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我国73%以上油气资源量埋藏在深层,深井超深井所钻数量越来越多,但在深井超深井钻井过程中面临许多技术难点,平均机械钻速低,严重影响了深层油气资源的勘探开发。涡轮钻具复合钻井技术是提高深井超深井钻速的有效手段之一。美国涡轮钻井技术居世界首位,但对我国实行技术封锁,不卖产品,只提供有限技术服务,价格昂贵,国内急需对此项技术进行研究突破。本文就涡轮钻具的基本结构、工作原理、设计原理进行了详细而深入的综合分析,发明了积木式涡轮钻具,并建立了积木式涡轮钻具基本理论,设计、试制了积木式涡轮钻具,并进行了室内外试验研究。本文共包括七个部分,分别是引言、涡轮钻具设计基础理论研究、深井超深井积木式涡轮钻具研究、Φ127mm减速涡轮钻具结构设计与研制、超深井动力钻具复合钻井配套工艺技术研究、超深井涡轮复合钻井提速现场试验研究、结论与建议。本文在完成涡轮钻具工作原理分析基础上,制定了详细的涡轮钻具设计流程,建立了积木式涡轮钻具设计理论,给出了积木式涡轮钻具特性参数计算模型,设计并试制了Φ240mm、Φ172mm和Φ127mm三种不同尺寸积木式涡轮钻具,进行了Φ172mm三种涡轮定转子组合的室内台架试验,涡轮理论特性参数与试验结果吻合,并遵从叠加原理。在此基础上,对深井超深井涡轮钻具复合钻井配套工艺技术进行了深入研究,建立了涡轮钻具复合钻井水力参数(最优排量和最优喷嘴直径)、钻进参数(钻压和转速)优化计算模型,为涡轮钻具复合钻井现场试验打下了理论基础。此外,在塔河油田超深井塔深一井8321.3-8405m井段和TH12509井5915-6247m井段进行了二种不同型号Φ127mm积木式减速涡轮钻具的现场提速试验,平均机械钻速同比提高了48%-133%,为深井超深井动力钻具提速技术的发展奠定了理论与试验基础。文章最后对全文进行了总结,为深井超深井涡轮钻具复合钻井提速技术的下一步研究指明了方向。