張洪寧， 劉衛(wèi)東， 藏艷彬， 牛新明， 劉建華， 張建龍

(1頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室 2中國石化石油工程技術(shù)研究院)

20世紀(jì)50年代中期，美國以容積式馬達為基本原理研制出了螺桿鉆具，我國于20世紀(jì)80年代初期引入，經(jīng)過近40年的發(fā)展，常規(guī)螺桿鉆具的加工和制造技術(shù)已相對成熟，是目前應(yīng)用最廣泛的一種井下動力鉆具[1-2]。

隨著水平井、徑向井、分支水平井的大量涌現(xiàn)，在鉆井過程中，螺桿鉆具不僅作為一種導(dǎo)向工具，而且成為復(fù)合鉆井提高機械鉆速的有效工具。因此，研制高造斜率螺桿鉆具以降低定向施工過程中的滑動比例，提高機械鉆速對進一步推動高效復(fù)合導(dǎo)向鉆井技術(shù)具有重要意義。為此，本文提出了一種高造斜率短彎螺桿的設(shè)計思路，即縮短螺桿彎外殼上彎點距轉(zhuǎn)子輸入接頭端面的距離，在不改變螺桿彎角、不影響螺桿扭矩輸出的前提下提高螺桿鉆具的造斜率，降低滑動鉆進比例，實現(xiàn)提高機械鉆速的目的。并基于平衡趨勢角法評價了短彎螺桿鉆具的造斜率能力，確定了短彎螺桿鉆具結(jié)構(gòu)參數(shù)，研制出了短彎螺桿鉆具，并開展了現(xiàn)場應(yīng)用。

一、短彎螺桿鉆具造斜能力評價

1. 螺桿鉆具造斜能力預(yù)測模型

造斜率是評價螺桿鉆具工作性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，也是設(shè)計研制高造斜率螺桿鉆具的主要參照依據(jù)。本文在預(yù)測短彎螺桿造斜率能力時采用平衡趨勢法評價螺桿鉆具造斜能力，為設(shè)計短彎螺桿鉆具提供理論指導(dǎo)。該方法的基本思想為：造斜過程的實質(zhì)是鉆頭與地層的相互作用并趨于平衡的過程，即當(dāng)鉆進趨勢方向與實際鉆進方向相同時，對應(yīng)的井眼曲率即為短彎螺桿的造斜率，此時鉆進趨勢角[3]的計算公式為：

(1)

其中：w1=k11s1+k21s2+k31s3；

w2=k12s1+k22s2+k32s3；

w3=k13s1+k23s2+k33s3；

s1=IbIrcosαf+Ir(1-Ib)cosAafcosαa；

s2=IbIrcosβf+Ir(1-Ib)cosAafcosβa；

s3=IbIrcosγf+Ir(1-Ib)cosAafcosγa。

通過判斷鉆進趨勢角與初步給定井眼曲率K值的大小，可計算出螺桿鉆具的實際造斜率。

2. 短彎螺桿鉆具造斜能力影響因素分析

為評價短彎螺桿鉆具的造斜能力，優(yōu)化設(shè)計短彎螺桿的結(jié)構(gòu)尺寸，優(yōu)選短彎螺桿使用條件下的鉆進參數(shù)，本節(jié)利用平衡趨勢法預(yù)測了短彎螺桿鉆具的造斜能力，分析了影響短彎螺桿鉆具的影響因素。

計算參數(shù)設(shè)置：井眼直徑215.9 mm，井眼曲率15°/100 m，井斜角45°，方位角30°，井眼擴大率取5%，鉆井液密度1.2 g/cm3，鉆頭各向異性指數(shù)0.25，地層各向異性指數(shù)0.9，地層傾角0°，地層傾向30°。

短彎螺桿彎外殼上彎點距轉(zhuǎn)子輸入接頭端面的距離選取范圍初步設(shè)定范圍800～1400 mm(常規(guī)螺桿鉆具1 400 mm左右)，扶正器外徑選取范圍208～214 mm，結(jié)構(gòu)彎角選取范圍0.75°～2°。

2.1 螺桿鉆具彎點位置對螺桿鉆具造斜率的影響

對螺桿鉆具結(jié)構(gòu)彎角1.25°，扶正器外徑212 mm，扶正器距鉆頭距離2.5 m的螺桿鉆具，不同鉆壓條件下，螺桿彎外殼上彎點距轉(zhuǎn)子輸入接頭端面的距離對螺桿鉆具造斜率的影響規(guī)律如圖1所示。

圖1 螺桿鉆具彎點位置對螺桿鉆具造斜率的影響

圖1中，隨著螺桿鉆具彎點逐步下移，螺桿鉆具造斜率逐漸增加，并且在高鉆壓條件下，短彎螺桿鉆具提高造斜率的效果更顯著。在4 t鉆壓條件下，彎點距鉆頭臺階面的距離1 m時，較常規(guī)螺桿鉆具(彎點距鉆頭臺階面1.4 m)造斜率提高14.5%；在20 t條件下，彎點距鉆頭臺階面的距離1 m時，較常規(guī)螺桿鉆具(彎點距鉆頭臺階面1.4 m)造斜率提高35.1%。

2.2 扶正器外徑對螺桿鉆具造斜率的影響

對螺桿鉆具結(jié)構(gòu)彎角1.25°，扶正器距鉆頭距離2.5 m的螺桿鉆具，鉆壓12 t，在不同彎點位置條件下，扶正器外徑對螺桿鉆具造斜率的影響規(guī)律如圖2所示，在?215.9 mm井眼內(nèi)，隨螺桿扶正器外徑的增加，螺桿鉆具的造斜率逐漸增加，并且在彎點位置的改變不影響該趨勢。

2.3 結(jié)構(gòu)彎角對螺桿鉆具造斜率的影響

對扶正器外徑212 mm，扶正器距鉆頭距離2.5 m的螺桿鉆具，鉆壓12 t，不同彎點位置條件下，結(jié)構(gòu)彎角對螺桿鉆具造斜率的影響規(guī)律如圖3所示。

圖2 螺桿鉆具扶正器外徑對螺桿鉆具造斜率的影響

圖3 結(jié)構(gòu)彎角對螺桿鉆具造斜率的影響

圖3中，隨螺桿鉆具彎角的增加，螺桿鉆具的造斜率逐漸增加，并且在彎點位置的改變不影響該趨勢。其中當(dāng)螺桿鉆具彎角1.25°時，彎點距鉆頭臺階面的距離1 m時較常規(guī)螺桿鉆具(彎點距鉆頭臺階面1.4 m)造斜率提高24.3%。

2.4 鉆壓對螺桿鉆具造斜率的影響

螺桿鉆具結(jié)構(gòu)彎角1.25°，扶正器外徑212 mm，扶正器距鉆頭距離2.5 m的螺桿鉆具，不同彎點位置條件下，鉆壓對螺桿鉆具造斜率的影響規(guī)律如圖4所示，隨鉆壓的增加，螺桿鉆具的造斜率逐漸增加，并且在彎點位置的改變不影響該趨勢。通過分析鉆壓對螺桿鉆具造斜率的影響規(guī)律，可為短彎螺桿鉆具使用過程中施工參數(shù)的選取提供指導(dǎo)。

圖4 鉆壓對螺桿鉆具造斜率的影響

通過上述分析計算，現(xiàn)初步確定螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)尺寸：受螺桿鉆具內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸限制，螺桿鉆具彎外殼上彎點距轉(zhuǎn)子輸入接頭端面的距離確定1 000～1 100 mm，可較常規(guī)螺桿鉆具的彎點距轉(zhuǎn)子輸入接頭端面縮短300～400 mm；綜合考慮螺桿鉆具內(nèi)部結(jié)構(gòu)強度及扭矩傳輸效率，初定螺桿鉆具彎角1.25°，設(shè)計螺桿扶正器直徑兩種規(guī)格210 mm、212 mm。在上述結(jié)構(gòu)參數(shù)下，短彎螺桿鉆具可實現(xiàn)滑動造斜率較常規(guī)螺桿鉆具提高15%～33.7%。

二、短彎螺桿鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計

短彎螺桿鉆具與常規(guī)螺桿鉆具結(jié)構(gòu)基本一致，主要由防掉總成、馬達總成、萬向軸總成和傳動軸總成組成[4-5]，如圖5所示。將螺桿鉆具彎點上移后，在螺桿鉆具內(nèi)部結(jié)構(gòu)上進行了以下調(diào)整：①可調(diào)式球式萬向軸結(jié)構(gòu)采用6球結(jié)構(gòu)，提高了萬向軸傳輸扭矩達到22 kN·m；②增加了傳動軸大頭直徑，將傳輸扭矩由10 kN·m提高到22 kN·m，與萬向軸結(jié)構(gòu)強度相匹配；③馬達定子采用高硬度橡膠材料，將馬達憋壓能力由常規(guī)的1.0 MPa提高至1.3 MPa；④馬達采用等長線型結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用特制流程，提高加工精度。

圖5 短彎螺桿鉆具結(jié)構(gòu)示意圖

三、短彎螺桿關(guān)鍵部件強度校核及性能測試

1. 短傳動軸強度校核

短傳動軸是傳遞扭矩的核心部件。在螺桿鉆具工作過程中主要受扭矩、軸向力和徑向力的綜合作用。但軸向力和側(cè)向力對整體應(yīng)力水平影響較小，扭矩對傳動軸的整體工作應(yīng)力影響最大，因此對傳動軸的強度校核按扭轉(zhuǎn)強度條件進行計算[6]：

(2)

短傳動軸采用40 CrNiMo制造，其屈服強度835 MPa，一般取許用切應(yīng)力τ=σs/3=278.3 MPa，按短傳動軸外徑90 mm、內(nèi)徑40 mm設(shè)計，工作扭矩取22 kN·m，校核結(jié)果表明，該傳動軸所受應(yīng)力τT=144.83 MPa<[τ]，短傳動軸滿足強度要求。

2. 球傳動軸強度校核

球式萬向軸在螺桿鉆具中的作用是傳遞扭矩，工作過程中主要受扭矩、轉(zhuǎn)子軸向力的綜合作用。扭矩對萬向軸的整體工作應(yīng)力影響最大，軸向力對整體應(yīng)力水平影響較小，因此對連接軸的強度校核可按扭轉(zhuǎn)強度條件可按式(2)進行校核：球傳動軸采用40 CrNiMo制造，其屈服強度835 MPa，一般取許用切應(yīng)力τ=278.3 MPa。球傳動軸設(shè)計外徑70 mm、內(nèi)徑0 mm，取最大工作扭矩22 kN·m，校核結(jié)果表明，該傳動軸所受應(yīng)力τT=326.8 MPa<[τ]，球傳動軸滿足強度要求。

3. 短彎螺桿鉆具系統(tǒng)性能測試

由于短彎螺桿鉆具傳輸扭矩值較常規(guī)螺桿高，為分析短彎螺桿鉆具橡膠過盈量的設(shè)計是否能在滿足螺桿鉆具馬達輸出性能的基礎(chǔ)上，同時確保泵壓在合理范圍內(nèi)[7-10]。本節(jié)對短彎螺桿鉆具的動力特性進行了分析，對馬達承壓能力進行了檢驗，分析結(jié)果如圖6所示。

在內(nèi)徑215.9 mm井眼鉆井施工過程中，PDC鉆頭的工作扭矩約7～8 kN·m。如圖6所示，此時螺桿鉆具的壓耗值約3.5～4.1 MPa，轉(zhuǎn)速在110～120 r/min，可滿足常規(guī)鉆井工程需求。

圖6 螺桿鉆具性能測試分析圖

四、現(xiàn)場應(yīng)用分析

為檢驗短彎螺桿鉆具的可靠性和有效性，該鉆具在涪陵頁巖氣田JY184-3 HF井三開造斜段開展了現(xiàn)場應(yīng)用。

JY184-3HF井是一口開發(fā)水平井，設(shè)計井深5 250 m，設(shè)計垂深2 957.23 m，短彎螺桿在該井三開井段開展了現(xiàn)場應(yīng)用，試驗井段3 080～3 547 m，螺桿在井下總工作時間93 h，純鉆時間60.5 h，進尺467 m，其中定向進尺243 m，復(fù)合進尺224 m，復(fù)合進尺比例約48%。井斜角由56.7°增至90.5°，順利中靶。

鉆進參數(shù)：復(fù)合鉆壓：10～12 t，定向鉆壓：11～13 t，排量：26 L/s；泵壓：20～22 MPa；復(fù)合時轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速：50 r/min+螺桿轉(zhuǎn)速。

試驗鉆具組合：?215.9 mm KPM1642ART鉆頭+?172 mm×1.25°單彎螺桿+浮閥+?127 mm無磁承壓鉆桿+LWD無磁懸掛+?127 mm加重鉆桿×9根+?127 mm鉆桿×33根+旁通閥+?127 mm鉆桿×87根+?127 mm加重鉆桿×21根+?127 mm鉆桿。

鉆井液類型：油基鉆井液，相對密度：1.75 g/cm3，鉆井液黏度：85 s。

與鄰井JY184-1HF和JY184-2HF的使用情況對比如表1、表2所示，對比結(jié)果表明，使用短彎螺桿后復(fù)合進尺比例平均提高了69.61%，滑動造斜率提高37.14%，平均機械鉆速提高37.81%。

表1 JY184-3井短彎螺桿與鄰井常規(guī)螺桿使用情況對比表

表2 短彎螺桿鉆具使用效果對比表

五、結(jié)論

(1)提出了一種調(diào)整螺桿鉆具彎點位置的高造斜率短彎螺桿設(shè)計思路，在不改變螺桿彎角、不影響螺桿扭矩輸出的前提下提高螺桿鉆具的造斜率，降低滑動鉆進比例，實現(xiàn)提高機械鉆速的目的。

(2)基于平衡趨勢角法分析了短彎螺桿鉆具的造斜率能力，依據(jù)分析結(jié)果確定了短彎螺桿鉆具結(jié)構(gòu)參數(shù)，即將螺桿鉆具彎點位上移300～400 mm，短彎螺桿鉆具可實現(xiàn)高造斜率與結(jié)構(gòu)參數(shù)的有機統(tǒng)一。

(3)現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，高造斜率短彎螺桿鉆具可實現(xiàn)提高滑動定向造斜率37.14%，提高復(fù)合進尺比例69.61%，提高機械鉆速37.81%。

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