深井頁巖氣開發(fā)螺桿鉆具優(yōu)選與應(yīng)用

楊國彬 韓昊辰 李萬軍 劉會峰 張國斌

中國石油集團工程技術(shù)研究院有限公司，中國·北京 102206

1 引言

近年來，深層頁巖氣開發(fā)已取得了長足發(fā)展，但工程上仍存在一些技術(shù)問題，鉆頭和螺桿鉆具使用壽命短，起下鉆頻繁，嚴(yán)重影響了作業(yè)效率，尤其在造斜段鉆遇易破碎性地層，狗腿度大，造斜能力低。根據(jù)已完鉆的91 口水平井統(tǒng)計結(jié)果，二開高研磨硬質(zhì)地層使用螺桿根3～4 根，三開需用2～3 根螺桿。通過有針對性的分析研究，開展螺桿鉆具優(yōu)選及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，為高效鉆井提供技術(shù)支撐，并取得了較好的現(xiàn)場應(yīng)用效果。

2 地質(zhì)及工程特點

深井鉆井地質(zhì)條件復(fù)雜，表層地層松軟、存在礫石，40m 左右普遍發(fā)生漏失，盲打至70m 易發(fā)生鉆井液失返。二開地層以頁巖和砂巖為主，間雜石灰?guī)r和白云巖，地層均質(zhì)性較差，硬度為中硬～硬。三開儲層段地層研磨性強、可鉆性級別高，且屬于異常高壓。

3 螺桿鉆具優(yōu)選

頁巖氣開發(fā)中，通常采用螺桿鉆具，在直井段具有顯著的提速作用，單彎螺桿鉆具則常用于井段造斜，糾斜以及扭方位施工，這使得螺桿鉆具在頁巖氣井使用能極大地增加單鉆頭進(jìn)尺，提高機械鉆速，減少鉆井時間。螺桿鉆具已基本成為北美頁巖氣鉆井中的標(biāo)配[1]，螺桿鉆具的選型對工程提速差別很大。

3.1 等壁厚螺桿鉆具情況

與常規(guī)螺桿鉆具定子不同，等壁厚螺桿鉆具定子實現(xiàn)了橡膠層的均勻厚度，改善了螺桿工作時散熱性能，不會產(chǎn)生熱積聚效應(yīng)，減緩了橡膠的熱老化，提高工具使用壽命；薄且壁厚均勻的橡膠層在運動過程中抗變形的能力好，因而單級承壓高；等壁厚定子橡膠襯套溶脹、溫脹均勻，能較好地保證鉆具的型線，提高密封性能[2]，增強轉(zhuǎn)子/定子共軛副密封性，提升馬達(dá)單位長度輸出扭矩[3]。

3.2 等壁厚螺桿對比

為應(yīng)對常規(guī)螺桿壽命低、起鉆頻繁的問題，眾多油服企業(yè)及螺桿供應(yīng)商都研發(fā)了定子等壁厚螺桿。

3.2.1 斯倫貝謝DynaForceDTX 系列

斯倫貝謝DynaForce DTX 系列基于一種創(chuàng)新型高扭矩傳輸驅(qū)動軸設(shè)計，可大幅提升惡劣地層條件下的鉆進(jìn)效果。其薄壁設(shè)計可通過增加輸出功率來獲取最大的機械鉆速，減小螺桿失速同時還可提升導(dǎo)向效率[4]。此外，動力單元和底部功能單元一體化設(shè)計，可以有效提升工具的可靠性，尤其是對硬地層和多夾層地層有著很好的應(yīng)用。

DynaForce DTX 系列主要技術(shù)參數(shù)見表1。

3.2.2 NOV Vector50DTX 系列

NOV Vector50 DTX 系列螺桿鉆具采用萬向節(jié)設(shè)計，特點是扭矩傳遞面和傳動軸直徑比傳統(tǒng)的軸徑大25%。更大的傳動軸使電機能提供特殊的扭矩能力和可靠性。與100%過流技術(shù)相結(jié)合，可實現(xiàn)最大的鉆井效率[5]。

NOV Vector50DTX 系列主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 NOV Vector50DTX 系列主要技術(shù)參數(shù)

3.2.3 哈里伯頓的GeoForce XL 系列

HLB 的GeoForce XL 系列[6]可提供更大的扭矩輸出，設(shè)計有堅固的泥漿潤滑或密封軸承總成。與常規(guī)螺桿鉆具相比，可多提供80%的功率，增加65%扭矩及負(fù)載增加50%的工作壓差。該產(chǎn)品應(yīng)用會減少起鉆次數(shù)、增大進(jìn)尺并有助于提速。

GeoForce XL EvenWall 定子和整機示意圖見圖1。

圖1 GeoForce XL EvenWall 定子和整機示意圖

3.3 等壁厚螺桿優(yōu)選結(jié)果

通過對比，優(yōu)選HALLIBURTON 的GeoForceXL 馬達(dá)[7]，并將常規(guī)橡膠定子優(yōu)化為EvenWall 等壁厚定子，增強了在高溫高壓環(huán)境下的穩(wěn)定性，減少了震動，延長了鉆頭和馬達(dá)的壽命。對比傳統(tǒng)馬達(dá)勉強在580psi 的壓差下工作，GeoForceXL 可在940psi 壓差下保持穩(wěn)定，最高可達(dá)1160psi，扭矩增加70%，鉆壓增加100%，能夠在破碎地層中保持較高的造斜率，實現(xiàn)造斜段和水平段一起鉆進(jìn)。

4 鉆具組合及參數(shù)優(yōu)化

4.1 鉆具組合

通過不斷總結(jié)和優(yōu)選，基本形成了成熟的各井段鉆具組合提速定向配套工具。

表層：349.3mm PDC 鉆頭+241.3mm 馬達(dá)+NMDC+MWD+NMDC+減震器+X/O+165mm 鉆鋌+震擊器+165mm 鉆鋌+X/O++114mmHWDP。

中間段：222mmPDC 鉆頭+194mm 馬達(dá)+NMDC+MWD+NMDC+過濾短節(jié)+X/O+114mm HWDP+震擊器+114mmHWDP+101.6mm 鉆桿+114mmHWDP。

造斜段+水平段：171.5mmPDC 鉆頭+123mm 馬達(dá)+無磁PONY+NMDC+MWD+無磁DC+過濾短節(jié)+114mmHWDP+震擊器+114mmHWDP+101.6mm 鉆桿+114mmHWDP+101.6mm 鉆桿。

4.2 工程參數(shù)優(yōu)化

優(yōu)選鉆具組合后，根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的作業(yè)能力、工況及大量歷史數(shù)據(jù)，對水力參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。將排量由0.9 m3/min提升至1.1m3/min，泵壓由27MPa 優(yōu)化到41MPa，提高循環(huán)能力，確保水平段井眼清潔，減少巖屑床的形成；鉆壓由8～9 噸提高至13～14t，轉(zhuǎn)速由50rpm 提升至100rpm，有效提升鉆頭的破巖能力以及鉆進(jìn)效率。通過鉆井參數(shù)的優(yōu)化，水平段機械鉆速由15m/h 提升至49m/h，效果明顯。

表3 鉆井參數(shù)優(yōu)化對比

5 結(jié)語

通過優(yōu)化研究和實踐，形成了適合北美頁巖氣高效開發(fā)的“高性能螺桿GeoForce XL 馬達(dá)+高效PDC”配套系列工具，效果顯著：北部區(qū)塊表層鉆速76m/h，直井段9～45.7m/h，水平段達(dá)到16.8m/h；南部區(qū)塊表層鉆速39.6m/h，直井段9～35.4m/h，水平段達(dá)到13.4m/h，2020年全井平均機械鉆速達(dá)到25m/h。單井鉆井周期從49 天縮減到28 天，工程提速42.9%，其取得的良好經(jīng)濟效益可以為國內(nèi)的非常規(guī)油氣的開發(fā)提供了借鑒。