鉆分級注水泥器井口改進裝置及應用

平恩順，劉玉洲，王林，張建華，李楠，黃其，任秋軍

（中國石油渤海鉆探工程有限公司井下技術服務分公司，天津300283）

鉆分級注水泥器井口改進裝置及應用

平恩順，劉玉洲，王林，張建華，李楠，黃其，任秋軍

（中國石油渤海鉆探工程有限公司井下技術服務分公司，天津300283）

針對鉆分級注水泥器施工過程中不能準確控制加壓載荷，易造成循環過程中鉆壓過大，鉆頭進尺過慢等問題，提出了一種鉆分級注水泥器井口改進裝置。首先介紹了螺桿鉆具的工作原理及輸出特性，然后分析了螺桿鉆具的基本性能，從鉆壓和排量兩方面來考慮提出了一種井口裝置改進的新方法。最后以劉7-8H井成功實踐為例，表明了該方法具有較廣泛的應用前景。

分級注水泥器；鉆塞；螺桿鉆具；鉆壓；排量；井口改進裝置

分級注水泥器是水平井篩管頂部注水泥完井工藝的重要工具，一般與管外封隔器、盲板配合完成分級固井工藝［1］，使用該工具可降低注水泥泵壓，提高固井質量［2］。鉆分級注水泥器是試油作業中常見的施工工序，固井結束后，需要下鉆頭鉆磨掉分級注水泥器附件（滑套、膠塞和盲板），保持井筒暢通［3，4］。目前該施工工序使用油管連接螺桿鉆具+六棱鉆頭下至分級注水泥器位置，采用動力液正循環六棱鉆頭對分級注水泥器進行正循環鉆沖，鉆沖過程中不關閉雙閘板防噴器下部半封閘板，依靠自封封井器內膠皮與井內管柱的緊密接觸實現對井內環空的密封，從而保證鉆塞施工的順利進行。但現場施工時，常因井架不正、自封內膠皮磨損等原因，不能實現自封對井內環空的密封，進而將管柱下至適當位置后常采取關閉雙閘板防噴器下部半封閘板的方法來密封環空，進行鉆分級注水泥器施工。采用這種方式密封環空后，鉆分級注水泥器施工過程中不能直觀觀察加壓載荷，且部分加壓載荷由半封閘板膠皮承擔，機手不能準確控制加壓載荷，易造成循環過程中鉆壓過大，鉆頭進尺過慢，鉆塞難度增大等諸多問題，延長了施工周期，降低了施工效率，且易對半封閘板膠皮造成磨損，縮短膠皮使用壽命。根據以上工況，在原有井口裝置的基礎上進行改進，在防噴器與自封間加裝導管，采用這樣的井口裝置進行正循環鉆沖，施工過程中不僅可以合理調節循環過程中的鉆壓，將鉆壓調節至螺桿鉆具最佳工作效率，而且有利于控制井口回壓，保障安全連續鉆進的需要，進而有效提高鉆分級注水泥器的施工效率。

1　螺桿鉆具的工作原理及輸出特性

1.1螺桿鉆具結構及工作原理

螺桿鉆具（見圖1）是以液體壓力為動力的一種井下工具，其由旁通閥總成、防掉總成、電動機總成、萬向軸總成和傳動軸總成五大部分組成［5］。其工作原理是通過高壓鉆井液流經旁通閥進入電動機，在電動機進出口形成一定壓差驅動轉子繞定子軸線旋轉，并將電動機產生的扭矩和轉速通過萬向軸和傳動軸傳遞給鉆頭，從而進行鉆塞作業［6］。螺桿鉆具的性能主要取決于螺桿電動機，其作用是把鉆井液的水力能通過螺桿電動機轉化為鉆頭的機械能。

1.2螺桿鉆具的輸出特性

圖1　螺桿鉆具的結構［5］

螺桿鉆具是一種基于莫锘原理的容積式井下動力機械。在不計損失時，根據容積式機械工作過程中的能量守恒，單位時間內鉆頭輸出的機械能（Ttωt）等于螺桿電動機輸入的水力能（ΔpQt），則有［7-9］：

根據容積式機械的轉速關系，有：

當地層各向異性小且井眼保持清潔狀況時［10］，螺桿鉆具所需機械功率Pt可用鉆壓Wt表示為［11］：

聯立式（4）和（5）可得：

式中：Tt-螺桿電動機理論轉矩，N·m；ωt-鉆頭理論角速度，rad/min；Δp-螺桿電動機進、出口的壓力降，MPa；Qt-流經螺桿電動機的流量，即鉆井液排量，m3/s；nt-鉆頭理論轉速，即電動機輸出的轉速，r/min；q-螺桿電動機每轉排量，是一個結構參數，m3/r；Pt-螺桿鉆具功率，kW；kb-地層硬度系數；Wt-鉆壓，kN；db-鉆頭直徑，m；x，y-常數指數。

由以上各式分析可以得出螺桿鉆具的兩個基本性能：

（1）理論轉矩Tt與電動機進、出口間的壓降Δp成正比。電動機的輸出扭矩與電動機的壓降成正比。正常工作狀態下，鉆井液壓降隨鉆壓的增大而增大。隨著鉆壓逐步增加，鉆井液循環壓力逐漸上升，鉆井液壓降也相應增大，扭矩增加的同時也增加了井底切削力矩；未達到臨界鉆壓前，螺桿鉆具轉速只是稍有下降，繼續增加鉆壓，當鉆壓達到臨界鉆壓，鉆井液在電動機兩端產生的壓降達到臨界值時，螺桿鉆具轉速急劇降低到零，發生制動現象。這種情況對工具損害極大，應盡力避免。

（2）理論轉速nt與鉆井液排量Qt成正比而與鉆壓無關。一般在鉆進過程中，流進螺桿鉆具的鉆井液排量是不變的，螺桿鉆具轉速只與流量有關而受鉆壓影響很小，因此螺桿鉆具轉速基本不變，不會因為加大鉆壓而使鉆頭轉速明顯減小。

理論扭矩Tt和理論轉速nt是螺桿鉆具最主要的輸出參數，一起構成了螺桿鉆具能量轉換的載體［12］。因此只要根據修井機上指重表控制加壓載荷，水泵車上流量表控制泵送流量，就可以控制螺桿鉆具的扭矩Tt和轉速nt［13］，體現出正循環鉆沖過程中巨大的優越性。

2　井口改進裝置

結合現場實際情況，經過反復實踐對井口裝置進行了改進（見圖2）。在雙閘板防噴器與自封間加裝導管，井口改進裝置自下而上的連接順序依次為雙閘板防噴器，導管，自封，其中導管出口經皮絨管連接井口15 m3循環罐。正循環鉆沖過程中環空返出的液體可從導管流出經皮絨管進入到循環罐過濾后繼續使用，導管出口大小滿足循環需求即可。

采取改進后的井口裝置連接，鉆沖時不需要對井內環空進行密封，可真正實現正循環鉆沖過程中不關閉閘板防噴器半封閘板的要求。應用井口改進裝置，鉆分級注水泥器施工過程中可直觀觀察加壓載荷，做到準確控制加壓載荷，進而可以合理調節循環過程中的鉆壓，將鉆壓調節至螺桿鉆具最佳工作效率，保證螺桿鉆具的高效工作。另一方面，隨著排量的增加井口回壓逐漸減小，排量越大回壓的調節范圍也越小，對井口回壓的控制也就越容易［14］，不僅可以提高攜巖效果，避免造成卡鉆事故，而且有利于快速鉆進，保障井控安全及連續鉆進的需要。

圖2　井口改進裝置示意圖

3　現場應用

2015年11月26日，改進后的井口裝置在大港油田劉7-8H井進行了現場應用。該井油層套管為Φ139.7 mm，造斜井深500 m，完鉆井深1 902 m，水平位移940.86 m，分級注水泥器位置斜深1 683.32 m～1 884.97 m，最大井斜角92.7°，井眼軌跡較為復雜。劉7-8H井篩管頂部注水泥固井完井施工中，油層套管全井下入至井口，油層套管下部連接分級注水泥器、管外封隔器的精密復合濾砂管，通過盲板+管外封隔器+分級注水泥器的管柱結構進行篩管頂部注水泥固井作業［15-17］。管柱結構自下而上依次設計為：Φ139.7 mm引鞋+ Φ139.7 mm洗井閥+Φ139.7 mm短套管+Φ139.7 mm精密復合濾砂管串+Φ139.7 mm短套管+Φ200 mm裸眼封隔器（視地層情況而定）+Φ139.7 mm短套管+ Φ139.7 mm精密復合濾砂管串+Φ139.7 mm盲板+ Φ190 mm管外封隔器（封隔地層、承托水泥）+Φ168 mm分級注水泥器+Φ139.7 mm套管串至井口（見圖3）。

圖3　篩管頂部注水泥固井完井管柱

根據設計要求，施工人員下入Φ73 mm加厚油管+ Φ95 mm螺桿鉆具+Φ118 mm六棱鉆頭對分級注水泥器及盲板進行正循環鉆沖（見圖4）。第一次施工時采用未改進的井口裝置-雙閘板防噴器上部連接自封。下管柱及工具至分級注水泥器位置后，水泥泵車以密度為1.17 g/cm3的KCl溶液正循環鉆沖，自封密封效果不好，漏水嚴重，屢次對修井機井架進行調節，自封密封效果仍不好，進而在管柱下至適當位置后，采取關閉雙閘板防噴器下部半封閘板封閉井內環空進行正循環鉆沖，鉆沖加壓負荷不能直觀看出，水泥車泵壓較高，鉆頭工作效率低進尺很慢，分級注水泥器最后的37 cm進尺不明顯，嚴重減緩了作業時間。

11月27日，應用井口改進裝置后對分級注水泥器的最后37 cm進行正循環鉆沖（見圖5）。施工過程中，由于未關閉雙閘板防噴器下部半封閘板，機手可根據指重表的變化情況準確控制加壓載荷，為防止管柱倒轉，將加壓控制在20 kN以內，水泥車泵壓控制在8 MPa～10 MPa以內，進尺較明顯，15 h將分級注水泥器順利鉆開。鉆分級注水泥器井口改進裝置在劉7-8H井的成功應用，不僅有效提高了工作效率，而且明顯減少了作業時間，極大縮短了完井施工周期。

圖4　Φ95 mm螺桿鉆具+Φ118 mm六棱鉆頭

圖5　井口改進裝置

4　結論與認識

（1）理論轉矩和理論轉速是螺桿鉆具最主要的輸出參數。理論轉矩與電動機進出口間的壓降成正比，理論轉速與鉆井液排量成正比而與鉆壓無關。實際輸出轉速隨鉆壓的增加而降低，當達到臨界鉆壓時，螺桿鉆具轉速急劇降低到零，發生制動現象。

（2）應用鉆分級注水泥器井口改進裝置，不僅可以合理調節循環過程中的鉆壓，將鉆壓調節至螺桿鉆具最佳工作效率，保證螺桿鉆具的高效工作，而且有利于控制井口回壓保障安全連續鉆進的需要，進而有效提高鉆分級注水泥器的施工效率。

（3）鉆分級注水泥器井口改進裝置方法簡單，安全可靠，可有效提高鉆分級注水泥器的工作效率，縮短施工周期，降低生產成本，應用前景廣闊，具有極高的推廣價值。

（4）鉆分級注水泥器井口改進裝置完善了水平井常規油管下動力鉆塞技術，為大斜度水平井施工作業提質增效奠定堅實基礎。

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The improvement and application of the wellhead device for drilling stage cementing distributor

PING Enshun，LIU Yuzhou，WANG Lin，ZHANG Jianhua，LI Nan，HUANG Qi，REN Qiujun
（Downhole Technology Service Company，CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited，Tianjin 300283，China）

Aiming at the issue that during the construction process of drilling stage cementing distributor，the pressure load cannot be controlled accurately lead to too much bit pressure and too slow drill footage.One method of wellhead improvement device for drilling stage cementing distributor was proposed.First of all，the working principle and output characteristics of screw drill were introduced.Then，the basic properties of screw drilling were analyzed.A new method of wellhead device improvement was proposed considering two points of view bit pressure and displacement.Finally，the successful practice of well Liu7-8H is taken as an example to well indicate the more extensive application prospects for this method.

stage cementing distributor；drilling plug；screw drill；bit pressure；displacement；wellhead improvement device

TE921.4

A

1673-5285（2016）09-0025-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.09.006

2016－07-19

中國石油渤海鉆探分公司項目“可降解材料在封隔器元件中的應用研究”，項目編號：2016JXJF-07。

平恩順（1986-），工程師，2015年博士畢業于河北工業大學機械制造及其自動化專業，工學博士學位，現主要從事油氣田儲層增產措施改造方面的研究工作，郵箱：pingenshun@163.com。