钻井用井底负压发生器

李国庆 李子丰

（1.大庆油田有限责任公司钻井三公司，黑龙江大庆 163413；2.燕山大学石油工程研究所，河北秦皇岛 066004）

钻井用井底负压发生器

李国庆1李子丰2

（1.大庆油田有限责任公司钻井三公司，黑龙江大庆 163413；2.燕山大学石油工程研究所，河北秦皇岛 066004）

在石油、天然气和地质钻井过程中，井筒内的钻井液压强造成的压持效应，极大地降低了钻进速度。针对现有以液体钻井液为循环介质的常规钻井技术，以减少钻头处的钻井液压持效应为目的，根据射流泵的工作原理，研制了一种能够降低井底钻井液压强的井底负压发生器。该井底负压发生器具有3个功能：将环空分为上部环形空间和井底环形空间两个压强区；井底环形空间压强低于上部环形空间压强，且流体从井底环形空间流向上部环形空间；有钻进功能。介绍了井底负压发生器的结构和使用方法。

负压；钻井；发生器；射流；欠平衡

在石油、天然气和地质钻井过程中，井筒内的钻井液压强造成的压持效应，极大地降低了钻进速度［1］。井底钻井液压强越大，钻速越慢；井底钻井液压强越小，钻速越高。为了提高钻进速度，采用了欠平衡钻井技术［2-4］、充气钻井技术［5］、泡沫钻井技术［6］、气体钻井技术［7］。这些钻井技术虽然有效地提高了钻速，但也有地面设备复杂、井壁稳定困难和地层压力控制困难等问题。以液体钻井液为循环介质的常规钻井技术，具有设备相对简单、井壁稳定性好、井控容易、钻柱磨损较轻等优点，如果能在井底产生负压，降低钻井液压持效应，将提高钻进速度和有效降低钻井成本。本文就介绍这样一种工具——钻井用井底负压发生器。

1 结构和工作原理

井底负压发生器结构：管状中心轴外套有胶桶安装环，胶桶安装环外安装有胶桶，胶桶内安装有低压腔、喷嘴、液流排出孔和低压液流管，在低压液流管下端安装有滤网，在中线轴上开有液流孔，在胶桶安装环和胶桶上开有液流孔，在中心轴与胶桶安装环间有密封圈，在胶桶安装环上方有止推轴承，止推轴承上方有弹簧，中心轴上有止推台肩（图1）。从结构上可以分为封隔器组、射流泵组及推进组3部分。封隔器组包括胶桶安装环和胶桶。射流泵［8］组包括液流排出孔、低压腔、喷嘴、低压液流管和滤网。推进组包括中心轴、弹簧和止推轴承。上母接头用于与上部钻柱连接，下公接头用于与钻头或下部钻柱连接。密封圈用于防止高压液体从环隙中泄露。封隔器组套在推进组的中心轴上。射流泵组安装在封隔器组的胶桶内。封隔器组的功能是靠液体压强使胶桶膨胀，密封环形空间。射流泵组的功能是使封隔器组下部环形空间的压强低于上部环形空间的压强，并排出岩屑。推进组的作用是使钻头旋转向下钻进。

图1 钻井用井底负压发生器结构

在自由状态下，胶桶外径小于井筒直径，可以用钻柱将工具送入井底。当向钻柱内流体施加压强时，流体流经路线：中心轴中孔——中心轴液流孔——中心轴与胶桶安装环间环空——胶桶安装环液流孔——胶桶内腔——喷嘴——低压腔——液流排出孔——上部环形空间。由于胶桶内腔压强大于环形空间压强，胶桶膨胀，封闭了环形空间，将环形空间分为上部环形空间和井底环形空间。当液流流经喷嘴后，在低压腔产生负压，负压将井底环形空间流体吸入低压腔，两路流体一起经液流排出孔流入上部环形空间。为了避免大岩屑颗粒堵塞管道，在入口处，装有滤网。使井底环形空间压强低于上部环形空间压强，且流体能够从井底环形空间流向上部环形空间。钻井液压强升高后，可以旋转钻柱并施加钻压钻进，此时，胶桶安装环和胶桶固定在井壁上不动，中心轴转动，传递钻压，并向下滑动，同时压缩弹簧，当止推轴承接触止推台肩时，就需要卸掉钻井液压力，使胶桶收缩，弹簧推动胶桶向下，直至下死点。

2 使用方法

图2是井底负压发生器在井底的工作方式。该井底负压发生器连接在钻柱上，并送入井底。当钻井液压强升高后，胶桶膨胀并封闭环形空间。安装在胶桶内的射流泵组使得井底环形空间的压强小于上环形空间的压强。上环形空间的压强使得井壁稳定和井控易于实现。井底环形空间的压强使得钻速快。当钻柱旋转并向下钻进时，推进组的中心轴下移，压缩弹簧。当止推轴承顶到止推台肩时，就要停止向钻柱内液体施加压强，使胶桶收缩，弹簧伸长，向下推胶桶达到下死点，此时，井底环形空间没有负压强。再开泵向钻柱内液体施加压强时，井底环形空间产生负压强。

图2 钻井用井底负压发生器的应用

3 结论

井底负压发生器是在传统工艺上的改进，具有成本低、结构简单、稳定性好和耐久性，建议尽快投入现场应用。

［1］ 胡湘炯，陈庭根，梁之跃.压差因素对钻速影响的统计分析［J］. 石油学报，1988，9 （1）：96-101.

［2］ 李士斌，窦同伟，董德仁，等.欠平衡钻井井底岩石的应力状态［J］.石油学报，2011，32（2）：329-334.

［3］ 周英操，王广新，翟洪军，等.欠平衡钻井技术在大庆油田卫深5井中的应用［J］.石油学报，2003，24（6）：90-93.

［4］ 张守良，邓金根，徐显广，等.欠平衡钻井合理压差的确定技术及在新疆油田的应用［J］.岩石力学与工程学报，2003，22（S0）：2457-2460.

［5］ 罗昭素，郭永恒，郎应虎，等. 空气欠平衡钻井技术在徐深21井的应用［J］. 石油钻采工艺，2006，28 （5）：16-18.

［6］ 杨虎，江勇，胡军，等. 牛102井欠平衡泡沫水平井钻井技术［J］. 石油学报，2002，23（1）：88-93 .

［7］ 祝效华，贾彦杰，童华. 气体钻井钻柱振动特性及控制措施［J］. 石油学报，2012，33 （2）：293-297.

［8］ 袁恩熙. 工程流体力学［M］. 北京：石油工业出版社，1986：67-68.

［9］ 燕山大学.钻井用井底负压发生器：中国，201210264775［P］. 2012-07-30.

Bottom hole negative pressure generator for drilling

LI Guoqing1, LI Zifeng2
（1. No.3Drilling Company of Daqing Oilfield Company Limited,Daqing163413,China;2. Petroleum Engineering Institute of Yanshan University,Qinhuangdao066004,China）

Pressure hold effect caused by drilling fluid pressure within the wellbore reduces greatly drilling speed during oil, gas,and geological drilling.This paper provides a bottom hole drilling fluid pressure vacuum generator based on the works of the jet pump, in order to reduce pressure hold effect for the conventional drilling using liquid mud as the circulating medium. The bottom hole negative pressure generator has three functions:the annulus is divided into two pressure zone of the upper annular space and the bottom annular space; the bottom annular space pressure below the upper annular space pressure, and drilling fluid flows from the bottom annular space to the upper annular space; drilling. This paper also introduces the structure and the use method of the negative pressure generator.

negative pressure; drilling; generator; jet; under balance

李国庆，李子丰.钻井用井底负压发生器 ［J］.石油钻采工艺，2013，35（4）：101-102.

TE921

：B

1000–7393（2013） 04–0101–02

李国庆，1959年生。1982年毕业于大庆石油学院钻井工程专业，现任总工程师。 E-mail：li4983678@163.com。

2013-02-24）

〔编辑 景 暖〕