螺桿鉆具在深井快速鉆進中的應用

于衛(wèi)東,殷鳳玲,孫 偉,曾曉紅

(1.德州聯(lián)合石油機械有限公司,山東德州253034;2.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司,蘭州730050)

螺桿鉆具在深井快速鉆進中的應用

于衛(wèi)東1,殷鳳玲1,孫 偉1,曾曉紅2

(1.德州聯(lián)合石油機械有限公司,山東德州253034;2.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司,蘭州730050)

針對我國中西部地區(qū)鉆井深度在5 000 m以上深井逐漸增多、地層復雜、地層溫度高的情況,螺桿鉆具在深井中實現(xiàn)快速鉆進已成為近年來的一個重要課題。從深井螺桿鉆具的選擇、正確使用和推廣新結(jié)構(gòu)螺桿鉆具3方面進行了分析,旨在能夠?qū)V大油田用戶有所幫助。

螺桿鉆具;深井;高溫;快速;鉆進

我國新疆地區(qū)油氣資源豐富,油層埋藏深,鉆井深度大多在5 000 m以上。為加快鉆井速度,縮短鉆井周期,油田推廣應用了PDC+螺桿鉆井技術(shù),雖然在使用中出現(xiàn)了一些問題,但整體鉆井速度得到了提高,具有重要意義。由于該區(qū)塊地質(zhì)情況復雜,由淺及深地層跨越新生界、中生界、古生界,可鉆性差,5 000 m以上地層溫度大多在120～140℃。為此,筆者認為使用螺桿鉆具實現(xiàn)快速鉆進,必須要從正確選用、使用和推廣使用新型螺桿鉆具3個方面入手,才能發(fā)揮螺桿鉆具的最佳性能。

1 選用原則

1.1 鉆具剛性強度

在同一井眼其他條件不變的情況下,以鉆具剛性強度最大為優(yōu)選條件,以確保安全性。例如在?311.15 mm(121/4英寸)井眼中,可供選擇的鉆具有LZ197、LZ203、LZ216、LZ244型,選擇LZ244型螺桿,剛性最好,安全系數(shù)最高。

1.2 地層需要

螺桿鉆具是一種容積式井底馬達(PDM),高壓鉆井液由鉆桿進入螺桿鉆具后,馬達進、出口兩端的液體壓力差迫使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),通過萬向軸和傳動軸將扭矩和轉(zhuǎn)速傳遞到鉆頭上,達到鉆井的目的。常規(guī)馬達定轉(zhuǎn)子截面瓣比為3∶4、5∶6、7∶8、9∶10,如圖1。

螺桿鉆具輸出轉(zhuǎn)速取決于定轉(zhuǎn)子瓣比,通常在相同排量情況下,瓣比越多,輸出扭矩越大,轉(zhuǎn)速越低。以德州聯(lián)合石油機械有限公司生產(chǎn)的4LZ172型和7LZ172型螺桿鉆具為例 ,性能參數(shù)如表1。

圖1 常規(guī)馬達定轉(zhuǎn)子截面

表1 4LZ172型和7LZ172型螺桿鉆具性能參數(shù)

由表1可以看出,多頭鉆具轉(zhuǎn)速低,輸出扭矩和功率大。

我國中西部地區(qū)5 000 m以上的油井,根據(jù)可鉆性地層可分為上部和下部地層2種,通常4 000 m以內(nèi)地層為新生界和中生界地層,巖性為淺灰色散砂和灰黃色粘土泥巖、粉砂巖、膏泥巖、細砂巖及含礫砂巖,地層松軟,可鉆性好,不需要大扭矩輸出,只要提高轉(zhuǎn)速就可加快鉆井速度,因此選用頭數(shù)少的鉆具鉆進效率明顯;反之,超過4 000 m的地層多為古生界地層,以頁巖、泥灰?guī)r、泥灰晶巖為主,可鉆性變差,以輸出大扭矩、破碎巖石達到快速鉆進的目的,因此選用多頭螺桿鉆具效果較好。如果同樣選用172規(guī)格鉆具,筆者建議在上部地層選用4LZ172型或5LZ172型鉆具,下部地層選用7LZ172型鉆具。

1.3 合適排量

螺桿鉆具為容積式馬達,合適的排量是保證鉆具正常工作的重要參數(shù)。鉆具輸出轉(zhuǎn)速與排量成正比,在同一排量下應選擇排量合適的鉆具,以確保所要求的轉(zhuǎn)速,使馬達發(fā)揮至最佳狀態(tài)。應根據(jù)泥漿泵的排量和輸出泵壓來選擇合適的螺桿鉆具,若排量超過鉆具的額定排量,則會提高鉆具的輸出轉(zhuǎn)速,極大地降低鉆具的使用壽命,增加起下鉆的時間,反而達不到快速鉆進的目的。

1.4 安全性

以入井安全性和井中環(huán)空以及適應合適打撈工具為選用原則。

1.5 地層和溫度

根據(jù)地層深、溫度高的特點,深層鉆進應選用馬達橡膠耐高溫的螺桿鉆具。通常情況下,常規(guī)螺桿鉆具使用環(huán)境溫度<120℃,馬達橡膠耐高溫的螺桿鉆具使用環(huán)境溫度<150℃,非常適合在我國西部地區(qū)5 000 m左右的深井中應用。

2 螺桿鉆具的正確使用

a) 螺桿鉆具使用前應仔細閱讀使用說明書,按規(guī)定參數(shù)使用螺桿鉆具。

b) 下鉆前必須進行地面檢查,以可控制的速度下放鉆具。當下鉆遇阻時,應開泵循環(huán),慢慢劃眼通過;超深井或高溫井下放鉆具時,應周期性地進行循環(huán)以降低井底溫度。下鉆時絕對不能頓鉆或?qū)@具直接坐入井底。

在使用螺桿鉆具轉(zhuǎn)盤鉆井時,很多地方還片面地認為鉆壓越大,鉆進就越快,這種操作不符合螺桿鉆具的使用特性。破碎巖石和鉆進過程是消耗能量的過程,單位時間內(nèi)作用于鉆頭巖石上的能量越多,巖石粉碎得越快,鉆進就越快。如何將能量集中釋放出來,發(fā)揮鉆具的最大效率,就必須了解螺桿鉆具的性能特性。表2和圖2分別為某規(guī)格螺桿鉆具的整機性能試驗參數(shù)和曲線。

表2 某規(guī)格螺桿鉆具整機性能試驗參數(shù)

圖2 某規(guī)格螺桿鉆具整機性能曲線

由表2和圖2可以看出,在鉆具工作過程中,隨著載荷(鉆井中對應的鉆壓)的增加,輸出功率增大,而轉(zhuǎn)速比較穩(wěn)定,總效率逐漸增加。當載荷達到一個定值后再繼續(xù)增加時,總效率開始下降,轉(zhuǎn)速下降很快;當輸出扭矩為3 500～5 100 N·m時,輸出功率為51～54 kW,即,此時在相同地層中鉆進的進尺是最快的,總效率最高;當輸出扭矩(載荷)超過一定值時,扭矩繼續(xù)增加而輸出轉(zhuǎn)速急劇下降,當轉(zhuǎn)速降為零時,馬達滯動造成憋泵,損害鉆具和鉆井設備,達不到進尺目的。因此用螺桿鉆具鉆井,鉆壓只是一個比較重要的參數(shù),泵壓才是一個衡量鉆具正常使用的參數(shù),泵壓的大小是通過施加鉆壓的大小來調(diào)節(jié)的。在正常鉆進過程中保持鉆壓的合理性和穩(wěn)定性,才能達到提高鉆進速度的目的。

根據(jù)螺桿鉆具在定向、造斜、復合鉆井等不同用途,還必須合理選用扶正器結(jié)構(gòu)和扶正器到鉆頭的距離,否則也會影響鉆具的使用效果[1]。

3 應用螺桿鉆具需要解決的問題

為了應對深井井溫高的特點,必須從根本上解決2個問題。

a) 橡膠必須耐高溫 目前國內(nèi)已有生產(chǎn)廠研究耐溫200℃的高溫馬達,正在試驗和推廣。

b) 解決定子橡膠受熱不均 推廣使用等壁厚高溫馬達鉆具可以解決這個問題。等壁厚高溫馬達鉆具是將定子內(nèi)腔加工出螺旋槽,內(nèi)層橡膠壁厚均勻,結(jié)構(gòu)如圖3。

根據(jù)文獻[2],等壁厚螺桿鉆具由于橡膠的壁厚均勻,熱溫度影響一致,馬達性能參數(shù)更加接近理論設計;等壁厚螺桿鉆具橡膠厚度均勻,對溫度的敏感性降低,可減緩橡膠的熱老化,擴大螺桿鉆具在深井中的應用范圍;在運轉(zhuǎn)過程中橡膠抗變形能力增強,“剛性”增加,單級承壓增高,機械特性剛度增加,磨損速度減緩,效率有效范圍更大,可延長鉆具使用壽命;由于馬達單級承壓增高,輸出效率和功率增大,更有利于在超深井、短半徑水平井中使用。

圖3 等壁厚高溫馬達鉆具結(jié)構(gòu)

德州聯(lián)合石油機械有限公司研制的等壁厚螺桿鉆具正在進行相關(guān)試驗,若試驗成功,再配以耐高溫橡膠,用于新疆地區(qū)鉆井是最合適的。

4 結(jié)語

為加快深井鉆井,必選正確選用和正確使用螺桿鉆具,在此基礎上,還必須研究和推廣適合深井作業(yè)的螺桿鉆具。

[1] 吳振江,柳貢慧,李 軍,等.螺桿鉆具造斜能力分析及預測[J].石油礦場機械,2009,38(8):61-65.

[2] 韓傳軍,邱亞玲,劉清友,等.螺桿鉆具等壁厚襯套性能分析[J].西南石油大學學報,2008,29(4):163-165.

1001-3482(2010)04-0092-03

TE921.2

B

2009-09-24

于衛(wèi)東(1972-),男,山東禹城人,工程師,主要從事螺桿鉆具設計工作,E-mail:gfd1102@yahoo.cn。