李驥然，付 利，楊恒林，馬騁宇，王 元，陳 剛

（1.中國石油集團工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206；2.中國石油西南油氣田公司，四川成都 610056；3.油氣鉆完井技術(shù)國家工程研究中心，北京 102206）

瀘州區(qū)塊深層頁巖氣鉆井存在特殊巖性地層可鉆性差、地層溫度高等難點，機械鉆速低、鉆井周期長。螺桿鉆具質(zhì)量壽命難以在該地區(qū)實現(xiàn)“一趟鉆”。一些客觀因素諸如：①額定扭矩低限制了強化參數(shù)鉆進；②高溫油基鉆井液條件下螺桿使用壽命短。因此，選用高功率長壽命螺桿鉆具有助于進一步釋放鉆井機泵能力，提高井下破巖能量，延長趟鉆時間。本文針對瀘州區(qū)塊完鉆井螺桿鉆具使用數(shù)據(jù)，開展311.2mm 井段與215.9mm 井段螺桿鉆具應(yīng)用現(xiàn)狀分析，并對該區(qū)塊螺桿鉆具優(yōu)選提供建議。

1 螺桿鉆具應(yīng)用概況

1.1 311.2mm井段螺桿鉆具應(yīng)用

瀘州區(qū)塊311.2mm井段平均井深約2800m，鉆進周期超過24d，其可鉆性較差的特性主要集中在：須家河組研磨性較強，茅口組含黃鐵礦、燧石結(jié)核。目前主要采用PDC 鉆頭+螺桿復(fù)合鉆進配合強化參數(shù)（排量50～57L/s，鉆壓89～150kN，地面轉(zhuǎn)速40～100r/min）。所使用的的主要螺桿品牌包括立林、德華、江鉆、德石和奧瑞拓等，平均單趟鉆進尺361.91m，平均入井時間79.73h，平均純鉆時間55.32h，機械鉆速6.51m/h。螺桿入井時間遠小于鉆進周期，無法實現(xiàn)一趟鉆。起鉆原因分布如圖1所示，主要為鉆時變慢，占比52%；螺桿質(zhì)量原因占比3.55%，包括失速和脫膠等。

圖1 311.2mmm井段螺桿起鉆原因

1.2 215.9mm井段螺桿鉆具應(yīng)用

該井段工程地質(zhì)難點主要為：韓家店—石牛欄可鉆性差；龍馬溪組地層溫度高，工具易失效，鉆井效率低。主要采用PDC鉆頭+旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+螺桿配合強化參數(shù)鉆進（排量31～34L/s，鉆壓85～135kN，地面轉(zhuǎn)速70～110r/min，螺桿壓差4～7MPa）。該井段平均鉆進進尺3053.15m，平均鉆井周期50.4d，平均機械鉆速6.46m/h。主要使用的螺桿品牌包括立林、斯倫貝謝、貝克休斯、江鉆和達坦等。平均單趟鉆進尺360.4m，入井時間106.62h，純鉆時間59.11h，機械鉆速6.02m/h。螺桿入井時間遠小于鉆進周期，無法實現(xiàn)一趟鉆。該井段螺桿起鉆原因分布如圖2 所示，其中主要原因為工程原因、鉆時變慢和螺桿質(zhì)量原因等，主要質(zhì)量問題為刺漏、脫膠、失速、造斜能力不足、使用時間短等。

圖2 215.9mmm井段螺桿起鉆原因

2 螺桿鉆具故障原因分析

螺桿鉆具在深層頁巖氣的使用面臨著高溫（175℃）、高壓、油基泥漿、高有害固相含量、激進鉆井參數(shù)（排量大于35L/s、地面轉(zhuǎn)速大于120r/min、鉆壓超過150kN）和井下粘滑震動等，主要技術(shù)難題如下：

（1）鉆井液對定子橡膠侵害性強，井底高溫對定子橡膠性能影響大；

（2）高密度腐蝕性鉆井液腐蝕轉(zhuǎn)子；

（3）大扭矩、高轉(zhuǎn)速、高鉆壓對傳動系統(tǒng)要求高。

2.1 應(yīng)力腐蝕與工具刺漏、斷裂

鉆井液中腐蝕性流體對螺桿外殼產(chǎn)生的腐蝕與Cl-對轉(zhuǎn)子鍍層產(chǎn)生的腐蝕是應(yīng)力腐蝕的主要來源。轉(zhuǎn)子表面的鍍層可避免其與鉆井液直接接觸，但鍍層的微裂紋在鉆井液中固相的磨蝕下擴展，導(dǎo)致鍍層脫落，會刮傷定子橡膠。井內(nèi)溫度的增加，會使螺桿鉆具的橡膠和金屬膨脹，加劇固相的磨蝕。馬達效率隨之顯著降低。研究表明，在高溫高壓條件下（180℃）腐蝕情況最嚴重[2]。

針對Cl-離子腐蝕可采取以下解決方法：①改進常規(guī)鍍鉻工藝，將鍍層峰谷比控制在1∶1；②采用碳化鎢涂層。

2.2 螺桿脫膠

螺桿脫膠主要存在兩方面原因：

（1）丁腈橡膠因油基鉆井液中芳香烴類而產(chǎn)生膨脹效應(yīng)，使定轉(zhuǎn)子間的干涉增加，產(chǎn)生的熱量聚集，造成定子橡膠層的損壞[3]。

通常使用阿累尼烏斯公式來表示橡膠的老化和溫度的關(guān)系：

式中：k——速率常數(shù)；

A——頻率因子；

Ea——表面活性能；

R——摩爾氣體常量；

T——熱力學(xué)溫度。

當(dāng)溫度T越高，反應(yīng)速率k越大，橡膠老化速度就越快。對于定子的丁腈橡膠而言，必須要選擇合適的硫化體系[4]。

（2）鉆井液中Cl-離子滲透過橡膠與其粘接層發(fā)生反應(yīng)從而導(dǎo)致脫落。當(dāng)溫度超過120℃時粘結(jié)劑的水解現(xiàn)象加劇，造成馬達定子失效。

針對螺桿脫膠可采取的解決方法包括：

（1）改進定子橡膠工藝。采用加氫和過氧化物方法制備的HNBR 橡膠具有優(yōu)異的耐高溫（160℃）、耐化學(xué)介質(zhì)和耐油性能[5-6]。

（2）設(shè)計合理過盈配。NOV[7]提出了一種結(jié)合橡膠特性與溫度的轉(zhuǎn)定子配合間隙，如表1、表2所示。

表1 水基泥漿條件下的NOV轉(zhuǎn)定子配合規(guī)范

表2 油基泥漿條件下的NOV轉(zhuǎn)定子配合規(guī)范

（3）采用等壁厚定子設(shè)計。

（4）采用地面降溫裝置控制井下溫度。

（5）優(yōu)化鉆井參數(shù)。

2.3 斷軸，失速與制動

在復(fù)合鉆進時，由于旋轉(zhuǎn)擺動加劇，螺桿受到交變負荷傳動軸易產(chǎn)生疲勞裂紋，進而導(dǎo)致斷裂。鉆井液含砂量過高時，傳動軸上端容易被砂子堵塞，從而導(dǎo)致卡死。

失速與制動：當(dāng)施加鉆壓過大時，為使鉆頭保持旋轉(zhuǎn)的扭矩產(chǎn)生的壓力會超過定子橡膠和轉(zhuǎn)子間密封所能承受的極限，鉆井液進入然后從馬達動力段泄露。

上述的解決方法包括：①降低PDC鉆頭的攻擊性；②使用更高輸出扭矩等級的螺桿；③提高鉆頭轉(zhuǎn)速；④使用大尺寸或加重鉆桿；⑤縮短近鉆頭短節(jié)長度。

3 螺桿鉆具轉(zhuǎn)速特征分析

螺桿鉆具的理論扭矩、理論功率和理論轉(zhuǎn)速可由下列公式計算：

式中：Δp——螺桿馬達壓降；

q——每轉(zhuǎn)排量；

Q——鉆井液體積排量。

螺桿鉆具的實際轉(zhuǎn)速特征存在其最大效率對應(yīng)的參數(shù)區(qū)間，應(yīng)盡量使螺桿鉆具在其最佳工作區(qū)間內(nèi)運轉(zhuǎn)。

3.1 常規(guī)螺桿理論轉(zhuǎn)速特征分析

3.1.1 7LZ244型螺桿

某品牌7LZ244型螺桿主要用于406.4mm和311.2mm井段，主要性能參數(shù)如下：工作排量37.85～75.5L/s、工作轉(zhuǎn)速66～132r/min、最大輸出扭矩23.32kN·m、制動扭矩35.42kN·m、最高輸出功率287kW。該型螺桿轉(zhuǎn)速特征曲線如圖3所示。

圖3 7LZ244螺桿轉(zhuǎn)速特征圖

瀘州區(qū)塊311.2mm 井段施工排量如圖3 圓點標(biāo)記所示，50～57L/s排量與3～5MPa壓差對應(yīng)的螺桿輸出轉(zhuǎn)速約為80～110r/min，輸出扭矩約為13.4～21kN·m。

3.1.2 7LZ172型螺桿

某品牌7LZ172 型螺桿主要用于215.9mm 井段，主要性能參數(shù)如下：工作排量18.9～37.85L/s、工作轉(zhuǎn)速80～160r/min、最大輸出扭矩10.13kN·m、制動扭矩15.4 kN·m、最高輸出功率146kW。該型螺桿轉(zhuǎn)速特征曲線如圖4所示。

圖4 7LZ172螺桿轉(zhuǎn)速特征圖

瀘州區(qū)塊215.9mm 井段施工排量如圖4 圓點標(biāo)記所示，31～34L/s排量與4～7MPa壓差對應(yīng)的螺桿輸出轉(zhuǎn)速約為130～160r/min，輸出扭矩約為8～12.5kN·m。

3.1.3 U7LZ等壁厚螺桿

等壁厚螺桿性能指標(biāo)較常規(guī)螺桿更加優(yōu)異，在瀘州區(qū)塊主要應(yīng)用某品牌U7LZ244 和U7LZ172 兩種型號。U7LZ244 型螺桿主要性能參數(shù)如下：工作排量37.85～75.5L/s、工作轉(zhuǎn)速72～144r/min、最大輸出扭矩33.15kN·m、制動扭矩50.71kN·m、最高輸出功率450kW。U7LZ172型螺桿主要性能參數(shù)如下：工作排量19.6～37.85L/s、工作轉(zhuǎn)速88～176r/min、最大輸出扭矩15.1kN·m、制動扭矩23.1kN·m、最高輸出功率256kW。U7LZ244和U7LZ172螺桿轉(zhuǎn)速特征曲線分別如圖5、圖6所示。

圖5 U7LZ244螺桿轉(zhuǎn)速特征圖

圖6 U7LZ172螺桿轉(zhuǎn)速特征圖

U7LZ244 型螺桿50～57L/s 排量與3～5MPa 壓差對應(yīng)的螺桿輸出轉(zhuǎn)速約為80～110r/min，輸出扭矩約為13.4～21kNm；U7LZ172 型螺桿31～34L/s 排量與4～7MPa壓差對應(yīng)的螺桿輸出轉(zhuǎn)速約為130～160r/min，輸出扭矩約為8～12.5kN·m。等壁厚螺桿理論最大輸出功率較常規(guī)7LZ系列螺桿高56%～75%，最高輸出扭矩高70%。

3.2 高性能螺桿理論轉(zhuǎn)速特征分析

國產(chǎn)螺桿鉆具性價比高，但技術(shù)指標(biāo)相對落后。部分進口螺桿性能優(yōu)異，在瀘州區(qū)塊311.2mm 井段龍?zhí)?、茅口組，215.9mm 井段韓家店—石牛欄井段輸出高功率和大扭矩，大幅提高機械鉆速；在龍馬溪井段實現(xiàn)了長時間井下穩(wěn)定工作。

某進口9-5/8″大扭矩螺額定輸出扭矩與功率較國產(chǎn)7LZ244 分別提高129%和93.5%；6-3/4″產(chǎn)品率較國產(chǎn)7LZ172 分別提高65%和78.8%。部分6-3/4″進口高性能螺桿與國產(chǎn)6-3/4″螺桿性能參數(shù)對比如表3所示。

表3 6-3/4″高性能與常規(guī)螺桿參數(shù)對比

3.2.1 9-5/8″SSS100SR

進口9-5/8″SSS100SR型螺桿螺桿轉(zhuǎn)速特征曲線如圖7 所示。其最高輸出扭矩可達55.1kN·m，輸出功率高達600kW。在此基礎(chǔ)參數(shù)下，使用該型螺桿可施加更大鉆壓至200kN，尤其針對311.2mm井段可以大幅提高機械鉆速。在N212-H1 井試驗中，鉆壓最高施加至220kN，創(chuàng)造了該井段復(fù)合機械鉆速13.76m/h，滑動機械鉆速7.85m/h，平均機械鉆速13.47m/h 的指標(biāo)，較區(qū)塊該井段平均機械鉆速提高了114.83%。

圖7 9-5/8″SSS100SR螺桿轉(zhuǎn)速特征曲線

9-5/8″SSS100SR 型螺桿在當(dāng)前311.2mm 井段排量50～55L/s，壓降3～5MPa 條件下轉(zhuǎn)速特性如圖7 所示。在機泵條件允許的情況下，排量可進一步加大至70L/s，井下輸出轉(zhuǎn)速可高達110r/min；螺桿許用壓降接近11MPa，峰值輸出扭矩可達55000N·m。

3.2.1 6-3/4″SSS100SR

6-3/4″SSS100SR 型螺桿轉(zhuǎn)速特征曲線如圖8 所示。其最高輸出扭矩可達18.7kN·m，輸出功率高達304kW。在某區(qū)塊試驗時，鉆壓最高施加至180kN，該井段平均機械鉆速達14.14m/h，較該井段平均機械鉆速提高了214.2%。

圖8 6-3/4″SSS100SR螺桿轉(zhuǎn)速特征曲線

6-3/4″SSS100SR 型螺桿在215.9mm 井段排量31～34L/s，壓降4～7MPa 條件下，可進一步加大排量至37.85L/s，井下轉(zhuǎn)速增加至160r/min 以上。螺桿尚有壓降余量，可施加更大鉆壓，釋放峰值扭矩18700N·m。龍馬溪層可鉆性較佳，在發(fā)揮7/8頭螺桿大扭矩特征的同時，還需要滿足高溫油基泥漿環(huán)境下長時間穩(wěn)定工作的要求。

4 結(jié)論

（1）螺桿鉆具在瀘州深層頁巖氣暴露出平均單趟進尺少、平均入井時間短等問題。螺桿起鉆原因主要為鉆時變慢等工程原因，但螺桿質(zhì)量問題也是非正常起鉆的主要原因。

（2）在因螺桿自身原因起鉆的工況中，主要為螺桿刺漏、螺桿脫膠等原因。

（3）具備高功率、大扭矩、長壽命特性的高性能螺桿能更好地利用好鉆井機泵條件，實現(xiàn)峰值扭矩的釋放，與常規(guī)螺桿相比，應(yīng)用井段平均機械鉆速能提高114%～214%。建議在關(guān)鍵難鉆井段加強高性能螺桿鉆具的使用。