減速器渦輪鉆具應(yīng)用于小井眼鉆井的發(fā)展趨勢(shì)探討

曹仰觀　譚春飛

摘要：由于小井眼鉆井成本低、排出巖屑體積小，對(duì)環(huán)境污染小，在世界范圍內(nèi)得到了大力發(fā)展，因此，各種小井眼鉆井設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，介紹了新型小尺寸行星齒輪減速器渦輪鉆具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和小井眼鉆井存在的技術(shù)問題，以及把行星齒輪減速器渦輪鉆具應(yīng)用在小井眼鉆井上的優(yōu)勢(shì)及發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：行星齒輪；減速器；渦輪鉆具；小井眼；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TU753.64文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3198(2009)07-0281-02

現(xiàn)今，降低鉆井工程成本已成為油氣鉆井的重要課題，而小井眼鉆井可以減少消耗，降低成本，出于對(duì)降低鉆采成本、環(huán)境保護(hù)的壓力、以及減少邊遠(yuǎn)和地面交通困難地區(qū)勘探風(fēng)險(xiǎn)等因素的考慮，小井眼鉆井技術(shù)已經(jīng)成為世界各國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的一項(xiàng)鉆井技術(shù)。小井眼鉆井需鉆去的巖屑體積相對(duì)減少、鉆具用量少、泥漿和套管耗量少、鉆柱減輕、能耗降低，其發(fā)展很有潛力。小井眼鉆井技術(shù)的實(shí)施要著重解決硬件技術(shù)，重點(diǎn)是井下動(dòng)力鉆具及相應(yīng)PDC鉆頭的選取，為了滿足小井眼鉆井的需求，則需要小直徑的井下動(dòng)力鉆具。渦輪鉆具是一種結(jié)構(gòu)比較特殊的井下動(dòng)力鉆具，它由鉆井泵打出的高壓鉆井液來驅(qū)動(dòng)，將常規(guī)渦輪鉆具配以行星齒輪減速器后，能使其原有的高轉(zhuǎn)速降低到能滿足高效鉆頭使用的中、低轉(zhuǎn)速，而且相應(yīng)成倍地提高了其工作扭矩。

1小井眼鉆井技術(shù)發(fā)展存在的技術(shù)問題

小井眼鉆井技術(shù)的發(fā)展，有以下幾方面的原因，降低成本，環(huán)保問題，勘探風(fēng)險(xiǎn)。世界范圍內(nèi)的鉆井實(shí)踐表明，小井眼鉆井比常規(guī)鉆井可節(jié)省費(fèi)用50％左右，特別是國(guó)外使用專門設(shè)計(jì)的小井眼鉆機(jī)后，節(jié)約鉆井費(fèi)用可高達(dá)60％～75％，又由于小井眼鉆井井徑縮小，鉆井液用量和排出巖屑都減少，井場(chǎng)占地減少等因素，所以小井眼鉆井更有利于環(huán)保，相應(yīng)也降低了勘探風(fēng)險(xiǎn)。

小井眼與常規(guī)井眼相比有兩個(gè)基本區(qū)別；井徑小，環(huán)空間隙小。由于這兩個(gè)基本區(qū)別，引發(fā)了一系列小井眼鉆井的技術(shù)問題，如環(huán)空壓耗較大幅度增加、井控問題激化、鉆頭機(jī)械鉆速下降等，其中，要解決的首要問題是提高鉆進(jìn)效率。為了提高鉆進(jìn)效率，除了選擇合適的鉆頭外，還需要合理選擇具有較大扭矩的小尺寸井下動(dòng)力鉆具。

2行星齒輪減速器渦輪鉆具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

行星齒輪減速器渦輪鉆具主要由以下幾部分組成；渦輪節(jié)，軸承節(jié)，行星齒輪減速器。

渦輪節(jié)主要由殼體、轉(zhuǎn)子、定子和渦輪軸組成，其作用是將高壓流體的水力能轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)鉆頭的機(jī)械能。軸承節(jié)的主要作用是承受軸向力，并將動(dòng)力平穩(wěn)地傳遞給鉆頭。

減速器主要由行星齒輪、止推軸承、密封系統(tǒng)等組成，其主要作用是將渦輪鉆具的高轉(zhuǎn)速通過一定減速比的減速齒輪進(jìn)行降低，同時(shí)將其扭矩按照相應(yīng)的減速比提高，以滿足牙輪鉆頭和復(fù)合金剛石鉆頭轉(zhuǎn)速及驅(qū)動(dòng)的需要，如圖1所示即為減速器中行星齒輪截面圖。

減速器的工作原理及減速前后渦輪鉆具的扭矩一轉(zhuǎn)速特性如圖2和圖3所示，圖中A、B、C為減速齒輪支點(diǎn)，為輸入高轉(zhuǎn)速，為輸出低轉(zhuǎn)速。采用減速比為i的減速器之后渦輪鉆具的轉(zhuǎn)速可以降低j倍，而渦輪鉆具的扭矩將增加i倍。

這種行星齒輪減速器的減速比比較適中，傳遞的扭矩較大，壓力降較小，而且由于整個(gè)鉆具不存在橡膠件，能夠耐高溫，使用壽命長(zhǎng)。發(fā)展新型中轉(zhuǎn)速、低壓降、高扭矩減速渦輪鉆具，配合高效優(yōu)質(zhì)的PDC鉆頭或者高速長(zhǎng)壽命牙輪鉆頭鉆井，可較大幅度的提高鉆井速度，降低綜合鉆井成本。

3在小井眼鉆井中選擇行星齒輪減速器渦輪鉆具的優(yōu)勢(shì)與發(fā)展趨勢(shì)

小井眼鉆井中，井下動(dòng)力鉆具的選擇十分重要，通常，小尺寸動(dòng)力鉆具的輸出扭矩小，使用時(shí)間短，嚴(yán)重影響了鉆井速度。

目前世界各國(guó)使用的井下動(dòng)力鉆具包括螺桿鉆具和渦輪鉆具兩種，通常，普通小尺寸的螺桿鉆具的扭矩會(huì)隨著使用時(shí)間的增加會(huì)快速降低，往往不能夠滿足小井眼鉆井作業(yè)的實(shí)際需要。減速器渦輪鉆具由于在鉆具下部連接了行星齒輪減速器，使得鉆具的扭矩成倍增加，小井眼中鉆頭的水力能量很低，達(dá)不到噴射鉆井的要求，要提高機(jī)械鉆速只能走強(qiáng)化鉆頭機(jī)械能量這條路，減速器渦輪鉆具的渦輪節(jié)數(shù)可以根據(jù)需要增減，由于它采用了行星減速齒輪和密封油潤(rùn)滑軸承，所以具有長(zhǎng)度短、壓降低、扭矩大、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，可滿足不同鉆井作業(yè)的需要，同時(shí)其工作扭矩達(dá)到或超過同尺寸螺桿鉆具的扭矩，降低了鉆井成本，減速器渦輪鉆具與常規(guī)渦輪鉆具一樣，不含橡膠件，定轉(zhuǎn)于均為鑄鋼或不銹鋼鑄造件，耐沖刷，耐高溫，對(duì)深井、超深井的小井眼鉆井十分有利。

迄今為止，小井眼鉆井活動(dòng)遍及世界許多國(guó)家如美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、加拿大和委內(nèi)瑞拉等，美國(guó)是目前世界上小井眼鉆井最多的國(guó)家，而且在老井加深、側(cè)鉆領(lǐng)域應(yīng)用小井眼技術(shù)最多，特別是側(cè)鉆短半徑水平井，此外，目前國(guó)外已有不少公司應(yīng)用小井眼鉆井技術(shù)鉆儲(chǔ)氣井，這也是它的最新用途之一，針對(duì)小井眼鉆井技術(shù)的大力推廣，世界各國(guó)競(jìng)相開發(fā)小井眼鉆具，國(guó)外各石油機(jī)械生產(chǎn)商，如美國(guó)Paker鉆井公司、Color公司和法國(guó)Forasol-Foramer公司等，均在小井眼渦輪鉆具發(fā)展方面取得不菲成績(jī)。

近年來，俄羅斯設(shè)計(jì)生產(chǎn)出了具備競(jìng)爭(zhēng)力的小尺寸減速器渦輪鉆具，其目的是為磨銑、擴(kuò)眼、切割套管服務(wù)，其充油密封帶行星齒輪的減速裝置能夠提供較高的扭矩和較低的轉(zhuǎn)速以適應(yīng)工具切削套管及鉆頭鉆進(jìn)的需要，表l中列出了俄羅斯設(shè)計(jì)的幾種減速器渦輪鉆具的動(dòng)力參數(shù)，

減速器渦輪鉆具在國(guó)內(nèi)塔深1井應(yīng)用，也取得了良好的效果，2006年俄羅斯設(shè)計(jì)的7RO-121減速器渦輪鉆具在塔深l井與成都BES了公司生產(chǎn)的M1365型PDC鉆頭配合使用，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，表2中列出了TRO-121減速器渦輪鉆具特性參數(shù)。

從表3可以看出，采用轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)配合PDC鉆頭，平均機(jī)械鉆速為1.09m/h，采用減速器渦輪鉆具配合PDC鉆頭時(shí)平均機(jī)械鉆速為2.14m/h，減速器渦輪鉆具鉆進(jìn)的機(jī)械鉆速提高了96％。

推廣應(yīng)用減速器渦輪鉆井技術(shù)是提高中深井和深井小井眼的鉆井速度、縮短建井周期和降低鉆井成本的有效措施之一，減速器渦輪鉆具與高效優(yōu)質(zhì)PDC鉆頭結(jié)合，可充分發(fā)揮減速器渦輪鉆具高轉(zhuǎn)速、大扭矩的性能。開發(fā)小尺寸渦輪鉆具用于老井側(cè)鉆，在世界許多國(guó)家也都取得了成功，

專家預(yù)計(jì)，小井眼的工作量將來要占全部鉆井工作量的50％到60％。從小井眼鉆井技術(shù)日益完善的角度看，小井眼的使用范圍十分廣闊，不僅用于探井，也可用于開發(fā)井；不僅用于直井，也可用于定向井、水平井；不僅用于打新井，也可用于老井加深及側(cè)鉆，不僅用于淺井，也可用于深井；不僅用于油井，也可用于氣井，這些都為小尺寸減速器渦輪鉆具應(yīng)用于小井眼鉆井開拓了廣闊的發(fā)展前景。

4結(jié)論

(1)小井眼鉆井技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)利益，是石油工業(yè)的一項(xiàng)前沿技術(shù)。

(2)發(fā)展新型行星齒輪減速器渦輪鉆井技術(shù)是提高小井眼的鉆井速度、縮短建廾周期和降低鉆井成本的有效措施之一。

(3)與螺桿鉆具相比。新型減速器渦輪鉆具扭矩大、鉆速高的特點(diǎn)更能滿足小井眼鉆井的技術(shù)要求。