王亞奴,趙利信,霍建黨,褚忠鐸,楊立志

(1.核工業(yè)北京化工冶金研究院,北京 101149;2.核工業(yè)二〇八大隊,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

螺桿馬達也稱螺桿鉆具,是一種將液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能的井底動力鉆具。在鉆井鉆進過程中,通過控制泥漿泵的流量和壓力,調(diào)節(jié)螺桿馬達的轉(zhuǎn)速和扭矩,使鉆頭在鉆桿和螺桿馬達的疊加轉(zhuǎn)速下鉆進,可大大提高鉆進效率[1]。由于鉆頭由頂部轉(zhuǎn)盤和螺桿馬達共同提供動力,因此也叫復(fù)合動力技術(shù),常用于直井鉆進[2]。此外,螺桿馬達因可以提供井底動力,也被廣泛應(yīng)用于油田、煤田定向井鉆進中[3-6]。對于深孔、致密地層及高溫硬巖的鉆進施工,螺桿馬達復(fù)合動力鉆進彌補了常規(guī)鉆進的不足,鉆進效率高,在煤礦、硬巖開采等已有廣泛應(yīng)用,技術(shù)相對成熟。

以往地浸鉆孔深度較淺(小于500 m),地層相對疏松,對于復(fù)合動力的需求較弱。但隨著鈾礦探采深度的增加,深部地層密度變大,成巖作用較強,同時也出現(xiàn)了鈣質(zhì)含量較高的礦層。礦層深度及地層密度等條件的變化,致使傳統(tǒng)鉆井、成井工藝效率降低,難以適應(yīng)施工需求[7]。目前,在地浸采鈾領(lǐng)域,對復(fù)合動力鉆井、成井工藝的相關(guān)研究較少,缺乏對螺桿馬達復(fù)合動力切割工藝與傳統(tǒng)切割工藝的對比研究。

前期在鄂爾多斯盆地北部開展的地浸鉆孔施工和切割成井研究表明,研究區(qū)礦層硬度大,傳統(tǒng)切割工藝效率低,切割時間超過了24 h。在研究區(qū)井深大、地層硬的條件下,復(fù)合動力所帶來的轉(zhuǎn)速和扭矩提升,預(yù)期可顯著提高成井效率,縮短成井周期。因此,在現(xiàn)場切割過程中,引入了螺桿馬達復(fù)合動力切割工藝,同時對應(yīng)用中出現(xiàn)的問題進行了分析。

1 傳統(tǒng)切割工藝與螺桿馬達復(fù)合動力切割工藝對比

試驗鉆孔采用擴孔式成井工藝[8],內(nèi)置可更換防砂過濾器,采用礦段切割、反向投礫技術(shù)。該工藝是在裸孔鉆進完成后,全井段下入PVC套管,逆向注漿固井;然后根據(jù)測井解釋結(jié)果,使用切割刀具對礦層段進行切割擴孔,完成對PVC套管、水泥環(huán)和地層的切割,以達到露出礦層并擴大井內(nèi)浸出劑與礦層接觸面積的目的。切割完成后下入可更換過濾器,反向投礫[9],最終完成地浸鉆孔成井過程。

在以往的切割成井施工過程中,主要由鉆機轉(zhuǎn)盤帶動井底切割刀具對礦層進行旋轉(zhuǎn)切割(以下稱傳統(tǒng)切割工藝),目前廣泛使用的是單臂切割刀具。切割過程中,刀具打開,鉆桿轉(zhuǎn)動過程中割刀與礦段位置的套管、水泥環(huán)、地層發(fā)生接觸,旋轉(zhuǎn)切割,從而擴大礦段處井徑、露出礦層。

在利用螺桿馬達復(fù)合動力進行切割時,在鉆桿前端加接螺桿馬達后,再接單刀切割刀具(圖1)。在切割過程中,鉆桿由鉆機帶動;同時在泥漿泵加壓下,螺桿馬達使鉆桿轉(zhuǎn)動與自身轉(zhuǎn)動疊加,并傳導(dǎo)到切割刀具,從而使切割刀具以更高的轉(zhuǎn)速、更大的扭矩進行切割。

圖1 螺桿馬達復(fù)合切割示意圖

2 螺桿馬達復(fù)合動力切割工藝的應(yīng)用

2.1 復(fù)合動力切割工藝設(shè)備配置

螺桿馬達由接頭、動力部分、傳動部分、軸承及驅(qū)動軸構(gòu)成,其中最重要的為動力部分,其為切割刀具提供額外動力。當(dāng)泥漿進入動力部分時,形成的壓力使螺桿馬達定子中的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動,再經(jīng)傳動軸傳導(dǎo)至切割刀具。

采用φ95 mm的螺桿馬達,馬達轉(zhuǎn)速為240～350 r/min;配合的泥漿泵最大流量為390 L/min。采用XY-6N巖芯鉆機,電機轉(zhuǎn)速最高為1 480 r/min,轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速最高為1 000 r/min。在復(fù)合動力下,切割刀具的轉(zhuǎn)速為鉆桿與螺桿馬達轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的疊加,即式中:v為切割刀具復(fù)合轉(zhuǎn)速,r/min;v1為螺桿馬達轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,r/min;v2為螺桿馬達外殼隨鉆桿旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速,r/min。

v=v1+v2

實際應(yīng)用過程中,根據(jù)地層條件與鉆機轉(zhuǎn)速、扭矩匹配關(guān)系,鉆機轉(zhuǎn)速一般選用2擋(490 r/min),在此轉(zhuǎn)速下螺桿馬達復(fù)合動力切割工藝的轉(zhuǎn)速可提高71.4%。在高轉(zhuǎn)速下,會有效減小套管切割碎屑及礦層巖屑,進而提高施工效率。

2.2 復(fù)合動力切割工藝試驗效果

2.2.1 試驗參數(shù)及質(zhì)量評價要求

巴音青格利鈾礦床位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯盆地北部,其主要礦層為下侏羅統(tǒng)直羅組下段,根據(jù)層序特征,直下段又可分為上亞段(J2z1-2)和下亞段(J2z1-1)。該礦床具有整體厚度大、滲透率低的特點,礦層段鈣質(zhì)夾層較厚,部分試驗孔鈣質(zhì)夾層厚度占礦層厚度的20%以上[10-11]。

目前,共開展了7個孔的礦段切割研究,其中SYZ-1、SYZ-2、SYC-1采用傳統(tǒng)切割工藝,SYZ-4、SYG-2、SYG-3、SYG-4采用螺桿馬達復(fù)合動力切割工藝。本次各孔礦段切割長度均在9.5～11.7 m,根據(jù)地層情況,各孔切割鉆壓均控制在25～30 kN,試驗孔切割參數(shù)見表1(表中切割速度是指垂向上切割刀具旋轉(zhuǎn)前進速度)?？梢缘贸?傳統(tǒng)切割工藝施工鉆孔的平均切割速度為0.387 m/h,而使用螺桿馬達后平均切割速度提升到0.785 m/h,切割速度提升了102.8%。

表1 試驗孔切割參數(shù)

確定研究區(qū)最合理的切割速度,是本研究的目的之一。在實際切割過程中,為保證切割段上下界面處的平整度及出露礦層的完全性,上下界面處的切割時間一般較長,在這2種工藝切割過程中,上下界面附近0.5 m的切割時間約為1 h。因此礦層中部的切割速度,對鉆孔整體的切割速度影響最大。

切割速度的評價是基于切割質(zhì)量滿足地浸鉆孔施工要求進行的。一般通過返屑形態(tài)和切割段露出礦層情況來評價切割質(zhì)量,切割段要完全切透套管和水泥環(huán)、出露礦層,以滿足地浸開采的需要。當(dāng)返屑不均勻時,碎屑易纏繞刀具,導(dǎo)致鉆具在切割位置卡死,進而無法上提。

2.2.2 試驗孔切割過程及質(zhì)量檢驗

螺桿馬達復(fù)合動力切割試驗以SYZ-4孔為第1口試驗孔。上午4時開始切割,控制其切割速度與常規(guī)切割一致,鉆壓較傳統(tǒng)切割工藝小,平均切割速度約為0.44 m/h,至15時30分,累計切割5 m;15時30分,進行鉆壓加壓切割,瞬時切割速度約為1 m/h,至16時30分,累計切割5.7 m;此時加鉆桿,繼續(xù)切割;17時開始,繼續(xù)加鉆壓,提高切割速度(瞬時切割速度為1.26 m/h),維持該鉆壓至21時30分,設(shè)計切割段切割完畢。

2.2.2.1 試驗孔切割過程中返屑情況

SYZ-4孔切割過程,切割碎屑自孔底返回井口時間約為30 min,切割返屑情況見圖2。SYZ-4返屑情況顯示,在切割速度相同的條件下,螺桿馬達可以有效減小切割碎屑的大小,在0.44 m/h的切割速度下,復(fù)合動力切割的碎屑明顯小于常規(guī)切割工藝(圖2a);17時15分左右切割碎屑較均勻,大小合適(圖2b);17時25時返屑呈長條狀(圖2c);18時,碎片變細小,長窄碎片變少(圖2d)。

綜合來看,切割速度不是越快越好,當(dāng)切割速度過快時,長條狀碎屑增加,增大卡刀具的風(fēng)險。在使用螺桿馬達時,最大切割速度以1 m/h為宜,不宜超過1.2 m/h,SYG-2、SYG-3孔以此為指導(dǎo),返屑均勻,未見長條碎屑。

2.2.2.2 試驗孔切割完畢地層出露情況

切割后地層出露情況可以通過井下電視(圖3)和井徑測井(圖4)反映。SYZ-4井下電視觀察顯示,切割段地層已經(jīng)完全出露,視域中可見礦層砂巖。井徑測井顯示其切割深度為616.3～626.0 m,其中在切割上界面(616～617 m)、下界面(624～626 m)處,存在井徑逐漸變化的情況,切割段中部井徑穩(wěn)定。該情況與傳統(tǒng)工藝切割測試結(jié)果基本一致,使用螺桿馬達進行切割能夠滿足使用要求。

(a)15時40返屑;(b)17時13返屑;(c)17時25返屑;(d)18時返屑。

3 螺桿馬達切割效果分析

螺桿馬達復(fù)合動力工藝的切割效果與傳統(tǒng)工藝的切割效果存在一定的差異,主要體現(xiàn)在切割速度、切割面平整度和刀具磨損程度方面。

3.1 切割速度

切割速度的選擇以滿足施工質(zhì)量要求為前提。在深孔、地層成巖作用較強的條件下,傳統(tǒng)切割工藝在使用XY-6N巖芯鉆機時,鉆機的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩有限。當(dāng)試圖增加切割速度時,會出現(xiàn)地層切割不動、鉆壓要求過大且套管碎屑偏長的現(xiàn)象。在應(yīng)用螺桿馬達復(fù)合動力切割工藝后,切割刀具轉(zhuǎn)速提升、扭矩增大,在相同切割速度下,其所需鉆壓較傳統(tǒng)切割工藝更小,地層更容易被切割,且切割后可以滿足地浸鉆孔質(zhì)量要求。

切割速度提高后,刀具轉(zhuǎn)速要與切割速度相匹配,才能保證切割的套管碎屑形狀合適,不會增加卡刀具風(fēng)險。傳統(tǒng)切割工藝在切割速度過快時會產(chǎn)生寬、長的切割碎屑,卡刀具的風(fēng)險顯著增加。螺桿馬達復(fù)合動力切割工藝在應(yīng)用中轉(zhuǎn)速較傳統(tǒng)切割工藝提高71.4%,在相同切割速度下,由于轉(zhuǎn)速的提高,碎屑變得更加細碎,有效降低了卡刀具的風(fēng)險。

3.2 切割面平整度

切割段的上界面是地浸孔施工的關(guān)鍵部位,切割段上界面的切割質(zhì)量及該位置的套管情況會影響后續(xù)封隔器的坐封效果。當(dāng)切割過程對切割面上部套管損傷較大時,需要上移坐封位置,增加過濾器長度,額外消耗礫料等材料,這會提高作業(yè)成本,同時增加封隔器坐封失敗的風(fēng)險。

通過井下電視對切割段上界面進行的觀察發(fā)現(xiàn),螺桿馬達復(fù)合動力切割的上界面平整度較差。由于螺桿馬達復(fù)合動力切割過程中轉(zhuǎn)速的提高,切割刀具穩(wěn)定性變差,使切割段上界面附近套管更易破壞,進而造成了切割段上界面較傳統(tǒng)切割更為凹凸不平(圖5)。

3.3 刀具磨損程度

刀具磨損程度受地層和切割工藝的共同影響,在試驗區(qū)內(nèi),地層特征相似,因此認為刀具磨損程度主要是由切割工藝不同引起的。在磨損程度上,在應(yīng)用螺桿馬達前,平均每切割3口井更換1次切割刀具,單口井作業(yè)后磨損情況見圖6(a);在應(yīng)用螺桿馬達后,需每切割1口井更換1次切割刀具,刀具磨損情況見圖6(b)。

(a)SYZ-1傳統(tǒng)切割;(b)SYZ-4孔螺桿馬達切割。

(a)傳統(tǒng)切割工藝;(b)螺桿馬達復(fù)合動力切割工藝(紅色為原齒位)。

在螺桿馬達復(fù)合動力切割工藝下,刀具磨損加劇,且主要磨損位置為刀具底部水平位置的③～⑥號齒,刀具外側(cè)⑦～⑩號齒磨損較小。刀具環(huán)形切割面積計算直徑約為320 mm,套管內(nèi)徑為128 mm,因此③號齒切割位置為PVC套管,④～⑤號齒切割位置為水泥環(huán),⑥～⑩號齒切割位置為礦層;實際中由于刀具切割時存在小幅擺動,各齒牙切割位置會稍有變化。

根據(jù)刀具磨損情況可知,切割過程最主要磨損位置為水泥環(huán)及水泥環(huán)和地層交界處,即⑤～⑥號齒。在傳統(tǒng)切割工藝中,切割速度慢,刀具磨損小,因此⑤～⑥號齒磨損有限,且以⑤號齒磨損為主,⑥號齒稍有磨損。而采用螺桿馬達復(fù)合動力切割時,切割速度變快,刀具磨損嚴重,⑤號齒嚴重磨損,⑥號齒脫落,同時⑦號齒也有磨損。結(jié)合切割刀具不同齒牙的磨損情況,可反映刀具齒牙磨損順序,當(dāng)主要磨損位置的齒牙磨損后,相鄰齒牙磨損加劇。此外,斜列切割的齒牙較水平切割齒牙磨損小,磨損情況可為后續(xù)切割刀具改良提供參考。

4 螺桿馬達復(fù)合動力切割工藝改進建議

在地浸孔切割中,螺桿馬達復(fù)合動力切割工藝具有切割速度快、出露礦層效果好的優(yōu)勢;但同時也存在對切割處套管損傷稍大、刀具磨損加快的問題。在后續(xù)切割過程中,針對螺桿馬達復(fù)合動力切割工藝需要進行一定改進。

4.1 增加螺桿馬達扶正器

扶正器環(huán)繞在螺桿馬達上,通常井下帶扶正器的螺桿馬達具有保直效果好、減少孔底鉆具振動的特點[12]。引入扶正器后,可減小在切割過程中孔底鉆具振動,起到保護PVC套管、平整切割面的效果。

4.2 對切割刀具進行優(yōu)化

根據(jù)螺桿馬達應(yīng)用后切割刀具的磨損特征,在磨損嚴重的位置更換硬度更大的齒牙,以適應(yīng)現(xiàn)有切割工藝;也可以開展雙刀或者三刀切割刀具的應(yīng)用研究,多刀頭的應(yīng)用可以減小刀頭磨損。此外,應(yīng)根據(jù)切割尺寸,使切割刀具齒牙與地層、水泥環(huán)斜列式接觸。多刀頭與斜列式齒牙刀頭已有固體礦床施工經(jīng)驗[13],其應(yīng)用將更有利于降低刀頭磨損,延長刀頭壽命。

4.3 增加二次切割環(huán)節(jié)

在現(xiàn)場試驗中,由于螺桿馬達切割速度較快,在上切割面處或加接鉆桿后有時存在部分礦層未完全切割的現(xiàn)象。為了應(yīng)對這種情況,需要在切割完畢后進行二次切割和修整,通過鉆壓變化判斷切割情況,以確保完全切割。二次切割和修整過程速度較快,一般1～2 h即可完成,可提高切割質(zhì)量。

5 結(jié)論

與傳統(tǒng)切割工藝相比,螺桿馬達復(fù)合動力切割工藝的切割速度提高了102.8%,顯著縮短了切割時間;其切割面平整度及刀具磨損情況雖有不足,但能顯著降低卡鉆風(fēng)險,其施工質(zhì)量可以滿足地浸鉆孔切割要求。未來還需進行鉆具改良和流程優(yōu)化,以更好地適應(yīng)科研生產(chǎn)需要。