一、连续油管钻井涡轮性能改进研究

1、UBCTD涡轮概述

涡轮驱动的历史可以追溯到19世纪80年代，当时利用单一涡轮将流体的轴向流动转化为有用的速度和扭矩。但是，又过了四五十年多级涡轮发明出来，这就是现代涡轮的基本前身。

直到20世纪90年代，引井了组件中包含的弯头涡轮，从而生产出可导向的涡轮，几年后，现场可调节弯头也随之出现，用于完全灵活的可导向驱动。

也是在同一时期，一些因素导致了首台商用小井眼导向涡轮的开发。首先，井眼尺寸的普遍减小意味着小井眼市场的出现，这促使几家公司开始开发小井眼钻井工具。

这项技术还有助于使首台小口径涡轮成为一种全金属机械，其规格要求能够在最恶劣的井下条件(如高温、两相气体注入以及重质和特殊钻井液)下提供钻井性能和可靠性。这些技术的进步包括计算机液压设计、合成金刚石轴承、改良的建造材料及制造技术。在这些井中所用的2-7/8”小口径涡轮是专门为连续油管钻机设计的。这种设计的优势是，与其他涡轮供应商的设备相比，它产生了更大的功率输出，而无需使组件更长。保持工具长度尽可能短对于UBCTD来说至关重要，确保井底钻具组合(BHA)能够安装到放喷管中，从而能够安全地部署到压力大的井中。

2、UBCTD驱动系统

在使用连续油管钻机进行修井作业时遇到一些挑战，首先是管道显然没有旋转，所以必须使用井下驱动装置，而且必须是可导向的。这通常将商用可靠转向驱动系统的选择限制在泥浆马达或涡轮上。

与泥浆马达相比，在该地区引进涡轮主要是为了减少BHA可靠性问题，提高钻井性能。

提高可靠性有两个方面：一是提供更可靠的驱动系统，二是提高其他BHA组件的可靠性。

涡轮可以在单趟作业中定期在井眼中停留数百小时(2018年2月，一种新型涡轮设计记录了两次服务之间运行时间为254小时)，对合成金刚石推力轴承组的改进确保了工具完整性，增强了行业领先的耐用性。此外，由于2-7/8 in.涡轮组件均为全金属组件，这意味着缺少橡胶组件可有效地消除驱动系统上的任何温度限制，也意味着所有工具组件均不受注氮或与井中产生气体接触的影响。此外，全金属涡轮在失速时不会受到损坏（橡胶衬里的泥浆马达可能就不是这样了），从而提高了驱动系统的可靠性和寿命。由于涡轮的使用，BHA的可靠性来源于涡轮轴同心旋转产生的较低驱动振动，这有助于MWD的可靠性，稍后讨论。

3、PDC钻头涡轮性能

涡轮的性能明显取决于选择合适的耐用钻头，因为涡轮的效率和输出在运行一段时间内几乎不会降低。虽然有些人可能仍将涡轮的使用视为专门用于驱动孕镶金刚石钻头，但是该地区的UBCTD作业主要使用具有聚晶金刚石复合片(PDC)切割结构的钻头，即这些井中> 99%的涡轮运行均采用PDC钻头。

涡轮产生的功率比任何其他井下工具都大，并且涡轮功率特点是速度更高，与其他井下驱动装置相比，这种功率以高速和相对较低的扭矩形式输出。由于这种速度-扭矩输出的组合，切割深度(DOC)通常比其他驱动系统要小。钻压(WOB)也会更小(如在某些情况下观测到：当使用具有类似切削结构的相同尺寸钻头时，泥浆马达的重量会比涡轮多50%)。这种低DOC和WOB的组合是涡轮驱动固有的，但在最大限度地减少磨损和延长使用寿命方面有利于PDC刀具的使用。

由于连续油管钻井时，高钻压受到限制，因此，提供在低WOB和DOC下表现最佳的驱动系统和匹配钻头的优势是显而易见的。

在这些小井眼中所用的PDC钻头是专门为涡轮使用而设计的，因为它们具有适合销螺纹输出轴的盒形连接，还有一个长量规涡轮套筒，具有足够的量规保护，在磨蚀性地层有助于保持量规直径。钻头头部轮廓还可以更长，以便容纳更多行PDC刀具，这样就有更多的金刚石与地层接触，提高了耐久性。

在涡轮上使用较长量规钻头和较低稳定器有助于形成光滑的井眼。有助于最大限度地减少涡轮、BHA和盘管本身之间的井筒摩擦——考虑到使用低WOB可能有助于增加盘管的延伸范围，延长井的步距。

4、涡轮可控制性

一个常见的行业误解是，与相同尺寸的泥浆马达替代品相比，涡轮导向能力更低。几十年前，由于使用了较长的涡轮组件，其弯头限制在1.5°或2.0°，可能与此具有一定的相关性，这些KSA（沙特阿拉伯王国）井中所用的涡轮尽可能短，且钻头弯曲长度有所改进(即更短)，并且具有现场可调弯度，设置范围为0°至3.4°。与泥浆马达相比，涡轮每个弯头产生的DLS更高。由于涡轮能够提供更高的弯曲度(相应的，狗腿更高)，因此，在这些要求苛刻的KSA井中，涡轮经常成为造斜段和水平分支的首选驱动系统。在CTD成功应用之前，已经确定涡轮在旋转钻机上钻井时表现出良好的滑动钻井性能。虽然与旋转钻进相比，一些驱动系统在滑动钻进时的ROP可能要低得多，但在滑动钻进模式下，涡轮的钻进速度即使不是更快，也通常可以达到同样的速度。因此，CTD在100%滑动状态下的高水平钻井性能并不令人惊讶。如前所述，涡轮滑动钻进的这种自然能力很大程度上归因于涡轮专用钻头所产生的优良钻孔质量。另一个提高涡轮良好导向能力的因素是稳定的工具面（TF）控制，该控制来自高速/低扭矩驱动的较低反扭矩。

侧钻：在这些井中作业时，通常要求是进行裸眼侧钻，开始新的水平分支。涡轮特有的非常稳定的TF结构非常适合这项任务：首先沿着井筒产生一个沟槽或槽，有助于将钻头和BHA保持在井内所需的径向位置，然后再进行钻井，允许弯头将钻头按侧钻所需的方向推入井侧。保持这种稳定的TF(或弯曲位置)意味着侧钻作业更有效，两条侧钻分支之间的连接更平滑。

到目前为止，30%的涡轮分支作业都是从侧钻开始的，其中超过一半的侧钻，BHA从上一次作业一直保持在井中。

5、典型井基准涡轮性能

为了在本文后面展示这种新设计涡轮的改进性能，自KSA引进先进的涡轮技术以来，强调钻井性能是很重要的。2018年初推出的先进涡轮是全新设计的涡轮，具有更高的径向承载能力、先进的叶片设计、改进的定向特性以及市场上最短钻头弯曲距离。

所关注地区的井通常分为两种地层类型：砂岩(有时是砂岩和粉砂岩)——既坚硬又具有磨蚀性，或者碳酸盐岩(石灰岩、白云岩等)——非磨蚀性。

砂岩：平均作业长度= 321ft @ 12.8 ft/hr(98 m @ 3.9 m/hr)

注意：平均ROP包括钻井时间，因为砂岩中22%的作业是从裸眼侧钻开始的。

在砂岩地层中，使用先进涡轮的最长单趟作业记录如下：

a. 871 ft @ 23.5 ft/hr (266m @ 7.2 m/hr)，（2018年2月）

b. 867 ft @ 14.0 ft/hr (265m @ 4.3 m/hr)，（2018年12月）

c. 835 ft @ 18.7 ft/hr (255m @ 5.7 m/hr)，（2018年12月）

碳酸盐岩：平均作业长度= 982 ft @ 26.4 ft/hr (299 m @ 8.04 m/hr)

注意：该平均ROP包括钻井时间，因为碳酸盐岩地层中35%的作业是从裸眼侧钻开始的。

在碳酸盐地层中，使用先进涡轮的最长单趟作业记录为：

a. 3,067 ft @ 35.3 ft/hr (935m @ 10.8 m/hr)注意，在上述作业后，BHA保持在钻孔中至侧钻轨道内，并以31.82 ft/hr (495m @ 9.7 m/hr)速度再钻1,623 ft。

b.在同一次作业中，以43.59 ft/hr的速度运行2,768 ft ，然后以 30.12ft/hr的速度运行2741ft(保持在钻孔中进行侧钻)，总共以35.7 ft/hr的速度运行5509ft(1,679m @ 10.9 m/hr)

请注意，以上作业细节均使用涡轮服务供应商在2018年推出的相同先进涡轮，该供应商也推出了最新设计的大功率工具。

一家主要钻井承包商定期在这些相同区域作业，该承包商提供的一项研究表明，另一家2-7/8”涡轮服务供应商使用其标准涡轮产品在相同油田和相同地层类型中作业，其钻井性能较低，运行时间较短。砂岩侧钻占高于平均进尺的66%，平均ROP的64%；碳酸盐岩侧钻占高于平均进尺的64%，平均ROP的85%。

6、涡轮开发应对新的钻井挑战

上述性能示例取自地层枯竭的典型井，为了尽量减少地层损害，采用了UBCTD，通常注入氮气降低井底压力。用于注入的气体量通常在15～20%左右，并取决于单井的条件：但对于先进的涡轮，在合成功率水平过低而无法有效钻井之前，可以使用的气体量是有限的。因此，当客户决定利用更多的气体和更少的流体进行钻探试井时，这些先进的涡轮机(于2018年推出)与市场上现有的所有其他标准涡轮机相比，都被排除在外，因为它们在产生足够的钻井动力方面存在局限性。

此外，还尝试使用具有高注入气体速率的泡沫进行试验——这也带来了同样的问题，即产生足够的动力来使用标准涡轮钻井。

因此，为了在这些极具挑战性的条件下将涡轮驱动作为钻井的一种选择，必须开发一种新型涡轮，能够利用这些非常具有挑战性的高气相两相流体体系，并且仍然能够产生足够的功率、扭矩和速度，从而成功地进行钻井。

7、用新设计工具提高性能

（1）泡沫&气体钻井

使用涡轮进行泡沫钻井的最初挑战是完全能够进行钻井——因为注入气体的比例会很高——市场上所有可用工具都已被排除在外。

因此，在这些试验中，为钻井提供了新设计的涡轮，并在选定的两口试井中进行了首次作业，取得了成功。

试井1，碳酸盐岩地层：目标A：在单趟钻中以25°/30 ft钻出造斜段到水平段。

涡轮已经利用泡沫和注入59%的氮气成功地钻探造斜段，维持所需井底压力。

试井2，砂岩地层：目标A：在单趟钻中以25°/30ft钻出造斜段至水平段，利用泡沫和注入49-54%的氮气成功完成。

目标B：使用与试井1中相同的新设计涡轮，在水平分支试验中使用泡沫和氮气。按照计划，在试验条件下成功钻探分支段。

试井总结：这些试验都是利用泡沫和氮气成功完成，新设计的工具在非常低的液速和高气速下显示出良好的动力，而市场上任何其他工具都无法在这些条件下钻井。

（2）水&气钻井

相比之下，最难钻的地层是砂岩，因此研究人员分析了一个典型油田的邻井，看看上面列出的标准涡轮与新设计的大功率涡轮之间性能的差异，这两次作业都使用了完全相同类型的PDC钻头。

先进的涡轮：性能= 867 ft @ 14.01 ft/hr (当时是涡轮服务供应商在砂岩钻井时最长进尺记录)

新型大功率涡轮(在隔壁井，相同地层)：两项性能突出，都使用了相同的工具设计：

a.802 ft @17.57 ft/hr

b. 871 ft @ 23.47 ft/hr

c. 1,268 ft @ 21.49 ft/hr：进尺增加了+46%，ROP增加了+53%。两台涡轮都是由直流电驱动，无需注氮。

涡轮输出的改进：为了比较这两种工具的生成输出，它们在大约相同的流速范围内钻井，并且采用了两种作业的共同流速来比较两台涡轮之间的组件输出，即功率、扭矩和速度。

新设计的大功率工具的输出明显高于标准工具：功率增加+42%，扭矩增加+11%，Rpm增加+27%。

这些显著的改进可以从下面的图表中看到(图1)。

图1  新旧涡轮技术的输出对比

8、结论

与前一年相比，2018年引进的先进工具使该国的总进尺增加了50%以上。针对极具有挑战性的应用(低液速和高气率)引进新设计的涡轮在沙特成功地使用泡沫和氮气进行了测试。这些新型涡轮也仅在液相下进行了测试，并在802 ft、871 ft和1268 ft的连续作业中创造了3次记录，而且在pre-kuff 硬质地层中创造了高达50 ft/hr 钻速（ROP）记录。

这种新设计涡轮的引入使其能够在极低扬程的井中运行，舒适地钻井，比常规井使用的气体速率高出一倍以上，而在常规井中，标准涡轮组件根本无法进行钻井。新设计的涡轮还有助于通过极低WOP进行钻井来延长钻头寿命。

另外的优势是，当该工具也用于硬质和磨蚀性砂岩地层时，它的钻进进尺和ROP都显著增加，从而创造了创纪录的钻进长度，并大幅提高了ROP水平，这是以前从未有过的。

提高导向性意味着能够使用更高的DLS进行钻井，这些新工具可以满足绝大多数客户的要求，确定井眼井斜角，并在要求越来越高的钻井计划中成功地实现井着陆，同时满足具有挑战性的低压流速要求。

值得注意的业绩参见下图，其中详细说明了去年破纪录的作业及显著的表现(图2)。

图2  2018-2019年创纪录作业及显著绩效图

所有这些目标井都是欠平衡钻井：要么通过钻柱注入氮气，要么通过井下流动来降低井筒中的静水压力。井下压力低有助于减少地层损害，也有助于更容易地钻探岩石。因此，PDC切削结构钻头可以成功地用于两种类型的目标地层，即甚至是砂岩——而且仍然提供可接受的钻井进尺和钻井性能，即ROP。

这些井通常在钻主要水平分支之前先完成一个造斜段，将井斜从垂直转向水平。另外两个或更多的水平分支从主要水平分支段侧钻。

这类井的典型作业实例取自较长的水平分支段。