新型特殊結(jié)構(gòu)鉆桿在塔河油田超深井的應(yīng)用

秦 春，李 禹，陳小元，劉紫云，黃志安

(中國石化江蘇石油工程有限公司鉆井處，江蘇 揚州 225261)

新型特殊結(jié)構(gòu)鉆桿在塔河油田超深井的應(yīng)用

秦 春，李 禹，陳小元，劉紫云，黃志安

(中國石化江蘇石油工程有限公司鉆井處，江蘇 揚州 225261)

井底水力能量是影響超深井鉆井速度的主要因素之一，通過對超深井水力能量進行分析，采用φ177.8 mm小接頭外徑和φ101.6 mm大水眼的φ139.7 mm雙臺肩鉆桿，能有效降低循環(huán)壓耗，增加鉆井排量，提高超深井的機械鉆速。6 000 m井深使用φ139.7 mm雙臺肩大水眼鉆桿，在相同排量下循環(huán)壓耗比普通φ139.7 mm和φ127 mmAPI鉆桿分別降低3.47 MPa和10.91 MPa；相同壓降下排量比普通φ139.7 mm和φ127 mmAPI鉆桿分別提高4.5 L/s和10 L/s。子母接頭鉆桿配合氣動卡盤使用，實現(xiàn)了超深井單吊卡起下鉆，有效減少了鉆桿本體的損傷，可節(jié)約起下鉆時間?，F(xiàn)場試驗表明，新型特殊結(jié)構(gòu)鉆桿可有效提高超深井鉆井速度。

超深井 水力能量 大水眼鉆桿 子母接頭鉆桿 壓耗

在塔河油田超深井鉆井過程中，隨著井深的增加，井底圍壓和地層巖石強度增大，不易破碎，井底巖屑壓持效應(yīng)加劇，沿程水力損失大幅增加，在地面機泵功率不變的條件下，井底鉆頭可用水馬力急劇下降。由于井底水力能量降低，水力破巖、清巖能力也大大下降[1]。塔河油田大尺寸長裸眼井通常采用PDC鉆頭+螺桿鉆具配合大排量復(fù)合鉆進，造成施工泵壓高，地面機泵設(shè)備負(fù)荷重，超深井提速效果不明顯。新型φ139.7 mm雙臺肩大水眼子母接頭鉆桿采用特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，φ101.6 mm大水眼可有效減小沿程水力能量損失，提高水力破巖效果及機械鉆速；子母接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)超深井單吊卡起下鉆作業(yè)，節(jié)約了起下鉆時間，從而縮短超深井鉆井周期。

1 φ139.7 mm雙臺肩大水眼鉆桿

1.1 結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)

φ139.7 mm雙臺肩大水眼鉆桿是在API標(biāo)準(zhǔn)接頭外螺紋小端和內(nèi)螺紋各增加一個臺肩，即形成雙臺肩鉆桿接頭結(jié)構(gòu)[2]。主臺肩提供密封和承受較大扭矩，副臺肩承受部分扭矩和過載保護。鉆桿接頭外徑177.8 mm，接頭水眼內(nèi)徑101.6 mm，結(jié)構(gòu)如圖1。表1為φ139.7 mm雙臺肩大水眼鉆桿與API鉆桿性能參數(shù)對比。

表1 φ139.7 mm雙臺肩大水眼鉆桿與API鉆桿性能參數(shù)對比

圖1 雙臺肩大水眼接頭

1.2 特性和優(yōu)勢

(1)應(yīng)力分布更均勻，在扣的兩端都能分擔(dān)載荷；與API接頭相比，剛性更強，在同樣壁厚情況下，TG55接頭抗扭性能提高30%以上，HLST接頭比API接頭抗扭強度提高65%以上[2-5]。

(2)降低了連接處的應(yīng)力集中，提高了抗疲勞性，從而延長使用壽命；在降級使用前，與API NC扣相比有更多的外徑磨損允許量。

(3)通過適當(dāng)減少接頭外徑，增加環(huán)空空間，相應(yīng)降低環(huán)空的循環(huán)壓耗，并提高接頭可打撈能力。

(4)平滑內(nèi)表面設(shè)計，提高接頭的水力學(xué)性能，產(chǎn)生更平穩(wěn)的液流，更小的紊流，減少沖蝕；減少水泥和固體顆粒沉積在接頭內(nèi)的機會。

(5)接頭內(nèi)徑大。在不降低抗扭強度前提下，增加接頭內(nèi)徑，從而降低鉆具內(nèi)循環(huán)壓耗，提高鉆柱內(nèi)泵送能力，增加了起下各種電纜儀器的能力。

1.3 水力效果對比分析

根據(jù)高壓噴射鉆井理論[6]，采用φ139.7 mm鉆桿替換現(xiàn)場常用的φ127 mm鉆桿，可極大地解放水力能量，大幅提高井底水功率和噴射速度，同時有利于提高環(huán)空返速。此外，隨著井深增加，鉆桿接頭數(shù)量大大增加，鉆桿接頭處的累計局部壓力損失也明顯增大[6-7]。

在φ250.88 mm井眼6 000 m井深條件下，鉆井液密度1.30 g/cm3，塑性粘度25.9 mPa·s，屈服值6.17 Pa，分別對采用φ139.7 mm雙臺肩大水眼鉆桿、φ139.7 mmAPI鉆桿、φ127 mmAPI鉆桿鉆具組合進行水力分析，總壓降與鉆進排量的關(guān)系如圖2所示。

圖2 3種鉆桿鉆具組合的總壓降與排量關(guān)系

圖3 3種鉆桿鉆具組合的鉆頭最大水馬力與排量關(guān)系

在排量44 L/s時，φ139.7 mm雙臺肩大水眼鉆桿理論總壓耗22.72 MPa，φ139.7 mmAPI鉆桿理論總壓耗26.19 MPa，φ127 mmAPI鉆桿理論總壓耗33.63 MPa。在相同排量下，6 000 m井深使用φ139.7 mm雙臺肩大水眼鉆桿比φ139.7 mm和φ127 mmAPI鉆桿壓耗分別降低3.47 MPa和10.91 MPa。相同壓降下，6 000 m井深使用φ139.7 mm雙臺肩大水眼鉆桿比φ139.7 mm和φ127 mmAPI鉆桿排量分別增加4.5L/s和10L/s。

在恒定最高泵壓25 MPa的前提下，分別對3種鉆桿鉆具組合進行水力分析，鉆頭可獲得的最大水馬力與排量關(guān)系如圖3所示，φ139.7 mm雙臺肩大水眼鉆桿有效解放了超深井鉆井排量，提高了水馬力。因此，在塔河油田超深井鉆井中，特別是三開制大井眼長裸眼井段，為了減小沿程水力能量損失，增大井底水力能量，采用φ139.7 mm 大水眼接頭鉆桿替換φ139.7 mmAPI鉆桿。

2 φ139.7 mm雙臺肩大水眼子母接頭 鉆桿

2.1 研制的技術(shù)背景

目前，鉆井起下鉆主要采用雙吊卡或卡瓦配合單吊卡的方式，這些方式均存在一定的弊端。雙吊卡起下鉆采用人工推、拉吊卡和吊環(huán)，勞動強度大，效率低，操作不當(dāng)可能造成單吊環(huán)起鉆，存在安全隱患。單吊卡+卡瓦起下鉆是利用卡瓦牙板與鉆桿產(chǎn)生的摩擦力來卡緊承載鉆桿重量，卡瓦直接卡在鉆桿本體上，易形成咬痕，易發(fā)生疲勞或腐蝕失效。井越深，卡瓦夾持的力量越大，對鉆桿的損傷也越大，嚴(yán)重時擠毀鉆桿；鉆遇硫化氫，易在咬痕處產(chǎn)生氫脆。

2.2 子母接頭鉆桿及配套氣動卡盤

2.2.1 子母接頭鉆桿結(jié)構(gòu)

新型子母接頭鉆桿的主要結(jié)構(gòu)是在API普通鉆桿的基礎(chǔ)上，在內(nèi)螺紋接頭端，距內(nèi)螺紋接頭端面700～900 mm處增加一個凸臺結(jié)構(gòu)(子接頭)，此結(jié)構(gòu)的外徑與母接頭相同，下部同樣采用18°斜臺肩與管體過渡，形成一個中間接頭。起下鉆時，子接頭坐在氣動卡瓦或普通卡瓦上，鉆桿的受力由徑向受力變?yōu)檩S向受力。圖4為子母接頭鉆桿示意圖，鉆桿內(nèi)螺紋接頭密封端面正好位于操作者適合操作的高度，便于上卸扣操作和連續(xù)起鉆操作。

圖4 子母接頭鉆桿示意

子母接頭完全避免了卡瓦牙咬傷鉆桿本體，延長了鉆桿使用壽命；提高了起下鉆的自動化程度和作業(yè)效率；減輕了工人勞動強度，提高了作業(yè)效率；與傳統(tǒng)的雙吊卡起下鉆相比，起下鉆效率提高15%，縮短了起下鉆時間。

2.2.2 配套氣動卡盤

子母接頭鉆桿使用配套的氣動卡盤，工作方式如圖5。起下鉆是利用鉆桿下接頭坐落在無牙板的動力卡盤上，軸向承載鉆柱重量，消除了卡瓦牙板齒尖對鉆桿的傷害，大幅度延長了鉆桿的使用壽命[8]。

2.3 φ139.7 mm雙臺肩大水眼子母接頭鉆桿

將子母接頭鉆桿結(jié)構(gòu)與雙臺肩大水眼鉆桿接頭扣型相結(jié)合加工生產(chǎn)了一套φ139.7 mm雙臺肩大水眼子母接頭鉆桿，鉆桿接頭扣型HLST54，圖6為該鉆桿結(jié)構(gòu)示意圖。該鉆桿具有雙臺肩大水眼鉆桿和子母接頭鉆桿的雙重優(yōu)點。

圖5 子母接頭鉆桿及卡盤工作示意

圖6 φ139.7 mm雙臺肩大水眼子母接頭鉆桿結(jié)構(gòu)示意

3 應(yīng)用效果分析

塔河油田大尺寸長裸眼井采用PDC鉆頭+小彎度螺桿+大尺寸鉆桿的鐘擺鉆具組合，大排量、高泵壓鉆進，提高了深井水力效率和井眼清洗效果，增加了鉆井液對井壁的沖刷，有效減少了上部地層井眼起下鉆阻卡，提高了超深井機械鉆速，縮短了鉆井周期[9-10]。

3.1 φ139.7mm雙臺肩大水眼鉆桿應(yīng)用效果

TH12378井是塔河油田一口三開制直井，完鉆井深6 298 m。一開采用牙輪鉆頭配合塔式鉆具和φ139.7 mm雙臺肩大水眼鉆桿，優(yōu)化水力參數(shù)，大排量58 L/s鉆進。二開采用PDC鉆頭+5LZ197/0.5°螺桿的單扶鐘擺鉆具組合，鉆具組合：φ250.8 mmPDC鉆頭+φ197 mm螺桿+φ177.8 mmSDC×1根+φ248 mmSTB+φ177.8 mmSDC×14根+φ127 mmHWDP×13根+411×TG550+φ139.7 mm雙臺肩大水眼鉆桿。根據(jù)機械鉆速及井眼巖屑濃度，通過優(yōu)化水力參數(shù)，大排量55～39 L/s鉆進，控制泵壓在24～23 MPa，強化上部地層水力破巖。由于井眼清洗效果好，鉆進過程中適當(dāng)放寬短起下間距，吉迪克組以上地層每450～500 m短起下一次，吉迪克組-巴什基奇克組地層每200～300 m短起下一次，巴什基奇克組4 500 m以下地層每450～500 m短起下一次，減少短起下次數(shù)，縮短鉆井周期。該井在6 000 m井深，鉆井液密度1.30 g/cm3，塑性粘度25.9 mPa·s，屈服值6.17 Pa，實際鉆井排量44 L/s，實際泵壓23 MPa，與理論壓耗基本相同。

TH12378井實際鉆井周期為56.17 d，較設(shè)計75 d節(jié)約11.83 d，鉆井周期縮短25.11%，全井平均機械鉆速12.71 m/h(設(shè)計9.21 m/h)。表2為TH12378井與相同三級井身結(jié)構(gòu)的臨井在PDC鉆頭+螺桿鉆具復(fù)合鉆進的模式下的鉆井指標(biāo)對比，TH12378井平均機械鉆速較鄰井提高16.6%～41.7%，鉆井周期較鄰井縮短8.15～15.2 d，應(yīng)用φ139.7 mm雙臺肩大水眼鉆桿提速效果明顯。

表2 TH12378井鉆井速度與鄰井對比

3.2 φ139.7 mm雙臺肩大水眼子母接頭鉆桿應(yīng)用效果

新型φ139.7 mm雙臺肩大水眼子母接頭鉆桿在塔河油田TK884、TK888X和TH12547H井進行了應(yīng)用，提高了鉆井水力效率，減小了沿程水力能量損失，增大了井底水力能量，有效提高了機械鉆速。同時該鉆桿配合氣動卡盤使用，實現(xiàn)了超深井單吊卡起下鉆，且有效減少了鉆桿本體損傷，節(jié)約了起下鉆時間。5 800 m井深一趟起下鉆節(jié)約時間2～3 h。TK888X井完鉆井深5 866 m，實際鉆井周期58.62 d，較設(shè)計鉆井周期70 d節(jié)約11.38 d，鉆井周期縮短16.26%。TH12547H井二開平均起下鉆速度450 m/h，較常規(guī)鉆桿的400 m/h提高12.5%，起下鉆時間較鄰井節(jié)約77 h。

該套φ139.7 mm雙臺肩大水眼子母接頭鉆桿在塔河油田超深井已累計鉆進18 302 m，鉆井工作時間2 930 h，其中在TH12547H井該鉆桿坐氣動卡盤最大載荷達到270 t。對該套鉆桿進行超聲波、電測、磁粉等無損檢測，鉆桿本體無任何損傷，子臺階完好，鉆桿使用效果較好。

4 結(jié)論與認(rèn)識

(1)φ139.7 mm雙臺肩大水眼鉆桿能有效降低循環(huán)壓耗，增加鉆井排量，提高井底水力能量和井眼清洗效果。

(2)雙臺肩大水眼子母接頭鉆桿實現(xiàn)了超深井單吊卡起下鉆作業(yè)，節(jié)約了起下鉆時間。

(3)充分利用水力能量可有效提高塔河油田超深井鉆井速度，縮短鉆井周期。

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(編輯 謝 葵)

Application of new special structure drilling pipe in ultra-deep well of Tahe Oilfield

Qin Chun，Li Yu，Chen Xiaoyuan，Liu Ziyun，Huang Zhi’an

(DrillingCompany，SinopecOilfieldServiceJiangsuCorporation，Yangzhou225261，China)

The downhole hydraulic power is one of the main factors influencing the ROP of ultra deep well.Based on the analysis of the hydraulic power of ultra deep well，the φ 139.7 mm double shoulder and larger inner diameter (ID) drill pipe joint with 177.8 mm outside diameter (OD) and 101.6mm ID was adopted to improve the ROP of the ultra deep well，decrease effectively the circulating friction，and increase the flow rate.If the φ139.7mm double shoulder and larger ID drill pipe is used in 6 000 m well，the pressure loss will be 3.47 MPa and 10.39 MPa less than normal φ139.7mm and φ127mm drill pipe under the same flow rate，respectively.With the same pressure loss，the flow rate is 4.5 L/s and 10 L/s more than normal φ139.7mm and φ127mm drill pipe，respectively.The combined joint drill pipe meshed with the air spider can realize round trip with single elevator and save round trip time.Field test shows that the new special structure drill pipe can effectively improve the ROP of the ultra deep well.

ultra-deep well；hydraulic power；larger ID joint drill pipe；combined joint drill pipe；pressure loss

2016-03-10；改回日期：2016-05-18。

秦春(1982—)，工程師，現(xiàn)從事鉆井技術(shù)研究工作。電話：13852791982，E-mail:qinchun.jsyt@sinopec.com。

中石化“特殊結(jié)構(gòu)鉆桿應(yīng)用研究”(JPJ 12007).

10.16181/j.cnki.fzyqc.2016.03.018

TE921.2

A