低速渦輪提高鉆速技術研究

張瑞典，付建紅，呂永科，謝 冬 ，張 磊

（1.西南石油大學 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成 都 6 10500；2.中石油勘探開發研究院，北京 1 00083；3.西部鉆探鉆井工程技術研究院，新疆 鄯 善 8 38200；4.中海油研究總院，北京 1 00027）

渦輪鉆井技術與轉盤驅動鉆井技術有很大不同。渦輪鉆井技術[1~2]是將渦輪鉆具直接安裝在鉆頭上部，下入井內，通過鉆井液驅動渦輪鉆具轉子同軸一起旋轉，帶動鉆頭隨著轉動，鉆具殼體和鉆柱不旋轉。其地面鉆井設備同轉盤驅動的地面設備也不相同，渦輪鉆具要求鉆井泵組的功率比較大。渦輪鉆井方式能鉆達的深度是轉盤驅動鉆井方式無法超越的。早在60~70年代前蘇聯在阿塞拜疆地區使用多個渦輪節組合成的渦輪鉆具成功地鉆到4 500 m的深度。

渦輪鉆井技術的主要特點[3]是：

（1）渦輪鉆具能產生很大的鉆頭功率；

（2）由于使用渦輪鉆井，鉆柱不旋轉，適合打定向井；

（3）由于鉆柱不旋轉，減少了與井壁的碰撞與摩擦延長了鉆柱壽命。

渦輪鉆具直接把功率傳輸到鉆頭，鉆頭得到的強大功率可以有效提高機械鉆速，尤其針對堅硬地層效果更明顯，使用低速渦輪鉆具是在常規渦輪鉆具中加入一種齒輪低速機構—同步減速器，用來獲得中低的轉速、較大扭矩。深入渦輪與低速渦輪鉆井技術的研究，有利于降低成本提高鉆井效率，加快石油天然氣勘探開發的進程。

1 低速渦輪鉆具輸出特性計算

（1）低速渦輪輸出轉數的計算

低速渦輪鉆具轉速由周速度與減速比決定，由力學關系可以求出：

其中，u為周速度，可以表示為：

式中：

n為渦輪的轉數，r/min；

Dp為渦輪的計算直徑，m；

i為渦輪的減速比；

Q為流過渦輪的排量，m3/s；

α0為定子葉片與轉動方向所呈的角度，°；

h為渦輪葉片的徑向高度，m；

z為渦輪葉片數目；

δ為渦輪定子葉片的厚度，m。

（2）渦輪的輸出功率、壓降、扭矩計算

渦輪的有效功率與壓力降、排量之間的關系：

其中，壓降可由尤拉基本公式計算得到，P=ρ液η水力u2將（2）式代入得：

將（4）式代入（3）得：

從力學方程來推導渦輪軸上輸出的轉矩。功率等于轉矩乘以角速度，即

將（2）式，（5）式和（6）式聯立得單級渦輪的扭矩：

式中：

Nt為單級渦輪的有效功率，W；

η效率為渦輪的轉化效率；

p為單級渦輪的壓力降，Pa；

η水力為水力效率，由流過渦輪的水力摩阻決定；

ρ液為工作液體的密度，kg/m3；

M為單級渦輪的扭矩，N·m；

ω為渦輪角速度，rad/s。

以上是單級渦輪最優工作條件下有效功率、壓降、扭矩的計算式，它們各項分別乘以渦輪的級數即可以得k渦輪的有效功率、壓降、扭矩。

2 模擬計算結果

（1）設定渦輪幾何參數：排量Q=50 L/s，渦輪輪廓直徑D=241.3 mm，壁厚b=12.5 mm。渦輪外徑為206 mm，計算使用的直徑為189 mm，葉片的徑向高度為17 mm，其數目為27個。節距等于22 mm，級數k=109。產生的相對長度為29 mm，葉片角度為33.8°。級數k=109。

（2）渦輪壓降計算：圖1為單級渦輪壓力分布云圖。設定鉆井液密度為1.30 g/cm3，塑性粘度15 MPa·s，由云圖顯示的進出口面上的壓力加權平均值可以計算該條件下單級渦輪的壓力降：

對于109級渦輪來說△P'=9.05 MPa。

模擬的單級渦輪制動扭矩為57 N·m，對于109級低速渦輪來說該條件下制動扭矩約為18 kN·m。根據壓降數值可以計算出轉速較低，由模擬結果可以看出，低速渦輪鉆具獲得了較理想的扭矩和轉速等輸出參數[4]，適合于現場施工。

圖1 單級渦輪的壓力分布云圖

（3）渦輪流速分布

下圖2為單級渦輪的進口和出口速度云圖，由云圖可以看出進口速度約為4 m/s，和入口邊界條件相符；其出口速度約為7 m/s~8 m/s，與葉片出口處的周速度7.8 m/s相符。

圖2 單級渦輪的進口、出口速度云圖

圖3是單級渦輪的縱截面上速度分布云圖，從云圖顯示得出從入口到出口模型中計算的速度值逐漸變大，但不是線性增加。

圖3 單級渦輪的縱截面速度分布云圖

3 現場試驗分析

低速渦輪鉆井技術在磨017-H10井的現場應用：在排量50 L/s，鉆井液密度1.29 g/cm3，設定低速渦輪的減速比為3，對渦輪輸出參數進行計算，渦輪的壓降△P=8.31 MPa，最大功率下的輸出轉數nr=290 r/min，渦輪的最大輸出功率N'最大=291 kW，最大功率下渦輪的輸出扭矩M'=4.7 kN·m。

使用鉆井排量50 L/s為低速渦輪鉆具規定的最大排量，由計算結果可以看出，低速渦輪鉆具獲得了較理想的扭矩和轉速等輸出參數。現場施工和模擬結果比較吻合。都得到了中低的轉速、較大扭矩，可以有效的提高鉆速[5]。

3.1 分析結果

（1）通過對渦輪輸出特性的分析，得出渦輪的輸出轉數等于空轉轉數一半時，有效功率達到最大值，從而得出制動扭矩和最大有效功率的計算方法。

（2）渦輪的輸出轉數隨著渦輪的輸入排量增大而增大；渦輪的輸出扭矩隨著渦輪的輸入排量增大而增大；渦輪的有效輸出功率隨著渦輪的輸入排量增大而增大；渦輪的壓降隨著渦輪的輸入排量增大而增大。

（3）渦輪的輸出轉數隨著渦輪葉片徑向高度增大而增大；渦輪的輸出扭矩、渦輪的有效輸出功率、渦輪的壓降隨著渦輪葉片徑向高度增大而減小。渦輪的輸出轉數、渦輪的有效輸出功率、渦輪的壓降隨著渦輪葉片數目增大而增大；渦輪葉片數目增大對渦輪的輸出扭矩影響不大。渦輪的輸出轉數、渦輪的輸出扭矩、渦輪的有效輸出功率、渦輪的壓降隨著渦輪葉片出口角度增大而減小。

3.2 創新建議

為進一步提高低速渦輪鉆具的提速效果，對低速渦輪鉆具的使用提出如下建議：

（1）鉆井液在渦輪中的實際流動非常復雜，本文對渦輪進行數值模擬時，考慮的因素有限，數值模擬研究有待進一步完善，應當考慮在動態座標系下的渦輪流動特性的數值模擬，使低速渦輪鉆具輸出參數計算更加準確。

（2）在淺井段或欠壓實井段可以使用低速渦輪鉆具。根據試驗井PDC的磨損情況，可以考慮使用高質量的牙輪鉆頭配合低速渦輪鉆具使用。

（3）PDC鉆頭配合低速渦輪鉆具組合可在較深地層試用。

4 結束語

利用CFD軟件對渦輪流動特性進行了數值模擬，模擬了單級渦輪的壓力分布、單級渦輪內的流線分布、模擬結果與所采用的渦輪推薦值相吻合。低速渦輪鉆井在鉆進時可獲得低鉆速，大扭矩提高了機械鉆速，可推動鉆井事業的發展。

[1]成 海，鄭衛建，夏 彬，等.國內外渦輪鉆具鉆井技術及其發展趨勢[J].石油礦場機械，2008，37(4):28-31.

[2]胡辛禾.低速大扭矩耐高溫渦輪鉆具[J].石油機械，1999，27(12)：23-26.

[3]許福東，符達良.帶減速器渦輪鉆具動態特性瞬變規律及其模擬[J].石油機械，1997，25(6):36-39.

[4]李文飛，周延軍，陳 明，等.渦輪鉆具復合鉆井技術及其在塔河油田的應用[J].西部探礦工程，2010(5):41-44.

[5]譚春飛，王甲昌，鄭衛建，等.TDR1-127減速渦輪鉆具在塔河油田超深井的試驗研究[J].石油鉆采工藝，2010，32（2）：93-96.