低速涡轮提高钻速技术研究

张瑞典，付建红，吕永科，谢 冬 ，张 磊

（1.西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成 都 6 10500；2.中石油勘探开发研究院，北京 1 00083；3.西部钻探钻井工程技术研究院，新疆 鄯 善 8 38200；4.中海油研究总院，北京 1 00027）

涡轮钻井技术与转盘驱动钻井技术有很大不同。涡轮钻井技术[1~2]是将涡轮钻具直接安装在钻头上部，下入井内，通过钻井液驱动涡轮钻具转子同轴一起旋转，带动钻头随着转动，钻具壳体和钻柱不旋转。其地面钻井设备同转盘驱动的地面设备也不相同，涡轮钻具要求钻井泵组的功率比较大。涡轮钻井方式能钻达的深度是转盘驱动钻井方式无法超越的。早在60~70年代前苏联在阿塞拜疆地区使用多个涡轮节组合成的涡轮钻具成功地钻到4 500 m的深度。

涡轮钻井技术的主要特点[3]是：

（1）涡轮钻具能产生很大的钻头功率；

（2）由于使用涡轮钻井，钻柱不旋转，适合打定向井；

（3）由于钻柱不旋转，减少了与井壁的碰撞与摩擦延长了钻柱寿命。

涡轮钻具直接把功率传输到钻头，钻头得到的强大功率可以有效提高机械钻速，尤其针对坚硬地层效果更明显，使用低速涡轮钻具是在常规涡轮钻具中加入一种齿轮低速机构—同步减速器，用来获得中低的转速、较大扭矩。深入涡轮与低速涡轮钻井技术的研究，有利于降低成本提高钻井效率，加快石油天然气勘探开发的进程。

1 低速涡轮钻具输出特性计算

（1）低速涡轮输出转数的计算

低速涡轮钻具转速由周速度与减速比决定，由力学关系可以求出：

其中，u为周速度，可以表示为：

式中：

n为涡轮的转数，r/min；

Dp为涡轮的计算直径，m；

i为涡轮的减速比；

Q为流过涡轮的排量，m3/s；

α0为定子叶片与转动方向所呈的角度，°；

h为涡轮叶片的径向高度，m；

z为涡轮叶片数目；

δ为涡轮定子叶片的厚度，m。

（2）涡轮的输出功率、压降、扭矩计算

涡轮的有效功率与压力降、排量之间的关系：

其中，压降可由尤拉基本公式计算得到，P=ρ液η水力u2将（2）式代入得：

将（4）式代入（3）得：

从力学方程来推导涡轮轴上输出的转矩。功率等于转矩乘以角速度，即

将（2）式，（5）式和（6）式联立得单级涡轮的扭矩：

式中：

Nt为单级涡轮的有效功率，W；

η效率为涡轮的转化效率；

p为单级涡轮的压力降，Pa；

η水力为水力效率，由流过涡轮的水力摩阻决定；

ρ液为工作液体的密度，kg/m3；

M为单级涡轮的扭矩，N·m；

ω为涡轮角速度，rad/s。

以上是单级涡轮最优工作条件下有效功率、压降、扭矩的计算式，它们各项分别乘以涡轮的级数即可以得k涡轮的有效功率、压降、扭矩。

2 模拟计算结果

（1）设定涡轮几何参数：排量Q=50 L/s，涡轮轮廓直径D=241.3 mm，壁厚b=12.5 mm。涡轮外径为206 mm，计算使用的直径为189 mm，叶片的径向高度为17 mm，其数目为27个。节距等于22 mm，级数k=109。产生的相对长度为29 mm，叶片角度为33.8°。级数k=109。

（2）涡轮压降计算：图1为单级涡轮压力分布云图。设定钻井液密度为1.30 g/cm3，塑性粘度15 MPa·s，由云图显示的进出口面上的压力加权平均值可以计算该条件下单级涡轮的压力降：

对于109级涡轮来说△P'=9.05 MPa。

模拟的单级涡轮制动扭矩为57 N·m，对于109级低速涡轮来说该条件下制动扭矩约为18 kN·m。根据压降数值可以计算出转速较低，由模拟结果可以看出，低速涡轮钻具获得了较理想的扭矩和转速等输出参数[4]，适合于现场施工。

图1 单级涡轮的压力分布云图

（3）涡轮流速分布

下图2为单级涡轮的进口和出口速度云图，由云图可以看出进口速度约为4 m/s，和入口边界条件相符；其出口速度约为7 m/s~8 m/s，与叶片出口处的周速度7.8 m/s相符。

图2 单级涡轮的进口、出口速度云图

图3是单级涡轮的纵截面上速度分布云图，从云图显示得出从入口到出口模型中计算的速度值逐渐变大，但不是线性增加。

图3 单级涡轮的纵截面速度分布云图

3 现场试验分析

低速涡轮钻井技术在磨017-H10井的现场应用：在排量50 L/s，钻井液密度1.29 g/cm3，设定低速涡轮的减速比为3，对涡轮输出参数进行计算，涡轮的压降△P=8.31 MPa，最大功率下的输出转数nr=290 r/min，涡轮的最大输出功率N'最大=291 kW，最大功率下涡轮的输出扭矩M'=4.7 kN·m。

使用钻井排量50 L/s为低速涡轮钻具规定的最大排量，由计算结果可以看出，低速涡轮钻具获得了较理想的扭矩和转速等输出参数。现场施工和模拟结果比较吻合。都得到了中低的转速、较大扭矩，可以有效的提高钻速[5]。

3.1 分析结果

（1）通过对涡轮输出特性的分析，得出涡轮的输出转数等于空转转数一半时，有效功率达到最大值，从而得出制动扭矩和最大有效功率的计算方法。

（2）涡轮的输出转数随着涡轮的输入排量增大而增大；涡轮的输出扭矩随着涡轮的输入排量增大而增大；涡轮的有效输出功率随着涡轮的输入排量增大而增大；涡轮的压降随着涡轮的输入排量增大而增大。

（3）涡轮的输出转数随着涡轮叶片径向高度增大而增大；涡轮的输出扭矩、涡轮的有效输出功率、涡轮的压降随着涡轮叶片径向高度增大而减小。涡轮的输出转数、涡轮的有效输出功率、涡轮的压降随着涡轮叶片数目增大而增大；涡轮叶片数目增大对涡轮的输出扭矩影响不大。涡轮的输出转数、涡轮的输出扭矩、涡轮的有效输出功率、涡轮的压降随着涡轮叶片出口角度增大而减小。

3.2 创新建议

为进一步提高低速涡轮钻具的提速效果，对低速涡轮钻具的使用提出如下建议：

（1）钻井液在涡轮中的实际流动非常复杂，本文对涡轮进行数值模拟时，考虑的因素有限，数值模拟研究有待进一步完善，应当考虑在动态座标系下的涡轮流动特性的数值模拟，使低速涡轮钻具输出参数计算更加准确。

（2）在浅井段或欠压实井段可以使用低速涡轮钻具。根据试验井PDC的磨损情况，可以考虑使用高质量的牙轮钻头配合低速涡轮钻具使用。

（3）PDC钻头配合低速涡轮钻具组合可在较深地层试用。

4 结束语

利用CFD软件对涡轮流动特性进行了数值模拟，模拟了单级涡轮的压力分布、单级涡轮内的流线分布、模拟结果与所采用的涡轮推荐值相吻合。低速涡轮钻井在钻进时可获得低钻速，大扭矩提高了机械钻速，可推动钻井事业的发展。

[1]成 海，郑卫建，夏 彬，等.国内外涡轮钻具钻井技术及其发展趋势[J].石油矿场机械，2008，37(4):28-31.

[2]胡辛禾.低速大扭矩耐高温涡轮钻具[J].石油机械，1999，27(12)：23-26.

[3]许福东，符达良.带减速器涡轮钻具动态特性瞬变规律及其模拟[J].石油机械，1997，25(6):36-39.

[4]李文飞，周延军，陈 明，等.涡轮钻具复合钻井技术及其在塔河油田的应用[J].西部探矿工程，2010(5):41-44.

[5]谭春飞，王甲昌，郑卫建，等.TDR1-127减速涡轮钻具在塔河油田超深井的试验研究[J].石油钻采工艺，2010，32（2）：93-96.