高效螺桿在吉木薩爾頁巖油鉆井中的應用

周磊 李應新 于貴健 陳思楊(中國石油集團西部鉆探準東鉆井公司，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引言

隨著我國經濟的高速發展，推動這對煤、石油、天然氣等常規能源的需求不斷增加。目前，常規能源開采已達到70%以上，能源供需矛盾不斷升級。頁巖氣、頁巖油、致密油等非常規能源逐漸得到人們的廣泛關注[1]。新疆油田準噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組主力開發層系薄，儲層構造簡單、儲量巨大、物性差、自然產能低或無自然產能，甜點體主要受儲層物性和巖性控制，動用難度大，開發效益差，多井低產形勢嚴峻，針對蘆草溝組上甜點體與下甜點體主要采用水平井開發，增大泄油面積，提高單井產量。在油氣勘探施工中，特別是定向井、水平井鉆井作業，螺桿鉆具作為目前使用最廣泛的一種井下動力鉆具，螺桿鉆具配合PDC 鉆頭的復合鉆井技術，不但能提高鉆井機速，還可以提高單只鉆頭進尺，從而獲得很好的經濟效益。

1 螺桿鉆具的發展進程

20 世紀30 年代，法國工程師 Re-ne.Moneau 根據阿基米德螺旋泵的原理，成功研制出單螺桿泵。60 年代美國Dyna 公司根據莫因諾原理研究Dyna-Drill 單彎螺桿鉆具。70 年代初蘇聯研究成功“凸”型螺桿鉆[2]。我國于20 世紀80 年代由北京石油機械廠和大港油田總機廠共同引進螺桿鉆具技術，此后經過近40 年的發展，我在螺桿鉆研發與制造技術方面已經取得很大的進步與突破[3]。目前，我國有30 多個廠商可以生產不同規格的螺桿鉆具，其使用壽命四百多個小時，尺寸范圍從Φ43mm 到305mm，彎角度數從0°至3.0°多個級別，可以滿足鉆井的不同需求。

2 螺桿鉆具的工作原理

螺桿鉆具是靠循環鉆井液的動能轉化為旋轉鉆頭破碎巖石的機械能的井下動力鉆具，其主要由傳動軸總成、馬達總成、萬向軸總成、防掉總成和旁通閥總成五大部分組成。馬達總成是螺桿鉆具動力核心部分，螺桿鉆具的馬達分單頭和多頭兩種，馬達是由轉子和定子組成，轉子螺旋線頭多少決定了馬達能力的大小。多線頭螺桿鉆具有功率大、轉速低、扭矩大、壓降小、容易啟動等優點，目前被廣泛應用。通過對螺桿理論輸出扭矩計算可得[4]：螺桿鉆具的輸出扭矩與螺桿的壓降值是正比關系。鉆進時增加鉆壓，流經螺桿的壓降增加，螺桿輸出扭矩同比增加，有助于井底切削力矩增加，提高鉆頭破巖效果。

式中：NT為螺桿理論輸出扭矩；ΔP為過流螺桿馬達鉆井液壓力差；AG為螺桿轉子過流面積；i為轉子的螺旋線頭數；Ts為定子導程。

3 螺桿水平段穩斜機理研究

在水平井鉆井過程中，隨著水平段不斷延伸，選擇正確的螺桿鉆具組合，不僅可以提高復合鉆進時率，提高井眼平滑度，還可以提高機械鉆速，提高單趟進尺。通過對螺桿鉆具的不同外徑、彎角和扶正器尺寸的研究，分析各因素對水平井穩斜的影響，優選螺桿鉆具組合，提高水平井鉆井速度。

綜合摩阻值對比和屈曲分析可以得出：螺桿的尺寸越大，鉆進時摩阻越大，鉆具越容易發生屈曲；螺桿尺寸太小，既不能滿足強度要求，空隙過大，易形成巖屑床，嚴重影響水平井的鉆井施工。通過計算不同螺桿尺寸下的環空凈化能力可得：Φ165mm、Φ172mm、Φ197mm 螺桿鉆具分別攜巖比為0.482、0.625、0.704，要達到良好的井眼凈化效果，攜巖比應大于0.5[5]。

在設定井斜=90°；鉆壓=80kN；鉆具轉速=60r/min 條件下，通過計算研究螺桿鉆具不同彎角和不同扶正器尺寸對穩斜的影響。根據數值模擬可知[6]，螺桿鉆具結構彎角的度數和扶正器尺寸對鉆頭側向力的影響和螺桿鉆具結構彎角的度數和扶正器尺寸對井斜角的影響幾乎是一致的，而且均為正的。

依據上述結論，頁巖油水平井施工優選7 頭、6 級、Ф172mm中高速大功率螺桿，具體參數見表1。該系列螺桿采用硬橡膠，工作性能更穩定，轉速波動小，輸出扭矩更穩定，可延長鉆頭使用壽命；水平段專用螺桿鉆具采用欠尺寸扶正塊，更有利于水平段穩斜鉆進。

4 現場應用分析

吉木薩爾頁巖油水平井平均水平段1500～2000m，目的層蘆草溝埋深2700～4100m。針對頁巖油鉆井施工面臨儲層多巖性復雜、區塊內斷裂發育、局部微構造變化大、水平段鉆進過程中面臨摩阻扭矩大、井眼清潔困難、鉆壓傳遞效率低等技術難題，進行高效PDC 鉆頭優選，優化了水平段水力振蕩器大功率螺桿+高效PDC 鉆頭提速組合，開展水平段螺桿鉆進實驗。現場應用7 口井其中4 口井一趟鉆完成水平段進尺，3 口井兩趟鉆完成水平段進尺，水平段單趟最高進尺1756m，最高機速達11.74m/h，較區塊常規螺桿提高進4 倍。

通過表2 中數據可得：高效螺桿鉆具+高效PDC 鉆頭的復合鉆井技術，在頁巖油區塊水平井鉆井中能夠實現快速鉆進，單趟進尺與機械鉆速比常規螺明顯要高，大大縮短鉆井周期，節約提下鉆時間，節約鉆井成本，極大地提高了經濟效益。優選該系列高效螺桿，配合欠尺寸扶正塊，在頁巖油頻繁調整井眼軌跡中發揮獨特的優越性能，不斷刷新區塊水平段鉆進紀錄。

表1 德石Ф172mm螺桿鉆具參數

表2 水平段螺桿施工效果統計表

5 結語

在通過多口井的實驗和推廣，選擇合適螺桿鉆具，配合高效破巖鉆頭，合理強化鉆井參數，在吉木薩爾頁巖油水平井鉆井中機械鉆速得到明顯提高。(1)高效螺桿鉆具+個性化PDC鉆頭的復合鉆井技術，通過螺桿輸出大扭矩，有助于井底切削力矩增加，提高鉆頭破巖效果。(2)吉木薩爾頁巖油儲層東高西低，選用7LZ172-1.25°螺桿鉆具有助于水平段井眼軌跡控制，能便于井眼清潔，發揮螺桿鉆具最大效能。(3)在水平段鉆具組合中合適位置增加水力振蕩器，能有效解決鉆具托壓，起到減摩降阻作用，提高水平段的延展。(4)選用合理的鉆具選型與組合、選用合理的鉆井參數，可以減少大井斜情況下的滑動井段，有利于提高機械鉆速。