何常規(guī)未壓裂的油氣產(chǎn)層滲透率在1mD或更大的巖石。圖1 射流沖蝕單位生產(chǎn)率隨射流壓力與門限壓力比值的關(guān)系圖2 28塊巖石樣本的基巖滲透率與門限壓力的關(guān)系4 1-1/8噴射鉆具圖3所示為一鉆小直徑水平井的高壓旋轉(zhuǎn)射流鉆具，此鉆具結(jié)合了一個(gè)能被噴射的扭矩所驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)壓頭。這個(gè)工具上的壓頭旋轉(zhuǎn)的速度為50000rpm，射流的噴射方向由標(biāo)準(zhǔn)環(huán)決定，從而限制了前部射流的進(jìn)度以使所有的巖石被剝離。正如圖中所示的這種裝置會(huì)產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)孔洞。用這種噴射鉆具在一系列不同類型的沉積巖當(dāng)中進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試的結(jié)果歸納于表1。在壓力為55到70MPa時(shí)，噴射鉆進(jìn)在砂巖中會(huì)迅速穿透，但在一些堅(jiān)硬的非滲透性巖

8、層如白云巖和硬頁巖中，效率不是讓人滿意。表中提供了一個(gè)鉆進(jìn)比能的計(jì)算，所謂比能，是指單位為瓦特的液壓動(dòng)力與單位為立方毫米每秒的巖石移除速度的比值。圖3 硬砂巖中1-1/8噴射鉆具、鉆進(jìn)測(cè)試和所鉆孔洞實(shí)物圖表1 1-1/8噴射鉆井測(cè)試結(jié)果5 3-5/8噴射鉆井底部鉆具組合(BHA)該噴射鉆井底部鉆具組合如圖4所示，它由篩管短節(jié)、油氣分離器、井下增強(qiáng)器和噴射鉆具組成。該系統(tǒng)的詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)列于表2?；谏淞鳑_蝕測(cè)試數(shù)據(jù)和上述1-1/8噴射鉆具的鉆進(jìn)測(cè)試，為3-5/8的噴射鉆具選擇一個(gè)70MPa的操作壓力。在此壓力下，射流沖蝕將對(duì)所有的常規(guī)未壓裂的油氣產(chǎn)層和超過半數(shù)以上類型的沉積巖有效。圖4 92mm

9、(3-5/8)井眼噴射鉆井所用的2.75底部鉆具組合裝配外視圖。圖中尺寸為英寸和毫米表2 3-5/8噴射鉆井系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)格6油氣分離器使用氮可以降低井底壓力，也可以增加底部鉆具組合的壓差從而為工具提供動(dòng)力。另外，氮還可以減小蛇管內(nèi)壓力的變化幅度。油氣分離器可將侵入高壓水當(dāng)中的氣體含量降低到0.5%以下，以防止因氣體膨脹而造成的噴射能量的損耗。同時(shí)，這些氣體還能用來為井下增強(qiáng)器提供能量，最終被排出到射流鉆具表面處為射流提供一個(gè)氣罩。氣旋性的油氣分離器可以與連續(xù)油管一起使用，但是它們的可行性被限制在小直徑的井眼。與其相比，轉(zhuǎn)鼓分離器非常短并且更有效，尤其是它的直徑很小。這些工具的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)顯示，帶有

10、氣罩的射流對(duì)硬水垢的碾磨和對(duì)氣舉閥工作筒內(nèi)的垢類移除是有效的。為將射流用水中侵入的氣體減小到溶解氣含量以下，發(fā)展了一個(gè)2-3/4的渦輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)鼓油氣分離器。該油氣分離器的詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)列于表2。這個(gè)油氣分離器也為容積式馬達(dá)的操作進(jìn)行了相應(yīng)的配置。7井下增強(qiáng)器（DHI）一個(gè)復(fù)式作用的增壓泵示意圖如圖5所示。它的操作原理是通過向一個(gè)大面積活塞施加低壓來驅(qū)動(dòng)一個(gè)小面積活塞，從而提升壓力。此DHI的設(shè)計(jì)使用了一個(gè)復(fù)式作用的增強(qiáng)器以進(jìn)行連續(xù)的操作。DHI能夠按照它的面積增強(qiáng)比，也即大小活塞的面積比進(jìn)行描述。出口壓力會(huì)按這個(gè)比例增大，而高壓出口流體會(huì)相對(duì)應(yīng)的減少。此典型工具有一個(gè)3.91的面積比，它的出口流體

11、體積的80%被用來為鉆具提供能量，20%的流體用來產(chǎn)生高壓水射流。但滲漏和容積效率低下，進(jìn)一步降低了實(shí)際應(yīng)用中高壓流體的流量。此DHI結(jié)合了一個(gè)長的軸向流動(dòng)通道，將流體分流到增壓器的兩側(cè)。這些通道易受到湍流的影響，產(chǎn)生摩擦壓力損失，并會(huì)導(dǎo)致本可增加流體流量的DHI的水力效率減小。被此工具引起的壓力變化的例子如圖6所示。在每個(gè)沖程的最后，出口壓力波動(dòng)到最小值。另外，在入口壓力為28MPa時(shí)，出口壓力的峰值接近90MPa。在這項(xiàng)測(cè)試中，高壓噴射中的水力能率為42kW，占傳遞到工具當(dāng)中能量的30%。在其它的測(cè)試當(dāng)中，水力能量效率能達(dá)到50%以上。圖5 井下增強(qiáng)器工作原理圖6 在263Lpm的水、9.

12、7scmm的N2和1.9MPa回壓條件下的測(cè)試數(shù)據(jù)繪制圖。8 3-5/8噴射鉆具淹沒式、非氣穴作用的流體噴射由于流體的湍流混合，很容易遭受快速的損耗。在這些條件下，一個(gè)理想射流產(chǎn)生的高壓噴射核的長度是噴嘴直徑的七倍。此噴射鉆具結(jié)合了雙通道，如圖7所示。高壓水被引導(dǎo)通過鉆具，最后到達(dá)旋轉(zhuǎn)噴嘴壓頭處六個(gè)射流噴嘴。射流噴嘴對(duì)于轉(zhuǎn)子的中心線來說是偏心的，這樣可以為旋轉(zhuǎn)水頭提供扭矩。射流工具結(jié)合了壓力平衡的機(jī)械端面密封結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有標(biāo)準(zhǔn)漏失和較低的摩擦損失，并可允許70MPa的操作壓力。底部鉆具組合產(chǎn)生的廢氣被分離，然后通過工具到達(dá)噴嘴頭，提供了一個(gè)可擴(kuò)展噴射范圍的氣罩。六個(gè)噴嘴的配置，以使射流核交

13、疊所掃過的面積能夠切割整個(gè)的巖石表面。遠(yuǎn)離中心的射流切割到標(biāo)準(zhǔn)環(huán)外面的巖石，而這決定了最小直徑的孔眼，而最內(nèi)部的射流交叉穿過工具的中心線進(jìn)行巖石切割。位于Austin Chalk的一個(gè)噴射鉆具產(chǎn)生的切割形式的例子如圖8所示。圖7 3-5/8的噴射鉆具圖8 3-7/8的噴射鉆具在Austin Chalk巖層的切削形式9水泥磨銑測(cè)試水泥磨銑測(cè)試可通過位于測(cè)試井內(nèi)部的鉆井鉆具組合來實(shí)施，其中包括一個(gè)釆油樹和節(jié)流閥管匯的密封測(cè)試，從而對(duì)工具產(chǎn)生回壓以模擬特定的井下工作條件。測(cè)試井平面圖如圖9所示。兩根隸屬于釆油樹的5m長、7-5/8的防噴管使整個(gè)底部鉆具組合處于上述回壓之下。一個(gè)二次循環(huán)罐為此測(cè)試提供

14、水源，所以，一個(gè)帶有多個(gè)50微米袋子的濾水器滑架被裝在二次循環(huán)罐的的水泵吸入口處。測(cè)試是利用一個(gè)連續(xù)油管鉆井裝置、一個(gè)2000m長2.00*0.175尺寸的低壓蛇管以及一個(gè)靠起升裝置懸浮于井內(nèi)的噴射頭來進(jìn)行的。底部鉆具組合隸屬于連續(xù)油管的連接管，并且在釆油樹組合的防噴管作用下，承載著上述所產(chǎn)生的回壓。底部鉆具組合的篩管短節(jié)配有一個(gè)100微米的楔形導(dǎo)線過濾器，噴射鉆具的噴嘴頭配有一個(gè)250微米的篩網(wǎng)。如圖10所示為底部鉆具組合的地面操作，這是為了確認(rèn)增強(qiáng)器正確的操作而進(jìn)行的。增強(qiáng)器的操作是可以聽到的，它就如一個(gè)快速的破裂敲打聲，即使當(dāng)鉆具在井中被封堵時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生這種聲音。當(dāng)蛇管僅僅充滿水時(shí)，增強(qiáng)

15、器的壓力變化被傳至上游，這促使了蛇管的擺動(dòng)。當(dāng)蛇管的擺動(dòng)衰減后，則說明氮?dú)庖呀?jīng)到達(dá)底部鉆具組合。圖9 測(cè)試井平面圖圖10 對(duì)增強(qiáng)器和噴嘴頭旋轉(zhuǎn)的地面檢驗(yàn)操作水泥磨銑測(cè)試在增壓測(cè)試井內(nèi)實(shí)施時(shí)，井內(nèi)包括多根4-1/2的油管，這些油管裝滿了老化一周的G級(jí)純水泥。這種水泥的單一射流沖蝕測(cè)試顯示，門限壓力為60MPa并且在70MPa的噴射壓力時(shí)，比能為7J/mm3。如圖11所示，射流使水泥斷裂并產(chǎn)生大的碎屑。圖11 對(duì)直徑50mm的G級(jí)純水泥的單一沖蝕結(jié)果最有效的射流磨銑技術(shù)即能設(shè)置一個(gè)較低數(shù)值的進(jìn)給速度，又能監(jiān)視鉆壓（WOB）的變化。如果進(jìn)給速度設(shè)定的合適，隨著噴射對(duì)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)前方巖石的破碎，鉆壓將緩慢的

16、增加或減小10%左右，所以需要升高的鉆壓比預(yù)期還要高。我們?cè)谡麄€(gè)測(cè)試中使用2000-5000dN的鉆壓，在此條件下，測(cè)試達(dá)到了最優(yōu)的磨銑速率。事實(shí)上，全部的磨銑是井口壓力（WHP）在1-2MPa的條件下完成的。當(dāng)井口壓力升到4MPa時(shí)，磨銑就會(huì)停止。最初，鉆具在泵壓為30MPa時(shí)，磨蝕1米的水泥需要6分鐘（平均0.2m/min）。當(dāng)蛇管的壓力開始迅速升高時(shí)，說明是噴嘴堵塞或增強(qiáng)器停止工作，這時(shí)測(cè)試終止。拆卸工具后，并沒有發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵的問題存在。第二次測(cè)試時(shí)，鉆具在2.3小時(shí)內(nèi)鉆穿了另外的6米水泥(平均0.04 m/min)。在這個(gè)過程中，最大的磨蝕速度是0.09 m/min。試圖在4MPa的回壓之

17、下鉆進(jìn)時(shí)，結(jié)果卻引起了鉆進(jìn)速度的停止，這說明平均磨蝕速度在逐漸放慢。當(dāng)水泵車失去補(bǔ)充壓力時(shí)，鉆進(jìn)停止。此時(shí)，泵吸入口的過濾器充滿了碎屑。檢查工具時(shí)，發(fā)現(xiàn)噴射鉆具噴嘴壓頭上六個(gè)噴嘴的三個(gè)已經(jīng)被堵塞。毋庸置疑，這是由于鉆進(jìn)速度減慢所造成的。在第三次的磨銑測(cè)試之前，對(duì)所有的噴嘴進(jìn)行清理，但此時(shí)的增強(qiáng)器已經(jīng)開始滲漏。30分鐘后，又一米的水泥被鉆穿，但這時(shí)進(jìn)度停止。在試圖用不同的工藝和設(shè)定進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，12分鐘后，測(cè)試停止。拆卸之后，發(fā)現(xiàn)一個(gè)噴嘴被堵塞，并且增強(qiáng)器上的一個(gè)高壓動(dòng)力學(xué)密封裝置被破壞。在噴嘴頭上的濾網(wǎng)上，發(fā)現(xiàn)充滿了碎屑，如圖12所示。這些碎屑促使了篩網(wǎng)的破裂。這些問題說明，已經(jīng)無力再繼續(xù)對(duì)水泥

18、進(jìn)行鉆進(jìn)磨銑。圖12 噴嘴頭上濾網(wǎng)的碎屑堵塞10測(cè)試井的動(dòng)態(tài)和磨銑討論3-5/8的噴射鉆具底部鉆具組合在泵壓30 MPa、井口壓力1-5 MPa下運(yùn)行時(shí)，來自于井測(cè)試當(dāng)中底部鉆具組合的中間出口壓差比井底進(jìn)口壓差高2.7 - 3.0倍。通過井的動(dòng)態(tài)測(cè)試，得出增強(qiáng)器的功率比預(yù)期的要低，其中的平均功率約為30%。以前的測(cè)試顯示，使用底部鉆具組合其功率可以高達(dá)50%，明顯可以看出，這種低效率是由于內(nèi)部嚴(yán)重的漏失引起的。噴射鉆井的底部鉆具組合在此壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)了6小時(shí)，破碎了G級(jí)純水泥7米。在第一次磨銑測(cè)試中，此鉆具在平均轉(zhuǎn)速為0.2m/min下鉆進(jìn)了1米；在第二次水泥磨銑測(cè)試中，此鉆具在0.1 m/min

19、下開始磨銑，但是后來逐漸減慢到0.03 m/min，測(cè)試以后，噴嘴發(fā)生明顯的堵塞，從而大大降低了鉆具的磨銑性能。測(cè)試中的磨銑比能范圍在2-20 J/mm3之間，這與在砂巖中1-1/8的噴射鉆具所獲得的射流沖蝕比能數(shù)據(jù)相似。射流沖蝕比能不僅與砂巖中的相似，也與水泥磨銑測(cè)試中所獲得的數(shù)據(jù)一致。因此，3-5/8的噴射鉆具底部鉆具組合以0.1-0.2 m/min的速率同樣能夠鉆穿砂巖。同理，進(jìn)行水泥樣品補(bǔ)償測(cè)試時(shí)，在泵壓為20 MPa、井口壓力為7 MPa，并且在不摻添加劑的水或氮水混合液的條件下，容積式馬達(dá)和磨銑裝置的磨銑能力也應(yīng)該在1 m/min以上。當(dāng)井口壓力升高到4 MPa，即相當(dāng)于400米井

20、深中的靜液壓力時(shí)，磨銑停止。井口壓力的升高將會(huì)降低氣體的體積流量，這些氣體可以屏蔽射流形成氣罩。此外，井口壓力升高還能減小有效的噴射范圍，從而使射流磨銑不再有效。射流磨銑需要相當(dāng)大的鉆壓，同樣，也需要機(jī)械的磨銑。這個(gè)結(jié)果是令人驚奇的，因?yàn)樯淞鳑_蝕鉆井是不需要任何軸向載荷的。磨銑水泥不同于磨銑砂巖，因?yàn)樗嗍且环N低滲透性的物質(zhì)，它受侵蝕的形式是斷裂而非顆粒的移動(dòng)。磨銑也不同于鉆進(jìn)，因?yàn)樗喾忾]于4大小的套管內(nèi)，受到了限制，而標(biāo)準(zhǔn)環(huán)的直徑也只有3-5/8。水泥的高壓沖蝕會(huì)產(chǎn)生大塊的巖屑，這些巖屑能在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)和套管之間形成堵塞，從而阻止射流磨銑的進(jìn)度，除非施加外力來破碎這些巖屑。大的巖屑也會(huì)堵塞噴射壓

21、頭處的碎屑通道，這會(huì)增加水力的離地升空力，從而產(chǎn)生需要高鉆壓來進(jìn)行磨銑的假象。與此不同，鉆顆粒狀的沉積巖如砂巖時(shí)，產(chǎn)生的是細(xì)小的碎屑，而這些碎屑會(huì)毫不費(fèi)力的通過噴射鉆具處的碎屑通道。11側(cè)向微孔鉆井如圖13所示，增強(qiáng)器可被部署在接縫油管或連續(xù)油管上，進(jìn)行小直徑的側(cè)向鉆井，從而使油井增產(chǎn)。1-1/8的射流鉆具部署在小直徑管路的下端，此小直徑管通過致密的徑向曲線進(jìn)入生產(chǎn)層。井下增強(qiáng)器保留在垂向井眼內(nèi)，在70 MPa壓力下能產(chǎn)生45 kW的射流功率。通過測(cè)試顯示，在此功率水平上能產(chǎn)生較高的滲流速度。傳遞到1-1/8直徑鉆具的水力功率比傳遞到3-5/8的大10倍，并且滲流速度也會(huì)相應(yīng)的更高。小直徑鉆具也僅需要兩個(gè)