螺桿馬達(dá)復(fù)合鉆進(jìn)在川西南幸福1井的應(yīng)用

孫傳佳，黎 波

(四川省金核地質(zhì)勘查工程有限公司，四川 成都 610051)

1 工程概況

1.1 地層結(jié)構(gòu)

我公司于2017年底在四川省樂(lè)山市沐川縣開(kāi)展了幸福溫泉1井勘探工作。該井設(shè)計(jì)井深3500 m，侏羅系上統(tǒng)遂寧組開(kāi)孔，鉆遇沙溪廟組、自流井組、須家河組、雷口坡組、嘉陵江組、飛仙關(guān)組、宣威組、峨眉山玄武巖組等地層，揭露茅口灰?guī)r組取熱水，各地層厚度及巖性如表1所示。

表1 幸福1井鉆遇地層厚度及巖性

1.2 井身結(jié)構(gòu)

地表坡殘積層10 m，?405 mm牙輪鉆頭無(wú)心鉆進(jìn)，下?339.7 mm×10 m的井口管，一開(kāi)采用?311 mm鉆頭，鉆至井深1587 m，下入?244.5 mm套管。二開(kāi)采用?215.9 mm鉆頭，鉆至井深3281 m，下入?177.8 mm套管。三開(kāi)采用?152 mm鉆頭自3281 m鉆至井底，此井段為裸孔。幸福1井固井施工全井段使用J55級(jí)防硫套管及油井水泥。

2 鉆井設(shè)備及工藝參數(shù)

2.1 鉆井設(shè)備及鉆具組合

因該地區(qū)尚未有超深孔鉆進(jìn)資料，更無(wú)法參考鉆具組合、鉆頭選型等對(duì)于鉆井施工有顯著影響的參數(shù)。在幸福1井鉆井施工初始階段采用了回轉(zhuǎn)正循環(huán)無(wú)心鉆進(jìn)工藝。采用RG-30型石油鉆機(jī)，QZ3NB-500/800/1300型泥漿泵各1臺(tái)。常規(guī)的鉆具組合見(jiàn)表2。

表2 幸福1井鉆具組合

2.2 鉆井參數(shù)

正常情況下，鉆進(jìn)參數(shù)選取見(jiàn)表3。換層、換徑、鉆遇破碎帶、憋鉆、跳鉆以及鉆具組合發(fā)生變化時(shí)，合理調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)。

表3 鉆井參數(shù)

2.3 鉆井液性能

考慮工作目的為勘探熱水層，針對(duì)井身結(jié)構(gòu)、地層巖性(砂泥巖剖面與碳酸鹽巖剖面共存)和地層流體性質(zhì)配制不同類型和不同性能的鉆井液鉆進(jìn)、保護(hù)熱儲(chǔ)層。非取水層井段采用低失水、高攜粉護(hù)壁性能的鉆井液，目的層鉆進(jìn)，采用清水或無(wú)固相鉆井液。鉆井液性能參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)表4。

表4 鉆井液性能參數(shù)設(shè)計(jì)

(1)非取水段配漿材料：清水、羧甲基纖維素(CMC)、燒堿、鈉土、潤(rùn)滑劑(或可廢機(jī)油代替)、腐植酸鉀、聚丙烯酸鉀(K-PAM)0.3%、硅酸鉀、純堿、重晶石。

(2)取水段配漿材料為：清水、L-CMC、水解聚丙乙酰胺(加量2%～4%)、水解聚丙烯腈KPM(加量2%～3%)、燒堿。

3 幸福1井鉆進(jìn)情況

3.1 施工情況簡(jiǎn)述

前期施工，因井較淺，鉆井液設(shè)計(jì)合理保證了孔內(nèi)穩(wěn)定，設(shè)備機(jī)具能較好地承擔(dān)正常施工負(fù)載，進(jìn)度較順利；一開(kāi)采用?311 mm口徑無(wú)心鉆進(jìn)至748 m后鉆遇須家河組砂泥巖軟硬交錯(cuò)地層時(shí)，鉆進(jìn)效率下降極為明顯，施工進(jìn)度遠(yuǎn)低于預(yù)期。

隨著井深的增加，常規(guī)的鉆具組合，鉆進(jìn)效率低，鉆頭磨損大。鉆進(jìn)時(shí)效低下，正常鉆進(jìn)速度為1.23～2.86 m/h，鉆進(jìn)至須家河組地層后降至0.5 m/h(見(jiàn)圖1)。較大地影響了下一階段施工安排，違背了鉆探施工中高效、經(jīng)濟(jì)兩大要素。

圖1 鉆進(jìn)速度統(tǒng)計(jì)圖

3.2 幸福1井鉆進(jìn)緩慢原因分析

(1)該地區(qū)須家河組地層(748～1587 m)分為須六-須一段砂泥巖互層，砂巖致密且含長(zhǎng)石石英，砂巖段含中粒砂巖及細(xì)粒砂巖，可鉆性等級(jí)差異變化較大，部分層段研磨性較高，更換為牙輪鉆頭在此段鉆進(jìn)時(shí)，鉆機(jī)頻繁跳車，鉆頭磨損較大。為保證井下安全，防止隨著孔深增加，鉆桿柱下部鉆鋌數(shù)量增加，造成下部鉆鋌與鉆桿連接處在該段地層進(jìn)尺緩慢且承受常規(guī)鉆壓(40 kN)及轉(zhuǎn)速(75 r/min)的情況下存在甩動(dòng)并承受集中應(yīng)力過(guò)大，導(dǎo)致鉆鋌接頭處斷裂，此段常采用低鉆壓低鉆速鉆進(jìn)，導(dǎo)致鉆頭切削巖石能力較弱，進(jìn)尺緩慢。

(2)鉆遇此層，地層造漿導(dǎo)致巖屑較多，鉆井液中含砂量升高明顯，使用的QZ3NB-800型泥漿泵泵量不能及時(shí)排出孔內(nèi)巖屑，較大地影響了鉆頭切削能力。增加固控設(shè)備，并將普通六刀PDC鉆頭更換為普通五刀PDC鉆頭后，鉆進(jìn)效率略微提高，情況略微好轉(zhuǎn)，但鉆進(jìn)效率仍然緩慢。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)須家河組地層差異明顯，工藝不當(dāng)是鉆進(jìn)效率低下的主要原因。

4 應(yīng)用螺桿馬達(dá)復(fù)合鉆進(jìn)工藝

幸福1井在進(jìn)尺緩慢、頻繁井下事故發(fā)生后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，項(xiàng)目組提出了更換螺桿馬達(dá)復(fù)合鉆進(jìn)工藝以實(shí)現(xiàn)高效率鉆進(jìn)。

4.1 螺桿馬達(dá)工作設(shè)備及參數(shù)

(1)更換泥漿泵為QZ3NB-1300型，在原有鉆具組合基礎(chǔ)上，使用?165 mm直螺桿和1.25°單彎螺桿，鉆井液循環(huán)槽處增加除泥器，自870 m后，全孔采用螺桿馬達(dá)復(fù)合鉆進(jìn)工藝鉆進(jìn)。

(2)鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓30～40 kN，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速45 r/min，泵量30 L/s，泵壓10～15 MPa。

4.2 幸福1井螺桿馬達(dá)復(fù)合鉆進(jìn)使用效果

4.2.1 進(jìn)尺對(duì)比

自870 m開(kāi)始，使用螺桿馬達(dá)下入孔內(nèi)100 h最長(zhǎng)進(jìn)尺可達(dá)162.07 m，周進(jìn)尺由最低50 m提升到150 m左右，前后井段對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 使用螺桿馬達(dá)復(fù)合鉆進(jìn)前后井段周進(jìn)尺與周純鉆時(shí)間

4.2.2 鉆速對(duì)比

更換為螺桿馬達(dá)復(fù)合鉆進(jìn)后，巖屑排出情況變得更好，表現(xiàn)為鉆井液含砂量下降，密度穩(wěn)定，未發(fā)生因鉆井液維護(hù)不到位引發(fā)的孔內(nèi)事故。孔內(nèi)較使用該工藝前更干凈，鉆頭切削能力受巖屑影響變小，鉆進(jìn)時(shí)效提升明顯(如圖2所示)?？s短了工期并降低了鉆探成本，經(jīng)濟(jì)效益提升明顯。

4.3 應(yīng)用螺桿馬達(dá)復(fù)合鉆進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

(1)將泥漿泵更換為QZ3NB-1300型后，攜砂能力增強(qiáng)，沒(méi)有出現(xiàn)憋泵等情況，孔內(nèi)環(huán)境得到了改善。

(2)在使用低鉆壓低轉(zhuǎn)速大泵量情況下，巖屑得以快速排出，鉆頭克取破碎巖石的能力大幅增強(qiáng)，鉆時(shí)提升明顯，較好地解決了在須家河地層鉆進(jìn)效率低下的問(wèn)題，并可應(yīng)用于下部地層施工。

圖2 使用螺桿馬達(dá)復(fù)合鉆進(jìn)前后鉆速對(duì)比圖

(3)井內(nèi)安全得到改善。螺桿馬達(dá)復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)，轉(zhuǎn)盤(pán)采用低轉(zhuǎn)速(45 r/min)鉆進(jìn)，在增加鉆速的同時(shí)，軟硬互層地層或堅(jiān)硬地層對(duì)鉆進(jìn)施工不能構(gòu)成太大的影響，鉆桿柱不必承受較大的扭矩，嚴(yán)格按照螺桿壽命控制時(shí)間及時(shí)起鉆更換新螺桿，很大程度上保證了井內(nèi)安全。

5 結(jié)語(yǔ)

螺桿馬達(dá)復(fù)合鉆進(jìn)工藝在一定程度上改善了井內(nèi)施工環(huán)境，避免了斷鉆、垮塌等事故發(fā)生，提高了時(shí)效，創(chuàng)造了極大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在深孔大口徑鉆探中有著極大的應(yīng)用前景。