螺桿鉆具提速技術研究

許開杰 張全善

摘要：隨著鉆井工程的快速發展，螺桿鉆具也有了長足的發展。作為將鉆井液壓力能轉換成機械能的井下能量轉換裝置，螺桿鉆具已由起初的定向井、大位移斜井，水平井及一般直井，發展到近些年的大規模推廣的直井復合鉆井及河流穿越工程等領域。本文是參考當前國內外關于螺桿鉆具前沿技術研究，結合了鉆井工程對鉆具的要求，旨在螺桿鉆具的輸出轉矩，鉆速，效率，以及鉆井成本得到合理的協調，通過對鉆井實例的分析和對螺桿鉆具不同工作狀況下的研究分析，并簡要給出了對螺桿鉆具提速技術的建議。

關鍵詞：螺桿鉆具;鉆速;工作參數;PDC鉆頭

1 前言

PDC鉆頭破碎巖石的作用機理與牙輪鉆頭相比有著本質上的不同，它完全是靠切削破碎地層而不是靠壓入破碎地層，因此，PDC鉆頭的切削速度與轉速成正比關系，而鉆壓對其切削速度影響不大。也就是說，PDC鉆頭適合于在較高轉速、低鉆壓條件下作業。因為在轉盤鉆井中，隨著井眼的加深（2000m以深），大部分的井段只能采用一檔（60r/min）鉆進，所以，僅僅靠轉盤不能充分發揮PDC鉆頭的作用。而螺桿鉆具的高轉速（與轉盤轉速相比較而言）可以為PDC鉆頭提高切削速度提供井下動力保障，因此，螺桿鉆具配合PDC鉆頭可以大幅度地提高機械鉆速。

2 螺桿鉆具應用情況

2003年在某區塊井三個井段進行了“螺桿鉆具配合高效鉆頭”提高鉆井效率的試驗研究。第1次在3727.40-3751.87m，進尺24.47m，機械鉆速0.87m/h，鉆速比牙輪鉆頭提高20.83%;第2次在3756.77-3898.83m，進尺142.o6m，機械鉆速l.27m/h，比牙輪鉆頭進尺提高近2倍，鉆速提高75.83%;第3次在4200.26-4305.45m，進尺105.19m，機械鉆速0.74m/h，鉆速比牙輪鉆頭提高60.87%。試驗結果表明，使用“螺桿鉆具配合高效鉆頭”不僅能提高深部井段的機械鉆速，而且如果鉆頭、地層和螺桿鉆具三者匹配合適，其它參數選用得當的話，提高鉆速還有很大潛力。

2.1 螺桿鉆具配合PDC鉆頭注意事項

2.1.1 PDC鉆頭的破巖機理

PDC鉆頭是70年代后廣泛應用于石油鉆井中的一種高效破巖鉆頭。其基體主要有魚尾形、淺錐形、短拋物線形和拋物線形4種形式。由于聚晶金剛石片與碳化鎢基片之間的有機結合，使得PDC齒具有金剛石的硬度、耐磨性、抗沖擊-自銳能力以及熱穩定性（其耐溫上限為700℃左右）。PDC鉆頭主要以剪切方式破巖，機械鉆速高，巖屑產出量大，但必須依靠水力能量進行強制冷卻和清屑。切削齒前面的巖石在擠壓下產生彈性和屈服變形，并形成初始滑移破壞面。當初始滑移破壞面極限點處巖石的剪切應力τ>τs（巖石的屈服剪切應力）時，切削齒齒面以下巖石開始發生膨脹，并沿極限破壞面開始滑動。隨著滑移破壞面的移動，被破碎的巖屑將沿切削齒前面（或終止破壞面）流出，最后完成切削。即切削層從產生彈性變形到滑移破壞，被破碎的巖屑在高射流沖擊作用下迅速離開井底而流向環空的過程。其實質是巖石在擠壓下以滑移變形方式切削，在鉆壓作用下能夠自銳地吃入地層，在扭矩作用下向前移動剪切巖石。

2.1.2 鉆進時的注意事項

（1）選擇螺桿鉆具 在選擇使用螺桿鉆具時，要結合油井的實際情況，按照各類型鉆具的性能規范，選擇合適的鉆具，避免鉆具超負荷工作。

（2）鉆桿剛性 在定向井或側鉆井中使用螺桿鉆具時，若用鋁合金鉆桿，應將所計算的反扭角乘以3，因為鋁合金鉆桿的剛性大約是鋼鉆桿的1/3。

（3）采用適當的排量 因2種鉆具（納維和代納）同屬定排量容積式馬達，只要排量一定，其他參數也就隨之確定。只有將排量控制在規定的范圍內，才能使工具發揮最大的工作效能。

（4）含砂量的要求 泥漿中的固體顆粒對工具的危害性很大，若含砂量大于5%，工具效能將降低50%。嚴重時會使工具大修或報廢。因此，含砂量應控制在0.3%～ 0.5%以下。

（5）要考慮井斜所產生的摩擦阻力 在確定定向井鉆壓時，應考慮由于井斜產生的摩擦阻力。具體方法是采用實測法，即在不同的井段反復上提下放鉆具，從指重表上記錄每次的載荷變化，計算出摩阻值后，再附加到應施加的鉆壓上，以確定軸承載荷。

（6）泵壓計算 在使用螺桿鉆具時，通過立管上壓力表的壓力變化，可較準確地判斷鉆頭在井底的工作狀況以及鉆井參數的變化情況。所以在螺桿鉆具下井前，應對3種壓力降進行較準確的計算，即，在定排量下的鉆頭壓力降;在定排量下，全部鉆柱和地面管匯的壓力損失。計算可參考噴射鉆井的管匯壓力損失計算方法;要附加馬達空轉時的壓降。環空壓耗的計算，亦與噴射鉆井計算方法相同。

2.2 不同工況下使用螺桿鉆具時的注意事項

2.2.1 起下鉆過程

（1）將螺桿鉆具提上鉆臺后，用木棍向下壓旁通閥活塞，檢查能否正常工作。然后聯接方鉆桿，開泵觀察鉆具是否轉動。開泵時間不宜太長，只要能夠看見鉆頭轉動即可。

（2）下鉆至距井底0.50～1.00m左右，開泵并記錄此時的泵壓。

（3）在定向井下入鉆具測斜定向后，應上提下放活動幾次鉆具（一般5～9 m左右），每次活動鉆具后間隔少許時間，以消除定向時由于鉆具轉動引起的扭力，確保彎接頭就位。

2.2.2 鉆進過程

下鉆完，距井底1 m左右啟動鉆具，并記錄立管壓力。然后慢慢加壓鉆進，直到壓力升至計算的立管壓力。在整個鉆進期間，要保證鉆壓穩定，并密切注意泵壓的變化，要保證立管總壓降不大于該型鉆具允許的馬達最大壓降，若壓力突然上升的幅度較大，應立即停泵并上提鉆具，然后重新啟動鉆具并鉆進。若多次調整無效，應立即起鉆。

3結論

（1）控制螺桿鉆具壓降和排量和對于螺桿鉆具輸出性能至關重要。

（2）等壁厚定子螺桿鉆具和耐油耐高溫耐磨礪橡膠配方的研制是當前螺桿鉆具研制的熱點和關鍵技術之一，其成功應用可有效提高螺桿鉆具的性能，并延長使用時間。

（3）螺桿加PDC鉆頭復合鉆具有效的提高了大港油區的鉆井速度，并使井身質量得到有效保證。

參考文獻：

[1]苗同勇，劉永旺，趙偉等.等壁厚螺桿鉆具及應用[J].石油礦場機械，2011，40（10）：72-76.

[2]李明謙，黃繼慶.螺桿鉆具的應用現狀及未來發展建議[J].石油機械，2006，34（5）：73-76.

[3]潘仁杰.螺桿鉆具控制井斜的理論分析與應用研究[D].成都：西南石油大學，2003.

[4]李萌，于興勝，羅西超，等.螺桿鉆具的前沿技術[J].石油機械，2011，39（9）：19-22.