平恩順，劉玉洲，王林，張建華，李楠，黃其，任秋軍

（中國石油渤海鉆探工程有限公司井下技術(shù)服務(wù)分公司，天津300283）

鉆分級注水泥器井口改進裝置及應(yīng)用

平恩順，劉玉洲，王林，張建華，李楠，黃其，任秋軍

（中國石油渤海鉆探工程有限公司井下技術(shù)服務(wù)分公司，天津300283）

針對鉆分級注水泥器施工過程中不能準(zhǔn)確控制加壓載荷，易造成循環(huán)過程中鉆壓過大，鉆頭進尺過慢等問題，提出了一種鉆分級注水泥器井口改進裝置。首先介紹了螺桿鉆具的工作原理及輸出特性，然后分析了螺桿鉆具的基本性能，從鉆壓和排量兩方面來考慮提出了一種井口裝置改進的新方法。最后以劉7-8H井成功實踐為例，表明了該方法具有較廣泛的應(yīng)用前景。

分級注水泥器；鉆塞；螺桿鉆具；鉆壓；排量；井口改進裝置

分級注水泥器是水平井篩管頂部注水泥完井工藝的重要工具，一般與管外封隔器、盲板配合完成分級固井工藝［1］，使用該工具可降低注水泥泵壓，提高固井質(zhì)量［2］。鉆分級注水泥器是試油作業(yè)中常見的施工工序，固井結(jié)束后，需要下鉆頭鉆磨掉分級注水泥器附件（滑套、膠塞和盲板），保持井筒暢通［3，4］。目前該施工工序使用油管連接螺桿鉆具+六棱鉆頭下至分級注水泥器位置，采用動力液正循環(huán)六棱鉆頭對分級注水泥器進行正循環(huán)鉆沖，鉆沖過程中不關(guān)閉雙閘板防噴器下部半封閘板，依靠自封封井器內(nèi)膠皮與井內(nèi)管柱的緊密接觸實現(xiàn)對井內(nèi)環(huán)空的密封，從而保證鉆塞施工的順利進行。但現(xiàn)場施工時，常因井架不正、自封內(nèi)膠皮磨損等原因，不能實現(xiàn)自封對井內(nèi)環(huán)空的密封，進而將管柱下至適當(dāng)位置后常采取關(guān)閉雙閘板防噴器下部半封閘板的方法來密封環(huán)空，進行鉆分級注水泥器施工。采用這種方式密封環(huán)空后，鉆分級注水泥器施工過程中不能直觀觀察加壓載荷，且部分加壓載荷由半封閘板膠皮承擔(dān)，機手不能準(zhǔn)確控制加壓載荷，易造成循環(huán)過程中鉆壓過大，鉆頭進尺過慢，鉆塞難度增大等諸多問題，延長了施工周期，降低了施工效率，且易對半封閘板膠皮造成磨損，縮短膠皮使用壽命。根據(jù)以上工況，在原有井口裝置的基礎(chǔ)上進行改進，在防噴器與自封間加裝導(dǎo)管，采用這樣的井口裝置進行正循環(huán)鉆沖，施工過程中不僅可以合理調(diào)節(jié)循環(huán)過程中的鉆壓，將鉆壓調(diào)節(jié)至螺桿鉆具最佳工作效率，而且有利于控制井口回壓，保障安全連續(xù)鉆進的需要，進而有效提高鉆分級注水泥器的施工效率。

1　螺桿鉆具的工作原理及輸出特性

1.1螺桿鉆具結(jié)構(gòu)及工作原理

螺桿鉆具（見圖1）是以液體壓力為動力的一種井下工具，其由旁通閥總成、防掉總成、電動機總成、萬向軸總成和傳動軸總成五大部分組成［5］。其工作原理是通過高壓鉆井液流經(jīng)旁通閥進入電動機，在電動機進出口形成一定壓差驅(qū)動轉(zhuǎn)子繞定子軸線旋轉(zhuǎn)，并將電動機產(chǎn)生的扭矩和轉(zhuǎn)速通過萬向軸和傳動軸傳遞給鉆頭，從而進行鉆塞作業(yè)［6］。螺桿鉆具的性能主要取決于螺桿電動機，其作用是把鉆井液的水力能通過螺桿電動機轉(zhuǎn)化為鉆頭的機械能。

1.2螺桿鉆具的輸出特性

圖1　螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)［5］

螺桿鉆具是一種基于莫锘原理的容積式井下動力機械。在不計損失時，根據(jù)容積式機械工作過程中的能量守恒，單位時間內(nèi)鉆頭輸出的機械能（Ttωt）等于螺桿電動機輸入的水力能（ΔpQt），則有［7-9］：

根據(jù)容積式機械的轉(zhuǎn)速關(guān)系，有：

當(dāng)?shù)貙痈飨虍愋孕∏揖郾３智鍧崰顩r時［10］，螺桿鉆具所需機械功率Pt可用鉆壓Wt表示為［11］：

聯(lián)立式（4）和（5）可得：

式中：Tt-螺桿電動機理論轉(zhuǎn)矩，N·m；ωt-鉆頭理論角速度，rad/min；Δp-螺桿電動機進、出口的壓力降，MPa；Qt-流經(jīng)螺桿電動機的流量，即鉆井液排量，m3/s；nt-鉆頭理論轉(zhuǎn)速，即電動機輸出的轉(zhuǎn)速，r/min；q-螺桿電動機每轉(zhuǎn)排量，是一個結(jié)構(gòu)參數(shù)，m3/r；Pt-螺桿鉆具功率，kW；kb-地層硬度系數(shù)；Wt-鉆壓，kN；db-鉆頭直徑，m；x，y-常數(shù)指數(shù)。

由以上各式分析可以得出螺桿鉆具的兩個基本性能：

（1）理論轉(zhuǎn)矩Tt與電動機進、出口間的壓降Δp成正比。電動機的輸出扭矩與電動機的壓降成正比。正常工作狀態(tài)下，鉆井液壓降隨鉆壓的增大而增大。隨著鉆壓逐步增加，鉆井液循環(huán)壓力逐漸上升，鉆井液壓降也相應(yīng)增大，扭矩增加的同時也增加了井底切削力矩；未達到臨界鉆壓前，螺桿鉆具轉(zhuǎn)速只是稍有下降，繼續(xù)增加鉆壓，當(dāng)鉆壓達到臨界鉆壓，鉆井液在電動機兩端產(chǎn)生的壓降達到臨界值時，螺桿鉆具轉(zhuǎn)速急劇降低到零，發(fā)生制動現(xiàn)象。這種情況對工具損害極大，應(yīng)盡力避免。

（2）理論轉(zhuǎn)速nt與鉆井液排量Qt成正比而與鉆壓無關(guān)。一般在鉆進過程中，流進螺桿鉆具的鉆井液排量是不變的，螺桿鉆具轉(zhuǎn)速只與流量有關(guān)而受鉆壓影響很小，因此螺桿鉆具轉(zhuǎn)速基本不變，不會因為加大鉆壓而使鉆頭轉(zhuǎn)速明顯減小。

理論扭矩Tt和理論轉(zhuǎn)速nt是螺桿鉆具最主要的輸出參數(shù)，一起構(gòu)成了螺桿鉆具能量轉(zhuǎn)換的載體［12］。因此只要根據(jù)修井機上指重表控制加壓載荷，水泵車上流量表控制泵送流量，就可以控制螺桿鉆具的扭矩Tt和轉(zhuǎn)速nt［13］，體現(xiàn)出正循環(huán)鉆沖過程中巨大的優(yōu)越性。

2　井口改進裝置

結(jié)合現(xiàn)場實際情況，經(jīng)過反復(fù)實踐對井口裝置進行了改進（見圖2）。在雙閘板防噴器與自封間加裝導(dǎo)管，井口改進裝置自下而上的連接順序依次為雙閘板防噴器，導(dǎo)管，自封，其中導(dǎo)管出口經(jīng)皮絨管連接井口15 m3循環(huán)罐。正循環(huán)鉆沖過程中環(huán)空返出的液體可從導(dǎo)管流出經(jīng)皮絨管進入到循環(huán)罐過濾后繼續(xù)使用，導(dǎo)管出口大小滿足循環(huán)需求即可。

采取改進后的井口裝置連接，鉆沖時不需要對井內(nèi)環(huán)空進行密封，可真正實現(xiàn)正循環(huán)鉆沖過程中不關(guān)閉閘板防噴器半封閘板的要求。應(yīng)用井口改進裝置，鉆分級注水泥器施工過程中可直觀觀察加壓載荷，做到準(zhǔn)確控制加壓載荷，進而可以合理調(diào)節(jié)循環(huán)過程中的鉆壓，將鉆壓調(diào)節(jié)至螺桿鉆具最佳工作效率，保證螺桿鉆具的高效工作。另一方面，隨著排量的增加井口回壓逐漸減小，排量越大回壓的調(diào)節(jié)范圍也越小，對井口回壓的控制也就越容易［14］，不僅可以提高攜巖效果，避免造成卡鉆事故，而且有利于快速鉆進，保障井控安全及連續(xù)鉆進的需要。

圖2　井口改進裝置示意圖

3　現(xiàn)場應(yīng)用

2015年11月26日，改進后的井口裝置在大港油田劉7-8H井進行了現(xiàn)場應(yīng)用。該井油層套管為Φ139.7 mm，造斜井深500 m，完鉆井深1 902 m，水平位移940.86 m，分級注水泥器位置斜深1 683.32 m～1 884.97 m，最大井斜角92.7°，井眼軌跡較為復(fù)雜。劉7-8H井篩管頂部注水泥固井完井施工中，油層套管全井下入至井口，油層套管下部連接分級注水泥器、管外封隔器的精密復(fù)合濾砂管，通過盲板+管外封隔器+分級注水泥器的管柱結(jié)構(gòu)進行篩管頂部注水泥固井作業(yè)［15-17］。管柱結(jié)構(gòu)自下而上依次設(shè)計為：Φ139.7 mm引鞋+ Φ139.7 mm洗井閥+Φ139.7 mm短套管+Φ139.7 mm精密復(fù)合濾砂管串+Φ139.7 mm短套管+Φ200 mm裸眼封隔器（視地層情況而定）+Φ139.7 mm短套管+ Φ139.7 mm精密復(fù)合濾砂管串+Φ139.7 mm盲板+ Φ190 mm管外封隔器（封隔地層、承托水泥）+Φ168 mm分級注水泥器+Φ139.7 mm套管串至井口（見圖3）。

圖3　篩管頂部注水泥固井完井管柱

根據(jù)設(shè)計要求，施工人員下入Φ73 mm加厚油管+ Φ95 mm螺桿鉆具+Φ118 mm六棱鉆頭對分級注水泥器及盲板進行正循環(huán)鉆沖（見圖4）。第一次施工時采用未改進的井口裝置-雙閘板防噴器上部連接自封。下管柱及工具至分級注水泥器位置后，水泥泵車以密度為1.17 g/cm3的KCl溶液正循環(huán)鉆沖，自封密封效果不好，漏水嚴(yán)重，屢次對修井機井架進行調(diào)節(jié)，自封密封效果仍不好，進而在管柱下至適當(dāng)位置后，采取關(guān)閉雙閘板防噴器下部半封閘板封閉井內(nèi)環(huán)空進行正循環(huán)鉆沖，鉆沖加壓負荷不能直觀看出，水泥車泵壓較高，鉆頭工作效率低進尺很慢，分級注水泥器最后的37 cm進尺不明顯，嚴(yán)重減緩了作業(yè)時間。

11月27日，應(yīng)用井口改進裝置后對分級注水泥器的最后37 cm進行正循環(huán)鉆沖（見圖5）。施工過程中，由于未關(guān)閉雙閘板防噴器下部半封閘板，機手可根據(jù)指重表的變化情況準(zhǔn)確控制加壓載荷，為防止管柱倒轉(zhuǎn)，將加壓控制在20 kN以內(nèi)，水泥車泵壓控制在8 MPa～10 MPa以內(nèi)，進尺較明顯，15 h將分級注水泥器順利鉆開。鉆分級注水泥器井口改進裝置在劉7-8H井的成功應(yīng)用，不僅有效提高了工作效率，而且明顯減少了作業(yè)時間，極大縮短了完井施工周期。

圖4　Φ95 mm螺桿鉆具+Φ118 mm六棱鉆頭

圖5　井口改進裝置

4　結(jié)論與認識

（1）理論轉(zhuǎn)矩和理論轉(zhuǎn)速是螺桿鉆具最主要的輸出參數(shù)。理論轉(zhuǎn)矩與電動機進出口間的壓降成正比，理論轉(zhuǎn)速與鉆井液排量成正比而與鉆壓無關(guān)。實際輸出轉(zhuǎn)速隨鉆壓的增加而降低，當(dāng)達到臨界鉆壓時，螺桿鉆具轉(zhuǎn)速急劇降低到零，發(fā)生制動現(xiàn)象。

（2）應(yīng)用鉆分級注水泥器井口改進裝置，不僅可以合理調(diào)節(jié)循環(huán)過程中的鉆壓，將鉆壓調(diào)節(jié)至螺桿鉆具最佳工作效率，保證螺桿鉆具的高效工作，而且有利于控制井口回壓保障安全連續(xù)鉆進的需要，進而有效提高鉆分級注水泥器的施工效率。

（3）鉆分級注水泥器井口改進裝置方法簡單，安全可靠，可有效提高鉆分級注水泥器的工作效率，縮短施工周期，降低生產(chǎn)成本，應(yīng)用前景廣闊，具有極高的推廣價值。

（4）鉆分級注水泥器井口改進裝置完善了水平井常規(guī)油管下動力鉆塞技術(shù)，為大斜度水平井施工作業(yè)提質(zhì)增效奠定堅實基礎(chǔ)。

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The improvement and application of the wellhead device for drilling stage cementing distributor

PING Enshun，LIU Yuzhou，WANG Lin，ZHANG Jianhua，LI Nan，HUANG Qi，REN Qiujun
（Downhole Technology Service Company，CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited，Tianjin 300283，China）

Aiming at the issue that during the construction process of drilling stage cementing distributor，the pressure load cannot be controlled accurately lead to too much bit pressure and too slow drill footage.One method of wellhead improvement device for drilling stage cementing distributor was proposed.First of all，the working principle and output characteristics of screw drill were introduced.Then，the basic properties of screw drilling were analyzed.A new method of wellhead device improvement was proposed considering two points of view bit pressure and displacement.Finally，the successful practice of well Liu7-8H is taken as an example to well indicate the more extensive application prospects for this method.

stage cementing distributor；drilling plug；screw drill；bit pressure；displacement；wellhead improvement device

TE921.4

A

1673-5285（2016）09-0025-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.09.006

2016－07-19

中國石油渤海鉆探分公司項目“可降解材料在封隔器元件中的應(yīng)用研究”，項目編號：2016JXJF-07。

平恩順（1986-），工程師，2015年博士畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)機械制造及其自動化專業(yè)，工學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事油氣田儲層增產(chǎn)措施改造方面的研究工作，郵箱：pingenshun@163.com。