蘇里格南區塊鉆井工具改進研究

宋蘇涵，宋 燁，范 英

（中國石油渤海石油裝備鉆井裝備分公司，天津 300280）

1 研究背景

蘇里格南區塊位于內蒙古自治區鄂托克前旗南部地區毛烏素沙漠南部，近年來蘇里格南區塊的鉆井工程施工以小井眼的工程設計為主導。小井眼鉆井施工具有成本低、環境污染小等優勢，為油氣田開發帶來可觀的經濟效益。油氣田建設方在該區塊90%以上井位采用該方案進行鉆進施工，以達到節約投資的目的。

該區塊實施小井眼施工的井身結構為二開五段制定向井，造斜點一般為表層400～500 m 處，表層完鉆井深600～800 m。國內此類的小井眼井鉆井施工難度大[1]。本文重點介紹針對該區塊小井眼井的螺桿鉆具個性化設計及使用效果，為今后蘇里格油氣田以及國內其他地區實施此類井身結構開發提供經驗。

2 現場生產技術需求

長慶油氣田蘇里格南區塊某平臺07i 井地質層位情況見表1。

表1 蘇里格南區塊某井地質層位情況

3 鉆井工具改進方案

3.1 原方案

使用127 mm 螺桿鉆具，工具新度100%，使用短幅馬達線型結構。采用定子輪廓掃描技術控制輪廓線型的加工精度，根據精確測量的定子輪廓線型優化轉子配合線型。在對扭矩影響不大的條件下，轉速最高196 r/min，機械鉆速穩定，二開段平均22.48 m/h。

應用于某平臺09 井，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，傳動軸殼體使用耐磨合金柱支撐，馬達轉速更高，適應可鉆性高的上部地層，提高機械鉆速。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，傳動軸殼體使用耐磨合金柱支撐，扭矩更大，馬達轉速相對更低，更適應下部地層，有力支持鉆進破巖、傳遞扭矩。

3.2 改進方案

（1）馬達總成：全新設計127 mm 螺桿鉆具馬達，馬達線型使用內擺線結構，增大了配合尺寸。定子橡膠配方采用全新設計思路，使用反應型增硬劑及納米級內潤滑劑，有效的解決了高硬度橡膠定子生產加工問題，使定子橡膠硬度由75 HA 提升至90 HA，賦予馬達更大的動力和輸出扭矩。使用激光全輪廓掃描技術全面掌握定子內螺旋輪廓尺寸，指導轉子螺旋線型加工提升馬達配合精度，從而使馬達獲得更好的密封性能。

與改進前相比，全新設計的127 mm 螺桿鉆具馬達最高轉速基本相同、輸出扭矩提升近50%，有效應對不同地層夾層，提升破巖效果。

為了保證輸出性能的穩定，降低高參數下的螺桿鉆具性能損耗，對定子提供保護，采用更大扭矩的硬橡膠螺桿鉆具于該區塊小井眼全井段。該型號轉速相對低，但在排量、鉆壓接近極限參數的條件下性能接近，在可鉆性更差的劉家溝組、石千峰組地層適應性更強，能實現下部地層的有效鉆進，有利于提升整體平均機械鉆速，提升二開“一趟鉆”的完鉆能力。馬達改進前后的動力參數見表2。

表2 螺桿參數對比

（2）旁通閥總成：使用一體式接頭，未采用旁通閥總成設計，避免旁通閥孔失效造成意外泄壓、螺桿失速。

（3）傳動軸總成：為了適應鉆進施工中提高機械鉆速、強化參數對工具強度的需求，傳動軸選用高強度材料，優化內部應力，優化熱處理工藝，在原有40CrNiMo 鋼的基礎上提高強度，相比原有的Ф127 mm 公稱直徑總成更適合激進鉆井參數，可適應最大12 t 鉆壓。采用防托壓結構，可有效降低摩阻達15%以上，降低滑動鉆進期間的脫壓現象。整機結構的優化設計，提高鉆具造斜能力，減少滑動鉆進，提高時效。

（4）萬向軸總成：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計，降低磨損率，有效降低磨損率，提高萬向軸總成壽命50%（原型總成平均使用壽命120 h，加粗后壽命達190 h 以上），有效提高鉆具整體壽命、保障鉆進穩定，同時提高傳動扭矩傳遞能力，萬向軸扭矩傳遞效率提高18%。

改進方案計劃應用于該區塊某平臺07i 井，該井設計井深3826 m，一開215.9 mm 井眼，井深793 m；二開152.4 mm 井眼，井段793～3826 m。該區塊井位表層可鉆性較好，機械鉆速提升空間小，需重點圍繞二開進行127 mm 螺桿鉆具優選和個性化改進設計。

二開鉆進大體分為三部分完成，第一部分為造斜段，延續表層的造斜軌跡，設計最大井斜20°，需求人工造斜能力完成井身軌跡要求，定向井連續三點（90 m 井段）全角變化率：造斜、扭方位井段≤5°/30 m，穩斜井段≤2°/30 m，降斜井段≤3°/30 m；第二部分為穩斜段，需求較高的機械鉆速和穩斜性能，主要進行穩斜鉆進；第三部分為降斜段，順應石盒子組—本溪組地層的自然降斜趨勢，鉆進至全井完鉆。

二開鉆進使用公稱尺寸127 mm 螺桿鉆具，提速空間大，對螺桿鉆具優選和個性化改進設計要求較高[2]。為了提升鉆井機械鉆速，在原有二開鉆具組合基礎上進行井下作業工具的改進，并在該井眼鉆進中進行試驗。

4 現場應用效果

施工簡況：該改進型號127 mm 螺桿鉆具于2022 年5 月初上井使用，5 月20 日二開入井鉆進，2022 年5 月29 日二開完鉆。蘇里格南區塊兩井施工參數對比見表3。

表3 蘇里格南區塊兩井鉆進參數對比

使用期間，二開平均機械鉆速25.56 m/h，其中定向鉆進155 m，定向純鉆時間23.47 h；復合鉆進2205 m，復合純鉆時間68.86 h，在循環立壓低1 MPa 的情況下，鉆進立壓一致，扭矩在2000 m 前稍大，在2000 m 以后扭矩相對鄰井小1 kN·m；定向鉆進時有輕微釋放現象。對比鄰井的數據對比見圖1和表4。

圖1 鉆進時效對比

表4 鉆進時效對比

使用改進后的螺桿鉆具服務后，在井身軌跡、地層條件、選用鉆頭、鉆進參數基本一致的情況下，提升3.30%；在滑動鉆進進尺縮減17.52%的條件下，滑動鉆進純鉆時間大幅降低48.10%，滑動鉆進平均機械鉆速整體提升59%。由此可見，使用改進后的127 mm螺桿鉆具，對滑動鉆進效率的提升幅度較大，在縮短滑動比、提升滑動鉆進效率而保障更多純鉆時間用于復合鉆進的角度上，起到了較大作用。

5 結束語

該平臺07i 井按照設計施工要求，安全、圓滿、高效完成了施工任務，比較而言，改進螺桿鉆具在復合鉆進、滑動鉆進中均對機械鉆速的提升起到了積極作用，有效降低了滑動比，由于輸出動力提升，滑動鉆進方面的提升幅度相對于復合鉆進方面更大。

螺桿鉆具與PDC 鉆頭應當具有良好的匹配性，較高的馬達的輸出轉速可以發揮PDC 鉆頭的切削效果，而低轉速、大扭矩的動力輸出可保護PDC 鉆頭復合片切削齒免于提前損壞。同時PDC 鉆頭的水眼要大小合適，既要確保軸承得到良好的潤滑，又要避免通過過多的泥漿對軸承產生沖蝕。在此次6″小井眼的對比試驗中，低轉速、大扭矩的動力輸出總體上更加節約鉆進時間，提高了生產施工效率，為下一步鉆井提速與區塊開發、鉆具組合的改進提供了可靠參考。完成二開整體進尺增加2.25%的同時，整體純鉆時間縮短6.87%，平均機械鉆速整體提升9.7%，兩井復合鉆進與滑動鉆進的數據對比參考圖2 和表5。

圖2 復合、滑動鉆進時效對比

表5 復合、滑動鉆進時效對比

對二開鉆進的具體數據進行對比分析，在相近的軌跡下，改進后的07i 井進尺滑動比由0.052 降低至0.044，純鉆時間滑動比由0.20 降低至0.11；在復合鉆進進尺縮減2.05%的條件下，復合鉆進純鉆時間降低5.55%的，復合鉆進平均機械鉆速整體