蘇里格南區(qū)塊鉆井工具改進(jìn)研究

宋蘇涵，宋 燁，范 英

（中國(guó)石油渤海石油裝備鉆井裝備分公司，天津 300280）

1 研究背景

蘇里格南區(qū)塊位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂托克前旗南部地區(qū)毛烏素沙漠南部，近年來(lái)蘇里格南區(qū)塊的鉆井工程施工以小井眼的工程設(shè)計(jì)為主導(dǎo)。小井眼鉆井施工具有成本低、環(huán)境污染小等優(yōu)勢(shì)，為油氣田開(kāi)發(fā)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。油氣田建設(shè)方在該區(qū)塊90%以上井位采用該方案進(jìn)行鉆進(jìn)施工，以達(dá)到節(jié)約投資的目的。

該區(qū)塊實(shí)施小井眼施工的井身結(jié)構(gòu)為二開(kāi)五段制定向井，造斜點(diǎn)一般為表層400～500 m 處，表層完鉆井深600～800 m。國(guó)內(nèi)此類(lèi)的小井眼井鉆井施工難度大[1]。本文重點(diǎn)介紹針對(duì)該區(qū)塊小井眼井的螺桿鉆具個(gè)性化設(shè)計(jì)及使用效果，為今后蘇里格油氣田以及國(guó)內(nèi)其他地區(qū)實(shí)施此類(lèi)井身結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)提供經(jīng)驗(yàn)。

2 現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)技術(shù)需求

長(zhǎng)慶油氣田蘇里格南區(qū)塊某平臺(tái)07i 井地質(zhì)層位情況見(jiàn)表1。

表1 蘇里格南區(qū)塊某井地質(zhì)層位情況

3 鉆井工具改進(jìn)方案

3.1 原方案

使用127 mm 螺桿鉆具，工具新度100%，使用短幅馬達(dá)線型結(jié)構(gòu)。采用定子輪廓掃描技術(shù)控制輪廓線型的加工精度，根據(jù)精確測(cè)量的定子輪廓線型優(yōu)化轉(zhuǎn)子配合線型。在對(duì)扭矩影響不大的條件下，轉(zhuǎn)速最高196 r/min，機(jī)械鉆速穩(wěn)定，二開(kāi)段平均22.48 m/h。

應(yīng)用于某平臺(tái)09 井，在安定組至劉家溝組的上部地層，使用高速中扭矩螺桿鉆具，具備高抗研磨的耐磨帶，傳動(dòng)軸殼體使用耐磨合金柱支撐，馬達(dá)轉(zhuǎn)速更高，適應(yīng)可鉆性高的上部地層，提高機(jī)械鉆速。劉家溝組至本溪組的下部地層，使用低速高扭矩螺桿鉆具，具備高抗研磨的耐磨帶，傳動(dòng)軸殼體使用耐磨合金柱支撐，扭矩更大，馬達(dá)轉(zhuǎn)速相對(duì)更低，更適應(yīng)下部地層，有力支持鉆進(jìn)破巖、傳遞扭矩。

3.2 改進(jìn)方案

（1）馬達(dá)總成：全新設(shè)計(jì)127 mm 螺桿鉆具馬達(dá)，馬達(dá)線型使用內(nèi)擺線結(jié)構(gòu)，增大了配合尺寸。定子橡膠配方采用全新設(shè)計(jì)思路，使用反應(yīng)型增硬劑及納米級(jí)內(nèi)潤(rùn)滑劑，有效的解決了高硬度橡膠定子生產(chǎn)加工問(wèn)題，使定子橡膠硬度由75 HA 提升至90 HA，賦予馬達(dá)更大的動(dòng)力和輸出扭矩。使用激光全輪廓掃描技術(shù)全面掌握定子內(nèi)螺旋輪廓尺寸，指導(dǎo)轉(zhuǎn)子螺旋線型加工提升馬達(dá)配合精度，從而使馬達(dá)獲得更好的密封性能。

與改進(jìn)前相比，全新設(shè)計(jì)的127 mm 螺桿鉆具馬達(dá)最高轉(zhuǎn)速基本相同、輸出扭矩提升近50%，有效應(yīng)對(duì)不同地層夾層，提升破巖效果。

為了保證輸出性能的穩(wěn)定，降低高參數(shù)下的螺桿鉆具性能損耗，對(duì)定子提供保護(hù)，采用更大扭矩的硬橡膠螺桿鉆具于該區(qū)塊小井眼全井段。該型號(hào)轉(zhuǎn)速相對(duì)低，但在排量、鉆壓接近極限參數(shù)的條件下性能接近，在可鉆性更差的劉家溝組、石千峰組地層適應(yīng)性更強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)下部地層的有效鉆進(jìn)，有利于提升整體平均機(jī)械鉆速，提升二開(kāi)“一趟鉆”的完鉆能力。馬達(dá)改進(jìn)前后的動(dòng)力參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 螺桿參數(shù)對(duì)比

（2）旁通閥總成：使用一體式接頭，未采用旁通閥總成設(shè)計(jì)，避免旁通閥孔失效造成意外泄壓、螺桿失速。

（3）傳動(dòng)軸總成：為了適應(yīng)鉆進(jìn)施工中提高機(jī)械鉆速、強(qiáng)化參數(shù)對(duì)工具強(qiáng)度的需求，傳動(dòng)軸選用高強(qiáng)度材料，優(yōu)化內(nèi)部應(yīng)力，優(yōu)化熱處理工藝，在原有40CrNiMo 鋼的基礎(chǔ)上提高強(qiáng)度，相比原有的Ф127 mm 公稱(chēng)直徑總成更適合激進(jìn)鉆井參數(shù)，可適應(yīng)最大12 t 鉆壓。采用防托壓結(jié)構(gòu)，可有效降低摩阻達(dá)15%以上，降低滑動(dòng)鉆進(jìn)期間的脫壓現(xiàn)象。整機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高鉆具造斜能力，減少滑動(dòng)鉆進(jìn)，提高時(shí)效。

（4）萬(wàn)向軸總成：為滿(mǎn)足螺桿高壽命需求，在易磨損的萬(wàn)向軸總成采用弧形滾柱設(shè)計(jì)，降低磨損率，有效降低磨損率，提高萬(wàn)向軸總成壽命50%（原型總成平均使用壽命120 h，加粗后壽命達(dá)190 h 以上），有效提高鉆具整體壽命、保障鉆進(jìn)穩(wěn)定，同時(shí)提高傳動(dòng)扭矩傳遞能力，萬(wàn)向軸扭矩傳遞效率提高18%。

改進(jìn)方案計(jì)劃應(yīng)用于該區(qū)塊某平臺(tái)07i 井，該井設(shè)計(jì)井深3826 m，一開(kāi)215.9 mm 井眼，井深793 m；二開(kāi)152.4 mm 井眼，井段793～3826 m。該區(qū)塊井位表層可鉆性較好，機(jī)械鉆速提升空間小，需重點(diǎn)圍繞二開(kāi)進(jìn)行127 mm 螺桿鉆具優(yōu)選和個(gè)性化改進(jìn)設(shè)計(jì)。

二開(kāi)鉆進(jìn)大體分為三部分完成，第一部分為造斜段，延續(xù)表層的造斜軌跡，設(shè)計(jì)最大井斜20°，需求人工造斜能力完成井身軌跡要求，定向井連續(xù)三點(diǎn)（90 m 井段）全角變化率：造斜、扭方位井段≤5°/30 m，穩(wěn)斜井段≤2°/30 m，降斜井段≤3°/30 m；第二部分為穩(wěn)斜段，需求較高的機(jī)械鉆速和穩(wěn)斜性能，主要進(jìn)行穩(wěn)斜鉆進(jìn)；第三部分為降斜段，順應(yīng)石盒子組—本溪組地層的自然降斜趨勢(shì)，鉆進(jìn)至全井完鉆。

二開(kāi)鉆進(jìn)使用公稱(chēng)尺寸127 mm 螺桿鉆具，提速空間大，對(duì)螺桿鉆具優(yōu)選和個(gè)性化改進(jìn)設(shè)計(jì)要求較高[2]。為了提升鉆井機(jī)械鉆速，在原有二開(kāi)鉆具組合基礎(chǔ)上進(jìn)行井下作業(yè)工具的改進(jìn)，并在該井眼鉆進(jìn)中進(jìn)行試驗(yàn)。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

施工簡(jiǎn)況：該改進(jìn)型號(hào)127 mm 螺桿鉆具于2022 年5 月初上井使用，5 月20 日二開(kāi)入井鉆進(jìn)，2022 年5 月29 日二開(kāi)完鉆。蘇里格南區(qū)塊兩井施工參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 蘇里格南區(qū)塊兩井鉆進(jìn)參數(shù)對(duì)比

使用期間，二開(kāi)平均機(jī)械鉆速25.56 m/h，其中定向鉆進(jìn)155 m，定向純鉆時(shí)間23.47 h；復(fù)合鉆進(jìn)2205 m，復(fù)合純鉆時(shí)間68.86 h，在循環(huán)立壓低1 MPa 的情況下，鉆進(jìn)立壓一致，扭矩在2000 m 前稍大，在2000 m 以后扭矩相對(duì)鄰井小1 kN·m；定向鉆進(jìn)時(shí)有輕微釋放現(xiàn)象。對(duì)比鄰井的數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)圖1和表4。

圖1 鉆進(jìn)時(shí)效對(duì)比

表4 鉆進(jìn)時(shí)效對(duì)比

使用改進(jìn)后的螺桿鉆具服務(wù)后，在井身軌跡、地層條件、選用鉆頭、鉆進(jìn)參數(shù)基本一致的情況下，提升3.30%；在滑動(dòng)鉆進(jìn)進(jìn)尺縮減17.52%的條件下，滑動(dòng)鉆進(jìn)純鉆時(shí)間大幅降低48.10%，滑動(dòng)鉆進(jìn)平均機(jī)械鉆速整體提升59%。由此可見(jiàn)，使用改進(jìn)后的127 mm螺桿鉆具，對(duì)滑動(dòng)鉆進(jìn)效率的提升幅度較大，在縮短滑動(dòng)比、提升滑動(dòng)鉆進(jìn)效率而保障更多純鉆時(shí)間用于復(fù)合鉆進(jìn)的角度上，起到了較大作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

該平臺(tái)07i 井按照設(shè)計(jì)施工要求，安全、圓滿(mǎn)、高效完成了施工任務(wù)，比較而言，改進(jìn)螺桿鉆具在復(fù)合鉆進(jìn)、滑動(dòng)鉆進(jìn)中均對(duì)機(jī)械鉆速的提升起到了積極作用，有效降低了滑動(dòng)比，由于輸出動(dòng)力提升，滑動(dòng)鉆進(jìn)方面的提升幅度相對(duì)于復(fù)合鉆進(jìn)方面更大。

螺桿鉆具與PDC 鉆頭應(yīng)當(dāng)具有良好的匹配性，較高的馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速可以發(fā)揮PDC 鉆頭的切削效果，而低轉(zhuǎn)速、大扭矩的動(dòng)力輸出可保護(hù)PDC 鉆頭復(fù)合片切削齒免于提前損壞。同時(shí)PDC 鉆頭的水眼要大小合適，既要確保軸承得到良好的潤(rùn)滑，又要避免通過(guò)過(guò)多的泥漿對(duì)軸承產(chǎn)生沖蝕。在此次6″小井眼的對(duì)比試驗(yàn)中，低轉(zhuǎn)速、大扭矩的動(dòng)力輸出總體上更加節(jié)約鉆進(jìn)時(shí)間，提高了生產(chǎn)施工效率，為下一步鉆井提速與區(qū)塊開(kāi)發(fā)、鉆具組合的改進(jìn)提供了可靠參考。完成二開(kāi)整體進(jìn)尺增加2.25%的同時(shí)，整體純鉆時(shí)間縮短6.87%，平均機(jī)械鉆速整體提升9.7%，兩井復(fù)合鉆進(jìn)與滑動(dòng)鉆進(jìn)的數(shù)據(jù)對(duì)比參考圖2 和表5。

圖2 復(fù)合、滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)效對(duì)比

表5 復(fù)合、滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)效對(duì)比

對(duì)二開(kāi)鉆進(jìn)的具體數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，在相近的軌跡下，改進(jìn)后的07i 井進(jìn)尺滑動(dòng)比由0.052 降低至0.044，純鉆時(shí)間滑動(dòng)比由0.20 降低至0.11；在復(fù)合鉆進(jìn)進(jìn)尺縮減2.05%的條件下，復(fù)合鉆進(jìn)純鉆時(shí)間降低5.55%的，復(fù)合鉆進(jìn)平均機(jī)械鉆速整體