泸州深层页岩气区螺杆钻具应用评价分析

2024-01-12李骥然杨恒林马骋宇

西部探矿工程 2023年12期

李骥然，付利，杨恒林，马骋宇，王元，陈刚

（1.中国石油集团工程技术研究院有限公司，北京 102206；2.中国石油西南油气田公司，四川成都 610056；3.油气钻完井技术国家工程研究中心，北京 102206）

泸州区块深层页岩气钻井存在特殊岩性地层可钻性差、地层温度高等难点，机械钻速低、钻井周期长。螺杆钻具质量寿命难以在该地区实现“一趟钻”。一些客观因素诸如：①额定扭矩低限制了强化参数钻进；②高温油基钻井液条件下螺杆使用寿命短。因此，选用高功率长寿命螺杆钻具有助于进一步释放钻井机泵能力，提高井下破岩能量，延长趟钻时间。本文针对泸州区块完钻井螺杆钻具使用数据，开展311.2mm 井段与215.9mm 井段螺杆钻具应用现状分析，并对该区块螺杆钻具优选提供建议。

1 螺杆钻具应用概况

1.1 311.2mm井段螺杆钻具应用

泸州区块311.2mm井段平均井深约2800m，钻进周期超过24d，其可钻性较差的特性主要集中在：须家河组研磨性较强，茅口组含黄铁矿、燧石结核。目前主要采用PDC 钻头+螺杆复合钻进配合强化参数（排量50～57L/s，钻压89～150kN，地面转速40～100r/min）。所使用的的主要螺杆品牌包括立林、德华、江钻、德石和奥瑞拓等，平均单趟钻进尺361.91m，平均入井时间79.73h，平均纯钻时间55.32h，机械钻速6.51m/h。螺杆入井时间远小于钻进周期，无法实现一趟钻。起钻原因分布如图1所示，主要为钻时变慢，占比52%；螺杆质量原因占比3.55%，包括失速和脱胶等。

图1 311.2mmm井段螺杆起钻原因

1.2 215.9mm井段螺杆钻具应用

该井段工程地质难点主要为：韩家店—石牛栏可钻性差；龙马溪组地层温度高，工具易失效，钻井效率低。主要采用PDC钻头+旋转导向+螺杆配合强化参数钻进（排量31～34L/s，钻压85～135kN，地面转速70～110r/min，螺杆压差4～7MPa）。该井段平均钻进进尺3053.15m，平均钻井周期50.4d，平均机械钻速6.46m/h。主要使用的螺杆品牌包括立林、斯伦贝谢、贝克休斯、江钻和达坦等。平均单趟钻进尺360.4m，入井时间106.62h，纯钻时间59.11h，机械钻速6.02m/h。螺杆入井时间远小于钻进周期，无法实现一趟钻。该井段螺杆起钻原因分布如图2 所示，其中主要原因为工程原因、钻时变慢和螺杆质量原因等，主要质量问题为刺漏、脱胶、失速、造斜能力不足、使用时间短等。

图2 215.9mmm井段螺杆起钻原因

2 螺杆钻具故障原因分析

螺杆钻具在深层页岩气的使用面临着高温（175℃）、高压、油基泥浆、高有害固相含量、激进钻井参数（排量大于35L/s、地面转速大于120r/min、钻压超过150kN）和井下粘滑震动等，主要技术难题如下：

（1）钻井液对定子橡胶侵害性强，井底高温对定子橡胶性能影响大；

（2）高密度腐蚀性钻井液腐蚀转子；

（3）大扭矩、高转速、高钻压对传动系统要求高。

2.1 应力腐蚀与工具刺漏、断裂

钻井液中腐蚀性流体对螺杆外壳产生的腐蚀与Cl-对转子镀层产生的腐蚀是应力腐蚀的主要来源。转子表面的镀层可避免其与钻井液直接接触，但镀层的微裂纹在钻井液中固相的磨蚀下扩展，导致镀层脱落，会刮伤定子橡胶。井内温度的增加，会使螺杆钻具的橡胶和金属膨胀，加剧固相的磨蚀。马达效率随之显著降低。研究表明，在高温高压条件下（180℃）腐蚀情况最严重[2]。

针对Cl-离子腐蚀可采取以下解决方法：①改进常规镀铬工艺，将镀层峰谷比控制在1∶1；②采用碳化钨涂层。

2.2 螺杆脱胶

螺杆脱胶主要存在两方面原因：

（1）丁腈橡胶因油基钻井液中芳香烃类而产生膨胀效应，使定转子间的干涉增加，产生的热量聚集，造成定子橡胶层的损坏[3]。

通常使用阿累尼乌斯公式来表示橡胶的老化和温度的关系：

式中：k——速率常数；

A——频率因子；

Ea——表面活性能；

R——摩尔气体常量；

T——热力学温度。

当温度T越高，反应速率k越大，橡胶老化速度就越快。对于定子的丁腈橡胶而言，必须要选择合适的硫化体系[4]。

（2）钻井液中Cl-离子渗透过橡胶与其粘接层发生反应从而导致脱落。当温度超过120℃时粘结剂的水解现象加剧，造成马达定子失效。

针对螺杆脱胶可采取的解决方法包括：

（1）改进定子橡胶工艺。采用加氢和过氧化物方法制备的HNBR 橡胶具有优异的耐高温（160℃）、耐化学介质和耐油性能[5-6]。

（2）设计合理过盈配。NOV[7]提出了一种结合橡胶特性与温度的转定子配合间隙，如表1、表2所示。

表1 水基泥浆条件下的NOV转定子配合规范

表2 油基泥浆条件下的NOV转定子配合规范

（3）采用等壁厚定子设计。

（4）采用地面降温装置控制井下温度。

（5）优化钻井参数。

2.3 断轴，失速与制动

在复合钻进时，由于旋转摆动加剧，螺杆受到交变负荷传动轴易产生疲劳裂纹，进而导致断裂。钻井液含砂量过高时，传动轴上端容易被砂子堵塞，从而导致卡死。

失速与制动：当施加钻压过大时，为使钻头保持旋转的扭矩产生的压力会超过定子橡胶和转子间密封所能承受的极限，钻井液进入然后从马达动力段泄露。

上述的解决方法包括：①降低PDC钻头的攻击性；②使用更高输出扭矩等级的螺杆；③提高钻头转速；④使用大尺寸或加重钻杆；⑤缩短近钻头短节长度。

3 螺杆钻具转速特征分析

螺杆钻具的理论扭矩、理论功率和理论转速可由下列公式计算：

式中：Δp——螺杆马达压降；

q——每转排量；

Q——钻井液体积排量。

螺杆钻具的实际转速特征存在其最大效率对应的参数区间，应尽量使螺杆钻具在其最佳工作区间内运转。

3.1 常规螺杆理论转速特征分析

3.1.1 7LZ244型螺杆

某品牌7LZ244型螺杆主要用于406.4mm和311.2mm井段，主要性能参数如下：工作排量37.85～75.5L/s、工作转速66～132r/min、最大输出扭矩23.32kN·m、制动扭矩35.42kN·m、最高输出功率287kW。该型螺杆转速特征曲线如图3所示。

图3 7LZ244螺杆转速特征图

泸州区块311.2mm 井段施工排量如图3 圆点标记所示，50～57L/s排量与3～5MPa压差对应的螺杆输出转速约为80～110r/min，输出扭矩约为13.4～21kN·m。

3.1.2 7LZ172型螺杆

某品牌7LZ172 型螺杆主要用于215.9mm 井段，主要性能参数如下：工作排量18.9～37.85L/s、工作转速80～160r/min、最大输出扭矩10.13kN·m、制动扭矩15.4 kN·m、最高输出功率146kW。该型螺杆转速特征曲线如图4所示。

图4 7LZ172螺杆转速特征图

泸州区块215.9mm 井段施工排量如图4 圆点标记所示，31～34L/s排量与4～7MPa压差对应的螺杆输出转速约为130～160r/min，输出扭矩约为8～12.5kN·m。

3.1.3 U7LZ等壁厚螺杆

等壁厚螺杆性能指标较常规螺杆更加优异，在泸州区块主要应用某品牌U7LZ244 和U7LZ172 两种型号。U7LZ244 型螺杆主要性能参数如下：工作排量37.85～75.5L/s、工作转速72～144r/min、最大输出扭矩33.15kN·m、制动扭矩50.71kN·m、最高输出功率450kW。U7LZ172型螺杆主要性能参数如下：工作排量19.6～37.85L/s、工作转速88～176r/min、最大输出扭矩15.1kN·m、制动扭矩23.1kN·m、最高输出功率256kW。U7LZ244和U7LZ172螺杆转速特征曲线分别如图5、图6所示。

图5 U7LZ244螺杆转速特征图

图6 U7LZ172螺杆转速特征图

U7LZ244 型螺杆50～57L/s 排量与3～5MPa 压差对应的螺杆输出转速约为80～110r/min，输出扭矩约为13.4～21kNm；U7LZ172 型螺杆31～34L/s 排量与4～7MPa压差对应的螺杆输出转速约为130～160r/min，输出扭矩约为8～12.5kN·m。等壁厚螺杆理论最大输出功率较常规7LZ系列螺杆高56%～75%，最高输出扭矩高70%。

3.2 高性能螺杆理论转速特征分析

国产螺杆钻具性价比高，但技术指标相对落后。部分进口螺杆性能优异，在泸州区块311.2mm 井段龙潭、茅口组，215.9mm 井段韩家店—石牛栏井段输出高功率和大扭矩，大幅提高机械钻速；在龙马溪井段实现了长时间井下稳定工作。

某进口9-5/8″大扭矩螺额定输出扭矩与功率较国产7LZ244 分别提高129%和93.5%；6-3/4″产品率较国产7LZ172 分别提高65%和78.8%。部分6-3/4″进口高性能螺杆与国产6-3/4″螺杆性能参数对比如表3所示。

表3 6-3/4″高性能与常规螺杆参数对比

3.2.1 9-5/8″SSS100SR

进口9-5/8″SSS100SR型螺杆螺杆转速特征曲线如图7 所示。其最高输出扭矩可达55.1kN·m，输出功率高达600kW。在此基础参数下，使用该型螺杆可施加更大钻压至200kN，尤其针对311.2mm井段可以大幅提高机械钻速。在N212-H1 井试验中，钻压最高施加至220kN，创造了该井段复合机械钻速13.76m/h，滑动机械钻速7.85m/h，平均机械钻速13.47m/h 的指标，较区块该井段平均机械钻速提高了114.83%。

图7 9-5/8″SSS100SR螺杆转速特征曲线

9-5/8″SSS100SR 型螺杆在当前311.2mm 井段排量50～55L/s，压降3～5MPa 条件下转速特性如图7 所示。在机泵条件允许的情况下，排量可进一步加大至70L/s，井下输出转速可高达110r/min；螺杆许用压降接近11MPa，峰值输出扭矩可达55000N·m。

3.2.1 6-3/4″SSS100SR

6-3/4″SSS100SR 型螺杆转速特征曲线如图8 所示。其最高输出扭矩可达18.7kN·m，输出功率高达304kW。在某区块试验时，钻压最高施加至180kN，该井段平均机械钻速达14.14m/h，较该井段平均机械钻速提高了214.2%。

图8 6-3/4″SSS100SR螺杆转速特征曲线

6-3/4″SSS100SR 型螺杆在215.9mm 井段排量31～34L/s，压降4～7MPa 条件下，可进一步加大排量至37.85L/s，井下转速增加至160r/min 以上。螺杆尚有压降余量，可施加更大钻压，释放峰值扭矩18700N·m。龙马溪层可钻性较佳，在发挥7/8头螺杆大扭矩特征的同时，还需要满足高温油基泥浆环境下长时间稳定工作的要求。