2. 大庆油田有限责任公司第一采油厂二矿北六队;
3. 渤海钻探油气井测试分公司;
4. 东北石油大学提高采收率教育部重点实验室
2. The North Six Team, The Second Mine, No. 1 Oil Production Plant of Daqing Oilfield Company;
3. Well Testing Branch of CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited;
4. The Key Laboratory of Ministry of Education About Enhanced Oil Recovery, School of Petroleum Engineering, Northeast Petroleum University
0 引言
螺杆钻具因兼具提速和导向2大功能而被大规模应用[1-4]。现场应用情况表明，如果螺杆钻具选择不当，不但影响螺杆钻具效率的充分发挥，还可能会导致钻井周期加长，甚至造成井下复杂状况和钻井事故的发生。如在定向井中螺杆钻具选择不当，就可能会出现因造斜率太低(或高) 而频繁起下钻更换合适本体弯度的螺杆的情况[5]。只有合理地选择螺杆钻具，才能达到预期的钻井效果。
1 螺杆钻具的选择笔者从螺杆本体尺寸、弯度、本体自带的稳定器、定转子头数比以及耐温性能等5个方面探讨如何科学地选择螺杆钻具。
1.1 外径的选择根据螺杆钻具行业标准，常用螺杆钻具外径尺寸有73.0、88.9、104.8、120.7、127.0、158.8、171.5、177.8、203.2、244.5以及285.8 mm这几种。
根据螺杆钻具的特性，转速n与流量Q成正比[6-7]，输出扭矩取决于负载。国内常用的螺杆钻具有很多种，不同规格的螺杆钻具对钻井液排量都有其制造商推荐的最大值和最小值，只有在这个合理的排量范围内，螺杆钻具才能达到其最佳工作状态。如果钻井液的实际排量超过了推荐的最大值，转子会超速旋转，定子和转子可能会提前损坏；反之，螺杆钻具要么因旁通阀无法关闭而不工作，要么因压力差不足会进入“滞动”状态。因此，不同制造商的螺杆钻具在其出厂手册中都给出了具体参数。表 1为某制造商常规螺杆钻具的部分规范及技术参数表。
| 钻具型号 | 5LZ165×7Y | 7LZ165×7Y | 9LZ165×7Y | 5LZ197×7Y | 5LZ245×7Y |
| 井眼直径/mm | 213~251 | 213~251 | 213~251 | 251~311 | 311~445 |
| 钻具长度/m | 6.70 | 5.00 | 5.80 | 7.04 | 8.10 |
| 推荐排量/(L·s-1) | 16~28 | 19~32 | 19~32 | 19~38 | 38~75 |
| 钻头转数/(r·min-1) | 102~179 | 141~237 | 85~114 | 80~160 | 68~138 |
| 马达压降/MPa | 3.2 | 2.4 | 2.4 | 3.1 | 2.4 |
| 输出扭矩/(N·m) | 3 797 | 2 781 | 4 599 | 5 500 | 12 473 |
| 推荐钻压/kN | 80 | 60 | 80 | 150 | 213 |
井眼直径越大，满足钻井携岩要求所需的钻井液排量也越大，一般所需的螺杆钻具外径尺寸也会越大，制造商都会给出推荐的螺杆钻具外径尺寸和井眼直径之间的匹配(见表 1)。一般情况下螺杆钻具的转子是实心的(见图 1a)，其自身结构限制了工作排量的提高，所以有时不能满足大斜度井和水平井的大排量携岩等钻井要求。当实际需要的钻井液排量超出实心螺杆钻具的推荐范围时，可以选择适合大排量的中空转子螺杆钻具(见图 1b)，以增加钻头水功率和钻井液的上返速度[8-9]。
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| 图 1 螺杆钻具的定/转子结构示意图 Fig.1 Structural schematic diagram of the stator/rotor 1-定子；2-定子橡胶；3-转子。 |
1.2 弯度
由于弯螺杆具有导向功能而被大规模应用在定向井中，“单弯双稳”螺杆钻具组合是其中最典型的一种结构形式，其BHA结构示意图如图 2所示。
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| 图 2 “单弯双稳”螺杆钻具BHA结构示意图 Fig.2 BHA structure diagram of the "single benddual stabilizer"PDM |
自从1985年H.KARISSON等人率先提出弯壳体导向工具几何造斜率的计算方法--“三点定圆法”[10-11]后，国内外学者进行了大量的研究[12-13]。如果钻具为刚性，不发生弹性形变，则井径等于近钻头稳定器直径时的几何造斜率计算公式如下[14]：
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(1) |
式中:L1为钻头到下稳定器的长度，m；L2为下稳定器到弯曲点的长度，m；L3为弯曲点到其上第1个切点或上稳定器的距离，m；γ为螺杆的弯曲度数，(°)。
该方法虽然没有涵盖地层特性、已钻轨迹和钻进参数等因素对造斜特性的影响，但具有计算简单的优点，突出了钻具组合对造斜效果所起的主导作用，直观反映了钻具的结构参数对造斜率的贡献。利用式(1) 根据要求的造斜率可以粗略算出所需的螺杆钻具本体弯角的度数，其本体弯角越大，可以达到的造斜率越高。依据定向井设计中“宁高勿低”的原则，通常情况下，BHA的理论计算造斜率要比轨道要求的造斜率略高一些，所以需要比理论值稍大弯度的螺杆钻具。
为了防止井下出现复杂状况或钻具事故，螺杆钻具制造商建议本体度数超过1.5°的弯外壳螺杆入井后不旋转钻进。因此，如果根据轨道要求计算出的螺杆钻具本体弯度超过1.5°，则其入井后只能滑动钻进，一旦需要复合钻进时就需起钻更换钻具；如果计算出的螺杆钻具的本体弯度不超过1.5°，造斜段完成后直接进行稳斜段的复合钻进而无需起钻更换钻具。另外，以图 2所示的底部钻具组合为例，由于螺杆钻具的弯度影响，可通过的套管最小通径Dc可用以下公式计算：
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(2) |
式中:Ds2为上稳定器的直径，mm；Db为钻头的外径，mm。
利用以上公式计算出来的外径须小于已下入套管的通径，否则钻具在下入过程中会因与套管内壁发生摩擦而影响井下安全。
1.3 本体稳定器钻直井时，通常采用带有螺杆的钟摆钻具组合防斜打快[15-17]。为了提高钟摆力，优选本体不带稳定器的螺杆钻具，而且螺杆钻具的弯角越小越好，不带弯度的直螺杆最好[18]。
在定向井或水平井中，为了增加造斜率，需要选择本体带有稳定器的螺杆钻具。一般情况下，螺杆钻具本体稳定器的外径比钻头小3.2 mm或1.6 mm，因为螺杆自带的欠尺寸稳定器会对钻具造斜率产生影响，所以根据需要也可向制造商要求订制特定外径尺寸的本体稳定器。针对常用“单弯双稳”螺杆钻具组合，考虑欠尺寸稳定器的影响，其理论造斜率K的计算公式为[19]：
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(3) |
式中:Ds1为下稳定器的直径，m；Ds2为上稳定器的直径，m；Dh为井眼直径，m。
常见的本体稳定器有螺旋形和直棱形2种结构。如果一趟钻中的滑动井段所占比例较多，就应该用直棱形的稳定器，便于滑动钻进过程中工具面角的稳定；如果一趟钻中滑动钻进井段所占的比例较少，就优先选择螺旋形稳定器，便于降低复合钻进过程中的扭矩。
另外，还需要考虑螺杆钻具本体稳定器长度的选择，本体稳定器越长，其耐磨性相对会越好。因此，对于研磨性较强的地层(如花岗岩地层)，就需要选择本体稳定器较长的螺杆，或者向制造商订制本体稳定器加长版的螺杆。
1.4 定、转子头数比螺杆钻具的定子头数比转子头数多1个。螺杆钻具的定子/转子常规匹配图如图 3所示。
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| 图 3 螺杆钻具的定子/转子常规匹配图 Fig.3 Conventional matching of stator/rotor of PDM |
通常在转子、定子长度一定时，螺杆钻具转子头数越多，相同条件下输出的扭矩就越大，输出的转速就相对越低；反之，如果转子头数越少，输出的扭矩越小，输出的转速相对越高。不同螺杆钻具制造商在使用手册中都给出了具体参数，如表 2列出的某制造商常规螺杆钻具部分规范及技术参数，在一定程度上就反映了上述规律。因此，在同一定向井眼其他条件不变的情况下，应以钻具的输出扭矩越大为优选条件，应以确保提供足够的滑动钻进的扭矩。如Φ215.9 mm井眼中，同为5LZ165钻具应选择多级大扭矩钻具。如果配合PDC钻头使用，需要优选高转速螺杆；如果配合牙轮钻头使用，则优选高扭矩低转速的螺杆，且牙轮钻头齿部硬度比用一般传统转盘钻的硬度高一个等级，以提高其使用效果。针对深井和超深井，可以考虑选择耐高温且输出扭矩较大的等壁厚螺杆钻具[20-21]。
| 钻具型号 | 5LZ165×7Y | 7LZ165×7Y | 9LZ165×7Y |
| 井眼直径/mm | 213~251 | 213~251 | 213~251 |
| 钻具长度/m | 6.7 | 5.0 | 5.8 |
| 推荐排量/(L·s-1) | 16~28 | 19~32 | 19~32 |
| 钻头转数/(r·min-1) | 102~179 | 141~237 | 85~114 |
| 马达压降/MPa | 3.2 | 2.4 | 2.4 |
| 输出扭矩/(N·m) | 3 797 | 2 781 | 4 599 |
| 滞动扭矩/(N·m) | 6 644 | 5 562 | 8 305 |
| 输出功率/kW | 41~71 | 41~69 | 41~70 |
| 钻头水眼压降/MPa | 1.4~6.9 | 1.4~6.9 | 1.4~6.9 |
1.5 耐温选择
螺杆钻具的平均无故障使用时间一般为150~200 h，对于高温井其劣势是定子橡胶耐高温程度低，轴承易损坏。根据定子橡胶的耐温性能不同，螺杆钻具可分为常温螺杆钻具和高温螺杆钻具2种，前者耐温不高于120 ℃，后者耐温范围120~150 ℃。在选择螺杆钻具前，应该先了解油田区块螺杆使用段的井下最高温度，以免在高温井段采用常温螺杆钻具造成螺杆不能实现最大效率或定子橡胶早期失效甚至脱落，同样也应避免将高温螺杆钻具用在常温井段。如果所钻井是生产井，可参考已钻邻井打钻时的录井统计数据、MWD测量数据或者试油数据中的温度值。如果所钻井是探井，则可按照每100 m垂深3.5°~5.5°的地温梯度来估算井底的最高温度。
2 结束语详细介绍了螺杆钻具的基本情况，指出科学选择螺杆钻具很有必要。同时从螺杆本体尺寸、弯度、本体稳定器形状和大小、定转子头数比以及耐温性能等5个方面探讨了如何科学地选择螺杆钻具。讨论结果可为螺杆钻具的现场应用提供理论指导。
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