高效螺桿在吉木薩爾頁巖油鉆井中的應(yīng)用

周磊 李應(yīng)新 于貴健 陳思楊(中國石油集團西部鉆探準(zhǔn)東鉆井公司，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，推動這對煤、石油、天然氣等常規(guī)能源的需求不斷增加。目前，常規(guī)能源開采已達(dá)到70%以上，能源供需矛盾不斷升級。頁巖氣、頁巖油、致密油等非常規(guī)能源逐漸得到人們的廣泛關(guān)注[1]。新疆油田準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組主力開發(fā)層系薄，儲層構(gòu)造簡單、儲量巨大、物性差、自然產(chǎn)能低或無自然產(chǎn)能，甜點體主要受儲層物性和巖性控制，動用難度大，開發(fā)效益差，多井低產(chǎn)形勢嚴(yán)峻，針對蘆草溝組上甜點體與下甜點體主要采用水平井開發(fā)，增大泄油面積，提高單井產(chǎn)量。在油氣勘探施工中，特別是定向井、水平井鉆井作業(yè)，螺桿鉆具作為目前使用最廣泛的一種井下動力鉆具，螺桿鉆具配合PDC 鉆頭的復(fù)合鉆井技術(shù)，不但能提高鉆井機速，還可以提高單只鉆頭進(jìn)尺，從而獲得很好的經(jīng)濟效益。

1 螺桿鉆具的發(fā)展進(jìn)程

20 世紀(jì)30 年代，法國工程師 Re-ne.Moneau 根據(jù)阿基米德螺旋泵的原理，成功研制出單螺桿泵。60 年代美國Dyna 公司根據(jù)莫因諾原理研究Dyna-Drill 單彎螺桿鉆具。70 年代初蘇聯(lián)研究成功“凸”型螺桿鉆[2]。我國于20 世紀(jì)80 年代由北京石油機械廠和大港油田總機廠共同引進(jìn)螺桿鉆具技術(shù)，此后經(jīng)過近40 年的發(fā)展，我在螺桿鉆研發(fā)與制造技術(shù)方面已經(jīng)取得很大的進(jìn)步與突破[3]。目前，我國有30 多個廠商可以生產(chǎn)不同規(guī)格的螺桿鉆具，其使用壽命四百多個小時，尺寸范圍從Φ43mm 到305mm，彎角度數(shù)從0°至3.0°多個級別，可以滿足鉆井的不同需求。

2 螺桿鉆具的工作原理

螺桿鉆具是靠循環(huán)鉆井液的動能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)鉆頭破碎巖石的機械能的井下動力鉆具，其主要由傳動軸總成、馬達(dá)總成、萬向軸總成、防掉總成和旁通閥總成五大部分組成。馬達(dá)總成是螺桿鉆具動力核心部分，螺桿鉆具的馬達(dá)分單頭和多頭兩種，馬達(dá)是由轉(zhuǎn)子和定子組成，轉(zhuǎn)子螺旋線頭多少決定了馬達(dá)能力的大小。多線頭螺桿鉆具有功率大、轉(zhuǎn)速低、扭矩大、壓降小、容易啟動等優(yōu)點，目前被廣泛應(yīng)用。通過對螺桿理論輸出扭矩計算可得[4]：螺桿鉆具的輸出扭矩與螺桿的壓降值是正比關(guān)系。鉆進(jìn)時增加鉆壓，流經(jīng)螺桿的壓降增加，螺桿輸出扭矩同比增加，有助于井底切削力矩增加，提高鉆頭破巖效果。

式中：NT為螺桿理論輸出扭矩；ΔP為過流螺桿馬達(dá)鉆井液壓力差；AG為螺桿轉(zhuǎn)子過流面積；i為轉(zhuǎn)子的螺旋線頭數(shù)；Ts為定子導(dǎo)程。

3 螺桿水平段穩(wěn)斜機理研究

在水平井鉆井過程中，隨著水平段不斷延伸，選擇正確的螺桿鉆具組合，不僅可以提高復(fù)合鉆進(jìn)時率，提高井眼平滑度，還可以提高機械鉆速，提高單趟進(jìn)尺。通過對螺桿鉆具的不同外徑、彎角和扶正器尺寸的研究，分析各因素對水平井穩(wěn)斜的影響，優(yōu)選螺桿鉆具組合，提高水平井鉆井速度。

綜合摩阻值對比和屈曲分析可以得出：螺桿的尺寸越大，鉆進(jìn)時摩阻越大，鉆具越容易發(fā)生屈曲；螺桿尺寸太小，既不能滿足強度要求，空隙過大，易形成巖屑床，嚴(yán)重影響水平井的鉆井施工。通過計算不同螺桿尺寸下的環(huán)空凈化能力可得：Φ165mm、Φ172mm、Φ197mm 螺桿鉆具分別攜巖比為0.482、0.625、0.704，要達(dá)到良好的井眼凈化效果，攜巖比應(yīng)大于0.5[5]。

在設(shè)定井斜=90°；鉆壓=80kN；鉆具轉(zhuǎn)速=60r/min 條件下，通過計算研究螺桿鉆具不同彎角和不同扶正器尺寸對穩(wěn)斜的影響。根據(jù)數(shù)值模擬可知[6]，螺桿鉆具結(jié)構(gòu)彎角的度數(shù)和扶正器尺寸對鉆頭側(cè)向力的影響和螺桿鉆具結(jié)構(gòu)彎角的度數(shù)和扶正器尺寸對井斜角的影響幾乎是一致的，而且均為正的。

依據(jù)上述結(jié)論，頁巖油水平井施工優(yōu)選7 頭、6 級、Ф172mm中高速大功率螺桿，具體參數(shù)見表1。該系列螺桿采用硬橡膠，工作性能更穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速波動小，輸出扭矩更穩(wěn)定，可延長鉆頭使用壽命；水平段專用螺桿鉆具采用欠尺寸扶正塊，更有利于水平段穩(wěn)斜鉆進(jìn)。

4 現(xiàn)場應(yīng)用分析

吉木薩爾頁巖油水平井平均水平段1500～2000m，目的層蘆草溝埋深2700～4100m。針對頁巖油鉆井施工面臨儲層多巖性復(fù)雜、區(qū)塊內(nèi)斷裂發(fā)育、局部微構(gòu)造變化大、水平段鉆進(jìn)過程中面臨摩阻扭矩大、井眼清潔困難、鉆壓傳遞效率低等技術(shù)難題，進(jìn)行高效PDC 鉆頭優(yōu)選，優(yōu)化了水平段水力振蕩器大功率螺桿+高效PDC 鉆頭提速組合，開展水平段螺桿鉆進(jìn)實驗?，F(xiàn)場應(yīng)用7 口井其中4 口井一趟鉆完成水平段進(jìn)尺，3 口井兩趟鉆完成水平段進(jìn)尺，水平段單趟最高進(jìn)尺1756m，最高機速達(dá)11.74m/h，較區(qū)塊常規(guī)螺桿提高進(jìn)4 倍。

通過表2 中數(shù)據(jù)可得：高效螺桿鉆具+高效PDC 鉆頭的復(fù)合鉆井技術(shù)，在頁巖油區(qū)塊水平井鉆井中能夠?qū)崿F(xiàn)快速鉆進(jìn)，單趟進(jìn)尺與機械鉆速比常規(guī)螺明顯要高，大大縮短鉆井周期，節(jié)約提下鉆時間，節(jié)約鉆井成本，極大地提高了經(jīng)濟效益。優(yōu)選該系列高效螺桿，配合欠尺寸扶正塊，在頁巖油頻繁調(diào)整井眼軌跡中發(fā)揮獨特的優(yōu)越性能，不斷刷新區(qū)塊水平段鉆進(jìn)紀(jì)錄。

表1 德石Ф172mm螺桿鉆具參數(shù)

表2 水平段螺桿施工效果統(tǒng)計表

5 結(jié)語

在通過多口井的實驗和推廣，選擇合適螺桿鉆具，配合高效破巖鉆頭，合理強化鉆井參數(shù)，在吉木薩爾頁巖油水平井鉆井中機械鉆速得到明顯提高。(1)高效螺桿鉆具+個性化PDC鉆頭的復(fù)合鉆井技術(shù)，通過螺桿輸出大扭矩，有助于井底切削力矩增加，提高鉆頭破巖效果。(2)吉木薩爾頁巖油儲層?xùn)|高西低，選用7LZ172-1.25°螺桿鉆具有助于水平段井眼軌跡控制，能便于井眼清潔，發(fā)揮螺桿鉆具最大效能。(3)在水平段鉆具組合中合適位置增加水力振蕩器，能有效解決鉆具托壓，起到減摩降阻作用，提高水平段的延展。(4)選用合理的鉆具選型與組合、選用合理的鉆井參數(shù)，可以減少大井斜情況下的滑動井段，有利于提高機械鉆速。