中速涡轮工具在砾石层钻进应用分析

张明　杨新龙　龚晓军

摘  要：塔里木油田山前，PDC钻头和牙轮钻头单趟进尺少、垂钻工具容易失效;上部地层属高陡构造，地层倾角大，钻进容易井斜。博孜301井311.2 mm井眼应用新型中速涡轮工具+孕镶钻头，同时配套双钟摆钻具组合的钟摆力进行防斜，利用MWD随钻检测技术对井斜进行随钻检测技术对砾石层钻进进行提速。试验表明该配套技术在巨厚砾石层中钻进，明显地提高了趟钻进尺和机械钻速，为山前大段砾石层的钻井提供了经验借鉴，并展示了良好的应用前景。

关键词：博孜区块;中速涡轮;孕镶钻头;砾石层

中图分类号：TE24              文献标志码：A

0 前言

博孜301井是塔里木盆地库车坳陷克拉苏构造带克深区带博孜3号构造上的一口评价井，由于本区块含砾石层较厚，可钻性较差，为该井钻井提速到来困难。2 850 m以上地层使用垂钻工具加PDC钻头或高效牙轮钻头都未能解决钻具蹩跳问题，单只PDC钻头纯钻时间较短，钻头复合片损坏，垂钻工具早期损坏，随钻测斜工具早期失效，为更换工具频繁起钻，单趟进尺平均不足250 m，未能有效提高机械钻速。博孜301井为了提高单趟进尺和机械钻速，311.2 mm井眼钻井中特引进中速涡轮+孕镶钻头提速工具进行提速。

1 中速涡轮介绍

涡轮工具主要部件是涡轮，每一级涡轮由一个定子和一个转子组成。涡轮由铸钢制作，涡轮上具有很多弯曲的叶片，定子和转子的叶片形状基本一样，只是叶片的弯曲方向相反。由于一级涡轮所能输出的功率太小，因此涡轮工具通常都是由成百级结构完全相同的涡轮串联组合而成。为了承受较大的轴向负荷，内部装有止推轴承。此外，在主轴还设置中间轴承，起扶正主轴的作用。涡轮工具钻进时流量、压力降、输入功率是合理使用涡轮钻具，使其在高效率情况下工作，保证快速钻进的重要条件。要充分利用泵功率，采用大排量、高泵压;根据岩层的软硬，合理选择钻压;使用孕镶钻头进行提速钻进;为了克服普通涡轮钻具存在的缺点，研制出多節涡轮、大扭矩、带减速器新型涡轮钻具。

该新型涡轮工具转速可控制在800 r/min以内;铸钢定转子不易磨损，整机寿命达到1 000 h;输出功率稳定，不随工作时间变化，输出功率及扭矩比其他同尺寸、同级数的涡轮钻具至少大30%;能耐高温、高压，适用于高温高压井（≤350℃）;其压降随载荷增加而降低;转速高，工作时需要的钻压较小，反扭矩小，造凿出来的经验井壁光滑，有利于随钻测量工具平稳工作;适宜所有泥浆类型（特别是油基泥浆）;涡轮钻具壳体上不带任何扶正器。

使用新型涡轮钻具前钻井队必须能配备能承受35 MPa高压的泥浆泵和地面高压循环系统;泥浆应具备良好的的性能，减少井壁掉块，维护井壁稳定性;适合在砂岩、砾岩井段中提速钻进，不适合泥岩地层。

2 运用实例

博孜301井311.2 mm井眼选用新型267T1-TCF.M1中速涡轮工具+孕镶钻头，该267T1-TCF.M1涡轮工具外径267 mm，启动排量20 L/S，在其工作排量40.00 L/S～50.00 L/S的条件下转数达到630 r/min～700 r/min，可产生8.57 MPa～12.35 MPa的工作压降;当扭矩达到7 731 N·m～11 135 N·m时可造成工具的制动;在温小于250℃井温下钻进，该涡轮工具寿命可达600 h;同时选用12 1/4``DD3560M 孕镶钻头、MWD随钻测斜工具和钟摆钻具组合进行配套技术提速。钻具组合如下：12 1/4"孕镶钻头+267T1-TCF.M1涡轮钻具（630×630）+转换接头（631×NC61）+9"浮阀（NC61×NC61）+9"定向接头（NC61×NC61）+9"钻铤×1根（MWD测斜仪）+309 mm扶正器+9"钻铤1根+308 mm扶正器+钻铤。

该井2018年8月4日涡轮工具入井前首先对工具的压降进行了测试，测试排量10 L/s、15 L/s、20 L/s，对应压耗为2.5 MPa、4 MPa、7 MPa，压降属于正常范围，涡轮工作正常。

下钻到底分台阶提高排量磨合涡轮，8月5日2：00达到钻进排量后开始复合钻进，钻压10 kN～60 kN，转盘转数50 r/min～70 r/min，泵压30 MPa～31 MPa，排量37 L/s;8月14日00：20钻至井深3 207.20 m井斜增大，循环清洗井筒起钻，14：30涡轮钻具和钻头出井。钻进期间由于泥浆黏度很快由70 s上升到120 s，不得不循环调整泥浆性能。

涡轮钻井段2 850 m～3 207.20 m，进尺357.20 m，纯钻160.27 h，平均机械钻2.23 m/h。出井岩屑以杂色小砾岩、砂砾岩为主，钻进过程中钻具运行平稳没有出现蹩、跳钻现象;期间3次短起下钻及长起钻都非常顺利，无挂卡现象;钻进中井斜从0.79°（井深2 889 m）缓慢上涨到2.85°（井深3 204.3 m），由于井斜增大决定起钻。出井钻头孕镶钻头磨损均匀，钻头保径部分完好，中完电测显示该段井眼井径非常规则。

3 总结与分析

通过该国产中速涡轮工具+孕镶钻头及配套提速技术在博孜301井上部砾石层中钻进提速中的应用，分析了该工具在砾石层中钻进的优点和缺点，从而提出改进的方面，以提高砾石层钻进提速的效果。

（1）中速涡轮工具和孕镶钻头使用寿命长，钻遇砾石层钻具运行平稳，能够很好地保护钻头和工具，能够增加钻头的纯钻时间。

（2）涡轮工具配合孕镶钻头，钻出的井眼更规则平滑。

（3）提高了行程钻速，减少了起下钻次数，提速效果明显。博孜301井涡轮钻具+孕镶钻头单趟完成357.00 m进尺，平均机械钻速2.23 m/h，比该井上趟钻高效牙轮钻头多完成进尺123.08 m;与同区块4口井使用高速涡轮+孕镶钻头的22趟钻的平均机械钻速1.72 m/h和平均趟钻进尺194 m对比，机械钻速提高了29.65%，趟钻进尺提高了84.1%。

（4）由于涡轮钻具外观不带扶正器，可选择双钟摆钻具结构进行防斜打直;同时井下动力钻具配合高效钻头技术通过轻压吊打来实现 “防斜打快” 的目标。

（5）267T1-TCF.M1涡轮钻具最佳工作排量为45 L/s～50 L/s，相应转速为630 r/min～700 r/min，而现场实际钻进排量为33 L/s～37 L/s，理论转速为462 r/min～518 r/min，可见排量影响涡轮转速，而钻井现场施工泵压达到30 MPa的情况下，钻井排量未能达到涡轮的额定工作排量，从而影响了工具性能的发挥，所以配备使用高压循环设备是使用好涡轮工具的前提条件。

（6）继续摸索一套适应涡轮工具钻进的泥浆维护方法，稳定泥浆中固相含量和其他性能的稳定，以提高纯钻时率。

（7）加强涡轮钻具轴承等易损件使用寿命的研究，提高钻具使用寿命，降低钻井综合成本。

参考文献

[1]谭春飞.深井超深井涡轮钻具复合钻井提高钻速技术研究[D].中国地质大学（北京），2012.

[2]谭春飞，蔡镜仑.利用涡轮钻具提高深井钻速的试验研究[J].石油钻探技术，2003，31（5）：30-32.

[3]许福东，张晓东，华北庄，等.180涡轮钻具用同步减速器研制[C]//2004年石油装备年会暨庆祝江汉机械研究所建所40周年学术研讨会论文集[C].2004.

[4]薛鹏.涡轮钻具定转子轴向间隙调整的可视化研究[D].中国石油大学，2009.