渦輪鉆具在俄羅斯的應(yīng)用及發(fā)展方向研究

摘要：渦輪鉆井在俄羅斯一直是有效和經(jīng)濟適用的鉆井方法。文章分析了俄羅斯渦輪鉆井的應(yīng)用現(xiàn)狀。渦輪鉆具存在著諸多不足，不是所有區(qū)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(jié)構(gòu)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(fā)展方向，對研發(fā)我國的渦輪鉆具具有重要的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：渦輪鉆井；缺點；鉆頭；發(fā)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子，渦輪轉(zhuǎn)子使鉆井液的水力能量轉(zhuǎn)變?yōu)闇u輪鉆具輸出軸驅(qū)動井底鉆頭的轉(zhuǎn)動機械能。渦輪鉆具轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(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(shù)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(jié)構(gòu)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(shù)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(yīng)用現(xiàn)狀分析

渦輪鉆井在俄羅斯一直是一種經(jīng)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(jù)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(qū)域不存在嚴重競爭，在這種情況下，渦輪鉆井方法的優(yōu)勢是顯而易見的，如：鉆桿不旋轉(zhuǎn)，輕質(zhì)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(zhuǎn)速，但同時也導(dǎo)致井壁侵蝕坍塌。技術(shù)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(yè)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(zhì)量和技術(shù)經(jīng)濟指標。同時不難發(fā)現(xiàn)，該種渦輪鉆具在自身動力允許范圍內(nèi)工作，其運轉(zhuǎn)指標低。支撐節(jié)部分的無故障工作時間約90 h，渦輪節(jié)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(tài)所需參數(shù)，另外，帶有金剛石－硬質(zhì)合金片的無軸承鉆頭的出現(xiàn)也不會使渦輪鉆井范圍有所擴大，因為這些鉆頭工作轉(zhuǎn)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(guī)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(lǐng)域有著十分廣闊的發(fā)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(chǎn)渦輪鉆具完全不適合鉆水平鉆井。

另外，如果遙控系統(tǒng)及可靠、高精度的測斜儀與渦輪鉆具配合作業(yè)就不能完成優(yōu)質(zhì)進尺，尤其是在井眼的增斜段和穩(wěn)定段。需要補充的是，批量生產(chǎn)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(dǎo)致公差范圍不可糾正，造成井身傾斜，固井質(zhì)量低，由于頻繁起下鉆作業(yè)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(fā)展，而渦輪鉆具也成了小轉(zhuǎn)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(shù)工具更新?lián)Q代或現(xiàn)代化改裝，那么其應(yīng)用領(lǐng)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(fā)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(shù)工藝方面存在諸多不足，主要表現(xiàn)在以下方面：渦輪鉆具在轉(zhuǎn)速為60～300 r/min（1～5r/s）的條件下不能穩(wěn)定工作，而帶有注油密封軸承先進牙輪鉆頭工作轉(zhuǎn)速的在此區(qū)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(zhuǎn)速接近超速（空轉(zhuǎn)）時。不可能克服鉆井液的吸附作用，因為鉆井液流經(jīng)渦輪鉆具不允許壓裂填料。鉆頭卡住無法用轉(zhuǎn)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(xù)空轉(zhuǎn)，而鉆頭已經(jīng)磨損報廢。鉆頭報廢狀態(tài)檢查復(fù)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(chǔ)，還有由于鉆頭壽命降低導(dǎo)致起下鉆次數(shù)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(yīng)用渦輪鉆井的區(qū)域內(nèi)也采用常規(guī)的鉆井方式-轉(zhuǎn)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(zhuǎn)這一態(tài)勢，研制新型渦輪鉆具的任務(wù)已迫在眉睫，另外還需對目前正在使用的渦輪鉆具進行現(xiàn)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(fā)展方向分析

3.1開發(fā)新型結(jié)構(gòu)的渦輪鉆具

必須開發(fā)新型結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)不應(yīng)該只是為了追求結(jié)構(gòu)新穎，主要應(yīng)該從優(yōu)化其動力特性的結(jié)構(gòu)和參數(shù)方面著手。在研制過程中不僅要對具體的地質(zhì)條件以及由于進行新技術(shù)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(yè)綜合研究。在此條件下應(yīng)確定渦輪鉆具的用途，它的運轉(zhuǎn)特性以及論證期望達到的技術(shù)經(jīng)濟效果，這是確定新型渦輪結(jié)構(gòu)時必須要考慮的。為了保證合理的鉆井狀態(tài)，井下馬達的動力特性參數(shù)的合理調(diào)整性是其要求之一。有效的調(diào)整可以強化井下動力鉆具的基本參數(shù)－扭矩、轉(zhuǎn)速、需要的流量值、鉆井液密度、鉆頭以及鉆井設(shè)備特性。目前的井下渦輪鉆具的動力特性必須可以直接調(diào)整，可調(diào)整特性的渦輪鉆具的研制是十分復(fù)雜的技術(shù)任務(wù)，采納的模型結(jié)構(gòu)圖可能是需要解決的任務(wù)之一，此圖包括馬達的主要部分－轉(zhuǎn)矩高轉(zhuǎn)矩渦輪，甚至是在階段性實施過程中完成可調(diào)整的模型附件。該模型可在盡可能大的范圍內(nèi)完成渦輪鉆具特性參數(shù)的改變。我們深信，在不久的將來，經(jīng)過科研工作者的不懈努力，可調(diào)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(xiàn)代化改裝

在對渦輪鉆具進行現(xiàn)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(zhuǎn)矩渦輪，調(diào)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(shù)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(zhuǎn)速下穩(wěn)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(jù)計算，鉆井的最佳轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速范圍內(nèi)鉆速最大。但是，無論是轉(zhuǎn)盤鉆井，還是渦輪鉆井，目前它們的轉(zhuǎn)均都無法穩(wěn)定調(diào)節(jié)。因此，適用于該轉(zhuǎn)速的成套生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)可靠的井下動力鉆具的研制和開發(fā)是渦輪鉆具設(shè)計者迫切和優(yōu)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(shè)計者的興趣。

4結(jié)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(fù)雜地質(zhì)條件下的防斜打直所不可缺少的配套設(shè)備，也是提高石油鉆井作業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟效益的最有效途徑。我們應(yīng)該多了解俄羅斯的渦輪鉆具行業(yè)的發(fā)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(shù)快速發(fā)展。

參考文獻：

[1] 楊世奇.渦輪鉆井技術(shù)的新進展[J].石油大學(xué)學(xué)報，2002，26

(3).

[2] 陳天成.渦輪鉆井技術(shù)適應(yīng)性分析與應(yīng)用探析[J].鉆采工

藝，2010，(6).

[3] 馮定.渦輪鉆具復(fù)合鉆進技[J].石油鉆采工藝，2007，(3).