涡轮钻井技术有巨大的技术经济潜力
符达良 张晓东 符彦惟
摘要: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。 主题词:涡轮钻具; 结构设计; 试验; 技术经济指标; 潜力 中图分类号:TE821 文献标识码:A 文章编号:0253-2697(2000)01-0081-06
TURBODRILLING TECHNIQUE WITH TREMENDOUS TECHNICAL ECONOMIC POTENTIALITIES
FU Da-liang et al.(Jianghan Petroleum Institute)
In order to meet the needs of the deep well and over depth well drilling, the new turbodrill research and testing processes are introduced in detail based on experimental investigation. The design of turbine cascade blade and flow-field analysis are conducted by using numerical fluid mechanics and computer simulation techniques. The turbine cascade with high efficient and low pressure drop is developed. The operating life of the developed cascade is increased greatly because of the application of new materials as well as technology for developing thrust bearing set. Meanwhile, the turbodrill structure and its technical characteristics are introduced. Compared with the same kind of foreign products, the cascade has a lot of advantages, for example, low pressure drop, long-life, non-rubber element, and is especially suitable for deep well and over depth well drilling etc. are emphasized according to the field test results. To settle existing problems in field operation, five suggestions are proposed in order to speed up the application of the turbodrilling technique. Key words: turbodrill; design structure; test; technical economic potentialities; potentialities
1 前 言
提高石油钻井作业的综合技术经济效益,就是要提高钻井的质量和速度,缩短建井周期,降低钻井成本。国外近十多年来采用先进的涡轮钻井技术和热稳定性聚晶金刚石钻头,提高了行程钻速和减少了钻头的消耗量,从而缩短了建井周期,降低了钻井成本。这也是国外近年来涡轮钻井技术蓬勃发展的主要原因。目前国外用涡轮钻具钻井一般能节省钻时40%~50%,节约钻井成本约1/3[1]。 我国新型涡轮钻具的研制经过“七五”、“八五”攻关的努力和近几年的多次结构改进,以及反复艰难的室内台架和现场试验,终于取得了可喜的成果。试验表明,这种采用新材料和新结构的涡轮钻具具有中速、大扭矩,较低的压降,轴承组寿命长,现场对接方便,无需调整轴向间隙等优点,尤其是Φ175型无橡胶元件的动力钻具更适应在深井、超深井和高温条件下作业,并取得了极好的技术经济效益。
2 涡轮钻具与PDC钻头匹配提高机械钻速的基本原理
2.1 新型涡轮钻具的结构特点 众所周知,PDC钻头利用涡轮钻具的高速切削来破碎岩石,能较大辐度地提高机械钻速,降低钻井成本,从而获得较好的经济效益。但关键是要获得寿命长,输出功率高的涡轮钻具。 与老式涡轮钻具相比,新型涡轮钻具在结构设计上作了三方面的重要改进:(1) 采用低摩擦的四支点金属推力球轴承,取代盘式橡胶止推轴承,再经装配前的特殊工艺处理,大辐度地提高了轴承组及涡轮钻具的整体寿命,同时也提高了涡轮钻具的输出功率,这是最重要的改进;(2) 涡轮叶栅叶型采用流场分析及计算机优化设计技术,提高了涡轮叶栅的水力效率[2];(3) 涡轮节采用小间隙独立悬挂结构,现场对接方便。 理论和实验均已证明,涡轮钻具在其最高效率区工作时,可以获得最大的输出功率和理想的机械钻速(ROP)。图1所示为180涡轮钻具配用216mm PDC钻头所测得的ROP与涡轮转速的关系曲线,钻压平均为11.1kN时,所得测点符合图中的理想抛物线。例如,在1100r/min时,ROP为7.29m/h,而800r/min时,则为16.5m/h。因此,带有转速测量仪或MWD装置的涡轮钻具,能发挥其最佳性能,为提高ROP创造条件。
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