專利名稱：利用往復式鉆井泵輸送高含氣鉆井液的方法
技術領域：
本發明涉及利用往復式鉆井泵輸送高含氣鉆井液的方法，屬于使用微泡沫鉆井液、泡沫鉆井液和充氣鉆井液的鉆井作業技術方法，主要應用于石油、天然氣開采行業及煤層氣開采行業中。
背景技術：
含氣鉆井液(微泡沫鉆井液、泡沫鉆井液和充氣鉆井液)鉆井是實現欠平衡鉆井的方法之一，其主要優點是在負壓狀態下鉆井，能保護油氣層不受污染；含氣鉆井液粘度和切應力高，攜巖和清洗井底能力強；鉆頭壽命長、機械鉆速快；具有防漏和消除漏失的能力等。由于含氣鉆井液鉆井具有上述諸多獨特優點，故近年來在國內外正在越來越多地被油氣鉆井行業所采用。
在含氣鉆井液鉆井過程中，如果采用往復泵給含氣鉆井液增壓，存在泵效低的問題。目前實現含氣鉆井液鉆井常規的方法是分別采用低壓空氣壓縮機和高壓空氣壓縮機串聯工作，使含氣鉆井液體達到鉆井所需壓力，而不采用往復泵。由于高壓空氣壓縮機價格昂貴(進口一臺價格為35～50萬美元，國產一臺為300萬元人民幣左右)，維護費用高且維修技術復雜，造成含氣鉆井液鉆井成本提高。同時，在深井充氣液鉆井中，還存在高壓空氣壓縮機壓力不夠等問題。因此，此項技術的應用和推廣受到一定的限制。
發明內容
本發明的目的在于提供利用往復式鉆井泵輸送高含氣鉆井液的方法，該方法利用井場必配的往復式鉆井泵，通過對泵結構的改進，提高泵在輸送含氣鉆井液時的泵效率，實現高效泵送含氣鉆井液完成鉆井作業，以及在此基礎上輔以價格相對低廉的低壓空氣壓縮機(P＜2.4MPa)，實現高壓和超高壓鉆井作業。
本發明采用的技術方案是1.本發明首先進行往復式鉆井泵的結構改進，以提高往復泵在輸送含氣鉆井液時的效率。通過對往復泵泵送含氣液體時的泵效進行理論研究和實驗分析，結果表明在鉆井過程中，由于鉆井泵存在缸內余隙容積，排出過程結束后，部分含氣鉆井液仍殘留在缸內余隙中，不能排出。當下一循環的吸入過程開始后，殘留在余隙內的高壓含氣鉆井液體積隨之膨脹、壓力隨之降低，直到缸內壓力低于吸入管線的壓力，低壓含氣鉆井液才能進入缸內。因此使每個吸入過程的實際吸入含氣鉆井液減少。若將余隙容積(Vc)與缸內有效容積(Vh＝活塞行程×活塞面積)的比例稱為相對余隙容積(α＝Vc/Vh)，顯然相對余隙容積越大，則每個吸入過程實際吸入的含氣鉆井液就越少，排出也越少，極端情況是，若空壓機排出壓力較低，泵缸余隙容積較大，則吸入缸內的含氣鉆井液在排出過程結束后壓力仍不足以頂開排出閥，缸內含氣鉆井液將全部被壓縮到泵缸余隙內，泵的排量為零。
綜上所述，要利用往復式鉆井泵高效輸送含氣鉆井液鉆井，有兩個問題需要注意一是含氣鉆井液的質量數(V氣/V泡，即含氣鉆井液中的氣體容積與含氣鉆井液總容積之比)不能太大，否則經過鉆井泵后升壓非常有限，不能滿足壓力要求；二是必須減小鉆井泵的余隙比，否則會造成含氣鉆井液排量太小(或泵效低)，甚至為零。由于含氣鉆井液的質量數由鉆井工藝確定，不易調整，因此采用對往復式鉆井泵的結構進行改造的方法，以提高泵效。為了提高往復泵的效率，可以采用以下兩種方法具體實施1)選用盡可能大的缸套，以增大泵的工作容積。
2)采用填塊技術減少余隙容積。
2.利用改造后的往復式鉆井泵高效泵送含氣鉆井液進行鉆井作業
1)當采用微泡沫鉆井時，直接用改造后的往復式鉆井泵，配套灌注泵實現本方法。其工作過程如下微泡沫鉆井液經灌注泵注入改造后的往復式鉆井泵，壓縮后通過排出管線進入井筒內，從而實現高效泵送微泡沫鉆井液的目的。對于給定含氣量的微泡沫鉆井液，其泵送效率有相應計算程序可以確定。在保證往復泵正常吸入和具有正常泵效的前提下，微泡沫鉆井液的含氣量可提高到50％～60％(目前最大只能達到30％)。
2)當井深較大，鉆井要求壓力高于低壓壓氣機排出壓力時，低壓空壓機產生的壓力不能滿足要求，可利用低壓空氣壓縮機(0.8～2.4MPa)和改造后的往復式鉆井泵的串聯使用，實現高壓泡沫鉆井(壓力可達6～15MPa)。其工作過程如下低壓空壓機將空氣升壓后通過單向閥排到泡沫發生器前，與通過基液泵排出的泡沫基液一起進入泡沫發生器混合發泡(這時的泡沫壓力為低壓壓縮機的出口壓力，尚未達到鉆井所需壓力)，然后泡沫通過改造后的往復式鉆井泵吸入管線進入吸入閥下。在壓差作用下吸入閥開啟，泡沫進入缸內，直至吸入過程結束。當改造后的往復式鉆井泵進行壓縮時，吸入閥和排出閥均關閉，缸內容積逐漸減小，缸內泡沫中的氣相部分受擠壓體積減小，泡沫壓力升高。當壓力升高到鉆井要求壓力時，排出閥開啟，高壓泡沫被排出泵外，通過排出管線進入井筒內，從而實現利用往復泵達到高壓泡沫鉆井的目的。
3)當深井(5000m以上)、長井段(大位移井)、小井眼等情況，會使含氣鉆井液的注入壓力大于高壓空氣壓縮機的額定壓力，高壓空壓機產生的壓力仍不能滿足要求，本發明采用高壓空氣壓縮機系統與改進后的往復式鉆井泵串聯的方式滿足壓力要求，或輔以并聯方式滿足排量要求；或直接采用多臺改造后的往復式鉆井泵串、并聯的方式，并配備相應的低壓空壓機，基液泵，混合器(或發泡器)，以達到實現含氣鉆井液超高壓注入的目的。
當工藝要求采用超高壓泡沫鉆井時，其工作過程如下低壓空氣壓縮機、高壓空氣壓縮機(改造后的往復式鉆井泵)將空氣升壓后通過單向閥，與通過基液泵排出的泡沫基液一起進入泡沫發生器混合發泡(這時的泡沫壓力為高壓壓縮機(改造后的往復式鉆井泵)的出口壓力，尚未達到鉆井所需壓力)，然后泡沫通過改造后的往復式鉆井泵吸入管線進入吸入閥下。在壓差作用下吸入閥開啟，泡沫進入缸內，直至吸入過程結束。當改造后的往復式鉆井泵進行壓縮時，吸入閥和排出閥均關閉，缸內容積逐漸減小，缸內泡沫中的氣相部分受擠壓體積減小，泡沫壓力升高。當壓力升高到鉆井要求壓力時，排出閥開啟，超高壓泡沫被排出泵外，通過排出管線進入井筒內，從而實現利用往復泵達到超高壓泡沫鉆井的目的。
當工藝要求采用充氣液超高壓鉆井時，其工作過程如下低壓空氣壓縮機、高壓空氣壓縮機(改造后的往復式鉆井泵)將空氣升壓后通過單向閥，與通過往復泵排出的充氣液一起進入混合器混合(這時的充氣液壓力為高壓壓縮機(改造后的往復式鉆井泵)的出口壓力，尚未達到鉆井所需壓力)，然后充氣液通過改造后的往復式鉆井泵吸入管線進入吸入閥下。在壓差作用下吸入閥開啟，充氣液進入缸內，直至吸入過程結束。當改造后的往復式鉆井泵進行壓縮時，吸入閥和排出閥均關閉，缸內容積逐漸減小，缸內充氣液中的氣相部分受擠壓體積減小，充氣液壓力升高。當壓力升高到鉆井要求壓力時，排出閥開啟，超高壓充氣液被排出泵外，通過排出管線進入井筒內，從而實現利用往復泵達到超高壓充氣液鉆井的目的。
綜上所述，本發明利用往復式鉆井泵輸送高含氣鉆井液的方法，其特征在于，該方法依次包含以下步驟(1)通過選用盡可能大的缸套以增大泵的工作容積或采用填塊技術以減少余隙容積來改造井場必配的往復式鉆井泵，以實現高效泵送含氣鉆井液；(2)使用改造后的往復式泵高效泵送微泡沫鉆井液實現鉆井作業，或與現場設備進行串并聯組合，實現高壓和超高壓鉆井作業。
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果(1)通過對現場配備的往復泵的改造，實現了高效輸送含氣鉆井液，完成鉆井作業，方法簡單、可靠；(2)在微泡沫鉆井和含氣液高壓鉆井工藝中，去掉了常規鉆井工藝所需的高壓空氣壓縮機，而僅用低壓空氣壓縮機(排氣壓力在0.8～2.4MPa)，從而大大降低了設備費用，即降低了使用微泡沫鉆井和含氣液高壓鉆井的成本；(3)在含氣鉆井液超高壓鉆井時，解決了高壓壓縮機壓力不足的問題，方法簡單、易行，能滿足含氣鉆井液超高壓鉆井的要求。
圖1往復泵工作原理示意2不同缸徑時的泵效與排出壓力間的關系曲線3減少往復泵余隙容積的示意4余隙容積對泵效的影響圖5不同余隙時的泵效與排出壓力間的關系曲線6高效泵送微泡沫鉆井液的方法圖7利用低壓空壓機實現高壓泡沫鉆井的方法圖8利用利用改造后的往復泵和高壓空壓機串聯實現超高壓注入泡沫的方法圖9利用利用改造后的往復泵串聯實現超高壓注入泡沫的方法圖10利用利用改造后的往復泵和高壓空壓機串聯實現充氣液超高壓往入的方法圖11利用利用改造后的往復泵串聯實現充氣液超高壓往入的方法圖中1--排出閥、2--泵缸余隙、3--吸入閥、4--減小余隙的填塊、5--SL3NB-1300泵余隙容積為3升時排出壓力與容積效率間關系曲線、6--SL3NB-1300泵余隙容積為7.3升時排出壓力與容積效率間關系曲線、7--微泡沫鉆井液、8--灌注泵、9--改造后的往復泵、10--井眼、11--低壓空壓機、12--泡沫基液、13--基液泵、14--泡沫發生器、15--高壓空壓機、16--充氣液、17--混合器、18--往復泵
具體實施例方式
1.往復式鉆井泵的結構改造的實施根據理論計算，為了提高往復泵的效率，可以采用以下兩種方法具體實施1)選用盡可能大的缸套，以增大泵的工作容積。
實施例以一臺SL3NB-1300三缸單作用泵為例。該泵的工作原理如圖1所示，泵的設計缸徑有110mm、130mm、150mm、170mm、190mm五種規格，泵進口壓力為0.8MPa，泡沫壓縮過程視為等溫過程。計算出不同缸徑時的泵效與排出壓力間的關系曲線如圖2所示。由圖2可見，缸徑越大，泵效越高。
2)采用填塊技術減少余隙容積。
例如如圖1、3所示，根據泵的具體結構設計減少余隙容積2的填塊4，經改造后的鉆井泵應不影響排出閥1、吸入閥3的正常運動以及鉆井液在液力端的正常流動，以保證鉆井泵的正常運行。對3NB0-1300型往復泵，缸套直徑110mm，泵送輸入壓力0.9MPa，泡沫流體質量數為0.85時。按圖3所示方法進行改造，余隙容積由原設計的7.3升若減少至2升以下，改造后的泵效變化如圖4所示。
實施例以一臺SL3NB-1300三缸單作用泵為例。該泵的設計余隙容積2為7.3升，分別調整為7.3升，5.3升3.3升，泵進口壓力為0.8MPa，泵的缸徑為110mm，泡沫壓縮過程視為等溫過程。計算出不同余隙時的泵效與排出壓力間的關系曲線如圖5所示。由圖5可見，余隙容積2越小，泵效越高。
2.利用改造后的往復式鉆井泵高效泵送含氣鉆井液進行鉆井作業實施例1高效泵送微泡沫鉆井液進行鉆井作業。
當采用微泡沫鉆井時，直接用改造后的往復式鉆井泵，配套灌注泵實現本方法。圖6為本方法實現微泡沫鉆井液鉆井的流程圖。其工作過程如下微泡沫鉆井液7經灌注泵8注入改造后的往復式鉆井泵9，壓縮后通過排出管線進入井眼10內，從而實現高效泵送微泡沫鉆井液的目的。對于給定含氣量的微泡沫鉆井液，其泵送效率有相應計算程序可以確定。
實施例2利用低壓空壓機和改造后的往復式鉆井泵串聯，實現高壓泡沫鉆井。
如圖7所示，選用改造后的往復式鉆井泵9，配套低壓基液泵13和低壓空壓機11(有0.8MPa，1.2MPa，1.8MPa，2.4MPa四種可能)實現本方法。
其工作過程如下低壓空壓機11將空氣升壓后通過單向閥排到泡沫發生器14前，與通過基液泵13排出的泡沫基液12一起進入泡沫發生器14混合發泡，然后泡沫通過改造后的往復式鉆井泵9，壓縮后通過排出管線進入井眼10內，從而實現利用往復泵達到高壓泡沫鉆井的目的。對于給定的低壓空壓機壓力，泡沫的氣液比，往復泵最終可增壓的最大壓力有相應的計算程序進行設計。
實施例3利用改造后的往復泵實現含氣鉆井液超高壓注入進行鉆井作業。
圖8為本方法利用改造后的往復泵和高壓空壓機串聯實現超高壓泡沫鉆井的流程圖。其工作過程如下低壓空氣壓縮機11、高壓空氣壓縮機15將空氣升壓后，與通過基液泵13排出的泡沫基液12一起進入泡沫發生器14混合發泡，然后泡沫通過改造后的往復式鉆井泵9，壓縮后通過排出管線進入井眼10內，從而實現利用改造后的往復泵和高壓空壓機串聯達到超高壓泡沫鉆井的目的。對于給定的低、高壓空壓機壓力，泡沫的氣液比，往復泵最終可增壓的超高壓力，有相應的計算程序進行設計，以指導設備系統的配套。
圖9為本方法利用改造后的往復泵串聯實現超高壓泡沫鉆井的流程圖。其工作過程如下低壓空氣壓縮機11和改造后的往復式鉆井泵9串聯，將空氣升壓后，與通過基液泵13排出的泡沫基液12一起進入泡沫發生器14混合發泡，然后泡沫通過改造后的往復式鉆井泵9，壓縮后通過排出管線進入井眼10內，從而實現利用改造后的往復泵串聯達到超高壓泡沫鉆井的目的。對于給定的低、高壓空壓機壓力，泡沫的氣液比，往復泵最終可增壓的超高壓力，有相應的計算程序進行設計，以指導設備系統的配套。
圖10為本方法利用改造后的往復泵和高壓空壓機串聯實現充氣液超高壓注入的流程圖。其工作過程如下低壓空氣壓縮機11、高壓空氣壓縮機15將空氣升壓后通過單向閥，與通過往復泵18排出的充氣液16一起進入混合器17混合，然后充氣液通過改造后的往復式鉆井泵9，壓縮后通過排出管線進入井眼10內，從而實現利用改造后的往復泵和高壓空壓機串聯達到超高壓充氣液鉆井的目的。對于給定的低、高壓空壓機壓力，充氣液的氣液比，往復泵最終可增壓的超高壓力，有相應的計算程序進行設計，以指導設備系統的配套。
圖11為本方法利用改造后的往復泵串聯實現充氣液超高壓注入的流程圖。其工作過程如下低壓空氣壓縮機11和改造后的往復式鉆井泵9串聯，將空氣升壓后通過單向閥，與通過往復泵18排出的充氣液16一起進入混合器17混合，然后充氣液通過改造后的往復式鉆井泵9，壓縮后通過排出管線進入井眼10內，從而實現利用改造后的往復泵串聯達到超高壓充氣液鉆井的目的。對于給定的低、高壓空壓機壓力，充氣液的氣液比，往復泵最終可增壓的超高壓力，有相應的計算程序進行設計，以指導設備系統的配套。
權利要求
1.利用往復式鉆井泵輸送高含氣鉆井液的方法，其特征在于，該方法依次包含以下步驟(1)通過選用盡可能大的缸套以增大泵的工作容積或采用填塊技術以減少余隙容積來改造井場必配的往復式鉆井泵，以實現高效泵送含氣鉆井液；(2)使用改造后的往復式泵高效泵送微泡沫鉆井液實現鉆井作業，或與現場設備進行串并聯組合，實現高壓和超高壓鉆井作業。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，利用改造后的往復泵和低壓空壓機串聯實現高壓泡沫鉆井。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，利用改造后的往復泵和高壓空壓機串、并聯使用，實現含氣鉆井液的超高壓鉆井。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，利用改造后的往復泵串、并聯使用，實現含氣鉆井液的超高壓鉆井。
全文摘要
本發明涉及利用往復式鉆井泵輸送高含氣鉆井液的方法，該方法依次包含以下步驟(1)通過選用盡可能大的缸套以增大泵的工作容積或采用填塊技術以減少余隙容積來改造井場必配的往復式鉆井泵，以實現高效泵送含氣鉆井液；(2)使用改造后的往復式泵高效泵送微泡沫鉆井液實現鉆井作業，或與現場設備進行串并聯組合，實現高壓和超高壓鉆井作業。本發明通過對現場配備的往復泵的改造，實現了高效輸送含氣鉆井液完成鉆井作業，方法簡單、可靠；在微泡沫鉆井和含氣液高壓鉆井工藝中，節約了使用微泡沫鉆井和含氣液高壓鉆井的成本；在含氣鉆井液超高壓鉆井時，解決了高壓壓縮機壓力不足的問題，能滿足含氣鉆井液超高壓鉆井的要求。
文檔編號E21B21/14GK1654780SQ200510020448
公開日2005年8月17日 申請日期2005年2月28日 優先權日2005年2月28日
發明者孟英峰, 梁紅, 吳仁榮, 陳剛, 李永杰, 練章華, 李又綠, 李曉萍 申請人:西南石油學院