翁 煒， 張德龍， 趙志濤， 朱迪斯

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

?127 mm渦輪鉆具在干熱巖鉆井取心鉆進(jìn)中的試驗(yàn)研究

翁 煒， 張德龍， 趙志濤， 朱迪斯

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

干熱巖地層以火成巖為主，地層溫度高，可鉆性差。為解決干熱巖鉆探機(jī)械鉆速低、鉆具磨損嚴(yán)重等問(wèn)題，針對(duì)干熱巖特點(diǎn)研制了一套耐高溫?127 mm渦輪鉆具，并在福建省漳州市干熱I井進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)井段平均機(jī)械鉆速與?165 mm螺桿配合金剛石鉆頭相比提高了30.3%，與轉(zhuǎn)盤(pán)配合牙輪鉆頭相比提高98.5%。試驗(yàn)結(jié)果表明，該?127 mm渦輪鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠滿足干熱巖高溫鉆探的需要。

干熱巖鉆探；井下鉆具組合；渦輪鉆具；PDC軸承；高溫鉆井；取心鉆探

0 引言

干熱巖地層通常為火成巖，地層溫度高，巖石研磨性強(qiáng)、可鉆性差，鉆探難度極大。我國(guó)溫度介于150～250 ℃的干熱巖儲(chǔ)量巨大，約為6.3×106EJ，按2%的可開(kāi)采儲(chǔ)量計(jì)算，相當(dāng)于2010年我國(guó)能源消費(fèi)總量的1320倍，開(kāi)發(fā)利用前景巨大[1]。相關(guān)勘探開(kāi)發(fā)工作主要需要采用鉆進(jìn)技術(shù)，在鉆進(jìn)過(guò)程中由于巖石具有較高的強(qiáng)度，鉆頭吃入量小，而轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速低，鉆探效率低下。采用井下動(dòng)力鉆具進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)可以有效提高鉆探效率，常用的井下動(dòng)力鉆具有渦輪鉆具、螺桿鉆具、液動(dòng)潛孔錘等。螺桿鉆具具有低速、大扭矩特點(diǎn)，然而螺桿鉆具中的橡膠部件耐溫性能通常不高于180 ℃，不適宜高溫干熱巖鉆探應(yīng)用。液動(dòng)潛孔錘適合在堅(jiān)硬、破碎巖層以及中等硬度的不均質(zhì)巖層中應(yīng)用，同時(shí)高頻、周期性沖擊振動(dòng)對(duì)井下鉆具壽命也有較大影響，無(wú)形中增加了起下鉆時(shí)間和鉆探風(fēng)險(xiǎn)。比較而言，渦輪鉆具具有高轉(zhuǎn)速、耐高溫、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，更適宜在高溫硬巖鉆探中使用。

早在1976年，在美國(guó)芬頓山干熱巖示范工程中就大量應(yīng)用了耐高溫渦輪鉆具，渦輪鉆具在美國(guó)高溫地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)過(guò)程中起到了重要作用[2-3]。目前，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了減速器渦輪鉆具、導(dǎo)向渦輪鉆具等設(shè)計(jì)[4-11]，并在多個(gè)地區(qū)和多種地層條件下進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用，大幅提高了機(jī)械鉆速。目前國(guó)內(nèi)外的渦輪鉆具一般應(yīng)用在全面鉆探領(lǐng)域[12-19]。

隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，鉆頭壽命越來(lái)越長(zhǎng)，工作轉(zhuǎn)速也日益變高，開(kāi)發(fā)長(zhǎng)壽命、高轉(zhuǎn)速的渦輪鉆具可以有效提高干熱巖鉆探機(jī)械鉆速，大幅縮短起下鉆時(shí)間，提高工作效率。為此，北京探礦工程研究所針對(duì)干熱巖地層特點(diǎn)研制了?127 mm耐高溫高速渦輪鉆具，并在我國(guó)干熱巖鉆探現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了國(guó)內(nèi)首回次取心鉆進(jìn)試驗(yàn)應(yīng)用，達(dá)到了預(yù)期效果。

1 ?127 mm渦輪鉆具設(shè)計(jì)與試制

渦輪鉆具主要分為渦輪節(jié)和支承節(jié)，鉆具設(shè)計(jì)的核心是葉片以及軸承，這也是影響性能與壽命的關(guān)鍵因素。在渦輪鉆具的研發(fā)過(guò)程中盡可能的采用新技術(shù)、新方法，提高了鉆具的整體性能，縮短了研發(fā)周期。?127 mm渦輪鉆具采用了多節(jié)渦輪節(jié)加獨(dú)立支承節(jié)的結(jié)構(gòu)方案，各節(jié)之間采用花鍵式聯(lián)軸器連接，具有較高的承載能力，定心精度高，導(dǎo)向性能好，適合渦輪高轉(zhuǎn)速運(yùn)行要求。鉆具采用高性能不銹鋼渦輪葉片、PDC止推軸承、硬質(zhì)合金扶正軸承(或PDC扶正軸承)，全金屬無(wú)橡膠結(jié)構(gòu)，其耐高溫能力可達(dá)300 ℃，工作壽命達(dá)400 h以上，工作轉(zhuǎn)速高于800 r/min。

1.1 渦輪葉片設(shè)計(jì)與試制

渦輪葉片是渦輪鉆具的核心部件，其性能決定了渦輪鉆具的輸出特性，在同一尺寸規(guī)格限制下，可通過(guò)調(diào)整葉片性能提供不同工作轉(zhuǎn)速和扭矩，滿足不同鉆井工程需要?，F(xiàn)有渦輪鉆具普遍為大排量、高壓降設(shè)計(jì)，為了改善渦輪鉆具的性能，國(guó)內(nèi)外各大科研單位、公司都做了大量的工作。2005年，美國(guó)史密斯公司申報(bào)了非對(duì)稱渦輪葉片專利[20]；2006年，俄羅斯渦輪鉆具公司在專利中提出了變流道截面高速渦輪鉆具[21]。國(guó)內(nèi)對(duì)渦輪葉片的設(shè)計(jì)也開(kāi)展了多項(xiàng)研究，并取得了較好效果[23-24]。2014年，中國(guó)石油大學(xué)(北京)譚春飛教授提出了線投影渦輪葉片方案，并申報(bào)了專利[22]。

本文在以往研究的基礎(chǔ)上采用了理論計(jì)算、數(shù)值模擬、試制試驗(yàn)的方法開(kāi)展了渦輪葉片研發(fā)工作。重點(diǎn)是采用了五次多項(xiàng)式法設(shè)計(jì)渦輪葉片型線，其后采用Ansys CFX對(duì)渦輪葉片進(jìn)行造型、網(wǎng)格化、物理定義、求解和后處理，對(duì)渦輪葉片性能進(jìn)行了分析，最終獲取渦輪葉片。在渦輪葉片設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)葉片安裝角進(jìn)行了優(yōu)化，盡可能保證尾緣邊線與轉(zhuǎn)子前緣邊線保持平行，鉆具尺寸規(guī)格參數(shù)根據(jù)施工井徑確定后，在不改變?nèi)~片內(nèi)徑、外徑、高度的情況下，主要通過(guò)調(diào)整葉型參數(shù)優(yōu)化，通過(guò)進(jìn)行數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后渦輪葉片扭矩提高了18%。

室內(nèi)試驗(yàn)是渦輪葉片研發(fā)必不可少的過(guò)程，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)可以驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果，為渦輪葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供必要的數(shù)據(jù)。為了加快渦輪葉片的研發(fā)進(jìn)度，購(gòu)置了三維打印設(shè)備，應(yīng)用樹(shù)脂材料將設(shè)計(jì)好的渦輪葉片打印成模型并進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，樹(shù)脂葉片如圖1所示。

圖1 三維打印樹(shù)脂葉片

試驗(yàn)表明，樹(shù)脂成型的渦輪葉片與設(shè)計(jì)葉片誤差≯1%，其強(qiáng)度和壽命可滿足水力性能模擬對(duì)比試驗(yàn)要求，大幅縮短了渦輪葉片研發(fā)的周期。在渦輪葉片的批量制造過(guò)程中，采用了熔模鑄造的方式[25]，并采用三維掃描儀對(duì)鑄造后的渦輪葉片進(jìn)行檢測(cè)，提高了檢測(cè)的精度和效率，保證了渦輪葉片的性能。精密工藝最大的優(yōu)點(diǎn)就是表面光潔度高，可達(dá)6.3，葉片位置的光潔度可以成型后直接通過(guò)噴砂處理即可，同時(shí)其尺寸精度可控。葉片在工作過(guò)程中主要受到鉆井液沖蝕作用，同時(shí)還需要考慮葉片整體強(qiáng)度，通過(guò)對(duì)葉片材料進(jìn)行對(duì)比和優(yōu)選，最終葉片材質(zhì)選擇為鑄造用耐腐蝕鋼，對(duì)鑄造加工后葉片進(jìn)行時(shí)效處理，消除殘余應(yīng)力，工件硬度為HRC32～38。

1.2 高速PDC軸承研制

早期渦輪鉆具采用橡膠扶正軸承和推力球軸承，橡膠扶正軸承耐溫能力差、壽命較短；推力球軸承在含有固相的鉆井液中工作，隨著轉(zhuǎn)速的增加壽命大幅縮短，一般不超過(guò)150 h。PDC軸承最初作為螺旋槳軸承應(yīng)用，后來(lái)引入到高速牙輪鉆頭中作為牙掌軸承使用，提高了牙輪鉆頭的整體壽命。美國(guó)和俄羅斯已經(jīng)在部分渦輪鉆具中采用了PDC軸承，大幅提高了渦輪鉆具的使用壽命[26]。北京探礦工程研究所也完成了雙向止推軸承的設(shè)計(jì)、研制和應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上提高了渦輪鉆具的壽命[27]。

1.2.1 PDC軸承設(shè)計(jì)

PDC軸承由動(dòng)盤(pán)和靜盤(pán)兩部分組成，靜盤(pán)固定在渦輪鉆具外殼上，動(dòng)盤(pán)固定在渦輪鉆具主軸上。PDC復(fù)合片硬度較高，其優(yōu)點(diǎn)是磨耗比高、壽命長(zhǎng)，不足之處是不耐沖擊，在沖擊的情況下容易發(fā)生碎裂，從而影響了軸承的整體壽命。在井下鉆井工作中，沖擊和震動(dòng)是無(wú)法避免的，為了避免PDC復(fù)合片受沖擊而發(fā)生損壞，在PDC復(fù)合片的上面設(shè)置了減震彈簧，減震彈簧可以有效地吸收鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊力，軸承結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 渦輪鉆具PDC軸承

1.2.2 關(guān)鍵材料選擇

選用優(yōu)質(zhì)的PDC復(fù)合片，經(jīng)與標(biāo)準(zhǔn)砂輪進(jìn)行磨耗比測(cè)試后復(fù)合片的磨耗比可達(dá)30萬(wàn)。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，在模擬工作鉆進(jìn)壓力下，室內(nèi)模擬運(yùn)行3 h，平均磨損速度約為0.001 mm/h，考慮工況等條件影響，按照2.5倍系數(shù)計(jì)算，在正常的鉆進(jìn)工作下1 mm厚的聚晶金剛石層可工作400 h以上。

1.3 ?127 mm渦輪鉆具整機(jī)試制(參見(jiàn)圖3)

圖3 ?127 mm規(guī)格渦輪鉆具整機(jī)試制

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)用?127 mm渦輪鉆具，其主要技術(shù)參數(shù)為：輸出轉(zhuǎn)速1000～1400 r/min，壓降7.5～10 MPa，扭矩1300 N·m，流量14～16 L/s，最大鉆壓50 kN，接頭扣型3REG。

通過(guò)新型渦輪葉片的開(kāi)發(fā)以及PDC軸承的應(yīng)用，渦輪鉆具的性能有了一定程度的提升。

2 渦輪鉆具室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

德州聯(lián)合石油機(jī)械廠30LZSY型螺桿鉆具整機(jī)試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)為：扭矩加載及測(cè)量范圍0～30 kN·m，轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍50～500 r/min，入口壓力0～16 MPa，出口壓力0～1 MPa，入口流量0～45 L/s，入口介質(zhì)溫度0～100 ℃，可測(cè)鉆具直徑95～286 mm。

2.2 試驗(yàn)?zāi)康呐c參數(shù)

(1)試驗(yàn)?zāi)康模簻y(cè)試?127 mm渦輪鉆具的輸出性能，驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果，為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供依據(jù)。

(2)試驗(yàn)參數(shù)：試驗(yàn)流體介質(zhì)采用清水，密度1 g/cm3；采用單根渦輪節(jié)配套支承節(jié)進(jìn)行測(cè)試，渦輪葉片數(shù)量為110級(jí)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

?127 mm渦輪鉆具，在14～16 L/s流量條件下，扭矩為1320～1750 N·m，與設(shè)計(jì)參數(shù)相符，不同流量條件下測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 ?127 mm渦輪鉆具臺(tái)架測(cè)試數(shù)據(jù)

3 ?127 mm渦輪鉆具取心鉆進(jìn)試驗(yàn)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)概況

試驗(yàn)孔位于福建省漳州市，設(shè)計(jì)井深為4000 m，根據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)，0～20 m地層為花斑狀砂質(zhì)粘土、粘土、泥質(zhì)砂礫卵石；20～200 m地層為灰色流紋質(zhì)熔巖及火山碎屑巖夾凝灰質(zhì)粉砂巖、沉凝灰?guī)r等；200 m以深為青灰色片麻狀似斑狀粗粒二長(zhǎng)花崗巖。預(yù)測(cè)4000 m深地層溫度超過(guò)200 ℃。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

圖4 ?127 mm渦輪鉆具干熱Ⅰ井試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

鉆機(jī)：JC3000型鉆機(jī)；

泥漿泵：QZB1300型泥漿泵；

泥漿制備及固控系統(tǒng)：現(xiàn)場(chǎng)配有10 m3攪漿機(jī)，TSZ180型鉆井液振動(dòng)篩，ZCS300-2型泥漿清潔器，TGLW350型鉆井液離心機(jī)。

3.3 試驗(yàn)情況

2015年7月，在干熱I井進(jìn)行渦輪鉆具鉆進(jìn)試驗(yàn)，試驗(yàn)采用?127 mm渦輪鉆具配合金剛石鉆頭進(jìn)行取心鉆進(jìn)。

(1)試驗(yàn)井段：880.09～882.34 m，預(yù)測(cè)地層溫度為70～80 ℃。

(2)地層巖性：青灰色片麻狀粗粒二長(zhǎng)花崗巖。

(3)水力參數(shù)：鉆井液排量14 L/s，密度1.18 g/cm3，立管壓力10～11 MPa，鉆井液粘度60 s。

(4)鉆具組合：?152/94 mm孕鑲?cè)⌒你@頭+?139 mm取心鉆具+152扶正器+311×331雙公接頭+?127 mm渦輪鉆具+331×410轉(zhuǎn)換接頭+?178 mm鉆鋌+215.6扶正器+鉆桿+鉆桿濾清器。

(5)鉆井參數(shù)：鉆壓15～30 kN，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速20 r/min。

(6)試驗(yàn)過(guò)程：鉆具入井，自880.09 m鉆進(jìn)至882.34 m起鉆。起鉆后渦輪鉆具經(jīng)井口測(cè)試工作正常，鉆頭磨損情況正常，打開(kāi)取心鉆具發(fā)現(xiàn)地層破碎發(fā)生堵心。渦輪鉆具總進(jìn)尺2.25 m，純鉆時(shí)間1.75 h，平均機(jī)械鉆速1.29 m/h。該井不同鉆具組合的參數(shù)如表2所示。

表2 不同鉆具組合鉆進(jìn)參數(shù)對(duì)比

3.4 試驗(yàn)分析

(1)采用?127 mm渦輪鉆具配合金剛石鉆頭取心鉆進(jìn)平均機(jī)械鉆速為1.29 m/h，與同井上部井段?165 mm螺桿配合金剛石鉆頭取心鉆進(jìn)相比平均機(jī)械鉆速提高30.3%，與同井段轉(zhuǎn)盤(pán)配合牙輪鉆頭全面鉆進(jìn)相比機(jī)械鉆速提高98.5%，與同井段?165 mm螺桿配牙輪鉆頭全面鉆進(jìn)相比機(jī)械鉆速提高18.3%。

(2)本項(xiàng)工程為點(diǎn)取心方式，采用小直徑取心后再擴(kuò)孔鉆進(jìn)的工藝，采用?165或178 mm渦輪鉆具鉆進(jìn)其提速效果會(huì)更加明顯，可同時(shí)滿足取心和全面鉆進(jìn)需要。

(3)渦輪鉆具屬于液動(dòng)馬達(dá)，其工作性能與鉆井液參數(shù)息息相關(guān)?，F(xiàn)場(chǎng)泥漿泵排量固定，無(wú)法依據(jù)井下鉆進(jìn)情況合理調(diào)整，對(duì)渦輪鉆具性能的發(fā)揮有一定影響。

(4)?127 mm渦輪鉆進(jìn)用于取心鉆探獲取的部分巖心出現(xiàn)不規(guī)則形狀，分析其原因可能為巖心遇阻、扶正器不匹配等。

(5)提鉆后檢查渦輪鉆具、鉆頭、取心鉆具，未發(fā)現(xiàn)磨損、損壞情況。軸承節(jié)間隙差值為0.3 mm，其間隙變化在正常范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論與建議

(1)本次試驗(yàn)為國(guó)內(nèi)在干熱巖鉆探領(lǐng)域首次采用渦輪鉆具配合取心鉆具和金剛石鉆頭進(jìn)行取心鉆進(jìn)，本次試驗(yàn)的開(kāi)展，初步檢驗(yàn)了所研制的渦輪鉆具的性能，也探索了應(yīng)用渦輪鉆具配合金剛石鉆頭取心鉆進(jìn)的可行性，可為地質(zhì)、石油鉆探領(lǐng)域推廣應(yīng)用渦輪鉆具提供有益借鑒。

(2)渦輪鉆具的作用是將鉆井液水力能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)破巖的機(jī)械能，因此鉆頭選型尤為重要。本次試驗(yàn)選用的是孕鑲金剛石取心鉆頭，充分利用高轉(zhuǎn)速、低扭矩、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，這種搭配形式在硬巖難鉆進(jìn)地層具備一定的優(yōu)勢(shì)。

(3)本次試驗(yàn)鉆井液含砂量較高，基于出井后測(cè)量結(jié)果判斷，渦輪鉆具PDC軸承基本沒(méi)有發(fā)生磨損，充分驗(yàn)證了PDC軸承長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)。

(4)要滿足鉆進(jìn)需要，在渦輪鉆具選型過(guò)程中應(yīng)充分考慮地層條件、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備條件等因素，通過(guò)葉片性能優(yōu)化等方式滿足工程所需轉(zhuǎn)速、壓降的要求。相對(duì)其它鉆具而言，我國(guó)渦輪鉆具的應(yīng)用特別是在取心鉆進(jìn)中的應(yīng)用案例較少。為此，應(yīng)加大渦輪鉆具推廣力度，為今后渦輪鉆具及其鉆進(jìn)工藝的發(fā)展積累現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

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ExperimentalResearchontheApplicationof127mmTurbodrillinHotDryRockCoreDrilling

WENGWei,ZHANGDe-long,ZHAOZhi-tao,ZHUDi-si

(Beijing Institute of Exploration Engineering, Beijing 100083, China)

The hot dry rock resource is mainly made up of volcanic with high temperature and poor drillability. In order to resolve the difficulties of low drilling speed and serious drilling tools wear, a set of ?127mm high-temperature turbodrill is designed and manufactured, which was tested in a hot dry rock well, the ROP were increased by 30.3% and 98.5% compared with ?165mm PDM + diamond bit and rotary table matching cone bit respectively. The experiment results show that this ?127mm turbodrill has reasonable structure design and is suitable for the high-temperature hot dry rock drilling.

hot dry rock drilling; bottom hole assembly; turbodrill; PDC bearing; high-temperature drilling; coring drilling

2017-05-07；

2017-07-15

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“小口徑孔底動(dòng)力鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及應(yīng)用研究”(編號(hào)：12120113017500)；國(guó)際科技合作項(xiàng)目“地質(zhì)深孔小口徑孔底動(dòng)力安全鉆探技術(shù)研究”(編號(hào)：2011DFR71170)

翁煒，男，漢族，1977年生，室主任，教授級(jí)高級(jí)工程師，地質(zhì)工程專業(yè)，博士，從事地質(zhì)鉆探及巖土鉆掘機(jī)具研究與開(kāi)發(fā)工作，北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號(hào)，13641288752@163.com。

P634

A

1672-7428(2017)09-0068-05