李奇龍

(貴州地質(zhì)工程勘察院，貴州 貴陽550008)

烏當(dāng)奶牛場地下熱礦水成井工程是我們院承接的一個地?zé)峋_發(fā)鉆探施工的項目，因為作為我院研究提高鉆進效率的一個應(yīng)用試驗項目，決定采用螺桿鉆具鉆進。我院以住的地?zé)峋@探都是采用普通的牙輪鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進的方法，所以這是我們院第一次在地?zé)峋@探施工中使用螺桿鉆具。本文從設(shè)備配套、適合地層、工藝選擇、效果對比、注意事項等方面對本次試驗進行總結(jié)，期望與同行們交流，促進螺桿鉆具在地?zé)峋@探施工中的普及應(yīng)用。

1 工程概況

烏當(dāng)奶牛場地下熱礦水成井工程位于貴陽烏當(dāng)區(qū)奶牛場，其井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。完井井深2440 m，完井溫度53℃，流量640 m3/d，溫度和流量全部達到設(shè)計要求。

在該井施工中使用螺桿鉆進的井段為1045～1980 m，結(jié)果達到了預(yù)期目標(biāo)。

2 施工設(shè)備

RPS－3000型鉆機，QE3NB－500型泥漿泵(額定流量為16.84 L/s)，DW－1200型泥漿泵(額定流量為5.34 L/s，備用)，200目振動篩。由于主泥漿泵的流量沒有達到螺桿的流量推薦值(19～31 L/s)，而且凈化系統(tǒng)只有振動篩，勢必嚴(yán)重影響螺桿的使用壽命。

圖1 完井后的井身結(jié)構(gòu)示意圖

3 地層情況

地層特性見表1。

從地層情況來看，0～12 m屬于松散土;12～1677 m以白云巖為主，屬于中軟到稍硬地層，可鉆性為五、六級;1677～2440 m以灰?guī)r為主，屬于中硬地層，可鉆性為6～7級。

表1 地層特性

4 螺桿鉆具鉆進工藝

4．1 鉆頭選擇

考慮到螺桿鉆具高轉(zhuǎn)速低鉆壓的特性，普通的牙輪鉆頭不再適用，需要選用耐磨壽命長的金剛石鉆頭。結(jié)合地層巖性及可鉆性，最終選用的金剛石鉆頭型號為RK5165－M322。該鉆頭具有高性能PDC復(fù)合片組合使用可以有效提高壽命，復(fù)合保徑低扭矩設(shè)計可以提高鉆進效率，鉆頭輪廓優(yōu)化設(shè)計適用中軟至中硬均質(zhì)(薄夾層)地層，該鉆頭水眼組合為12、13、14、15、16 mm，為不對稱設(shè)計，提高了噴射破巖效率。

4．2 螺桿的選擇

螺桿鉆具是一種以鉆井液為動力，把液體壓力能轉(zhuǎn)為機械能的容積式井下動力鉆具。當(dāng)泥漿泵泵出的泥漿流經(jīng)旁通閥進入馬達，在馬達的進出口形成一定的壓力差，推動轉(zhuǎn)子繞定子的軸線旋轉(zhuǎn)，并將轉(zhuǎn)速和扭矩通過萬向軸和傳動軸傳遞給鉆頭，從而實現(xiàn)鉆井作業(yè)。螺桿鉆具提高了鉆頭的轉(zhuǎn)速，加快了鉆頭破損巖石的效率，同時，由于鉆頭水眼的壓降形成高壓高速水流能夠?qū)崿F(xiàn)水力破巖效果，所以使用螺桿鉆具可以有效地提高機械鉆速，縮短鉆井周期。

我們選用滄州中油固控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的螺桿，其型號為5LZ172×7.0。該螺桿馬達轉(zhuǎn)子頭數(shù)為5，具有扭矩大，轉(zhuǎn)速低的特點。該螺桿鉆壓推薦值為80 kN，流量為19～31 L/s。

4．3 鉆具組合

4．4 鉆進參數(shù)

鉆壓60 kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速33 r/min，泵壓6～8 MPa，鉆井液粘度29～33 s，pH值9，失水量18 mL/30 min。

5 鉆進效率對比(見表2)

表2 鉆速數(shù)據(jù)對比

從表2可以看出，采用螺桿鉆具機械鉆速平均提高了45%，同時，隨著井深越深機械鉆速提高率越低。也是因為常規(guī)的PDC鉆頭適用于軟到中硬的均質(zhì)地層鉆進，而在硬巖中鉆進時效率低，磨損快，難以滿足高效鉆進的要求。這就需要在以后的工作中繼續(xù)探索合適的和最優(yōu)的鉆頭型號。

6 螺桿鉆具使用中的問題

6．1 由于地層原因，部分井段跳鉆現(xiàn)象較嚴(yán)重

由于有的井段所在地層出現(xiàn)碎石灰?guī)r的現(xiàn)象，造成鉆頭在井底工作不平穩(wěn)使鉆柱產(chǎn)生明顯縱向共振形成跳鉆。跳鉆對鉆頭和鉆具的破壞力極大，造成鉆頭損壞及鉆具本體刺壞或折斷等先期失效現(xiàn)象時有發(fā)生;鉆具的共振跳動引起鉆具彎曲會對井壁造成非常大的破壞力，發(fā)生坍塌掉塊，大量掉塊的聚積，會使跳鉆更加嚴(yán)重。建議在鉆頭上面加入隨鉆減震器，可以有效地減輕或消除跳鉆現(xiàn)象的發(fā)生。

6．2 鉆頭選型不夠理想

在實際使用過程中，發(fā)現(xiàn)PDC鉆頭沒有達到預(yù)期壽命便發(fā)生比較嚴(yán)重的損壞。鉆頭的大部分復(fù)合片有裂開崩落的現(xiàn)象，說明復(fù)合片的穩(wěn)定性不好或者遇到軟硬互層因為復(fù)合片的碎性比較大，如果受力不均勻容易崩落。需要在今后的鉆進中繼續(xù)探索找出適用于該地層的、耐磨性高且穩(wěn)定性好的最優(yōu)鉆頭型號。

6．3 泥漿泵流量偏小

由于選用的泥漿泵額定泵量偏小，螺桿轉(zhuǎn)速達不到要求甚至不能打開螺桿的旁通閥造成根本無法驅(qū)動螺桿。我們在第一次試用螺桿時使用的是備用泥漿泵(DW－1200型)，發(fā)現(xiàn)由于流量偏小造成壓力太小不能打開螺桿的旁通閥，鉆井液根本無法通過螺桿也就不能驅(qū)動螺桿，而換成主泥漿泵螺桿后就能正常工作。螺桿的轉(zhuǎn)速與流量成正比線性關(guān)系，流量偏小螺桿轉(zhuǎn)速就達不到最優(yōu)，導(dǎo)致破損巖石效率下降，從而影響機械鉆速。同時，流量偏小，噴嘴的噴射破巖效果大為下降，水力破巖效果不明顯。

6．4 泥漿含砂量偏高使得螺桿使用壽命急劇下降

由于設(shè)備場地等限制因素，鉆井現(xiàn)場的泥漿凈化系統(tǒng)基本沒有，導(dǎo)致鉆井液中含砂量遠(yuǎn)達不到要求(小于1%)，使得螺桿中定子與轉(zhuǎn)子之間的密封被破壞造成螺桿失去驅(qū)動鉆頭的動力。實際使用中螺桿的壽命沒有達到額定使用時間便損壞無法使用。同時，由于使用螺桿需要高壓，加上泥漿泵中含砂量偏高，使得泥漿泵中的閥芯、閥座很容易損壞，需要經(jīng)常更換，浪費了大量的時間和提高了成本。

6．5 螺桿鉆具的配套設(shè)備達不到要求

由于螺桿需要高壓驅(qū)動和存在水眼壓降，使得立管壓力比不使用螺桿要升高6 MPa左右，這就對整個高壓鉆井液的通道設(shè)備提出了更高的要求。實際鉆進過程中，立管壓力6～8 MPa，高壓造成水龍頭有時候發(fā)生泄漏，泥漿泵安全閥有時候打開，更嚴(yán)重的是，由于現(xiàn)場所用鉆桿時間較長，磨損較大強度大為下降，發(fā)生了幾次高壓水流刺穿鉆桿造成泵壓下降無法驅(qū)動螺桿的情況，損失了大量的時間。

6．6 各項鉆井參數(shù)優(yōu)化有待探索

根據(jù)地層可鉆性特點、地層巖性特征，以現(xiàn)有的PDC鉆頭技術(shù)、低固相鉆井液使用，結(jié)合以往在該地區(qū)鉆頭使用記錄、鉆井液資料、地層等情況進行分析對比，各項鉆井參數(shù)(鉆壓，鉆速，流量，噴嘴，泵壓等)通過優(yōu)化優(yōu)選可以提高鉆速，降低成本，實現(xiàn)“優(yōu)質(zhì)、安全、高效、低耗”的鉆井施工目的。

7 結(jié)語

(1)在貴州地區(qū)地下熱礦水成井中采用螺桿鉆與其它鉆進工藝組合施工，大幅提高了鉆進效益，縮短了鉆井周期。

(2)采用螺桿鉆進，機械鉆速有了較大程度的提高。相比不使用螺桿機械鉆速平均提高了45%。特別是在中軟硬地層，使用螺桿鉆具鉆進可以達到更加理想的效果。

(3)螺桿鉆進減少起下鉆時間，從而減少鉆井周期。換用PDC鉆頭后，由于鉆頭耐磨性高復(fù)合片強度大，使用壽命變長，減少了起下鉆換鉆頭的時間，縮短了鉆井周期。

(4)因為等待螺桿等設(shè)備的原因，此次試驗僅從1045 m開始。而從上面的分析知道，上部的中軟地層使用螺桿鉆具提高鉆速的效果更加明顯。如果整個孔都使用螺桿鉆具，平均鉆速會再次提高從而縮短鉆井周期。但在300 m以淺不宜使用螺桿鉆進，因為貴州地區(qū)在300 m淺容易井漏，使用螺桿鉆進會加劇井漏。

(5)使用螺桿鉆具，其配套設(shè)備必須滿足要求才能充分發(fā)揮螺桿鉆具的優(yōu)勢。比如，泥漿泵的流量壓力必須和螺桿配套滿足要求，整個高壓泥漿通道必須能夠承受得住立管壓力，泥漿凈化系統(tǒng)完備使其含砂量能滿足要求，鉆頭需要耐磨性好壽命長。而且在某些復(fù)雜地層由于使用堵漏劑封漏，也不能使用螺桿鉆進。

［1］ 周開吉，郝俊芳．鉆井工程設(shè)計［M］．山東東營:中國石油大學(xué)出版社，1996．

［2］ 湯鳳林，等．巖心鉆探學(xué)［M］．湖北武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1997．

［3］ 烏效鳴，等．鉆井液與巖土工程漿液［M］．湖北武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2002．

［4］ 李繼志，陳榮振．石油鉆采機械概論［M］．山東東營:中國石油大學(xué)出版社，2001．

［5］ 王新純．鉆井施工工藝技術(shù)［M］．北京:石油工業(yè)出版社，2005．

［6］ 陳平，等．鉆井與完井工程［M］．北京:石油工業(yè)出版社，2005．