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。     

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。      

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。     

涡轮钻具小级高涡轮设计的新发展

采用小级高涡轮有利于提高涡轮钻具能量指标。介绍了全俄钻井技术研究院近年来研制小级高涡轮的理论与实践成果,给出了提高涡轮能量指标的新途径。     

涡轮钻井技术有巨大的技术经济潜力

根据油田钻深井和超深井的需要,从试验研究出发,详细介绍了我国新型涡轮钻具的研制、试验过程。将计算流体力学及计算机仿真技术用于涡轮的流场分析和叶型设计,获得了高效并具有较低压降的涡轮叶栅,将新材料和新工艺应用于推力轴承组的研制,大幅度提高了涡轮钻具的行程工作寿命。新型涡轮钻具的结构和技术特性,与国外同类产品相比,在性能基本相同的情况下,具有压降较小、寿命长、无橡胶元件、更利于深井和超深井作业等优点。结合现场试验的成果,提出采用涡轮钻井的七大优点。针对现场使用中存在的问题,提出五点建议,以加快我国涡轮钻井技术的推广应用。     

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。     

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。     

新型涡轮钻具的组合设计

改善常规复式涡轮钻具性能取决于抓好先进的涡轮叶栅水力设计和采用独立滚动球轴承支承节环节。带同步减速器涡轮钻具可克服常规涡轮钻具和螺杆钻具的固有缺点，是提高我国深井钻井技术的关键装备。文中就减速器的形式对减速涡轮钻具进行分类讨论，最后还比较了４种井下动力钻具的优、缺点。     

WZ系列涡轮钻具取得突破性进展

由中国石油勘探开发研究院机械所、四川石油管理局和威远石油机械化工厂合作研制开发的WZ系列涡轮钻具是一种适用于深井和高温井的全金属涡轮钻具。WZ系列涡轮钻具具有如下特点：1．涡轮钻具的工作性的参数和PDC、BDC钻头匹配，在提高机械钻速的同时，单只钻头的总进尺不会下降，用于提高深井段机械钻这具有明显效果，机械钻速相对于转盘钻井方式可提高50％～100％；2．涡轮钻具的叶根设计先进、单级涡轮吸收功率高、涡轮钻具结构长度短，同时，涡轮钻具工作效率高，正常工作钻并泵泵压与转盘钻井要求相当，不需对油田现有设备提出特殊…     

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%。     

涡轮钻具防斜打快钻井理论与技术研究

在简要阐述国内典型高陡构造特征的基础上，介绍了我国自主研制的涡轮钻具的结构、能量转换方式以及特点。并在此基础上分析了在山前高陡构造钻井过程中存在机械钻速低和井身轨迹控制难两大钻井难题的原因；详细讨论了涡轮钻具的高转速特性，配合PDC等一体式钻头进行复合钻进实现防斜打快的机理；为达到涡轮钻具防斜打快的目的，提出了钟摆结合光钻铤的下部钻具组合形式，给出了典型钻具组合，并对该钻具组合进行了详细的力学特性分析，得出了稳定器安装位置和涡轮转速范围的涡轮钻具防斜打快的最佳工作区域概念。该技术的研究，为国内高陡构造地区控制井斜和提高机械钻速提供了一种非常有益的钻井理念和技术方法。     

涡轮钻具轴向间隙的正确调节

涡轮钻具轴向间隙调整是否正确，对涡轮钻具性能和工作寿命有极大的影响。鉴于此，分析了涡轮钻具装配过程中轴向间隙的变化规律：一是涡轮转子压紧时轴向间隙发生变化；二是涡轮定子压紧时轴向间隙发生变化。讨论了装配过程中上紧力矩与轴向力的关系，以及轴向力引起涡轮钻具各零件变形的大小及方向。在此基础上提出了在装配过程中正确调节涡轮钻具轴向间隙的方法。     

涡轮钻具性能的系统分析

在考虑到涡轮钻进是一个复杂动态钻井过程的条件下，根据已有的钻井水力学、ＰＤＣ钻头钻速和磨损方程，结合涡轮钻具的特性规律，建立了“涡轮钻具＋ＰＤＣ钻头”的钻进过程数学模型。以进尺成本为目标函数，推导得到了将钻头水力参数优选与钻压、转速优选结合在一起进行的、涡轮钻具最优化问题目标函数的表达式及相应的约束条件；并通过编制的软件，实现了涡轮钻井参数的优选。通过对１８种涡轮，在４个不同地层优选结果的比较和分     

■73 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■73 mm小尺寸涡轮钻具,为推进涡轮钻具系列化,对■73 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■73 mm小尺寸涡轮钻具,使■73 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■73 mm小尺寸涡轮钻具的输出性能要求。     

涡轮钻井技术在四川元坝区块的应用分析

涡轮钻具在国外已经是成熟的钻井提速工具,而在国内使用受到诸多限制,尤其受设备泵压条件的限制,还没有形成工业化应用。川东北元坝区块的地层岩性以石英砂岩夹杂页岩为主,石英含量高,地层研磨性强,可钻性差,长期以来主要使用牙轮钻头,钻井速度较低,钻井周期长,制约了该区油气开发的速度。分析了涡轮钻具在该区块的使用效果、存在问题,证明涡轮钻具在川东北地区具有提速、提效的作用。在设备允许的条件下,建议将涡轮钻井系统作为目前提高川东北元坝地区地层机械钻速的有效技术。     

3FWZ—195型带浮动定子的涡轮钻具

《石油机械》第18卷第10期,1990,第39～43页,图1,表3 简述了涡轮钻井技术国内外发展现状。介绍了国内新近研制成动的带浮动定子涡轮及独立支承节结构的涡轮钻具的结构特点、涡轮节涡轮叶栅的设计方法、浮动定子涡轮摩擦副的材料与结构研究,以及直井及定向井用支承节的情况,还阐述了此种涡轮钻具的矿场试验结果。     

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     

涡轮钻具复合钻进技术

涡轮钻具复合钻进技术是大幅度提高钻井速度、防斜打快的主要手段之一,随着涡轮钻具性能、型号的完善,加上高效PDC钻头的蓬勃发展,涡轮钻具复合钻井技术将得到大规模推广应用。在对涡轮钻具和螺杆钻具结构、性能和使用优缺点进行对比的基础上,提出了涡轮钻具复合钻进最佳工况的概念,给出了明确的转速范围;从涡轮钻具的特性和PDC钻头配合要求着手,详细论述了涡轮钻具复合钻进的机理;建立了涡轮钻具系统在钻井过程中的动态和纵向振动模型,为获得最佳的涡轮钻具复合钻进效果提供了理论依据。在国内高陡构造的典型地区进行防斜打快的应用实例表明,机械钻速明显提高,钻井周期大大缩短,钻井成本大幅度下降,经济效益显著。     

现代涡轮钻具结构性能的改进

通过对苏联发展涡轮钻具的态势研究,结合本国的科研实践,认为高效能涡轮钻井用的支承节式多节涡轮钻具是比较成熟和最有发展前景的钻具。目前的涡轮钻具转速偏高,不适宜牙轮钻头工作的要求。为此而设计的低速涡轮不能只顾追求涡轮高效率,而应考虑牙轮每转的吃入量,增加涡轮扭矩与空转转速之比值。浮动定子涡轮提供了增大叶栅直径和减少级高的可能性,是一种更具备发展前途的结构。设计匹配PDC钻头用的高速大功率涡轮时,重点应考虑高效率。然而,高速涡轮的工作周期取决于支承寿命。使其寿命延长的根本办法是使涡轮轴向间隙不受止推轴承磨损的影响。