非API鉆具在小井眼水平井中的應(yīng)用

史杰青劉賢文馬金山王福合馬 龍郁燕飛

（1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢 430100；2.渤海鉆探鉆井技術(shù)服務(wù)公司，天津 300280；3.渤海鉆探第三鉆井公司，天津 300280）

非API鉆具在小井眼水平井中的應(yīng)用

史杰青1劉賢文2馬金山2王福合3馬 龍1郁燕飛3

（1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢 430100；2.渤海鉆探鉆井技術(shù)服務(wù)公司，天津 300280；3.渤海鉆探第三鉆井公司，天津 300280）

蘇里格小井眼水平井鉆井中使用?88.9 mm鉆具出現(xiàn)“兩小一高”（排量小、扭矩小、壓耗高）的問題，使得螺桿在水平段鉆進(jìn)中動(dòng)力不足，影響了提速提效。通過API REG 7G計(jì)算了鉆桿管體的抗扭強(qiáng)度，通過有限元軟件分析了接頭尺寸與抗扭性能的關(guān)系，并根據(jù)特殊鉆井工藝參數(shù)對(duì)API鉆具接頭扣型的要求，提出使用雙臺(tái)肩接頭，解決了蘇里格水平井鉆井中無法在?177.8 mm技術(shù)套管內(nèi)使用?101.6 mm鉆具的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了鉆井過程中的大排量、高螺桿輸出扭矩、低循環(huán)壓耗，滿足了蘇里格小井眼水平井鉆井的需要。

非API鉆具；小井眼鉆井；雙臺(tái)肩螺紋；水平井

在蘇里格地區(qū)小井眼水平段鉆井過程中，由于采用?88.9 mm鉆具組合，存在“兩小一高”（循環(huán)排量小、馬達(dá)輸出扭矩小、循環(huán)壓耗高）的問題，使得馬達(dá)輸出動(dòng)力不足，易出現(xiàn)鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)與上提下放阻力大、滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)機(jī)械鉆速慢、在復(fù)雜井況時(shí)易發(fā)生鉆具漲扣或扭斷事故。為了解決這一問題，從API 5DP《鉆桿規(guī)范》中選擇使用?101.6 mm鉆桿，但是，該鉆桿接頭外徑?152.4 mm，再加上接頭焊接耐磨帶厚度6 mm，使得鉆桿的接頭最大外徑達(dá)到了?158.4 mm，而設(shè)計(jì)的?177.8 mm套管內(nèi)徑為?157.08 mm，這就使得API ?101.6 mm 鉆桿無法在?177.8 mm技術(shù)套管中使用。為了滿足小井眼水平井鉆井施工要求，必須開發(fā)和應(yīng)用鉆具新技術(shù)（非API鉆具），科學(xué)合理地選擇鉆具的種類、規(guī)格及優(yōu)化鉆具組合。

1 非API鉆具結(jié)構(gòu)

1.1 非API鉆具螺紋與端面

非API鉆具螺紋結(jié)構(gòu)見圖1，其螺紋部分與API螺紋相同，不同之處在API外螺紋接頭端部增加一段鼻端部，端面為第二外扭矩端面，該部分為含內(nèi)孔光滑錐體，錐度與外螺紋相同1∶6。減小API內(nèi)螺紋長度，內(nèi)螺紋后端部為光滑圓柱面，在其頂頭增加第二內(nèi)扭矩臺(tái)肩。在外螺紋接頭小端增加一個(gè)內(nèi)臺(tái)肩，外臺(tái)肩提供密封和承受較大扭矩，內(nèi)臺(tái)肩承受部分扭矩，起到過載保護(hù)的作用，而API鉆具螺紋與端面無此要求。

圖1 雙臺(tái)肩接頭螺紋結(jié)構(gòu)圖

1.2 非API鉆具螺紋應(yīng)力

從API接頭與雙臺(tái)肩接頭螺紋各個(gè)牙上的FEA（主要指周向拉伸應(yīng)力與扭矩）應(yīng)力與應(yīng)力分布情況可以看出，API接頭螺紋的應(yīng)力集中在1～3扣上，峰值較高，由于接頭結(jié)構(gòu)上的改變，與單臺(tái)肩的API接頭相比，雙臺(tái)肩鉆桿接頭的應(yīng)力集中程度有所減少。上扣后扭矩由螺紋、主扭矩臺(tái)肩、副扭矩臺(tái)肩共同承擔(dān)，改善了接頭的應(yīng)力分布，如采用新型的高抗扭接頭設(shè)計(jì)，副扭矩臺(tái)肩將會(huì)承受更大的扭矩，且使得螺紋面上的應(yīng)力分布更為合理。這樣，不僅延長了鉆桿接頭的使用壽命，同時(shí)提高了鉆具接頭的可靠性。

2 技術(shù)特點(diǎn)

（1）可減小接頭外徑，選用大尺寸管體，滿足小井眼鉆井工藝要求；增大接頭內(nèi)徑，可以增加鉆頭水馬力，有利于水力破巖和降低鉆桿內(nèi)壓耗。

（2）上扣后扭矩由螺紋、內(nèi)扭矩臺(tái)肩、外扭矩臺(tái)肩共同承擔(dān)，優(yōu)化了接頭的應(yīng)力分布，提高了接頭的抗疲勞能力，不容易發(fā)生疲勞、應(yīng)力腐蝕開裂。

（3）可采用平滑內(nèi)徑，減少紊流，降低鉆井液對(duì)接頭內(nèi)壁的沖蝕。

（4）接頭主臺(tái)肩提供抗扭及密封雙重作用，輔助臺(tái)肩僅提供抗扭作用，因此輔助臺(tái)肩允許輕微的損壞。

（5）內(nèi)、外接頭螺紋均可與API接頭螺紋互換。除了需檢測(cè)外螺紋長度與內(nèi)螺紋深度外，其他參數(shù)測(cè)量都遵守API標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量工具也用API標(biāo)準(zhǔn)螺紋規(guī)等工具，不需要制造專門螺紋量規(guī)及建立量值傳遞系統(tǒng)。

3 技術(shù)指標(biāo)

分析了API鉆具接頭扣型與特殊鉆井工藝的參數(shù)要求，提出了使用雙臺(tái)肩接頭螺紋，通過有限元軟件分析優(yōu)化了接頭尺寸與抗扭性能的關(guān)系。雙臺(tái)肩接頭的抗扭能力比API鉆具接頭大，雙臺(tái)肩接頭與單臺(tái)肩相比，能夠降低鉆具螺紋根部的應(yīng)力集中，防止發(fā)生鉆具螺紋疲勞斷裂事故。

雙臺(tái)肩鉆具有3種接頭螺紋可以選擇，見圖2，通過研究及分析發(fā)現(xiàn)它們各有不同的特點(diǎn)，高扭矩接頭（HT）和超高扭矩接頭（XT）與API接頭（NC）相比，抗扭性能提高很多，但是，它的螺紋錐度發(fā)生變化，不能夠同API螺紋互換；同時(shí)，由于錐度小，上扣時(shí)要使用對(duì)扣器，修理難度大。雙臺(tái)肩接頭（DS）與API接頭比提高了抗扭性能，同時(shí)，可以與API接頭螺紋互換，修理難度小，并且，已經(jīng)解決了修理工藝。最終選擇雙臺(tái)肩接頭螺紋（DS40），滿足了小井眼鉆井工藝的需要。

圖2 接頭螺紋連接示意圖

?101.6 mm雙臺(tái)肩接頭最大扭矩比API ?88.9 mm鉆桿接頭增加了53%，拉伸載荷增加了21%，可以增大接頭外徑至133.4 mm，同時(shí)增大接頭水眼至68.3 mm，?101.6 mm雙臺(tái)肩接頭扭矩比API ?101.6 mm螺紋接頭增加了13%，見表2。

表2 非API 與API鉆桿技術(shù)參數(shù)

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 蘇20-15-22H 井概況

蘇20-15-22H 井為一口三開水平井，?177.8 mm技術(shù)套管下深3 444 m，三開井眼尺寸為?152.4 mm，環(huán)空空間小，因此選擇非API ?101.6 mm鉆桿和加重鉆桿。三開?152.4 mm水平井段3 447～4 445 m，鉆井參數(shù)：鉆壓30～50 kN，排量12～16 L/s，泵壓18～24 MPa。該井造斜點(diǎn)2 770 m，垂深3 191.74 m，最大井斜角90.86°，方位4.62°，最大位移1 447.36 m。鉆具組合：?152.4 mm PDC+ ?120 mm螺桿+ ?120.7 mm浮閥+ ?146 mm穩(wěn)定器+ ?88.9 mm無磁加重鉆桿+| ?120 mmLWD + ?88.9 mm無磁加重鉆桿×3根+ ?10.1.6 mm鉆桿×154根+?101.6 mm加重鉆桿×30根+ ?101.6 mm鉆桿+若干。蘇20-15-22H井井身結(jié)構(gòu)為：?273.05 mm套管×500 m+ ?177.8 mm套管×3 444 m。

4.2 施工過程分析

4.2.1 扭矩 從水平段開始鉆進(jìn)直到鉆至完鉆井深，扭矩由7 000 N·m逐漸增高為13 000 N·m，非API ?101.6 mm鉆具額定扭矩為29 000 N·m，扭矩余量較大，有利于處置阻、卡等復(fù)雜情況。而使用?88.9 mm鉆具，以相近井身結(jié)構(gòu)和井眼軌跡的蘇76-2-3H為例，該井完鉆時(shí)水平段總長693 m，從水平段開始鉆進(jìn)至最后完鉆，扭矩由7 000 N·m逐漸增高為12 000 N·m，?88.9 mm鉆具額定扭矩為13 500 N·m，扭矩余量小。

4.2.2 泵壓 開始鉆進(jìn)時(shí)，排量為18 L/s，泵壓為18 MPa。隨著井深的增加，排量改用16 L/s，至完鉆時(shí)泵壓為23～24 MPa。而蘇76-2-3H井在水平段剛開始鉆進(jìn)時(shí)排量為18 L/s，泵壓為19 MPa。隨著井深的增加，最后排量改用13 L/s（110 mm缸套），完鉆時(shí)泵壓為25～26 MPa。兩口井相比，采用非API ?101.6 mm鉆具后，在排量增加23.08%的情況下泵壓降低8.33%。

4.2.3 排量 由于使用?88.9 mm鉆具在水平段施工后期受泵壓的限制，排量為12～14 L/s，環(huán)空返速為1.08 m/s，而使用非API ?101.6 mm鉆具由于壓耗降低，排量可達(dá)到16 L/s，環(huán)空返速為1.58 m/s，提高0.50 m/s。

4.2.4 設(shè)備 使用?88.9 mm鉆具時(shí)由于泵壓逐漸升高，為控制泵壓，將柴油機(jī)轉(zhuǎn)速由1 100 r/min逐漸減至950 r/min，甚至更低。一方面會(huì)導(dǎo)致排量減少，環(huán)空返速更低，攜砂效果不好。另外，柴油機(jī)在帶負(fù)荷低轉(zhuǎn)速長期運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，損害較大，已經(jīng)出現(xiàn)三支鉆井隊(duì)的8臺(tái)柴油機(jī)提前大修現(xiàn)象。使用非API ?101.6 mm鉆具后，在三開水平段施工時(shí)，柴油機(jī)帶負(fù)荷轉(zhuǎn)速1 100 r/min，每分鐘95沖，直至完井處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，降低了對(duì)柴油機(jī)的損害。

4.3 應(yīng)用效果

該井實(shí)現(xiàn)了鉆井周期26.54 d，建井周期32.63 d，其中水平段鉆井不到6.85 d，鉆機(jī)月速5 022.47 m/臺(tái)月，機(jī)械鉆速14.03 m/h，實(shí)現(xiàn)了渤海鉆探公司提出的蘇里格區(qū)塊水平井鉆井周期控制在30 d以內(nèi)的目標(biāo)，目前在蘇里格區(qū)塊已經(jīng)累計(jì)使用42口水平井，滿足了蘇里格區(qū)塊小井眼水平井施工需要。

5 結(jié)論與建議

（1）非API ?101.6 mm鉆具的使用，在泵壓不增加的條件下提高了鉆進(jìn)排量，從而提高了清潔井眼的能力和螺桿輸出動(dòng)力，有利于預(yù)防事故復(fù)雜的發(fā)生和提高滑動(dòng)時(shí)的機(jī)械鉆速，減少短起下鉆次數(shù)，提高時(shí)效。

（2）非API ?101.6 mm 鉆具已經(jīng)替代了API ?88.9 mm鉆具在?152.4 mm井眼及?177.8 mm技術(shù)套管中使用，滿足了鉆井生產(chǎn)的需要，下一步可以根據(jù)不同的井身結(jié)構(gòu)，開發(fā)出不同種類、規(guī)格的雙臺(tái)肩鉆具，滿足大位移井、復(fù)雜工況井鉆井工藝需要。

（3）非API ?101.6 mm鉆具在?152.4 mm井眼及?177.8 mm技術(shù)套管環(huán)空間隙小，容易發(fā)生沉砂卡鉆，且增加了事故處理的難度。

［1］李鶴林，李平全，馮耀榮.石油鉆柱失效分析及預(yù)防［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1999.

［2］ API SPEC 5DP-2010 鉆桿規(guī)范［S］.

［3］API SPEC 7-1-2006 旋轉(zhuǎn)鉆柱構(gòu)件規(guī)范［S］.

［4］API SPEC 7-2-2008 旋轉(zhuǎn)臺(tái)肩式螺紋連接的加工與測(cè)量［S］.

［5］API RP 7G-1990 鉆柱設(shè)計(jì)和操作限度的推薦作法［S］.

［6］郭元恒，何世明，劉忠飛，等.長水平段水平井鉆井技術(shù)難點(diǎn)分析及對(duì)策［J］.石油鉆采工藝，2013，35（1）：14-18.

Application of non-API drilling tools in slim hole horizontal well

SHI Jieqing1,LIU Xianwen2,MA Jinshan2,WANG Fuhe3,MA Long1,YU Yanfei3
（1.Petroleum Engineering School of Yangtze University,Wuhan430100,China;2.Drilling Technology &Service Company of Bohai Drilling Engineering Company Limited,Tianjin300280,China;3.The Third Drilling Company of Bohai Drilling Engineering Company Limited,Tianjin300280,China）

The use of ?88.9 mm drilling tool in slim hole horizontal well in Sulige Oilfield has the problem of small flow rate,small torque and high pressure drop,causing the screw to be short of power when drilling the horizontal section,hence affecting the ROP and efficiency of horizontal well in Sulige Oilfield.The torque resistance of drillpipe body was calculated as per API REG 7G standard and the relation between connection size and torque performance was analyzed by finite element software,and the use of double-shoulder connection was proposed according to the requirement of special well drilling parameters for API tool connection,so the technical difficulty was solved that the ?101.6 mm drilling tool could not be used in ?177.8 mm intermediate casing while drilling the horizontal well in Sulige Oilfield,realizing large flow rate,high pump pressure and low circulation pressure loss during drilling and also satisfying the drilling of slim hole horizontal well in Sulige Oilfield.

non-API drilling tool;slim hole;drilling;double shoulder thread;horizontal well

史杰青，劉賢文，馬金山，等 .非API鉆具在小井眼水平井中的應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2014，36（4）：120-122.

TE921

：B

1000–7393（2014）04–0120–03

10.13639/j.odpt.2014.04.030

2014-04-18）

〔編輯 景 暖〕

史杰青，1988年生。2011年畢業(yè)于長江大學(xué)石油工程專業(yè)，主要從事石油鉆井及巖石力學(xué)工程研究與應(yīng)用工作。電話：15522573679。E-mail：jhyzsjq@sina.com。