螺桿鉆具在深井快速鉆進中的應用

于衛東,殷鳳玲,孫 偉,曾曉紅

(1.德州聯合石油機械有限公司,山東德州253034;2.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司,蘭州730050)

螺桿鉆具在深井快速鉆進中的應用

于衛東1,殷鳳玲1,孫 偉1,曾曉紅2

(1.德州聯合石油機械有限公司,山東德州253034;2.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司,蘭州730050)

針對我國中西部地區鉆井深度在5 000 m以上深井逐漸增多、地層復雜、地層溫度高的情況,螺桿鉆具在深井中實現快速鉆進已成為近年來的一個重要課題。從深井螺桿鉆具的選擇、正確使用和推廣新結構螺桿鉆具3方面進行了分析,旨在能夠對廣大油田用戶有所幫助。

螺桿鉆具;深井;高溫;快速;鉆進

我國新疆地區油氣資源豐富,油層埋藏深,鉆井深度大多在5 000 m以上。為加快鉆井速度,縮短鉆井周期,油田推廣應用了PDC+螺桿鉆井技術,雖然在使用中出現了一些問題,但整體鉆井速度得到了提高,具有重要意義。由于該區塊地質情況復雜,由淺及深地層跨越新生界、中生界、古生界,可鉆性差,5 000 m以上地層溫度大多在120～140℃。為此,筆者認為使用螺桿鉆具實現快速鉆進,必須要從正確選用、使用和推廣使用新型螺桿鉆具3個方面入手,才能發揮螺桿鉆具的最佳性能。

1 選用原則

1.1 鉆具剛性強度

在同一井眼其他條件不變的情況下,以鉆具剛性強度最大為優選條件,以確保安全性。例如在?311.15 mm(121/4英寸)井眼中,可供選擇的鉆具有LZ197、LZ203、LZ216、LZ244型,選擇LZ244型螺桿,剛性最好,安全系數最高。

1.2 地層需要

螺桿鉆具是一種容積式井底馬達(PDM),高壓鉆井液由鉆桿進入螺桿鉆具后,馬達進、出口兩端的液體壓力差迫使轉子旋轉,通過萬向軸和傳動軸將扭矩和轉速傳遞到鉆頭上,達到鉆井的目的。常規馬達定轉子截面瓣比為3∶4、5∶6、7∶8、9∶10,如圖1。

螺桿鉆具輸出轉速取決于定轉子瓣比,通常在相同排量情況下,瓣比越多,輸出扭矩越大,轉速越低。以德州聯合石油機械有限公司生產的4LZ172型和7LZ172型螺桿鉆具為例 ,性能參數如表1。

圖1 常規馬達定轉子截面

表1 4LZ172型和7LZ172型螺桿鉆具性能參數

由表1可以看出,多頭鉆具轉速低,輸出扭矩和功率大。

我國中西部地區5 000 m以上的油井,根據可鉆性地層可分為上部和下部地層2種,通常4 000 m以內地層為新生界和中生界地層,巖性為淺灰色散砂和灰黃色粘土泥巖、粉砂巖、膏泥巖、細砂巖及含礫砂巖,地層松軟,可鉆性好,不需要大扭矩輸出,只要提高轉速就可加快鉆井速度,因此選用頭數少的鉆具鉆進效率明顯;反之,超過4 000 m的地層多為古生界地層,以頁巖、泥灰巖、泥灰晶巖為主,可鉆性變差,以輸出大扭矩、破碎巖石達到快速鉆進的目的,因此選用多頭螺桿鉆具效果較好。如果同樣選用172規格鉆具,筆者建議在上部地層選用4LZ172型或5LZ172型鉆具,下部地層選用7LZ172型鉆具。

1.3 合適排量

螺桿鉆具為容積式馬達,合適的排量是保證鉆具正常工作的重要參數。鉆具輸出轉速與排量成正比,在同一排量下應選擇排量合適的鉆具,以確保所要求的轉速,使馬達發揮至最佳狀態。應根據泥漿泵的排量和輸出泵壓來選擇合適的螺桿鉆具,若排量超過鉆具的額定排量,則會提高鉆具的輸出轉速,極大地降低鉆具的使用壽命,增加起下鉆的時間,反而達不到快速鉆進的目的。

1.4 安全性

以入井安全性和井中環空以及適應合適打撈工具為選用原則。

1.5 地層和溫度

根據地層深、溫度高的特點,深層鉆進應選用馬達橡膠耐高溫的螺桿鉆具。通常情況下,常規螺桿鉆具使用環境溫度<120℃,馬達橡膠耐高溫的螺桿鉆具使用環境溫度<150℃,非常適合在我國西部地區5 000 m左右的深井中應用。

2 螺桿鉆具的正確使用

a) 螺桿鉆具使用前應仔細閱讀使用說明書,按規定參數使用螺桿鉆具。

b) 下鉆前必須進行地面檢查,以可控制的速度下放鉆具。當下鉆遇阻時,應開泵循環,慢慢劃眼通過;超深井或高溫井下放鉆具時,應周期性地進行循環以降低井底溫度。下鉆時絕對不能頓鉆或將鉆具直接坐入井底。

在使用螺桿鉆具轉盤鉆井時,很多地方還片面地認為鉆壓越大,鉆進就越快,這種操作不符合螺桿鉆具的使用特性。破碎巖石和鉆進過程是消耗能量的過程,單位時間內作用于鉆頭巖石上的能量越多,巖石粉碎得越快,鉆進就越快。如何將能量集中釋放出來,發揮鉆具的最大效率,就必須了解螺桿鉆具的性能特性。表2和圖2分別為某規格螺桿鉆具的整機性能試驗參數和曲線。

表2 某規格螺桿鉆具整機性能試驗參數

圖2 某規格螺桿鉆具整機性能曲線

由表2和圖2可以看出,在鉆具工作過程中,隨著載荷(鉆井中對應的鉆壓)的增加,輸出功率增大,而轉速比較穩定,總效率逐漸增加。當載荷達到一個定值后再繼續增加時,總效率開始下降,轉速下降很快;當輸出扭矩為3 500～5 100 N·m時,輸出功率為51～54 kW,即,此時在相同地層中鉆進的進尺是最快的,總效率最高;當輸出扭矩(載荷)超過一定值時,扭矩繼續增加而輸出轉速急劇下降,當轉速降為零時,馬達滯動造成憋泵,損害鉆具和鉆井設備,達不到進尺目的。因此用螺桿鉆具鉆井,鉆壓只是一個比較重要的參數,泵壓才是一個衡量鉆具正常使用的參數,泵壓的大小是通過施加鉆壓的大小來調節的。在正常鉆進過程中保持鉆壓的合理性和穩定性,才能達到提高鉆進速度的目的。

根據螺桿鉆具在定向、造斜、復合鉆井等不同用途,還必須合理選用扶正器結構和扶正器到鉆頭的距離,否則也會影響鉆具的使用效果[1]。

3 應用螺桿鉆具需要解決的問題

為了應對深井井溫高的特點,必須從根本上解決2個問題。

a) 橡膠必須耐高溫 目前國內已有生產廠研究耐溫200℃的高溫馬達,正在試驗和推廣。

b) 解決定子橡膠受熱不均 推廣使用等壁厚高溫馬達鉆具可以解決這個問題。等壁厚高溫馬達鉆具是將定子內腔加工出螺旋槽,內層橡膠壁厚均勻,結構如圖3。

根據文獻[2],等壁厚螺桿鉆具由于橡膠的壁厚均勻,熱溫度影響一致,馬達性能參數更加接近理論設計;等壁厚螺桿鉆具橡膠厚度均勻,對溫度的敏感性降低,可減緩橡膠的熱老化,擴大螺桿鉆具在深井中的應用范圍;在運轉過程中橡膠抗變形能力增強,“剛性”增加,單級承壓增高,機械特性剛度增加,磨損速度減緩,效率有效范圍更大,可延長鉆具使用壽命;由于馬達單級承壓增高,輸出效率和功率增大,更有利于在超深井、短半徑水平井中使用。

圖3 等壁厚高溫馬達鉆具結構

德州聯合石油機械有限公司研制的等壁厚螺桿鉆具正在進行相關試驗,若試驗成功,再配以耐高溫橡膠,用于新疆地區鉆井是最合適的。

4 結語

為加快深井鉆井,必選正確選用和正確使用螺桿鉆具,在此基礎上,還必須研究和推廣適合深井作業的螺桿鉆具。

[1] 吳振江,柳貢慧,李 軍,等.螺桿鉆具造斜能力分析及預測[J].石油礦場機械,2009,38(8):61-65.

[2] 韓傳軍,邱亞玲,劉清友,等.螺桿鉆具等壁厚襯套性能分析[J].西南石油大學學報,2008,29(4):163-165.

1001-3482(2010)04-0092-03

TE921.2

B

2009-09-24

于衛東(1972-),男,山東禹城人,工程師,主要從事螺桿鉆具設計工作,E-mail:gfd1102@yahoo.cn。