懸掛式獨(dú)立內(nèi)管氣舉反循環(huán)在地?zé)徙@井中的應(yīng)用

楊忠彥， 賈 志， 安振營(yíng)， 黃賢龍

(天津地?zé)峥辈殚_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)院，天津 300250)

0 引言

天津地區(qū)近幾年隨著深部熱儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)力度的加大，地?zé)峋@探的深度越來(lái)越深，鉆井施工中經(jīng)常要穿過(guò)不止一個(gè)漏失層，鉆進(jìn)難度越來(lái)越大，特別是取水目的層的鉆進(jìn)技術(shù)對(duì)成井的影響非常突出。在鉆穿古生界奧陶系灰?guī)r和薊縣系霧迷山組白云巖等地層時(shí)，經(jīng)常遇到嚴(yán)重漏失地層，通常的方法是采用清水頂漏鉆進(jìn)或堵漏鉆進(jìn)[1]。其中，清水頂漏鉆進(jìn)，在一些比較破碎的地層，因巖屑難以上返，容易造成巖屑堆積，難以建立有效的循環(huán)，容易造成埋鉆，卡鉆事故；而使用堵漏鉆進(jìn)，耗時(shí)耗力，且由于一些漏失層是主要取水目的層，會(huì)堵塞含水裂隙，對(duì)其造成損傷。采用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)施工這類地層[2-7]，則不會(huì)出現(xiàn)以上問(wèn)題，無(wú)疑是最合適的方法。

目前氣舉(空氣)反循環(huán)技術(shù)都是采用的雙壁鉆桿來(lái)形成雙通道[8-12]，在清渣、石油鉆井、連續(xù)取樣、地?zé)峋┕ぶ卸既〉昧溯^好的效果[13-20]，但在天津地區(qū)的使用中，由于地層的特殊性，造價(jià)較高，鉆進(jìn)效率不理想。

基于以上原因，本次工作在前人研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)雙壁鉆桿反循環(huán)方案一系列的缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，以降低其造價(jià)，提高鉆進(jìn)效率。研制了一種懸掛式獨(dú)立內(nèi)管氣舉反循環(huán)系統(tǒng)功能模塊，加裝在正循環(huán)鉆具結(jié)構(gòu)上，與正循環(huán)鉆具相結(jié)合，使其具有反循環(huán)功能。同時(shí)模塊化的設(shè)計(jì)，使得在鉆井施工過(guò)程中正反循環(huán)鉆具結(jié)構(gòu)的相互轉(zhuǎn)換變得非常方便。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

常用反循環(huán)系統(tǒng)的雙壁鉆桿是將內(nèi)管與外管加工為一體，而懸掛式獨(dú)立內(nèi)管氣舉反循環(huán)功能模塊相對(duì)于雙壁鉆桿而言，具有獨(dú)立的內(nèi)管，并通過(guò)獨(dú)立內(nèi)管與正循環(huán)鉆具結(jié)構(gòu)相配合，形成具有反循環(huán)功能的雙通道結(jié)構(gòu)。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

反循環(huán)功能模塊包括：進(jìn)氣管線、返出液管線、內(nèi)管旋轉(zhuǎn)懸掛總成、內(nèi)管、混合器等。系統(tǒng)組合見(jiàn)圖1。模塊的內(nèi)管與正循環(huán)鉆具同心安裝，形成反循環(huán)所必須的雙通道；內(nèi)管頂端通過(guò)內(nèi)管旋轉(zhuǎn)懸掛總成安裝在正循環(huán)水龍頭上，同時(shí)通過(guò)軸承可以自由旋轉(zhuǎn)。

1—彎頭法蘭；2—軸承組；3—外殼體；4—水龍頭由壬；5—進(jìn)氣管；6—水龍頭法蘭；7—返液彎管；8—內(nèi)管；9—混合器；10—正循環(huán)鉆井水龍頭；11—鉆桿(外管)；12—鉆頭

圖1加裝反循環(huán)模塊的系統(tǒng)組合圖

1.3 工藝原理

空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣通過(guò)進(jìn)氣管線經(jīng)反循環(huán)模塊的懸掛總成進(jìn)入內(nèi)管與方鉆桿、鉆桿之間的環(huán)空，推動(dòng)鉆井液下行至內(nèi)管下方的氣水混合器與鉆井液充分混合形成氣液兩相狀態(tài)，在壓差作用下，沿內(nèi)管上行，此時(shí)鉆頭鉆進(jìn)產(chǎn)生的巖屑沿鉆桿上行至混合器處與其形成氣液固三相狀態(tài)沿內(nèi)管并從返出液管線排出，經(jīng)過(guò)分離后鉆井液從井口返回鉆桿與鉆孔的環(huán)空。具體工藝原理見(jiàn)圖2。

圖2 工藝原理圖

2 反循環(huán)功能模塊主要部件的功能設(shè)計(jì)

氣舉反循環(huán)功能模塊主要部件包括內(nèi)管旋轉(zhuǎn)懸掛總成、內(nèi)管、混合器。

2.1 內(nèi)管旋轉(zhuǎn)懸掛總成

在正循環(huán)水龍頭上部加裝內(nèi)管懸掛總成，其具有進(jìn)氣和返液雙通道，需要與氣源和返液管線相連接，同時(shí)連接內(nèi)管，起到懸掛旋轉(zhuǎn)內(nèi)管作用。

總成需要與水龍頭配合安裝，水龍頭法蘭與由壬配合原正循環(huán)水龍頭尺寸，由兩個(gè)深溝球軸承和一個(gè)推力球軸承組成軸承組，起到懸掛及旋轉(zhuǎn)內(nèi)管作用，總成設(shè)計(jì)有連接進(jìn)氣管線和返液管線的接口。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3。

1—彎頭法蘭；2—軸承組；3—外殼體；4—水龍頭由壬；5—空心軸；6—進(jìn)氣管；7—水龍頭法蘭；8—返液彎管

圖3內(nèi)管旋轉(zhuǎn)懸掛總成結(jié)構(gòu)示意圖

(1)旋轉(zhuǎn)懸掛作用。內(nèi)管在?127 mm鉆桿內(nèi)可以自由提下及旋轉(zhuǎn)，總成即起到懸掛整個(gè)內(nèi)管質(zhì)量的作用，又通過(guò)軸承使內(nèi)管相對(duì)?127 mm鉆桿可以做自由旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。

(2)雙通道密封作用?？偝删唧w進(jìn)氣和返出液雙通道功能。同時(shí)通過(guò)各種密封技術(shù)對(duì)雙通道起到密封作用。

2.2 內(nèi)管

內(nèi)管是形成雙通道的重要部件。內(nèi)管內(nèi)空間是反循環(huán)系統(tǒng)的返出液(流體)通道，內(nèi)管與鉆桿之間形成的環(huán)空是壓縮空氣通道，由于在原有鉆具結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加裝內(nèi)管，因此其幾何尺寸受到限制，原則上保證系統(tǒng)正常工作的前提下，內(nèi)管內(nèi)徑盡量加大，這樣有利于巖屑的返出，該系統(tǒng)內(nèi)管直徑為60.3 mm。

以油管為主體材料，為了便于在?127 mm鉆桿內(nèi)提下，接箍上下兩端均倒角，單根長(zhǎng)度需要與鉆桿相匹配，以便于提下鉆等輔助工序的順利進(jìn)行。單根之間使用左旋螺紋連接。內(nèi)管示意圖如圖4。

圖4 內(nèi)管結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 混合器

混合器連接在內(nèi)管下面，作用是使氣液充分混合，壓縮空氣沿環(huán)空通道下行至混合器與沿鉆具內(nèi)上行的流體充分混合形成氣液兩相或氣液固三相狀態(tài)，在系統(tǒng)壓差的作用下，返出地面。氣液混合是否充分關(guān)系著系統(tǒng)返液效果的好壞，直接影響鉆進(jìn)效率。

厚壁鋼管加工而成，直徑80 mm,頂端左旋螺紋與內(nèi)管相連，管壁均勻鉆孔，并向上傾斜45°，以有利于返屑?；旌掀鹘Y(jié)構(gòu)如圖5。

圖5 混合器結(jié)構(gòu)示意圖

3 地?zé)徙@井試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)地?zé)峋?jiǎn)況

天津地區(qū)東13區(qū)塊設(shè)計(jì)了一采一灌2口地?zé)峋?，設(shè)計(jì)目的層為霧迷山二段熱儲(chǔ)層，先施工的地?zé)峋阢@進(jìn)霧迷山三四地層時(shí)由于地層漏失嚴(yán)重，破碎帶發(fā)育，地層極不穩(wěn)定，所采用的正循環(huán)工藝。地?zé)峋捎阢@遇霧迷山組三四段破碎帶，鉆井液大量漏失，導(dǎo)致巖屑無(wú)法上返，井內(nèi)沉屑過(guò)多，正循環(huán)無(wú)法繼續(xù)施工而完鉆成井。無(wú)法鉆穿三四段地層，由此，決定在施工本井時(shí)采用反循環(huán)工藝。

3.2 地層情況簡(jiǎn)介

反循環(huán)鉆進(jìn)井段為薊縣系霧迷山組三、四段，以淺黃色、灰色白云巖為主，三段底部為紫紅色、磚紅色白云質(zhì)泥巖和泥質(zhì)白云巖，下部夾含礫石英砂巖薄層。在鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆遇四段共計(jì)約72 m破碎帶。試驗(yàn)地?zé)峋斫Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 井身結(jié)構(gòu)及套管程序

3.3 反循環(huán)系統(tǒng)功能模塊安裝調(diào)試

系統(tǒng)安裝圖見(jiàn)圖6，具體安裝調(diào)試流程如下。

圖6系統(tǒng)安裝圖

(1)首先將方鉆桿內(nèi)管與總成連接，同時(shí)拆下水龍頭上部鵝頸管，再將方鉆桿內(nèi)管沿水龍頭沖管、方鉆桿穿入，將總成坐在水龍頭上，并用由壬連接牢固。

(2)將進(jìn)氣管線連接在總成的進(jìn)氣接頭上，進(jìn)氣管線另一端連接空壓機(jī)。將水龍帶連接在返液由壬上，另一端連接立管，出口放置在振動(dòng)篩上。

(3)連接反循環(huán)鉆頭下鉆至井底后，在鉆桿內(nèi)下入混合器、內(nèi)管，然后連接方鉆桿。由此組成了反循環(huán)鉆具結(jié)構(gòu)。

(4)在內(nèi)管下方安裝安全防掉接頭，防止內(nèi)管因操作失誤掉入鉆桿內(nèi)。

(5)安裝完設(shè)備后，開(kāi)啟空壓機(jī)進(jìn)行調(diào)試，氣壓正常、返水正常，則調(diào)試成功。

3.4 反循環(huán)鉆進(jìn)

3.4.1 鉆進(jìn)情況

反循環(huán)鉆進(jìn)過(guò)程中通過(guò)改變內(nèi)管下入深度、井口回流量的大小、內(nèi)管直徑、壓縮空氣的氣量、鉆頭的結(jié)構(gòu)等影響因素，探索最優(yōu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和鉆進(jìn)參數(shù)，以達(dá)到保證施工安全的同時(shí)提高鉆進(jìn)效率的目的。

實(shí)鉆過(guò)程中的4種工況的參數(shù)及鉆進(jìn)過(guò)程中4種工況鉆進(jìn)效果對(duì)比匯總見(jiàn)表2。

表2 工況參數(shù)及鉆進(jìn)效果對(duì)比

注：機(jī)械鉆速=進(jìn)尺/純鉆時(shí)間；綜合鉆速=進(jìn)尺/(純鉆時(shí)間+沖孔時(shí)間)。

各工況的鉆進(jìn)特點(diǎn)如下：工況一鉆進(jìn)時(shí)地層漏失量較少，地層較穩(wěn)定，輕泥漿鉆進(jìn)，自然回流；工況二地層漏失量加大，加深內(nèi)管，井口補(bǔ)水，提高沉沒(méi)比；工況三改變鉆具結(jié)構(gòu)，減小下部單壁鉆具內(nèi)徑，提高鉆具內(nèi)返速；工況四井深加深，增加氣量同時(shí)加深內(nèi)管，增大沉沒(méi)比。

3.4.2 提高鉆井效率影響因素分析

上述幾個(gè)鉆進(jìn)階段，逐漸改變相關(guān)參數(shù)，目的是安全有效地鉆進(jìn)復(fù)雜地層的同時(shí)進(jìn)一步提高鉆進(jìn)效率。實(shí)鉆過(guò)程中主要通過(guò)改變以下幾個(gè)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.4.2.1 提高沉沒(méi)比

提高沉沒(méi)比也就是提高反循環(huán)系統(tǒng)壓差，增加驅(qū)動(dòng)力。在常規(guī)氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝中由于使用雙壁鉆桿，沉沒(méi)比是隨著鉆進(jìn)過(guò)程而變化的。本系統(tǒng)由于懸掛內(nèi)管長(zhǎng)度固定，配好鉆具后鉆進(jìn)過(guò)程只增加鉆桿，不會(huì)增加內(nèi)管，所以沉沒(méi)比在水位不發(fā)生變化的情況下基本保持不變。

實(shí)鉆過(guò)程中提高沉沒(méi)比有2種方法，一是通過(guò)加深內(nèi)管來(lái)提高沉沒(méi)比，二是漏失嚴(yán)重時(shí)通過(guò)井口注水保持液面來(lái)提高沉沒(méi)比。

工況二鉆進(jìn)階段，地層復(fù)雜，裂隙破碎帶發(fā)育，漏失嚴(yán)重，在工況一的參數(shù)下很難維持反循環(huán)鉆進(jìn)，因此將內(nèi)管由原來(lái)的320.42 m加深至462.7 m，同時(shí)從井口注水使得沉沒(méi)比由0.51提高至0.57，反循環(huán)鉆進(jìn)正常。

工況四將內(nèi)管加深至651 m，鉆進(jìn)效率有很大的提升。

3.4.2.2 改變鉆具結(jié)構(gòu)

工況三鉆進(jìn)階段，內(nèi)管下部的單壁鉆桿將原來(lái)的?127 mm鉆桿由?89 mm鉆桿代替，減小鉆井液通過(guò)鉆具的過(guò)流面積，增加鉆井液上返流速，增強(qiáng)巖屑攜帶能力，沖孔時(shí)間比工況二明顯減少，操作中適當(dāng)提高機(jī)械鉆速，綜合鉆速提高了近40%，大大提高了鉆井效率。

3.4.2.3 增加空氣壓縮機(jī)風(fēng)量

工況四同時(shí)采用增加風(fēng)量和提高沉沒(méi)比，通過(guò)圖7中工況三、四對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)其純鉆與沖孔時(shí)間比得到較大提高，說(shuō)明沖孔時(shí)間明顯減少，鉆進(jìn)效率明顯提高。

圖7 不同工況下鉆與沖孔時(shí)間比值曲線

3.4.2.4 總結(jié)

通過(guò)實(shí)鉆試驗(yàn)四種工況對(duì)比分析，說(shuō)明了以采用提高沉沒(méi)比、增加風(fēng)量、增加鉆井液上返流速等方法，可以提高鉆井液上返速度即攜帶巖屑能力，減少了沖孔時(shí)間，平均綜合鉆速明顯加快，大大增強(qiáng)了鉆進(jìn)效率，如圖8所示。

圖8 不同工況下平均綜合鉆速圖

3.5 實(shí)鉆應(yīng)用效果

加裝獨(dú)立內(nèi)管反循環(huán)功能模塊的氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝成功應(yīng)用在試驗(yàn)地?zé)峋@井施工中，效果明顯。雙壁鉆桿反循環(huán)系統(tǒng)裝置配套主要有雙壁鉆桿、專用水龍頭、專用方鉆桿，上述部件按500 m雙壁鉆桿計(jì)算大約造價(jià)總價(jià)為40萬(wàn)。獨(dú)立內(nèi)管系統(tǒng)配套總價(jià)約為7.8萬(wàn)元。雙壁鉆桿系統(tǒng)是獨(dú)立內(nèi)管系統(tǒng)裝置造價(jià)的5倍。

本井三開(kāi)采用反循環(huán)工藝其主要目的就是找到有效鉆穿霧迷山三四段地層的有效辦法，整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程比較復(fù)雜，地層嚴(yán)重漏失，破碎帶異常發(fā)育，極不穩(wěn)定，這給鉆進(jìn)造成了很大的困難，鄰井使用正循環(huán)工藝鉆進(jìn)相同地層，最終未能達(dá)到預(yù)期目的。

本井采用反循環(huán)工藝后，發(fā)揮反循環(huán)功能模塊的優(yōu)勢(shì)，在不同工況的鉆進(jìn)中，其氣密性好、鉆進(jìn)參數(shù)穩(wěn)定以及可以獲得很高的沉沒(méi)比等特點(diǎn)，使得施工順利鉆進(jìn)穿過(guò)四條破碎帶，成功鉆穿三四段三開(kāi)完井。本次實(shí)鉆試驗(yàn)鉆進(jìn)井段1852～2693.99 m，完成進(jìn)尺841.99 m，地層為霧迷山三四段，嚴(yán)重漏失、破碎、不穩(wěn)定。其中鉆遇四條破碎帶，累計(jì)總厚度約72 m。

4 結(jié)論

本次研究設(shè)計(jì)懸掛式獨(dú)立內(nèi)管氣舉反循環(huán)功能模塊，方便安裝維護(hù)，正循環(huán)和反循環(huán)工藝轉(zhuǎn)換方便快捷。制作與維護(hù)使用成本與傳統(tǒng)雙壁反循環(huán)系統(tǒng)成本相比有很大幅度的降低，從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)說(shuō)，推廣應(yīng)用有著非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)實(shí)鉆試驗(yàn)驗(yàn)證了影響該工藝鉆進(jìn)效率的主要因素，測(cè)試了一些相關(guān)參數(shù)，為以后推廣應(yīng)用提供了重要借鑒。

該系統(tǒng)在使用過(guò)程中的氣密性好、鉆進(jìn)參數(shù)可控、獲得更高的沉沒(méi)比等特點(diǎn)，更適合天津地區(qū)漏失嚴(yán)重的復(fù)雜霧迷山組地層的地質(zhì)條件。通過(guò)實(shí)鉆試驗(yàn)獲得一系列鉆進(jìn)參數(shù)和提高鉆進(jìn)效率的方法，對(duì)天津地區(qū)地?zé)峋畾馀e反循環(huán)工藝的使用有巨大的指導(dǎo)借鑒作用，并對(duì)天津地區(qū)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)和利用規(guī)劃有重要意義。

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