蔣金寶，孫雪，趙國順，董偉哲，王甲昌，王慧文

(1.中原石油勘探局鉆井工程技術研究院，河南濮陽457001;2.中國石油大學石油天然氣工程學院，北京102249;3.中原石油勘探局鉆井三公司，河南濮陽457001;4.中原石油勘探局塔里木鉆井公司，新疆庫爾勒841000)

減速渦輪深部防斜打快技術

蔣金寶1，2，孫雪1，趙國順3，董偉哲4，王甲昌1，王慧文1

(1.中原石油勘探局鉆井工程技術研究院，河南濮陽457001;2.中國石油大學石油天然氣工程學院，北京102249;3.中原石油勘探局鉆井三公司，河南濮陽457001;4.中原石油勘探局塔里木鉆井公司，新疆庫爾勒841000)

超深小井眼機械鉆速低和井斜控制難度大等問題制約了西部地區(qū)深層油氣藏的開發(fā)。在分析國內(nèi)外防斜打快技術的研究及應用現(xiàn)狀基礎上，提出減速渦輪防斜打快技術，并研制小尺寸減速渦輪鉆具?，F(xiàn)場試驗表明:減速渦輪復合鉆井技術提速效果明顯，與試驗井TH12509上下鄰井段轉(zhuǎn)盤鉆井相比，機械鉆速提高90%～150%;與鄰井同井段轉(zhuǎn)盤鉆井相比，機械鉆速提高1.2～1.7倍，井斜角從入井時的2.66°(5.89 km)降至0.33°(6.225 km)，為西部超深小井眼防斜打快提供了一種新的技術途徑。

鉆井;超深小井眼;防斜打快;減速渦輪

西部地區(qū)深層鉆井過程中遇到了許多難題，尤其是超深小井眼機械鉆速低、井斜控制難度大等鉆井難題表現(xiàn)最為突出(尤其在產(chǎn)層，一般要求井斜角不能超過3°)。順6井在儲層層位(6.1～6.7 km)發(fā)生井斜，井斜角為6.5°;于奇6井在7.021 km井斜角達到15.98°，被迫填井側(cè)鉆，損失915 h;塔深1井在6.93～7.55 km井斜角達到13°，機械鉆速僅為0.86 m/h。目前，常用的防斜打快技術有鐘擺鉆具組合、偏心鉆具組合、螺桿復合鉆井技術和垂直鉆井系統(tǒng)。鐘擺鉆具和偏軸鉆具防斜打快效果不明顯且使用范圍小［1-2］;PDC+螺桿鉆具防斜打快效果明顯，但其受高溫限制且成本較高［3］;垂直鉆井系統(tǒng)防斜打快效果最好，但成本高且適合超深小井眼的工具少［4-6］。因此，研究適合深部小井眼的防斜打快技術對西部深層油氣藏的勘探開發(fā)有重要意義。筆者在分析國內(nèi)外防斜打快技術研究及應用基礎上，提出減速渦輪防斜打快技術，研制小尺寸減速渦輪鉆具，并進行現(xiàn)場試驗。

1 減速渦輪鉆具研制

超深小井眼地層的溫度和壓力較高，部分地層(如奧陶系)破碎，井斜角對鉆壓敏感，需要采用低鉆壓鉆進以達到防斜打直的目的。要在低鉆壓防斜的基礎上提高鉆速，可采用井下動力鉆具提高鉆頭轉(zhuǎn)速的方法。目前，井下動力鉆具主要有螺桿和渦輪。螺桿鉆具由于抗溫受限，不適合深部地層防斜打快［7］。渦輪不含橡膠材料，可以耐高溫高壓，適合深部防斜打快，這項技術在國外應用較成功，如俄羅斯在韃靼地區(qū)渦輪鉆具鉆井的機械鉆速比轉(zhuǎn)盤鉆井提高3～5倍，并成功完鉆了一口12 km的超深井［8］。歐美各油田多采用PDC鉆頭+渦輪鉆具鉆進，與轉(zhuǎn)盤鉆井相比機械鉆速可提高2倍左右。由于種種原因，國內(nèi)還沒形成完善的渦輪鉆井技術［9］。為了解決西部深層鉆井機械鉆速低、易井斜的問題，中原油田鉆井院與中國石油大學(北京)合作研制出了適合深部地層小井眼的減速渦輪鉆具，并初步形成了一套適合深部地層小井眼的減速渦輪防斜打快技術。

渦輪鉆具是一種井底液動馬達，渦輪殼體里面裝有多級成對的渦輪定轉(zhuǎn)子［10］(圖1)。其工作原理是鉆井液在泵的作用下首先進入渦輪定子，渦輪定子使鉆井液具有一定的方向和速度進入渦輪轉(zhuǎn)子，渦輪轉(zhuǎn)子就使鉆井液的水力能量轉(zhuǎn)變?yōu)闇u輪鉆具輸出軸驅(qū)動井底鉆頭的轉(zhuǎn)動機械能。

圖1 定子與轉(zhuǎn)子示意圖Fig.1 Schematic diagram of rotor and stator

渦輪鉆具屬葉片式機械，它具有在高速下穩(wěn)定工作的特性。在相同外形尺寸條件下，速度越高的渦輪葉柵得到的扭矩越高，但壓力降必然增高，這對目前泵送設備而言負擔太重，而且較高的轉(zhuǎn)速會造成鉆頭選型困難。若渦輪葉柵設計成低速、低壓降，則導致渦輪輸出扭矩太低。要得到足夠的扭矩，必須增加渦輪級數(shù)，即增加渦輪鉆具的長度和質(zhì)量，這樣會導致其應用范圍受限，尤其是小尺寸的渦輪鉆具。為了利用渦輪鉆具在高速下穩(wěn)定工作的特性，同時壓力降又不要太高，研制了行星齒輪渦輪減速器，其減速原理見圖2。高速渦輪節(jié)輸出軸通過花鍵與中心輪相連接，其轉(zhuǎn)速與扭矩經(jīng)行星輪和內(nèi)齒輪傳遞給行星架，行星架得到減速i倍后的轉(zhuǎn)速與增加i倍后的扭矩(i為減速比)，行星架與減速器輸出軸相連接，帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)。

圖2 渦輪鉆具行星減速齒輪減速原理示意圖Fig.2 Principle diagram of planetary reducer of turbine drilling tool

2 現(xiàn)場試驗

為了驗證減速渦輪鉆井技術的防斜打快效果，2009年6月和7月在中國石化西北油田分公司塔河油田TH12509井進行了Φ127.0 mm耐高溫減速渦輪防斜打快技術現(xiàn)場試驗，該井設計井深6.57 km，本次試驗選在四開井段，井徑為165.1 mm，試驗井深5.946 km。

2.1 鉆具組合

試驗井段為超深小井眼，循環(huán)壓耗較大。TH12509井三開井段為鹽膏層專打?qū)７?，鹽膏層以上井段(5.785 km以上)套管尺寸為244.5 mm，因此可采用復合鉆具組合以降低環(huán)空壓耗，即下部采用小尺寸鉆具，上部采用大尺寸鉆具(Φ139.7 mm鉆桿)。利用自主編制的軟件計算發(fā)現(xiàn)，采用3 km的Φ139.7 mm鉆桿比Φ127.0 mm鉆桿的壓耗降低3 MPa，因此在本試驗中上部井段采用了大約3 km的Φ139.7 mm鉆具。所用鉆具組合為Φ165.1 mm PDC鉆頭+Φ127.0 mm減速器渦輪鉆具+331×310接頭+Φ120.7 mm鉆鋌15根+Φ88.9 mm加重鉆桿9根+Φ88.9 mm鉆桿80根+311×4A10接頭+Φ127.0 mm鉆桿282根+4A11×520接頭+Φ139.7 mm鉆桿。

2.2 排量的確定

減速渦輪復合鉆井與普通鉆井不同，在排量的設計中要盡可能發(fā)揮渦輪鉆具的功率。渦輪的功率計算式為

式中，pr為總壓耗，MPa;Δpg為鉆具循環(huán)壓耗，MPa;Δpb為鉆頭壓耗，MPa;η為渦輪鉆具效率;N0為渦輪功率，kW;Q為排量，L/s;K為鉆具循環(huán)壓耗修正系數(shù);Kb為鉆頭壓耗修正系數(shù);s為鉆具循環(huán)壓耗指數(shù)，一般取1.75。

結(jié)合渦輪的特性參數(shù)，計算得到減速渦輪鉆具排量與功率的定量關系(圖3)。由圖3可得最優(yōu)排量為14～15 L/s。

圖3 排量與功率的關系Fig.3 Relation of displacement and power

2.3 其他參數(shù)的確定

考慮到井斜要求和復合鉆井特點，鉆壓確定為30～50 kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為30～50 r/min。為了監(jiān)測減速渦輪鉆具防斜效果，利用9 km絞車對減速渦輪鉆井井段進行了單點和多點測斜。

3 試驗結(jié)果分析

試驗使用了2套Φ127.0 mm減速渦輪鉆具，其中一套型號為TDR1-127，由中原鉆井工程技術研究院國家“863”項目組提供(全新)，另一套型號為TRO-127，由中國石化西北油田分公司提供(舊渦輪鉆具，2006年7月5日至9日曾在塔深1井五開Φ165.1 mm井眼8.321 30～8.405 km井段使用)。試驗井段為5.946～6.314 km，所鉆地層為石炭系巴楚組(下泥巖段)、泥盆系東河塘組、志留系柯坪塔格組，巖性為泥巖和砂巖。

3.1 提速效果

TDR1-127型渦輪鉆具井下工作時間125 h，純鉆時84 h，進尺301 m，平均機械鉆速3.59 m/h(試驗后井口測試顯示工具工作正常)。TRO-127型井下工作時間36 h，純鉆時18.68 h，進尺67 m，平均機械鉆速為3.59 m/h(井口測試表明減速器損壞，工作時間較短的原因是在塔深1井使用后沒有維修保養(yǎng))。圖4為四開井段機械鉆速隨井深的變化曲線。從圖4可以看出，減速渦輪鉆井的機械鉆速明顯高于上下鄰井段轉(zhuǎn)盤鉆井的機械鉆速。

圖4 四開井段機械鉆速曲線Fig.4 Penetration rate curve in re-drilling interval

表1中給出了減速渦輪復合鉆井與轉(zhuǎn)盤鉆井機械鉆速對比結(jié)果。TDR1-127型渦輪鉆具平均機械鉆速為3.59 m/h，為上部鄰井段轉(zhuǎn)盤鉆井機械鉆速的2.5倍。TRO-127型渦輪鉆具平均機械鉆速為3.59 m/h，為下部鄰井段轉(zhuǎn)盤鉆井機械鉆速的1.9倍。與鄰井TK1239井同井段轉(zhuǎn)盤鉆進相比，機械鉆速提高了1.23倍，與鄰井TK1225井同井段轉(zhuǎn)盤鉆進相比，機械鉆速提高了1.76倍。

表1 減速渦輪鉆具復合鉆井與轉(zhuǎn)盤鉆井機械鉆速對比Table 1 Penetration rate comparison between decelerating turbine drilling and rotary drilling

3.2 降斜效果

從單點測斜儀和多點測斜儀的數(shù)據(jù)(表2)來看，使用減速渦輪之后，井斜角從5.951 km時的2.66°降至6.225 km時的0.33°，這說明該工具具有一定的降斜作用。

表2 四開井段井斜數(shù)據(jù)Table 2 Deviation data of re-drilling interval

4 結(jié)論

(1)針對西部深層地質(zhì)條件和現(xiàn)有防斜打快技術的不足，提出了減速渦輪防斜打快技術，研制的減速渦輪鉆具使用壽命較長(TDR1-127減速渦輪試驗后井口測試工作正常)。

(2)減速渦輪鉆井技術提速效果明顯，與試驗井上下鄰井段轉(zhuǎn)盤鉆井相比，機械鉆速提高90%～150%，與鄰井同井段轉(zhuǎn)盤鉆進相比，機械鉆速提高1.2～1.7倍。

(3)減速渦輪鉆井技術防斜效果明顯，試驗井井斜角從入井時2.66°(5.89 km)降至0.33°(6.225 km)。

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(編輯 李志芬)

Technology of deviation control and drilling fast by decelerating turbine in super-deep wells

JIANG Jin-bao1，2，SUN Xue1，ZHAO Guo-shun3，DONG Wei-zhe4，WANG Jia-chang1，WANG Hui-wen1
(1.Drilling Engineering＆Technology Institute，Zhongyuan Petroleum Exploration Bureau，Puyang 457001，China;2.College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Beijing 102249，China;3.The Third Drilling Company，Zhongyuan Petroleum Exploration Bureau，Puyang 457001，China;4.Tarim Drilling Company，Zhongyuan Petroleum Exploration Bureau，Korla 841000，China)

The problems of low penetration rate of super-deep slim hole drilling and difficulty of deviation control seriously restrict the development of deep reservoirs in Western China.By analyzing the domestic research and application of deviation control and drilling fast technology，the decelerating turbine drilling technology to control deviation and increase drilling speed was introduced.And then，small size decelerating turbine tools were developed.The results of field testing show that the decelerating turbine compound drilling technology has obvious effect on increasing drilling speed.The experimental well TH12509 was drilled by decelarating turbine compound drilling tools，whose drilling rate is increased by 90%－150%compared to rotary drilling of adjacent section，and by 1.2－1.7 times compared to adjacent well.The deviation angle decreases from 2.66°(5.89 km)to 0.33°(6.225 km).This technology provides a new way to deviation control and drilling fast in super-deep slim hole wells in Western China.

oil well drilling;super-deep slim hole well;deviation control and drilling fast;decelerating turbine

TE 21

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.01.013

2010－04－14

國家“863”計劃項目(2006AA06A109);中原油田博士后基金項目(2009301博)

蔣金寶(1981－)，男(漢族)，山東曹縣人，中原油田博士后，主要從事超深井鉆井和油氣井巖石力學應用研究。

1673-5005(2011)01-0068-04