螺杆钻具在深井快速钻进中的应用

2010-12-08于卫东殷凤玲曾晓红

石油矿场机械 2010年4期

关键词：深井排量马达

于卫东,殷凤玲,孙伟,曾晓红

(1.德州联合石油机械有限公司,山东德州253034;2.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司,兰州730050)

螺杆钻具在深井快速钻进中的应用

于卫东1,殷凤玲1,孙伟1,曾晓红2

(1.德州联合石油机械有限公司,山东德州253034;2.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司,兰州730050)

针对我国中西部地区钻井深度在5 000 m以上深井逐渐增多、地层复杂、地层温度高的情况,螺杆钻具在深井中实现快速钻进已成为近年来的一个重要课题。从深井螺杆钻具的选择、正确使用和推广新结构螺杆钻具3方面进行了分析,旨在能够对广大油田用户有所帮助。

螺杆钻具;深井;高温;快速;钻进

我国新疆地区油气资源丰富,油层埋藏深,钻井深度大多在5 000 m以上。为加快钻井速度,缩短钻井周期,油田推广应用了PDC+螺杆钻井技术,虽然在使用中出现了一些问题,但整体钻井速度得到了提高,具有重要意义。由于该区块地质情况复杂,由浅及深地层跨越新生界、中生界、古生界,可钻性差,5 000 m以上地层温度大多在120～140℃。为此,笔者认为使用螺杆钻具实现快速钻进,必须要从正确选用、使用和推广使用新型螺杆钻具3个方面入手,才能发挥螺杆钻具的最佳性能。

1 选用原则

1.1 钻具刚性强度

在同一井眼其他条件不变的情况下,以钻具刚性强度最大为优选条件,以确保安全性。例如在∅311.15 mm(121/4英寸)井眼中,可供选择的钻具有LZ197、LZ203、LZ216、LZ244型,选择LZ244型螺杆,刚性最好,安全系数最高。

1.2 地层需要

螺杆钻具是一种容积式井底马达(PDM),高压钻井液由钻杆进入螺杆钻具后,马达进、出口两端的液体压力差迫使转子旋转,通过万向轴和传动轴将扭矩和转速传递到钻头上,达到钻井的目的。常规马达定转子截面瓣比为3∶4、5∶6、7∶8、9∶10,如图1。

螺杆钻具输出转速取决于定转子瓣比,通常在相同排量情况下,瓣比越多,输出扭矩越大,转速越低。以德州联合石油机械有限公司生产的4LZ172型和7LZ172型螺杆钻具为例 ,性能参数如表1。

图1 常规马达定转子截面

表1 4LZ172型和7LZ172型螺杆钻具性能参数

由表1可以看出,多头钻具转速低,输出扭矩和功率大。

我国中西部地区5 000 m以上的油井,根据可钻性地层可分为上部和下部地层2种,通常4 000 m以内地层为新生界和中生界地层,岩性为浅灰色散砂和灰黄色粘土泥岩、粉砂岩、膏泥岩、细砂岩及含砾砂岩,地层松软,可钻性好,不需要大扭矩输出,只要提高转速就可加快钻井速度,因此选用头数少的钻具钻进效率明显;反之,超过4 000 m的地层多为古生界地层,以页岩、泥灰岩、泥灰晶岩为主,可钻性变差,以输出大扭矩、破碎岩石达到快速钻进的目的,因此选用多头螺杆钻具效果较好。如果同样选用172规格钻具,笔者建议在上部地层选用4LZ172型或5LZ172型钻具,下部地层选用7LZ172型钻具。

1.3 合适排量

螺杆钻具为容积式马达,合适的排量是保证钻具正常工作的重要参数。钻具输出转速与排量成正比,在同一排量下应选择排量合适的钻具,以确保所要求的转速,使马达发挥至最佳状态。应根据泥浆泵的排量和输出泵压来选择合适的螺杆钻具,若排量超过钻具的额定排量,则会提高钻具的输出转速,极大地降低钻具的使用寿命,增加起下钻的时间,反而达不到快速钻进的目的。

1.4 安全性

以入井安全性和井中环空以及适应合适打捞工具为选用原则。

1.5 地层和温度

根据地层深、温度高的特点,深层钻进应选用马达橡胶耐高温的螺杆钻具。通常情况下,常规螺杆钻具使用环境温度<120℃,马达橡胶耐高温的螺杆钻具使用环境温度<150℃,非常适合在我国西部地区5 000 m左右的深井中应用。

2 螺杆钻具的正确使用

a) 螺杆钻具使用前应仔细阅读使用说明书,按规定参数使用螺杆钻具。

b) 下钻前必须进行地面检查,以可控制的速度下放钻具。当下钻遇阻时,应开泵循环,慢慢划眼通过;超深井或高温井下放钻具时,应周期性地进行循环以降低井底温度。下钻时绝对不能顿钻或将钻具直接坐入井底。

在使用螺杆钻具转盘钻井时,很多地方还片面地认为钻压越大,钻进就越快,这种操作不符合螺杆钻具的使用特性。破碎岩石和钻进过程是消耗能量的过程,单位时间内作用于钻头岩石上的能量越多,岩石粉碎得越快,钻进就越快。如何将能量集中释放出来,发挥钻具的最大效率,就必须了解螺杆钻具的性能特性。表2和图2分别为某规格螺杆钻具的整机性能试验参数和曲线。

表2 某规格螺杆钻具整机性能试验参数

图2 某规格螺杆钻具整机性能曲线

由表2和图2可以看出,在钻具工作过程中,随着载荷(钻井中对应的钻压)的增加,输出功率增大,而转速比较稳定,总效率逐渐增加。当载荷达到一个定值后再继续增加时,总效率开始下降,转速下降很快;当输出扭矩为3 500～5 100 N·m时,输出功率为51～54 kW,即,此时在相同地层中钻进的进尺是最快的,总效率最高;当输出扭矩(载荷)超过一定值时,扭矩继续增加而输出转速急剧下降,当转速降为零时,马达滞动造成憋泵,损害钻具和钻井设备,达不到进尺目的。因此用螺杆钻具钻井,钻压只是一个比较重要的参数,泵压才是一个衡量钻具正常使用的参数,泵压的大小是通过施加钻压的大小来调节的。在正常钻进过程中保持钻压的合理性和稳定性,才能达到提高钻进速度的目的。

根据螺杆钻具在定向、造斜、复合钻井等不同用途,还必须合理选用扶正器结构和扶正器到钻头的距离,否则也会影响钻具的使用效果[1]。

3 应用螺杆钻具需要解决的问题

为了应对深井井温高的特点,必须从根本上解决2个问题。

a) 橡胶必须耐高温目前国内已有生产厂研究耐温200℃的高温马达,正在试验和推广。

b) 解决定子橡胶受热不均推广使用等壁厚高温马达钻具可以解决这个问题。等壁厚高温马达钻具是将定子内腔加工出螺旋槽,内层橡胶壁厚均匀,结构如图3。

根据文献[2],等壁厚螺杆钻具由于橡胶的壁厚均匀,热温度影响一致,马达性能参数更加接近理论设计;等壁厚螺杆钻具橡胶厚度均匀,对温度的敏感性降低,可减缓橡胶的热老化,扩大螺杆钻具在深井中的应用范围;在运转过程中橡胶抗变形能力增强,“刚性”增加,单级承压增高,机械特性刚度增加,磨损速度减缓,效率有效范围更大,可延长钻具使用寿命;由于马达单级承压增高,输出效率和功率增大,更有利于在超深井、短半径水平井中使用。