高效破岩技术第一讲

总之增加钻压、提高转速有助于提高破岩效率。但钻压的大小与 其它钻井条件密切相关，如：井眼轨迹控制、钻柱的强度等，钻压的 确定首先取决于钻井工艺的要求。在钻井工艺允许的条件下，只要机 械能量充足、钻柱强度许可，可适当增加钻头钻压。
二、增加钻头转速— 复合钻井技术
转速与机械钻速的关系为指数关系。在一定转速范围内，转速越 快机械钻速越快，超过某一极值钻速会下降。
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第一讲 机械破岩能量有效利用
通常条件下，在岩石性能、钻井方式确定的条件下，破岩能量增加， 破岩效率提高。
钻井过程中破岩的机械能量的构成：地面设备（转盘或顶驱）和井 下动力钻具。
目前石油钻井的井下动力钻具主要有三类：螺杆钻具、涡轮钻具、 冲击器。
有效利用机械破岩能量即合理的优化组合地面设备（转盘或顶驱） 和井下动力钻具的能量。
式中：ＲＯＰ为机械钻速，ｍ／ｈ；Ｋ为地层可钻性系数； Ｗ为待优 化钻压，ｋＮ； Ｍ０为零水功率门限钻压， ｋＮ； Ｎ为待优化转速，ｒｐｍ；
α 为钻压指数，锋利（新）齿且出刃较大 α ≈ 1 ，钝（旧） 齿 α < 1 ； β 为转速指数。
门限钻压 图１ 钻进速度与钻压的关系
合理增加钻压有助于提高破岩效率。 但钻压的大小与其它钻井条件密切相关， 如 ：井眼轨迹控制、钻柱的强度等，钻 压的确定首先取决于钻井工艺的要求。 在钻井工艺允许的条件下，只要机械能 量充足、钻柱强度许可，可适当增加钻 头钻压，例如：在陕北地区８ １／２″ＰＤＣ 钻头的钻压达到１４０－１６０ＫＮ。
2.螺杆钻具的发展动态
①螺杆钻具的特点 扭矩 转速 功率
螺杆压降 螺杆钻具的理论工作曲线
螺杆钻具的特点： ①螺杆钻具的转速只与排量和结构有关，而与工况（钻压、扭矩等）无关； 工作扭矩与压降和结构有关，而与转速无关 ② 螺杆钻具具有硬转速特性：压降增加可使工作转矩Ｍ变大，不因负载 增大而降低转速，具有良好的过载能力； ③工作扭矩变化，螺杆压降变化，因此可由泵压变化来判断井下螺杆钻 具的工况； ④转速随排量Ｑ的变化而线性变化，可通过调节排量Ｑ调节螺杆马达的转 速。 ⑤ 螺杆钻具的头数越多，每转排量越大，马达的转速越低扭矩越大。
涡轮钻具的工作范围
标准压力
扭
涡 轮
矩
压
降
钻井范围
钻头速度
③涡轮钻具的发展动态 叶片结构改进
移动盘 固定盘
传动系统改进
移动盘
垫环
迷宫环 前轴承
止推轴承
挠性轴 可调弯筒
钻头母扣 稳定器
前轴承 稳定器
涡轮钻具轴承座圈图
n PDC止推轴承具有较高的耐研磨能力，可以在超高温（目前最高温度233 ℃）下进行操作，并能够 承受较大的轴向载荷
psi
Effective power & torque: § GeoForce delivers 370hp § Conventional Motor 150hp
Conventional Stator § Cylindrical steel housing § Variable rubber thickness
Hysteresis heat buildup results in rubber component volatization and voids are created within the stator lobe
Stator rubber “chunks” due to Hysteresis heat buildup
矩
率
降
涡轮钻具理论工作特性曲线
涡轮钻具工作特性：
① 涡轮钻具压降不会随工况（钻压、扭矩）的变化而变化。 ②涡轮钻具的转速与输出扭矩成反比，具有软的机械特性。空载时转速 很高，重载时转速低。扭矩超过涡轮钻具的额定扭矩，涡轮钻具会停止旋 转，即涡轮钻具没有过载能力 。 ③涡轮钻具的输出功率随着输出扭矩、转速的变化而变化，并存在最 大 值。此最大值为涡轮钻具的理想工作负载点。
机械钻速（米／小时）
转速（
图 ２ 机械钻速与转速的关系
１．增加钻头转速的方法
依靠地面设备增加钻头转速受到诸多条件限制，如地面设备的功率、 钻柱的强度等。复合钻井技术是目前条件下增加钻头转速、提高破岩能 量的有效方法。
复合钻井的组合方式： 地面驱动 ＋螺杆钻具＋ＰＤＣ钻头或牙轮钻头；（转速范围１５０－３００ｒｐｍ） 地面驱动 ＋减速器涡轮钻具＋ＰＤＣ钻头；（转速范围２００－４００ｒｐｍ） 地面驱动 ＋中速涡轮＋ＰＤＣ钻头或ＴＳＰ钻头； （转速范围４００－８００ｒｐｍ） 地面驱动 ＋高速涡轮＋ ＴＳＰ钻头或单晶金刚石钻头。 （转速范围 ﹥８００ｒｐｍ） 旋转冲击钻井方式。
②螺杆钻具的发展动态 定子橡胶等壁厚螺杆等壁厚螺 杆钻具定子
等壁厚螺杆钻具— — Geo ForceTM
川
厚度均匀的定子橡胶 先进的金属转子内衬 灵活的传动轴 超硬材料轴承
GeoForce 常规的定子
Hysteresis heat begins the degradation of the rubber in the middle of the stator lobe
万向轴总成的改进：
止推球 转换轴 可调弯节
球座 球头
传动球
Schlumberger
HAWK 不同结构的万向轴
传动轴的改进：
传动轴的径向及止推轴承
扭矩 (Ft-lbs)
GeoForce 马达的RPM 常规马达
(GeoForce) 最大载荷 憋停 常规马达的最大载荷
OPERATING “DIFFERENTIAL” PRESURE ACROSS MOTOR
等壁厚螺杆钻具Geo ForceTM应用实例
？８ ½ ”井眼 ？３６０°Ｆ （１８２℃）循环温度 ／４００°Ｆ（２０４℃）静止温度
？第一次循环１４４小时；第二次循环 １９６小时，依然完好。
？比设计提前了６０天
？客户评价说：“由于大家的共同 努力，我们取得了成功，尤其来自 承包商的工程作业人员以及优秀的 执行者。”
定子 叶片盘
涡轮 本体
马达 部分
涡轮 驱动轴
液体动力流态图 （如 流量×压力）
轴 向 推 力 旋转
ＦＢＳ涡轮钻具的典型结构图
弯筒 下轴承稳定器
单级马达 可调稳定器
涡轮
钛金属挠性驱动轴 ＰＤＣ止推轴承
下径向轴承
末端公扣型 驱动轴 带一体式涡轮 套筒的母扣型钻头
止推平衡鼓
②涡轮钻具的工作特性
扭
效
压
（２．５倍） ，提高了工作效率，转速衰减较慢。 ３） 增大橡胶与金属粘着面积，不容易脱胶，延长使用寿命。 ４）提高了作业压差范围，马达提高了扭矩输出和钻头转速，输出功
率大（２倍）。 ５）能长时间在高温环境作业。
2. 涡轮钻具的发展动态
①涡轮钻具马达的结构
定子 叶片盘
转子 叶片盘
转子 叶片盘
泥浆流
组配的 单级马达
n PDC材质具有较小的摩擦系数，不受钻井中存在的天然的或者泥浆里的化学物质的影响 n 轴承的承载能力和低摩擦系数从而使其高效、结构紧凑，因此也大大缩短了钻具长度
金属径向轴承图
激光碳化表面 （套筒）
碳化壁衬里 （轴衬）
下径向轴承 注意： 已经成功地在超过２６０℃的高温环境中操作过
发展减速器涡轮：
一、合理的强化钻压
旋转钻井破岩能量的表现方式为钻头的扭矩和转速。一般情况 下 ，钻头扭矩大小与钻压有关，钻头钻压增加扭矩增加。因此旋转 钻井破岩能量有效利用转化为钻压和转速的优化设计。
E = Mbitωbit
增加机械破岩能量的途径：增加钻压与钻头转速。
机械钻速方程：
ROP = K (W − M 0 )α N β
1-涡论马达 2-传动轴 3-减速器
行星轮 中心轮 内齿轮
涡轮钻具减速器行星减速机构
４．涡轮钻具特点总结
优 点： １．涡轮钻具转速高（４００ｒｐｍ以上），较适合于ＴＳＰ钻头、金刚石钻头。 ２．与螺杆钻具相比输出功率大。 ３．与螺杆钻具相比使用寿命长。 ４．耐高温和高压，适用于高温高压井。
缺 点： １．涡轮钻具转速较高，与现有牙轮钻头不匹配。 ２．单节涡轮钻具扭矩小，为了提高扭矩，只有采用长度长的复式涡轮
钻 具，使得钻具总长度较大，不利于井眼轨迹控制； ３．复式涡轮钻具压降大，特别是在高泥浆比重条件下压降更大。 ４．转速与输出扭矩有关，过载条件下会导致钻具不转。
0
MW Bellelo#1 Days vs Depth
Days from Spud
Actual AFE Best of the Best
25
50
75
100
125
150
175
200
225
Days
等壁厚螺杆钻具特点总结： １）橡胶层薄且均匀，减少内部热量的产生，改善了螺杆钻具工作时
散热性能，可以减缓橡胶的热老化，提高螺杆钻具的使用寿命。 ２）在运动过程中抗变形的能力好，密封效果好，增加了输出扭矩
举例：
地区：川西须家河组；地层岩性：页岩、泥岩、砂岩、石英砂岩 及煤夹层组成，高压实、高研磨性地层。常规钻井方法：顶驱 ＋ＰＤＣ钻头。
复合钻井技术的发展方向： 复合钻井技术对动力钻具提出了更高的要求，特别定向钻井使用带
弯角的螺杆钻具。目前动力钻具的发展方向： ① 螺杆钻具增加扭矩、提高整体寿命； ② 涡轮钻具降低转速，提高寿命。
GeoForceTM Stator § Pre-contoured steel housing § Constant rubber thickness