周磊 李應(yīng)新 于貴健 陳思楊(中國石油集團西部鉆探準東鉆井公司,新疆 克拉瑪依 834000)
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尺,從而獲得很好的經(jīng)濟效益。
20 世紀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80 年代由北京石油機械廠和大港油田總機廠共同引進螺桿鉆具技術(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。
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。馬達總成是螺桿鉆具動力核心部分,螺桿鉆具的馬達分單頭和多頭兩種,馬達是由轉(zhuǎn)子和定子組成,轉(zhuǎn)子螺旋線頭多少決定了馬達能力的大小。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。
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)合鉆進時率,提高井眼平滑度,還可以提高機械鉆速,提高單趟進尺。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。
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實驗。現(xiàn)場應(yīng)用7 口井其中4 口井一趟鉆完成水平段進尺,3 口井兩趟鉆完成水平段進尺,水平段單趟最高進尺1756m,最高機速達11.74m/h,較區(qū)塊常規(guī)螺桿提高進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,單趟進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)塊水平段鉆進紀錄。
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
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。