張瑞典，付建紅，呂永科，謝 冬 ，張 磊

（1.西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成 都 6 10500；2.中石油勘探開發(fā)研究院，北京 1 00083；3.西部鉆探鉆井工程技術(shù)研究院，新疆 鄯 善 8 38200；4.中海油研究總院，北京 1 00027）

渦輪鉆井技術(shù)與轉(zhuǎn)盤驅(qū)動鉆井技術(shù)有很大不同。渦輪鉆井技術(shù)[1~2]是將渦輪鉆具直接安裝在鉆頭上部，下入井內(nèi)，通過鉆井液驅(qū)動渦輪鉆具轉(zhuǎn)子同軸一起旋轉(zhuǎn)，帶動鉆頭隨著轉(zhuǎn)動，鉆具殼體和鉆柱不旋轉(zhuǎn)。其地面鉆井設(shè)備同轉(zhuǎn)盤驅(qū)動的地面設(shè)備也不相同，渦輪鉆具要求鉆井泵組的功率比較大。渦輪鉆井方式能鉆達(dá)的深度是轉(zhuǎn)盤驅(qū)動鉆井方式無法超越的。早在60~70年代前蘇聯(lián)在阿塞拜疆地區(qū)使用多個渦輪節(jié)組合成的渦輪鉆具成功地鉆到4 500 m的深度。

渦輪鉆井技術(shù)的主要特點(diǎn)[3]是：

（1）渦輪鉆具能產(chǎn)生很大的鉆頭功率；

（2）由于使用渦輪鉆井，鉆柱不旋轉(zhuǎn)，適合打定向井；

（3）由于鉆柱不旋轉(zhuǎn)，減少了與井壁的碰撞與摩擦延長了鉆柱壽命。

渦輪鉆具直接把功率傳輸?shù)姐@頭，鉆頭得到的強(qiáng)大功率可以有效提高機(jī)械鉆速，尤其針對堅(jiān)硬地層效果更明顯，使用低速渦輪鉆具是在常規(guī)渦輪鉆具中加入一種齒輪低速機(jī)構(gòu)—同步減速器，用來獲得中低的轉(zhuǎn)速、較大扭矩。深入渦輪與低速渦輪鉆井技術(shù)的研究，有利于降低成本提高鉆井效率，加快石油天然氣勘探開發(fā)的進(jìn)程。

1 低速渦輪鉆具輸出特性計(jì)算

（1）低速渦輪輸出轉(zhuǎn)數(shù)的計(jì)算

低速渦輪鉆具轉(zhuǎn)速由周速度與減速比決定，由力學(xué)關(guān)系可以求出：

其中，u為周速度，可以表示為：

式中：

n為渦輪的轉(zhuǎn)數(shù)，r/min；

Dp為渦輪的計(jì)算直徑，m；

i為渦輪的減速比；

Q為流過渦輪的排量，m3/s；

α0為定子葉片與轉(zhuǎn)動方向所呈的角度，°；

h為渦輪葉片的徑向高度，m；

z為渦輪葉片數(shù)目；

δ為渦輪定子葉片的厚度，m。

（2）渦輪的輸出功率、壓降、扭矩計(jì)算

渦輪的有效功率與壓力降、排量之間的關(guān)系：

其中，壓降可由尤拉基本公式計(jì)算得到，P=ρ液η水力u2將（2）式代入得：

將（4）式代入（3）得：

從力學(xué)方程來推導(dǎo)渦輪軸上輸出的轉(zhuǎn)矩。功率等于轉(zhuǎn)矩乘以角速度，即

將（2）式，（5）式和（6）式聯(lián)立得單級渦輪的扭矩：

式中：

Nt為單級渦輪的有效功率，W；

η效率為渦輪的轉(zhuǎn)化效率；

p為單級渦輪的壓力降，Pa；

η水力為水力效率，由流過渦輪的水力摩阻決定；

ρ液為工作液體的密度，kg/m3；

M為單級渦輪的扭矩，N·m；

ω為渦輪角速度，rad/s。

以上是單級渦輪最優(yōu)工作條件下有效功率、壓降、扭矩的計(jì)算式，它們各項(xiàng)分別乘以渦輪的級數(shù)即可以得k渦輪的有效功率、壓降、扭矩。

2 模擬計(jì)算結(jié)果

（1）設(shè)定渦輪幾何參數(shù)：排量Q=50 L/s，渦輪輪廓直徑D=241.3 mm，壁厚b=12.5 mm。渦輪外徑為206 mm，計(jì)算使用的直徑為189 mm，葉片的徑向高度為17 mm，其數(shù)目為27個。節(jié)距等于22 mm，級數(shù)k=109。產(chǎn)生的相對長度為29 mm，葉片角度為33.8°。級數(shù)k=109。

（2）渦輪壓降計(jì)算：圖1為單級渦輪壓力分布云圖。設(shè)定鉆井液密度為1.30 g/cm3，塑性粘度15 MPa·s，由云圖顯示的進(jìn)出口面上的壓力加權(quán)平均值可以計(jì)算該條件下單級渦輪的壓力降：

對于109級渦輪來說△P'=9.05 MPa。

模擬的單級渦輪制動扭矩為57 N·m，對于109級低速渦輪來說該條件下制動扭矩約為18 kN·m。根據(jù)壓降數(shù)值可以計(jì)算出轉(zhuǎn)速較低，由模擬結(jié)果可以看出，低速渦輪鉆具獲得了較理想的扭矩和轉(zhuǎn)速等輸出參數(shù)[4]，適合于現(xiàn)場施工。

圖1 單級渦輪的壓力分布云圖

（3）渦輪流速分布

下圖2為單級渦輪的進(jìn)口和出口速度云圖，由云圖可以看出進(jìn)口速度約為4 m/s，和入口邊界條件相符；其出口速度約為7 m/s~8 m/s，與葉片出口處的周速度7.8 m/s相符。

圖2 單級渦輪的進(jìn)口、出口速度云圖

圖3是單級渦輪的縱截面上速度分布云圖，從云圖顯示得出從入口到出口模型中計(jì)算的速度值逐漸變大，但不是線性增加。

圖3 單級渦輪的縱截面速度分布云圖

3 現(xiàn)場試驗(yàn)分析

低速渦輪鉆井技術(shù)在磨017-H10井的現(xiàn)場應(yīng)用：在排量50 L/s，鉆井液密度1.29 g/cm3，設(shè)定低速渦輪的減速比為3，對渦輪輸出參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，渦輪的壓降△P=8.31 MPa，最大功率下的輸出轉(zhuǎn)數(shù)nr=290 r/min，渦輪的最大輸出功率N'最大=291 kW，最大功率下渦輪的輸出扭矩M'=4.7 kN·m。

使用鉆井排量50 L/s為低速渦輪鉆具規(guī)定的最大排量，由計(jì)算結(jié)果可以看出，低速渦輪鉆具獲得了較理想的扭矩和轉(zhuǎn)速等輸出參數(shù)。現(xiàn)場施工和模擬結(jié)果比較吻合。都得到了中低的轉(zhuǎn)速、較大扭矩，可以有效的提高鉆速[5]。

3.1 分析結(jié)果

（1）通過對渦輪輸出特性的分析，得出渦輪的輸出轉(zhuǎn)數(shù)等于空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)一半時，有效功率達(dá)到最大值，從而得出制動扭矩和最大有效功率的計(jì)算方法。

（2）渦輪的輸出轉(zhuǎn)數(shù)隨著渦輪的輸入排量增大而增大；渦輪的輸出扭矩隨著渦輪的輸入排量增大而增大；渦輪的有效輸出功率隨著渦輪的輸入排量增大而增大；渦輪的壓降隨著渦輪的輸入排量增大而增大。

（3）渦輪的輸出轉(zhuǎn)數(shù)隨著渦輪葉片徑向高度增大而增大；渦輪的輸出扭矩、渦輪的有效輸出功率、渦輪的壓降隨著渦輪葉片徑向高度增大而減小。渦輪的輸出轉(zhuǎn)數(shù)、渦輪的有效輸出功率、渦輪的壓降隨著渦輪葉片數(shù)目增大而增大；渦輪葉片數(shù)目增大對渦輪的輸出扭矩影響不大。渦輪的輸出轉(zhuǎn)數(shù)、渦輪的輸出扭矩、渦輪的有效輸出功率、渦輪的壓降隨著渦輪葉片出口角度增大而減小。

3.2 創(chuàng)新建議

為進(jìn)一步提高低速渦輪鉆具的提速效果，對低速渦輪鉆具的使用提出如下建議：

（1）鉆井液在渦輪中的實(shí)際流動非常復(fù)雜，本文對渦輪進(jìn)行數(shù)值模擬時，考慮的因素有限，數(shù)值模擬研究有待進(jìn)一步完善，應(yīng)當(dāng)考慮在動態(tài)座標(biāo)系下的渦輪流動特性的數(shù)值模擬，使低速渦輪鉆具輸出參數(shù)計(jì)算更加準(zhǔn)確。

（2）在淺井段或欠壓實(shí)井段可以使用低速渦輪鉆具。根據(jù)試驗(yàn)井PDC的磨損情況，可以考慮使用高質(zhì)量的牙輪鉆頭配合低速渦輪鉆具使用。

（3）PDC鉆頭配合低速渦輪鉆具組合可在較深地層試用。

4 結(jié)束語

利用CFD軟件對渦輪流動特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬了單級渦輪的壓力分布、單級渦輪內(nèi)的流線分布、模擬結(jié)果與所采用的渦輪推薦值相吻合。低速渦輪鉆井在鉆進(jìn)時可獲得低鉆速，大扭矩提高了機(jī)械鉆速，可推動鉆井事業(yè)的發(fā)展。

[1]成 海，鄭衛(wèi)建，夏 彬，等.國內(nèi)外渦輪鉆具鉆井技術(shù)及其發(fā)展趨勢[J].石油礦場機(jī)械，2008，37(4):28-31.

[2]胡辛禾.低速大扭矩耐高溫渦輪鉆具[J].石油機(jī)械，1999，27(12)：23-26.

[3]許福東，符達(dá)良.帶減速器渦輪鉆具動態(tài)特性瞬變規(guī)律及其模擬[J].石油機(jī)械，1997，25(6):36-39.

[4]李文飛，周延軍，陳 明，等.渦輪鉆具復(fù)合鉆井技術(shù)及其在塔河油田的應(yīng)用[J].西部探礦工程，2010(5):41-44.

[5]譚春飛，王甲昌，鄭衛(wèi)建，等.TDR1-127減速渦輪鉆具在塔河油田超深井的試驗(yàn)研究[J].石油鉆采工藝，2010，32（2）：93-96.