渦輪旋轉(zhuǎn)引鞋的研制與應(yīng)用*

侯乃賀

(中國石化石油工程技術(shù)研究院；頁巖氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

0 引 言

油氣勘探開發(fā)正在向深層和非常規(guī)邁進(jìn)，大位移井、水平井?dāng)?shù)量越來越多，由于受井眼不規(guī)則，井身軌跡復(fù)雜、砂橋和鹽膏層縮徑等多種因素影響，完井管柱如何在水平井固井、完井時(shí)順利下入到預(yù)定位置成為鉆完井過程中的一大難題[1-2]。目前，針對(duì)完井管柱的下放困難問題，國內(nèi)已經(jīng)研發(fā)出了一些工具，例如頂驅(qū)下套管裝置、可循環(huán)式井口加壓裝置以及旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器等[3-8]。其中，頂驅(qū)下套管裝置主要特點(diǎn)是直接利用頂驅(qū)的轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)套管的上卸扣并可隨時(shí)循環(huán)鉆井液[4]；可循環(huán)式井口加壓裝置主要特點(diǎn)是增加管柱的下放壓力并可隨時(shí)循環(huán)鉆井液[9]；旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器通過井口頂驅(qū)或轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)鉆柱旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)完井套管串旋轉(zhuǎn)，可減小軸向摩擦阻力，調(diào)整引鞋方向，從而實(shí)現(xiàn)管串下入[10]。目前，頂驅(qū)下套管裝置已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，能夠大幅提高下套管作業(yè)效率[11]；可循環(huán)式井口加壓裝置處于原理樣機(jī)階段；旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器在國內(nèi)各油田已有應(yīng)用并解決了一部分井的下入難題。

上述裝置及工具各有特點(diǎn)，在解決管柱下放困難問題方面發(fā)揮了一定的作用，可處理簡易井眼砂橋引起的管柱下放問題，但此類工具都屬于壓迫式驅(qū)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)使套管下入的水平長度有限，難以到達(dá)預(yù)定深度；同時(shí)，此類工具直接將驅(qū)動(dòng)力作用于完井管柱，下套管過程中套管跟隨工具一起旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，對(duì)完井管柱的抗拉、抗壓和抗扭等性能提出了更高的要求。因此，此類工具不僅消耗過大的功率，且容易損壞套管引發(fā)事故。鑒于此，筆者提出旋轉(zhuǎn)引鞋工具，其直接連接在完井管串的最下端，對(duì)管柱和鉆井動(dòng)力無額外的要求，如中石油鉆井院研制的旋轉(zhuǎn)引鞋管柱下放工具在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了應(yīng)用[12-14]。但這些引鞋工具仍然只能通過管柱的上提下放而被動(dòng)旋轉(zhuǎn)，能夠起到的作用有限。

為此，中國石化石油工程技術(shù)研究院在調(diào)研渦輪鉆具的基礎(chǔ)上[15]，開展了水力驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)引鞋的研制和攻關(guān)工作[16]。相比于其他下套管輔助工具，該旋轉(zhuǎn)引鞋工具在下入過程中基本不需要其他工具配合，對(duì)完井管柱本身的性能也沒有特殊的要求，故可降低功率消耗，減少套管下入事故發(fā)生的可能性。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)

水力驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)引鞋結(jié)構(gòu)方案如圖1所示，主要包括動(dòng)力單元和擴(kuò)眼引鞋單元2部分。其中動(dòng)力單元采用渦輪結(jié)構(gòu)，包括：上接頭、軸上接頭、外殼、渦輪定子、渦輪轉(zhuǎn)子、傳動(dòng)軸、徑向軸承、擋流環(huán)、引流環(huán)、止推軸承、扶正器及下接頭等部分；擴(kuò)眼引鞋單元主要包括引鞋外殼和引鞋帽2部分。

1—上接頭；2—軸上接頭；3—外殼；4—渦輪轉(zhuǎn)子；5—渦輪定子；6—傳動(dòng)軸；7—徑向軸承；8—擋流環(huán)； 9—引流環(huán)； 10—止推軸承；11—扶正器；12—下接頭；13—軸短節(jié)；14—引鞋單元。圖1 水力驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)引鞋結(jié)構(gòu)方案圖Fig.1 Schematic structure of hydraulic driven turbine rotary guide shoe

1.2 工作原理

渦輪旋轉(zhuǎn)引鞋可以配合全井套管固井、尾管固井和其他裸眼管柱完井工藝使用。以尾管管串工藝為例，其管串結(jié)構(gòu)為：旋轉(zhuǎn)引鞋+套管+浮箍+套管+浮箍+套管+球座+套管組合+尾管懸掛器總成+送入鉆具。下入過程中如中途遇阻時(shí)，開泵循環(huán)鉆井液，鉆井液流過渦輪定子，推動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，鉆井液通過下級(jí)渦輪定子和轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)軸鎖緊，旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)擴(kuò)眼引鞋旋轉(zhuǎn)；引鞋外殼表面敷焊有螺旋形的硬質(zhì)合金帶，下端有循環(huán)孔，高速旋轉(zhuǎn)過程中對(duì)井壁進(jìn)行修整并對(duì)遇阻點(diǎn)循環(huán)沖洗，協(xié)助管串通過遇阻位置。通過遇阻點(diǎn)后停泵，旋轉(zhuǎn)引鞋停止轉(zhuǎn)動(dòng)，繼續(xù)下放管柱。如再次遇阻，則重復(fù)以上方式啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)引鞋。管串下入到位后，按照常規(guī)尾管固井規(guī)程進(jìn)行循環(huán)、坐掛、固井和丟手作業(yè)即可。如需進(jìn)行下一開次鉆進(jìn)，則可通過鉆頭對(duì)引鞋內(nèi)部附件進(jìn)行鉆除。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

工具規(guī)格：?177.8 mm(配合套管?177.8 mm)；

適用井眼：?215.9 mm；

內(nèi)套鉆除后內(nèi)徑：157 mm；

工作轉(zhuǎn)速：800～1 000 r/min；

允許排量：0.5～2.0 m3/min；

設(shè)計(jì)最大扭矩：800 N·m(可根據(jù)需要進(jìn)行渦輪副增減，設(shè)計(jì)2.5 m長工具在1.8 m3/min排量下)；

額定壽命：長于50 h。

1.4 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.4.1 渦輪定、轉(zhuǎn)子

渦輪定、轉(zhuǎn)子是渦輪動(dòng)力單元的核心，通過它們可實(shí)現(xiàn)從流體能向旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的轉(zhuǎn)化。扭矩渦輪引鞋動(dòng)力單元為軸流式渦輪，并要求渦輪定、轉(zhuǎn)子全部可鉆，渦輪定、轉(zhuǎn)子的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。由于它們?nèi)繛殍T鋁或鑄鐵材質(zhì)，提高了整體可鉆性。

圖2 渦輪定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.2 Structural design of turbine stator and rotor

1.4.2 軸承

渦輪旋轉(zhuǎn)引鞋中渦輪軸在渦輪組的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，同時(shí)承受水力載荷。為保證渦輪軸的基本功能，需設(shè)計(jì)扶正軸承和止推軸承。為了保證流體能通過渦輪，使渦輪正常工作，須在扶正軸承上設(shè)計(jì)流道。扶正軸承設(shè)計(jì)方案如圖3所示，扶正軸承用于動(dòng)力單元的徑向支撐扶正，由內(nèi)圈和外圈組成。內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子裝配在一起并鎖緊，外圈與外殼、定子裝配在一起并鎖緊。該軸承能經(jīng)受鉆井液的沖刷，同時(shí)軸承旋轉(zhuǎn)面應(yīng)盡量光滑以減輕摩擦動(dòng)能損耗。

圖3 扶正軸承結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of alignment bearing

渦輪旋轉(zhuǎn)引鞋所用的止推軸承主要承擔(dān)軸向負(fù)荷，徑向負(fù)荷主要由徑向扶正軸承承擔(dān)，止推軸承是整個(gè)工具的重要組成部分，也是最薄弱的環(huán)節(jié)。同時(shí)，為了保證流體能正常通過軸承進(jìn)入下部引鞋單元，且能對(duì)軸承進(jìn)行一定的潤滑，也須在止推軸承上設(shè)計(jì)流道，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 止推軸承結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of thrust bearing

1.4.3 擴(kuò)眼引鞋

擴(kuò)眼引鞋主要由引鞋頭、引鞋外殼以及敷焊其上的硬質(zhì)合金帶組成，如圖5所示。其中引鞋頭采用易鉆的鋁合金材質(zhì)，主要起引導(dǎo)的作用。引鞋外殼上面敷焊有螺旋形硬質(zhì)合金帶，該合金帶可用于對(duì)井壁進(jìn)行修整。

圖5 擴(kuò)眼引鞋結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of reamer guide shoe

2 渦輪水力性能分析

通過建立渦輪定、轉(zhuǎn)子的三維模型，可對(duì)定、轉(zhuǎn)子的水力性能進(jìn)行分析。首先建立渦輪定、轉(zhuǎn)子的三維模型，并導(dǎo)入Workbench軟件建立渦輪定、轉(zhuǎn)子中液流流過的流道模型，然后在Fluent中對(duì)渦輪定、轉(zhuǎn)子的水力性能進(jìn)行分析?？紤]到每副渦輪定、轉(zhuǎn)子各葉片間的流動(dòng)對(duì)應(yīng)相似，所以只將單級(jí)渦輪定、轉(zhuǎn)子的葉片流道表示出來，以便在流場(chǎng)計(jì)算中使結(jié)果能夠快速收斂，從而得到穩(wěn)定的解。

在水力分析計(jì)算中，根據(jù)渦輪的工作情況，定子的入口條件設(shè)置為速度入口(velocity-inlet)，其值的大小由渦輪工作時(shí)流量的大小和定子入口流道截面面積計(jì)算求得。由于轉(zhuǎn)速n=1 000 r/min，流量Q=1.8 m3/min，流道內(nèi)徑D1=115 mm，外徑D2=135 mm，所以可得，定子入口速度為軸向平均流速，即為4.15 m/s。定子的出口與轉(zhuǎn)子的入口為接觸面，因而定子出口速度和轉(zhuǎn)子入口的參數(shù)設(shè)置相同，且需要耦合。轉(zhuǎn)子出口速度為流出outflow邊界條件。然后進(jìn)行流場(chǎng)仿真分析，計(jì)算得到收斂解。

單副渦輪流道內(nèi)的速度分布如圖6所示。從圖6可以看出：通過渦輪葉片的流體進(jìn)入定子之后分為2部分，一部分沖擊定子吸力面，另一部分對(duì)壓力面造成沖擊；進(jìn)入渦輪定子葉片后的速度變化不大，只在定子后緣兩邊速度開始變大，在后緣的末尾處速度近似為0。流體流過定子后進(jìn)入轉(zhuǎn)子，同樣分成2部分：一方面，通過壓力面的流體速度逐漸變大，并在后緣處達(dá)到最大，進(jìn)入下一組定、轉(zhuǎn)子葉片；另一方面，通過定子和轉(zhuǎn)子吸力面的流體速度低于壓力面。

圖6 單副渦輪流道內(nèi)的速度分布圖Fig.6 Velocity distribution in the flow channel of single turbine

單副渦輪流道內(nèi)的壓力分布如圖7所示。從圖7可以看出，葉片的壓力流場(chǎng)由上至下壓力數(shù)值依次降低，壓力場(chǎng)均在定、轉(zhuǎn)子的壓力面和吸力面呈一定的梯度分布。從壓力場(chǎng)的分布中可知，轉(zhuǎn)子壓力面壓力明顯大于吸力面，可以看出輸出扭矩較合適。從葉片模擬的整體情況看，沒有出現(xiàn)脫流現(xiàn)象，說明葉型設(shè)計(jì)較為合理。

圖7 單副渦輪流道內(nèi)的壓力分布Fig.7 Pressure distribution in the flow channel of single turbine

3 工具性能試驗(yàn)

3.1 排量、扭矩和轉(zhuǎn)速測(cè)試

通過渦輪鉆具試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)旋轉(zhuǎn)引鞋進(jìn)行轉(zhuǎn)速、扭矩等性能測(cè)試。工具測(cè)試時(shí)，循環(huán)所用流體為清水，其參數(shù)為：密度1 000 kg/m3，最大流量2 m3/min。輸入?yún)?shù)有流量、壓力降和輸入功率，輸出參數(shù)有力矩、轉(zhuǎn)速和輸出功率，其中流量、壓力降、力矩及轉(zhuǎn)速為原始測(cè)量參數(shù)。渦輪引鞋工具室內(nèi)試驗(yàn)及其臺(tái)架如圖8所示。離心泵將清水經(jīng)進(jìn)口提升到工具中，使渦輪軸旋轉(zhuǎn)，渦輪軸通過聯(lián)軸器與扭矩轉(zhuǎn)速傳感器連接，再經(jīng)聯(lián)軸器與制動(dòng)器連接，通過制動(dòng)器制動(dòng)控制渦輪軸的轉(zhuǎn)速。通過2個(gè)壓力表的讀數(shù)可以得到清水經(jīng)過工具前后的壓力差，扭矩轉(zhuǎn)速傳感器可以測(cè)得扭矩及轉(zhuǎn)速。測(cè)試過程中，最大流量1.87 m3/min，入口壓力8.370 MPa，出口壓力0.098 MPa，樣機(jī)最大扭矩1 100.6 N·m，最大轉(zhuǎn)速2 658.7 r/min，均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖8 工具整體試驗(yàn)方案及臺(tái)架Fig.8 Overall test plan & device

3.2 壽命測(cè)試

采用試驗(yàn)臺(tái)架裝置進(jìn)行工具壽命試驗(yàn)，單獨(dú)連接低壓離心泵，試驗(yàn)期間不采用制動(dòng)和扭矩測(cè)量單元，循環(huán)所用流體仍然為清水，循環(huán)排量保持在0.7～1.0 m3/min。試驗(yàn)裝置每天運(yùn)行8 h，累計(jì)運(yùn)行50 h，工具仍能正常旋轉(zhuǎn)。對(duì)工具進(jìn)行拆卸，滾動(dòng)軸承有輕微磨損，其余部件完好。

4 現(xiàn)場(chǎng)入井試驗(yàn)

渦輪旋轉(zhuǎn)引鞋在中石化西北油氣田完成現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用4井次。其中在TH12262CH井中，尾管管柱到位前遇阻，通過循環(huán)鉆井液啟動(dòng)引鞋，順利通過遇阻點(diǎn)，下入到預(yù)定位置。

4.1 TH12262CH井試驗(yàn)過程

TH12262CH井是塔河區(qū)塊一口生產(chǎn)井，經(jīng)過多次試油措施和生產(chǎn)后，進(jìn)行二開次側(cè)鉆。采用尾管懸掛器+套管+渦輪旋轉(zhuǎn)引鞋進(jìn)行完井管串下入并固井，考慮到工具下入的通過性，該井采用1.2 m旋轉(zhuǎn)引鞋工具。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程如下：

圖9 TH12262CH井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用Fig.9 Field application in Well TH12262CH

(1)通過鉆具將管串下放至6 432.80 m時(shí)管串遇阻，此時(shí)指重表懸重1 624 kN，減輕懸重至1 458 kN，并活動(dòng)管串，無法通過遇阻點(diǎn)。

(2)上提管柱5 m，開泵進(jìn)行循環(huán)鉆井液，排量0.5 m3/min，泵壓4.2 MPa，并上下活動(dòng)管柱。

(3)逐步下放套管，60 min后管柱通過遇阻點(diǎn)，順利下入到6 450 m預(yù)定位置，并完成固井作業(yè)。

4.2 使用效果評(píng)價(jià)

(1)該井管串下放至6 432.80 m時(shí)遇阻，最大遇阻噸位166 kN，反復(fù)活動(dòng)管柱無法通過，而后開泵啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)引鞋20 min后順利通過遇阻點(diǎn)，驗(yàn)證了渦輪旋轉(zhuǎn)引鞋可以有效協(xié)助管串下入。

(2)根據(jù)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證可知，在0.5 m3/min排量下渦輪旋轉(zhuǎn)引鞋能正常啟動(dòng)并提供一定扭矩，可對(duì)井壁進(jìn)行修整，并對(duì)井筒內(nèi)堆積的沉砂進(jìn)行沖洗，從而使管串順利通過遇阻點(diǎn)，下入到位。

(3)下一開次鉆進(jìn)時(shí)，附件順利鉆除，鉆頭在該處反復(fù)通過，無遇阻顯示，驗(yàn)證了工具內(nèi)部單元良好的可鉆性能。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)渦輪旋轉(zhuǎn)引鞋可通過液流循環(huán)實(shí)現(xiàn)引鞋頭旋轉(zhuǎn)，從而進(jìn)行井壁的修整和井筒的沖洗，協(xié)助完井管柱順利下入到預(yù)定位置。

(2)地面性能試驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的渦輪旋轉(zhuǎn)引鞋工具能夠?qū)崿F(xiàn)較高效率的旋轉(zhuǎn)，并得到其扭矩、轉(zhuǎn)速和效率曲線；工具完成50 h的壽命試驗(yàn)，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求。

(3)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，渦輪旋轉(zhuǎn)引鞋工具可以有效實(shí)現(xiàn)完井管柱的下入作業(yè)，建議進(jìn)一步配合全井下管柱或配套可大排量循環(huán)尾管懸掛器，以實(shí)現(xiàn)更大排量的循環(huán)，提高工具旋轉(zhuǎn)的扭矩，更好地進(jìn)行井壁修整和井筒沖洗。