1、簡易滿眼鉆具的設計王偉湖北雙環化工集團公司鹽廠(湖北應城432407摘要:以鹽井施工現場資料為基礎,分析了產生井斜的地質、技術和工藝方面的原因及井斜的危害,對滿眼鉆具的防斜原理、設計和安裝進行了論證和計算。實踐證明,該鉆具起到了控制井斜和提高鉆速的作用,并對同類地層的水井施工、工程勘察、工程地質勘察等有較廣泛的適用性。關鍵詞:井斜滿眼鉆具鹽井1前言在鹽井施工過程中,由于客觀地質因素的存在和技術、工藝及管理方面的原因,鹽井普遍存在著井斜問題,不僅造成人力、物力、財力的較大浪費,而且嚴重時甚至出現井眼報廢。目前,我礦區的開發速度很快,工程量很314氯化鈉含量鹵水中氯化鈉含量越高,溶解速度越慢,出鹵

2、井出飽和鹵水或過飽和鹵水,不但不能擴大溶腔,反而有堵塞裂隙的可能,發生這種情況,應趕快反壓井。315注入水量反壓井前注水井應有一定的注水量,注水量多少,可說明裂隙大小。為保證裂隙不會閉合,注水井方向的裂隙要有保證。雙井水溶水力壓裂各井情況都不會一樣,反應的數據也不完全相同,以上所例舉現象不可能反應在一對井中,在基本反應出以上情況的前提下,反壓時間越早越好,因裂隙越小,在相同的注水排量下溶解速度會越快。4提前反壓井應注意事項采用提前反壓井的井,其裂隙都很小,而溶解的鹵水飽和度又非常高,確實非常容易再結晶,造成裂隙堵塞或封閉裂隙,所以操作時要特別注意以下幾方面:第一,保持地層壓力,倒井時不能卸壓。

3、在擴槽期間,擴槽壓力的其中一部分是支撐裂隙上部地層的作用力,倒井時必須保持壓力不卸,否則壓開的地層就會閉合,使壓裂失敗。一定要遵循先關出鹵井閥門,后關注水井閥門,先開注水井閥門,后開出水井閥門的原則。第二,要有連續性。倒井反壓前要充分作好倒井準備工作,操作時停壓、倒井、開泵要一氣呵成,不能中斷,停壓時間在1小時以內,避免長時間停壓關井。第三,卸壓排鹵。倒井注水后,用淡水置換出裂隙中的鹵水,可取得加快擴槽連通的作用。卸壓前兩井壓力一定要平衡,慢開卸壓閥門,控制出水排量,保持地層的一定壓力,絕對不允許短時間把壓力降到零。第四,加大注水量,迅速溶解鹽層,是擴大裂隙的關鍵。淡水越多,在單位時間內溶解鹽

4、層越快,所以只要有條件應盡量加大注水量,即使出水含鹽濃度低,也沒有關系,待低壓連通后再控制排水量。(收稿日期:1998105125大。為了保證工程質量,加快開發進度,設計和推廣防斜打直技術是亟待解決的問題。2地層簡介井田內均為第四紀地層所覆蓋,主要為棕黃色、黃褐色、灰色粘土及亞粘土、粉砂巖組成。內夾數層流砂層、礫石層,一般厚度11m 153m,往東漸厚。其底部砂礫石層分布廣泛,厚度9116m42169m,有15層。單層厚0135m 20130m,為本井田內的主要含水層。第四系地層與下第三紀地層為不整合接觸。3現狀及井斜的危害我礦區鉆井的主要設備是TSJ-1000型水源鉆機、T BW850/50

5、泥漿泵,配用«73m m內平扣鉆桿和正階梯三翼刮刀鉆頭。以優質鈉化泥漿作沖洗液,正循環鉆進。由于地層的軟硬交替和各向異性,加上鉆具結構不合理、各參數的不良配合以及鉆探工片面地搶進尺,導致多次出現斷鉆具、卡鉆等孔內事故,甚至產生嚴重的孔斜。如我礦區井隊在1996年6月施工的某井,即因上述原因,出現嚴重井斜。結果三次下表層套管均遇阻。后經長時間的掃孔糾斜,才勉強下入。無論是從地質、鉆探,還是采礦的角度看,井斜的危害都是很大的。首先,對鉆井施工本身而言,井斜過大造成的困難是很多的。如鉆柱工作條件惡化,使用壽命減少,斷鉆頻繁,使鉆速降低等。其次,井斜過大,井深就不真實,使地質資料不準確,導致

6、得出錯誤的結論。有時使實際開采層與設計不符,可能影響采礦率,造成資源浪費。尤其是套管不居中,絲扣強度變低,固井時水泥環不均勻,使鹽井的服務年限大大縮短,將會導致資產、資源的驚人浪費。4井斜原因分析鉆井工作的實踐證明,造成井斜的主要原因是地質因素、技術因素及工藝因素。411地質因素影響鉆孔彎曲的地質因素主要是巖石的各向異性和軟硬互層。由于沉積年代不同和地殼的運動,各層、各向之間的物理、力學性質(硬度、塑性、孔隙度等均不同,鉆孔延伸一旦受到硬塊的阻礙,則形成促斜作用。在軟硬交替地層中,產生孔斜的原因主要是產生了作用于鉆頭的傾倒力矩,使鉆具在孔內偏倒。當鉆孔遇層角超過臨界值時,鉆孔就頂層進;低于臨界

7、值時,鉆孔則順層跑。412技術因素鉆井工程的技術因素主要包括設備安裝、鉆具結構、尺寸等。技術因素一般是可避免的。鉆具結構在鉆進過程中經常起主要作用。由于井隊只使用«219mm長612m的導向管,配«350mm刮刀鉆頭開孔,故下部鉆具在孔內有較大的偏倒角。E=sin-1bl=arcsin1316200=1121b其中:b孔壁間隙(mml粗徑鉆具長度(mmE偏倒角(度由于操作中經常啟下鉆、劃眼,以及鉆頭合金出刃大,鉆具不同心等原因,易使孔壁間隙增大,會使偏倒角E增加,從而使鉆孔彎強增大。同時,在加壓鉆井時,«219mm導向管上部的«73mm鉆桿,在超過二次彎

8、曲臨界鉆壓的軸壓下被壓彎,會導致鉆孔產生較大的彎曲。特別是在最低工作點的鉆桿,狀態非常惡劣,傾倒嚴重,對孔斜也有很大影響。415工藝因素影響孔斜的工藝因素是多方面的,主要有鉆進方法、鉆進規程參數和鉆柱在井下的工作狀態。在鉆進方法方面,各施工隊都有自己積累的經驗,而規程參數的控制則需要嚴格控制。如鉆壓過大,會導致鉆桿彎曲,使鉆頭緊靠井壁的一邊,此時井底鉆具有了固定的傾倒方向,使鉆孔彎曲。因此,鉆孔彎曲是受到地質、工藝、技術等各方面的影響因素有一定的關系;它們互相作用,有時減斜,有時又使孔斜加劇。但是,技術、工藝因素是可以控制的。5簡易滿眼鉆具的設計與論證防斜的根本任務是減小孔壁間隙,減弱鉆具偏倒

9、力,破壞其固定的偏倒方向,盡可能地限制工藝、技術方面的影響,并減弱地質因素的促斜作用。當然,在目前的技術條件下,要完全沒有孔斜是比較難的。但是經過人為的努力,把井斜控制在允許的范圍之內,這是切實可行的。滿眼鉆具一般由扶正器和鉆鋌組成,通常有三個扶正器,其外徑接近鉆頭直徑,鉆鋌較長,且剛度較大。由于本次設計時將«350mm多級開孔鉆頭增加到5片翼片,長徑比為111,有一定的導正防斜作用,故省略下扶正器,而僅用兩個扶正器配«127mm鉆桿的簡易結構。511扶正器的設計各種扶正器的作用,都是減小孔壁間隙,由于在粘土層中鉆進,需考慮足夠的支撐面積和過流斷面以及磨損等問題,故選擇滾筒

10、式扶正器可滿足上述要求。根據有關資料:間隙值在1158 4178mm為好。為此扶正器外徑為«345m m (含保徑合金。第四紀地層大多為粘土,易吸水溶脹,又易垮塌,這必然要求扶正器長度適中,不影響攜粉效果,也不增加摩擦阻力,設計中取250mm比較合適(見圖1。512扶正安裝位置的計算扶正器位置對其防斜效果起到決定性的作用。如安裝不當,則根本無防斜作用。51211上扶正器與鉆頭間的最小距離hm 的確定 確定hm一般用霍克公式和圖表法?，F場通常根據預先繪制的計算圖直接查出。見圖2所示。圖1扶正器圖2上扶正器與鉆頭的最小距離的計算圖51212上扶正器與鉆頭的最大距離hc的確定hc的值是在給

11、定鉆壓下,上扶正器與鉆頭的最大臨界距離。根據壓桿穩定理論,用歐拉公式計算推導后,得出:hc=1.44IP式中:I鉆柱的截面慣性矩;I=P64(d41-d42(cm4;P上扶正器以下鉆柱發生一次彎曲時的臨界鉆壓(kg;P=L1q式中:q鉆桿柱在泥漿中的重量(kg/cm;L121043EIq(cm;式中:E鋼的彈性模數2106106(kg/cm2。由以上公式和數據計算如下:I=P64(2839.82-915.06=94.47cm4P=2.0432.0610694.4710014.211.30.84710-2 =0.343(t=23.88(m51213上、中扶正器與鉆頭最合適距離hy 的確定根據理論

12、分析計算證明,當A在014 015之間時,可獲得最大的橫向減斜力。現場常用經驗公式計算:hy=0.48(hc+hm=0.48(23.88+16=19.4(m中扶正器的安裝位置:=7.65(m513簡易滿眼鉆具的總體結構在設計滿眼鉆具時,必須從間隙值、滿眼長度和扶正器安裝位置、粗徑鉆具的剛度及支撐情況入手,這樣才能充分發揮滿眼鉆具的防斜作用。我礦區井隊所用鉆具結構是:«350鉆頭+211510+«127鉆桿915 (m+511210+«345(扶正器+211210 +«73(鉆桿912(m+211210+«345 (扶正器+«73(鉆桿

13、,如圖3所示。需要說明的是:中扶正器的實際安裝位置偏上,這是受 «127mm鉆桿長度所限。«127mm鉆桿的一次臨界鉆壓遠大于總鉆壓,故在加壓鉆進時,鉆桿不會彎曲,中扶正器現在的安裝位置對滿眼鉆具的正常工作影響不大。圖3簡易滿眼鉆具結構示意圖11鉆頭21«127mm鉆桿3、51扶正器4、61«73mm鉆桿6使用情況扶正器滿眼鉆具自使用至今,已累計進尺400m,在使用的3口鹽井的表層鉆進中均獲得了成功。井斜全部合格,鉆速有所提高,取得了較好的經濟效益和社會效益。例如CÒ-17#鹽井,是我礦區二號采區的一口開發井,由礦區鉆井隊施工。按設計要求,表層套管需下入完整基巖中20 30m,井徑為«350mm,套管規格為«244.5 10.03mm。該井于1996年11月23日開鉆, 25日下午即完成第四系鉆進,