螺桿鉆具提速技術(shù)研究

許開杰 張全善

摘要：隨著鉆井工程的快速發(fā)展，螺桿鉆具也有了長足的發(fā)展。作為將鉆井液壓力能轉(zhuǎn)換成機械能的井下能量轉(zhuǎn)換裝置，螺桿鉆具已由起初的定向井、大位移斜井，水平井及一般直井，發(fā)展到近些年的大規(guī)模推廣的直井復(fù)合鉆井及河流穿越工程等領(lǐng)域。本文是參考當(dāng)前國內(nèi)外關(guān)于螺桿鉆具前沿技術(shù)研究，結(jié)合了鉆井工程對鉆具的要求，旨在螺桿鉆具的輸出轉(zhuǎn)矩，鉆速，效率，以及鉆井成本得到合理的協(xié)調(diào)，通過對鉆井實例的分析和對螺桿鉆具不同工作狀況下的研究分析，并簡要給出了對螺桿鉆具提速技術(shù)的建議。

關(guān)鍵詞：螺桿鉆具;鉆速;工作參數(shù);PDC鉆頭

1 前言

PDC鉆頭破碎巖石的作用機理與牙輪鉆頭相比有著本質(zhì)上的不同，它完全是靠切削破碎地層而不是靠壓入破碎地層，因此，PDC鉆頭的切削速度與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，而鉆壓對其切削速度影響不大。也就是說，PDC鉆頭適合于在較高轉(zhuǎn)速、低鉆壓條件下作業(yè)。因為在轉(zhuǎn)盤鉆井中，隨著井眼的加深（2000m以深），大部分的井段只能采用一檔（60r/min）鉆進，所以，僅僅靠轉(zhuǎn)盤不能充分發(fā)揮PDC鉆頭的作用。而螺桿鉆具的高轉(zhuǎn)速（與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速相比較而言）可以為PDC鉆頭提高切削速度提供井下動力保障，因此，螺桿鉆具配合PDC鉆頭可以大幅度地提高機械鉆速。

2 螺桿鉆具應(yīng)用情況

2003年在某區(qū)塊井三個井段進行了“螺桿鉆具配合高效鉆頭”提高鉆井效率的試驗研究。第1次在3727.40-3751.87m，進尺24.47m，機械鉆速0.87m/h，鉆速比牙輪鉆頭提高20.83%;第2次在3756.77-3898.83m，進尺142.o6m，機械鉆速l.27m/h，比牙輪鉆頭進尺提高近2倍，鉆速提高75.83%;第3次在4200.26-4305.45m，進尺105.19m，機械鉆速0.74m/h，鉆速比牙輪鉆頭提高60.87%。試驗結(jié)果表明，使用“螺桿鉆具配合高效鉆頭”不僅能提高深部井段的機械鉆速，而且如果鉆頭、地層和螺桿鉆具三者匹配合適，其它參數(shù)選用得當(dāng)?shù)脑?，提高鉆速還有很大潛力。

2.1 螺桿鉆具配合PDC鉆頭注意事項

2.1.1 PDC鉆頭的破巖機理

PDC鉆頭是70年代后廣泛應(yīng)用于石油鉆井中的一種高效破巖鉆頭。其基體主要有魚尾形、淺錐形、短拋物線形和拋物線形4種形式。由于聚晶金剛石片與碳化鎢基片之間的有機結(jié)合，使得PDC齒具有金剛石的硬度、耐磨性、抗沖擊-自銳能力以及熱穩(wěn)定性（其耐溫上限為700℃左右）。PDC鉆頭主要以剪切方式破巖，機械鉆速高，巖屑產(chǎn)出量大，但必須依靠水力能量進行強制冷卻和清屑。切削齒前面的巖石在擠壓下產(chǎn)生彈性和屈服變形，并形成初始滑移破壞面。當(dāng)初始滑移破壞面極限點處巖石的剪切應(yīng)力τ>τs（巖石的屈服剪切應(yīng)力）時，切削齒齒面以下巖石開始發(fā)生膨脹，并沿極限破壞面開始滑動。隨著滑移破壞面的移動，被破碎的巖屑將沿切削齒前面（或終止破壞面）流出，最后完成切削。即切削層從產(chǎn)生彈性變形到滑移破壞，被破碎的巖屑在高射流沖擊作用下迅速離開井底而流向環(huán)空的過程。其實質(zhì)是巖石在擠壓下以滑移變形方式切削，在鉆壓作用下能夠自銳地吃入地層，在扭矩作用下向前移動剪切巖石。

2.1.2 鉆進時的注意事項

（1）選擇螺桿鉆具 在選擇使用螺桿鉆具時，要結(jié)合油井的實際情況，按照各類型鉆具的性能規(guī)范，選擇合適的鉆具，避免鉆具超負荷工作。

（2）鉆桿剛性 在定向井或側(cè)鉆井中使用螺桿鉆具時，若用鋁合金鉆桿，應(yīng)將所計算的反扭角乘以3，因為鋁合金鉆桿的剛性大約是鋼鉆桿的1/3。

（3）采用適當(dāng)?shù)呐帕?因2種鉆具（納維和代納）同屬定排量容積式馬達，只要排量一定，其他參數(shù)也就隨之確定。只有將排量控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，才能使工具發(fā)揮最大的工作效能。

（4）含砂量的要求 泥漿中的固體顆粒對工具的危害性很大，若含砂量大于5%，工具效能將降低50%。嚴重時會使工具大修或報廢。因此，含砂量應(yīng)控制在0.3%～ 0.5%以下。

（5）要考慮井斜所產(chǎn)生的摩擦阻力 在確定定向井鉆壓時，應(yīng)考慮由于井斜產(chǎn)生的摩擦阻力。具體方法是采用實測法，即在不同的井段反復(fù)上提下放鉆具，從指重表上記錄每次的載荷變化，計算出摩阻值后，再附加到應(yīng)施加的鉆壓上，以確定軸承載荷。

（6）泵壓計算 在使用螺桿鉆具時，通過立管上壓力表的壓力變化，可較準(zhǔn)確地判斷鉆頭在井底的工作狀況以及鉆井參數(shù)的變化情況。所以在螺桿鉆具下井前，應(yīng)對3種壓力降進行較準(zhǔn)確的計算，即，在定排量下的鉆頭壓力降;在定排量下，全部鉆柱和地面管匯的壓力損失。計算可參考噴射鉆井的管匯壓力損失計算方法;要附加馬達空轉(zhuǎn)時的壓降。環(huán)空壓耗的計算，亦與噴射鉆井計算方法相同。

2.2 不同工況下使用螺桿鉆具時的注意事項

2.2.1 起下鉆過程

（1）將螺桿鉆具提上鉆臺后，用木棍向下壓旁通閥活塞，檢查能否正常工作。然后聯(lián)接方鉆桿，開泵觀察鉆具是否轉(zhuǎn)動。開泵時間不宜太長，只要能夠看見鉆頭轉(zhuǎn)動即可。

（2）下鉆至距井底0.50～1.00m左右，開泵并記錄此時的泵壓。

（3）在定向井下入鉆具測斜定向后，應(yīng)上提下放活動幾次鉆具（一般5～9 m左右），每次活動鉆具后間隔少許時間，以消除定向時由于鉆具轉(zhuǎn)動引起的扭力，確保彎接頭就位。

2.2.2 鉆進過程

下鉆完，距井底1 m左右啟動鉆具，并記錄立管壓力。然后慢慢加壓鉆進，直到壓力升至計算的立管壓力。在整個鉆進期間，要保證鉆壓穩(wěn)定，并密切注意泵壓的變化，要保證立管總壓降不大于該型鉆具允許的馬達最大壓降，若壓力突然上升的幅度較大，應(yīng)立即停泵并上提鉆具，然后重新啟動鉆具并鉆進。若多次調(diào)整無效，應(yīng)立即起鉆。

3結(jié)論

（1）控制螺桿鉆具壓降和排量和對于螺桿鉆具輸出性能至關(guān)重要。

（2）等壁厚定子螺桿鉆具和耐油耐高溫耐磨礪橡膠配方的研制是當(dāng)前螺桿鉆具研制的熱點和關(guān)鍵技術(shù)之一，其成功應(yīng)用可有效提高螺桿鉆具的性能，并延長使用時間。

（3）螺桿加PDC鉆頭復(fù)合鉆具有效的提高了大港油區(qū)的鉆井速度，并使井身質(zhì)量得到有效保證。

參考文獻：

[1]苗同勇，劉永旺，趙偉等.等壁厚螺桿鉆具及應(yīng)用[J].石油礦場機械，2011，40（10）：72-76.

[2]李明謙，黃繼慶.螺桿鉆具的應(yīng)用現(xiàn)狀及未來發(fā)展建議[J].石油機械，2006，34（5）：73-76.

[3]潘仁杰.螺桿鉆具控制井斜的理論分析與應(yīng)用研究[D].成都：西南石油大學(xué)，2003.

[4]李萌，于興勝，羅西超，等.螺桿鉆具的前沿技術(shù)[J].石油機械，2011，39（9）：19-22.