蘇里格南小井眼螺桿鉆具改進(jìn)提速效果研究

路永亮，尚 鑫，李 鵬

（中國(guó)石油渤海石油裝備鉆井裝備分公司，天津 300280）

0 引言

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。小井眼井鉆井在成本節(jié)約、環(huán)保方面都具有巨大優(yōu)勢(shì)，可有效降低鉆井成本，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀，建設(shè)方在該區(qū)塊90%以上的井位采用小井眼鉆井以達(dá)到節(jié)約投資的目的。該區(qū)塊實(shí)施小井眼的井身結(jié)構(gòu)為二開五段制定向井，造斜點(diǎn)一般為表層井深400 m，二開裸眼段長(zhǎng)達(dá)3200 m，國(guó)內(nèi)此類小井眼井鉆井施工難度大[1]。本文重點(diǎn)介紹該區(qū)塊小井眼井的螺桿鉆具優(yōu)選及個(gè)性化設(shè)計(jì)，為以后蘇里格氣田及國(guó)內(nèi)其他地區(qū)實(shí)施此類井身結(jié)構(gòu)開發(fā)提供經(jīng)驗(yàn)。

1 現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)技術(shù)需求

蘇里格南某小井眼地質(zhì)層位情況如表1 所示。

表1 蘇里格南區(qū)塊某井地質(zhì)設(shè)計(jì)

該井井型為6″（152.4 mm）小井眼，設(shè)計(jì)井深3708.74 m，一開215.9 mm 井眼、井深675 m，二開152.4 mm 井眼、井段676～3704 m。該區(qū)塊井位表層可鉆性較好，提速空間小，需重點(diǎn)圍繞二開進(jìn)行螺桿鉆具優(yōu)選和個(gè)性化改進(jìn)設(shè)計(jì)。二開大體分為3 部分完成，第一部分為造斜段，為完成所要求的井身軌跡，需求較強(qiáng)的人工造斜能力，對(duì)自然增斜存在客觀需求；第二部分為穩(wěn)斜段，需要較高的機(jī)械鉆速和穩(wěn)斜性能，有主打穩(wěn)斜現(xiàn)場(chǎng)訴求；第三部分為降斜段，順應(yīng)地層的自然降斜趨勢(shì)，鉆進(jìn)至全井完鉆。

二開采用127 mm 螺桿鉆具，裸眼段近3300 m，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]。為提升鉆井機(jī)械鉆速，在原有二開鉆具組合基礎(chǔ)上對(duì)井下作業(yè)工具進(jìn)行改進(jìn)，并在該井眼鉆進(jìn)中試驗(yàn)。

（1）現(xiàn)行方案：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)速更低，更適應(yīng)下部地層，有力支持鉆進(jìn)破巖、傳遞扭矩。

（2）改進(jìn)方案：對(duì)7LZ127X7Y-VIII 型螺桿鉆具馬達(dá)配合、線型導(dǎo)程進(jìn)行優(yōu)化，使用全新研發(fā)的短幅馬達(dá)線型結(jié)構(gòu)，定子輪廓直徑尺寸增加9.5%，過流面積增大23%；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)速相比常規(guī)7LZ127X7Y-V大扭矩螺桿鉆具，最高轉(zhuǎn)速由120 r/min 提升至196 r/min、提升了60%，大大提高平均機(jī)械鉆速。

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 鋼基礎(chǔ)上提高強(qiáng)度，并重新設(shè)計(jì)135 mm（公稱直徑）傳動(dòng)軸總成，相比原有的127 mm（公稱直徑）總成適合更激進(jìn)鉆進(jìn)鉆進(jìn)參數(shù)，可適應(yīng)最大12 t 鉆壓。采用防托壓結(jié)構(gòu)，可有效降低摩阻至少15%，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。

為滿足螺桿高壽命需求，在易磨損的萬向軸總成采用弧形滾柱設(shè)計(jì)，有效降低磨損率，克服了滾珠式球鉸接萬向軸的高磨損率，提高萬向軸總成壽命近50%（原型總成平均使用壽命140 h，改進(jìn)后可達(dá)200 h）；有效提高鉆具壽命，保障鉆進(jìn)穩(wěn)定，同時(shí)提高傳動(dòng)扭矩傳遞能力，萬向軸扭矩傳遞效率提高15%。根據(jù)二開鉆進(jìn)需要，采用7/8 頭高速中扭矩馬達(dá)，對(duì)馬達(dá)導(dǎo)程與直徑比進(jìn)行優(yōu)化，排量在16 L/s 時(shí)在推薦使用參數(shù)（鉆壓5～12 t，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速60 r/min）下實(shí)際轉(zhuǎn)速達(dá)180 r/min，可有效提升機(jī)械鉆速。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

該改進(jìn)螺桿鉆具于2021 年10 月16 日3∶30 入井，5∶00 下鉆到底，正常鉆進(jìn)。10 月23 日8∶00 起出，鉆進(jìn)井段675～3367 m，進(jìn)尺2692 m，純鉆116 h。

機(jī)械鉆速為23.21 m/h，其中定向鉆進(jìn)91 m 計(jì)22 次。鉆進(jìn)過程中當(dāng)前井相對(duì)同平臺(tái)鄰井鉆壓大20 kN，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（表2）。

表2 該井對(duì)比鄰井?dāng)?shù)據(jù)

鉆進(jìn)過程中當(dāng)前井相對(duì)鄰井鉆壓要大20 kN、在循環(huán)立壓低1 MPa 的情況下，鉆進(jìn)立壓基本一致，扭矩在2000 m 以前稍大、在2000 m 以后較相對(duì)鄰井小1 kN·m；定向鉆進(jìn)時(shí)有輕微釋放現(xiàn)象，工具跑，定向相對(duì)較慢（表3）。

表3 該井對(duì)比鄰井定向數(shù)據(jù)

在井眼軌跡控制方面當(dāng)前井相對(duì)鄰井有優(yōu)勢(shì)，不論從定向時(shí)間及定向進(jìn)尺等方面，占比相對(duì)較小，定向少，井眼相對(duì)平滑，附加拉力相對(duì)小。在定向鉆進(jìn)中，當(dāng)前井以扭方位為主，井斜穩(wěn)定，方位小飄；鄰井以挑井斜為主，方位小飄。

3 工具起鉆檢查

鉆頭出井后檢查地表，1 片復(fù)合片崩齒比較嚴(yán)重，其余復(fù)合片磨損比較小，按照IADC 鉆頭磨損分級(jí)為：4-1-BT-CN-X-IWT-PR，心部齒崩齒比較嚴(yán)重（圖1）。隨后將試驗(yàn)螺桿鉆具進(jìn)行回收拆檢，對(duì)7LZ127X7Y-VX 螺桿鉆具的拆解檢查，未發(fā)現(xiàn)螺桿鉆具各部分殼體與總成有異常與失效，均屬于正常磨損，滿足二開一趟鉆對(duì)使用壽命的要求。螺桿鉆具整機(jī)殼體發(fā)現(xiàn)中度破損，萬向軸彎殼體耐磨帶中度磨損。旁通閥總成在拆解前用木棒壓旁通閥的閥芯，能夠正常迅速彈起，拆解后檢查發(fā)現(xiàn)閥套、閥芯、彈簧磨損輕微（圖2）。

圖1 起鉆后檢查鉆頭磨損情況

圖2 拆檢螺桿鉆具整機(jī)

傳動(dòng)軸總成的串軸承存在輕微磨損，但可以繼續(xù)使用：扶正器外徑由148 mm 磨損至145.5 mm；傳動(dòng)軸軸體有環(huán)狀磨損印記，軸體尺寸由64.75 mm 磨損至64.70 mm，屬于正常磨損、可繼續(xù)使用；軸承鋼球外徑由15.80 mm 磨損至15.55 mm，屬于正常磨損、可繼續(xù)使用（圖3）。

圖3 拆檢螺桿鉆具傳動(dòng)軸總成

4 結(jié)束語

該井按照設(shè)計(jì)施工要求，安全、圓滿、高效完成了施工任務(wù)，比較而言，改進(jìn)螺桿鉆具在鉆進(jìn)中鉆時(shí)相對(duì)慢，但在較長(zhǎng)穩(wěn)斜井段中井眼軌跡控制有優(yōu)勢(shì)?？傮w呈穩(wěn)斜、方位小飄趨勢(shì)，但由于地層、傾角、方位、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)少等原因只能做參考。另外強(qiáng)化螺桿鉆具、鉆頭適合更激進(jìn)鉆進(jìn)參數(shù)，鉆進(jìn)中可施加更大的鉆壓，立管壓力波動(dòng)與原先螺桿無大的區(qū)別，但在同樣鉆壓情況下，立壓相對(duì)高出1～2 MPa。由于穩(wěn)斜、定向相對(duì)少，本井附加拉力相對(duì)小了160 kN。

螺桿鉆具與PDC（聚晶金剛石復(fù)合片）鉆頭應(yīng)當(dāng)具有良好的匹配性，為了發(fā)揮PDC 鉆頭的切削效果，應(yīng)盡量提高馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速，但最高轉(zhuǎn)速不應(yīng)超過280 r/min，否則PDC 齒會(huì)因得不到良好的冷卻提前損壞。同時(shí)PDC 鉆頭的水眼尺寸要合適，既要確保軸承得到良好的潤(rùn)滑，又要避免通過過多的泥漿對(duì)軸承產(chǎn)生沖蝕。

強(qiáng)化螺桿鉆具適合更激進(jìn)鉆進(jìn)參數(shù)，鉆進(jìn)中可施加更大鉆壓，在使用中具有抗沖擊、耐研磨、長(zhǎng)壽命、防托壓、強(qiáng)造斜的技術(shù)特點(diǎn)，通過優(yōu)化配置形成了6″井眼螺桿鉆具提速技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)理論，為未來鉆井提速與區(qū)塊開發(fā)、鉆具組合的改進(jìn)提供了可靠參考。