渦輪鉆具在俄羅斯的應用及發展方向研究

摘要：渦輪鉆井在俄羅斯一直是有效和經濟適用的鉆井方法。文章分析了俄羅斯渦輪鉆井的應用現狀。渦輪鉆具存在著諸多不足，不是所有區域都適合渦輪鉆井。要想提高渦輪鉆井效率，就必須從改變渦輪鉆具的結構入手，同時還需選擇與渦輪鉆具相匹配的高效鉆頭。并分析了俄羅斯渦輪鉆具的發展方向，對研發我國的渦輪鉆具具有重要的借鑒意義。

關鍵詞：渦輪鉆井；缺點；鉆頭；發展方向

中圖分類號：TE242文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2012）05-0179-02

渦輪鉆具也是一種液動馬達，渦輪殼體里面裝有多級成對的渦輪定轉子，工作時鉆井液在泵的作用下首先進入渦輪定子，渦輪定子使鉆井液具有一定的方向和速度進入渦輪轉子，渦輪轉子使鉆井液的水力能量轉變為渦輪鉆具輸出軸驅動井底鉆頭的轉動機械能。渦輪鉆具轉速范圍大，可使用牙輪鉆頭、PDC鉆頭和各類孕鑲金剛石鉆頭；渦輪鉆具定轉子使用壽命長，存放時間不受限制；耐高溫和高壓，適用于高溫高壓井。渦輪鉆具克服了螺桿鉆具的缺點，是深井、超深井、高研磨性、高抗壓強度、高溫地層的有效提速手段。

20世紀20年代后期前蘇聯開始研發渦輪鉆具，1923年研制成功，到20世紀50年代，前蘇聯取得了一大批有價值的理論研究成果，使渦輪鉆井技術成為前蘇聯重要的鉆井方法。幾十年來，前蘇聯通過對渦輪鉆具的性能與結構不斷進行完善，基本上滿足了現場鉆井工藝要求，渦輪鉆井技術的鉆井進尺占到了總鉆井進尺的80％以上。

1俄羅斯渦輪鉆具應用現狀分析

渦輪鉆井在俄羅斯一直是一種經濟、有效且適用的鉆井方法。在俄羅斯大部分油氣田鉆井過程中使用渦輪鉆井方法是有根據的，該種鉆井方法尤其適用于斜井。最近，渦輪鉆井在斜井鉆井區域不存在嚴重競爭，在這種情況下，渦輪鉆井方法的優勢是顯而易見的，如：鉆桿不旋轉，輕質合金鉆桿，高機械鉆速等等。多年來，當鉆井液流量為44～48l/s時，在西西伯利亞一直采用高度機動的渦輪鉆具3ТСШ1-195ТЛ ，此工藝雖然保證了較高機械轉速，但同時也導致井壁侵蝕坍塌。技術最過硬的鉆井隊在500~3 000 m井段也要劃眼12～15次，而其它的鉆井隊達20～25次。近些年來，西西伯利亞的所有鉆井企業在鉆井液流量為32l/s條件下（缸套直徑為170 mm）都采用單鉆井泵。使用渦輪鉆具的基本類型是3ТСШ1-195。這能保證較高的建井質量和技術經濟指標。同時不難發現，該種渦輪鉆具在自身動力允許范圍內工作，其運轉指標低。支撐節部分的無故障工作時間約90 h，渦輪節部分約200 h。帶有注油密封軸承的高效牙輪鉆頭的推廣使用明顯地縮小了斜井渦輪鉆井在西西伯利亞的范圍，其原因是成套渦輪鉆具無法保證鉆井狀態所需參數，另外，帶有金剛石－硬質合金片的無軸承鉆頭的出現也不會使渦輪鉆井范圍有所擴大，因為這些鉆頭工作轉矩超出可成套渦輪鉆具承載能力的許多倍。在鉆水平井時，也有很多硬性規定、要求是針對渦輪鉆井工藝提出的。井下動力鉆具在水平鉆井領域有著十分廣闊的發展前景。需要指出的是，鉆水平鉆井是依靠低速螺桿鉆具，甚至是電動鉆具。顯然，目前成套生產渦輪鉆具完全不適合鉆水平鉆井。

另外，如果遙控系統及可靠、高精度的測斜儀與渦輪鉆具配合作業就不能完成優質進尺，尤其是在井眼的增斜段和穩定段。需要補充的是，批量生產的渦輪鉆具在殼體上沒安裝可移動的扶正器，再有就是靠近鉆頭處的井身軌跡無法測量。使用渦輪鉆具鉆斜井時，由于自身的不足導致公差范圍不可糾正，造成井身傾斜，固井質量低，由于頻繁起下鉆作業而使鉆井過程勞動強度加大，所以渦輪鉆井在俄羅斯鉆斜井時獲得了一定發展，而渦輪鉆具也成了小轉矩牙輪鉆頭的有效動力，但如果不進行成套渦輪鉆具的技術工具更新換代或現代化改裝，那么其應用領域和范圍就可能急劇縮小。

2俄羅斯渦輪鉆具缺點分析

雖然渦輪鉆具在鉆井過程中獲得了廣泛使用，但渦輪鉆具也存在著不足，因而它的潛力無法得到充分發揮。俄羅斯于1950～1960年研制成功的渦輪鉆具（型號為：3ТСШ1 和АГТШ）已跟不上當今的鉆井需求。這些渦輪鉆具的基本技術工藝方面存在諸多不足，主要表現在以下方面：渦輪鉆具在轉速為60～300 r/min（1～5r/s）的條件下不能穩定工作，而帶有注油密封軸承先進牙輪鉆頭工作轉速的在此區間卻處于最佳值。渦輪鉆具在較小鉆井液流量下不工作，例如，直徑為195 mm的渦輪鉆具，鉆井液流量低于30 l/s。渦輪鉆具擴眼，即轉速接近超速（空轉）時。不可能克服鉆井液的吸附作用，因為鉆井液流經渦輪鉆具不允許壓裂填料。鉆頭卡住無法用轉盤解卡。無法有效使用高壓水力沖擊鉆頭。完鉆后清洗井筒危險，因為渦輪鉆具仍然在繼續空轉，而鉆頭已經磨損報廢。鉆頭報廢狀態檢查復雜。無法使井下爆炸器，測量工具或者測井儀器靠近鉆頭。留在井中的渦輪鉆具殼體無法切除。渦輪鉆井時，要求配備用于渦輪鉆具工作的大功率的泵組和基礎，還有由于鉆頭壽命降低導致起下鉆次數增多，使得鉆工的勞動強度加大。

由于上面列舉的渦輪鉆井的大部分缺點還沒有及時得到解決，因此，在只能應用渦輪鉆井的區域內也采用常規的鉆井方式-轉盤鉆井，這就在很大程度上限制了渦輪鉆井的推廣使用，若要從根本上扭轉這一態勢，研制新型渦輪鉆具的任務已迫在眉睫，另外還需對目前正在使用的渦輪鉆具進行現代化改裝并選擇合理的鉆具組合方式。

3俄羅斯渦輪鉆具發展方向分析

3.1開發新型結構的渦輪鉆具

必須開發新型結構的渦輪鉆具，它不僅能提高渦輪鉆井工藝水平，還將在新的市場條件下成為有競爭力的鉆井動力工具。當然，新型渦輪鉆具的結構不應該只是為了追求結構新穎，主要應該從優化其動力特性的結構和參數方面著手。在研制過程中不僅要對具體的地質條件以及由于進行新技術比較試驗而建立先進的鉆井工藝進行研究，還要進行理論，試驗和行業綜合研究。在此條件下應確定渦輪鉆具的用途，它的運轉特性以及論證期望達到的技術經濟效果，這是確定新型渦輪結構時必須要考慮的。為了保證合理的鉆井狀態，井下馬達的動力特性參數的合理調整性是其要求之一。有效的調整可以強化井下動力鉆具的基本參數－扭矩、轉速、需要的流量值、鉆井液密度、鉆頭以及鉆井設備特性。目前的井下渦輪鉆具的動力特性必須可以直接調整，可調整特性的渦輪鉆具的研制是十分復雜的技術任務，采納的模型結構圖可能是需要解決的任務之一，此圖包括馬達的主要部分－轉矩高轉矩渦輪，甚至是在階段性實施過程中完成可調整的模型附件。該模型可在盡可能大的范圍內完成渦輪鉆具特性參數的改變。我們深信，在不久的將來，經過科研工作者的不懈努力，可調整動力特性的渦輪鉆具一定能研制成功。

3.2對目前正在使用的渦輪鉆具進行現代化改裝

在對渦輪鉆具進行現代化改裝過程中，專家傾向于采用減速渦輪馬達和渦輪螺桿馬達。這類馬達的主要部分包含大轉矩渦輪，調整附件－渦輪和螺桿副，它們與主要部分連接，同時要保證井下動力鉆具的輸出參數特性。當鉆井液流量和密度必需值滿足工藝條件下，保證最佳轉速下穩定工作的足夠的扭矩是對井下馬達提出的基本要求，此時井下動力馬達可保持最佳或者接近最佳工況。根據計算，鉆井的最佳轉速范圍是150～300 r/min(2.5～5.0 r/s)，注油密封軸承牙輪鉆頭和АТП型鉆頭在這個轉速范圍內鉆速最大。但是，無論是轉盤鉆井，還是渦輪鉆井，目前它們的轉均都無法穩定調節。因此，適用于該轉速的成套生產的結構可靠的井下動力鉆具的研制和開發是渦輪鉆具設計者迫切和優先考慮的問題。

3.3選擇與渦輪鉆具相匹配的高效鉆頭

推薦采用高效PDC鉆頭配合減速渦輪的鉆具組合，一般為直徑為185和178 mm井下動力鉆具和直徑為215.9 mm的鉆頭，以及直徑為195 mm的井下動力鉆具和直徑為222.3mm的鉆頭的配套使用問題的研究引起了設計者的興趣。

4結語

采用新型渦輪鉆具及合理選擇與減速渦輪鉆具相匹配的高效鉆頭是提高深地層機械鉆速和復雜地質條件下的防斜打直所不可缺少的配套設備，也是提高石油鉆井作業綜合技術經濟效益的最有效途徑。我們應該多了解俄羅斯的渦輪鉆具行業的發展，加強同俄羅斯渦輪鉆具方面的交流與合作，取長補短，完善我們的渦輪鉆具，促進我們渦輪鉆井技術快速發展。

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