鉆井取心用液動投球裝置研制及應(yīng)用

劉 彬， 陳文才， 付小平， 殷 鴿

(1四川川慶石油鉆采科技有限公司 2中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司第三鉆井工程分公司)

常規(guī)鉆井取心工藝流程是：下鉆→循環(huán)→投球→鉆進(jìn)→割心→起鉆→出心→下鉆，循環(huán)是為了清洗內(nèi)筒，防止內(nèi)筒沉沙、阻礙進(jìn)心，投球是為了封堵內(nèi)筒，避免鉆井液沖蝕巖心[1]，具體操作是：內(nèi)筒清洗完成后，停泵，卸開方鉆桿，從井口鉆具投入鋼球，然后開泵。采用這種投球方法需要多次開關(guān)泵、上卸扣作業(yè)，浪費時間,且在某些高含硫地層取心、欠平衡鉆井取心或井下動力取心中，因為裝有內(nèi)防噴工具或井下動力鉆具而無法投球。

本文介紹的鉆井取心用液動投球裝置提前將鋼球儲藏于投球裝置內(nèi)，并隨取心工具一起下到井底，需要投球時通過增大排量來實現(xiàn)鋼球的投放，既節(jié)約了時間，提高了作業(yè)效率，又滿足了特殊地層取心和井下動力取心等特殊要求。

一、鉆井取心用液動投球裝置研制

1. 結(jié)構(gòu)及工作原理介紹

本文介紹的鉆井取心用液動投球裝置，主要包括外殼、彈性擋圈、限位環(huán)、滑套、彈簧、封堵、鋼球、密封圈、定位銷和導(dǎo)向環(huán)等，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

鉆井取心用液動投球裝置連接在取心工具和鉆鋌之間，裝置內(nèi)預(yù)先儲藏了一顆鋼球。當(dāng)取心工具到達(dá)井底后，開泵正常循環(huán)鉆井液(此時鉆井液的液力小于彈簧彈力，滑套無法下移，鋼球仍被藏于外殼內(nèi))，進(jìn)行內(nèi)筒清洗作業(yè)。清洗完畢后，加大鉆井液循環(huán)排量，此時液體對本裝置內(nèi)滑套的作用力增大，壓縮彈簧，滑套下移，鋼球通過滑套投球孔坐落在內(nèi)筒上端的球座上，實現(xiàn)內(nèi)筒的封堵，防止了鉆井液對巖心的沖刷。

圖1 鉆井取心用液動投球裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1外殼 2彈性擋圈 3限位環(huán) 4滑套 5彈簧 6封堵 7鋼球 8定位銷 9密封圈 10導(dǎo)向環(huán)

2. 滑套及彈簧分析計算

本裝置的核心是液體推到滑套的液力與彈簧彈力的匹配性，即在正常循環(huán)排量的時候液體對滑套的液力要小于彈簧的彈力，而在需要投球時，加大排量，鉆井液產(chǎn)生的液力要大于彈簧的彈力，因此首先計算滑套受鉆井液的液力。

滑套受鉆井液的沖擊力[2]:

Fj=ρ×Q×VJ

(1)

式中：Fj—滑套受鉆井液的沖擊力，N；

Q—鉆井液排量，L/s；

ρ—鉆井液密度，g/cm3；

VJ—鉆井液噴射速度，m/s。

其中，鉆井液噴射速度VJ：

(2)

式中：VJ—鉆井液噴射速度，m/s;

Q—鉆井液排量，L/s；

AJ—滑套截面積，mm2。

根據(jù)式(1)、式(2)可推導(dǎo)出鉆井液排量Q：

(3)

根據(jù)彈簧設(shè)計計算可得，再彈簧被壓縮到投球位置的時候，彈力335 N。

研究中，以川7-4取心工具配套的鉆井取心用液動投球裝置為例，鉆井液密度1.5 g/cm3，因此可得排量Q在28 L/s時，滑套受鉆井液的沖擊力FJ為360 N，此時滑套受鉆井液的沖擊力大于彈簧彈力，彈簧被壓縮到位，鋼球被順利投放。

3. 鋼球投放到位壓力變化計算

根據(jù)取心工具結(jié)構(gòu)特點,在鋼球投放到位后,心軸的中心孔水眼被封堵,泵壓增加,根據(jù)壓降公式：

p=0.0827×[(ρ×Q2)/(C2×d4)]

(4)

式中：p—壓力,MPa；

Q—鉆井液排量，L/s；

ρ—鉆井液密度，g/cm3；

C—流量系數(shù)，取0.98；

d—當(dāng)量直徑，cm。

其中當(dāng)量直徑d：

d=4×A/L

(5)

式中：A—總流的有效截面積,mm2；L—濕周(流體與固體壁面的接觸長度)，mm。

研究中，以川7-4取心工具為例，鉆井液密度1.5 g/cm3。根據(jù)式(4)計算出川7-4取心工具在鋼球投放到位后泵壓增加1.15 MPa。

二、鉆井取心用液動投球裝置室內(nèi)測試及現(xiàn)場應(yīng)用

1. 室內(nèi)測試

2018年3月，利用井下動力鉆具測試平臺對鉆井取心用液動投球裝置進(jìn)行了多次室內(nèi)測試，試驗采用清水(密度1 g/cm3)作為循環(huán)介質(zhì)，由于清水密度低于理論計算時用的1.5 g/cm3鉆井液密度，故當(dāng)排量到達(dá)28 L/s時，清水產(chǎn)生的推力不足335 N。因此，鉆井取心用液動投球裝置沒有投球，理論

計算與實際測試情況基本相符。此后，緩慢增加循環(huán)排量，當(dāng)排量增至34.3 L/s時鉆井取心用液動投球裝置順利投球。

按上述操作過程，技術(shù)人員先后進(jìn)行了5次室內(nèi)測試，投球裝置順利投球時的清水排量分別是34.3 L/s、34.5 L/s、34.1 L/s、34.2 L/s、34.0 L/s，多次室內(nèi)測試的結(jié)果顯示：鉆井取心用液動投球裝置投球時的清水排量基本穩(wěn)定在34.2 L/s附近，測試數(shù)據(jù)與理論設(shè)計值基本相符，具備現(xiàn)場應(yīng)用條件。

2. 現(xiàn)場應(yīng)用

經(jīng)過多次室內(nèi)測試后，對鉆井取心用液動投球裝置配合川7-4取心工具在X井進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，取心井段：5 299.30～5 372.53 m，鉆井液密度：1.62 g/cm3，循環(huán)排量20.0 L/s，循環(huán)結(jié)束后緩慢增加鉆井液排量至26.4 L/s時，泵壓突然增加1.2 MPa，據(jù)此判斷液動投球裝置已完成投球操作。因此，降低鉆井液排量至15 L/s完成取心作業(yè)，工具出井后與現(xiàn)場技術(shù)人員判斷一致，鉆井取心用液動投球裝置順利完成投球，對取心工具內(nèi)筒形成有效封堵。

本次現(xiàn)場應(yīng)用，鉆井取心用液動投球裝置先后入井4次，完成8筒/次取心作業(yè)，取心進(jìn)尺73.23 m，巖心長70.58 m，巖心收獲率96.38%，投球成功率100%，投球時的鉆井液排量分別是：26.4 L/s、26.7 L/s、25.9 L/s、26.1 L/s。對現(xiàn)場應(yīng)用獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，與理論設(shè)計計算數(shù)據(jù)基本一致，對后續(xù)新產(chǎn)品的開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

三、結(jié)論與認(rèn)識

通過室內(nèi)測試和現(xiàn)場應(yīng)用表明，研制的鉆井取心用液動投球裝置將鋼球提前儲藏在裝置內(nèi)，并隨取心工具一起下到井底，通過改變鉆井液排量順利投放鋼球，實現(xiàn)了鉆井組合中有內(nèi)防噴工具或井下動力鉆具等情況下鋼球的投放作業(yè)，滿足了地層取心和井下動力取心等特殊要求。