涡轮钻井技术与新型涡轮钻具的产业化

根据油田提高深部地层钻井速度的需要,从试验研究出发,详细介绍了我国新型涡轮钻具现场试验成果。新型涡轮钻具与国外同类产品相比,在性能基本相同的情况下,具有降压小、寿命长、无橡胶元件,便于深井和复杂地质条件下作业等优点。结合现场应用,提出新型涡轮钻具有产业化开发的内容与目标,分析了产业化带来的经济效益和社会效益。     

172组合减速涡轮钻具的研究与应用

针对普通涡轮钻具转速高、扭矩小、压降高、型号单一,与牙轮钻头和PDC钻头不相适应,采用积木式涡轮节和2K-H-NGW型多列行星轮系减速传动方案设计了新型172mm组合减速涡轮钻具。室内实验表明,新型172组合减速涡轮钻具转速适中、扭矩大、压降低,能与高速牙轮钻头和PDC钻头匹配;现场应用表明,新型涡轮钻具能满足高速牙轮钻头和PDC钻头需要,寿命长,采用减速涡轮复合钻井方式可以较大幅度提高钻速;建议加大组合式减速涡轮钻具研究投入力度,并将新型涡轮钻具应用于深井超深井钻井。     

近十年国内外涡轮钻井技术的发展水平

介绍了国外近十年中涡轮钻具在北美、北海和中东等地区的应用情况及所取得的经济技术效果，指出国外涡轮钻井技术蓬勃发展的主要原因：一是涡轮钻具性能和轴承寿命的提高较大幅度地提高了行程机械钻这；二是金刚石钻头质量的提高减少了钻头的消耗量，从而降低了每米进尺的钻井成本。结合我国钻井技术的发展，提出了加快我国推广应用涡轮钻井技术步伐，以提高我国钻中深井和深井的技术经济效益的若干建议。     

关于金刚石钻头深井涡轮钻井及其在我国的发展前景

由于深井涡轮钻井技术的不断发展,用涡轮钻具组合金刚石钻头进行深井钻井,与普通转盘钻井相比具有一定的优越性,是提高深井钻井指标的良好措施。本文着重分析了金刚石钻头对钻井工艺参数、涡轮钻具的结构与性能的要求。同时,又概述了涡轮钻具组合金刚石钻头钻井在我国的发展远景。     

3FWZ-195型带浮动定子涡轮钻具涡轮节的研制(第一部分)

简述了国内外涡轮钻井技术的发展概况;详细介绍了新近研制成功的新型带浮动定子涡轮钻具涡轮节的研制经验,它主要包括:涡轮钻具性能参数的确定;涡轮钻具涡轮叶栅的设计;涡轮的台架性能试验及涡轮钻具的整机性能;涡轮节结构设计中的若干技术关键。     

涡轮钻井技术在元坝等重点区块的应用

针对高研磨性坚硬地层机械钻速慢的难题,中国石化近年来引进了“孕镶金刚石钻头+涡轮钻具”复合钻井技术,取得了较好的应用效果,同时也暴露出一些问题。为全面准确掌握涡轮钻井技术在油田现场的应用情况,对涡轮钻井技术在元坝、川西和巴麦地区的应用情况进行了统计分析,并对其在现场应用过程中存在的问题进行了总结。结果表明:元坝、川西和巴麦地区应用 “孕镶金刚石钻头+涡轮钻具”复合钻井技术后,平均机械钻速同比提高了102.74%,128.24%和115.38%,钻井提速效果明显;元坝地区采用“孕镶金刚石钻头+涡轮”复合钻井技术钻进自流井组地层取得了直接经济效益,而在钻进该地区其他地层和其他区块还没有取得直接经济效益;涡轮钻井技术现场应用中主要存在部分井的机泵条件达不到涡轮钻具高压降要求、与涡轮钻具配套的钻头选择不尽合理以及卡钻等复杂情况时有发生等问题。      

积木式涡轮钻具配合高效钻头技术研究

根据中原油田实际情况完成了新型积木式涡轮钻具结构优化设计研究，试制成功的新型积木式涡轮钻具工作转速可在150～820r／min间变化。完成了Ф172mm积木式涡轮钻具金属密封轴承节研制，并进行了12口井现场试验，维修周期超过120h；完成了乒172mm积木式涡轮钻具金刚石轴承节研制，并进行了1次模拟试验和1井次现场试验，工作112h后磨损仅0．05mm（允许磨损0．25mm），根据磨损量测算维修时间大于300h；完成了积木式涡轮钻具配合高效钻头钻进的配套工艺技术研究，经过现场验证，证明涡轮复合钻井工艺技术措施正确。该项目研制成功新型长寿命、大扭矩、中转速的声172mm积木式涡轮钻具，并在中原油田桥29-52井、卫360-5井、文79-101井等12口井进行了现场试验，形成了一套涡轮钻具＋转盘复合钻井工艺配套新技术。     

175型无橡胶元件涡轮钻具的研制与试验

介绍了江汉石油学院井下工具研究室研制的175型无橡胶元件涡轮钻具的简况,重点叙述了这种涡轮钻具的结构特点、涡轮叶栅与叶型设计,以及涡轮节和支承节的结构设计,给出了技术性能指标。这种无橡胶元件的涡轮钻具,采用整体式4支点金属滚动球轴承、径向TC轴承、下轴悬挂式涡轮节和大扭矩叶型,具有中速、低压降等特点。现场试验表明,175型涡轮钻具的性能满足目前钻井工艺和钻井泵的要求,用它快速钻井可提高井身质量和机械钻速,缩短建井周期,减少套管磨损,降低钻井成本。     

又一种新型涡轮钻具

由石油大学(北京)和江汉石油学院共同研究的φ195毫米涡轮钻具已在四川的川东矿区进行了几次工业性深井钻井试验。其平均机械钻速比转盘-牙轮钻头钻井时提高1.97倍;纯钻井成本仅为196.82元每米,节约255.06元每米;总计一口井可缩短建井周期29天,将节约投资20.4万元;支承节平均使用寿命约100小时,比现有的涡轮钻具提高一倍以上。这种新型涡轮钻具采用了国外80年代先进的浮动定子结构的涡轮节和开式润滑的金属滚动轴承的支承节,具有启动灵活、扭矩大、工作可靠等优点。它与国内现有涡轮钻具相比,不仅使用方便,而且首次实现了利用涡轮钻具在3000米以深的深井中进行快速钻进。其平均机械钻速高达4.13米每小     

超深井TRO-127两级减速涡轮钻具的研究

针对我国超深井深部高温高压井段难钻地层钻速低的现状,设计并试制成功一种具有储油补偿系统和金属端面密封结构的耐高温、长寿命TRO-127两级行星齿轮减速涡轮钻具。在塔河油田塔深1井和TH12509井165.1mm超深井段的现场试验结果表明,TRO-127减速涡轮钻具复合钻井的平均钻速比同井下部相邻地层转盘钻进方式的平均钻速提高了92%～115%,比邻井转盘钻井方式钻进相同地层的平均钻速提高了123%。建议在我国西部超深井深部小井眼井段推广应用减速涡轮钻具复合钻井工艺,以加快深部油气藏的勘探与开发步伐。     

ø73 mm小尺寸涡轮钻具叶型设计及优化

小尺寸涡轮钻具主要用于深部高温硬岩地层钻进,对我国油气、干热岩等深部能源矿藏的地质调查具有重要意义,在石油行业中小井眼钻井、老井加深及连续油管钻修井等方面具有较好的应用前景。目前,国内尚无ø73 mm小尺寸涡轮钻具,为推进涡轮钻具系列化,对ø73 mm小尺寸涡轮钻具的涡轮节中常规级定转子叶片及制动级定转子叶片进行设计优化,旨在研制长度短、转矩适中、转速适中、压降小、功率高及效率高的ø73 mm小尺寸涡轮钻具,使ø73 mm小尺寸涡轮钻具尽快在我国实现现场应用。设计出符合性能要求的3种常规定转子叶型方案和5种制动级叶型方案,通过理论分析及数值模拟,选出最优的常规定转子叶型及制动级叶型方案,并提出常规涡轮级与制动涡轮级复配的5种涡轮节结构方案,同时对涡轮节结构进行了性能分析及方案优选,优选的涡轮节方案在流量5.5 L/s,工作转速1 500～2 500 r/min时,输出转矩为109～140 N·m,平均压降为11.5 MPa,制动转矩为185.5 N·m,可满足小井眼钻井对ø73 mm小尺寸涡轮钻具的输出性能要求。     

JWZ250减速涡轮钻具在丘东10井的现场试验

中转速、低压降、高扭矩减速涡轮钻具配合高效优质ＰＤＣ钻头或高速长寿命ＡＴＭ、ＭＡＸ等系列牙轮钻头钻进,可大幅度提高大直径井眼的钻进速度。介绍了φ２５０ｍｍ减速涡轮钻具的工作原理及特点,及在吐哈油田正东１０井的试验情况。试验表明,减速涡轮钻具配牙轮钻头钻进比转盘旋转钻进的机械钻速提高 ２３０％;配 ＰＤＣ钻头钻进比转盘旋转钻进的机械钻速提高３３６％。从而缩短了钻井周期,节约了钻井成本,取得了较好的效果。     

JWZ250减速涡轮钻具在丘东10井的现场试验

中转速、低压降、高扭矩减速涡轮钻具配合高效优质PDC钻头或高速长寿命ATM、MAX等系列牙轮钻头钻进,可大幅度提高大直径井眼的钻进速度。介绍了?250mm减速涡轮钻具的工作原理及特点,及在吐哈油田正东10井的试验情况。试验表明,减速涡轮钻具配牙轮钻头钻进比转盘旋转钻进的机械钻速提高230%;配PDC钻头钻进比转盘旋转钻进的机械钻速提高336%。从而缩短了钻井周期,节约了钻井成本,取得了较好的效果。     

中国石化超深井钻井技术现状与发展建议

为了促进中国石化超深井钻井技术进步,加快深部油气资源勘探开发步伐,在统计、分析钻井数据的基础上,介绍了近年逐步成熟和得以有效应用的气体钻井、"PDC钻头+螺杆钻具"复合钻井、"孕镶金刚石钻头+涡轮钻具"复合钻井、"PDC钻头+扭力冲击器"复合钻井、35 MPa高压喷射钻井、自动垂直钻井系统等超深井钻井提速技术。分析了普光气田、元坝气田及塔河油田等中国石化三大重点区域的超深井钻井技术现状:普光气田已钻井平均井深5 999.00 m,平均钻井周期232.06 d;元坝气田已钻井平均井深7 049.67 m,平均钻井周期439.47 d;塔河油田12区已钻井平均井深6 441.80 m,平均钻井周期102.85 d。分析认为,中国石化超深井钻井技术已达较高水平,但与欧美等石油工业发达国家相比尚有差距。最后,对中国石化超深井钻井技术的发展进行了思考,给出了发展建议。      

涡轮叶片型线结构对叶栅流场的影响研究

涡轮叶片型线影响涡轮液流压降变化和速度变化的平稳程度,从而影响涡轮水力能量转化效率。分析了涡轮叶片的结构参数,据此绘制出五圆弧叶型及三次多项式叶型涡轮的叶片型线,在此基础上,利用Fluent软件对常用的五圆弧叶型和三次多项式叶型的涡轮叶栅流场压力、速度变化进行了模拟分析。分析结果表明,三次多项式叶型涡轮的液流压降变化和速度变化比五圆弧叶型涡轮更平稳,因此前者的水力损失比后者更小,水力效率更高。建议涡轮钻具叶片型线设计时尽量采用三次多项式。     

积木式组合涡轮钻具试验研究

针对涡轮钻具转速高、扭矩小、型号单一、结构复杂、维修麻烦,与我国的钻头发展水平不相适应的问题,开展了积木式组合涡轮钻具试验研究。分析了积木式组合涡轮钻具的理论特性,理论上认为积木式组合涡轮钻具的输出特性是单级涡轮定转子叶片输出特性的叠加。在不增加现有涡轮钻具定转子类型的基础上实现了同一尺寸系列转速的连续化设计。试验结果表明,积木式组合涡轮钻具的输出扭矩、功率、压降与效率的理论计算值与试验值吻合,输出扭矩与压降符合叠加原理;现场应用表明,积木式组合涡轮钻具能满足钻井现场各类钻头的需要,与牙轮钻头、PDC钻头和金刚石钻头匹配使用,平均钻速提高了43%～473%。     

杨税务潜山超深超高温井安全优快钻井技术

为解决冀中地区廊固凹陷潜山构造带超深超高温潜山油气井在钻进过程中遇到漏、喷、卡、机械钻速低及轨迹控制困难等问题,在分析已完井钻井难点,调研国内超深井钻井提速技术基础上,采取了优化井身结构,简化井眼轨道,针对地层特点设计孕镶齿PDC钻头并优选钻具组合及钻井参数,研制220 ℃低固相抗高温钻井液,研发200 ℃全金属随钻测量井下脉冲发生器等措施。现场应用结果表明:优化后的井身结构与井眼轨道更易于井眼轨迹调整,使用高效PDC钻头与辅助提速、破岩工具相配合,平均机械钻速较之前提高了1~2倍,低固相抗高温钻井液在200 ℃性能稳定,满足安全施工需求,随钻测量全金属脉冲发生器在井温175 ℃条件下可持续工作超过200 h。该区块平均钻井周期较前期完井缩短了50%,最深完钻井深6 455 m、实测井底静止温度207 ℃。所采取的安全、优、快钻井技术可对后期超深、超高温井钻井提供借鉴与参考。