低速螺桿在定向井鉆井中的應(yīng)用

張瑞平，張宏阜，俞 努，師 峰，駱裕萍

（1.西部鉆探定向井技術(shù)服務(wù)公司，新疆烏魯木齊830026；2.西部鉆探新疆油田協(xié)調(diào)部，新疆克拉瑪依834000；3.西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆克拉瑪依834000）

低速螺桿在定向井鉆井中的應(yīng)用

張瑞平*1，張宏阜1，俞 努2，師 峰1，駱裕萍3

（1.西部鉆探定向井技術(shù)服務(wù)公司，新疆烏魯木齊830026；2.西部鉆探新疆油田協(xié)調(diào)部，新疆克拉瑪依834000；3.西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆克拉瑪依834000）

近年螺桿加PDC鉆頭鉆具組合在水平井、定向井以及防斜打直井中的推廣應(yīng)用，螺桿鉆具的大力推廣應(yīng)用對(duì)螺桿馬達(dá)的性能要求提高，低速大功率螺桿與常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)螺桿相比，具有工作扭矩大，入井有效工作時(shí)間長(zhǎng)和轉(zhuǎn)速低等特點(diǎn)，通過(guò)應(yīng)用低速螺桿鉆具，達(dá)到減少螺桿損耗，提高螺桿和鉆頭利用率的目的，進(jìn)而提高鉆井速度，節(jié)約鉆井成本，提高油田鉆探的經(jīng)濟(jì)效益。

螺桿鉆具；低轉(zhuǎn)速；螺桿加PDC；定向井

隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，大位移水平井、長(zhǎng)穩(wěn)斜段定向井以及直井的防斜打快等特殊井對(duì)鉆井提速和降低成本提出新的要求，伴隨著螺桿加PDC鉆頭鉆具組合在鉆井中的廣泛應(yīng)用，螺桿作為主要的井下動(dòng)力鉆具，螺桿的性能在導(dǎo)向鉆進(jìn)過(guò)程中起到關(guān)鍵作用，提高螺桿鉆具的功率和使用壽命是增加單趟鉆井進(jìn)尺、提高鉆井速度的關(guān)鍵。近年低速大功率螺桿鉆具在新疆油田大位移水平井、定向井和直井中的推廣應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 低速螺桿優(yōu)點(diǎn)及結(jié)構(gòu)

低速螺桿鉆具與普通單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)螺桿相比具有許多優(yōu)點(diǎn)，減少螺桿損耗，機(jī)械鉆速提高、鉆頭使用壽命長(zhǎng)和導(dǎo)向鉆進(jìn)中工具面容易控制等優(yōu)點(diǎn)。另外，由于螺桿部件的耐久性有所提高，螺桿的維修間隔時(shí)間和無(wú)故障時(shí)間大大延長(zhǎng)。

螺桿是一種容積式井底馬達(dá)(PDM)，高壓鉆井液由鉆桿進(jìn)入螺桿后，馬達(dá)進(jìn)、出口兩端的鉆井液壓力差迫使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子與定子相互嚙合，用兩者的導(dǎo)程差而形成螺旋密封腔，以完成能量轉(zhuǎn)換，通過(guò)萬(wàn)向軸和傳動(dòng)軸將扭矩和轉(zhuǎn)速傳遞到鉆頭上，達(dá)到鉆井的目的。

螺桿轉(zhuǎn)子的螺旋線有單頭和多頭之分，常規(guī)馬達(dá)定轉(zhuǎn)子截面瓣比為3∶4、5∶6、7∶8、9∶10。轉(zhuǎn)子與定子嚙合頭數(shù)為5∶6和9∶10的截面如圖1所示。

圖1 螺桿馬達(dá)定轉(zhuǎn)子截面圖

2 螺桿工作原理分析

2.1 螺桿每轉(zhuǎn)排量的理論計(jì)算

在螺桿中，鉆井液總是從上而下流經(jīng)馬達(dá)的，而鉆頭的工作旋向有總是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此，單螺桿鉆馬達(dá)的的轉(zhuǎn)子和定子的旋向是左旋的。鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)自轉(zhuǎn)子的自轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)r=2π，密封線下移z，由此可求出轉(zhuǎn)子的自轉(zhuǎn)一周密封線的下移距離H：

可求得：

若以As表示定子線性包容的面積，Ar表示轉(zhuǎn)子線型所包容的面積。則液體流過(guò)的面積AG為：

螺桿馬達(dá)的每轉(zhuǎn)排量q（即當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)一周，流過(guò)馬達(dá)的液體量）為：

可得到：

式中：Ts——定子導(dǎo)程；

N——馬達(dá)頭數(shù)。

由公式（3）可見(jiàn)每轉(zhuǎn)排量純粹是一個(gè)幾何量，它與馬達(dá)的線型、頭數(shù)和定子導(dǎo)程有關(guān)。

2.2 螺桿扭矩和轉(zhuǎn)速的計(jì)算：

若設(shè)鉆頭的輸出扭矩為M，馬達(dá)入口與出口的鉆井液壓力差為Δp，忽略馬達(dá)及鉆具傳動(dòng)軸等部件的摩擦，那么，根據(jù)能量守恒，馬達(dá)吸收的水馬力與其輸出功率相等，既作用在螺桿上的理論扭矩為：

可以根據(jù)每轉(zhuǎn)排量q和液體流量Q求得無(wú)損條件下的螺桿理論轉(zhuǎn)速：

從上述計(jì)算公式可以得出螺桿鉆具輸出轉(zhuǎn)速取決于定轉(zhuǎn)子瓣比，在相同排量情況下，螺桿轉(zhuǎn)子的頭數(shù)越少，轉(zhuǎn)速越高，扭矩越??；頭數(shù)越多，轉(zhuǎn)速越低，扭矩越大。通過(guò)改進(jìn)螺桿馬達(dá)的結(jié)構(gòu)和水力參數(shù)使更多的水動(dòng)能轉(zhuǎn)化為螺桿的機(jī)械能提高鉆頭破巖能力，從而提高機(jī)械鉆速。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

2011年以來(lái)九頭低速大功率螺桿在新疆油田的風(fēng)城油田重18井區(qū)、火燒山井區(qū)、克拉瑪依八區(qū)等區(qū)塊的水平井、定向井、直井防斜井中均進(jìn)行推廣使用，取得了較好的效果和成功的經(jīng)驗(yàn)。2011年在新疆油田準(zhǔn)噶爾盆地西部隆起克—烏逆掩斷裂帶下盤(pán)八區(qū)的一口定向井造斜段中下入的九頭低速螺桿（9LZ172×1.5°），從造斜開(kāi)始鉆至穩(wěn)斜段連續(xù)鉆進(jìn)，單井累計(jì)進(jìn)尺618m，累計(jì)工作時(shí)間達(dá)335.5h，低速螺桿在該井的成功使用，提高了鉆井速度，降低了螺桿成本，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，為在該區(qū)塊推廣普及低速螺桿提供良好的開(kāi)端。

4 結(jié)論

由于低速大功率螺桿具有輸出扭矩大、轉(zhuǎn)速低、工作壽命長(zhǎng)特點(diǎn)，在長(zhǎng)穩(wěn)斜段定向井、水平井和防斜打快井中使用低速螺桿加PDC鉆具組合，節(jié)約了鉆頭，增加單趟鉆進(jìn)尺，減少起下鉆次數(shù)，提高機(jī)械鉆速，達(dá)到多快好省的目標(biāo)，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 吳振江，柳貢慧，李軍.螺桿鉆具造斜能力分析及預(yù)測(cè)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38(8)：61-65.

[2]曹建，翟松.螺桿鉆具防斜打快技術(shù)分析與應(yīng)用[J].勝利油田職工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，23(4):26-27.

[3]張旭，劉小利，夏宏南，等.螺桿鉆具壓降分析計(jì)算[J].斷塊油氣田，2009，13（6）:60-61.

TE243

B

1004-5716(2015)04-0057-02

2014-03-10

2014-05-14

張瑞平（1983-），男（漢族），陜西子洲人，工程師，現(xiàn)從事定向井、水平井技術(shù)研究和服務(wù)工作。