水力振荡器盘阀尺寸优选方法_王建龙.pdf

2020年第12期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-03-31 基金项目 中油油服统筹项目 “新型设施、 工具、 工艺配套研究 （编号2020T-002-006-2） ” 和中石油渤海钻探工程有限公司科技项目 “川渝页岩气井堵 漏剂提速技术研究究 （编号 2020ZD13Y） ” 联合资助。 第一作者简介 王建龙 （1984-） ， 男 （汉族） ， 天津人， 工程师， 现从事钻井提速工具研发与应用工作。 水力振荡器盘阀尺寸优选方法 王建龙*， 刘学松， 刘烁， 卢宝斌， 郑锋 （中国石油渤海钻探工程有限公司工程技术研究院， 天津 300280） 摘要 水力振荡器通过自身振动降低钻柱与井壁间的摩阻， 有效缓解滑动钻进托压问题， 提高滑动 钻进钻压传递效率。现场应用时， 需要优选合适的阀盘尺寸， 以满足设备和井下需求。水力振荡器 阀盘尺寸的大小受井深、 钻井液排量、 钻井液性能、 循环系统压耗、 钻井泵额定工作压力等因素影 响。提出了一种水力振荡器阀盘尺寸优选方法， 并进行了实施例分析， 为水力振荡器现场应用提供 理论依据。 关键词 水力振荡器； 托压； 盘阀； 尺寸 中图分类号 TE921 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202012-0049-03 1概述 大斜度井、 大位移井等复杂结构井由于井斜角大、 裸眼段长， 钻柱与井壁间的摩阻大， 滑动钻进过程中往 往会出现托压问题， 进而导致滑动钻进机械钻速非常 低[1-3]。水力振荡器通过流经的钻井液产生高频轴向往 复振动， 使钻柱与井壁之间的摩阻由静摩擦转变为动 摩擦， 进而降低了摩擦阻力， 提高了滑动钻进过程中钻 压的传递效率， 有效提高了滑动钻进机械钻速[4-6]。但 是， 水力振荡器现场应用过程中， 存在压耗高的问题， 一方面限制了正常钻进的排量； 另一方面限制了水力 振荡器在部分井中的应用。为此， 本文提出了水力振 荡器阀盘尺寸优选方法， 为现场安全高效应用提供了 技术指导。 2优选模型及方法建立 水力振荡器阀盘尺寸的大小受井深、 钻井液排量、 钻井液性能、 循环系统压耗、 钻井泵额定工作压力等因 素影响， 具体优选方法如下 第1步 利用地面试验的方法， 建立水力振荡器压 耗与阀盘尺寸和钻井液排量的定量关系， 如式 （1） ΔPf（D,Q）（1） 式中ΔP水力振荡器压耗， MPa； D阀盘尺寸， in； Q钻井液排量， m3/min。 第2步 通过公式换算， 计算水力振荡器阀盘尺寸 与压耗、 钻井液排量定量关系， 如式 （2） 所示 Df（ΔP,Q）（2） 第3步 计算钻井泵所能承受的最高工作压力， 如 式 （3） 所示 PmaxηP新max（3） 式中Pmax钻井泵所能承受的最高工作压力， MPa； P新max钻井泵出厂条件下的额定工作压力， MPa； η钻井泵有效工作压力系数， 无量纲。 第4步 计算整个钻井系统的循环压耗， 如式 （4） 所 示 PcPgPiPMWDPmotorPbitPa（4） 式中Pg地面管汇压耗， MPa； Pi钻柱内循环压耗， MPa； PMWD定向井测量仪器MWD压耗， MPa； Pmotor螺杆钻具压耗， MPa； Pbit钻头压耗， MPa； Pa环空压耗， MPa。 其中Pg、Pi、Pmotor、Pbit和Pa通过下式 （5） ～ （10） 式计算可得 49 2020年第12期西部探矿工程 Pg5.1655ρ0.8η0.2 l1 d14.8 l2 d24.8 l3 d34.8 l4 d44.8Q 1.8 （5） 式中ρ钻井液密度， g/cm3； η钻井液塑性粘度， Pas； l1地面高压管线的长度， m； l2高压立管的长度， m； l3水龙带的长度， m； l4方钻杆的长度， m； d1地面高压管线的内径， cm； d2高压立管的内径， cm； d3水龙带的内径， cm； d4方钻杆的内径， cm。 管内压耗Pl包括钻杆内压耗、 加重钻杆内压耗和 钻铤内压耗， 可用下式计算 Pl5.1655 ρ0.8η0.2Q1.8lp dp4.8 ρ0.8η0.2Q1.8lHp dHp4.8 ρ0.8η0.2Q1.8lc dc4.8 （6） 式中lp钻杆长度， m； lHp加重钻杆的长度， m； lc钻铤的长度， m； dp钻杆的内径， cm； dHp加重钻杆的内径， cm； dc钻铤的内径， cm。 环空压耗Pa包括钻杆外环空压耗、 加重钻杆外环 空压耗和钻铤外环空压耗， 可用下式计算 Pa5.7503[ ρ0.8η0.2Q1.8lp D-Dp3DDp1.8 ρ0.8η0.2Q1.8lHp D-DHp3DDHp1.8 ρ0.8η0.2Q1.8lc D-Dc3DDc1.8] （7） 式中D井眼内径， cm； Dp钻杆的外径， cm； DHp加重钻杆的外径， cm； Dc钻铤的外径， cm。 钻头压降Pbit可用下式计算 Pbit ρQ2 2gc2A02 103（8） 式中g重力加速度， N/kg； c流量系数， 无因次， 一般取0.95～0.98； A0喷嘴当量面积， mm2。 螺杆的压耗Pmotor， 可用下式计算 Pmotor 2π V0 MΔP0（9） 式中V0螺杆每转排量， L/min； M螺杆转子输出扭矩， Nm； ΔP0螺杆空转压降， MPa。 第5步 计算现场设备所能允许的水力振荡器最大 压耗 Pmax1Pmax-PcηPmax新- （PgPiPMWDPmotorPbitPa）（10） 第6步 计算现场允许的水力振荡器阀盘尺寸 Df（ΔP,Q）f（Pmax1,Q（11） 3实施例分析 （1） 基本条件。井A设计井深4000m， 钻井过程中 使用的钻具组合是 外径17.78cm、 内径5.7cm的钻铤 30m， 外径12.7cm、 内径7.6cm的加重钻杆180m， 外径 12.7cm、 内径10.8cm的钻杆3790m， 钻头的喷嘴当量面积 为12.02cm2。所用钻井液性能 钻井液密度1.25g/cm3， 钻 井液塑性粘度45Pas。钻井过程中所用的钻井液排量 为1.8m3/min。现场配备3NB-1000C钻井泵， 新泵额 定工作压力26.6MPa。地面高压管线长度20m， 内径 8.0cm； 高压立管的长度40m、 内径8.0cm； 水龙带的长 度 35m、 内径 8.0cm； 方钻杆的长度 13m、 内径 8.0cm。 为了满足现场需求， 研制了10种尺寸的定盘阀， 分别为 1.50in、1.55in、1.60in、1.65in、1.70in、1.75in、1.80in、 1.85in、 1.90in、 1.95in。 （2） 计算过程。首先建立水力振荡器压耗与阀盘 尺寸、 钻井液排量的关系为 ΔP53.5D2-207.7D203.36 经过公式换算得出 D 207.7-379.95214ΔP 107 计 算 钻 井 泵 所 能 承 受 的 最 高 工 作 压 力 为 25.2MPa， 计算整个循环系统的循环压耗为20.37MPa， 计算现场设备所能允许的水力振荡器最大压耗为 4.83MPa， 最终确定水力振荡器所需尺寸为1.6in。 5结论 水力振荡器能有效提高滑动钻进过程中钻压的传 递效率， 有效提高了滑动钻进机械钻速。水力振荡器 阀盘尺寸的大小受井深、 钻井液排量、 钻井液性能、 循 环系统压耗、 钻井泵额定工作压力等因素影响。现场 应用时， 需要根据井上实际情况， 优选合适的阀盘尺 寸， 既要满足现场设备的要求， 又能达到提高水力振荡 器的工作效率目标。 （下转第55页） 50 2020年第12期西部探矿工程 套管的居中度。 （3） 技术套管下至水平段窗口位置， 三开采用油基 钻井液和旋转导向钻进的水平段， 井眼相对规则， 提下 钻和通井与井壁摩阻相对较小， 常规下套管工艺可满 足3000m左右长水平段水平井下套管施工要求。 参考文献 [1]高德利， 等.弯曲井眼中管柱屈曲行为研究[J].石油钻采工 艺， 2000， 2241-4. 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[10]董学成， 熊继有， 王国华， 等.振荡冲击器工作特性研究[J]. 机械工程学报， 2014， 50 （21） 197-205. for Optimizing the Size of a Hydraulic Oscillator Disc Valve WANG Jian-long, LIU Xue-song, LIU Shuo, LU Bao-bin, Zheng Feng Engineering Technology Research Institute of Bohai Drilling Engi- neering Co., Ltd, CNPC ， Tianjin 300280， China Abstract The hydraulic oscillator can reduce the friction between the drill string and the borehole wall through its own vibration, ef- fectively alleviate the problem of pressure support in sliding drill- ing, and improve the transmission efficiency of WOB in sliding drilling. In the field application, it is necessary to optimize the ap- propriate valve disc size to meet the equipment and downhole re- quirements. The size of the valve disc of hydraulic oscillator is af- fected by well depth, drilling fluid displacement, drilling fluid per- ance, circulating system pressure consumption and rated work- ing pressure of drilling pump. In this paper, a to optimize the valve disc size of hydraulic oscillator is proposed, and an exam- ple is analyzed to provide reference for the field application of hy- draulic oscillator. Key words hydraulic oscillator； support pressure； disc valve； size 55