渦輪鉆具及PDC鉆頭聯(lián)合工作性能試驗(yàn)分析

張 強(qiáng)，李燕青，易發(fā)全 (長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 湖北 荊州 434023)

渦輪鉆具及PDC鉆頭聯(lián)合工作性能試驗(yàn)分析

張 強(qiáng)，李燕青，易發(fā)全 (長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 湖北 荊州 434023)

渦輪鉆具是一種有效的鉆井工具。但是，僅有性能良好的渦輪鉆具而沒有與之配套的鉆井工藝技術(shù)，會導(dǎo)致渦輪鉆具的應(yīng)用受到限制，使渦輪鉆具的優(yōu)越性得不到充分發(fā)揮。在試驗(yàn)和理論分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了渦輪鉆具及PDC鉆頭聯(lián)合工作性能研究，建立了鉆壓與渦輪轉(zhuǎn)速關(guān)系，回歸出試驗(yàn)鉆頭、試驗(yàn)巖石在不同泥漿密度和粘度下鉆壓與渦輪轉(zhuǎn)速關(guān)系的計(jì)算式，對指導(dǎo)渦輪鉆具的應(yīng)用，加快勘探速度，降低勘探成本具有十分重要的意義。

渦輪鉆具；PDC鉆頭；鉆速；鉆壓

渦輪鉆具的鉆進(jìn)行為與鉆頭-巖石相互作用規(guī)律密切相關(guān)。PDC鉆頭在不同種類巖石上鉆進(jìn)時(shí)所表現(xiàn)出的鉆壓-扭矩-機(jī)械鉆速之間的相互關(guān)系，對于優(yōu)選渦輪鉆井參數(shù)有重要的意義。為此，筆者在鉆頭實(shí)驗(yàn)架上，利用8in和12in PDC鉆頭分別對2種典型巖樣——嘉陵江石灰?guī)r(硬地層)和須家河砂巖(中硬地層)進(jìn)行鉆進(jìn)，通過2種規(guī)格的鉆頭在2種典型巖石上的鉆進(jìn)規(guī)律進(jìn)行對比試驗(yàn)，以了解渦輪鉆具及PDC鉆頭聯(lián)合工作性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置為30t鉆頭實(shí)驗(yàn)架,其相關(guān)參數(shù)為：鉆壓范圍2～30t；轉(zhuǎn)速范圍0～200r/min；無級調(diào)速；鉆頭鉆進(jìn)的最大行程1200mm。實(shí)驗(yàn)架在垂直鉆進(jìn)的工況下所測量的參數(shù)有鉆頭鉆壓、扭矩、機(jī)械鉆速、鉆頭轉(zhuǎn)速等。

1.2鉆進(jìn)試驗(yàn)參數(shù)

鉆進(jìn)試驗(yàn)參數(shù)具體內(nèi)容如下：①鉆頭轉(zhuǎn)速。定轉(zhuǎn)速試驗(yàn)時(shí)為60r/min；變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)時(shí)分別取60、120、180r/min。②鉆壓分別為2、3、4、5、6、7和8t，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行加密補(bǔ)充。

1.3試驗(yàn)原理

鉆進(jìn)試驗(yàn)時(shí)，位移傳感器與鉆桿一起在垂直方向聯(lián)動，測量鉆頭的鉆進(jìn)深度。測量接頭是一只自制的壓力和扭矩傳感器。鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)巖石，測量接頭輸出電壓信號，傳輸?shù)綉?yīng)變儀和計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)對所有的信號高速采集，并計(jì)算出與信號對應(yīng)的鉆壓、扭矩、進(jìn)尺和時(shí)間，由進(jìn)尺與鉆進(jìn)時(shí)間計(jì)算得到機(jī)械鉆速。

2 結(jié)果與分析

2.1渦輪鉆具工作轉(zhuǎn)速與鉆壓的關(guān)系

渦輪鉆具將鉆井液的能量轉(zhuǎn)化為鉆具主軸旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，驅(qū)動井底鉆頭破碎巖石，其工作行為涉及2方面的內(nèi)容：①鉆頭及巖石相互作用規(guī)律，主要涉及到鉆頭和巖石的種類、鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩、機(jī)械鉆速等因素的關(guān)系；②渦輪鉆具自身的機(jī)械性能，主要涉及渦輪鉆具的輸出扭矩、轉(zhuǎn)速、壓力降、介質(zhì)流量等參數(shù)以及不同工作介質(zhì)(即不同性能的鉆井液)對上述參數(shù)的影響規(guī)律。

在渦輪鉆具實(shí)際鉆進(jìn)作業(yè)中，鉆井液通過渦輪的定、轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，使渦輪主軸獲得旋轉(zhuǎn)動力；在鉆壓的作用下，鉆頭破碎井底巖石，與此同時(shí)井底巖石對鉆頭產(chǎn)生大小相同、方向相反的阻力矩。鉆頭上的阻力矩應(yīng)始終與渦輪鉆具的輸出扭矩相平衡，該平衡點(diǎn)就是渦輪鉆具和PDC鉆頭聯(lián)合工作的實(shí)際工況點(diǎn)。

PDC鉆頭上的阻力矩與鉆頭規(guī)格、巖石的種類和鉆壓密切相關(guān)，針對2種規(guī)格的PDC鉆頭及2種典型巖石(石灰?guī)r，砂巖)，通過試驗(yàn)得出鉆頭扭矩(即阻力矩)與鉆壓之間的定量關(guān)系如下[1]。

T= -101.11×W3+823.67×W2-836.88×W+ 341.81

(1)

T= 55.247×W3-335.54×W2+ 816.97×W-121.09

(2)

T= 1.4394×W5-36.371×W4+ 307.54×W3-920.72×W2+1361.8×W-335.1

(3)

T= 0.188×W5-3.8698×W4+32.715×W3-140.9×W2+635.18×W-59.758

(4)

式中，T為鉆頭扭矩，N·m；W為鉆壓，t。

2種規(guī)格的渦輪鉆具在清水介質(zhì)下的扭矩-轉(zhuǎn)速關(guān)系可表示為：

1)?165渦輪鉆具：

(5)

2)?240渦輪鉆具：

(6)

式中，T為渦輪鉆具輸出扭矩，N·m，K為渦輪節(jié)數(shù)；Q為介質(zhì)(清水)流量，L/s；n0為渦輪空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，r/min；n為渦輪轉(zhuǎn)速，r/min。

(7)

(8)

(9)

(10)

由式(7)～(10)，可求出一系列的計(jì)算值，作出渦輪鉆具配PDC鉆頭鉆進(jìn)時(shí)的轉(zhuǎn)速-鉆壓曲線，分別如圖1和圖2所示。分析圖1和圖2可知，鉆壓對渦輪鉆具轉(zhuǎn)速有顯著影響，總趨勢是隨鉆壓增加，渦輪鉆具轉(zhuǎn)速下降，直至完全制動為止；不同巖性對渦輪轉(zhuǎn)速-鉆壓關(guān)系影響各不相同。在砂巖中鉆進(jìn)處于高鉆壓時(shí)，渦輪轉(zhuǎn)速下降較平緩；在石灰?guī)r中鉆進(jìn)處于高鉆壓時(shí)，渦輪轉(zhuǎn)速下降較快，故容易被制動。

(流量Q=35L/s, 清水，渦輪節(jié)數(shù)K=2)

(流量Q=35L/s, 清水，渦輪節(jié)數(shù)K=2)

2.2不同工作介質(zhì)對渦輪鉆具工作轉(zhuǎn)速與鉆壓關(guān)系的影響

由建立的預(yù)測渦輪鉆具在不同工作介質(zhì)下的性能計(jì)算方法，可計(jì)算出以泥漿為工作介質(zhì)時(shí)渦輪鉆具的性能參數(shù)。

?165渦輪鉆具(節(jié)數(shù)K=1)，泥漿介質(zhì)比重為1.15，粘度為22mPa·s，流量為20L/s，其回歸的扭矩-轉(zhuǎn)速計(jì)算式為：

(11)

?240渦輪鉆具(節(jié)數(shù)K=1)，泥漿介質(zhì)比重為1.15，粘度為 22mPa·s，流量為20L/s，其回歸的扭矩-轉(zhuǎn)速計(jì)算式為：

(12)

按上述方法，可得出以泥漿為介質(zhì)時(shí)渦輪鉆具配PDC鉆頭的轉(zhuǎn)速-鉆壓計(jì)算式：

(13)

(14)

(15)

(16)

根據(jù)上述計(jì)算式，可分別作出2種規(guī)格渦輪鉆具以2種泥漿為介質(zhì)在2種不同巖石上鉆進(jìn)時(shí)的鉆壓-渦輪轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線，分別如圖3、4、5、6所示。由不同工作介質(zhì)對渦輪鉆具性能影響的試驗(yàn)分析可知，隨介質(zhì)密度增加，粘度增大，轉(zhuǎn)速-鉆壓關(guān)系曲線下降，并向大鉆壓方向延伸，說明渦輪的轉(zhuǎn)速降低，輸出扭矩增大，渦輪不容易被制動。

(流量Q=25L/s)

(流量Q=25L/s)

(流量Q=25L/s)

(流量Q=25L/s)

3 結(jié) 論

1)鉆壓對渦輪鉆具轉(zhuǎn)速有顯著影響，總趨勢是隨鉆壓增加，渦輪鉆具轉(zhuǎn)速下降，直至完全制動為止。

2)不同巖性對渦輪轉(zhuǎn)速-鉆壓關(guān)系影響各不相同。在砂巖中鉆進(jìn)處于高鉆壓時(shí)，渦輪轉(zhuǎn)速下降較平緩；在石灰?guī)r中鉆進(jìn)處于高鉆壓時(shí)，渦輪轉(zhuǎn)速下降較快，故容易被制動。

3)工作介質(zhì)對渦輪轉(zhuǎn)速-鉆壓關(guān)系的影響也較明顯，隨介質(zhì)密度增加，粘度增大，轉(zhuǎn)速-鉆壓關(guān)系曲線下降，并向大鉆壓方向延伸，說明渦輪的轉(zhuǎn)速降低，輸出扭矩增大，渦輪不容易被制動。

[1]張曉東，易發(fā)全，張強(qiáng)，等.PDC鉆頭與巖石相互作用規(guī)律試驗(yàn)研究[J].江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，25(3)：64-66.

[2]王希勇,張藝瀚,熊繼有.PDC鉆頭與動力鉆具的優(yōu)化匹配和鉆進(jìn)特性研究[J].石油礦場機(jī)械，2005, 34 (1):27-29.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409.2012.01.042

TE921.101

A

1673-1409(2012)01-N130-04