涡轮钻具及PDC钻头联合工作性能试验分析

2012-11-08李燕青易发全长江大学机械工程学院湖北荆州434023

长江大学学报(自科版) 2012年1期

张强，李燕青，易发全 (长江大学机械工程学院, 湖北荆州 434023)

张强，李燕青，易发全 (长江大学机械工程学院, 湖北荆州 434023)

涡轮钻具是一种有效的钻井工具。但是，仅有性能良好的涡轮钻具而没有与之配套的钻井工艺技术，会导致涡轮钻具的应用受到限制，使涡轮钻具的优越性得不到充分发挥。在试验和理论分析的基础上，进行了涡轮钻具及PDC钻头联合工作性能研究，建立了钻压与涡轮转速关系，回归出试验钻头、试验岩石在不同泥浆密度和粘度下钻压与涡轮转速关系的计算式，对指导涡轮钻具的应用，加快勘探速度，降低勘探成本具有十分重要的意义。

涡轮钻具；PDC钻头；钻速；钻压

涡轮钻具的钻进行为与钻头-岩石相互作用规律密切相关。PDC钻头在不同种类岩石上钻进时所表现出的钻压-扭矩-机械钻速之间的相互关系，对于优选涡轮钻井参数有重要的意义。为此，笔者在钻头实验架上，利用8in和12in PDC钻头分别对2种典型岩样——嘉陵江石灰岩(硬地层)和须家河砂岩(中硬地层)进行钻进，通过2种规格的钻头在2种典型岩石上的钻进规律进行对比试验，以了解涡轮钻具及PDC钻头联合工作性能。

1 试验部分

1.1试验装置

试验装置为30t钻头实验架,其相关参数为：钻压范围2～30t；转速范围0～200r/min；无级调速；钻头钻进的最大行程1200mm。实验架在垂直钻进的工况下所测量的参数有钻头钻压、扭矩、机械钻速、钻头转速等。

1.2钻进试验参数

钻进试验参数具体内容如下：①钻头转速。定转速试验时为60r/min；变转速试验时分别取60、120、180r/min。②钻压分别为2、3、4、5、6、7和8t，根据试验结果进行加密补充。

1.3试验原理

钻进试验时，位移传感器与钻杆一起在垂直方向联动，测量钻头的钻进深度。测量接头是一只自制的压力和扭矩传感器。钻头旋转钻进岩石，测量接头输出电压信号，传输到应变仪和计算机。计算机对所有的信号高速采集，并计算出与信号对应的钻压、扭矩、进尺和时间，由进尺与钻进时间计算得到机械钻速。

2 结果与分析

2.1涡轮钻具工作转速与钻压的关系

涡轮钻具将钻井液的能量转化为钻具主轴旋转的机械能，驱动井底钻头破碎岩石，其工作行为涉及2方面的内容：①钻头及岩石相互作用规律，主要涉及到钻头和岩石的种类、钻压、转速、扭矩、机械钻速等因素的关系；②涡轮钻具自身的机械性能，主要涉及涡轮钻具的输出扭矩、转速、压力降、介质流量等参数以及不同工作介质(即不同性能的钻井液)对上述参数的影响规律。

在涡轮钻具实际钻进作业中，钻井液通过涡轮的定、转子叶片发生能量转换，使涡轮主轴获得旋转动力；在钻压的作用下，钻头破碎井底岩石，与此同时井底岩石对钻头产生大小相同、方向相反的阻力矩。钻头上的阻力矩应始终与涡轮钻具的输出扭矩相平衡，该平衡点就是涡轮钻具和PDC钻头联合工作的实际工况点。

PDC钻头上的阻力矩与钻头规格、岩石的种类和钻压密切相关，针对2种规格的PDC钻头及2种典型岩石(石灰岩，砂岩)，通过试验得出钻头扭矩(即阻力矩)与钻压之间的定量关系如下[1]。

T= -101.11×W3+823.67×W2-836.88×W+ 341.81

(1)

T= 55.247×W3-335.54×W2+ 816.97×W-121.09

(2)

T= 1.4394×W5-36.371×W4+ 307.54×W3-920.72×W2+1361.8×W-335.1

(3)

T= 0.188×W5-3.8698×W4+32.715×W3-140.9×W2+635.18×W-59.758

(4)

式中，T为钻头扭矩，N·m；W为钻压，t。

2种规格的涡轮钻具在清水介质下的扭矩-转速关系可表示为：

1)∅165涡轮钻具：

(5)

2)∅240涡轮钻具：

(6)

式中，T为涡轮钻具输出扭矩，N·m，K为涡轮节数；Q为介质(清水)流量，L/s；n0为涡轮空转转速，r/min；n为涡轮转速，r/min。

(7)

(8)

(9)

(10)

由式(7)～(10)，可求出一系列的计算值，作出涡轮钻具配PDC钻头钻进时的转速-钻压曲线，分别如图1和图2所示。分析图1和图2可知，钻压对涡轮钻具转速有显著影响，总趋势是随钻压增加，涡轮钻具转速下降，直至完全制动为止；不同岩性对涡轮转速-钻压关系影响各不相同。在砂岩中钻进处于高钻压时，涡轮转速下降较平缓；在石灰岩中钻进处于高钻压时，涡轮转速下降较快，故容易被制动。

(流量Q=35L/s, 清水，涡轮节数K=2)

2.2不同工作介质对涡轮钻具工作转速与钻压关系的影响

由建立的预测涡轮钻具在不同工作介质下的性能计算方法，可计算出以泥浆为工作介质时涡轮钻具的性能参数。

∅165涡轮钻具(节数K=1)，泥浆介质比重为1.15，粘度为22mPa·s，流量为20L/s，其回归的扭矩-转速计算式为：

(11)

∅240涡轮钻具(节数K=1)，泥浆介质比重为1.15，粘度为 22mPa·s，流量为20L/s，其回归的扭矩-转速计算式为：

(12)

按上述方法，可得出以泥浆为介质时涡轮钻具配PDC钻头的转速-钻压计算式：

(13)

(14)

(15)

(16)

根据上述计算式，可分别作出2种规格涡轮钻具以2种泥浆为介质在2种不同岩石上钻进时的钻压-涡轮转速关系曲线，分别如图3、4、5、6所示。由不同工作介质对涡轮钻具性能影响的试验分析可知，随介质密度增加，粘度增大，转速-钻压关系曲线下降，并向大钻压方向延伸，说明涡轮的转速降低，输出扭矩增大，涡轮不容易被制动。