渦輪鉆具及PDC鉆頭聯合工作性能試驗分析

2012-11-08 04:45:52李燕青易發全長江大學機械工程學院湖北荊州434023

長江大學學報(自科版) 2012年1期

張強，李燕青，易發全 (長江大學機械工程學院, 湖北荊州 434023)

張強，李燕青，易發全 (長江大學機械工程學院, 湖北荊州 434023)

渦輪鉆具是一種有效的鉆井工具。但是，僅有性能良好的渦輪鉆具而沒有與之配套的鉆井工藝技術，會導致渦輪鉆具的應用受到限制，使渦輪鉆具的優越性得不到充分發揮。在試驗和理論分析的基礎上，進行了渦輪鉆具及PDC鉆頭聯合工作性能研究，建立了鉆壓與渦輪轉速關系，回歸出試驗鉆頭、試驗巖石在不同泥漿密度和粘度下鉆壓與渦輪轉速關系的計算式，對指導渦輪鉆具的應用，加快勘探速度，降低勘探成本具有十分重要的意義。

渦輪鉆具；PDC鉆頭；鉆速；鉆壓

渦輪鉆具的鉆進行為與鉆頭-巖石相互作用規律密切相關。PDC鉆頭在不同種類巖石上鉆進時所表現出的鉆壓-扭矩-機械鉆速之間的相互關系，對于優選渦輪鉆井參數有重要的意義。為此，筆者在鉆頭實驗架上，利用8in和12in PDC鉆頭分別對2種典型巖樣——嘉陵江石灰巖(硬地層)和須家河砂巖(中硬地層)進行鉆進，通過2種規格的鉆頭在2種典型巖石上的鉆進規律進行對比試驗，以了解渦輪鉆具及PDC鉆頭聯合工作性能。

1 試驗部分

1.1試驗裝置

試驗裝置為30t鉆頭實驗架,其相關參數為：鉆壓范圍2～30t；轉速范圍0～200r/min；無級調速；鉆頭鉆進的最大行程1200mm。實驗架在垂直鉆進的工況下所測量的參數有鉆頭鉆壓、扭矩、機械鉆速、鉆頭轉速等。

1.2鉆進試驗參數

鉆進試驗參數具體內容如下：①鉆頭轉速。定轉速試驗時為60r/min；變轉速試驗時分別取60、120、180r/min。②鉆壓分別為2、3、4、5、6、7和8t，根據試驗結果進行加密補充。

1.3試驗原理

鉆進試驗時，位移傳感器與鉆桿一起在垂直方向聯動，測量鉆頭的鉆進深度。測量接頭是一只自制的壓力和扭矩傳感器。鉆頭旋轉鉆進巖石，測量接頭輸出電壓信號，傳輸到應變儀和計算機。計算機對所有的信號高速采集，并計算出與信號對應的鉆壓、扭矩、進尺和時間，由進尺與鉆進時間計算得到機械鉆速。

2 結果與分析

2.1渦輪鉆具工作轉速與鉆壓的關系

渦輪鉆具將鉆井液的能量轉化為鉆具主軸旋轉的機械能，驅動井底鉆頭破碎巖石，其工作行為涉及2方面的內容：①鉆頭及巖石相互作用規律，主要涉及到鉆頭和巖石的種類、鉆壓、轉速、扭矩、機械鉆速等因素的關系；②渦輪鉆具自身的機械性能，主要涉及渦輪鉆具的輸出扭矩、轉速、壓力降、介質流量等參數以及不同工作介質(即不同性能的鉆井液)對上述參數的影響規律。

在渦輪鉆具實際鉆進作業中，鉆井液通過渦輪的定、轉子葉片發生能量轉換，使渦輪主軸獲得旋轉動力；在鉆壓的作用下，鉆頭破碎井底巖石，與此同時井底巖石對鉆頭產生大小相同、方向相反的阻力矩。鉆頭上的阻力矩應始終與渦輪鉆具的輸出扭矩相平衡，該平衡點就是渦輪鉆具和PDC鉆頭聯合工作的實際工況點。

PDC鉆頭上的阻力矩與鉆頭規格、巖石的種類和鉆壓密切相關，針對2種規格的PDC鉆頭及2種典型巖石(石灰巖，砂巖)，通過試驗得出鉆頭扭矩(即阻力矩)與鉆壓之間的定量關系如下[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為鉆頭扭矩，N·m；W為鉆壓，t。

2種規格的渦輪鉆具在清水介質下的扭矩-轉速關系可表示為：

1)?165渦輪鉆具：

(5)

2)?240渦輪鉆具：

(6)

式中，T為渦輪鉆具輸出扭矩，N·m，K為渦輪節數；Q為介質(清水)流量，L/s；n0為渦輪空轉轉速，r/min；n為渦輪轉速，r/min。

(7)

(8)

(9)

(10)

由式(7)～(10)，可求出一系列的計算值，作出渦輪鉆具配PDC鉆頭鉆進時的轉速-鉆壓曲線，分別如圖1和圖2所示。分析圖1和圖2可知，鉆壓對渦輪鉆具轉速有顯著影響，總趨勢是隨鉆壓增加，渦輪鉆具轉速下降，直至完全制動為止；不同巖性對渦輪轉速-鉆壓關系影響各不相同。在砂巖中鉆進處于高鉆壓時，渦輪轉速下降較平緩；在石灰巖中鉆進處于高鉆壓時，渦輪轉速下降較快，故容易被制動。

(流量Q=35L/s, 清水，渦輪節數K=2)

2.2不同工作介質對渦輪鉆具工作轉速與鉆壓關系的影響

由建立的預測渦輪鉆具在不同工作介質下的性能計算方法，可計算出以泥漿為工作介質時渦輪鉆具的性能參數。

?165渦輪鉆具(節數K=1)，泥漿介質比重為1.15，粘度為22mPa·s，流量為20L/s，其回歸的扭矩-轉速計算式為：

(11)

?240渦輪鉆具(節數K=1)，泥漿介質比重為1.15，粘度為 22mPa·s，流量為20L/s，其回歸的扭矩-轉速計算式為：

(12)

按上述方法，可得出以泥漿為介質時渦輪鉆具配PDC鉆頭的轉速-鉆壓計算式：

(13)

(14)

(15)

(16)

根據上述計算式，可分別作出2種規格渦輪鉆具以2種泥漿為介質在2種不同巖石上鉆進時的鉆壓-渦輪轉速關系曲線，分別如圖3、4、5、6所示。由不同工作介質對渦輪鉆具性能影響的試驗分析可知，隨介質密度增加，粘度增大，轉速-鉆壓關系曲線下降，并向大鉆壓方向延伸，說明渦輪的轉速降低，輸出扭矩增大，渦輪不容易被制動。