Investigación sobre soluciones tecnológicas para herramientas de perforación con turbinas
(1) Sugerencias sobre la selección de herramientas de perforación de turbinas.
El pozo objetivo es un pozo ultraprofundo con una profundidad de 13.000 m y el diámetro final del pozo es ≥152 mm. Se espera que la temperatura máxima en el fondo del pozo sea inferior a 400 °C. y la presión es de aproximadamente 150MPa. Los pozos nacionales de alta temperatura y alta presión se concentran principalmente en la cuenca de Yingqiong, la cuenca de Sichuan, la cuenca de Tarim y otras áreas del borde de la plataforma continental en el norte del Mar de China Meridional. Sin embargo, las condiciones de temperatura del pozo específicas para pozos ultraprofundos de 10.000 metros. son pobres.
Las herramientas de perforación de turbina son componentes totalmente metálicos y actualmente son las únicas herramientas de perforación eléctricas que pueden adaptarse a la construcción de pozos a alta temperatura. Desde la perspectiva de las características de trabajo, las herramientas de perforación con tornillo son herramientas de perforación con turbina de desplazamiento positivo y son adecuadas para operaciones de perforación. Por lo tanto, se recomienda que las herramientas de perforación de turbina se utilicen solo en secciones de pozos profundos o en secciones de pozos de alta temperatura, y las herramientas de perforación de turbina se pueden seleccionar a profundidades de 8000 m ~ 10000 m.
Seleccione las especificaciones de la herramienta de perforación de turbina según el diseño de la estructura de profundidad del pozo de perforación y el tamaño de la broca para determinar la profundidad utilizable de 10.000 m. De acuerdo con el diseño preliminar de la profundidad del pozo de 10,000 metros de profundidad, seleccione el diámetro de broca correspondiente. La relación de coincidencia entre las especificaciones de la herramienta de perforación de turbina seleccionada y la broca se muestra en la Tabla 3.8.
Tabla 3.8 Relación de coincidencia entre herramientas de perforación con turbina y brocas
Actualmente, la tecnología de perforación con turbina más avanzada proviene de Estados Unidos y Rusia. El nivel técnico general de las herramientas de perforación de turbinas nacionales todavía está muy por detrás del de los países extranjeros, y el diseño, la fabricación y la confiabilidad de los componentes clave (como reductores y dispositivos de equilibrio) todavía están muy por detrás de los de los países extranjeros. Se recomienda que mi país aproveche el pozo de 10,000 metros de profundidad como una oportunidad para investigar herramientas de perforación con turbina adecuadas para la perforación de pozos ultraprofundos en mi país. Los objetivos de investigación son principalmente 168 mm y 127 mm. Puede elegir herramientas de perforación de turbina American Smith y Russian NGT, que tienen buena confiabilidad. Además, la selección de modelos específicos debe combinarse con la adaptación de los parámetros de la broca.
(2) Tecnología de optimización y diseño de palas
La forma curva del estator y el rotor de la turbina es la tecnología más crítica para las herramientas de perforación de turbinas. Los diferentes tipos de hojas tienen diferentes propiedades hidráulicas y la forma de la hoja también es fundamental para su fabricación y configuración. Mediante el diseño optimizado de la forma de la hoja y el proceso de fabricación, se resuelve el problema de la reducción de potencia causada por el diámetro pequeño.
El diseño de palas de la cascada de turbinas es una tecnología clave en el diseño hidráulico y desarrollo de herramientas de perforación de turbinas. Mediante el diseño optimizado del campo de flujo, se puede maximizar la eficiencia hidráulica de las palas de la turbina. En el diseño del perfil del álabe de una turbina, el diseño de la forma de la sección transversal del álabe es el más importante. Los diferentes perfiles de pala tienen diferentes propiedades hidráulicas, lo que tiene un gran impacto en el rendimiento de las herramientas de perforación con turbina. El método de diseño hidráulico de las herramientas de perforación de turbinas incluye principalmente métodos teóricos, modelado y simulación por computadora y análisis experimental del rendimiento hidráulico. Actualmente, nuestro laboratorio ha elaborado un programa de diseño de componentes hidráulicos, ha completado el diseño del componente hidráulico de una herramienta de perforación de turbina con un diámetro exterior de 127 mm y ha comenzado a fabricarlo. Al mismo tiempo, se están llevando a cabo investigaciones relacionadas con la simulación de álabes de turbinas.
(3) Tecnología de diseño del reductor
Existen muchos tipos de reductores para herramientas de perforación de turbina. Entre ellos, el reductor de engranajes planetarios común consiste principalmente en engranajes planetarios, cojinetes de empuje y. sistemas de sellado, etc. composición. Su función es reducir la velocidad del motor, aumentar el par y hacer coincidir la broca. Para cumplir con los requisitos de las herramientas de perforación con turbinas y la tecnología de perforación con turbinas en el espacio limitado de las herramientas de perforación eléctricas de fondo de pozo, se diseña un reductor nuevo, estable y confiable. Resuelva el problema de alta velocidad y bajo par. Nuestro laboratorio ha completado el diseño del reductor de engranajes planetarios y del reductor de diferencia de dientes pequeños respectivamente, como se muestra en la Figura 3.6438+06.
Figura 3.16 Diagrama esquemático tridimensional del reductor
(4) Tecnología de rodamientos de larga duración y alta confiabilidad.
Los rodamientos son el eslabón más débil de las herramientas de perforación de turbinas. Los cojinetes axiales soportan los componentes de la turbina y transportan fuerzas axiales. Los rodamientos radiales soportan fuerzas radiales y garantizan la concentricidad de los componentes. En la perforación de pozos ultraprofundos, los cojinetes especiales para las herramientas de perforación con turbinas de larga duración pueden reducir el tiempo de operación auxiliar (Figura 3.17).
Figura 3.17 Diseño de rodamiento centralizador convencional
El diseño se centra principalmente en mejorar la condición de tensión del rodamiento y extender su vida útil. Las duras condiciones de tensión son la principal causa de daños a los rodamientos axiales. Optimice los materiales y estructuras para mejorar la resistencia y la resistencia al desgaste de los propios rodamientos. Actualmente, el laboratorio ha completado el diseño del cojinete centralizador. El siguiente paso es diseñar el cojinete de empuje PDC. Este tipo de cojinete tiene una alta resistencia al desgaste, puede funcionar a temperaturas ultraaltas y puede soportar grandes cargas axiales. Al mismo tiempo, el material PDC tiene un coeficiente de fricción pequeño y no se ve afectado por los productos químicos presentes en la perforación.
3.3.2 Investigación sobre la tecnología de perforación con turbinas
Una característica importante de las herramientas de perforación con turbinas es la alta velocidad de rotación, que generalmente alcanza 600 ~ 1200 r/min. Los pozos ultraprofundos son generalmente rocas cristalinas duras en pozos profundos. En estas formaciones de plástico duro y difíciles de perforar, se utilizan herramientas de perforación con turbina para romper la roca mediante arado, y cuando se perforan formaciones extremadamente duras y de grano grueso, la roca se rompe mediante trituración. La perforación intensiva de alta velocidad aumenta en gran medida la tasa de penetración mecánica de los pozos profundos y reduce los costos integrales de perforación.
En la perforación integral, se utiliza la broca de rodillo de 269,9 mm + cinco turbinas abiertas de 184 mm impulsadas por motor de 184 mm para construcciones de 10000 ~ 8000 m, y la broca de rodillo de 215,9 mm + seis turbinas abiertas de 168 mm impulsadas por motor utilizado para la construcción de 13000 ~. Y taladro oscilante de repuesto + motor de turbina de 127 mm + broca de rodillo de 165,1 mm para construcción de 13000 ~ 10000 m.
Al perforar con muestra, la quinta abertura es impulsada por un motor de turbina de 184 mm + broca de diamante impregnada de 269,9 mm para construcciones de 10000 ~ 8000 m, y la sexta abertura es impulsada por un motor de turbina de 168 mm + diamante impregnado de 215,9 mm Broca para 13000~65438+. Y un motor de turbina de repuesto de 127 mm + broca de diamante impregnada de 165,1 mm para construcciones de 13000 ~ 10000 m.
En la construcción de pozos ultraprofundos de 10.000 metros, se deben utilizar brocas de cono giratorio para perforación integral y brocas impregnadas de diamante para perforación con núcleo. Si los fondos lo permiten, se recomienda cambiar a brocas impregnadas de diamante y herramientas de perforación de turbina para perforar. Aunque las brocas aumentan el costo, reducen el costo total y generalmente son deseables. Pero es particularmente importante seleccionar la broca de acuerdo con la formación y luego seleccionar la herramienta de perforación de turbina correspondiente de acuerdo con las condiciones de uso de la broca, de modo que se pueda ejercer completamente el efecto máximo de la herramienta de perforación de turbina.