中速渦輪工具在礫石層鉆進應用分析

張明　楊新龍　龔曉軍

摘? 要：塔里木油田山前，PDC鉆頭和牙輪鉆頭單趟進尺少、垂鉆工具容易失效;上部地層屬高陡構造，地層傾角大，鉆進容易井斜。博孜301井311.2 mm井眼應用新型中速渦輪工具+孕鑲鉆頭，同時配套雙鐘擺鉆具組合的鐘擺力進行防斜，利用MWD隨鉆檢測技術對井斜進行隨鉆檢測技術對礫石層鉆進進行提速。試驗表明該配套技術在巨厚礫石層中鉆進，明顯地提高了趟鉆進尺和機械鉆速，為山前大段礫石層的鉆井提供了經(jīng)驗借鑒，并展示了良好的應用前景。

關鍵詞：博孜區(qū)塊;中速渦輪;孕鑲鉆頭;礫石層

中圖分類號：TE24? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 前言

博孜301井是塔里木盆地庫車坳陷克拉蘇構造帶克深區(qū)帶博孜3號構造上的一口評價井，由于本區(qū)塊含礫石層較厚，可鉆性較差，為該井鉆井提速到來困難。2 850 m以上地層使用垂鉆工具加PDC鉆頭或高效牙輪鉆頭都未能解決鉆具蹩跳問題，單只PDC鉆頭純鉆時間較短，鉆頭復合片損壞，垂鉆工具早期損壞，隨鉆測斜工具早期失效，為更換工具頻繁起鉆，單趟進尺平均不足250 m，未能有效提高機械鉆速。博孜301井為了提高單趟進尺和機械鉆速，311.2 mm井眼鉆井中特引進中速渦輪+孕鑲鉆頭提速工具進行提速。

1 中速渦輪介紹

渦輪工具主要部件是渦輪，每一級渦輪由一個定子和一個轉子組成。渦輪由鑄鋼制作，渦輪上具有很多彎曲的葉片，定子和轉子的葉片形狀基本一樣，只是葉片的彎曲方向相反。由于一級渦輪所能輸出的功率太小，因此渦輪工具通常都是由成百級結構完全相同的渦輪串聯(lián)組合而成。為了承受較大的軸向負荷，內(nèi)部裝有止推軸承。此外，在主軸還設置中間軸承，起扶正主軸的作用。渦輪工具鉆進時流量、壓力降、輸入功率是合理使用渦輪鉆具，使其在高效率情況下工作，保證快速鉆進的重要條件。要充分利用泵功率，采用大排量、高泵壓;根據(jù)巖層的軟硬，合理選擇鉆壓;使用孕鑲鉆頭進行提速鉆進;為了克服普通渦輪鉆具存在的缺點，研制出多節(jié)渦輪、大扭矩、帶減速器新型渦輪鉆具。

該新型渦輪工具轉速可控制在800 r/min以內(nèi);鑄鋼定轉子不易磨損，整機壽命達到1 000 h;輸出功率穩(wěn)定，不隨工作時間變化，輸出功率及扭矩比其他同尺寸、同級數(shù)的渦輪鉆具至少大30%;能耐高溫、高壓，適用于高溫高壓井（≤350℃）;其壓降隨載荷增加而降低;轉速高，工作時需要的鉆壓較小，反扭矩小，造鑿出來的經(jīng)驗井壁光滑，有利于隨鉆測量工具平穩(wěn)工作;適宜所有泥漿類型（特別是油基泥漿）;渦輪鉆具殼體上不帶任何扶正器。

使用新型渦輪鉆具前鉆井隊必須能配備能承受35 MPa高壓的泥漿泵和地面高壓循環(huán)系統(tǒng);泥漿應具備良好的的性能，減少井壁掉塊，維護井壁穩(wěn)定性;適合在砂巖、礫巖井段中提速鉆進，不適合泥巖地層。

2 運用實例

博孜301井311.2 mm井眼選用新型267T1-TCF.M1中速渦輪工具+孕鑲鉆頭，該267T1-TCF.M1渦輪工具外徑267 mm，啟動排量20 L/S，在其工作排量40.00 L/S～50.00 L/S的條件下轉數(shù)達到630 r/min～700 r/min，可產(chǎn)生8.57 MPa～12.35 MPa的工作壓降;當扭矩達到7 731 N·m～11 135 N·m時可造成工具的制動;在溫小于250℃井溫下鉆進，該渦輪工具壽命可達600 h;同時選用12 1/4``DD3560M 孕鑲鉆頭、MWD隨鉆測斜工具和鐘擺鉆具組合進行配套技術提速。鉆具組合如下：12 1/4"孕鑲鉆頭+267T1-TCF.M1渦輪鉆具（630×630）+轉換接頭（631×NC61）+9"浮閥（NC61×NC61）+9"定向接頭（NC61×NC61）+9"鉆鋌×1根（MWD測斜儀）+309 mm扶正器+9"鉆鋌1根+308 mm扶正器+鉆鋌。

該井2018年8月4日渦輪工具入井前首先對工具的壓降進行了測試，測試排量10 L/s、15 L/s、20 L/s，對應壓耗為2.5 MPa、4 MPa、7 MPa，壓降屬于正常范圍，渦輪工作正常。

下鉆到底分臺階提高排量磨合渦輪，8月5日2：00達到鉆進排量后開始復合鉆進，鉆壓10 kN～60 kN，轉盤轉數(shù)50 r/min～70 r/min，泵壓30 MPa～31 MPa，排量37 L/s;8月14日00：20鉆至井深3 207.20 m井斜增大，循環(huán)清洗井筒起鉆，14：30渦輪鉆具和鉆頭出井。鉆進期間由于泥漿黏度很快由70 s上升到120 s，不得不循環(huán)調(diào)整泥漿性能。

渦輪鉆井段2 850 m～3 207.20 m，進尺357.20 m，純鉆160.27 h，平均機械鉆2.23 m/h。出井巖屑以雜色小礫巖、砂礫巖為主，鉆進過程中鉆具運行平穩(wěn)沒有出現(xiàn)蹩、跳鉆現(xiàn)象;期間3次短起下鉆及長起鉆都非常順利，無掛卡現(xiàn)象;鉆進中井斜從0.79°（井深2 889 m）緩慢上漲到2.85°（井深3 204.3 m），由于井斜增大決定起鉆。出井鉆頭孕鑲鉆頭磨損均勻，鉆頭保徑部分完好，中完電測顯示該段井眼井徑非常規(guī)則。

3 總結與分析

通過該國產(chǎn)中速渦輪工具+孕鑲鉆頭及配套提速技術在博孜301井上部礫石層中鉆進提速中的應用，分析了該工具在礫石層中鉆進的優(yōu)點和缺點，從而提出改進的方面，以提高礫石層鉆進提速的效果。

（1）中速渦輪工具和孕鑲鉆頭使用壽命長，鉆遇礫石層鉆具運行平穩(wěn)，能夠很好地保護鉆頭和工具，能夠增加鉆頭的純鉆時間。

（2）渦輪工具配合孕鑲鉆頭，鉆出的井眼更規(guī)則平滑。

（3）提高了行程鉆速，減少了起下鉆次數(shù)，提速效果明顯。博孜301井渦輪鉆具+孕鑲鉆頭單趟完成357.00 m進尺，平均機械鉆速2.23 m/h，比該井上趟鉆高效牙輪鉆頭多完成進尺123.08 m;與同區(qū)塊4口井使用高速渦輪+孕鑲鉆頭的22趟鉆的平均機械鉆速1.72 m/h和平均趟鉆進尺194 m對比，機械鉆速提高了29.65%，趟鉆進尺提高了84.1%。

（4）由于渦輪鉆具外觀不帶扶正器，可選擇雙鐘擺鉆具結構進行防斜打直;同時井下動力鉆具配合高效鉆頭技術通過輕壓吊打來實現(xiàn) “防斜打快” 的目標。

（5）267T1-TCF.M1渦輪鉆具最佳工作排量為45 L/s～50 L/s，相應轉速為630 r/min～700 r/min，而現(xiàn)場實際鉆進排量為33 L/s～37 L/s，理論轉速為462 r/min～518 r/min，可見排量影響渦輪轉速，而鉆井現(xiàn)場施工泵壓達到30 MPa的情況下，鉆井排量未能達到渦輪的額定工作排量，從而影響了工具性能的發(fā)揮，所以配備使用高壓循環(huán)設備是使用好渦輪工具的前提條件。

（6）繼續(xù)摸索一套適應渦輪工具鉆進的泥漿維護方法，穩(wěn)定泥漿中固相含量和其他性能的穩(wěn)定，以提高純鉆時率。

（7）加強渦輪鉆具軸承等易損件使用壽命的研究，提高鉆具使用壽命，降低鉆井綜合成本。

參考文獻

[1]譚春飛.深井超深井渦輪鉆具復合鉆井提高鉆速技術研究[D].中國地質(zhì)大學（北京），2012.

[2]譚春飛，蔡鏡侖.利用渦輪鉆具提高深井鉆速的試驗研究[J].石油鉆探技術，2003，31（5）：30-32.

[3]許福東，張曉東，華北莊，等.180渦輪鉆具用同步減速器研制[C]//2004年石油裝備年會暨慶祝江漢機械研究所建所40周年學術研討會論文集[C].2004.

[4]薛鵬.渦輪鉆具定轉子軸向間隙調(diào)整的可視化研究[D].中國石油大學，2009.