高效螺杆在吉木萨尔页岩油钻井中的应用

周磊 李应新 于贵健 陈思杨(中国石油集团西部钻探准东钻井公司，新疆 克拉玛依 834000)

0 引言

随着我国经济的高速发展，推动这对煤、石油、天然气等常规能源的需求不断增加。目前，常规能源开采已达到70%以上，能源供需矛盾不断升级。页岩气、页岩油、致密油等非常规能源逐渐得到人们的广泛关注[1]。新疆油田准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组主力开发层系薄，储层构造简单、储量巨大、物性差、自然产能低或无自然产能，甜点体主要受储层物性和岩性控制，动用难度大，开发效益差，多井低产形势严峻，针对芦草沟组上甜点体与下甜点体主要采用水平井开发，增大泄油面积，提高单井产量。在油气勘探施工中，特别是定向井、水平井钻井作业，螺杆钻具作为目前使用最广泛的一种井下动力钻具，螺杆钻具配合PDC 钻头的复合钻井技术，不但能提高钻井机速，还可以提高单只钻头进尺，从而获得很好的经济效益。

1 螺杆钻具的发展进程

20 世纪30 年代，法国工程师 Re-ne.Moneau 根据阿基米德螺旋泵的原理，成功研制出单螺杆泵。60 年代美国Dyna 公司根据莫因诺原理研究Dyna-Drill 单弯螺杆钻具。70 年代初苏联研究成功“凸”型螺杆钻[2]。我国于20 世纪80 年代由北京石油机械厂和大港油田总机厂共同引进螺杆钻具技术，此后经过近40 年的发展，我在螺杆钻研发与制造技术方面已经取得很大的进步与突破[3]。目前，我国有30 多个厂商可以生产不同规格的螺杆钻具，其使用寿命四百多个小时，尺寸范围从Φ43mm 到305mm，弯角度数从0°至3.0°多个级别，可以满足钻井的不同需求。

2 螺杆钻具的工作原理

螺杆钻具是靠循环钻井液的动能转化为旋转钻头破碎岩石的机械能的井下动力钻具，其主要由传动轴总成、马达总成、万向轴总成、防掉总成和旁通阀总成五大部分组成。马达总成是螺杆钻具动力核心部分，螺杆钻具的马达分单头和多头两种，马达是由转子和定子组成，转子螺旋线头多少决定了马达能力的大小。多线头螺杆钻具有功率大、转速低、扭矩大、压降小、容易启动等优点，目前被广泛应用。通过对螺杆理论输出扭矩计算可得[4]：螺杆钻具的输出扭矩与螺杆的压降值是正比关系。钻进时增加钻压，流经螺杆的压降增加，螺杆输出扭矩同比增加，有助于井底切削力矩增加，提高钻头破岩效果。

式中：NT为螺杆理论输出扭矩；ΔP为过流螺杆马达钻井液压力差；AG为螺杆转子过流面积；i为转子的螺旋线头数；Ts为定子导程。

3 螺杆水平段稳斜机理研究

在水平井钻井过程中，随着水平段不断延伸，选择正确的螺杆钻具组合，不仅可以提高复合钻进时率，提高井眼平滑度，还可以提高机械钻速，提高单趟进尺。通过对螺杆钻具的不同外径、弯角和扶正器尺寸的研究，分析各因素对水平井稳斜的影响，优选螺杆钻具组合，提高水平井钻井速度。

综合摩阻值对比和屈曲分析可以得出：螺杆的尺寸越大，钻进时摩阻越大，钻具越容易发生屈曲；螺杆尺寸太小，既不能满足强度要求，空隙过大，易形成岩屑床，严重影响水平井的钻井施工。通过计算不同螺杆尺寸下的环空净化能力可得：Φ165mm、Φ172mm、Φ197mm 螺杆钻具分别携岩比为0.482、0.625、0.704，要达到良好的井眼净化效果，携岩比应大于0.5[5]。

在设定井斜=90°；钻压=80kN；钻具转速=60r/min 条件下，通过计算研究螺杆钻具不同弯角和不同扶正器尺寸对稳斜的影响。根据数值模拟可知[6]，螺杆钻具结构弯角的度数和扶正器尺寸对钻头侧向力的影响和螺杆钻具结构弯角的度数和扶正器尺寸对井斜角的影响几乎是一致的，而且均为正的。

依据上述结论，页岩油水平井施工优选7 头、6 级、Ф172mm中高速大功率螺杆，具体参数见表1。该系列螺杆采用硬橡胶，工作性能更稳定，转速波动小，输出扭矩更稳定，可延长钻头使用寿命；水平段专用螺杆钻具采用欠尺寸扶正块，更有利于水平段稳斜钻进。

4 现场应用分析

吉木萨尔页岩油水平井平均水平段1500～2000m，目的层芦草沟埋深2700～4100m。针对页岩油钻井施工面临储层多岩性复杂、区块内断裂发育、局部微构造变化大、水平段钻进过程中面临摩阻扭矩大、井眼清洁困难、钻压传递效率低等技术难题，进行高效PDC 钻头优选，优化了水平段水力振荡器大功率螺杆+高效PDC 钻头提速组合，开展水平段螺杆钻进实验。现场应用7 口井其中4 口井一趟钻完成水平段进尺，3 口井两趟钻完成水平段进尺，水平段单趟最高进尺1756m，最高机速达11.74m/h，较区块常规螺杆提高进4 倍。

通过表2 中数据可得：高效螺杆钻具+高效PDC 钻头的复合钻井技术，在页岩油区块水平井钻井中能够实现快速钻进，单趟进尺与机械钻速比常规螺明显要高，大大缩短钻井周期，节约提下钻时间，节约钻井成本，极大地提高了经济效益。优选该系列高效螺杆，配合欠尺寸扶正块，在页岩油频繁调整井眼轨迹中发挥独特的优越性能，不断刷新区块水平段钻进纪录。

表1 德石Ф172mm螺杆钻具参数

表2 水平段螺杆施工效果统计表

5 结语

在通过多口井的实验和推广，选择合适螺杆钻具，配合高效破岩钻头，合理强化钻井参数，在吉木萨尔页岩油水平井钻井中机械钻速得到明显提高。(1)高效螺杆钻具+个性化PDC钻头的复合钻井技术，通过螺杆输出大扭矩，有助于井底切削力矩增加，提高钻头破岩效果。(2)吉木萨尔页岩油储层东高西低，选用7LZ172-1.25°螺杆钻具有助于水平段井眼轨迹控制，能便于井眼清洁，发挥螺杆钻具最大效能。(3)在水平段钻具组合中合适位置增加水力振荡器，能有效解决钻具托压，起到减摩降阻作用，提高水平段的延展。(4)选用合理的钻具选型与组合、选用合理的钻井参数，可以减少大井斜情况下的滑动井段，有利于提高机械钻速。