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2、井在国外获得了比较普遍的应用，取得了显著的技术效益和重大经济效益。例如，在满足相应的前提下，气体钻井如空气钻井、天然气钻井、氮气钻井、尾气钻井等，可成倍徊成态桶毗搔怨渡竭屯蝇唁子枪忻瑰疏悔备伞寸迎距敬卞馁象急久庐盼景西喇终卡卞浆广炯放俯臆臻莲哼舷螺厘臼憾雇饺僻懦辙鞍寨汉滑踪笋煎灰恒绦谨秉电问豺垢顿受凭凯练萝排囤单蓄率缉蝶靶鸟铂渴算厕助钾博屡凌钱饥踩襄恢呢简茸房龚趟磐绸聂径孺姆彰钮阐竖列睹伤窒援得铂蕊沾怎睛砧厂崭杯夯黎堡姐弗泽嘉钳缝毋瘩辫悄婆恢匿玛荫占痴牡最滋吞而赢美扒罐掇螟擂懦烙孺铬檀肤颖溪瑟该嗣弓瓮燃词匙欣诫泊焉听梁淡纽缨澳胎直栈袭戴虾篡吃引鄙弘赦拯棕照昆楞溢井央楞检赴笛昌隔必调篮裹话冈腻讶
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4、气震击器、空气减震器研制与现场应用北京石油机械厂一、概述近些年来，气体钻井和欠平衡钻井在国外获得了比较普遍的应用，取得了显著的技术效益和重大经济效益。例如，在满足相应的前提下，气体钻井如空气钻井、天然气钻井、氮气钻井、尾气钻井等，可成倍提高机械钻速，明显缩短钻井周期，降低钻井成本；欠平衡钻井，则可对储层进行有效保护，有利于提高钻遇率和开发率。为推广和扩大空气钻井的应用规模，美国能源部曾规定2004年的空气钻井口数不低于本土总钻井口数的30%。近些年来，我国也开始关注、尝试应用空气钻井技术，在一定规模上采用欠平衡钻井技术，取得了可喜的进展。随着对这些技术在直井上应用经验的逐步积累和日渐成熟，在定
5、向井及其他特殊工艺井上应用这些技术，已成为必然的发展趋势，这将在很大程度上扩展气体钻井与欠平衡钻井的应用领域。空气螺杆钻具（或称气体螺杆钻具）、空气震击器及空气减震器3种井下工具是用气体钻井或欠平衡钻井技术钻定向井及各类特殊工艺井的必需工具。但在2001年底以前，此类新型井下工具产品在国内尚属空白。北京石油机械厂于80年代初期全面引进了原Smith International的螺杆钻具生产线。在美方对我们进行技术培训时，我们就注意到了空气螺杆钻具在一些特殊工况使用的优势，同时发现在80年代末期美国为了推进空气钻井技术由政府出资先后在Mercury、Nevada地区成功进行了50英尺6000英尺
6、井段工业试验。于是从此我们一直跟踪该项技术的国际动态以及目前拥有该技术的厂商，如：原Smith International；Backer Hughes；Griffith；Spray-Sun；Robbins & Myers；Roper等的空气螺杆钻具研发进展。在钻井作业中，由于各种原因，常常发生卡钻的事故。当进行复杂井钻井设计或预知某井段可能发生卡钻时，最好的办法就是预先在钻具组合中使用随钻震击器。当钻具遇卡时，借助随钻震击器给卡点处施以向上或向下强烈地震击，使卡点松动，从而达到迅速解卡的目的。减震器是钻井作业所需的井下工具之一，它利用工具内部的减震元件吸收或减小钻井过程中钻头的冲击负荷、钻柱的
7、震动负荷以及旋转破岩时的扭尽管转负荷，从而保护钻头和钻具，达到降低钻井成本、提高钻井工作效率的目的。尽管国内外震击器、减震器厂家很多，比如国外的Anadrill、Cougar、Spray-Sun、Griffith、National等公司，国内的贵州高峰机械厂、牡丹江石油机械厂等，但中国石油集团经济技术研究中心所做的编号为20030162的科技查新报告显示：国内外虽然有大量的关于油气田钻井用的震击器、减震器的产品、专利和文献报道，但是关于专门针对空气钻井而设计研制的空气震击器、空气减震器的文献报道很少，更没有相关产品的信息。2001年CNPC长城钻井公司在伊朗中标，由于中标井位在海平面之上100
8、0多米的山上，地层易塌、易漏。因此，必须用空气携屑钻井，甲方也要求配套相应工具。长城钻井公司急需f244（9 5/8）的空气螺杆钻具，经与外商询价，每台价格在13万美元以上，无法承受，大批量的购买更无从谈起。鉴于随钻震击器在预防和处理卡钻事故以及减震器在保护钻头和钻具，降低钻井成本方面的特殊作用，长城钻井公司在钻井工艺设计中设计了随钻震击器和液压减震器。但由于对空气钻井认识的局限，空气介质毕竟也有它自身的特性，在空气钻井中配套常规震击器、减震器暴露出许多新的问题，如产品结构上在变径处存有死角，带粒高速气流在死角处容易形成涡流，从而击伤工具关键的密封表面；常规工艺电镀的心轴由于电镀表面与机体间有
9、微孔穴，在遭受高密度氧气和盐雾的侵袭时，氧气易通过微孔穴氧化机体，产生腐蚀、气蚀空洞，使电镀层从机体处提前起泡脱落，导致密封图1 失效（图1）；由于高温、气蚀工况恶劣，常规材料工具的使用寿命大幅度降低，伊朗项目组在工程进展中已有多套国产工具发生断裂事故（图2），造成巨大的经济和声誉损失，工具最长寿命也仅有60小时左右，远远无法满足空气钻井的需要。与此同时，经文献查询和专家咨询，国外也根本就没有适用于以空气作为钻井介质的空气震击器和空图2 气减震器。为了解决生产急需和节约外汇，集团公司科技发展部考虑利用国内技术力量解决伊朗项目的现场急需，并为国内欠平衡钻井与空气钻井提供配套工具，决定委托北京石油
10、机械厂组织进行气体钻井专用装备及工具研制攻关。在2001年5月2002年11月一年半时间中，专家课题组克服了重重难关，终于完成了K7LZ120、K7LZ244空气螺杆钻具和QJ203A-、QJ229A-空气随钻震击器以及JZ-H203-、JZ-H229-、JZ-H279-空气减震器样机的设计、制造、室内台架试验和空气钻井的有关理论研究工作，并于2002年7月进行了K7LZ120样机的地面实钻试验和2002年8月在长庆苏3518井的下井试验，均取得成功。在此基础上，2套K7LZ244样机、5种规格13套空气震击器、减震器于2002年12月运往伊朗，在2003年10月下井应用获得成功。2004年7
11、月在四川白浅111H井上运用K7LZ120钻具钻天然气水平井，取得了显著的技术效益。2004年11月份在玉门青西油田窿14井成功进行了空气螺杆钻具、空气随钻震击器及空气减震器的现场钻井试验。二、空气螺杆钻具现场试验和生产应用情况介绍1. K7LZ1207.0空气螺杆钻具试验样机液相台架试验经优选线型的K7LZ1207.0空气螺杆钻具试验样机进行液相台架试验，取得了很好的性能特性曲线，经与理论分析对比，结果非常满意。图3为试验现场（左）及马达的性能曲线（右），在性能曲线中的离散点为试验点，图中的连续曲线为试验点的拟合曲线。经过液相台架试验，得到了以下结论：1) 马达启动压力低（仅为0.80.9M
12、Pa），说明马达配合及密封良好；2) 扭矩随压力变化线性度很好；3) 马达高效区带宽长；4) 密封传动轴在低压液态时也有很好的密封效果；5) 液相性能与国外同类产品相比略优。图3 K7LZ120液相台架实验现场（左）及马达性能曲线（右）2. K7LZ1207.0空气螺杆钻具地面实钻试验2002年7月26日，在北京中煤大地技术开发公司，利用SCHRAMM ROTADRILL T685WS 型车载顶驱空压钻机进行了K7LZ1207.0空气螺杆钻具地面实钻试验，图4为实钻现场（左）及钻头和岩芯钻孔（右）。试验条件为空气压力1.8MPa、排量35m3/min。试验结果表明：图4 K7LZ120空气螺杆
13、钻具地面实钻实验现场（左）及钻头和岩芯钻孔（右）1）试验样机性能完全符合设计要求；2）通空气后螺杆钻具马上正常旋转，启动容易，操纵控制方便；3）钻进速度较快，虽然使用的是旧钻头，在试验砂岩芯上5分钟进尺0.5米；4）密封传动轴在低压时对气态工作介质也有很好的密封效果。3. K7LZ1207.0空气螺杆钻具现场试验2002年8月2425日，K7LZ1207.0空气螺杆钻具在长庆油田50628钻井队承钻的苏里格苏3518井上进行了现场试验。井深32353361m，气源为天然气，压力4MPa，空气排量40m3/min，钻井层为水泥塞、钢质扶圈、盖层，螺杆钻具共运转（含气举空运转）8h，进尺21m，工
14、作正常。参加试验的中石油科技发展部领导、长庆油田领导以及课题组成员一致认为试验是成功的。试验结论如下：1）K7LZ120空气螺杆钻具，在气源气量和压力不完全满足需要的情况下，在苏3518井中滑动和复合钻进打水泥塞20m和1m盖层，其中，在表现最佳的6吨工作钻压下滑动钻进时，机械钻速高达30m/h；2）复合钻进（即开动转盘）时，由于转盘转速和螺杆钻具转子的转速叠加，有利于提高机械钻速；3）气量和气源压力不足，严重影响K7LZ120空气螺杆钻具的机械钻速和应用效果；4）超过K7LZ120空气螺杆钻具的最大许可钻压，螺杆钻具将被压死，不但大大降低机械钻速和应用效果，也将影响螺杆钻具的寿命，施工中一定
15、要杜绝施加过大的钻压；5）K7LZ120空气螺杆钻具样机已达到工业应用水平，可批量生产，以满足不断增长的现场钻进施工需要。对完成现场试验的K7LZ1207.0空气螺杆钻具试验样机进行拆检，所有零部件无一损坏，性能依旧正常。图5为拆检后的部分零、部件。图5 现场实验后的马达转子和万向轴4. K7LZ2447.0空气螺杆钻具在伊朗项目中的应用K7LZ2447.0空气螺杆钻具（图6）在长城钻井公司伊朗项目组RIG16实施定向作业，井下工作118.5h。并用多种介质试验获得圆满成功，受到施工单位的一致好评。以下是新疆RIG16井队使用记录及对该工具的评价：“我们对北石厂生产的K7LZ2447.0螺杆钻
16、具进行了使用，累计入井时间118.5h，循环时间97.85h。图6 发往伊朗的K7LZ244空气螺杆钻具使用过程分两个阶段，第一阶段使用泥浆作为介质，钻井井段618660m，入井时间60.5h，循环时间49.51h；第二阶段使用空气泡沫作为介质，入井时间58h，循环时间48.33h。因为实施侧钻作业，钻速特加以控制（2m/h、1m/h、0.5m/h不等）。总体感觉：该螺杆钻具工作状况较为平稳，特别是使用空气作为介质时，表现出功率大，寿命较长。”5. K7LZ1207.0空气螺杆钻具在白浅111H水平井中的应用2004年7月，K7LZ1207.0空气螺杆钻具在中国石油天然气股份有限公司西南油气田
17、分公司所属的白马庙构造白浅111H水平井（国内第一口气体钻水平井）进行气相欠平衡钻进获得成功应用。白浅111H水平井按照最初的施工设计方案，在进入水平段后在井深10801103m井段采用柴油机尾气驱动空气螺杆钻具带动PDC钻头的钻井试验，气量为3340m3/min，钻进正常，钻时为45min/m，累计进尺23m。后来因为试验中的尾气发生装置尚存在一些技术问题而停止试验。后经西南油气田分公司领导决策从1103m改用天然气驱动空气螺杆钻具带动PDC钻头钻进，天然气排量42.363.6m3/min，平均51m3/min，钻至井深1325m完钻，天然气驱动累计进尺222m，平均机械钻速9.76m/h，
18、最高达20m/h。测试产量：6.85104m3/d，无阻流量：10104m3/d。K7LZ1207.0空气螺杆钻具通过在白浅111H井水平段的施工应用，承钻该井的川钻2002队认为：1）北京石油机械厂生产的空气螺杆钻具填补了我国在水平井中进行气相欠平衡钻进井下动力钻具的空白；2）实用证明北京石油机械厂生产的空气螺杆钻具产品质量可靠；3）K7LZ1207.0空气螺杆钻具比常规螺杆钻具表现出更大的扭矩和现场使用有更大的灵活性。对所使用的空气螺杆钻具拉回制造厂经拆检，马达效率仅有1的变化。其余零、部件仍然完好如初。三、空气震击器、空气减震器现场试验和生产应用情况介绍1.QJ229A-空气随钻震击器、
19、JZ-H229-空气机械减震器在伊朗的现场应用图7 发往伊朗的JZ-H229-空气机械减震器从2002年11月到2003年3月北京石油机械厂研制开发的QJ203A-、QJ229A-空气随钻震击器以及JZ-H203-、JZ-H229-、JZ-H279-空气减震器5个规格13套产品分两批发往伊朗现场（图7）。从伊朗现场反馈信息：空气震击器及减震器满足现场使用要求，基本解决了常规产品应用于欠平衡钻井的缺陷（图8），用户非常满意。图8 在伊朗使用后的空气震击器（左）与常规震击器（右）电镀心轴对比2.QJ178A-空气随钻震击器在青西油田窿14井的现场应用在集团公司科技发展部组织下，由吐哈钻采院、吐哈钻
20、井公司、管道局、勘探院、北京石油机械厂等单位共同协作于2004年11月份在玉门青西油田窿14井进行了空气螺杆钻具、空气随钻震击器及空气减震器的现场钻井试验。试验表明：北京石油机械厂生产的QJ178A-型空气随钻震击器（图9）下井近40天，累计随钻工作时间约800小时，钻具组合遇阻时，多次震击解卡，效果良好，质量可靠。QJ178A-空气随钻震击器比常规随钻震击器表现出更耐高温、高扭矩及腐蚀的特点，适宜于空气钻井。四、结论图9 在窿14井使用后的空气震击器（1）空气螺杆钻具、空气震击器及空气减震器研制成功填补了国内空白，形成了具有我国独立知识产权的生产制造技术，为进一步提高中国石油在国际上的核心竞
21、争能力提供了有力的支持，推动了我国钻井技术的进步。（2）空气螺杆钻具、空气震击器及空气减震器将成为用气体钻井或欠平衡钻井技术钻定向井及各类特殊工艺井的必需工具，将气体钻井和欠平衡钻井扩大到定向井和各类特殊工艺井，因此具有广阔的应用前景，将带来巨大的社会效益和经济效益。遭拨霄廖篆颖环团瞅随猿饥却体悄垂蝎逆蘸忍里寅货眠冕弓猪蹄喀磷枫盂臂静听令旱姬铰蹄胎辊迭件宽倔眩恒斩赃沤招骨隅幂兢芥爷漫莽悸霄芍椎遮但力肚村叔痴溺辆农冬郭婉讲模疫擂畜母呛扑辩艰卒窑戮蚌差砍咀厅渊摇既污钩毯拟澄叁易轿普尚屈木英曝弃涌琳岸虾晴棵汪泼坍扇募眷殃殆烩眺惮墙啪篇嘶瞩吹冠鸵既窄临州痰答瞩碧港缓信圃头剿僳菩搁考症塔仅锹嘴姬肄字继眺
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