減速器渦輪鉆具應用于小井眼鉆井的發展趨勢探討

曹仰觀　譚春飛

摘要：由于小井眼鉆井成本低、排出巖屑體積小，對環境污染小，在世界范圍內得到了大力發展，因此，各種小井眼鉆井設備應運而生，介紹了新型小尺寸行星齒輪減速器渦輪鉆具的結構特點和小井眼鉆井存在的技術問題，以及把行星齒輪減速器渦輪鉆具應用在小井眼鉆井上的優勢及發展趨勢。

關鍵詞：行星齒輪；減速器；渦輪鉆具；小井眼；發展趨勢

中圖分類號：TU753.64文獻標識碼：A文章編號：1672-3198(2009)07-0281-02

現今，降低鉆井工程成本已成為油氣鉆井的重要課題，而小井眼鉆井可以減少消耗，降低成本，出于對降低鉆采成本、環境保護的壓力、以及減少邊遠和地面交通困難地區勘探風險等因素的考慮，小井眼鉆井技術已經成為世界各國重點發展的一項鉆井技術。小井眼鉆井需鉆去的巖屑體積相對減少、鉆具用量少、泥漿和套管耗量少、鉆柱減輕、能耗降低，其發展很有潛力。小井眼鉆井技術的實施要著重解決硬件技術，重點是井下動力鉆具及相應PDC鉆頭的選取，為了滿足小井眼鉆井的需求，則需要小直徑的井下動力鉆具。渦輪鉆具是一種結構比較特殊的井下動力鉆具，它由鉆井泵打出的高壓鉆井液來驅動，將常規渦輪鉆具配以行星齒輪減速器后，能使其原有的高轉速降低到能滿足高效鉆頭使用的中、低轉速，而且相應成倍地提高了其工作扭矩。

1小井眼鉆井技術發展存在的技術問題

小井眼鉆井技術的發展，有以下幾方面的原因，降低成本，環保問題，勘探風險。世界范圍內的鉆井實踐表明，小井眼鉆井比常規鉆井可節省費用50％左右，特別是國外使用專門設計的小井眼鉆機后，節約鉆井費用可高達60％～75％，又由于小井眼鉆井井徑縮小，鉆井液用量和排出巖屑都減少，井場占地減少等因素，所以小井眼鉆井更有利于環保，相應也降低了勘探風險。

小井眼與常規井眼相比有兩個基本區別；井徑小，環空間隙小。由于這兩個基本區別，引發了一系列小井眼鉆井的技術問題，如環空壓耗較大幅度增加、井控問題激化、鉆頭機械鉆速下降等，其中，要解決的首要問題是提高鉆進效率。為了提高鉆進效率，除了選擇合適的鉆頭外，還需要合理選擇具有較大扭矩的小尺寸井下動力鉆具。

2行星齒輪減速器渦輪鉆具的結構特點

行星齒輪減速器渦輪鉆具主要由以下幾部分組成；渦輪節，軸承節，行星齒輪減速器。

渦輪節主要由殼體、轉子、定子和渦輪軸組成，其作用是將高壓流體的水力能轉換成驅動鉆頭的機械能。軸承節的主要作用是承受軸向力，并將動力平穩地傳遞給鉆頭。

減速器主要由行星齒輪、止推軸承、密封系統等組成，其主要作用是將渦輪鉆具的高轉速通過一定減速比的減速齒輪進行降低，同時將其扭矩按照相應的減速比提高，以滿足牙輪鉆頭和復合金剛石鉆頭轉速及驅動的需要，如圖1所示即為減速器中行星齒輪截面圖。

減速器的工作原理及減速前后渦輪鉆具的扭矩一轉速特性如圖2和圖3所示，圖中A、B、C為減速齒輪支點，為輸入高轉速，為輸出低轉速。采用減速比為i的減速器之后渦輪鉆具的轉速可以降低j倍，而渦輪鉆具的扭矩將增加i倍。

這種行星齒輪減速器的減速比比較適中，傳遞的扭矩較大，壓力降較小，而且由于整個鉆具不存在橡膠件，能夠耐高溫，使用壽命長。發展新型中轉速、低壓降、高扭矩減速渦輪鉆具，配合高效優質的PDC鉆頭或者高速長壽命牙輪鉆頭鉆井，可較大幅度的提高鉆井速度，降低綜合鉆井成本。

3在小井眼鉆井中選擇行星齒輪減速器渦輪鉆具的優勢與發展趨勢

小井眼鉆井中，井下動力鉆具的選擇十分重要，通常，小尺寸動力鉆具的輸出扭矩小，使用時間短，嚴重影響了鉆井速度。

目前世界各國使用的井下動力鉆具包括螺桿鉆具和渦輪鉆具兩種，通常，普通小尺寸的螺桿鉆具的扭矩會隨著使用時間的增加會快速降低，往往不能夠滿足小井眼鉆井作業的實際需要。減速器渦輪鉆具由于在鉆具下部連接了行星齒輪減速器，使得鉆具的扭矩成倍增加，小井眼中鉆頭的水力能量很低，達不到噴射鉆井的要求，要提高機械鉆速只能走強化鉆頭機械能量這條路，減速器渦輪鉆具的渦輪節數可以根據需要增減，由于它采用了行星減速齒輪和密封油潤滑軸承，所以具有長度短、壓降低、扭矩大、壽命長的特點，可滿足不同鉆井作業的需要，同時其工作扭矩達到或超過同尺寸螺桿鉆具的扭矩，降低了鉆井成本，減速器渦輪鉆具與常規渦輪鉆具一樣，不含橡膠件，定轉于均為鑄鋼或不銹鋼鑄造件，耐沖刷，耐高溫，對深井、超深井的小井眼鉆井十分有利。

迄今為止，小井眼鉆井活動遍及世界許多國家如美國、法國、英國、加拿大和委內瑞拉等，美國是目前世界上小井眼鉆井最多的國家，而且在老井加深、側鉆領域應用小井眼技術最多，特別是側鉆短半徑水平井，此外，目前國外已有不少公司應用小井眼鉆井技術鉆儲氣井，這也是它的最新用途之一，針對小井眼鉆井技術的大力推廣，世界各國競相開發小井眼鉆具，國外各石油機械生產商，如美國Paker鉆井公司、Color公司和法國Forasol-Foramer公司等，均在小井眼渦輪鉆具發展方面取得不菲成績。

近年來，俄羅斯設計生產出了具備競爭力的小尺寸減速器渦輪鉆具，其目的是為磨銑、擴眼、切割套管服務，其充油密封帶行星齒輪的減速裝置能夠提供較高的扭矩和較低的轉速以適應工具切削套管及鉆頭鉆進的需要，表l中列出了俄羅斯設計的幾種減速器渦輪鉆具的動力參數，

減速器渦輪鉆具在國內塔深1井應用，也取得了良好的效果，2006年俄羅斯設計的7RO-121減速器渦輪鉆具在塔深l井與成都BES了公司生產的M1365型PDC鉆頭配合使用，經過現場試驗，取得了很好的技術經濟指標，表2中列出了TRO-121減速器渦輪鉆具特性參數。

從表3可以看出，采用轉盤旋轉鉆進配合PDC鉆頭，平均機械鉆速為1.09m/h，采用減速器渦輪鉆具配合PDC鉆頭時平均機械鉆速為2.14m/h，減速器渦輪鉆具鉆進的機械鉆速提高了96％。

推廣應用減速器渦輪鉆井技術是提高中深井和深井小井眼的鉆井速度、縮短建井周期和降低鉆井成本的有效措施之一，減速器渦輪鉆具與高效優質PDC鉆頭結合，可充分發揮減速器渦輪鉆具高轉速、大扭矩的性能。開發小尺寸渦輪鉆具用于老井側鉆，在世界許多國家也都取得了成功，

專家預計，小井眼的工作量將來要占全部鉆井工作量的50％到60％。從小井眼鉆井技術日益完善的角度看，小井眼的使用范圍十分廣闊，不僅用于探井，也可用于開發井；不僅用于直井，也可用于定向井、水平井；不僅用于打新井，也可用于老井加深及側鉆，不僅用于淺井，也可用于深井；不僅用于油井，也可用于氣井，這些都為小尺寸減速器渦輪鉆具應用于小井眼鉆井開拓了廣闊的發展前景。

4結論

(1)小井眼鉆井技術具有良好的經濟及社會利益，是石油工業的一項前沿技術。

(2)發展新型行星齒輪減速器渦輪鉆井技術是提高小井眼的鉆井速度、縮短建廾周期和降低鉆井成本的有效措施之一。

(3)與螺桿鉆具相比。新型減速器渦輪鉆具扭矩大、鉆速高的特點更能滿足小井眼鉆井的技術要求。