螺桿鉆進(jìn)工藝在青海共和干熱巖GR1 鉆井中的應(yīng)用

譚現(xiàn)鋒 ，王景廣 ，郭新強(qiáng) ，段隆臣

（1.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院（山東省地勘局第二地質(zhì)大隊(duì)），山東濟(jì)寧272100；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢），湖北武漢430074）

0 引言

干熱巖是不含或僅含少量流體，溫度高于180 ℃，其熱能在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下可以利用的巖體。干熱巖巖體可分為侵入巖、變質(zhì)巖和沉積巖等3 類［1］。未來干熱巖型地?zé)豳Y源的開發(fā)應(yīng)用主要取決于鉆井和人工儲層建造的費(fèi)用，較低的單井鉆井成本和較高的儲層熱交換速率將大大降低增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的開發(fā)成本。干熱巖鉆探在我國起步較晚，耐高溫鉆具和鉆井技術(shù)、高溫鉆井液技術(shù)也不夠成熟，主要是對地礦和石油行業(yè)現(xiàn)有鉆探技術(shù)進(jìn)行改良利用，尚未形成一套成熟的干熱巖高溫鉆井技術(shù)體系，從而嚴(yán)重制約了干熱巖鉆探的施工效率和質(zhì)量。為此，解決大口徑干熱巖鉆探關(guān)鍵技術(shù)問題，對于快速準(zhǔn)確探明我國干熱巖分布與儲量、干熱巖資源的開發(fā)與利用意義重大［2］。

在青海共和施工的DR3 井（孔深2927 m，孔底溫度 181 ℃）和 DR4 井（孔深 3102 m，孔底溫度178 ℃）以及在青海貴德扎倉溝施工的ZR1 井（孔深3050 m，孔底溫度151 ℃），均采用常規(guī)轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝。3 個(gè)鉆孔鉆遇地層均為花崗巖，其單軸飽和抗壓強(qiáng)度一般都在200 MPa 以上，具有硬度大、溫度高、地應(yīng)力大、研磨性強(qiáng)和可鉆性差等特性。在鉆探過程中發(fā)生多起掉塊卡鉆和鉆具斷裂事故，每天平均進(jìn)尺10 m 左右。為了提高在干熱巖高溫硬巖條件下的鉆進(jìn)效率，減少孔內(nèi)事故，縮短鉆井周期，2016 年在青海共和干熱巖資源勘查GR1 井（孔深3705 m，孔底溫度236 ℃）三開和四開鉆進(jìn)中采用了螺桿鉆進(jìn)工藝，并取得了良好的效果。

1 干熱巖GR1 井基本情況

根據(jù)干熱巖GR1 井實(shí)際鉆遇地層和綜合測井等地質(zhì)資料，本井鉆遇地層主要巖性自上而下見表1。

表1 GR1 井鉆遇地層及巖性特征Table 1 Stratigraphy and lithology at GR1

干熱巖GR1 井井身結(jié)構(gòu)共四開，終孔孔徑152.4 mm，見表2。為了滿足復(fù)合鉆進(jìn)需要，現(xiàn)場附屬設(shè)備主要配備了3NB-1300D 型泥漿泵和固控設(shè)備以及500 kW 變頻器1 臺，用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤電機(jī)，以便降低轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)盤原始最低轉(zhuǎn)速58 r/min，使用變頻器后最低轉(zhuǎn)速降至20 r/min 左右，相對更適合復(fù)合鉆進(jìn)。

表2 GR1 井井身結(jié)構(gòu)與鉆機(jī)型號Table 2 GR1 well structure and rig model

2 螺桿鉆具組合

螺桿鉆進(jìn)主要用于三開和四開，其鉆具組合：

三開鉆具組合：?215.9 mm 牙輪鉆頭+?165 mm 螺桿鉆具×1 根+?178 mm 鉆鋌×1 根+?215 mm 扶正器×1 根+?165 mm 鉆鋌×1 根+?159 mm 鉆鋌×4 根+?89 mm 鉆桿+?127 mm 鉆桿×n柱。

四開鉆具組合：?152.4 mm 牙輪鉆頭+接頭（0.51 m）+7LZ127×7.0v-G×1 根（4.81 m）+?121 mm 鉆鋌×6 根（55.39 m）+?89 mm 鉆桿×n柱。

3 螺桿鉆進(jìn)工藝

3.1 螺桿鉆具準(zhǔn)備

螺桿鉆具適用于各種類型、不同密度的鉆井液，包括淡水、鹽水、油基鉆井液，乳化鉆井液，高粘度鉆井液。使用螺桿鉆具應(yīng)控制鉆井液含砂量＜0.5%。

對于井底溫度比較高的井段，應(yīng)選用耐高溫的螺桿鉆具（常規(guī)螺桿的耐高溫指標(biāo)為120 ℃），一般的按孔底鉆井液循環(huán)溫度來選擇使用常規(guī)螺桿和耐高溫螺桿鉆具。

3.2 螺桿鉆具井口測試與入井

螺桿鉆具入井前要檢查規(guī)格型號、記錄系列號等相關(guān)數(shù)據(jù)，檢查絲扣、外觀等有無損壞，檢查旁通閥是否工作正常。如果是彎螺桿需檢查其彎度及彎向是否與標(biāo)記方向一致。丈量長度和內(nèi)外徑并做好記錄。

螺桿鉆具入井前要在井口進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)，并記錄壓降，如果壓降不正常不得入井，不得帶鉆頭試運(yùn)轉(zhuǎn)螺桿。下鉆時(shí)下鉆速度＜1.5 m/s。遇阻時(shí)應(yīng)開泵循環(huán)劃眼，應(yīng)視井下情況，間斷轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具防止劃出新井眼。在深井或井下高溫段的井況中，下鉆時(shí)要分段進(jìn)行循環(huán)，不可頓鉆或?qū)@具壓在井底。

3.3 螺桿鉆具入井鉆進(jìn)

螺桿鉆具下鉆至距井底2～3 m 開泵循環(huán)，小排量循環(huán)正常后，排量逐步加大到推薦泵量范圍，記錄此時(shí)空載泵壓，然后緩慢下放到孔底。高溫段增加鉆井液循環(huán)時(shí)間以便對孔底井段充分降溫，確?？椎诇囟葷M足螺桿鉆具正常使用。在初始使用時(shí)，工作前2 h 鉆壓和排量控制在使用說明書推薦的80%以內(nèi)，待鉆具軸承等部件得到磨合后，再逐漸增加鉆壓和排量至額定值。鉆井過程中密切注意泵壓變化，使鉆具在額定壓降范圍內(nèi)工作，防止憋泵。彎接頭或彎外管彎角＞1.5°時(shí)，不能采用復(fù)合鉆進(jìn)。在鉆時(shí)較慢時(shí)，注意活動(dòng)鉆具，防粘、卡鉆具。記錄螺桿鉆具的使用時(shí)間，不宜超過推薦的使用時(shí)間，并注意觀察上返鉆井液中是否含破損橡膠，以判斷螺桿橡膠是否疲勞損壞或高溫脆性損壞。

螺桿鉆具起出后，應(yīng)清洗干凈、保養(yǎng)絲扣。檢查各零部件的安全性（各部位絲扣有無刺壞、本體有無彎曲變形、軸承磨損與間隙配合、橡膠破損等），做好記錄，根據(jù)使用時(shí)間及螺桿鉆具使用手冊要求及時(shí)進(jìn)行維修。若暫停使用或長時(shí)間不用，應(yīng)向螺桿內(nèi)注入少量的機(jī)油以防腐蝕［3-10］。

3.4 螺桿鉆具入井鉆進(jìn)工況分析

螺桿鉆具使用工況相對比較寬松，但仍應(yīng)注意以下工況對螺桿鉆具正常工作的影響。

3.4.1 鉆井液

螺桿鉆具雖可適應(yīng)不同類型的鉆井液，但仍應(yīng)考慮下列因素的影響：在滿足正常鉆進(jìn)的前提下，盡量降低鉆井液的密度和粘度，鉆井液密度≯1.5 g/cm3，固相含量應(yīng)控制在0.5%以內(nèi)；鉆井液的pH值應(yīng)控制在4～10 之間，pH 值過高或者過低都會對螺桿鉆具的橡膠件產(chǎn)生腐蝕破壞作用，鉆井液中應(yīng)避免加入對橡膠件有害的化學(xué)成分；同時(shí)，鉆井液應(yīng)在地表進(jìn)行充分冷卻并確保其在井下不同工況下的穩(wěn)定性，以上原因都會加速螺桿鉆具橡膠件的加速老化，從而影響使用壽命。螺桿鉆具應(yīng)在鉆井液推薦的流量范圍內(nèi)使用，流量過大會導(dǎo)致螺桿鉆具的轉(zhuǎn)速過高，磨損加快，甚至?xí)p壞馬達(dá)；流量太小將導(dǎo)致螺桿鉆具輸出功率不足而不能正常工作［11］。

3.4.2 鉆壓與扭矩

在鉆井作業(yè)過程中，應(yīng)通過逐漸增加鉆壓，使螺桿鉆具的馬達(dá)壓降達(dá)到規(guī)定值的中上限并控制在推薦使用的最大鉆壓以內(nèi)，以保障螺桿馬達(dá)最大限度地提供輸出扭矩帶動(dòng)鉆頭并滿足鉆頭碎巖需要。同時(shí)，合理的鉆壓能夠改善推力軸承的受力狀態(tài)，作業(yè)時(shí)可參考螺桿鉆具技術(shù)參數(shù)表中的推薦鉆壓［12］。

3.4.3 螺桿鉆具與鉆頭的適配性

一般的螺桿鉆具對鉆頭水眼壓降都有推薦值，鉆頭水眼的大小決定了鉆頭與地層、鉆進(jìn)效率、螺桿鉆具的適配性。水眼過大或過小都將會降低螺桿鉆具的性能，所以在干熱巖鉆進(jìn)中應(yīng)做好鉆頭選型，確保螺桿鉆具、鉆頭與地層達(dá)到完美的適配性，最大限度地提高鉆進(jìn)效率［13］。

3.4.4 螺桿鉆具與井溫的適配性

為滿足GR1 井高溫井段鉆井的需求，與螺桿鉆具生產(chǎn)廠家對耐高溫螺桿馬達(dá)從抗高溫、抗疲勞、耐研磨等方面對橡膠材料進(jìn)行了優(yōu)選和改進(jìn)，并優(yōu)化調(diào)整了定子與轉(zhuǎn)子間的配合間隙。在青海共和GR1 井現(xiàn)場應(yīng)用了兩種型號的鉆具：低溫段使用7LZ127 型螺桿鉆具，高溫段使用7LZ127×7.0-3XSF 型耐高溫螺桿鉆具替代普通螺桿鉆具。

4 螺桿鉆進(jìn)評價(jià)

4.1 螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)平均鉆速

結(jié)合國內(nèi)實(shí)施的類似地層采用的不同鉆進(jìn)方式進(jìn)行干熱巖施工的鉆井，對山東利津干熱巖GRY1 井、福建漳州東南沿海實(shí)施的中國地質(zhì)調(diào)查局干熱巖HDR-1 科學(xué)鉆探工程井、青海共和干熱巖勘探GR1 井平均鉆速進(jìn)行了對比，具體技術(shù)指標(biāo)見表3。從表3 中可以看出，在孔深和溫度均增加、鉆機(jī)能力和附屬設(shè)備與施工孔深不匹配的工況下，螺桿鉆進(jìn)平均鉆速仍比常規(guī)鉆進(jìn)鉆速提高36%，若采用石油ZJ40 型鉆機(jī)施工，鉆機(jī)扭矩與附屬設(shè)備均能發(fā)揮最佳功效配合復(fù)合鉆進(jìn)，平均鉆速仍會大幅提高。

4.2 鉆頭與干熱巖地層的適配性

從表4 可以看出，螺桿鉆進(jìn)效率要遠(yuǎn)高于常規(guī)鉆進(jìn)效率，但是在現(xiàn)場鉆進(jìn)過程中因過多的考慮鉆機(jī)性能和成本因素，牙輪鉆頭的選型和與螺桿鉆具的適配性仍需要進(jìn)一步優(yōu)化、仍沒有發(fā)揮各自的最大效能，主要存在以下問題：

表3 不同工況下平均鉆速Table 3 Average drilling rate under different working conditions

表4 不同型號鉆頭使用情況統(tǒng)計(jì)（全孔花崗巖地層統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)）Table 4 Consumption of different types of drill bits (all hole granite formation)

（1）因干熱巖賦存地層為花崗巖，地層具有的高溫、高研磨性，牙輪鉆頭在高溫、高轉(zhuǎn)速、高研磨性下的保徑和耐高溫問題。

（2）螺桿鉆具與高速旋轉(zhuǎn)下的牙輪鉆頭適配性問題，牙輪鉆頭在轉(zhuǎn)盤+螺桿鉆具的復(fù)合驅(qū)動(dòng)下，

4.3 螺桿鉆進(jìn)工藝在高溫工況下失效分析

在青海共和GR1 井鉆進(jìn)施工至2100 m 以后（后期該段測溫溫度122 ℃），常溫螺桿鉆具工作環(huán)境溫度逐漸達(dá)到其額定要求，由于鉆井液對螺桿鉆具和孔底的冷卻降溫，仍可使螺桿鉆具正常鉆進(jìn)，但使用壽命和鉆進(jìn)效率逐步降低。隨著繼續(xù)鉆進(jìn)和深度及溫度的增加，造成螺桿定子橡膠受高溫影響逐步加速老化。鉆進(jìn)至井深2500 m 時(shí)（后期該段測溫溫度146 ℃），在下鉆鉆進(jìn)很短的時(shí)間內(nèi)鉆井機(jī)械鉆速瞬時(shí)下降，隨后在鉆井液中發(fā)現(xiàn)有橡膠碎塊隨鉆井液返出孔口，提鉆檢查發(fā)現(xiàn)定子橡膠磨損掉塊脫落造成螺桿鉆具損壞，剩余井段更換為高溫螺桿鉆具。

根據(jù) GR1 井場在 2100～2500、2500～3700 m 井段螺桿鉆具使用情況和現(xiàn)場實(shí)際工況分析，螺桿鉆具失效情況主要是熱失效，具體原因如下：

（1）定子橡膠是粘彈性材料耐溫級別低，在干熱能否在高溫、高壓、高硬度和高地應(yīng)力的工況下實(shí)現(xiàn)高效率的碎巖。只有將以上問題解決了并進(jìn)一步提高與鉆機(jī)性能的整體高匹配性，才能發(fā)揮各個(gè)環(huán)節(jié)的優(yōu)勢，才能實(shí)現(xiàn)干熱巖鉆井的高效鉆進(jìn)、成本降低和效率提高［14-16］。

巖井底高溫工況下以及工作過程中定子橡膠受鉆井液壓力和轉(zhuǎn)子反作用力的交變應(yīng)力的影響產(chǎn)生部分遲滯熱，在雙工況下導(dǎo)致定子橡膠加速磨損失效。

（2）定子外殼與橡膠之間的粘接劑強(qiáng)度會因高溫的影響而逐漸降低，當(dāng)橡膠的粘結(jié)強(qiáng)度低于所受力時(shí)易出現(xiàn)粘連脫落，出現(xiàn)橡膠脫落失效。

5 結(jié)論

（1）經(jīng)過對耐高溫螺桿馬達(dá)從抗高溫、抗疲勞、耐研磨等方面對橡膠材料進(jìn)行優(yōu)選和改進(jìn)，并優(yōu)化調(diào)整了定子與轉(zhuǎn)子間的配合間隙后，螺桿鉆進(jìn)工藝經(jīng)受住了干熱巖地層的高溫、高壓、高地應(yīng)力和高研磨性及高硬度的考驗(yàn)。

（2）螺桿鉆具的輸出功率、流量、結(jié)構(gòu)參數(shù)與鉆井液密度和穩(wěn)定性等有關(guān)，建議進(jìn)一步加大對綠色環(huán)保、高溫穩(wěn)定性好、易于降溫冷卻、固相含量低、攜粉能力強(qiáng)、高溫漏失地層隨鉆堵漏適應(yīng)性強(qiáng)和施工成本低的鉆井液進(jìn)行研究。

（3）在高溫干熱巖鉆進(jìn)工況下，螺桿鉆進(jìn)工藝與常規(guī)鉆進(jìn)工藝相比鉆速仍能大大提高。