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螺杆加PDC钻头在钻井技术上的应用

发表时间：2020/11/19 来源：《基层建设》2020年第22期作者：季红奎李乐

[导读] 摘要：近几年来，中原工程公司钻井队伍外闯市场的定向井特别是大斜度、大位移定向井日益增多，钻井难度越来越大，对井身质量要求也越来越高，为追求钻井效益最大化，油田要求采用更为先进的定向井井下工具进行开发，通过实际操作我公司在推广应用螺杆加PDC钻头钻井技术上，见到了明显的效果，取得了很大的成功。

        中原石油工程公司钻井二公司 457001
        摘要：近几年来，中原工程公司钻井队伍外闯市场的定向井特别是大斜度、大位移定向井日益增多，钻井难度越来越大，对井身质量要求也越来越高，为追求钻井效益最大化，油田要求采用更为先进的定向井井下工具进行开发，通过实际操作我公司在推广应用螺杆加PDC钻头钻井技术上，见到了明显的效果，取得了很大的成功。
        关键词：螺杆钻具 PDC钻头双驱钻进
        1、螺杆加PDC钻头组合钻具的特点
        螺杆钻具是一种把液体压力转换为机械能的容积式井下动力钻具。当泥浆泵产生的高压泥浆流经旁通阀进入马达时，转子在高压泥浆的驱动下绕定子的轴线旋转，马达产生的扭矩和转速通过万向轴和传动轴传递给钻头，使钻头破碎地层岩石，从而实现快速高效钻井作业，提高钻井实效的目的。
        1.1、螺杆钻具的组成与工作原理：
        螺杆钻具由旁通阀总成、马达总成、万向轴总成、传动轴总成组成。其工作原理是：
        （1）、旁通阀总成的工作原理。是在泥浆流量达到说明书推荐最小流量以前的某个流量时，该流量经阀芯内孔在孔两端产生压力差。上端压力大于下端压力，此压力差克服弹簧力把阀芯压下，旁通孔被关闭。此时泥浆流经马达，把压力能转换为机械能。地面停泵或流量值过小，压力差不足以克服弹簧力，弹簧把阀芯顶起，旁通孔关闭。总之，正常情况下旁通阀的启闭完全由流量大小决定的。
        （2）、马达总成的工作原理：由转子和定子两部分组成。转子是一根经过加工并有耐磨抗腐蚀镀层的左旋螺杆。定子是在经过机械加工的钢管内壁上有用特制的压胶芯轴压铸并粘牢的丁晴橡胶，它耐磨并抗碳氢化合物。在转子装入定子后，任意截取一个垂直于轴线的截面，它们两者均是共轭啮合的，因此，绕轴线的左旋螺杆上有一系列啮合点，这些啮合点封闭起来的容腔组成一个密封腔，而且此容腔体积是一定的。随着螺杆在定子中的运动，逐步沿轴向下移动，把完成能量转换的泥浆由低压腔排出马达。这就是螺杆马达的基本工作原理。根据马达的头数钻具可分为高速、中速、低速。马达的头数越少，转速越高，扭矩越小；头数越多，转速越低，扭矩越高。目前常采用的是5-9头螺杆。
        （3）、万向轴总成的工作原理：位于转子下端，其作用是把马达产生的扭矩和转速传递到传动轴上，把转子的行星运动转换成传动轴的定轴转动。
        1.2、PDC钻头的工作原理
        金钢石钻头采用人造聚晶金刚石复合片作切削齿。复合片由薄层人造金刚石和碳化钨的基体在高温高压下压制而成，采用钎焊工艺牢固地将复合片钎焊到抗冲蚀耐磨的碳化钨胎体上，切削齿的尺寸有3/8＂、1/2＂、3/4＂、1＂等型号，在较低的钻压下可吃入底层，靠剪切作用破碎岩石而获得较高钻速。
        1.2.1、冠部轮廓形状有抛物线形、圆形和锥形三种，其中冠部轮廓形状为抛物线形的钻头适用于各种软地层，具有进尺多，机械钻速高，稳定性好的特点，适合于转盘及井下动力钻具；冠部轮廓形状为圆形的钻头，工作面积小，水力集中，清冼较好，有利于钻穿硬夹层，在转盘钻井中常用；冠部轮廓形状为锥形的钻头，吃入性好，稳定性强，适合于转盘及高转速下动力钻具钻井。
        1.2.2、PDC金刚石钻头采用不同形状规格的切削齿，不同的布齿密度，露齿高度与布齿方式，并匹配相应的水力布置，可适应不同地层使用而获得最佳效果。使用整体螺纹式可换喷嘴，方便现场水力设计，满足不同的钻井水力要求，使用安全可靠。

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        1.2.3、螺杆和PDC钻头都适合在低钻压、高转速条件下工作，螺杆运转时提供的高转速为PDC钻头快速钻进创造了有利条件，两者在井下的工作时间都较长，可减少不必要的起下钻时间，因此，两者的配合是最佳的。
        2、螺杆加PDC钻头在钻井生产中的应用情况
        近几年来，我队在实际钻井工作中应用了该技术，用于直井的双驱钻进，定向井的定向造斜、扭方位钻进及采用转盘进行增斜、稳斜钻进，均取得了良好的效果。
        2.1、井况要求
        下入螺杆加PDC钻头钻具之前，要求起钻前须调整好钻井液性能及充分循环，必要时可进行短起下作业，确保井眼清洁畅通，避免下入螺杆及PDC钻头后进行划眼作业。
        2.2、适用井段及层位
        （1）浅井（2500米以内）。8 1/2″井眼使用双驱钻进，根据井型而定，直井或斜直井穿完馆陶后使用，动力钻具可以用直螺杆也可以用单弯螺杆。定向井从定向开始使用0.75°或1°单弯螺杆直至完钻。
        （2）深井（2500米以上）。8 1/2″井眼直井或斜直井穿完馆陶后下PDC钻头，钻进至井深3600米，3600米至4000米井段根据需要可以使用。三靶井、井斜较大（超过40度）、靶区半径较小（15米以内）的井更适合采用双驱钻进。
        2.3、工具选型：选用北石、渤海、大港等厂家的5-9头直螺杆、单弯单扶、单弯双扶螺杆（0.5-1.25°），水平井采用1.25-1.75°单弯螺杆。PDC钻头选型。上部地层选用石油大学、胜利钻井院、大港等钻头厂生产的FMP115、116、FM245G等钻头，下部地层川石、川克、百施特等厂家G526、G545、G445、G585等系列钻头。
        3、使用要求及注意事项
        3.1、使用双驱钻进首先要执行动力钻具及PDC钻头的各项操作规程。螺杆及PDC钻头入井前必须作全面的检查。对井底温度的要求：常规螺杆最高温度不得超过120度，耐高温螺杆最高温度不得超过150度按推荐的泥浆流量、马达压降和钻压进行操作。使用弯壳体螺杆进行双驱钻进时，转盘转速应低于65rpm。钻井液性能必须满足螺杆的使用要求，含砂量应低于0.5%。
        3.2使用注意事项。使用双驱钻进的井眼应保持畅通，使用双驱钻具划眼不超过30米，遇阻超过30米应起钻，下压轮钻头通井，井眼畅通后再下入复合钻具。坚决避免长井段划眼。使用1.5度以上的单弯螺杆，严禁使用复合钻进。下钻钻头离井底5-6米先开泵，泵压正常后启动转盘，钻头接触井底逐渐加压到钻进钻压。钻进过程中扶钻人员应精力集中，严防溜钻顿钻等情况发生。穿盐层时应严格执行穿盐层措施，坚持套划眼，防止卡钻头。一旦钻头遇卡，转盘转动而钻头不动，处理起来比较困难。
        4、使用螺杆加PDC钻头双驱钻进的优点
        大大提高了机械钻速。使用螺杆加PDC钻头双驱钻进缩短了钻井周期，与牙轮钻头相比，连续钻进时间大大增加，减少了起下钻次数。可用于直井钻进，可用于造斜钻进、稳斜钻进及降斜钻进，也可根据需要随时扭方位。可以随时调整造斜率，防止全角变化率超标。适合在多靶井、小靶圈井、大位移、大斜度井中使用。钻具组合中没有稳定器，钻铤数量大大减少，钻具刚性大大降低，防卡安全性大大增强，在复杂井段可随时转动盘。
        5、结论及建议
        通过对使用双驱钻进技术在实际钻井生产中的运用，特别是在高难度定向井中的应用情况进行分析，得出如下结论：使用螺杆加PDC钻头，能大幅度提高机械钻速，缩短建井周期，提高综合经济效益。二是可用于造斜钻进，可用于稳斜钻进，也可根据需要随时扭方位，减少起下钻及扩划眼时间。三是可以随时调整造斜率，防止全角变化率超标，确保井身质量优质。四是防卡安全性大大增强，在复杂井段可随时转动转盘。五是良好的钻井液性能也是使用该技术的前提。