水力加压器简介
华北石油华藏科技开发有限公司
一、 概述
我公司生产的水力加压器是一种应用于钻井、修井等作业中的井下工具。它是一种能量转换装置，利用循环泵泵压为动力把液体压能转化为钻压的一项新型钻井技术，改变了常规钻井或其它作业是靠下部钻铤的重量施加钻压的方式，使钻头或下部部分钻具与钻柱中的其他部分柔性连接，将钻铤给予钻头或其它工具的刚性加压变为液力柔性加压，克服了刚性加压的种种弊端，从而达到高速度、高质量、低成本钻井的目的，是钻井技术的一次变革，对于推动钻井技术的发展有着重要的意义。
二、 特点
目前在石油钻井中，钻头需要的钻压是由钻头上部的钻铤重量提供的，这种传统的刚性加压方式存在许多不可避免的弊病，如送钻不均匀、跳钻、钻具弯曲、假钻压等等，这些弊病都严重影响着机械钻速、钻头及钻具的寿命，我公司水力加压器的成功问世使上述问题的解决成为现实。
水力加压器的特点主要表现在以下几方面：
1. 改变了钻头加压方式。把机械式加压改为液力加压为钻头提供稳定钻压，实现了柔性加压钻进。
2. 改变了钻压调节方法。水力加压器是通过改变水力因素调节钻压大小，可节省部分钻铤、减轻钻机负荷。
3. 减震效果实现了“质”的飞跃。在跳钻情况下，如果采用小钻压、低转速钻进，势必机械钻速很低；如果采用大钻压钻进，严重影响钻头寿命，钻柱也易发生疲劳破坏，为解决跳钻问题，人们设计了各种减震器，但现有的减震器是利用可压缩液体在压力作用下在缸筒内产生微量的压缩变形来吸收钻头和钻柱的振动能量实现减震的，减震效果有限，不能满足现场要求，而水力加压器是利用开泵循环时活塞上下端形成压降，该压降在活塞端面上形成推力，推动活塞下行，直到行程结束，从而最大限度的吸收钻柱振动和钻头冲击，实现了标本兼治，减震效果是所有类型的减震器所不能比拟的。
4. 增加了行程范围内自动送钻功能。在石油钻井中，钻头需要的钻压是由钻头上部的钻铤重量提供的，为了获得一个相对稳定的钻压，需要司钻操纵刹把一点一点连续送钻，工人劳动强度大也不易把握，钻压难以保持稳定，井眼质量也难以保证。水力加压器获得一个相对稳定的钻压不需要连续送钻，在行程范围内可自动送钻，操作简单，减轻了司钻的劳动强度，提高了井眼质量。
5. 防止跳钻、提高机械钻速功能卓著。在特殊地层如砾岩地层钻进，最易发生跳钻现象，影响机械钻速、钻头及钻具寿命和钻井质量，水力加压器使钻头或下部部分钻具与钻柱中的其他部分柔性连接，实现了柔性加压钻进，最大限度的吸收钻柱振动和钻头冲击，钻头连续切削防止跳钻现象的发生，稳定的钻压提高了机械钻速，有效的吸震防跳延长了钻头钻具寿命，从而降低钻井成本、保证了钻井质量，获得了较好的经济效益。
6. 提出了新的防斜打直工艺理论。为了解决井眼轨迹控制问题，人们用改变钻具结构的方法达到了目的，但都有一定的局限性。在防斜打直方面，一般采用高速吊打的方法，这种方法虽然有效，但是在牺牲机械钻速的情况下实现的，导向钻井系统虽然可靠，但比较复杂，耗费高。为了解决这一问题，人们采用了许多措施，如双心钻头、偏轴接头等，效果都不理想，造成上述问题的主要原因就是刚性加压不能解决钻压与钻柱弯曲、机械钻速两者之间的矛盾，而水力加压器把钻铤的刚性加压改为液力加压，能够提供足够的、稳定的可控的钻压，有效的改善了钻压与钻柱刚性、机械钻速两者之间的关系，改善了钻具受力状态，降低了中和点高度，提高了切点位置，减小了钻具弯曲和钻头倾角，提高钻具的稳定性，在大钻压和保持高机械钻速的情况下，有利于防斜、稳斜、降斜，保证良好的井眼质量。
7. 避免小井眼假钻压、钻具弯曲现象的发生，克服大斜度井、水平井受到钻具重力分力、浮力和摩擦阻力的影响，获得稳定的钻压。
8. 入井使用时不需要特殊操作和特殊工具，使用操作十分简便，其独特的密封设计使密封更有效、寿命更长。
9. 单位压降推力大，钻压调节范围广，充分满足了我国低泵压的工作要求。
10. 能延长钻头、钻具和地面设备使用寿命，降低钻井成本，减少井下事故的发生。钻头平均寿命提高1倍以上，钻进每米可降低成本几百元以上。
三、 用途
水力加压器适用于石油钻井、修井、打捞、取芯等作业，具体可在以下几方面应用：
1. 在常规转盘钻井作业中可直接接在钻头上，以给钻头提供稳定钻压，达到保护钻头和钻具、加快钻井速度的目的。
2. 在易跳钻的较坚硬地层或非均质地层，使用水力加压器可最大限度的吸收轴向与横向冲击振动，起到极好的“减震器”作用，其效果是减振器不能比拟的。
3. 使用井下动力钻具钻井时，可将水力加压器接在动力钻具之上，能起到加压平稳，防跳防震的作用，保证正常钻进及有效地保护井下动力钻具。
4. 取芯钻进时，可将水力加压器接在取芯筒上，以使取芯钻
头获得恒定的钻压，取芯工具工作更平稳，从而有助于提高取
芯收获率。
5. 在定向井、水平井使用水力加压器，可以克服由于钻具摩阻作用而致使加不上钻压或加压不准的弊病，使在斜井段或水平井段钻进的钻头获得稳定、足够的钻压，从而加快定向井、水平井的钻井速度。
6. 在小井眼钻井时，使用水力加压器可以克服由于小钻具弯曲造成的摩擦阻力，导致出现的假钻压现象，使小钻头的加压准确而稳定，不但有利于加快钻速，而且还可大大减少钻头和钻具疲劳事故发生。
7. 在井眼质量要求较严的地区，使用水力加压器，配以合理的钻具组合和方法，可以起到更好的防斜、稳斜、降斜的效果，从而达到高速度、高质量、低成本钻井的目的。
8. 在处理诸如打捞钻具等井下事故时，使用水力加压器有利于造扣、对扣、切割、磨铣等作业，有助于及早解除事故。
9. 在修井作业、断铣作业、开窗侧钻作业中，使用水力加压器同样可起到诸如钻井作业中的加压、防跳、减震等，提高钻井效果，延长工具寿命。
10. 在钻铤不足或由于钻机负荷需减少钻铤时使用水力加压器，可节省部分钻铤，减轻钻机负荷。
四、 结构
水力加压器主要由缸体、活塞、芯轴等部分组成，缸体用于连接钻具并传递扭矩、活塞在缸体内滑动、密封并传递压力，芯轴上下分别和活塞、钻头相连，将液压力传给钻头。（见图一）
五、 工作原理
水力加压器的工作原理是：工作时，开泵循环泥浆，工具内形成压降，该压降作用在活塞端面上，形成推力，推动活塞下行，直到行程结束为止，该推力就是钻头需要的钻压。当钻完一个行程后，指重表悬重增加，泵压显示下降，下放钻柱送钻，开始第二个行程。
上接头
二级活塞
缸筒
三级活塞
一级活塞
图一
图一
六、 应用前景
使用水力加压器钻井把机械加压改为液力加压，是钻井技术的一项变革，具有较高的技术效益、经济效益和社会效益。
从水力加压器的技术特点、作用特点和应用范围中可以看出：
1、 把钻铤加压改为液力加压，能最大限度的吸收冲击震动，加压平稳、减震效果好，为提高机械钻速奠定了基础。
2、 有效的改善了钻压与钻速匹配关系，扩大了匹配范围，可在大钻压和高转速下钻进，提高了机械钻速。
3、 克服了冲击振动产生的高峰荷载，延长了钻柱、钻头等寿命，减少了起下钻次数，提高了行程机械钻速。
4、 改善钻具受力状态，降低中和点高度，钻具稳定和导向性好，在大钻压、高转速下工作仍具有吊打功效，有一定的防斜打直作用。
5、 可以克服深井、大斜度井、水平井和小井眼中假钻压影响，实现钻压稳定可控，使操作得心应手。
6、 操作简单，在行程范围内可实现自动送钻。
7、 起钻时，一旦钻头遇卡可作下击器解卡，避免事态恶化。
8、 用于取芯可保证取芯质量和回收率。
9、 可以减小钻具刺漏、断钻具等井下事故的发生和处理费用。
总之，水力加压器的用途是广泛的，好处是多方面的，使用水力加压器钻井，投入少、见效快、回报高、直接给用户带来效益，在提高机械转速、缩短钻井周期、降低钻井成本等方面，具有现实的经济意义和深远的技术意义，随着人们对水力加压器这种软加压钻井技术认识的逐步加深和水力加压器的不断改进完善，对于推动我国钻井技术的发展起到积极的作用。
七、 实例
我公司生产的9＂、8＂、6 1／4＂等尺寸的水力加压器，分别在华北 、新疆、长庆的不同地区的数十口井使用，收到了明显的技术经济效益，深受用户的欢迎。现将部分井的使用情况列举如下：
1. 赵68井是华北南部地区的一口重点探井，该区块地层倾角大（约40°左右），岩石可钻性差，钻进时跳钻严重，斜很难控制，机械钻速普遍较低。该井二开121／4＂钻头钻到井深2450米时，单点测斜为5.17°，后采用吊打降斜的措施，到2730米井斜降到4.5°，又吊打到2826.75米起出钻头，发现因跳钻严重钻头断齿较多。为防跳防斜下入9＂水力加压器，该装置共配合3只121／4＂H517钻头连续入井3次，使用井段为2826.75～3272.30米沙二十三地层，累计入井时间530小时，纯钻326.7小时，进尺445.55米，平均机械钻速1.36米／小时，钻压150～200KN, 转速55～60Rpm ，泵压12～14Mpa，排量32～38 l/s。该井使用水力加压器后见到如下效果：（1）在前面钻头大量断齿未打捞的情况下，仍延长了钻头使用寿命，钻头明显好于前部井段使用的钻头；（2）钻进时平稳，无跳钻现象；（3）机械钻速比同井上段使用的2只钻头提高20.9％；（4）有明显的降斜、稳斜效果。使用井段的井斜降为1°左右，单点测斜3114m×1°,3260m×1°。
2. 吐孜1井吉迪克组上部地层的兰灰色泥岩，岩性致密坚硬，可钻性差，钻进时跳钻极为严重特别是用171／2＂P2大钻头打钻时，无论如何调整参数，仍跳的大绳相互碰撞，且此地区地层倾角大，极易井斜，通常采用钟摆钻具结构，小钻压的方式，以牺牲机械钻速来保井深质量。在此情况下入8＂水力加压器不但有效地避免了跳钻现象、加快了钻井速度，而且还保证了井身质量，起到了较好的防跳、防斜、加快钻速的作用。使用井段为786.51～1053.55米吉迪克组地层，入井时间138小时，纯钻81.19小时，进尺267.01米，平均机械钻速3.28米／小时，钻压140～180KN, 转速95Rpm ，泵压14Mpa，排量45 l/s，机械钻速比同井上段提高25％，且起出钻头新度60％，而同井上段起出钻头新度30％。
3. 苏50井三开81／2＂钻头钻到3861.08米中生界地层，岩性为长石、石英为主的砂岩夹泥浆岩、砾岩，坚硬、致密、可钻性差，易跳钻，为加快钻速、防震、防跳下入6 1／4＂水力加压器，配合使用一只81／2＂HA517钻头，钻到井深4052.09米起出，纯钻94.25小时，进尺178.01米，平均机械钻速1.89米／小时，钻压150KN, 转速60Rpm ，泵压16～17Mpa，排量29 l/s，起出钻头牙齿、轴承都较好，明显强于上部井段使用的同型号钻头，机械钻速比邻井苏49井同井段提高了85％。苏49井从井段3827.42～4082.66米用2只HA517钻头和2只HA537钻头，累计使用4只钻头、纯钻251.39小时、进尺225.63米，平均机械钻速1.02米／小时，钻压120～150KN, 转速60Rpm ，泵压16～17Mpa，排量29 l/s。该井使用水力加压器后，综合分析见到如下效果：（1） 提高了机械钻速、延长了钻头寿命；（2）有较好的防跳、吸震作用；（3）实现了一定行程内的自动送钻，减轻了司钻的劳动强度；（4）产生的推力完全能够满足81／2＂钻头的加压要求；（5）该装置使用简单无需特殊操作和特殊工具，完全能够承受深井高温高压，性能稳定密封可靠。
4. 赵57-91井应用6 1／4＂水力加压器配合81／2＂钻头在2495-2720米井段使用，进尺225米，钻时99小时，平均机械钻速2.3米／小时，在钻压8-11吨时防斜稳斜效果好，有效的提高了机械钻速。
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