高效螺桿在吉木薩爾頁巖油鉆井中的應(yīng)用探討

王榮義

摘 要：研究螺桿鉆具的工作原理，分析螺桿鉆具的不同外徑，彎角以及扶正器的尺寸對(duì)井眼穩(wěn)斜的影響，是為了對(duì)吉木薩爾頁巖油水平井鉆進(jìn)機(jī)械鉆速的提高，對(duì)吉木薩爾頁巖油的高效螺桿進(jìn)行篩選，對(duì)于降低鉆井成本，減少鉆井周期，提高水平段單趟進(jìn)尺與機(jī)速，可以通過鉆具組合的優(yōu)化，個(gè)性化鉆頭的優(yōu)選來進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：高效螺桿;鉆頭;鉆具;頁巖油

隨著我國社會(huì)水平的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，常規(guī)能源煤，石油，天然氣等的需求日益增加。在勘察油氣的過程當(dāng)中，尤其是水平井鉆井作業(yè)與定向井鉆井作業(yè)，現(xiàn)階段采用的井下鉆具比較廣泛的就是螺桿鉆具，這種鉆具與PDC鉆頭進(jìn)行配合的鉆井技術(shù)，不僅能對(duì)鉆井機(jī)速進(jìn)行提高，還能對(duì)鉆頭進(jìn)尺進(jìn)行提高，進(jìn)而獲得的經(jīng)濟(jì)效益會(huì)比較不錯(cuò)。

1 螺桿鉆具的發(fā)展進(jìn)程以及高效螺桿的優(yōu)勢(shì)

在二十世紀(jì)三十年代的時(shí)候，根據(jù)阿基米德螺旋泵的原理有工程師研制出了單螺桿泵。在六十年代的時(shí)候，根據(jù)莫因諾原理Dyna公司研制出了單彎螺桿鉆具。在七十年代初的時(shí)候，蘇聯(lián)研制出了凸型螺桿鉆。而我國在二十世紀(jì)八十年代由大港油田總機(jī)廠與北京石油機(jī)械廠一起引進(jìn)螺桿鉆具技術(shù)，之后發(fā)展了近四十年，我國取得了螺桿鉆研發(fā)與制造技術(shù)方面的進(jìn)步與突破。至今，對(duì)于不同規(guī)格的螺桿鉆具我國已經(jīng)有三十多個(gè)廠商能夠生產(chǎn)了，使用的壽命是在四百多個(gè)小時(shí)以上，尺寸范圍從φ43mm-305mm之間，彎角度數(shù)從0°-3.0°之間，對(duì)于不同的鉆井需求都是可以滿足的。

在鉆井中相比較于常規(guī)的螺桿故障率高，傳動(dòng)效率低，使用壽命短，出現(xiàn)的螺桿事故多等問題，高效螺桿鉆具具有耐高溫強(qiáng)，適應(yīng)性好，輸出扭矩高以及使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)︺@井的周期進(jìn)行縮短，機(jī)械鉆速進(jìn)行提高，鉆井的成本進(jìn)行降低，高效螺桿在實(shí)際應(yīng)用中不管是技術(shù)上還是效益上都要比常規(guī)的螺桿更加的優(yōu)秀，其應(yīng)用前景非常好。

2 螺桿鉆具的工作原理

螺桿鉆具作為井下動(dòng)力鉆具其主要是把循環(huán)鉆井液的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成破碎巖石的機(jī)械能，其主要有五部分組成，分別是旁通閥，防掉總成，馬達(dá)總成，萬向軸總成以及傳動(dòng)軸總成。螺桿鉆具的動(dòng)力核心是馬達(dá)總成，馬達(dá)總成又分兩種，分別是單頭馬達(dá)與多頭馬達(dá)，組成馬達(dá)的是定子與轉(zhuǎn)子，馬達(dá)能力的大小是由轉(zhuǎn)子螺旋線頭的多少來決定的。多線頭螺桿鉆具的優(yōu)點(diǎn)有容易啟動(dòng)，壓降小，扭矩大，轉(zhuǎn)速低，功率大等。通過計(jì)算螺桿理論輸出扭矩可知，輸出扭矩和螺桿壓降是成正比的。流經(jīng)螺桿壓降增加，鉆進(jìn)增加鉆壓，輸出扭矩同比增加，對(duì)井底切削力矩有助于增加，從而使得鉆頭的破巖效果提升。

3 研究螺桿水平段穩(wěn)斜機(jī)理

在水平井鉆進(jìn)過程中，隨著不斷延伸的水平段，螺桿鉆具組合選擇正確，不單單能對(duì)復(fù)合鉆進(jìn)效率以及井眼平滑度進(jìn)行提高，還能夠?qū)C(jī)械鉆速以及單趟的進(jìn)尺進(jìn)行提高。通過研究螺桿鉆具的不同外徑，扶正器尺寸與彎角，來對(duì)水平井穩(wěn)斜的影響因素進(jìn)行分析，選擇合適的螺桿鉆具組合，能夠?qū)λ骄你@井速度進(jìn)行提高。

分析屈曲與綜合摩阻值對(duì)比可以得出，螺桿尺寸越大，鉆進(jìn)時(shí)的摩阻就越大，鉆具就越容易發(fā)生屈曲，如果螺桿是小尺寸的，是滿足不了強(qiáng)度要求的，而且過大的空隙很容易形成巖屑床，就會(huì)對(duì)水平井的鉆井施工造成嚴(yán)重影響。環(huán)空凈化能力可以通過計(jì)算不同螺桿尺寸得出：φ165mm的螺桿鉆具攜巖比為0.473，φ172mm的螺桿鉆具攜巖比為0.614，φ197mm的螺桿鉆具攜巖比為0.693，攜巖比在0.5以上井眼才能達(dá)到良好的凈化效果。

設(shè)定鉆具轉(zhuǎn)速=60r/min，井斜=90°，鉆壓=80KN，對(duì)穩(wěn)斜的影響可以通過計(jì)算螺桿鉆具不同扶正器尺寸與不同彎角來研究。通過模擬數(shù)據(jù)可以得出，螺桿鉆具彎角度數(shù)與扶正器尺寸對(duì)井斜的影響和對(duì)鉆頭側(cè)向力的影響是一樣的，并且都是正的。

根據(jù)上述的結(jié)論，頁巖油施工選擇8頭，7級(jí)，φ172mm高速大功率螺桿，參數(shù)如下表1所示。這個(gè)系列的螺桿工作性能更穩(wěn)定，采用的是硬橡膠，輸出扭矩更穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速波動(dòng)小，可以延長鉆頭的使用時(shí)間，采用欠尺寸扶正塊作為水平段螺桿鉆具，對(duì)水平段穩(wěn)斜鉆進(jìn)更有利。

4 現(xiàn)場應(yīng)用分析

吉木薩爾頁巖油水平井平均水平段1500m-2000m，目的層蘆草溝埋深2700m-4100m。對(duì)于頁巖油鉆井施工當(dāng)中面臨的技術(shù)難題有：鉆壓傳遞效率低，井眼清潔困難，摩阻扭矩大，局部微構(gòu)造變化大，區(qū)塊內(nèi)斷裂發(fā)育，復(fù)雜的儲(chǔ)層多巖性等，選擇合適高效的PDC鉆頭，對(duì)高效PDC鉆頭+大功率螺桿組合提速來優(yōu)化水平段水力，實(shí)驗(yàn)水平段螺桿鉆進(jìn)。現(xiàn)在應(yīng)用七口井，其中四口井水平段進(jìn)尺一趟完成，另外三口井兩趟完成，單趟最高進(jìn)尺為1752m，最高機(jī)速達(dá)到11.67m/h，和區(qū)塊常規(guī)螺桿比較提高了四倍。

在頁巖油區(qū)塊水平鉆井中采用高效PDC鉆頭+高效螺桿鉆具的復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速鉆進(jìn)，和常規(guī)螺桿比較，單趟進(jìn)尺和機(jī)械鉆速更高，對(duì)于鉆井周期大大的縮短，鉆井成本節(jié)約很多，進(jìn)而對(duì)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行提高。選擇這種高效螺桿，能夠發(fā)揮出其優(yōu)越的性能，對(duì)區(qū)塊水平快的鉆進(jìn)記錄不斷的進(jìn)行刷新。

5 結(jié)語

在吉木薩爾頁巖油水平井鉆井中，通過多口井實(shí)驗(yàn)，選擇合適的螺桿鉆具，合理強(qiáng)化鉆井參數(shù)，搭配高效破巖鉆頭，能夠明顯的提高機(jī)械鉆速。①個(gè)性化PDC鉆頭+高效螺桿鉆具的復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)，可以根據(jù)輸出扭矩，來提高鉆頭的破巖效果，增加井底切削力矩。②因?yàn)榧舅_爾頁巖油儲(chǔ)層?xùn)|高西低，可以選擇采用7LZ172-1.25螺桿鉆具，能夠方便井眼清潔，有助于控制水平段井眼軌跡，以此發(fā)最大的發(fā)揮出螺桿鉆具的效能。③對(duì)于水力振蕩器可以在合適的水平段鉆具組合位置中增加，能夠?qū)δψ柚颠M(jìn)行降低，對(duì)水平段的延展進(jìn)行提高。④對(duì)大井斜情況下的滑動(dòng)井段，鉆井參數(shù)選擇合理，鉆具選型與組合選用合理，就能夠減少這種情況，進(jìn)而對(duì)機(jī)械鉆速進(jìn)行提高。

參考文獻(xiàn)：

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