减速器涡轮钻具应用于小井眼钻井的发展趋势探讨

xxc7105

减速器涡轮钻具应用于小井眼钻井的发展趋势探讨

　　摘 要：由于小井眼钻井成本低、排出岩屑体积小，对环境污染小，在世界范围内得到了大力发展，因此，各种小井眼钻井设备应运而生，介绍了新型小尺寸行星齿轮减速器涡轮钻具的结构特点和小井眼钻井存在的技术问题，以及把行星齿轮减速器涡轮钻具应用在小井眼钻井上的优势及发展趋势。 
　　关键词：行星齿轮；减速器；涡轮钻具；小井眼；发展趋势 
　　 
　　现今，降低钻井工程成本已成为油气钻井的重要课题，而小井眼钻井可以减少消耗，降低成本，出于对降低钻采成本、环境保护的压力、以及减少边远和地面交通困难地区勘探风险等因素的考虑，小井眼钻井技术已经成为世界各国重点发展的一项钻井技术。小井眼钻井需钻去的岩屑体积相对减少、钻具用量少、泥浆和套管耗量少、钻柱减轻、能耗降低，其发展很有潜力。小井眼钻井技术的实施要着重解决硬件技术，重点是井下动力钻具及相应PDC钻头的选取，为了满足小井眼钻井的需求，则需要小直径的井下动力钻具。涡轮钻具是一种结构比较特殊的井下动力钻具，它由钻井泵打出的高压钻井液来驱动，将常规涡轮钻具配以行星齿轮减速器后，能使其原有的高转速降低到能满足高效钻头使用的中、低转速，而且相应成倍地提高了其工作扭矩。 
　　 
　　1 小井眼钻井技术发展存在的技术问题 
　　 
　　小井眼钻井技术的发展，有以下几方面的原因，降低成本，环保问题，勘探风险。世界范围内的钻井实践表明，小井眼钻井比常规钻井可节省费用50％左右，特别是国外使用专门设计的小井眼钻机后，节约钻井费用可高达60％～75％，又由于小井眼钻井井径缩小，钻井液用量和排出岩屑都减少，井场占地减少等因素，所以小井眼钻井更有利于环保，相应也降低了勘探风险。 
　　小井眼与常规井眼相比有两个基本区别；井径小，环空间隙小。由于这两个基本区别，引发了一系列小井眼钻井的技术问题，如环空压耗较大幅度增加、井控问题激化、钻头机械钻速下降等，其中，要解决的首要问题是提高钻进效率。为了提高钻进效率，除了选择合适的钻头外，还需要合理选择具有较大扭矩的小尺寸井下动力钻具。 
　　 
　　2 行星齿轮减速器涡轮钻具的结构特点 
　　 
　　行星齿轮减速器涡轮钻具主要由以下几部分组成；涡轮节，轴承节，行星齿轮减速器。 
　　涡轮节主要由壳体、转子、定子和涡轮轴组成，其作用是将高压流体的水力能转换成驱动钻头的机械能。轴承节的主要作用是承受轴向力，并将动力平稳地传递给钻头。 
　　
　　减速器主要由行星齿轮、止推轴承、密封系统等组成，其主要作用是将涡轮钻具的高转速通过一定减速比的减速齿轮进行降低，同时将其扭矩按照相应的减速比提高，以满足牙轮钻头和复合金刚石钻头转速及驱动的需要，如图1所示即为减速器中行星齿轮截面图。 
　　减速器的工作原理及减速前后涡轮钻具的扭矩一转速特性如图2和图3所示，图中A、B、C为减速齿轮支点，为输入高转速，为输出低转速。采用减速比为i的减速器之后涡轮钻具的转速可以降低j倍，而涡轮钻具的扭矩将增加i倍。 
　　这种行星齿轮减速器的减速比比较适中，传递的扭矩较大，压力降较小，而且由于整个钻具不存在橡胶件，能够耐高温，使用寿命长。发展新型中转速、低压降、高扭矩减速涡轮钻具，配合高效优质的PDC钻头或者高速长寿命牙轮钻头钻井，可较大幅度的提高钻井速度，降低综合钻井成本。

xxc7105

　　3 在小井眼钻井中选择行星齿轮减速器涡轮钻具的优势与发展趋势
　　
　　小井眼钻井中，井下动力钻具的选择十分重要，通常，小尺寸动力钻具的输出扭矩小，使用时间短，严重影响了钻井速度。
　　目前世界各国使用的井下动力钻具包括螺杆钻具和涡轮钻具两种，通常，普通小尺寸的螺杆钻具的扭矩会随着使用时间的增加会快速降低，往往不能够满足小井眼钻井作业的实际需要。减速器涡轮钻具由于在钻具下部连接了行星齿轮减速器，使得钻具的扭矩成倍增加，小井眼中钻头的水力能量很低，达不到喷射钻井的要求，要提高机械钻速只能走强化钻头机械能量这条路，减速器涡轮钻具的涡轮节数可以根据需要增减，由于它采用了行星减速齿轮和密封油润滑轴承，所以具有长度短、压降低、扭矩大、寿命长的特点，可满足不同钻井作业的需要，同时其工作扭矩达到或超过同尺寸螺杆钻具的扭矩，降低了钻井成本，减速器涡轮钻具与常规涡轮钻具一样，不含橡胶件，定转于均为铸钢或不锈钢铸造件，耐冲刷，耐高温，对深井、超深井的小井眼钻井十分有利。
　　迄今为止，小井眼钻井活动遍及世界许多国家如美国、法国、英国、加拿大和委内瑞拉等，美国是目前世界上小井眼钻井最多的国家，而且在老井加深、侧钻领域应用小井眼技术最多，特别是侧钻短半径水平井，此外，目前国外已有不少公司应用小井眼钻井技术钻储气井，这也是它的最新用途之一，针对小井眼钻井技术的大力推广，世界各国竞相开发小井眼钻具，国外各石油机械生产商，如美国Paker钻井公司、Color公司和法国Forasol-Foramer公司等，均在小井眼涡轮钻具发展方面取得不菲成绩。
　　
　　近年来，俄罗斯设计生产出了具备竞争力的小尺寸减速器涡轮钻具，其目的是为磨铣、扩眼、切割套管服务，其充油密封带行星齿轮的减速装置能够提供较高的扭矩和较低的转速以适应工具切削套管及钻头钻进的需要，表l中列出了俄罗斯设计的几种减速器涡轮钻具的动力参数，
　　减速器涡轮钻具在国内塔深1井应用，也取得了良好的效果，2006年俄罗斯设计的7RO-121减速器涡轮钻具在塔深l井与成都BES了公司生产的M1365型PDC钻头配合使用，经过现场试验，取得了很好的技术经济指标，表2中列出了TRO-121减速器涡轮钻具特性参数。
　　从表3可以看出，采用转盘旋转钻进配合PDC钻头，平均机械钻速为1.09m/h，采用减速器涡轮钻具配合PDC钻头时平均机械钻速为2.14m/h，减速器涡轮钻具钻进的机械钻速提高了96％。
　　推广应用减速器涡轮钻井技术是提高中深井和深井小井眼的钻井速度、缩短建井周期和降低钻井成本的有效措施之一，减速器涡轮钻具与高效优质PDC钻头结合，可充分发挥减速器涡轮钻具高转速、大扭矩的性能。开发小尺寸涡轮钻具用于老井侧钻，在世界许多国家也都取得了成功，
　　专家预计，小井眼的工作量将来要占全部钻井工作量的50％到60％。从小井眼钻井技术日益完善的角度看，小井眼的使用范围十分广阔，不仅用于探井，也可用于开发井；不仅用于直井，也可用于定向井、水平井；不仅用于打新井，也可用于老井加深及侧钻，不仅用于浅井，也可用于深井；不仅用于油井，也可用于气井，这些都为小尺寸减速器涡轮钻具应用于小井眼钻井开拓了广阔的发展前景。
　　
　　4 结论
　　
　　(1)小井眼钻井技术具有良好的经济及社会利益，是石油工业的一项前沿技术。
　　(2)发展新型行星齿轮减速器涡轮钻井技术是提高小井眼的钻井速度、缩短建廾周期和降低钻井成本的有效措施之一。
　　(3)与螺杆钻具相比。新型减速器涡轮钻具扭矩大、钻速高的特点更能满足小井眼钻井的技术要求。