涡轮旋转引鞋的研制与应用*

2023-02-27侯乃贺

石油机械 2023年1期

侯乃贺

(中国石化石油工程技术研究院；页岩气富集机理与有效开发国家重点实验室)

0 引言

油气勘探开发正在向深层和非常规迈进，大位移井、水平井数量越来越多，由于受井眼不规则，井身轨迹复杂、砂桥和盐膏层缩径等多种因素影响，完井管柱如何在水平井固井、完井时顺利下入到预定位置成为钻完井过程中的一大难题[1-2]。目前，针对完井管柱的下放困难问题，国内已经研发出了一些工具，例如顶驱下套管装置、可循环式井口加压装置以及旋转尾管悬挂器等[3-8]。其中，顶驱下套管装置主要特点是直接利用顶驱的转矩实现套管的上卸扣并可随时循环钻井液[4]；可循环式井口加压装置主要特点是增加管柱的下放压力并可随时循环钻井液[9]；旋转尾管悬挂器通过井口顶驱或转盘带动钻柱旋转，从而带动完井套管串旋转，可减小轴向摩擦阻力，调整引鞋方向，从而实现管串下入[10]。目前，顶驱下套管装置已经实现商业化应用，能够大幅提高下套管作业效率[11]；可循环式井口加压装置处于原理样机阶段；旋转尾管悬挂器在国内各油田已有应用并解决了一部分井的下入难题。

上述装置及工具各有特点，在解决管柱下放困难问题方面发挥了一定的作用，可处理简易井眼砂桥引起的管柱下放问题，但此类工具都属于压迫式驱动，这种驱动使套管下入的水平长度有限，难以到达预定深度；同时，此类工具直接将驱动力作用于完井管柱，下套管过程中套管跟随工具一起旋转钻进，对完井管柱的抗拉、抗压和抗扭等性能提出了更高的要求。因此，此类工具不仅消耗过大的功率，且容易损坏套管引发事故。鉴于此，笔者提出旋转引鞋工具，其直接连接在完井管串的最下端，对管柱和钻井动力无额外的要求，如中石油钻井院研制的旋转引鞋管柱下放工具在现场进行了应用[12-14]。但这些引鞋工具仍然只能通过管柱的上提下放而被动旋转，能够起到的作用有限。

为此，中国石化石油工程技术研究院在调研涡轮钻具的基础上[15]，开展了水力驱动涡轮旋转引鞋的研制和攻关工作[16]。相比于其他下套管辅助工具，该旋转引鞋工具在下入过程中基本不需要其他工具配合，对完井管柱本身的性能也没有特殊的要求，故可降低功率消耗，减少套管下入事故发生的可能性。

1 技术分析

1.1 结构

水力驱动涡轮旋转引鞋结构方案如图1所示，主要包括动力单元和扩眼引鞋单元2部分。其中动力单元采用涡轮结构，包括：上接头、轴上接头、外壳、涡轮定子、涡轮转子、传动轴、径向轴承、挡流环、引流环、止推轴承、扶正器及下接头等部分；扩眼引鞋单元主要包括引鞋外壳和引鞋帽2部分。

1—上接头；2—轴上接头；3—外壳；4—涡轮转子；5—涡轮定子；6—传动轴；7—径向轴承；8—挡流环； 9—引流环； 10—止推轴承；11—扶正器；12—下接头；13—轴短节；14—引鞋单元。图1 水力驱动涡轮旋转引鞋结构方案图Fig.1 Schematic structure of hydraulic driven turbine rotary guide shoe

1.2 工作原理

涡轮旋转引鞋可以配合全井套管固井、尾管固井和其他裸眼管柱完井工艺使用。以尾管管串工艺为例，其管串结构为：旋转引鞋+套管+浮箍+套管+浮箍+套管+球座+套管组合+尾管悬挂器总成+送入钻具。下入过程中如中途遇阻时，开泵循环钻井液，钻井液流过涡轮定子，推动转子运动，钻井液通过下级涡轮定子和转子，转子与旋转轴锁紧，旋转轴带动扩眼引鞋旋转；引鞋外壳表面敷焊有螺旋形的硬质合金带，下端有循环孔，高速旋转过程中对井壁进行修整并对遇阻点循环冲洗，协助管串通过遇阻位置。通过遇阻点后停泵，旋转引鞋停止转动，继续下放管柱。如再次遇阻，则重复以上方式启动旋转引鞋。管串下入到位后，按照常规尾管固井规程进行循环、坐挂、固井和丢手作业即可。如需进行下一开次钻进，则可通过钻头对引鞋内部附件进行钻除。

1.3 主要技术参数

工具规格：ø177.8 mm(配合套管ø177.8 mm)；

适用井眼：ø215.9 mm；

内套钻除后内径：157 mm；

工作转速：800～1 000 r/min；

允许排量：0.5～2.0 m3/min；

设计最大扭矩：800 N·m(可根据需要进行涡轮副增减，设计2.5 m长工具在1.8 m3/min排量下)；

额定寿命：长于50 h。

1.4 关键部件结构设计

1.4.1 涡轮定、转子

涡轮定、转子是涡轮动力单元的核心，通过它们可实现从流体能向旋转动能的转化。扭矩涡轮引鞋动力单元为轴流式涡轮，并要求涡轮定、转子全部可钻，涡轮定、转子的主要结构设计如图2所示。由于它们全部为铸铝或铸铁材质，提高了整体可钻性。

图2 涡轮定转子结构设计Fig.2 Structural design of turbine stator and rotor

1.4.2 轴承

涡轮旋转引鞋中涡轮轴在涡轮组的驱动下旋转，同时承受水力载荷。为保证涡轮轴的基本功能，需设计扶正轴承和止推轴承。为了保证流体能通过涡轮，使涡轮正常工作，须在扶正轴承上设计流道。扶正轴承设计方案如图3所示，扶正轴承用于动力单元的径向支撑扶正，由内圈和外圈组成。内圈与转轴、转子装配在一起并锁紧，外圈与外壳、定子装配在一起并锁紧。该轴承能经受钻井液的冲刷，同时轴承旋转面应尽量光滑以减轻摩擦动能损耗。

图3 扶正轴承结构Fig.3 Structure of alignment bearing

涡轮旋转引鞋所用的止推轴承主要承担轴向负荷，径向负荷主要由径向扶正轴承承担，止推轴承是整个工具的重要组成部分，也是最薄弱的环节。同时，为了保证流体能正常通过轴承进入下部引鞋单元，且能对轴承进行一定的润滑，也须在止推轴承上设计流道，结构设计如图4所示。

图4 止推轴承结构Fig.4 Structure of thrust bearing

1.4.3 扩眼引鞋

扩眼引鞋主要由引鞋头、引鞋外壳以及敷焊其上的硬质合金带组成，如图5所示。其中引鞋头采用易钻的铝合金材质，主要起引导的作用。引鞋外壳上面敷焊有螺旋形硬质合金带，该合金带可用于对井壁进行修整。

图5 扩眼引鞋结构Fig.5 Structure of reamer guide shoe

2 涡轮水力性能分析

通过建立涡轮定、转子的三维模型，可对定、转子的水力性能进行分析。首先建立涡轮定、转子的三维模型，并导入Workbench软件建立涡轮定、转子中液流流过的流道模型，然后在Fluent中对涡轮定、转子的水力性能进行分析。考虑到每副涡轮定、转子各叶片间的流动对应相似，所以只将单级涡轮定、转子的叶片流道表示出来，以便在流场计算中使结果能够快速收敛，从而得到稳定的解。

在水力分析计算中，根据涡轮的工作情况，定子的入口条件设置为速度入口(velocity-inlet)，其值的大小由涡轮工作时流量的大小和定子入口流道截面面积计算求得。由于转速n=1 000 r/min，流量Q=1.8 m3/min，流道内径D1=115 mm，外径D2=135 mm，所以可得，定子入口速度为轴向平均流速，即为4.15 m/s。定子的出口与转子的入口为接触面，因而定子出口速度和转子入口的参数设置相同，且需要耦合。转子出口速度为流出outflow边界条件。然后进行流场仿真分析，计算得到收敛解。

单副涡轮流道内的速度分布如图6所示。从图6可以看出：通过涡轮叶片的流体进入定子之后分为2部分，一部分冲击定子吸力面，另一部分对压力面造成冲击；进入涡轮定子叶片后的速度变化不大，只在定子后缘两边速度开始变大，在后缘的末尾处速度近似为0。流体流过定子后进入转子，同样分成2部分：一方面，通过压力面的流体速度逐渐变大，并在后缘处达到最大，进入下一组定、转子叶片；另一方面，通过定子和转子吸力面的流体速度低于压力面。

图6 单副涡轮流道内的速度分布图Fig.6 Velocity distribution in the flow channel of single turbine

单副涡轮流道内的压力分布如图7所示。从图7可以看出，叶片的压力流场由上至下压力数值依次降低，压力场均在定、转子的压力面和吸力面呈一定的梯度分布。从压力场的分布中可知，转子压力面压力明显大于吸力面，可以看出输出扭矩较合适。从叶片模拟的整体情况看，没有出现脱流现象，说明叶型设计较为合理。

图7 单副涡轮流道内的压力分布Fig.7 Pressure distribution in the flow channel of single turbine

3 工具性能试验

3.1 排量、扭矩和转速测试

通过涡轮钻具试验台架对旋转引鞋进行转速、扭矩等性能测试。工具测试时，循环所用流体为清水，其参数为：密度1 000 kg/m3，最大流量2 m3/min。输入参数有流量、压力降和输入功率，输出参数有力矩、转速和输出功率，其中流量、压力降、力矩及转速为原始测量参数。涡轮引鞋工具室内试验及其台架如图8所示。离心泵将清水经进口提升到工具中，使涡轮轴旋转，涡轮轴通过联轴器与扭矩转速传感器连接，再经联轴器与制动器连接，通过制动器制动控制涡轮轴的转速。通过2个压力表的读数可以得到清水经过工具前后的压力差，扭矩转速传感器可以测得扭矩及转速。测试过程中，最大流量1.87 m3/min，入口压力8.370 MPa，出口压力0.098 MPa，样机最大扭矩1 100.6 N·m，最大转速2 658.7 r/min，均达到设计要求。