“垂直鉆井工具+等壁厚螺桿”提速鉆具組合先導性試驗
——以庫車山前高陡構(gòu)造克深A井為例

張端瑞 文濤 蒲磊 遲軍 周小君 梁紅軍 趙彩庭

1.中國石油塔里木油田公司；2.洲際海峽能源科技有限公司

0 引言

塔里木油田庫車山前構(gòu)造天然氣資源量豐富，是實現(xiàn)油田增儲上產(chǎn)的主力勘探區(qū)塊。其鹽上地層普遍存在傾角大(最高87°)、礫石多、抗壓強度高(達200 MPa)、各向異性等特點，鉆井過程中井斜控制難、扭矩波動大、井壁掉塊多、鉆頭渦動、鉆具黏滑等問題突出，導致山前井鉆井周期長、機械鉆速低、復雜情況多，其中，可鉆性極差的康村組和吉迪克組是鹽上提速的重點層位。

近10 年來，塔里木油田針對鹽上地層鉆井提速做了大量研究實踐。一方面，通過引入垂直鉆井工具，基本解決了山前高陡構(gòu)造井斜控制問題，針對高抗壓、高含礫地層引入斧型齒、錐形齒及混裝齒等非平面齒鉆頭，鉆頭的抗沖擊性和破巖效率均大幅度提升；另一方面，通過強化基礎地質(zhì)研究、井壁穩(wěn)定性分析等，優(yōu)化鉆井液密度、提高鉆井液防塌封堵性，井壁掉塊及相關復雜大幅度降低［1-3］。

盡管如此，受井壁掉塊、高含礫石及地層各向異性影響，鹽上地層鉆進期間鉆頭渦動、鉆具黏滑現(xiàn)象突出，尤其是康村組、吉迪克組，鉆進期間扭矩波動大、鉆具蹩卡頻繁、鉆頭易遭先期破壞。一是在鉆頭渦動、鉆具黏滑等非正常鉆進狀態(tài)下機械比能MSE 異常偏高，破巖效率較低；二是鉆進及劃眼期間蹩扭頻繁，需要通過活動鉆具恢復正常鉆進，日純鉆時效普遍在70%以下；三是針對抗壓強度高、可鉆性極差的礫石層，使用高刀翼數(shù)、錐形齒等抗沖擊性強的鉆頭，機械鉆速普遍低于1 m/h，而一般抗沖擊性鉆頭極易在渦動狀態(tài)下遭先期破壞，出井鉆頭崩齒、掉齒多。此外，螺桿鉆具近年來在常規(guī)井取得了較好的提速效果，但在庫車山前地區(qū)，由于鉆井工程難度大、井下復雜多以及與垂直鉆井工具的配套性等問題遲遲不能推廣應用。

因此，尋求能夠適用于庫車山前鹽上地層、能夠配合垂直鉆井工具及高抗沖擊性鉆頭的高性能大扭矩螺桿，優(yōu)化設計出能夠有效改善鉆頭渦動、鉆具黏滑等非正常鉆進狀態(tài)并實現(xiàn)高效破巖的鉆具組合，成為庫車山前鉆井提速的關鍵。

1 鉆頭渦動、鉆具黏滑現(xiàn)象分析

克深A 井是庫車山前克深區(qū)塊的一口重點勘探井，設計井深7 415 m (直井)。該井鹽上地層傾角28°～46°，為典型的高陡構(gòu)造，礫石廣泛分布。三開?333.4 mm 井眼康村組、吉迪克組是該井可鉆性最差的兩個層位：地層單軸抗壓強度120～160 MPa，局部達210 MPa，為硬～極硬地層；地層含礫5%～80%不等，主要包括可鉆性極差的雜色細礫巖、雜色小礫巖及砂礫巖。

鉆遇高抗壓強度、高含礫地層，傳統(tǒng)做法是起鉆更換為牙輪鉆頭，采用低轉(zhuǎn)速鉆進，待鉆穿高含礫地層后再起鉆更換為PDC 鉆頭。若鉆遇多套高含礫地層，則需要多次起下鉆，整體時效低。直接使用PDC 鉆頭鉆進，鉆頭渦動、鉆具黏滑現(xiàn)象較為嚴重，鉆進扭矩波動大，鉆頭易遭先期破壞。克深A 井在康村組、吉迪克組嘗試了不同抗沖擊性、攻擊性的鉆頭，在未使用等壁厚大扭矩螺桿情況下，高抗沖擊性鉆頭表現(xiàn)為進尺相對較長但機械鉆速慢，高攻擊性鉆頭表現(xiàn)為機械鉆速相對較快但進尺短，同時，出井鉆頭出現(xiàn)了較多掉齒、崩齒甚至環(huán)形槽現(xiàn)象，表現(xiàn)均差強人意(如表1 所示)。

鉆進過程中，鉆頭因鉆遇礫石、井壁掉塊或軟硬夾層，鉆具因摩阻變大出現(xiàn)臨時性“蹩停”，產(chǎn)生周向、橫向及軸向的不規(guī)則振動，表現(xiàn)為鉆頭及鉆具的黏滯、加速滑脫及不規(guī)則公轉(zhuǎn)運動，形成了鉆頭渦動、鉆具黏滑現(xiàn)象，不僅加速了鉆頭磨損，同時也降低了鉆頭的破巖效率。

黏滑現(xiàn)象表現(xiàn)為鉆具圍繞其幾何中心的黏滯及加速滑脫，由鉆具的周向振動引起，提高轉(zhuǎn)速可有效減緩鉆具黏滑。正常旋轉(zhuǎn)鉆進時鉆具保持恒定轉(zhuǎn)速，隨著井深或井底摩阻的增加，鉆具底部會“黏附”在井底，這種“黏附”會一直持續(xù)到鉆具扭矩超過鉆具的靜態(tài)扭矩，此時鉆具會突然松開并且快速旋轉(zhuǎn)。因為鉆具靜態(tài)扭矩高于鉆具動態(tài)扭矩，鉆具此時的瞬時旋轉(zhuǎn)速度遠遠高于鉆具正常旋轉(zhuǎn)速度(比正常旋轉(zhuǎn)速度高3～5 倍)，隨后鉆具轉(zhuǎn)速又會逐漸降低，直到鉆具再一次因扭矩過大而加速滑脫。鉆具黏滑在深井、超深井、大斜度井及水平井普遍存在。黏滑現(xiàn)象是一種閾值現(xiàn)象，一般低于臨界轉(zhuǎn)速黏滑就會發(fā)生［4-9］。

表1 康村組、吉迪克組含礫地層鉆頭表現(xiàn)Table 1 Bit behaviors in the conglomeratic formation of Kangcun Formation and Jidike Formation

渦動現(xiàn)象表現(xiàn)為鉆頭不圍繞其幾何中心旋轉(zhuǎn)，而是向前或向后的不規(guī)則公轉(zhuǎn)，由鉆頭的橫向、周向和軸向振動耦合作用引起。向后渦動，即鉆頭與鉆桿旋轉(zhuǎn)方向相反的反向公轉(zhuǎn)運動，會使PDC 鉆頭的切削齒非復合片部分接觸地層并產(chǎn)生高應力集中，極易導致鉆頭的先期破壞，表現(xiàn)為鉆進扭矩增大、蹩跳鉆、崩齒、掉齒及井眼不規(guī)則等。與鉆具黏滑現(xiàn)象相反，鉆具轉(zhuǎn)速越高，離心力越大，鉆頭越容易偏離原狀態(tài)，也就越容易發(fā)生渦動回旋，一般降低轉(zhuǎn)速可有效減緩鉆頭渦動狀態(tài)［10-11］。

因此，克深A 井受井壁掉塊、高含礫石、地層各向異性及井深的影響，鉆頭渦動、鉆具黏滑現(xiàn)象共存，難以通過調(diào)整鉆井參數(shù)改善非正常鉆進狀態(tài)，破巖效率及鉆井時效均較低。為改變井底鉆具軸向、橫向及周向固有的振動頻率及耦合作用方式，克服鉆具在山前高陡構(gòu)造含礫地層的渦動、黏滑問題，達到保護鉆頭和提高鉆速的目的，克深A 井在三開康村組、吉迪克組引入等壁厚大扭矩螺桿，創(chuàng)新性應用“垂直鉆井工具+等壁厚大扭矩螺桿”鉆具組合，并開展提速先導性試驗。

2 垂直鉆井工具

2004 年以前，在山前高陡構(gòu)造鉆井普遍采用“大鐘擺+井下動力鉆具+高效PDC”鉆具組合，防斜提速困難。2004 年以后，塔里木油田相繼引進了斯倫貝謝公司的Power-V、貝克休斯的VertiTrak 等垂直鉆井工具，成功解決了高陡構(gòu)造井斜控制難的問題。

Power-V 工具是一套全自動化的旋轉(zhuǎn)導向垂直鉆井工具，由上端的電子控制部件和下端的機械導向部件組成。在井下工作時，電子控制部件測量出井底的井斜和方位，當與設定的工具面(低邊)不同時，機械導向部件自動調(diào)整偏置系統(tǒng)上的推力塊(Pad)產(chǎn)生主動的側(cè)向力，作用于上井壁(高邊)，改變鉆頭作用方向，切削下井壁(低邊)，使井眼軌跡快速返回鉛垂方向，實現(xiàn)降斜的目的。此工具特別適用于自然造斜力強，尤其是在傾角大于30°的高陡構(gòu)造地層［12］。

由于Power-V 工具故障率低、井斜控制效果好，在塔里木油田的推廣應用非常成功，先后經(jīng)歷了引進試驗、配套完善、工業(yè)化應用3 個階段，該工具于2019 年實現(xiàn)了在塔里木油田的百萬米進尺，已成為庫車山前高陡構(gòu)造地層防斜打快標配技術。盡管如此，因山前井工程難度大、井下復雜多、工具配套性等問題，垂直鉆井工具與螺桿鉆具的配套組合在庫車山前地區(qū)還沒有任何實鉆案例。

3 等壁厚大扭矩螺桿

螺桿作為一種常規(guī)井下動力提速工具，其復合轉(zhuǎn)動改變了井底鉆具固有的振動頻率及耦合作用方式，近鉆頭的液壓動力對于減小鉆頭渦動、鉆具黏滑效應并提高破巖效率具有重要作用，在普通定向井、中淺井廣泛應用。

在深井、超深井以及高溫高壓井，常規(guī)螺桿使用效果并不理想，主要是由于常規(guī)螺桿的使用壽命、穩(wěn)定性、輸出功率、處理復雜能力均較低。常規(guī)螺桿的加工工藝是將橡膠澆鑄在光滑內(nèi)壁的金屬定子殼體上，并形成螺旋曲面與轉(zhuǎn)子嚙合，利用二者的導程差形成螺旋密封腔來完成能量的轉(zhuǎn)換。該注膠過程導致橡膠襯套厚度不均勻，在硫化過程中，厚薄交界面的橡膠易老化、掉膠，形成了螺桿的薄弱點，具有抗形變能力差、單級承壓小、易出現(xiàn)故障等缺點。

等壁厚螺桿則將定子內(nèi)表面加工成與轉(zhuǎn)子配合的螺旋金屬曲面，然后在螺旋金屬曲面上硫化橡膠，使橡膠厚度均勻，與轉(zhuǎn)子配合組成等壁厚螺桿。等壁厚橡膠在硫化過程中，不會出現(xiàn)因厚薄交錯變化而導致的橡膠老化、掉膠等問題，使硫化效果達到最佳，有效地避免了定子橡膠件薄弱點的形成，增強了定子殼體內(nèi)表面的耐沖擊和抗形變能力。由于等壁厚橡膠形變量小的特點，可與轉(zhuǎn)子更好地嚙合，增加每級壓降并提高螺桿功率。這有利于等壁厚大扭矩螺桿在深井、超深井及高溫高壓井的使用［13-16］。

庫車山前地區(qū)普遍為高陡構(gòu)造，鹽上地層抗壓強度高、含礫高、可鉆性差且易出現(xiàn)井下復雜，對螺桿性能提出了較高的要求。一是需要具備足夠的破巖輸出扭矩(＞30 kN·m)，以應對康村組、吉迪克組高抗壓強度地層；二是需要具備良好的復雜處理能力，在鉆頭蹩扭情況下螺桿應具備至少8 MPa 的憋泵余量，以便及時停泵避免螺桿損壞；三是在高扭矩、高排量、高鉆井液密度及高溫高壓環(huán)境下的穩(wěn)定工作時間應大于300 h，保證良好的工作時效；四是與鉆頭、垂直鉆井工具、扶正器等井下工具的整體配套性，保證鉆具剛性、減震性及水力參數(shù)滿足要求。

為滿足上述要求，克深A 井引進了加拿大BICO公司生產(chǎn)的?244.5 mm SSS100 型等壁厚大扭矩螺桿，其性能參數(shù)如表2 所示。

表2 ?244.5 mm SSS100 型等壁厚大扭矩螺桿性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of ?244.5 mm SSS100 screw rod with equal wall thickness and large torque

4 提速鉆具組合優(yōu)化設計

基于克深A 井康村組和吉迪克組地層傾角、抗壓強度、研磨性、含礫情況等綜合分析，為控制井斜、應對鉆頭渦動及鉆具黏滑、提高鉆井效率，采用“垂直鉆井工具+等壁厚大扭矩螺桿”鉆具組合。

(1)為保障糾斜效果，垂直鉆井工具需放置于鉆具底部(鉆頭與螺桿之間)。由于垂直鉆井工具的轉(zhuǎn)速為螺桿與頂驅(qū)轉(zhuǎn)速之和，需保證垂直鉆井工具在高轉(zhuǎn)速下的糾斜效果和耐磨性，因此優(yōu)選工作狀態(tài)不受轉(zhuǎn)速限制且應用效果較好的斯倫貝謝垂直鉆井工具Power-V［17］，入井前需將Power-V 的電子控制部件設定為100%降斜指令，并配套側(cè)向切削能力強的鉆頭，保證最佳糾斜效果。

(2)保證鉆頭、扶正器優(yōu)良的“排屑槽”設計，確保鉆具組合在有井壁掉塊時也能順利起下鉆。要求鉆頭倒角、扶正器棱倒角小于30°，鉆頭、扶正器過流面積大于30%，扶正器包角介于270°～360°并滿足“視線穿透法則”，同時避免使用套裝式扶正器(其排屑面積較小)［18-19］。

(3)保證鉆具組合足夠的剛性設計，降低鉆具組合對鉆壓的敏感性。螺桿自帶?330 mm 扶正器，并在其上部加裝一個?330 mm 扶正器，組成雙扶近滿眼鉆具組合，搭配足夠數(shù)量的鉆鋌及加重鉆桿，保證鉆具最大能夠施加200 kN 鉆壓，滿足強化鉆井參數(shù)的要求。

(4)保證鉆具組合良好的自然糾斜能力設計。使用?228.6 mm、?203.2 mm 兩種外徑的鉆鋌組合，借鑒塔式鉆具防斜打直的優(yōu)點，與雙扶正器鐘擺設計、垂直鉆井工具協(xié)同，保障鉆具組合在高陡構(gòu)造下具備理想的井斜控制能力［20］。

(5)為保證鉆具安全、降低循環(huán)泵壓及具備足夠的過提余量，滿足處理井下復雜的需要，優(yōu)化使用?149.2 mm 高抗扭鉆桿。

(6)保證鉆具組合良好的減震性能設計。使用鉆井動態(tài)分析系統(tǒng)IDEAS 對鉆具組合進行優(yōu)化分析，確保鉆頭、垂直鉆井工具、扶正器及鉆鋌等鉆具構(gòu)件的整體配套性。如圖1 所示，模擬了4 種不同扶正器、鉆鋌配置組合下的鉆具黏滑振動分析，可以看出鉆具組合3、鉆具組合4 在轉(zhuǎn)速大于80 r/min后黏滑現(xiàn)象十分嚴重，因此優(yōu)化使用黏滑振動表現(xiàn)最好的鉆具組合1。

圖1 4 種鉆具組合的黏滑振動分析Fig.1 Stick-slip vibration analysis of four BHAs

(7)保證鉆具組合良好的水力載荷設計。分別對鉆頭、垂直鉆井工具、等壁厚大扭矩螺桿及鉆具整體進行水力學分析，確保各自水功率、壓降滿足工作需求，根據(jù)計算，排量50 L/s 時最大泵壓30 MPa，滿足鉆機設備要求。

根據(jù)優(yōu)化設計結(jié)果，確定鉆具組合：?333.4 mm PDC 鉆頭+?228.6 mm 垂直鉆井工具+?244.5 mm等壁厚大扭矩螺桿(帶?330 mm 扶正器)+?330 mm扶正器+無磁鉆鋌(MWD)+?228.6 mm 鉆鋌×3 根+?203.2 mm 鉆鋌×12 根+?139.7 mm 加重鉆桿×15根+?149.2 mm 鉆桿至頂驅(qū)。

5 現(xiàn)場應用

克深A 井三開?333.4 mm 井眼分別在康村組下部、底部和吉迪克組中部應用了3 趟“垂直鉆井工具+等壁厚大扭矩螺桿”提速鉆具組合。3 趟鉆鉆井參數(shù)：鉆壓160～200 kN、頂驅(qū)轉(zhuǎn)速60～80 r/min、扭矩8～12 kN·m、排量48～50 L/s、泵壓26～28 MPa。鉆井參數(shù)中扭矩表現(xiàn)最為明顯，由未帶螺桿時的10～27 kN·m 波動范圍降至6～12 kN·m，康村組使用螺桿前后扭矩與機械鉆速對比如圖2 所示。

圖2 克深A 井康村組未帶螺桿與帶螺桿扭矩及機械鉆速對比Fig.2 Torque and ROP comparison between the situation without screw rod and that with screw rod in Keshen Well A of Kangcun Formation

三趟鉆累計進尺1 034 m，平均單趟鉆進尺344.67 m，平均機械鉆速2.93 m/h，鉆進機械比能MSE 相比未使用等壁厚大扭矩螺桿前明顯降低，即使在較高的鉆壓(160～200 kN)下，實鉆井斜依然能控制在0.5°以內(nèi)。三趟鉆實鉆數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 克深A 井等壁厚大扭矩螺桿實鉆數(shù)據(jù)Table 3 Actual drilling data of the screw rod with equal wall thickness and large torque in Well A of Keshen

為保證對比數(shù)據(jù)的準確性與有效性，選擇作業(yè)難度相當?shù)膬煽卩従松頧1 井、克深X2 井同層位同井段進行對比，三趟鉆進尺與機械鉆速與兩口未下螺桿鄰井對比如圖3 所示。

從圖3 可以看出，下入等壁厚大扭矩螺桿后，機械鉆速及進尺相比鄰井均有大幅度提高。以康村組底部為例，克深A 井下入等壁厚大扭矩螺桿后相比克深X1 井、克深X2 井機械鉆速分別提高167%、75%，進尺分別提高88%、134%。

在本次先導性試驗中，入井螺桿單趟鉆開泵時間最高達366.75 h，且出井狀態(tài)良好。實踐證明，等壁厚大扭矩螺桿性能穩(wěn)定，即使在高泵壓、高壓降及高輸出功率狀態(tài)下，其等壁厚橡膠件也具有良好的耐沖擊性及抗形變性。

圖3 克深A 井等壁厚大扭矩螺桿使用情況與鄰井(未下入螺桿)對比Fig.3 Comparison between the application effect of the screw rod with equal wall thickness and large torque in Well A of Keshen and its neighboring well (without screw rod)

從試驗數(shù)據(jù)可以看出，“垂直鉆井工具+等壁厚大扭矩螺桿”提速鉆具組合一方面解決了高陡構(gòu)造井斜控制問題(實鉆井斜＜0.5°)；另一方面，有效改善了鉆頭渦動和鉆具黏滑問題，鉆進效率大幅度提升。

因此，等壁厚大扭矩螺桿可利用其自身水力能量轉(zhuǎn)換替代大部分切削硬夾層、礫石所需的地面扭矩，避免了由于鉆桿扭轉(zhuǎn)形變導致的深井、超深井扭矩傳遞滯后的問題，有效改變了井底鉆具軸向、橫向及周向的振動頻率及耦合作用方式，改善了鉆頭渦動和鉆具黏滑問題，降低了鉆進扭矩和機械比能，達到了保護鉆頭和高效破巖的目的。

6 結(jié)論

(1)“垂直鉆井工具+等壁厚大扭矩螺桿”提速鉆具組合在高陡構(gòu)造、高抗壓強度及高含礫地層能夠有效地控制井斜并改善鉆頭渦動、鉆具黏滑等非正常鉆進狀態(tài)，達到了解放鉆壓、保護鉆頭、提高破巖效率的目的，相比鄰井同井段同層位機械鉆速、單趟鉆進尺分別有75%～262%、51%～134%的提高。

(2)等壁厚大扭矩螺桿具有輸出功率高、性能穩(wěn)定、安全可靠、處理復雜能力強的特點，適用于山前高陡構(gòu)造含礫地層的提速。在本次先導性試驗中，應對高抗壓強度、高研磨性且含礫較多的康村組、吉迪克組，能通過高輸出扭矩滿足切削及破巖要求，并實現(xiàn)單只螺桿穩(wěn)定運轉(zhuǎn)366.5 h。

(3)垂直鉆井工具與等壁厚大扭矩螺桿配套性良好。為應對山前高陡構(gòu)造井斜控制難的問題，在螺桿鉆具組合中加入垂直鉆井工具，通過鉆柱力學及水力載荷優(yōu)化設計，配合高側(cè)向切削能力鉆頭，實鉆鉆壓160～200 kN，實鉆井斜＜0.5°，實現(xiàn)了高鉆壓下理想的井斜控制。

(4)鑒于“垂直鉆井工具+等壁厚大扭矩螺桿”提速鉆具組合在庫車山前高陡構(gòu)造含礫地層理想的提速效果及穩(wěn)定的性能表現(xiàn)，建議在山前井鹽上地層規(guī)模推廣使用，進一步助推區(qū)塊鉆井提速。