系列渦輪鉆具額定參數(shù)設(shè)計的對應(yīng)等功率方法

馮 進(jìn)，李雯錦，張慢來，張先勇

(長江大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

系列渦輪鉆具額定參數(shù)設(shè)計的對應(yīng)等功率方法

馮 進(jìn)，李雯錦，張慢來，張先勇

(長江大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

根據(jù)渦輪鉆具工作理論和機械鉆速方程，分析了相關(guān)因素對機械鉆速的影響?；谕叽缦盗袦u輪鉆具應(yīng)具有同樣機械鉆速的觀點，提出了額定參數(shù)設(shè)計的對應(yīng)等功率準(zhǔn)則，并建立了同尺寸系列渦輪鉆具額定參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系。在鉆頭參數(shù)和巖石約束抗壓強度一定的情況下，以許用最小機械鉆速、鉆頭鉆壓范圍、鉆井工藝要求為依據(jù)，確定了上、下限額定參數(shù)，建立了同尺寸系列渦輪鉆具額定參數(shù)設(shè)計的定量計算方法。該方法也可用于渦輪鉆具的選擇計算。

渦輪鉆具；系列設(shè)計；等功率準(zhǔn)則；額定參數(shù)；計算方法

渦輪鉆具具有大功率、高轉(zhuǎn)速、相對適中扭矩和大壓降的特點，在高溫、高壓和高密度泥漿環(huán)境下不影響其工作性能，適合小的切削深度和高轉(zhuǎn)速實現(xiàn)較高的機械鉆速，特別適合硬地層和研磨性地層鉆井，在高陡構(gòu)造地層能實現(xiàn)防斜快打。渦輪鉆具同心旋轉(zhuǎn)，反扭矩小，工具面定向容易控制，鉆井井眼規(guī)則。渦輪鉆具的這些優(yōu)勢在相當(dāng)長的時間里沒有加以利用，其關(guān)鍵在于渦輪鉆具的推力軸承壽命短，鉆頭的工作轉(zhuǎn)速比較低，鉆井設(shè)備能力普遍缺乏足夠的水馬力。上述因素導(dǎo)致渦輪鉆具在前蘇聯(lián)以外的國家沒有被廣泛使用，僅用于定向造斜和短井段鉆井。

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，石油鉆井設(shè)備技術(shù)水平大幅提升，現(xiàn)代石油鉆機普遍配備了高壓大功率泥漿泵，滿足了鉆井新工藝、新技術(shù)的需要。新材料、新工藝在鉆頭和泥漿潤滑推力軸承上的應(yīng)用，使固定切削齒鉆頭的工作轉(zhuǎn)速超過800～1500r/min[1]，抗高溫、耐沖擊、抗磨損的PDC推力軸承壽命已超過400～600h[2]。渦輪鉆具動力性能不斷改善，行程壽命大幅提高，在減少起下鉆次數(shù)和提高機械鉆速方面具有顯著的優(yōu)勢[3]，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大[4～6]，在井深、超深井鉆井中渦輪鉆具有廣闊的應(yīng)用前景。

渦輪鉆具由渦輪節(jié)和支承節(jié)組成，渦輪節(jié)把液體的壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闇u輪軸上的機械能，支承節(jié)把渦輪軸上的機械能傳遞給鉆頭并承受來自鉆頭的反作用力。為了滿足鉆井的不同需要，渦輪鉆具有不同尺寸規(guī)格，同尺寸規(guī)格中有不同系列，同系列中又有不同型號。對同尺寸系列渦輪鉆具，其工作參數(shù)范圍不同，用何種方法來確定合理的工作參數(shù)范圍，這是值得研究的重要課題。對此筆者經(jīng)過探究，提出了對應(yīng)等功率準(zhǔn)則，并建立了同尺寸系列渦輪鉆具額定參數(shù)設(shè)計的計算方法。

1 渦輪鉆具的機械性能

渦輪鉆具實質(zhì)上是葉片式泥漿馬達(dá)，其通過渦輪定子葉片和轉(zhuǎn)子葉片改變液體的流動方向，基于動量矩原理把液體的壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，通過渦輪軸輸出轉(zhuǎn)速和扭矩，帶動鉆頭破巖。渦輪鉆具輸出參數(shù)有轉(zhuǎn)速n、扭矩T和輸出功率N，輸入?yún)?shù)有流量Q、壓降Δp和輸入功率Ni，效率η為輸出功率與輸入功率的之比。渦輪鉆具的機械性能涉及到在流量Q一定時，轉(zhuǎn)速與其他參數(shù)間的關(guān)系，其中轉(zhuǎn)速與扭矩T和輸出功率N的關(guān)系[7]為：

(1)

(2)

式中，Tmax為渦輪鉆具的制動扭矩，N·m，與泥漿密度、渦輪的幾何尺寸和葉柵葉型水力性能以及工作流量有關(guān)；nmax為渦輪輸出軸最大轉(zhuǎn)速，r/min，隨流量變化而變化。

(3)

2 對應(yīng)等功率的依據(jù)

無論采用何種驅(qū)動方式鉆井，機械鉆速是需要考慮的主要因素。在旋轉(zhuǎn)法破巖過程中，必須給鉆頭施加一定的鉆壓，才能使鉆頭的切削齒壓入巖石一定深度(切削深度)；提供一定的扭矩，才能克服破巖時摩擦和剪切產(chǎn)生的反力矩；有一定的切削速度(轉(zhuǎn)速)，才能得到一定的機械鉆速。因此，分析影響機械鉆速和渦輪鉆具輸出參數(shù)的相關(guān)因素，對渦輪鉆具設(shè)計非常重要。

Pessier等[8,9]根據(jù)機械比能原理，建立了與所鉆地層的巖石力學(xué)性能(抗壓強度)、鉆頭直徑、鉆壓、鉆頭機械效率等因素有關(guān)的機械比能關(guān)系，即：

(4)

(5)

將式(5)除以轉(zhuǎn)速n，得切削深度S(單位mm/ r)，即：

(6)

扭矩T是鉆頭破巖時巖石對鉆頭的反作用力矩，其是關(guān)于鉆壓、鉆頭幾何參數(shù)、巖石力學(xué)性能的函數(shù)，在數(shù)值上等于渦輪鉆具提供給鉆頭的驅(qū)動力矩。扭矩T用下式計算：

(7)

式中，μ表示滑動摩擦系數(shù)，通過試驗確定。針對PDC鉆頭可用下式計算μ[12]：

μ=0.9402×φρ×exp(-1.161×10-9σCCS)

(8)

式中，φρ是泥漿密度對滑動摩擦系數(shù)的影響系數(shù)：

φρ=2.9982-0.8876ln(8.347×10-3×ρ)

(9)

式中，ρ為泥漿密度，kg/m3。

在相同鉆頭和地層巖性下，由式(5)可以看出，隨機械功率增加，機械鉆速上升，只要轉(zhuǎn)速與扭矩的乘積不變，機械鉆速就相等；由式(6)和式(7)可以看出，鉆壓大，扭矩和切削深度也大。在同尺寸的系列渦輪鉆具中，在相同鉆頭和地層巖性下，每一型號的渦輪鉆具必須有能力達(dá)到同樣的機械鉆速，才能有相同的競爭力。基于上述觀點，筆者認(rèn)為同尺寸系列渦輪鉆具應(yīng)具有相同的輸出功率范圍，在各自的輸出功率范圍內(nèi)都存在對應(yīng)的等輸出功率點，這就是對應(yīng)等功率設(shè)計準(zhǔn)則。

渦輪鉆具的性能特點是隨排量大增加，轉(zhuǎn)速、扭矩、壓降、輸出功率和輸入功率也隨之增大。同尺寸系列渦輪鉆具應(yīng)滿足在一定流量范圍內(nèi)工作的要求，既有對應(yīng)較大流量、較低壓降的渦輪鉆具，也有對應(yīng)較小流量、較高壓降的渦輪鉆具。渦輪鉆具的能量由泥漿泵提供，而泥漿泵的輸入功率是一定的。排量大時泥漿泵的額定壓力低，排量小時泥漿泵的額定壓力高。可見，對應(yīng)等功率設(shè)計準(zhǔn)則與同尺寸系列渦輪鉆具工作需要和泥漿泵的性能特點是一致的。

3 對應(yīng)額定參數(shù)的關(guān)系

為說明對應(yīng)等功率設(shè)計原理，設(shè)同尺寸系列渦輪鉆具有3個型號，分別用下標(biāo)1、2、3表示，下標(biāo)U和L分別表示渦輪鉆具的對應(yīng)上、下限額定參數(shù)，在工作介質(zhì)物性不變的情況下研究同尺寸系列渦輪鉆具的額定參數(shù)關(guān)系。根據(jù)對應(yīng)等功率設(shè)計準(zhǔn)則，渦輪鉆具的下限功率NL和上限功率NU滿足：

N1L=N2L=N3L=NL

(10)

N1U=N2U=N3U=NU

(11)

3.1上、下限流量

若渦輪鉆具1、2、3的下限流量分別為Q1L、Q2L和Q3L，上限流量分別為Q1U、Q2U和Q3U，根據(jù)式(3)和式(10)求上限功率，結(jié)果代入式(11)中，得：

簡化整理為：

(12)

為了保證流量分布合理，取優(yōu)先系數(shù)k=1.06～1.25，即：

Q1L=k×Q2LQ2L=k×Q3LQ1U=k×Q2UQ2U=k×Q3U

(13)

若已知Q1U和Q3L，由式(13)得：

(14)

將式(14)代入式(12)，得：

(15)

3.2上、下限轉(zhuǎn)速

若渦輪鉆具1、2、3的下限轉(zhuǎn)速分別為n1L、n2L和n3L，上限轉(zhuǎn)速分別為n1U、n2U和n3U，根據(jù)式(3)和式(12)，得：

(16)

為了保證下限轉(zhuǎn)速分布合理，取優(yōu)先系數(shù)k=1.06～1.25，即：

n1L=kn2Ln2L=kn3L

(17)

在已知n1L時，由式(17)得：

(18)

根據(jù)式(16)，得：

n1U=n1L×Cn2U=n2L×Cn3U=n3L×C

(19)

3.3上、下限輸出功率

若渦輪鉆具1的下限扭矩T1L已知，則下限功率NL為：

(20)

根據(jù)式(3)，上限功率NU為：

(21)

3.4上、下限扭矩

渦輪鉆具的輸出功率為渦輪軸角速度與輸出扭矩的乘積，在已知轉(zhuǎn)速、輸出功率時，可求扭矩。若渦輪鉆具1、2、3的下限轉(zhuǎn)速分別為T1L、T2L、T3L，上限轉(zhuǎn)速分別為T1U、T2U、T3U，根據(jù)式(20)～(21)，可計算其上、下限扭矩，即：

(22)

(23)

3.5上、下限壓降

設(shè)渦輪鉆具1、2、3的效率分別為η1、η2、η3，下限壓降分別為Δp1L、Δp2L、Δp3L，上限壓降分別為Δp1U、Δp2U、Δp3U，其上、下限壓降由下式確定：

(24)

(25)

4 額定參數(shù)的確定

在建立同尺寸系列渦輪鉆具額定參數(shù)計算關(guān)系時，假設(shè)下限扭矩T1L和下限轉(zhuǎn)速n1L為已知。因此，必須建立T1L和n1L的計算方法。對于鉆井而言，希望通過提高機械鉆速降低鉆井成本。從經(jīng)濟(jì)性上講，總存在一個可接受的機械鉆速下限值(ROP)L。根據(jù)鉆井工藝，在已知鉆頭尺寸和巖石的力學(xué)性能的條件下，為了有效地發(fā)揮渦輪鉆具和鉆頭的破巖作用，必須給鉆頭施加適當(dāng)?shù)你@壓。在鉆頭許用鉆壓下限值WB min附近取鉆壓WB1L，由式(7)計算WB1所對應(yīng)扭矩TB1L。因n1Lgt;n2Lgt;n3L，所以渦輪鉆具1對應(yīng)的下限額定扭矩T1L=TB1L，此時，可由式(4)計算n1L。

某一尺寸規(guī)格的渦輪鉆具對應(yīng)有適合的鉆頭尺寸范圍，鉆井工藝對不同井眼直徑的泥漿上返速度有一定要求，由此可以確定Q3L和Q1U。這樣，可以計算同尺寸相似系列渦輪鉆具上、下限額定參數(shù)。最后，由式(7)計算渦輪鉆具適合的鉆壓范圍，即WB1L、WB1U、WB2L、WB2U、WB3L和WB3U。

5 結(jié) 語

通過渦輪鉆具工作理論和機械鉆速方程，闡述了同尺寸系列渦輪鉆具有能力達(dá)到相同機械鉆速的觀點，提出了渦輪鉆具額定參數(shù)設(shè)計的對應(yīng)等功率準(zhǔn)則。基于對應(yīng)等功率準(zhǔn)則，建立了同尺寸系列渦輪鉆具額定參數(shù)之間的關(guān)系。在鉆頭參數(shù)和巖石約束抗壓強度一定的情況下，以許用最小機械鉆速、鉆頭鉆壓范圍、鉆井工藝要求為依據(jù)，確定上、下限額定參數(shù)，建立了同尺寸系列渦輪鉆具額定參數(shù)設(shè)計的定量計算方法?；趯?yīng)等功率的同尺寸系列渦輪鉆具額定參數(shù)設(shè)計方法，將地層、鉆頭、渦輪鉆具、鉆井工藝和機械鉆速有機地結(jié)合起來，體系比較完善，定量計算方便。該方法也可用于渦輪鉆具的選擇計算。

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[編輯] 李啟棟

TE921

A

1673-1409(2010)03-N047-04

2010-05-26

馮進(jìn)(1958-)男，1997年大學(xué)畢業(yè)，博士，教授，現(xiàn)主要從事流體機械與工程方面的教學(xué)與研究工作。