低速螺桿在定向井鉆井中的應(yīng)用

張瑞平，張宏阜，俞 努，師 峰，駱裕萍

（1.西部鉆探定向井技術(shù)服務(wù)公司，新疆烏魯木齊830026；2.西部鉆探新疆油田協(xié)調(diào)部，新疆克拉瑪依834000；3.西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆克拉瑪依834000）

低速螺桿在定向井鉆井中的應(yīng)用

張瑞平*1，張宏阜1，俞 努2，師 峰1，駱裕萍3

（1.西部鉆探定向井技術(shù)服務(wù)公司，新疆烏魯木齊830026；2.西部鉆探新疆油田協(xié)調(diào)部，新疆克拉瑪依834000；3.西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆克拉瑪依834000）

近年螺桿加PDC鉆頭鉆具組合在水平井、定向井以及防斜打直井中的推廣應(yīng)用，螺桿鉆具的大力推廣應(yīng)用對螺桿馬達(dá)的性能要求提高，低速大功率螺桿與常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)螺桿相比，具有工作扭矩大，入井有效工作時間長和轉(zhuǎn)速低等特點(diǎn)，通過應(yīng)用低速螺桿鉆具，達(dá)到減少螺桿損耗，提高螺桿和鉆頭利用率的目的，進(jìn)而提高鉆井速度，節(jié)約鉆井成本，提高油田鉆探的經(jīng)濟(jì)效益。

螺桿鉆具；低轉(zhuǎn)速；螺桿加PDC；定向井

隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，大位移水平井、長穩(wěn)斜段定向井以及直井的防斜打快等特殊井對鉆井提速和降低成本提出新的要求，伴隨著螺桿加PDC鉆頭鉆具組合在鉆井中的廣泛應(yīng)用，螺桿作為主要的井下動力鉆具，螺桿的性能在導(dǎo)向鉆進(jìn)過程中起到關(guān)鍵作用，提高螺桿鉆具的功率和使用壽命是增加單趟鉆井進(jìn)尺、提高鉆井速度的關(guān)鍵。近年低速大功率螺桿鉆具在新疆油田大位移水平井、定向井和直井中的推廣應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 低速螺桿優(yōu)點(diǎn)及結(jié)構(gòu)

低速螺桿鉆具與普通單個標(biāo)準(zhǔn)螺桿相比具有許多優(yōu)點(diǎn)，減少螺桿損耗，機(jī)械鉆速提高、鉆頭使用壽命長和導(dǎo)向鉆進(jìn)中工具面容易控制等優(yōu)點(diǎn)。另外，由于螺桿部件的耐久性有所提高，螺桿的維修間隔時間和無故障時間大大延長。

螺桿是一種容積式井底馬達(dá)(PDM)，高壓鉆井液由鉆桿進(jìn)入螺桿后，馬達(dá)進(jìn)、出口兩端的鉆井液壓力差迫使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子與定子相互嚙合，用兩者的導(dǎo)程差而形成螺旋密封腔，以完成能量轉(zhuǎn)換，通過萬向軸和傳動軸將扭矩和轉(zhuǎn)速傳遞到鉆頭上，達(dá)到鉆井的目的。

螺桿轉(zhuǎn)子的螺旋線有單頭和多頭之分，常規(guī)馬達(dá)定轉(zhuǎn)子截面瓣比為3∶4、5∶6、7∶8、9∶10。轉(zhuǎn)子與定子嚙合頭數(shù)為5∶6和9∶10的截面如圖1所示。

圖1 螺桿馬達(dá)定轉(zhuǎn)子截面圖

2 螺桿工作原理分析

2.1 螺桿每轉(zhuǎn)排量的理論計(jì)算

在螺桿中，鉆井液總是從上而下流經(jīng)馬達(dá)的，而鉆頭的工作旋向有總是順時針旋轉(zhuǎn)，因此，單螺桿鉆馬達(dá)的的轉(zhuǎn)子和定子的旋向是左旋的。鉆頭的轉(zhuǎn)動來自轉(zhuǎn)子的自轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)r=2π，密封線下移z，由此可求出轉(zhuǎn)子的自轉(zhuǎn)一周密封線的下移距離H：

可求得：

若以As表示定子線性包容的面積，Ar表示轉(zhuǎn)子線型所包容的面積。則液體流過的面積AG為：

螺桿馬達(dá)的每轉(zhuǎn)排量q（即當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)一周，流過馬達(dá)的液體量）為：

可得到：

式中：Ts——定子導(dǎo)程；

N——馬達(dá)頭數(shù)。

由公式（3）可見每轉(zhuǎn)排量純粹是一個幾何量，它與馬達(dá)的線型、頭數(shù)和定子導(dǎo)程有關(guān)。

2.2 螺桿扭矩和轉(zhuǎn)速的計(jì)算：

若設(shè)鉆頭的輸出扭矩為M，馬達(dá)入口與出口的鉆井液壓力差為Δp，忽略馬達(dá)及鉆具傳動軸等部件的摩擦，那么，根據(jù)能量守恒，馬達(dá)吸收的水馬力與其輸出功率相等，既作用在螺桿上的理論扭矩為：

可以根據(jù)每轉(zhuǎn)排量q和液體流量Q求得無損條件下的螺桿理論轉(zhuǎn)速：

從上述計(jì)算公式可以得出螺桿鉆具輸出轉(zhuǎn)速取決于定轉(zhuǎn)子瓣比，在相同排量情況下，螺桿轉(zhuǎn)子的頭數(shù)越少，轉(zhuǎn)速越高，扭矩越小；頭數(shù)越多，轉(zhuǎn)速越低，扭矩越大。通過改進(jìn)螺桿馬達(dá)的結(jié)構(gòu)和水力參數(shù)使更多的水動能轉(zhuǎn)化為螺桿的機(jī)械能提高鉆頭破巖能力，從而提高機(jī)械鉆速。

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

2011年以來九頭低速大功率螺桿在新疆油田的風(fēng)城油田重18井區(qū)、火燒山井區(qū)、克拉瑪依八區(qū)等區(qū)塊的水平井、定向井、直井防斜井中均進(jìn)行推廣使用，取得了較好的效果和成功的經(jīng)驗(yàn)。2011年在新疆油田準(zhǔn)噶爾盆地西部隆起克—烏逆掩斷裂帶下盤八區(qū)的一口定向井造斜段中下入的九頭低速螺桿（9LZ172×1.5°），從造斜開始鉆至穩(wěn)斜段連續(xù)鉆進(jìn)，單井累計(jì)進(jìn)尺618m，累計(jì)工作時間達(dá)335.5h，低速螺桿在該井的成功使用，提高了鉆井速度，降低了螺桿成本，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，為在該區(qū)塊推廣普及低速螺桿提供良好的開端。

4 結(jié)論

由于低速大功率螺桿具有輸出扭矩大、轉(zhuǎn)速低、工作壽命長特點(diǎn)，在長穩(wěn)斜段定向井、水平井和防斜打快井中使用低速螺桿加PDC鉆具組合，節(jié)約了鉆頭，增加單趟鉆進(jìn)尺，減少起下鉆次數(shù)，提高機(jī)械鉆速，達(dá)到多快好省的目標(biāo)，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 吳振江，柳貢慧，李軍.螺桿鉆具造斜能力分析及預(yù)測[J].石油礦場機(jī)械，2009，38(8)：61-65.

[2]曹建，翟松.螺桿鉆具防斜打快技術(shù)分析與應(yīng)用[J].勝利油田職工大學(xué)學(xué)報，2009，23(4):26-27.

[3]張旭，劉小利，夏宏南，等.螺桿鉆具壓降分析計(jì)算[J].斷塊油氣田，2009，13（6）:60-61.

TE243

B

1004-5716(2015)04-0057-02

2014-03-10

2014-05-14

張瑞平（1983-），男（漢族），陜西子洲人，工程師，現(xiàn)從事定向井、水平井技術(shù)研究和服務(wù)工作。