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钻杆内滤液器结构及应用技术研究

2021-02-01谭晓江

中国设备工程 2021年1期
关键词:孔眼滤清器滤器

谭晓江

(渤海钻探管具技术分公司,河北 廊坊 065007)

1 研究背景

钻进中频发钻杆母接头端区带本体剌穿孔现象,直接造成钻杆报废,还因后续检查、起钻、找漏点等协调作业引出更多损失,所带来的负面影响将这一难点问题推至研究领域。研究因素中,有钻杆内长期使用滤清器,对内涂层造成剥离、脱落、开裂等;直喷水力射流对本体有切割、冲蚀效应;加剧内裂纹增大,最终剌穿(见图1)。

图1 母接头端区带剌穿孔

图2 各类型钻杆滤清器

2 钻杆内滤清器发挥什么作用

钻杆内滤清器就是把控关键通道口,确保钻井液中杂物被清除,有效提升井下仪器的运转效率,消除损失;消除因仪器失效带给人员的劳累;确保井下仪器正常发挥钻穿目标地层。然而,使用滤清器对钻杆形成某些损伤破坏,在保证钻井液清洁度、有效提升作业时效的同时,也对钻杆的性能产生了影响。

例如,图1 中例举的剌穿孔现象,不仅破坏了钻杆,还因要保证井下正常会产生一系列的起下钻、检查等作业,引出了多项经济成本。所以,解决了钻井液的清洁问题,又产生了钻杆被剌穿孔的破坏性难题,“鱼和熊掌可否兼得”,将这一难点推向对滤清器结构形体和应用技术的研究中。

图3 导滤器与钻杆母接头内径对应配合状态

3 滤清器的发展进程

回顾应用滤清器,可追溯到从清除泥浆中大量非益性成分所需而被采用,当下能够想出在钻杆内加装过滤器,也算是一种领先思维。在其后发展中,又被广泛应用到高压喷射钻进,钻头喷嘴直径偏小,泵压由14 ~28MPa,原意要利用高压水力喷射加快破岩进程,而如此高的泵压对钻杆抗内压性能产生影响。

钻杆在井下的受力十分复杂,深井中的悬重与抗内压所形成的载荷集中于钻杆横截面,复杂的拉扭应力形成横截面受力不均,如在钻杆内壁周上出现溥弱点或微裂纹则产生集中应力,长期的高内压及应力集中加剧微裂纹扩张,尤其突发性水眼堵塞,瞬间峰值高出几倍,加快裂纹扩张、剌穿,以求降低内压。

为解决杂物堵塞水眼后造成泵压升高而被迫起钻问题,采取减少排量来降低泵压的方法维持钻进,原意要利用大排量、高泵压产生破岩效应,却因堵水眼后而失去预期平衡,更恶劣的还会因排量不足形成岩屑及沉砂卡钻。因此,随钻井工艺技术提升,对钻井液要求更多,以限制滤清器的网眼孔径小于钻头水眼尺寸为研究方向,形成滤清器结构形体的多样化。

在部分MWD 定向仪器中,要求钻井液中杂物小于4mm,而在滤清器上,这些小孔眼本身就会形成一种水力喷射,对钻杆内壁产生冲刷切割。于是,有人研究降低喷射效应的滤清器,形成多种结构。例如,不锈钢材质,加长尺寸,槽式孔眼,蜂蜗状布局,丝网隔离,伸缩类等滤清器(见图2),并通过专业制造形成精美产品。

上述传统结构滤清器受材料和制造工艺限制,所呈现的功能、性能都与现代产品无法对比,但却筑成了新中国钻井技术的发展史。如今“中国制造”很强,大批社会企业拥有制造能力,针对滤清器制造已不是什么技术性难题,缺少的只是对滤清器结构的技术研究与应用发挥。

4 研究新型结构滤清器

从图2 看出,所述滤清器结构均以在圆管壁周上开凿孔眼的形式形成定型产品,即钻井液流经小孔眼直喷钻杆内壁,对内涂层实施冲刷。冲刷效应对钻杆性能有较重影响,直接削弱寿命,而保护钻杆的主要用意又凸显在让井筒顺畅,能大幅提高钻进时效,能更多消除不利损失。

所以,针对如何使用、安装滤清器方面的课题研究人们做过突破,跳出在钻杆内安装滤清器的框架,例如,在立管中加装立管过滤器,在方钻杆上加装方钻杆加长保护接头,均收到很好的清洁过滤和保护钻杆的效应。但在另一些设备中,却不能安装这类产品,例如,顶驱类钻井设备就无法使用方钻杆加长保护接头,这种情形下,如何做到有效保护钻杆与清除钻井液中杂物呢?研究新型结构滤液器成为焦点。

原有钻杆滤清器明显存在过流截面收窄结构,液流通过收窄横截面会产生升压,不仅消耗压力能,更会产生冲蚀,在钻杆螺纹配接空间内会形成高压和涡漩效应,当螺纹旋合扭矩不足时,就容易产生“剌扣”。

通过研究流体运动规律和钻杆内滤清器作用原理、安装方式,构思形成一种新型结构产品,以导流为主要理论,能降低压力消耗,消除直喷射流,消除对钻杆内涂层冲刷效应,提升产品形体美感,减轻重量的新型钻杆内导流型滤液器——导滤器结构产品,具体内容如下。

(1)以近同于钻杆母接头内通径的方式形成导滤器过流通道(图3 左),让流体经过时不产生压耗,不对导滤器本身形成冲刷,其流道以流线形体为主,改善螺纹配接空间内的聚能性升压及涡漩现象。

(2)以消除对钻杆内涂层冲刷为主流方向的导流型保护管结构形体研究,将导流保护管沿母接头通径延伸至一定长度,让流经过滤网孔眼的喷射流不直喷内壁,进一步将液流锁固形成导流效应(图3 右)。

图4 导滤器隔离管/板网结构

图5 隔离管/板网与导流保护管配合结构

(3)以增大长度来满足当量过流面积,生成新型隔离管网(左)/隔离板网(右)结构(见图4),并形成新的滤液效应和研究理论,通过内部的隔离管/板网与外部的导流保护管形成配合关系(见图5),产生整体导流效应,锁固液流沿钻杆水眼呈原流型状态。依此理论进一步研究隔离管/板网的性能和结构,推选较溥、抗冲击力强的材料、结构,以增大过流通道截面,有效减少流经过滤孔眼的压耗,形成研究核心内容。

(4)提升产品性价比,增加互换性,外部导流保护管不仅通用,还能针对不同隔离管/板网实现共享,内部的隔离管/板网也能按用户所需选择孔眼,实现配装,赋予产品简易拆装和可供操作的更多功能,满足能够对损坏部件的替换,提升产品开发价值。

(5)提升清除杂物的简洁性,形成一目了然视觉效应(图5),让取出与装入隔离管/板网更简单、顺畅,被隔离杂物能集中聚结成团,不易被卡或卡后清除容易。

(6)研究隔离管网形体与导流保护管间的装配关系,形成多种结构隔离管网产品,满足用户需求,拓展对产品制造的范围及能力,增加产品开发的可实现性(见图6)。

图6 多种结构形体隔离管网

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