油氣鉆井中螺桿鉆具的選型及應(yīng)用

呂 波,武海鵬

(中國(guó)石油天然氣集團(tuán)渤海鉆探工程公司第二鉆井分公司,河北 廊坊 065000)

0 引言

在油氣勘探及開(kāi)發(fā)過(guò)程中,油氣鉆井是基礎(chǔ)措施,能夠更直觀地掌握、探明油氣儲(chǔ)量,為石油天然氣的開(kāi)采提供指導(dǎo)。在油氣鉆井過(guò)程中,為了節(jié)省人力,通常使用井下動(dòng)力鉆機(jī),即螺桿鉆具,其與PDC鉆頭的配合應(yīng)用,能夠?qū)崿F(xiàn)快速打井、提高經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)。相比于其他鉆具,其能夠更方便、更快捷、更高效地進(jìn)行井眼軌跡控制,能夠快速調(diào)整方位,實(shí)現(xiàn)高效造斜、增斜、降斜,可通過(guò)穩(wěn)斜鉆進(jìn)提高鉆井速度,保障良好的鉆井效益[1]。螺桿鉆具在油氣田鉆井過(guò)程中得到了廣泛應(yīng)用。螺桿鉆具類型豐富,根據(jù)不同油田類型及地質(zhì)特點(diǎn),對(duì)螺桿鉆具也有不同的選型要求[2]。螺桿鉆具又稱為井底馬達(dá)、排量馬達(dá),在工作過(guò)程中主要以泥漿為驅(qū)動(dòng)力,從而形成一種容積式井下動(dòng)力鉆具[3],通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)將泥漿驅(qū)動(dòng),將扭矩與轉(zhuǎn)速不斷傳遞給鉆頭,帶動(dòng)鉆頭高速旋轉(zhuǎn)鉆井。通過(guò)科學(xué)的設(shè)計(jì),鉆頭在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中能夠?qū)@井液的水力轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,進(jìn)而維持鉆頭旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。工作過(guò)程中,鉆具的輸出扭矩與馬達(dá)進(jìn)出口的壓降值呈正比關(guān)系,即馬達(dá)的壓降值越大,螺桿鉆具輸出的扭距越大,這有利于提高馬達(dá)動(dòng)力,令螺桿鉆具獲得更大的輸出扭矩[4]。

1 油氣鉆井中螺桿鉆具的選型

螺桿鉆具在運(yùn)行過(guò)程中具有良好的工作性能,能夠顯著提高鉆井效益,需結(jié)合不同油氣鉆井特點(diǎn),對(duì)螺桿鉆具的規(guī)格、型號(hào)、性能參數(shù)及結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行選擇。

1.1 根據(jù)井眼大小選擇鉆具外徑尺寸

結(jié)合油氣田所在位置的地質(zhì)條件及實(shí)際需求設(shè)置相應(yīng)的井眼大小,匹配鉆井的外徑尺寸。選擇過(guò)程中,需在井眼井壁與鉆具外徑之間保留一定的環(huán)空間隙,環(huán)空間隙設(shè)置的目的是防止鉆井過(guò)程中出現(xiàn)井下卡阻現(xiàn)象,如果出現(xiàn)井下事故能夠及時(shí)進(jìn)行打撈作業(yè)。環(huán)空間隙最低值要在25.4 mm以上,但隨著井眼尺寸的擴(kuò)大,螺桿鉆具的外徑尺寸會(huì)擴(kuò)大,環(huán)空間隙值也會(huì)隨之?dāng)U大。例如,直徑為152.4 mm的井眼尺寸在進(jìn)行鉆具外徑尺寸選擇時(shí)需要控制在127 mm以下,而當(dāng)井眼尺寸達(dá)到311.2 mm之后,相應(yīng)的鉆具外徑尺寸選擇可控制在244 mm以內(nèi)。

1.2 根據(jù)鉆井液排量選擇鉆具轉(zhuǎn)子類型

螺桿鉆具的工作排量受不同型號(hào)轉(zhuǎn)子的影響,會(huì)有一定的適應(yīng)范圍。結(jié)合螺桿鉆具的工作原理,其輸出轉(zhuǎn)速與鉆井液排量成正比關(guān)系,因此增加鉆井液排量可提升螺桿鉆具的馬達(dá)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,但當(dāng)排量超過(guò)一定限度,會(huì)導(dǎo)致螺桿鉆具的定子及轉(zhuǎn)子損傷。鉆井過(guò)程中大井眼往往攜帶著巖屑,因此需要較高的泥漿返出速度,這對(duì)工作排量要求較高,但是高排量又會(huì)對(duì)螺桿鉆具定子與轉(zhuǎn)子造成一定的影響,為了有效解決這一問(wèn)題,選擇空心轉(zhuǎn)子,令部分鉆井液能夠通過(guò)空心轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)分流,減小流經(jīng)定子及轉(zhuǎn)子之間的鉆井液排量,以降低大排量鉆井液對(duì)馬達(dá)定轉(zhuǎn)子造成的影響,這樣既能達(dá)到保護(hù)螺桿鉆具的目的,又能滿足巖屑攜帶的要求。

1.3 根據(jù)破巖力矩選擇馬達(dá)頭數(shù)與級(jí)數(shù)

鉆井過(guò)程中需結(jié)合地層結(jié)構(gòu)及鉆井液性能,考慮實(shí)際鉆井要求與破巖力矩,科學(xué)選擇馬達(dá)頭數(shù)與級(jí)數(shù)。破巖力矩來(lái)源于螺桿鉆具的馬達(dá),馬達(dá)頭數(shù)越多,馬達(dá)級(jí)數(shù)越高,相應(yīng)的破巖力矩越大,在鉆井過(guò)程中就能表現(xiàn)出良好的過(guò)載能力。而在馬達(dá)輸出扭矩的過(guò)程中受排量及壓降的影響,排量越大,輸出扭矩越大,壓降越高,出扭矩越大,因此要結(jié)合破巖力矩的實(shí)際要求對(duì)馬達(dá)頭數(shù)及馬達(dá)級(jí)數(shù)進(jìn)行選擇。隨著螺桿鉆具技術(shù)水平的提升,5～6頭、7～8頭馬達(dá)的螺桿鉆具應(yīng)用越來(lái)越廣泛。通常情況下,上部地層較淺軟,對(duì)于破巖力矩要求不高,可選擇5～6頭的馬達(dá),而進(jìn)入到下部地層之后,對(duì)破巖力矩要求更高,則需選擇頭數(shù)更多、級(jí)數(shù)更高的馬達(dá)。

1.4 根據(jù)鉆頭水眼壓降確定傳動(dòng)軸類型

傳動(dòng)軸類型主要有7.0 MPa、14.0 MPa兩種,而在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,7.0 MPa的傳動(dòng)軸使用更加廣泛。該類型的傳動(dòng)軸包括兩組硬質(zhì)合金徑向軸承與一組推力軸承。而14.0 MPa的傳動(dòng)軸軸承相比于7.0 MPa,使用壽命更長(zhǎng),性能級(jí)別更高,但使用成本也更高。選擇不同傳動(dòng)軸類型時(shí),需根據(jù)設(shè)計(jì)的鉆頭水壓進(jìn)行壓降值核算,即鉆頭水眼壓降為7.0 MPa以內(nèi),選用對(duì)應(yīng)7.0 MPa的傳動(dòng)軸,超過(guò)7.0 MPa,則選用14.0 MPa的傳動(dòng)軸。

1.5 根據(jù)造斜率選擇螺桿鉆具結(jié)構(gòu)

鉆井過(guò)程中,需按照造斜率原則進(jìn)行斜率設(shè)計(jì),通常實(shí)際的造斜率會(huì)比設(shè)計(jì)的造斜率高出15%±5%,以應(yīng)對(duì)因意外情況產(chǎn)生的造斜率不足問(wèn)題。造斜率控制過(guò)程中,螺桿鉆具的彎點(diǎn)到端面距離、是否使用扶正器、直徑大小等都會(huì)對(duì)造斜率產(chǎn)生一定的影響,因此在進(jìn)行螺桿鉆具結(jié)構(gòu)形式選擇時(shí)需結(jié)合造斜率要求進(jìn)行科學(xué)選擇。例如:5LZ172/5V7.0-1°的螺桿鉆具(數(shù)字5表示轉(zhuǎn)子頭數(shù)為5頭,LZ代表螺桿鉆具,172代表鉆具外徑,5表示5級(jí)馬達(dá)V表示第5代改進(jìn)產(chǎn)品,7.0表示傳動(dòng)軸7.0 MPa,1°表示鉆具彎角),當(dāng)下扶正器為212 mm、彎點(diǎn)距離相同時(shí),帶上扶正器之后,其30 m的造斜率可達(dá)到6.3397,100 m的造斜率可達(dá)到21.1324。如果沒(méi)帶上扶正器,30 m的造斜率可達(dá)到7.4183,而100 m的造斜率可達(dá)到24.7277,因此是否帶上扶正器會(huì)在造斜率方面產(chǎn)生嚴(yán)重影響。此外,下扶正器的外徑尺寸也會(huì)對(duì)斜率產(chǎn)生影響,對(duì)于彎點(diǎn)距離相同、而扶正器外徑尺寸為212 mm、210 mm時(shí),在沒(méi)有上扶正器的情況下,30 m造斜率分別為7.4183、7.3643。

2 螺桿鉆具在A油氣田鉆井中的選型應(yīng)用

A油氣田水平井設(shè)計(jì)的目的是提高單井產(chǎn)能。設(shè)計(jì)時(shí)要求井深為4431.25 m,工期63 d,實(shí)際鉆井深度為4493 m,設(shè)計(jì)的最大井斜為90.24°,平均造斜率為4.35°。本項(xiàng)目鉆井共包括直井段施工、造斜段施工及水平段施工3個(gè)部分。直井段施工為起鉆井深2612 m,造斜段施工為2612～3282 m,水平段施工則是從3282 m至鉆井完鉆,主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 A油氣田水平井主要鉆井技術(shù)指標(biāo)

2.1 直井段螺桿鉆具選型

鉆井過(guò)程分為兩步:第一步至501 m,鉆井排量為32 L/S,轉(zhuǎn)速為30～50 r/min,鉆壓為20～80 kN。選用直徑346 mm的鉆頭與直徑244 mm的直螺桿,直徑127 mm的斜坡鉆桿。鉆到501 m時(shí)發(fā)現(xiàn)井底出現(xiàn)較大幅度的負(fù)位移,故而需提前造斜點(diǎn),此時(shí)更換215.9 mm的PDC鉆頭,井斜設(shè)置為1.05°,鉆井深為2612 m。

2.2 造斜段螺桿鉆具選型

從2612 m開(kāi)始進(jìn)行定向造斜,在2612～2956 m,設(shè)計(jì)鉆壓參數(shù)為40～80 kN,轉(zhuǎn)速為30～50 r/min,排量為28～32 L/S,根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇鉆具為215.9 mm的PDC,172 mm的螺桿,1.25°的斜率,165 mm直徑的定向接頭,直徑127 mm的斜坡鉆桿,81-271665lb型鉆頭,井下時(shí)間共96 h,進(jìn)尺深度344 m,機(jī)械鉆速達(dá)到4.5 m/h。在該段鉆井過(guò)程中,定向循環(huán)泵壓為24 Mpa,后期出現(xiàn)泥包現(xiàn)象,導(dǎo)致鉆井速度減慢,因此更換1.5°的新螺桿鉆具。鉆至3282 m處,井斜為89.43°,位移為375.64 m,機(jī)械轉(zhuǎn)速為4.1 m/h。

2.3 水平段螺桿鉆具選型

水平段從3282 m開(kāi)始至完鉆,設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為30～45 r/min,鉆壓為40～60 kN,排量為16 L/S,按照這一參數(shù)選擇152.4 mm直徑鉆頭,127 mm直徑螺桿1°,148 mm直徑扶正器,101.6 mm直徑的斜坡鉆桿,鉆頭型號(hào)為6T1655B。下鉆井升至3513.03 m時(shí),泵壓升高至28 MPa,更換為1.25°新螺桿鉆具。因?yàn)樵诰侣輻U鉆具1°時(shí),自帶扶正器直徑為146 mm,該結(jié)構(gòu)參數(shù)下的螺桿鉆具造斜能力較低,且鉆頭上的有效鉆壓較低,定向過(guò)程中無(wú)法達(dá)到良好的造斜效果,故更換為1.25°螺桿鉆具,自帶扶正器直徑調(diào)整為148 mm直徑。調(diào)整井斜之后,預(yù)計(jì)于井深4332 m時(shí),井底斜率達(dá)到89.3°。在井深4336 m時(shí),井底斜率可達(dá)90.3°～90.5°,最后起鉆至4493 m完鉆。

3 結(jié)束語(yǔ)

本油氣田鉆井按照上述方案進(jìn)行螺桿鉆具選型及應(yīng)用,實(shí)鉆軌跡平滑,井眼暢通,提下鉆順利,圓滿完成了該油氣田的鉆井目標(biāo)。