瀘州深層頁巖氣區螺桿鉆具應用評價分析

李驥然，付 利，楊恒林，馬騁宇，王 元，陳 剛

（1.中國石油集團工程技術研究院有限公司，北京 102206；2.中國石油西南油氣田公司，四川成都 610056；3.油氣鉆完井技術國家工程研究中心，北京 102206）

瀘州區塊深層頁巖氣鉆井存在特殊巖性地層可鉆性差、地層溫度高等難點，機械鉆速低、鉆井周期長。螺桿鉆具質量壽命難以在該地區實現“一趟鉆”。一些客觀因素諸如：①額定扭矩低限制了強化參數鉆進；②高溫油基鉆井液條件下螺桿使用壽命短。因此，選用高功率長壽命螺桿鉆具有助于進一步釋放鉆井機泵能力，提高井下破巖能量，延長趟鉆時間。本文針對瀘州區塊完鉆井螺桿鉆具使用數據，開展311.2mm 井段與215.9mm 井段螺桿鉆具應用現狀分析，并對該區塊螺桿鉆具優選提供建議。

1 螺桿鉆具應用概況

1.1 311.2mm井段螺桿鉆具應用

瀘州區塊311.2mm井段平均井深約2800m，鉆進周期超過24d，其可鉆性較差的特性主要集中在：須家河組研磨性較強，茅口組含黃鐵礦、燧石結核。目前主要采用PDC 鉆頭+螺桿復合鉆進配合強化參數（排量50～57L/s，鉆壓89～150kN，地面轉速40～100r/min）。所使用的的主要螺桿品牌包括立林、德華、江鉆、德石和奧瑞拓等，平均單趟鉆進尺361.91m，平均入井時間79.73h，平均純鉆時間55.32h，機械鉆速6.51m/h。螺桿入井時間遠小于鉆進周期，無法實現一趟鉆。起鉆原因分布如圖1所示，主要為鉆時變慢，占比52%；螺桿質量原因占比3.55%，包括失速和脫膠等。

圖1 311.2mmm井段螺桿起鉆原因

1.2 215.9mm井段螺桿鉆具應用

該井段工程地質難點主要為：韓家店—石牛欄可鉆性差；龍馬溪組地層溫度高，工具易失效，鉆井效率低。主要采用PDC鉆頭+旋轉導向+螺桿配合強化參數鉆進（排量31～34L/s，鉆壓85～135kN，地面轉速70～110r/min，螺桿壓差4～7MPa）。該井段平均鉆進進尺3053.15m，平均鉆井周期50.4d，平均機械鉆速6.46m/h。主要使用的螺桿品牌包括立林、斯倫貝謝、貝克休斯、江鉆和達坦等。平均單趟鉆進尺360.4m，入井時間106.62h，純鉆時間59.11h，機械鉆速6.02m/h。螺桿入井時間遠小于鉆進周期，無法實現一趟鉆。該井段螺桿起鉆原因分布如圖2 所示，其中主要原因為工程原因、鉆時變慢和螺桿質量原因等，主要質量問題為刺漏、脫膠、失速、造斜能力不足、使用時間短等。

圖2 215.9mmm井段螺桿起鉆原因

2 螺桿鉆具故障原因分析

螺桿鉆具在深層頁巖氣的使用面臨著高溫（175℃）、高壓、油基泥漿、高有害固相含量、激進鉆井參數（排量大于35L/s、地面轉速大于120r/min、鉆壓超過150kN）和井下粘滑震動等，主要技術難題如下：

（1）鉆井液對定子橡膠侵害性強，井底高溫對定子橡膠性能影響大；

（2）高密度腐蝕性鉆井液腐蝕轉子；

（3）大扭矩、高轉速、高鉆壓對傳動系統要求高。

2.1 應力腐蝕與工具刺漏、斷裂

鉆井液中腐蝕性流體對螺桿外殼產生的腐蝕與Cl-對轉子鍍層產生的腐蝕是應力腐蝕的主要來源。轉子表面的鍍層可避免其與鉆井液直接接觸，但鍍層的微裂紋在鉆井液中固相的磨蝕下擴展，導致鍍層脫落，會刮傷定子橡膠。井內溫度的增加，會使螺桿鉆具的橡膠和金屬膨脹，加劇固相的磨蝕。馬達效率隨之顯著降低。研究表明，在高溫高壓條件下（180℃）腐蝕情況最嚴重[2]。

針對Cl-離子腐蝕可采取以下解決方法：①改進常規鍍鉻工藝，將鍍層峰谷比控制在1∶1；②采用碳化鎢涂層。

2.2 螺桿脫膠

螺桿脫膠主要存在兩方面原因：

（1）丁腈橡膠因油基鉆井液中芳香烴類而產生膨脹效應，使定轉子間的干涉增加，產生的熱量聚集，造成定子橡膠層的損壞[3]。

通常使用阿累尼烏斯公式來表示橡膠的老化和溫度的關系：

式中：k——速率常數；

A——頻率因子；

Ea——表面活性能；

R——摩爾氣體常量；

T——熱力學溫度。

當溫度T越高，反應速率k越大，橡膠老化速度就越快。對于定子的丁腈橡膠而言，必須要選擇合適的硫化體系[4]。

（2）鉆井液中Cl-離子滲透過橡膠與其粘接層發生反應從而導致脫落。當溫度超過120℃時粘結劑的水解現象加劇，造成馬達定子失效。

針對螺桿脫膠可采取的解決方法包括：

（1）改進定子橡膠工藝。采用加氫和過氧化物方法制備的HNBR 橡膠具有優異的耐高溫（160℃）、耐化學介質和耐油性能[5-6]。

（2）設計合理過盈配。NOV[7]提出了一種結合橡膠特性與溫度的轉定子配合間隙，如表1、表2所示。

表1 水基泥漿條件下的NOV轉定子配合規范

表2 油基泥漿條件下的NOV轉定子配合規范

（3）采用等壁厚定子設計。

（4）采用地面降溫裝置控制井下溫度。

（5）優化鉆井參數。

2.3 斷軸，失速與制動

在復合鉆進時，由于旋轉擺動加劇，螺桿受到交變負荷傳動軸易產生疲勞裂紋，進而導致斷裂。鉆井液含砂量過高時，傳動軸上端容易被砂子堵塞，從而導致卡死。

失速與制動：當施加鉆壓過大時，為使鉆頭保持旋轉的扭矩產生的壓力會超過定子橡膠和轉子間密封所能承受的極限，鉆井液進入然后從馬達動力段泄露。

上述的解決方法包括：①降低PDC鉆頭的攻擊性；②使用更高輸出扭矩等級的螺桿；③提高鉆頭轉速；④使用大尺寸或加重鉆桿；⑤縮短近鉆頭短節長度。

3 螺桿鉆具轉速特征分析

螺桿鉆具的理論扭矩、理論功率和理論轉速可由下列公式計算：

式中：Δp——螺桿馬達壓降；

q——每轉排量；

Q——鉆井液體積排量。

螺桿鉆具的實際轉速特征存在其最大效率對應的參數區間，應盡量使螺桿鉆具在其最佳工作區間內運轉。

3.1 常規螺桿理論轉速特征分析

3.1.1 7LZ244型螺桿

某品牌7LZ244型螺桿主要用于406.4mm和311.2mm井段，主要性能參數如下：工作排量37.85～75.5L/s、工作轉速66～132r/min、最大輸出扭矩23.32kN·m、制動扭矩35.42kN·m、最高輸出功率287kW。該型螺桿轉速特征曲線如圖3所示。

圖3 7LZ244螺桿轉速特征圖

瀘州區塊311.2mm 井段施工排量如圖3 圓點標記所示，50～57L/s排量與3～5MPa壓差對應的螺桿輸出轉速約為80～110r/min，輸出扭矩約為13.4～21kN·m。

3.1.2 7LZ172型螺桿

某品牌7LZ172 型螺桿主要用于215.9mm 井段，主要性能參數如下：工作排量18.9～37.85L/s、工作轉速80～160r/min、最大輸出扭矩10.13kN·m、制動扭矩15.4 kN·m、最高輸出功率146kW。該型螺桿轉速特征曲線如圖4所示。

圖4 7LZ172螺桿轉速特征圖

瀘州區塊215.9mm 井段施工排量如圖4 圓點標記所示，31～34L/s排量與4～7MPa壓差對應的螺桿輸出轉速約為130～160r/min，輸出扭矩約為8～12.5kN·m。

3.1.3 U7LZ等壁厚螺桿

等壁厚螺桿性能指標較常規螺桿更加優異，在瀘州區塊主要應用某品牌U7LZ244 和U7LZ172 兩種型號。U7LZ244 型螺桿主要性能參數如下：工作排量37.85～75.5L/s、工作轉速72～144r/min、最大輸出扭矩33.15kN·m、制動扭矩50.71kN·m、最高輸出功率450kW。U7LZ172型螺桿主要性能參數如下：工作排量19.6～37.85L/s、工作轉速88～176r/min、最大輸出扭矩15.1kN·m、制動扭矩23.1kN·m、最高輸出功率256kW。U7LZ244和U7LZ172螺桿轉速特征曲線分別如圖5、圖6所示。

圖5 U7LZ244螺桿轉速特征圖

圖6 U7LZ172螺桿轉速特征圖

U7LZ244 型螺桿50～57L/s 排量與3～5MPa 壓差對應的螺桿輸出轉速約為80～110r/min，輸出扭矩約為13.4～21kNm；U7LZ172 型螺桿31～34L/s 排量與4～7MPa壓差對應的螺桿輸出轉速約為130～160r/min，輸出扭矩約為8～12.5kN·m。等壁厚螺桿理論最大輸出功率較常規7LZ系列螺桿高56%～75%，最高輸出扭矩高70%。

3.2 高性能螺桿理論轉速特征分析

國產螺桿鉆具性價比高，但技術指標相對落后。部分進口螺桿性能優異，在瀘州區塊311.2mm 井段龍潭、茅口組，215.9mm 井段韓家店—石牛欄井段輸出高功率和大扭矩，大幅提高機械鉆速；在龍馬溪井段實現了長時間井下穩定工作。

某進口9-5/8″大扭矩螺額定輸出扭矩與功率較國產7LZ244 分別提高129%和93.5%；6-3/4″產品率較國產7LZ172 分別提高65%和78.8%。部分6-3/4″進口高性能螺桿與國產6-3/4″螺桿性能參數對比如表3所示。

表3 6-3/4″高性能與常規螺桿參數對比

3.2.1 9-5/8″SSS100SR

進口9-5/8″SSS100SR型螺桿螺桿轉速特征曲線如圖7 所示。其最高輸出扭矩可達55.1kN·m，輸出功率高達600kW。在此基礎參數下，使用該型螺桿可施加更大鉆壓至200kN，尤其針對311.2mm井段可以大幅提高機械鉆速。在N212-H1 井試驗中，鉆壓最高施加至220kN，創造了該井段復合機械鉆速13.76m/h，滑動機械鉆速7.85m/h，平均機械鉆速13.47m/h 的指標，較區塊該井段平均機械鉆速提高了114.83%。

圖7 9-5/8″SSS100SR螺桿轉速特征曲線

9-5/8″SSS100SR 型螺桿在當前311.2mm 井段排量50～55L/s，壓降3～5MPa 條件下轉速特性如圖7 所示。在機泵條件允許的情況下，排量可進一步加大至70L/s，井下輸出轉速可高達110r/min；螺桿許用壓降接近11MPa，峰值輸出扭矩可達55000N·m。

3.2.1 6-3/4″SSS100SR

6-3/4″SSS100SR 型螺桿轉速特征曲線如圖8 所示。其最高輸出扭矩可達18.7kN·m，輸出功率高達304kW。在某區塊試驗時，鉆壓最高施加至180kN，該井段平均機械鉆速達14.14m/h，較該井段平均機械鉆速提高了214.2%。

圖8 6-3/4″SSS100SR螺桿轉速特征曲線

6-3/4″SSS100SR 型螺桿在215.9mm 井段排量31～34L/s，壓降4～7MPa 條件下，可進一步加大排量至37.85L/s，井下轉速增加至160r/min 以上。螺桿尚有壓降余量，可施加更大鉆壓，釋放峰值扭矩18700N·m。龍馬溪層可鉆性較佳，在發揮7/8頭螺桿大扭矩特征的同時，還需要滿足高溫油基泥漿環境下長時間穩定工作的要求。

4 結論

（1）螺桿鉆具在瀘州深層頁巖氣暴露出平均單趟進尺少、平均入井時間短等問題。螺桿起鉆原因主要為鉆時變慢等工程原因，但螺桿質量問題也是非正常起鉆的主要原因。

（2）在因螺桿自身原因起鉆的工況中，主要為螺桿刺漏、螺桿脫膠等原因。

（3）具備高功率、大扭矩、長壽命特性的高性能螺桿能更好地利用好鉆井機泵條件，實現峰值扭矩的釋放，與常規螺桿相比，應用井段平均機械鉆速能提高114%～214%。建議在關鍵難鉆井段加強高性能螺桿鉆具的使用。