蘇里格南小井眼螺桿鉆具改進提速效果研究

路永亮，尚 鑫，李 鵬

（中國石油渤海石油裝備鉆井裝備分公司，天津 300280）

0 引言

蘇里格南區(qū)塊位于內蒙古自治區(qū)鄂托克前旗南部地區(qū)毛烏素沙漠南部。小井眼井鉆井在成本節(jié)約、環(huán)保方面都具有巨大優(yōu)勢，可有效降低鉆井成本，經(jīng)濟效益十分可觀，建設方在該區(qū)塊90%以上的井位采用小井眼鉆井以達到節(jié)約投資的目的。該區(qū)塊實施小井眼的井身結構為二開五段制定向井，造斜點一般為表層井深400 m，二開裸眼段長達3200 m，國內此類小井眼井鉆井施工難度大[1]。本文重點介紹該區(qū)塊小井眼井的螺桿鉆具優(yōu)選及個性化設計，為以后蘇里格氣田及國內其他地區(qū)實施此類井身結構開發(fā)提供經(jīng)驗。

1 現(xiàn)場生產(chǎn)技術需求

蘇里格南某小井眼地質層位情況如表1 所示。

表1 蘇里格南區(qū)塊某井地質設計

該井井型為6″（152.4 mm）小井眼，設計井深3708.74 m，一開215.9 mm 井眼、井深675 m，二開152.4 mm 井眼、井段676～3704 m。該區(qū)塊井位表層可鉆性較好，提速空間小，需重點圍繞二開進行螺桿鉆具優(yōu)選和個性化改進設計。二開大體分為3 部分完成，第一部分為造斜段，為完成所要求的井身軌跡，需求較強的人工造斜能力，對自然增斜存在客觀需求；第二部分為穩(wěn)斜段，需要較高的機械鉆速和穩(wěn)斜性能，有主打穩(wěn)斜現(xiàn)場訴求；第三部分為降斜段，順應地層的自然降斜趨勢，鉆進至全井完鉆。

二開采用127 mm 螺桿鉆具，裸眼段近3300 m，提速空間大，對螺桿鉆具優(yōu)選和個性化改進設計要求較高[2]。為提升鉆井機械鉆速，在原有二開鉆具組合基礎上對井下作業(yè)工具進行改進，并在該井眼鉆進中試驗。

（1）現(xiàn)行方案：在安定組至劉家溝組的上部地層，使用高速中扭矩螺桿鉆具，具備高抗研磨的耐磨帶，傳動軸殼體使用耐磨合金柱支撐，馬達轉速更高，適應可鉆性高的上部地層，提高機械鉆速；劉家溝組至本溪組的下部地層，使用低速高扭矩螺桿鉆具，具備高抗研磨的耐磨帶，傳動軸殼體使用耐磨合金柱支撐，扭矩更大、馬達轉速更低，更適應下部地層，有力支持鉆進破巖、傳遞扭矩。

（2）改進方案：對7LZ127X7Y-VIII 型螺桿鉆具馬達配合、線型導程進行優(yōu)化，使用全新研發(fā)的短幅馬達線型結構，定子輪廓直徑尺寸增加9.5%，過流面積增大23%；采用定子輪廓掃描技術控制輪廓線型的加工精度，根據(jù)精確測量的定子輪廓線型優(yōu)化轉子配合線型在對扭矩影響不大的條件下，轉速相比常規(guī)7LZ127X7Y-V大扭矩螺桿鉆具，最高轉速由120 r/min 提升至196 r/min、提升了60%，大大提高平均機械鉆速。

為了適應鉆進施工中提高機械鉆速、強化參數(shù)對工具強度的需求，傳動軸選用高強度材料，優(yōu)化內部應力，優(yōu)化熱處理工藝，在原有40CrNiMo 鋼基礎上提高強度，并重新設計135 mm（公稱直徑）傳動軸總成，相比原有的127 mm（公稱直徑）總成適合更激進鉆進鉆進參數(shù)，可適應最大12 t 鉆壓。采用防托壓結構，可有效降低摩阻至少15%，降低滑動鉆進期間的脫壓現(xiàn)象；整機結構的優(yōu)化設計，提高鉆具造斜能力，減少滑動鉆進，提高時效。

為滿足螺桿高壽命需求，在易磨損的萬向軸總成采用弧形滾柱設計，有效降低磨損率，克服了滾珠式球鉸接萬向軸的高磨損率，提高萬向軸總成壽命近50%（原型總成平均使用壽命140 h，改進后可達200 h）；有效提高鉆具壽命，保障鉆進穩(wěn)定，同時提高傳動扭矩傳遞能力，萬向軸扭矩傳遞效率提高15%。根據(jù)二開鉆進需要，采用7/8 頭高速中扭矩馬達，對馬達導程與直徑比進行優(yōu)化，排量在16 L/s 時在推薦使用參數(shù)（鉆壓5～12 t，頂驅轉速60 r/min）下實際轉速達180 r/min，可有效提升機械鉆速。

2 現(xiàn)場應用效果

該改進螺桿鉆具于2021 年10 月16 日3∶30 入井，5∶00 下鉆到底，正常鉆進。10 月23 日8∶00 起出，鉆進井段675～3367 m，進尺2692 m，純鉆116 h。

機械鉆速為23.21 m/h，其中定向鉆進91 m 計22 次。鉆進過程中當前井相對同平臺鄰井鉆壓大20 kN，在循環(huán)立壓低1 MPa 的情況下，鉆進立壓一致，扭矩在2000 m 前稍大，在2000 m 以后扭矩相對鄰井小1 kN·m；定向鉆進時有輕微釋放現(xiàn)象（表2）。

表2 該井對比鄰井數(shù)據(jù)

鉆進過程中當前井相對鄰井鉆壓要大20 kN、在循環(huán)立壓低1 MPa 的情況下，鉆進立壓基本一致，扭矩在2000 m 以前稍大、在2000 m 以后較相對鄰井小1 kN·m；定向鉆進時有輕微釋放現(xiàn)象，工具跑，定向相對較慢（表3）。

表3 該井對比鄰井定向數(shù)據(jù)

在井眼軌跡控制方面當前井相對鄰井有優(yōu)勢，不論從定向時間及定向進尺等方面，占比相對較小，定向少，井眼相對平滑，附加拉力相對小。在定向鉆進中，當前井以扭方位為主，井斜穩(wěn)定，方位小飄；鄰井以挑井斜為主，方位小飄。

3 工具起鉆檢查

鉆頭出井后檢查地表，1 片復合片崩齒比較嚴重，其余復合片磨損比較小，按照IADC 鉆頭磨損分級為：4-1-BT-CN-X-IWT-PR，心部齒崩齒比較嚴重（圖1）。隨后將試驗螺桿鉆具進行回收拆檢，對7LZ127X7Y-VX 螺桿鉆具的拆解檢查，未發(fā)現(xiàn)螺桿鉆具各部分殼體與總成有異常與失效，均屬于正常磨損，滿足二開一趟鉆對使用壽命的要求。螺桿鉆具整機殼體發(fā)現(xiàn)中度破損，萬向軸彎殼體耐磨帶中度磨損。旁通閥總成在拆解前用木棒壓旁通閥的閥芯，能夠正常迅速彈起，拆解后檢查發(fā)現(xiàn)閥套、閥芯、彈簧磨損輕微（圖2）。

圖1 起鉆后檢查鉆頭磨損情況

圖2 拆檢螺桿鉆具整機

傳動軸總成的串軸承存在輕微磨損，但可以繼續(xù)使用：扶正器外徑由148 mm 磨損至145.5 mm；傳動軸軸體有環(huán)狀磨損印記，軸體尺寸由64.75 mm 磨損至64.70 mm，屬于正常磨損、可繼續(xù)使用；軸承鋼球外徑由15.80 mm 磨損至15.55 mm，屬于正常磨損、可繼續(xù)使用（圖3）。

圖3 拆檢螺桿鉆具傳動軸總成

4 結束語

該井按照設計施工要求，安全、圓滿、高效完成了施工任務，比較而言，改進螺桿鉆具在鉆進中鉆時相對慢，但在較長穩(wěn)斜井段中井眼軌跡控制有優(yōu)勢。總體呈穩(wěn)斜、方位小飄趨勢，但由于地層、傾角、方位、實驗數(shù)據(jù)少等原因只能做參考。另外強化螺桿鉆具、鉆頭適合更激進鉆進參數(shù)，鉆進中可施加更大的鉆壓，立管壓力波動與原先螺桿無大的區(qū)別，但在同樣鉆壓情況下，立壓相對高出1～2 MPa。由于穩(wěn)斜、定向相對少，本井附加拉力相對小了160 kN。

螺桿鉆具與PDC（聚晶金剛石復合片）鉆頭應當具有良好的匹配性，為了發(fā)揮PDC 鉆頭的切削效果，應盡量提高馬達的輸出轉速，但最高轉速不應超過280 r/min，否則PDC 齒會因得不到良好的冷卻提前損壞。同時PDC 鉆頭的水眼尺寸要合適，既要確保軸承得到良好的潤滑，又要避免通過過多的泥漿對軸承產(chǎn)生沖蝕。

強化螺桿鉆具適合更激進鉆進參數(shù)，鉆進中可施加更大鉆壓，在使用中具有抗沖擊、耐研磨、長壽命、防托壓、強造斜的技術特點，通過優(yōu)化配置形成了6″井眼螺桿鉆具提速技術的進一步改進理論，為未來鉆井提速與區(qū)塊開發(fā)、鉆具組合的改進提供了可靠參考。