俄羅斯渦輪鉆具發(fā)展及技術優(yōu)勢分析

摘 要：我國部分油田地層鉆速低，嚴重制約了鉆井效率。俄羅斯是世界上最早研發(fā)及推廣使用渦輪鉆具的國家，具有成熟的生產(chǎn)各種型號渦輪鉆具的能力。文章分析了俄羅斯渦輪鉆具的發(fā)展，將俄羅斯渦輪鉆具在我國的部分地區(qū)進行了應用，并分析了使用效果，總結了俄羅斯渦輪鉆具技術優(yōu)勢分析，對我國部分油田鉆井提速提效提供了新的手段。

關鍵詞：俄羅斯；渦輪鉆具；發(fā)展；優(yōu)勢

中圖分類號：TE921 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）15-0073-02

渦輪鉆具是一種液動馬達，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?yōu)闇u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。高轉速滾動軸承牙輪鉆頭和滑動軸承牙輪鉆頭已成功用于深井鉆進；孕鑲金剛石鉆頭以微剪切和研磨聯(lián)合作用方式破碎巖石，通常與高速渦輪鉆具（轉速>800 rpm）配合使用，用于鉆進深部致密難鉆地層、研磨性高的地層及軟硬交錯地層。渦輪動力鉆具復合鉆井技術具有明顯的優(yōu)勢。渦輪鉆具所有都是金屬件、不受高溫及高壓限制，高速大扭矩、振動性低，具有輸出動力強、轉速高的優(yōu)點。孕鑲金剛石鉆頭具有無活動件、高抗研磨性、地層適應性強、入井作業(yè)時間長等特點。適宜于深井和高溫環(huán)境下作業(yè)，對油基鉆井液不敏感，能適應在高密度的鉆井液中工作。渦輪鉆具具有一定的降斜作用。

1 俄羅斯渦輪鉆具的發(fā)展

20世紀20年代后期前蘇聯(lián)開始研發(fā)渦輪鉆具，1923年研制成功，到20世紀50年代，前蘇聯(lián)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(lián)重要的鉆井方法。幾十年來，前蘇聯(lián)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(xiàn)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。現(xiàn)代渦輪鉆具采用專門形狀、精密鑄造的葉片，有很高的動力特性；采用多級支撐和高耐磨性的止推軸承，使其可靠性大為提高；配上減速接頭可與牙輪鉆頭和PDC鉆頭配用。其生產(chǎn)的渦輪鉆具種類多，適用范圍廣，可在8 1/2〞井眼使用的類型就多達14種。新型金剛石鉆頭和高速三牙輪鉆頭等的快速發(fā)展，也為渦輪鉆井技術的發(fā)展提供了巨大推動力。

2 俄羅斯渦輪鉆具在我國的應用

俄羅斯7-2/3〞T1-195C渦輪，在212.7～215.9 mm及241.3 mm井眼使用，推薦排量28～34 l/s，該型號的渦輪是不帶減速器的。渦輪的最大壽命可以達到1 200 h，但軸承節(jié)部分要求使用200 h就應該起鉆檢查、維修。該型號渦輪適應于高溫180 ℃，高壓140 MPa，密度2.0 g/m3的井下復雜條件。172減速渦輪鉆具總長14.365 m，總重2 135 kg，渦輪節(jié)直徑Ф172 mm，減速器直徑Ф178 mm，下部輸出軸接頭扣型為430，可直接與鉆頭相接；上端扣型為520，需通過一個扣型為521*4A10的短接頭與短鉆鋌相接。T1-195性軸承節(jié)式渦輪鉆具設計用于215.9 mm直徑鉆頭，井底溫度達120℃的油氣井鉆進，動力液用鉆井水或鉆井泥漿最大密度為1.50 g/m3，若鉆井泥漿密度大于1.50 g/m3，渦輪鉆具操作穩(wěn)定會受到影響。泥漿可以為水基泥漿，或含油品不得超過10%的油基泥漿。

目前國內某油田12井區(qū)4 500～6 500 m井眼鉆井時間約50～60 d，占全井鉆井時間的2/3，目前采用的螺桿+PDC的鉆井方式，在二疊系以上地層，總的提速效果是比較明顯的。由于該井段地層含有礫石等容易破壞PDC鉆頭的地層，使得PDC鉆頭應用效果不很穩(wěn)定，起下鉆換鉆頭次數(shù)較多，影響整個鉆井的效率的進一步提高。通過試驗驗證渦輪+孕鑲金剛石鉆頭的鉆井方式，對某油田白堊系巴什基奇克組以下地層深井段提高鉆速的潛力，即能夠提高鉆井速度或提高單只鉆頭進尺，減小鉆頭用量，將對整個某油田12井區(qū)深井段提高鉆井效率、縮短鉆井周期起到重要的作用。采用俄羅斯7 2/3〞高速渦輪+孕鑲金剛石鉆頭鉆至二疊系頂界，可以繼續(xù)鉆進則穿過二疊系地層，并且鉆盡可能多的井段。每鉆進500 m或2 d做一次短起下鉆，以修刮井壁。

3 俄羅斯渦輪鉆具技術優(yōu)勢分析

3.1 輸出功率的技術優(yōu)勢

相近尺寸的渦輪鉆具加減速器時，與螺桿相比，在排量和密度相近的情況下，輸出的扭矩幾乎一樣，但渦輪的壓降比螺桿大一半還多。相近尺寸的渦輪鉆具無減速器時，與螺桿相比，輸出的扭矩只有一半，但渦輪的壓降比螺桿大1/3。壽命方面。渦輪節(jié)的壽命長，可達1 000 h，但與之配合的減速節(jié)只有180～200 h，需要起鉆檢修，實際上渦輪帶減速器時，單次運行時間和螺桿相當。渦輪帶減速器時，與螺桿相比沒有明顯的優(yōu)點，性價比更差。這就是SMITH不做減速器的原因。

3.2 轉盤轉速的技術優(yōu)勢

帶減速器時，渦流比螺桿大1～2倍，也可以做成一樣的轉速。當渦輪不帶減速器時，轉速比螺桿大很多倍。渦輪的優(yōu)點就是高轉速，在井下復雜的情況下，如高溫、高壓、高密度、地層不均質的條件小，使用性能相當比較穩(wěn)定。同時，渦輪的壽命遠遠高于螺桿。渦輪鉆具+減速器，轉速可以在150～400 rpm之間，比螺桿大，機械鉆速應該比現(xiàn)在的螺桿復合鉆快，但對PDC的要求就高，而TK1293井并沒有見到好的效果。

3.3 復合鉆井的技術優(yōu)勢

采用現(xiàn)有的鉆井方式（PDC螺桿復合鉆或轉盤鉆）盡量鉆近二疊系，然后換俄羅斯7-2/3〞高速渦輪+孕鑲金剛石鉆穿過二疊系地層，并且鉆盡可能多的井段。在繼續(xù)鉆速與目前持平的情況下，如果能提供行程進尺，減少起下鉆時間，甲方是可以接受的。采用俄羅斯72/3〞高速渦輪+孕鑲金剛石鉆頭鉆至二疊系頂界，可以繼續(xù)鉆進則穿過二疊系地層，并且鉆盡可能多的井段。而二疊系以上地層，相對較軟，目前的鉆井方式，平均機械鉆速已經(jīng)達到5.5 m/h左右，最高可達7～11 m，該方案鉆速肯定低于目前的平均水平，而且該井段鉆頭容易泥包。

4 結論及建議

①加強內錐耐磨性。鉆頭內錐采用特殊的幾何形狀，并布置PDC布齒，加深鉆頭的內錐深度，改變鉆頭中心部位巖石的應力狀態(tài)，提高了鉆頭中心的切削效率，進而增加鉆頭中心的耐用性。

②針對深井特點，增加固定噴嘴，保證巖屑攜帶，防止金剛石的燒損。調整孕鑲配方，既要防止胎體沖蝕，又要保證金剛石出刃。

參考文獻：

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