高效螺桿在吉木薩爾頁巖油鉆井中的應用探討

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井眼穩斜的影響，是為了對吉木薩爾頁巖油水平井鉆進機械鉆速的提高，對吉木薩爾頁巖油的高效螺桿進行篩選，對于降低鉆井成本，減少鉆井周期，提高水平段單趟進尺與機速，可以通過鉆具組合的優化，個性化鉆頭的優選來進行。

關鍵詞：高效螺桿;鉆頭;鉆具;頁巖油

隨著我國社會水平的發展，經濟的進步，常規能源煤，石油，天然氣等的需求日益增加。在勘察油氣的過程當中，尤其是水平井鉆井作業與定向井鉆井作業，現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鉆頭進行配合的鉆井技術，不僅能對鉆井機速進行提高，還能對鉆頭進尺進行提高，進而獲得的經濟效益會比較不錯。

1 螺桿鉆具的發展進程以及高效螺桿的優勢

在二十世紀三十年代的時候，根據阿基米德螺旋泵的原理有工程師研制出了單螺桿泵。在六十年代的時候，根據莫因諾原理Dyna公司研制出了單彎螺桿鉆具。在七十年代初的時候，蘇聯研制出了凸型螺桿鉆。而我國在二十世紀八十年代由大港油田總機廠與北京石油機械廠一起引進螺桿鉆具技術，之后發展了近四十年，我國取得了螺桿鉆研發與制造技術方面的進步與突破。至今，對于不同規格的螺桿鉆具我國已經有三十多個廠商能夠生產了，使用的壽命是在四百多個小時以上，尺寸范圍從φ43mm-305mm之間，彎角度數從0°-3.0°之間，對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的螺桿故障率高，傳動效率低，使用壽命短，出現的螺桿事故多等問題，高效螺桿鉆具具有耐高溫強，適應性好，輸出扭矩高以及使用壽命長的優點，能夠對鉆井的周期進行縮短，機械鉆速進行提高，鉆井的成本進行降低，高效螺桿在實際應用中不管是技術上還是效益上都要比常規的螺桿更加的優秀，其應用前景非常好。

2 螺桿鉆具的工作原理

螺桿鉆具作為井下動力鉆具其主要是把循環鉆井液的動能轉化成破碎巖石的機械能，其主要有五部分組成，分別是旁通閥，防掉總成，馬達總成，萬向軸總成以及傳動軸總成。螺桿鉆具的動力核心是馬達總成，馬達總成又分兩種，分別是單頭馬達與多頭馬達，組成馬達的是定子與轉子，馬達能力的大小是由轉子螺旋線頭的多少來決定的。多線頭螺桿鉆具的優點有容易啟動，壓降小，扭矩大，轉速低，功率大等。通過計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。流經螺桿壓降增加，鉆進增加鉆壓，輸出扭矩同比增加，對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 研究螺桿水平段穩斜機理

在水平井鉆進過程中，隨著不斷延伸的水平段，螺桿鉆具組合選擇正確，不單單能對復合鉆進效率以及井眼平滑度進行提高，還能夠對機械鉆速以及單趟的進尺進行提高。通過研究螺桿鉆具的不同外徑，扶正器尺寸與彎角，來對水平井穩斜的影響因素進行分析，選擇合適的螺桿鉆具組合，能夠對水平井的鉆井速度進行提高。

分析屈曲與綜合摩阻值對比可以得出，螺桿尺寸越大，鉆進時的摩阻就越大，鉆具就越容易發生屈曲，如果螺桿是小尺寸的，是滿足不了強度要求的，而且過大的空隙很容易形成巖屑床，就會對水平井的鉆井施工造成嚴重影響。環空凈化能力可以通過計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以上井眼才能達到良好的凈化效果。

設定鉆具轉速=60r/min，井斜=90°，鉆壓=80KN，對穩斜的影響可以通過計算螺桿鉆具不同扶正器尺寸與不同彎角來研究。通過模擬數據可以得出，螺桿鉆具彎角度數與扶正器尺寸對井斜的影響和對鉆頭側向力的影響是一樣的，并且都是正的。

根據上述的結論，頁巖油施工選擇8頭，7級，φ172mm高速大功率螺桿，參數如下表1所示。這個系列的螺桿工作性能更穩定，采用的是硬橡膠，輸出扭矩更穩定，轉速波動小，可以延長鉆頭的使用時間，采用欠尺寸扶正塊作為水平段螺桿鉆具，對水平段穩斜鉆進更有利。

4 現場應用分析

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。對于頁巖油鉆井施工當中面臨的技術難題有：鉆壓傳遞效率低，井眼清潔困難，摩阻扭矩大，局部微構造變化大，區塊內斷裂發育，復雜的儲層多巖性等，選擇合適高效的PDC鉆頭，對高效PDC鉆頭+大功率螺桿組合提速來優化水平段水力，實驗水平段螺桿鉆進?，F在應用七口井，其中四口井水平段進尺一趟完成，另外三口井兩趟完成，單趟最高進尺為1752m，最高機速達到11.67m/h，和區塊常規螺桿比較提高了四倍。

在頁巖油區塊水平鉆井中采用高效PDC鉆頭+高效螺桿鉆具的復合鉆進技術，能夠實現快速鉆進，和常規螺桿比較，單趟進尺和機械鉆速更高，對于鉆井周期大大的縮短，鉆井成本節約很多，進而對企業的經濟效益進行提高。選擇這種高效螺桿，能夠發揮出其優越的性能，對區塊水平快的鉆進記錄不斷的進行刷新。

5 結語

在吉木薩爾頁巖油水平井鉆井中，通過多口井實驗，選擇合適的螺桿鉆具，合理強化鉆井參數，搭配高效破巖鉆頭，能夠明顯的提高機械鉆速。①個性化PDC鉆頭+高效螺桿鉆具的復合鉆進技術，可以根據輸出扭矩，來提高鉆頭的破巖效果，增加井底切削力矩。②因為吉木薩爾頁巖油儲層東高西低，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，以此發最大的發揮出螺桿鉆具的效能。③對于水力振蕩器可以在合適的水平段鉆具組合位置中增加，能夠對摩阻值進行降低，對水平段的延展進行提高。④對大井斜情況下的滑動井段，鉆井參數選擇合理，鉆具選型與組合選用合理，就能夠減少這種情況，進而對機械鉆速進行提高。

參考文獻：

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