松科2井帶渦輪鉆具取心鉆進探索

閆 家， 王穩石， 張恒春， 許 潔， 曹龍龍

(中國地質科學院勘探技術研究所)

松科2井位于松遼盆地東南斷陷區徐家圍子斷陷帶宋站鼻狀構造上，是我國目前設計鉆孔最深的一口大陸科學鉆探井，設計井深6 400 m；該井于2014年4月13日凌晨開鉆，當前井深是5 922.58 m，四開已完井。主要鉆探目的是通過科學鉆探工程獲取松遼盆地白堊紀地層原位、連續的巖心資料和地球物理參數，為松遼盆地及類似盆地的地球物理勘探樹立科學“標尺”；填補完整和連續的白堊紀陸相沉積世界紀錄和空白。

在松科2井施工中，針對該井井深、井內溫度高、取心裸眼井段長等復雜問題[1]，研究應用了很多新工藝、新技術。渦輪鉆具作為關鍵井下動力鉆具，具有無橡膠零部件、無橫向振動、耐高溫(250℃～300℃)等特點，鉆進過程中能改善井身質量，可實現安全、高效地鉆進，在深井和超深井的應用備受關注[2-3]。松科2井利用渦輪鉆具在大口徑、深部地層井段實施取心鉆進作業，克服了地層高溫難題、有效提高取心鉆進機械鉆速，縮短了四開完井工期。

一、松科2井工程要點

1. 地質要求與井身結構

1.1 地質要求

(1)設計井深：6 400 m，?152 mm口徑完井。

(2)目的層：嫩江組、營城組、沙河子組、火石嶺組、松遼湖盆基底。

(3)取心井段： 1 074～1 134 m、1 185～1 245 m、2 865～6 400 m。

(4)巖心要求：巖心直徑不小于90 mm、全井平均巖心采取率不小于95%。

(5)井斜要求：垂直開鉆，完井井斜不大于11.4°，完鉆水平位移不大于216 m。

1.2 井身結構

松科2井設計井身結構見表1。

表1 松科2井井身結構設計

2. 工程特點

(1)井深6 400 m，是我國目前最深的大陸科學探井，也是國際含油氣沉積巖地層中實施最深的環境科學探井[4]。

(2)井溫高。地溫梯度(3.8～4.0)℃/100 m，完鉆井底溫度達到240℃～250℃，是我國從未有過、國際上也較少遇見的高溫科學探井。

(3)裸眼時間長。長期的鉆柱擾動、頻繁起下鉆的壓力激動、沉積巖長期遭受浸泡等，維護井壁穩定、確保井眼質量非常關鍵。

(4)可借鑒參考的資料少、對泉頭組以下性質缺乏認識，取心、鉆進、護臂措施有待摸索。

3. 工程進展

截至2016年11月18日，松科2井四開取心鉆進達井深5 922.58 m，順利完鉆。四開在?216 mm井眼中采用了“同徑取心”、“渦輪鉆取心”及“繩索取心”技術共進尺1 380.34 m，獲取巖心1 285.13 m；期間，綜合錄井242 d，并完成1 285.13 m巖心的編錄、掃描、澆筑；綜合測井1次，獲取了松科2井四開井段全面、完整、連續的測井數據；下?177.8×11.51 mm尾管1 539.86 m，完成四開固井。

二、渦輪鉆具取心鉆進應用

1.渦輪鉆具結構及工作特點

作為一種井下動力鉆具，渦輪鉆具將鉆井液的液壓能轉換為驅動鉆頭回轉的機械能，從而達到鉆頭破巖功能，其主要組成部件包括渦輪節、齒輪減速器及支承節等[5]。渦輪節是動力部分，是實現能量轉換的關鍵；齒輪減速器能按一定減速比降低渦輪鉆具輸出轉速并按照相應比例提高輸出扭矩；支承節用于承受水力載荷及鉆壓反作用力。渦輪鉆具的整機通常由多節渦輪節與單根支承節或多根渦輪節聯接齒輪減速器與單根支承節組裝而成。

渦輪鉆具屬于軸流式水力機械，其輸出性能的優劣取決于渦輪節中定子和轉子的設計水平，而工作時間的長短由支承節中推力軸承的壽命決定[6]。渦輪鉆具關鍵性能參數包括：扭矩M、功率N、壓降p、效率η及轉速n，其理論特性如圖1所示。

圖1 渦輪鉆具理論特性曲線

2.松科2井渦輪鉆具取心鉆進的實施

2.1 鉆具組合

三開渦輪取心鉆進：

(1)?311孕鑲金剛石鉆頭(內徑214 mm)+?298 mm×11.35 m取心鉆具+轉換接頭+?240 mm渦輪鉆具(2根渦輪節)+?203 mm鉆鋌+?308 mm扶正器+轉換接頭+?177.8 mm鉆鋌+轉換接頭+?139.7 mm鉆桿+方保接頭+下旋塞閥。

(2)?311 mm孕鑲金剛石鉆頭(內徑214 mm)+?298 mm×11.35 m取心鉆具+TRO240渦輪鉆具(俄羅斯減速渦輪)+?308 mm扶正器+?203 mm鉆鋌+轉換接頭+?177.8 mm鉆鋌+轉換接頭+?139.7 mm鉆桿+方保接頭+下旋塞閥。

(3)?216 mm孕鑲金剛石鉆頭(內徑124 mm)+?194 mm×21.5 m取心鉆具+轉換接頭×2+?240 mm渦輪鉆具(2根渦輪節)+轉換接頭+?203 mm鉆鋌+轉換接頭+?177.8 mm鉆鋌+轉換接頭+?139.7 mm鉆桿×1柱+濾網接頭+?139.7 mm鉆桿+方保接頭+下旋塞閥。

四開渦輪取心鉆進：

(1)?216 mm孕鑲金剛石鉆頭(內徑124 mm)+?194 mm×11.5 m/21.85 m取心鉆具+KWL178渦輪鉆具(2根渦輪節)+?177.8 mm鉆鋌+轉換接頭+?139.7 mm鉆桿×1柱+濾網接頭+?139.7 mm鉆桿+方保接頭+下旋塞閥。

(2)?216 mm孕鑲金剛石鉆頭(內徑124 mm)+?194 mm×21.85 m取心鉆具+WL195渦輪鉆具(1根渦輪節)+?177.8 mm鉆鋌+轉換接頭+?139.7 mm鉆桿×1柱+濾網接頭+?139.7 mm鉆桿+方保接頭+下旋塞閥。

2.2 渦輪鉆具取心鉆進效果

松科2井三開井段進行了4個回次?240 mm直徑的國產常規渦輪鉆具和俄羅斯減速器渦輪鉆具取心試驗，是國內首次嘗試渦輪鉆具在科學鉆探深井中取心，在獲得一定渦輪鉆具鉆井操作經驗時也反映出鉆進立壓高、扭矩小的問題，分析主要原因是井內循環壓降較大、?240 mm渦輪鉆具無法在大排量下正常運轉，三開渦輪鉆具取心鉆進效果見表2。其中，在40～60 L/s工作排量下，俄羅斯TRO240型減速器工作轉速范圍為135～205 r/min，工作扭矩4 162～9 365 N·m，耐溫130℃；國產?240 mm渦輪鉆具工作轉速在250～500 r/min，工作扭矩4 120～9 270 N·m，可耐溫250℃～300℃。受耐溫性限制，俄羅斯TRO-240減速器渦輪鉆具入井1回次，單回次取心效果略優于國產240渦輪鉆具。

表2 松科2井三開渦輪鉆取心技術指標

在松科2井四開井段自井深4 886.28 m后連續7個回次至井深5 028.12 m，螺桿鉆具取心純鉆進時效由之前回次的1.17 m/h下降至0.50～0.60 m/h。分別從取心鉆頭結構和金剛石參數進行多次調整，效率均未有提升；在井深5 130.00 m采用螺桿+液動錘的井底驅動，效果不明顯。因此，分別在井深5 028.12 m及5 175.96～5 905.43 m井段使用了勘探技術研究所自主研制的小排量高速全金屬KWL178型渦輪鉆具及中國石油大學(北京)研制的WL195型帶減速葉輪渦輪鉆具共進行15回次渦輪鉆具取心試驗，所用取心鉆具為11.5 m和21.85 m單動雙管鉆具。統計分析松科2井相同層位采用螺桿鉆具、螺桿鉆具+液動錘、渦輪鉆具及純轉盤驅動?194 mm取心鉆具的取心效果對比如表3所示。

表3 松科2井四開渦輪取心技術指標對比

結果顯示，在地層巖性基本相同、鉆井液性能不變的基礎上，松科2井四開中渦輪鉆具取心鉆進機械鉆速最高可達1.33 m/h，是同地層螺桿鉆具取心鉆進機械鉆速的2倍、純轉盤取心鉆進機械鉆速的2.5倍以上。同時，渦輪鉆具取心鉆進也表現出容易磨損巖心造成收獲率偏低現象，圖2是渦輪鉆具所取巖心與螺桿鉆具所取巖心對比情況。

2.3 渦輪鉆具取心存在的問題

(1)在石油鉆井中用于全面鉆進的渦輪鉆具在大陸科探井中驅動取心鉆具進行“同徑取心”鉆進時泵壓較高，不利于通過增大排量來增大渦輪鉆具輸出扭矩、功率。

(2)帶減速器的渦輪鉆具因含橡膠件不適應松科2井高溫地層，但具有降低轉速增大扭矩的特性，而國產常規渦輪鉆具耐高溫，但轉速過高容易磨損巖心、加快擴孔器、鉆頭的磨損。

圖2 渦輪鉆具與螺桿鉆具所取巖心

(3)松科2井所用取心鉆具的單動機構主要零部件包括上接頭、軸承腔、推力球軸承、心軸，如圖3所示；在鉆井液開式潤滑條件下，推力球軸承無法適應渦輪鉆具的高轉速，單動性能失效造成取心鉆具的巖心管內壁結垢，直接產生堵心效應。

圖3 單動機構

三、渦輪取心鉆進工藝改進方法

松科2井采用“大口徑同徑取心”能有效節約鉆時及經濟成本[7]，但要求鉆井排量比同井況全面鉆進所需排量小，在2 860～4 542.24 m井段?311 mm井眼中使用?298 mm取心鉆具，控制排量Q≤40 L/s；在4 542.24～5 922.58 m段?216 mm井眼中使用?194 mm取心鉆具，控制排量Q≤25 L/s。為避免出現?240 mm渦輪鉆具取心過程中出現的“大排量、高泵壓”現象，KWL178渦輪鉆具設計額定工作流量為20 L/s，正常取心鉆進使用流量范圍為18～21 L/s，單節渦輪節可產生扭矩850～2 315 N·m。同時，為增強長筒取心鉆具與渦輪鉆具同軸旋轉穩定性，在松科2井四開中為渦輪鉆具配備了螺旋穩定器，有效改善了巖心的偏磨現象。

針對取心鉆具的單動機構所產生轉速與渦輪鉆具的輸出轉速不匹配的問題，在實際應用中研制了帶圓弧滾道軸承的單動機構，該機構所用推力軸承與渦輪鉆具支承節配套使用的圓弧滾道軸承結構相同、作用原理一致，具有高轉速、耐沖擊的特性[8-9]。

四、結論

(1)松科2井是國內首次應用渦輪鉆具在大口徑、高溫高壓深井中進行長段取心的大陸科探井，實施了進口帶齒輪減速器渦輪鉆具、國產常規復式渦輪鉆具、帶減速葉輪渦輪鉆具等多規格渦輪鉆具取心鉆進試驗，對比螺桿鉆具及轉盤驅動取心鉆進，有效提高機械鉆速、節約鉆時及經濟成本。

(2)自主研制的小排量、全金屬零部件的KWL178型渦輪鉆具在井溫超180℃條件下保持正常工作，且采用帶加長螺旋穩定器的支承節減輕了巖心周向磨損；同時，配套改進的耐高速單動雙管取心鉆具與渦輪鉆具高轉速相適應，進一步改善渦輪鉆具所取巖心質量。