涡轮钻具介绍
涡轮钻具涡轮节设计
前言前言涡轮钻具是一种重要的井下动力工具，它联接在下部钻具组合（一般直接与钻头联接）中，利用钻井泵泵出的高压钻井液作动力，实施石油钻井作业。
其主要特点是将能量集中在井底直接驱动钻头破岩，能量利用充分，机械钻速较高，井身质量好。
多年来，国内外许多制造厂商和科研院所都对涡轮钻具的设计，制造和使用做了大量的科研和开发工作，有力地促进了涡轮钻井技术的不断发展。
采用新型涡轮钻具钻井,是提高深地层机械钻速和复杂地质条件下的防斜打直所不可缺少的配套设备,也是提高我国石油钻井作业综合技术经济效益的最有效途径.因此,研制的新型涡轮钻具达到产业化规模,使此项新技术尽快推广应用,这对提高我国的钻井工艺水平,降低钻井成本有重大意义.毕业设计：195涡轮钻具涡轮节设计195涡轮钻具涡轮节设计1 国内外发展状况及发展趋势1.1 国外涡轮钻具发展概况[1]1873年，C．G．Cross在美国提出了第一个涡轮钻具，更精确地说是涡轮-钻头专利。
随后，德国柏林的Max Blumerreich设计出了比C．G．Cross的专利更可靠的涡轮-钻头。
1894年，M.C,Baker对C．G．Cross的专利做了大量的改进工作。
虽然，这些发明都因过分简单化失去了实际应用的价值，但它却翻开了涡轮钻井的新篇章。
1923年，俄国工程师M.A.Kapelyushnikov取得了单级减速器涡轮钻具的专利，并在俄国巴库地区用它钻了一口井。
接着，1924年，C.C.Scharenberg申请了多级涡轮专利，并在美国加福尼亚，波兰和德国均进行了试验。
但由于没有克服转速过高，减速器脆弱易破坏和单级涡轮产生的功率有限等三个方面的问题，试验没有达到预期的效果，未能缩小与转盘钻井在转速方面的差距。
1934年，前苏联的P.P.Shumilov,R.A.Loannesyan等开始从事工业用多级涡轮钻具的研制工作。
由于其出色的工作，开创了前苏联涡轮钻具钻井的新篇章。
但是，止推轴承的寿命较低仍是涡轮钻具的一个薄弱环节。
第六节涡轮钻具
②转速差异 涡轮钻具的转速明显高于螺杆钻具。一般涡轮钻具的空转转速多在 1200rpm以上，其工作转速(即空载转速的一半)也多在600rpm以上，而单 头螺杆钻具的转速一般在 400rpm左右，多头螺杆钻具转速一般100rpm左 右。 ③压降差异 外径相近、工况参数(排量、钻井液密度)相同的两种钻具，涡轮钻具 的压降远远大于螺杆钻具的压降。 （涡轮钻具的高压降特性，在钻井水力设计中必须予以充分考虑，特 别是在深井钻进的情况下。例如Φ165mm的多头螺杆钻具，其额定工作压 降 ∇p一般为3MPa(空载起动压降一般小于1MPa)，而尺寸相近的涡轮钻 具，其压降一般可达 5-7MPa）
四、动力钻具的选用
1.动力钻具的性能分析
①工作特性的区别 螺杆钻具有硬的机械特性，过载能力强；而涡轮钻具有软的机械特 性，过载能力差，随着钻压增大导致切削阻力矩增大时，会引起转速下 降，易被“压死”而造成制动。从这方面来看，螺杆钻具用于钻井作业更 为适用。 另一方面,螺杆钻具的压降随着扭矩的变化而变化,因而可通过泵压 的变化检测螺杆钻具的工作情况。而涡轮钻具的压降不因载荷的变化而 变化，对其在井底的工作状况无法在地表直接检测。
3.动力钻具的选用
动力钻具的选用一般遵循以下准则： 常规定向井、大位移井、水平井的造斜以及复合钻井选用螺杆钻 具。遇到高温情况，可选用减速器涡轮。 为提高钻井速度而采用井下动力钻具时，应根据钻头的特点选用动 力钻具。一般可采用下列组合： PDC钻头或牙轮钻头+螺杆钻具； PDC钻头或牙轮钻头+减速器涡轮钻具； TSP钻头+高速螺杆或中速涡轮或减速器涡轮； 单晶金刚石钻头+中、高速涡轮。
扭 矩 压 降 效 率
图4.6.8 涡轮钻具工作特性的理论曲线
涡轮钻具介绍
-浮阀.
产 品 质 量
全俄钻井研究院-钻井工具有限公司的质量体系符合API 的ISO 9001:2000 标准
涡 轮 钻具
钻井工作效率
钻遇地层特性: -地层 -温度 -钻井问题
所用钻头类力: 泵的功率 转数/分钟 钻压
涡
输入: 液压能量
轮
钻 具
流量
x 压力
将减速涡轮下放至 12 230 米
减速涡轮钻具
减速涡轮钻具的设计
涡轮部分 减速器 主轴
角度调节器
减速涡轮钻具
行星齿轮减速器
传动关系 i=3,5÷3,9 最大扭矩
-178 mm 涡轮钻具 – 15000牛米;
齿轮牙 驱动 -195 mm涡轮钻具 – 19000 牛米; - 240 mm涡轮钻具 – 28000 牛米;
涡 轮 钻 具
定向涡轮钻具ТО3-240BI
主要特性: - 带有角度调节器; - 用充满油的接头将涡轮轴的扭矩传输给主轴; - 拥有独特的涡轮和主轴的轴向轴承; - 可以使用不同类型的涡轮; - 震动很小，对遥测系统影响就相对减少. 在西西伯利亚的平均机械钻速为 62 米/小时.
146 Q=60 l/sec 110 Q= 55 l/sec
Spindle section Spindle section
Reducer-spindle
涡轮钻具
减速涡轮钻具
涡 轮 钻 具
适合涡轮钻具的钻头类型
钻头类型
涡轮钻具类型
牙轮
PDC
孕镶式
不带减速器
?
带减速器
?
钻头的阻力和扭力是持续增加的. 这些特性需要在开发新的涡轮钻具时加以考虑.涡轮钻具及减速涡轮钻具能否 成功应用取决于钻井条件: 地层参数、泥浆密度和井温等.
涡轮钻具介绍
涡轮钻具发展史
• Neyrfor、Preussag、Dresser、Christensen和其他的一 些公司开始生产涡轮钻具，但是Neyrfor公司一直占据 市场的主导地位。目前除俄罗斯外，Sii-Neyrfor生产的 涡轮钻具占世界销售市场的90％以上 • 1982年Neyrfor公司首次在油田定向井中推广使用定向 钻井系统，大大减少了起下钻次数，降低了成本 • 1992年先进的PDC轴承、平衡毂和弯筒技术引进到涡 轮钻具中，PDC轴承的使用使涡轮钻具适应超高温的钻 井环境，大大提高了涡轮的效率，导向技术大大提高了 钻井定向的能力 • 2002年低速、大扭矩涡轮系统的开发大大扩展了涡轮 钻具的应用优势
• •
•
MK 1是恒压降型,不管驱动轴的转速有多快,叶片产生的压降不变, 这是三种叶片中效率最高的,主要应用在直井钻井中 MK 2是压降变化型,地面压力随着驱动轴转速的降低而减小,它的 工作效率比MK1稍低,但是给司钻的提供了更多的钻头运转状况的 反馈信息,主要应用在定向井钻井中 MK 3和MK 2同属于压降变化型,但是比MK2结构性能加强了,从而 可以用在高压、大排量的环境中
可调弯筒的角度
0.85 1.00 0.75 1.00 1.25 1.00 1.25 1.50 1.25
狗腿范围 （ 度 /100英尺）
4 5 4 6 8 8 10 12 17
4 3/4″
3 3/8″
狗腿程度的大小是根据井眼尺寸、地层类型和钻头类型的不同而变化
容积式螺杆和涡轮钻具对比
涡轮钻具的振动性
涡轮钻具和容积式液动螺杆 对比
容积式液动螺杆的主要技术特点：
• 本身固有的机械性能限制了使用寿命，而 且动力也受到温度的极大限制 • 容易受到憋停的损坏 • 液动噪音和较差的轴向平衡能力引起严重 的颤动，并传输到钻头和钻柱组件（如随 钻测量工具串等）
TRM减速涡轮钻具
为 了提 高钻 井的提 速 ， 在 宝一段 地 层采 用 Ｔ ＲＭ 减速 涡轮 钻 具进行 提 速试 验 ， 介 绍 了 ＴＲ Ｍ 减速 涡轮
钻具 结构原 理及参 数 ， 并对现 场应 用 结果进 行 了分析和 效果 对 比。
关 键词 ： 涡轮 钻 具 ； 提速 ； 牙轮 钻 头 ； 行 星齿轮 ； 钻 具组合
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
２ １ ５ ． ９ ｍｍ 牙 轮钻 头 ×０ ． ４ ３ ｍ＋ｊ ２ 『 １ ７ ８ ｍｍ减速 器
支撑 节 ×６ ．１ ８ ｍ＋ １ ７ ８ ｍｍ 涡 轮 钻 具 × ７ ．５ ８ ｍ ＋
１ ７ ８ ｍｍ Ｓ ＵＢ ５ ２ １ ／ ４ １ ０ ＋ １ ６ ５ ｍｍＳ ＵＢ
（ ４ Ａ１ ０ ／ ４ １ １ ） ＋ｊ ２ ｊ １ ６ ５ ｍｍＳ ＵＢ止 回 阀 （ ４ Ａ１ ０ ／ ４ Ａ１ １ ） ＋ ２ １ ４ ｍｍ Ｓ ＴＢＸ １ ．５ ｍ＋ ｊ ２ 『 １ ５ ９ ｍｍ 钻 铤 × ９ ｍ ＋
２ ０ １ ３年第 ４期
西 部探矿 工程
４ １
Ｔ ＲＭ 减 速 涡轮 钻 具
李 博
（ 大庆钻 探 工程公 司钻 井工 程技 术研 究院 ， 黑龙江 大庆 １ ６ ３ ４ １ ３ ） 摘 要： 涡轮 钻 具是硬 地层钻 井提 速 的一种 重要 手段 ， 大庆 外 围地层 硬 度 高 、 研磨性强， 钻 井速 度慢 ，
涡轮 钻具 及涡 轮减速 器 ， 其 技术 是 由俄罗斯 首先 设 计研发的， 研究 人员 通过 大 量 的理 论设 计 和 试 验 ， 研 制 出满 足钻井 需求 的涡轮 钻 具 及减 速 装 置 ， 现 已在 美 国 、 德国、 沙特 等 国家成 功应 用 ， 在 俄 罗 斯 境 内西 西 伯 利 亚
涡轮钻具及其应用
涡轮钻具纵向剖面示意图
a
4
TQ(V rt2Vt1)
涡轮钻具的工作特性
涡轮钻具基本上是一台轴流式机械，在其内部的液 流的能量传递到转子主轴上。因为半径处处保持不 变，所以不存在明显的径向液流。液流通过涡轮时 的绝对速度可被分解为平行于y轴的分量Vy和切向分 量Vt。在推动转子转动时只有Vt做有用功。 由动量守衡定理推导出
轮流 叶直 片径
‘
注意： 对于4-3/4″或者更小的工具，平衡鼓不需要使用
，因为推 力是非常小的，而且也可以被钻压平衡掉’
a
合成的受推力面 18
涡轮钻具的改进
涡轮平衡鼓（TSH型）图
（TSH型是指由单级马达组成的涡轮钻具，旁通阀是通过中空的驱动轴到钻头）
TSH型平衡鼓的驱动轴内部是中空的，该型平衡鼓 的衬套装有现场可更换的喷嘴，便于选择流入旁通 的流量的百分比，该喷嘴也可以完全堵塞（平衡流 体流过驱动轴）
➢ 当通过涡轮的液流不受阻力时，转速达到最大值，称为“空转 转速”，相应阻力矩为零；当涡轮发生制动，转子停转，阻力 矩达到最大值。
涡轮钻具总效率
EEhEVEm
Eh—水力效率，考虑压力变化和 进出、口的水力损失；
Ev—转子与定子间漏失的钻井液 造成的损失；
Em—轴承内的摩擦损失；
有效输出功率 PEQP
移动盘 固定盘
移动盘
垫环
迷宫环 前轴承
止推轴承
挠性轴 可调弯外壳
前轴承
钻头母扣 稳定器
稳定器
a
10
涡轮钻具的标准组件
涡轮径向轴承排列图
HNBR型橡胶
下径向轴承
中间径向轴承
a
11
涡轮钻具的标准组件
轴承部分驱动轴下部流态图
涡轮钻具
导向涡轮钻具配 合一体式的PDC 等钻头在某些地
层防斜快打
深井、超深井 井段提高深井
转速
感谢聆听
涡轮钻具的结构、工作原 理及使用
报告人：夏孝杰 中国石油大学（华东）
2015年10月
CONTENTS
涡轮钻具发展 涡轮钻具的结构 涡轮钻具的工作原理 涡轮钻具的使用
涡轮钻具的发展
涡轮钻具的结构
工作原理
涡轮钻具的使用
涡轮钻具的发展
涡轮钻具的发展
涡轮钻具的结构
工作原理
涡轮钻具的使用
• 1873年，CGCrass在美国第一次提出了涡轮钻具的概念，后经德国人MaxBlumerreich及 MCBaker的改良，涡轮钻井技术从此开启；
图1-2 单级涡轮钻具工作示意
图1-3 多级涡轮钻具工作示意
涡轮钻具的发展
涡轮钻具的结构
工作原理
涡轮钻具的使用
涡轮钻具的使用
涡轮钻具的发展
涡轮钻具的结构
工作原理
涡轮钻具的使用
以上数据说明涡轮钻井技术较常规钻井技术有巨大的优势
涡轮钻具的发展
涡轮钻具的结构
工作原理
涡轮钻具的使用
涡轮钻具的特点：
➢ 强动力输出 ➢ 所有都是金属件 ➢ 不同涡轮叶片类型 ➢ 模块式工具（轴承/马达/稳定器） ➢ 内可调式中间稳定器 ➢ 末端公扣式驱动轴-顶端母扣式钻头 ➢ 不同地层需选择相应的钻头,不需要选
• 1923年，俄国工程师取得单级减速器涡轮钻具的专利，并在俄国巴库地区用它钻了第一口井； • 1924年，第一家美国公司Scharpenberg利用单级减速器涡轮钻具在美国钻出第一口井，同
年获得多级减速器涡轮钻具专利； • 1934年，前苏联工程师PPShumilow，RALoannesyan着力于工业用多级减速器涡轮钻具的
第三章蜗轮机械
第三章 涡轮机械第一节 概 述涡轮钻具是一种结构比较特殊的井下动力钻具，它由钻井泵打出的高压钻井液来驱动。
涡轮钻具钻井与转盘钻井相比，主要优点是：将能量集中在井底驱动钻头旋转以破碎岩石，此机械钻速较高；钻井时钻杆不转动，减少了钻杆的磨损和断裂事故，延长了钻杆的使用寿命，特别适合于打定向井、丛式井以及进行修井、侧钻等特殊作业。
涡轮钻具在前苏联一直作为主要的钻井工具，钻井总进尺占80%以上。
长期以来，涡轮钻具主要是配用牙轮钻头打井，存在着涡轮钻具转速高，牙轮钻头寿命短、进尺少，及其像胶一金属推力轴承工作寿命不长等缺点；但随着高转速、低钻压聚晶金刚石复合片PDC 钻头的推广应用，随钻测量技术的普及，以及各种新型结构的出现，涡轮钻具在石油、天然气钻井工程中将会发挥越来越大的作用。
一、涡轮的工作原理涡轮钻具是接在钻杆的下端，随钻杆一起下到井底的一种井底动力钻具。
涡轮钻具中的涡轮，是把液体能（主要是动能及部分压能）变为涡轮轴上的机械能，从而带动钻头旋转破碎岩石。
涡轮钻具是一种特殊结构的水涡轮，它的作用原理和地面上的一般水涡轮相同，可用下面简单的例子说明，如图3-1所示。
漏斗A 可绕0102轴旋转，将液体从漏斗上部灌入，下部喷出，喷出的速度大小和方向与进口不同。
液流进出口动量矩的变化，使漏斗中的液体受一力矩。
该液体以大小相等方向相反的力矩作用在漏斗上，使漏斗沿箭头所示方向转动。
如把几个漏斗沿0102轴的圆周放置，成一整体就构成了涡轮，即可带动0102轴旋转作机械功。
可见要使漏轮轴作机械功，必须使液流在进入工作轮前具有一定的方向和速度，因此，液流在进入工作轮前应通过一个导向装置。
在涡轮的导向装置（或定子）中，只发生液体能形式的改变，把部分压能转换为动力能，并把液流引导一定方向。
而工作轮（或涡轮转子）中，发生液体能转换成机械能的过程，并带动涡轮轴旋转，对外作机械功。
钻井用的涡轮钻具，在工作条件和结构方面都与地面的水涡轮有很大区别。
第六节涡轮钻具
二、 涡轮钻具基本结构
1.涡轮钻具基本组成（图4.6.1）
涡轮马达总成
稳定器 弯接头总成 支撑节总成 图4.6.1 涡轮钻具的结构
涡轮钻具主要由以下部分组成： 1）涡轮马达总成 2）弯接头总成 3）支撑节总成 对于减速器涡轮还有减速节（图4.6.2）总成。
图4.6.2 减速器涡轮的结构
2.涡轮钻具各部分的作用 涡轮马达总成主要有壳体、转子叶片、定子叶片和涡轮轴构成，其作 用是将高压流体的水力能转换成驱动钻头的机械能，其物理基础是液力传 动的欧拉方程式。 弯接头主要由壳体和弹性轴组成，其作用类似于万向轴，使马达形成 造斜用弯角。 支撑节主要有止推轴承、径向扶正轴承、传动轴、壳体和传动接头组 成。其作用主要是承受轴向力，并将马达动力平稳的传递到钻头。 为降低涡轮转速、增加输出扭矩，出现了减速器涡轮钻具。对于减速 器涡轮的减速器主要由行星齿轮、止推轴承、齿轮密封系统等组成（图 4.6.3）。其作用是降低马达的转速、增加扭矩，与钻头匹配。
尽管如此，涡轮钻具作为一种重要的钻井驱动方式，有关其技术改进 的努力就一直没有停止过，以俄罗斯和法国为代表的世界各国一直致力于 完善涡轮钻具技术的研究和开发。 涡轮钻具不仅被俄罗斯广泛应用，西方国家利用先进的钻头制造工艺 技术，进一步推动了涡轮钻具的应用领域，初步解决了深井钻井中遇到的 许多难钻地层钻速慢的难题。近年来，世界各国采用涡轮钻具钻井的工作 量有逐年增长的趋势，特别是在南美和加拿大地区采用高泵压配合涡轮钻 具和PDC钻头或金刚石钻头钻井技术取得了很大的成功。据资料，在加拿大 涡轮钻具钻进进尺达到钻井总进尺的60~70%。 随着涡轮钻具在其结构和性能方面的不断改进和完善，具有不同使用 性能和满足不同钻井需要的新型涡轮钻具的相继研发，涡轮钻具推广应用 展现出良好的前景。
涡轮钻具
No load speed, RPM-无负载/空载转速
Stall torque, Hm (Lb*Ft)-止动力矩 No load turbine pressure drop, kg/cm2 (PSI) -无负载/空载压降 Max power turbine pressure drop, kg/cm2 (PSI)-最大功率压降 Stall turbine pressure drop, kg/cm2 (PSI)-止动压降 Max power, kW-最大功率
ISO9001:2000标准的认证的质量体系
TURBODRILLS-涡轮钻具
Drilling process efficiency-钻井过程效率
Characteristic of formations drilled:
钻遇地层特征 -Formations-地层
Used bit types:
使用钻头类型
达25米/小时
Main features-主要特征
条件:地层特性,泥浆密度和地层温度
TURBODRILLS-涡轮钻具
Turbodrill T1-195-T1-195涡轮钻具
Power and RPM of turbodrill T1-195 for different flow rates and density of mud 1,2 g/cm3 (10 ppg)-泥浆比重1.2和不同排量下的T1N max, kW
速导向涡轮
Т1, TSSH
Turbine section涡轮节
Straight直涡轮
TRO
TR, TRSH
Turbine section涡轮节
TO
Turbine section涡轮节
Spindleless-无传动轴 TV1
涡轮钻具简介
北京佐邦科贸有限责任公司 2008年元月 2008年元月
一、当今世界上使用的井下马达有 两种： 1、螺杆 2、涡轮
二、涡轮与螺杆的主要区别：
1、尺寸：涡轮比螺杆长2~3倍; 、尺寸：涡轮比螺杆长2~3倍 2、能量特性： ①涡轮转速高，一般400~600转/分，螺杆150转/分左 涡轮转速高，一般400~600转 分，螺杆150转 右，较稳定; 右，较稳定; ②扭距：螺杆高于涡轮，而压差低于涡轮; 扭距：螺杆高于涡轮，而压差低于涡轮; 3、技术特点：螺杆比涡轮更适用于打斜井和水平井， 但涡轮的钻速比螺杆高很多; 但涡轮的钻速比螺杆高很多; 4、使用指标：涡轮使用寿命900小时以上，螺杆约 、使用指标：涡轮使用寿命900小时以上，螺杆约 200小时（多级距的可达500小时） 200小时（多级距的可达500小时） 。
三、不同方法钻油气井前苏联和俄 罗斯的对比图
①敲击法; 敲击法; ②转盘方法; 转盘方法; ③涡轮方法; 涡轮方法; ④螺杆方法; 螺杆方法; ⑤电动方法。
四、涡轮钻具的组成
五、涡轮钻具的组成
涡轮钻具（如上图所示）可以由1~3个短节 涡轮钻具（如上图所示）可以由1~3个短节 组成，涡轮短节与钻头之间有一个减速短 节（用于降低涡轮转速）或支承短节。每 个涡轮短节约有100对转子和定子（见图六） 个涡轮短节约有100对转子和定子（见图六） 组成。定子安装在外壳上，转子安装在主 轴上。 减速器由星形齿轮组成，放在密封的油箱 中，经向支承轴承安装该短节的外壳内。
六、涡轮的转子、定子和支承轴承
七、俄罗斯生产的涡轮钻具类型已 系列化，常用的有以下几种：
T1T1-178 T1T1-195 T1T1-240 TV1TV1-240
井下动力钻具
涡轮钻具的能量损失：水力损失，容积损失和机械损失。 涡轮钻具的能量损失：水力损失，容积损失和机械损失。 总效率 η =η η
机 i
转化效率
ηi = η水η容
涡轮钻具的工作特性
根据制动，空转，及顶点工况时的扭矩和功率值， 根据制动，空转，及顶点工况时的扭矩和功率值，可近似做出涡 轮的转化扭矩和转化功率特性曲线。 轮的转化扭矩和转化功率特性曲线。
是由两方面叠加而成的，一方面，螺杆绕本身轴线转 是由两方面叠加而成的，一方面， 另一方面螺杆的轴线又绕衬套的轴线旋转， 动；另一方面螺杆的轴线又绕衬套的轴线旋转，而 且转向与自转相反。 且转向与自转相反。
N l = M lω = Ql ρ u (c1u − c2u )
如忽略能量转化过程中的损失，则由能量守恒定律可知， 如忽略能量转化过程中的损失，则由能量守恒定律可知，涡 轮获得机械能等于液体消耗的能量， 轮获得机械能等于液体消耗的能量，即
M lω = Ql H l ρ g
涡轮钻具的工作特性
由此可得，每公斤液体传给涡轮的能量， 由此可得，每公斤液体传给涡轮的能量，即转化压头
图 4 涡轮的理论特性曲线
涡轮钻具的工作特性
环流系数的概念：组成涡轮功率的两个因素 环流系数的概念：组成涡轮功率的两个因素——动力因素和运动 动力因素和运动 因素在无冲击工况时的比值称为环流系数， 表示。 因素在无冲击工况时的比值称为环流系数，用 表示。即
u为涡轮的圆周速度。由上式可见，当涡轮功率相等时，系数 为涡轮的圆周速度。由上式可见，当涡轮功率相等时， 为涡轮的圆周速度 越大，则涡轮的扭矩越大，无冲击工况时的转速越低， 越大，则涡轮的扭矩越大，无冲击工况时的转速越低，涡轮为 低速大扭矩。而系数越小，转速越高，涡轮为高速低扭矩。 低速大扭矩。而系数越小，转速越高，涡轮为高速低扭矩。 涡轮的最优工况，即最高效率点的工况，总是在顶点（ 涡轮的最优工况，即最高效率点的工况，总是在顶点（最大功率 工况与无冲击工况之间，对正常涡轮来说， 点）工况与无冲击工况之间，对正常涡轮来说，其无冲击工况 和顶点工况重合，因此也就是最佳工况。 和顶点工况重合，因此也就是最佳工况。 涡轮的相似理论。在钻井过程中，泥浆泵的流量是经常改变的， 涡轮的相似理论。在钻井过程中，泥浆泵的流量是经常改变的， 此时涡轮特性的变化可用相似公式求得。具体不在描述。 此时涡轮特性的变化可用相似公式求得。具体不在描述。
深井超深井涡轮钻具复合钻井提高钻速技术研究
深井超深井涡轮钻具复合钻井提高钻速技术研究我国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。
井下涡轮钻具涡轮叶片造型及优化研究
井下涡轮钻具涡轮叶片造型及优化研究
石油开采过程中,涡轮钻具作为动力单元在各种先进钻采设备和工具中得到了广泛应用和迅速发展。
本文说明了涡轮钻具的常见型式与特征,阐述了涡轮钻具的输出特性,并参考现有涡轮钻具确定了所设计涡轮钻具涡轮的结构模型及参数计算方法。
涡轮钻具的主要部件是涡轮定、转子,作为涡轮钻具的基本动力单元,它们的主要作用是将流体的水力能转化为机械能。
涡轮叶片作为决定涡轮性能的核心部件,对其造型设计是非常重要的。
涡轮叶片的表面为自由曲面,现有涡轮钻具叶片设计方法存在效率低,使用性能差的缺点。
为了提高涡轮叶片的设计效率及其水力性能,以?172mm涡轮钻具为对象,在查阅文献的基础上,综合分析现有的涡轮叶片造型方法,确定选用五次多项式作为叶片叶型的优化设计方法,由此提出了一种满足要求的涡轮叶片参数化模型。
借助于数学工具MATLAB求解得到涡轮叶片叶型方程,然后基于UG创建涡轮叶片及定、转子的三维模型,结合NX Flow对模型的水力性能进行CFD分析,得到了在额定流量条件下涡轮内流场压力和速度分布规律,对各工况条件下的涡轮叶片水力性能进行分析,后与试验数据分析对比,验证了本文涡轮叶片设计方法的有效性。
通过CFD分析,很好的将不同工况下的涡轮钻具水力性能展现了出来,对涡轮叶片的优化设计具有指导作用。
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涡轮钻具和容积式液动螺杆 对比
涡轮钻具的主要技术特点：
• 转速可达800rpm至2000rpm • 采用适用于高转速的专用钻头 • 强动力输出 • 在小井眼中效果更好
涡轮钻具和容积式液动螺杆 对比
6-3/4″M2PXL(2:3波瓣）：
• 性能参数如下：
▲排量530gpm、工作压差1160psi、输出效率60％ 的情况下，最大可得到215马力的输出功率
• 动力钻具是转换液能到机械能 • 输出动力小于输入动力 • 一般来讲，输出动力大约是输入动力的55－65％ • 影响传输特性的主要因素是效率的输出和效率的保
持 • 提高性能和可靠性的关键是先进的设计和科学选材
井下动力钻具基本原理
任何井下动力钻具的功率计算方法（英制单位）：
• 机械功率＝（速度×扭矩）／5252 • 液力功率＝（压降×流量）／1714 • 动力钻具功率＝ 液力功率×效率
涡轮钻具
技术介绍
深圳百勤石油技术有限公司
目录
涡轮钻具的发展史 涡轮钻具同PDM的对比 涡轮钻具结构性能介绍
- 基本特征 - 标准组件 - 钻具的改进 - 定向性 - 振动性 - 耐高温高压性 - 井眼质量 - 欠平衡钻井的配合
涡轮钻具的业绩 涡轮钻具总结
涡轮钻具
发展史
涡轮钻具发展史
• 涡轮原理在几百年前已存在(如风车), 现在也广泛应用 于航空器和发电厂等领域
• 1873年美国就公布了用井下螺杆给钻头提供动力的技 术专利，这个专利比旋转钻井专利早11年
• 19世纪20年代后期涡轮钻具在俄罗斯开始开发，在 1924年成功将涡轮钻具应用到钻井中。
• 1956年法国Neyrpic（目前Sii-Neyrfor公司的前身）公 司最先取得俄罗斯工具的生产许可,首次在西方钻井中 使用
流体口
涡轮钻具的改进
涡轮钻具叶片的设计原理
定子(上)和转子(下) 尾流状态图
等同于飞机机翼的原理,
利用涡流在叶片两面产
生的压差来使转子发生 转动,压差的大小和叶 片的形状和涡流进入叶 片的角度相关
• MK 1是恒压降型,不管驱动轴的转速有多快,叶片产生的压降不变, 这是三种叶片中效率最高的,主要应用在直井钻井中
▲但是实际中工作压差更可能是大约400psi-600psi， 所以在工作压差600psi、输出效率60％时，最大输 出功率是111马力
注意：容积式液动螺杆的效率随着工作时间的增长快速 下降
涡轮钻具和容积式液动螺杆 对比
Sii-Neyrfor 6-5/8″FBS T1 MK2型涡轮钻具：
• 性能参数如下：
• 1992年先进的PDC轴承、平衡毂和弯筒技术引进到涡 轮钻具中，PDC轴承的使用使涡轮钻具适应超高温的钻 井环境，大大提高了涡轮的效率，导向技术大大提高了 钻井定向的能力
• 2002年低速、大扭矩涡轮系统的开发大大扩展了涡轮 钻具的应用优势
井下动力钻具基本原理
应用在所有液动动力钻具（如容积式液动螺杆和 涡轮钻具）中的简单物理特性和参数：
• 容易受到憋停的损坏 • 液动噪音和较差的轴向平衡能力引起严重
的颤动，并传输到钻头和钻柱组件（如随 钻测量工具串等）
涡轮钻具和容积式液动螺杆 对比
涡轮钻具的主要技术特点：
• 本身的机械性能提供了较高的动力潜 能
• 极高的可靠性 • 几乎完美的轴向平衡 • 动力系统不再依赖于橡胶材质 • 采用了液力联轴节效应（不再由于憋
涡轮钻具发展史
• Neyrfor、Preussag、Dresser、Christensen和其他的一 些公司开始生产涡轮钻具，但是Neyrfor公司一直占据 市场的主导地位。目前除俄罗斯外，Sii-Neyrfor生产的 涡轮钻具占世界销售市场的90％以上
• 1982年Neyrfor公司首次在油田定向井中推广使用定向 钻井系统，大大减少了起下钻次数，降低了成本
旋转
涡轮钻具的基本特征
扭矩/速度/功率关系图
功率
扭 矩 功 率
\
憋停
标准速度
空转Biblioteka 转速涡轮钻具的标准组件
常规的T3（三级动力单元）涡轮钻 具图
工具全长达70英尺（21.3m) （精确长度根据不同工具尺寸（外径）来定）
涡轮钻具的标准组件
涡轮叶片盘排列图
定子 叶片盘
转子 叶片盘
转子 叶片盘
泥浆流
涡轮 本体
• MK 2是压降变化型,地面压力随着驱动轴转速的降低而减小,它的 工作效率比MK1稍低,但是给司钻的提供了更多的钻头运转状况的 反馈信息,主要应用在定向井钻井中
• MK 3和MK 2同属于压降变化型,但是比MK2结构性能加强了,从而 可以用在高压、大排量的环境中
涡轮钻具的改进
涡轮钻具叶片的压力分布图
标准压力
▲排量530gpm、工作压差1676psi（用比重10ppg的泥浆）、输出 效率55％ 的情况下，最大可得到285马力的输出功率。同容积式 液动螺杆在工作压差1160psi时的输出功率相比高出PDM30％多
▲如果按照PDM的实际工作压差仅是600psi计算，那么使用该涡轮 钻具提供的功率是PDM的150％多
涡轮钻具同PDM
对比
涡轮钻具和容积式液动螺杆 对比
涡轮钻具和容积式液动螺杆 对比
容积式液动螺杆的主要技术特点：
• 属于反作用式螺杆泵 • 扭矩／速度的应用范围取决于波瓣
的比率 • 压降和扭矩成比例 • 相对来讲比较容易组配工具
涡轮钻具和容积式液动螺杆 对比
容积式液动螺杆的主要技术特点：
• 本身固有的机械性能限制了使用寿命，而 且动力也受到温度的极大限制
定子 叶片盘
动力 部分
组配的 单级动力
涡轮 驱动轴
涡轮钻具的标准组件
涡轮弹性轴承排列图
移动盘 固定盘
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
涡轮钻具的标准组件
涡轮径向轴承排列图
HNBR型橡胶
下径向轴承
中间径向轴承
涡轮钻具的标准组件
轴承部分驱动轴下部流态图
±95％
注意：涡轮钻具的效率下降非常慢，即使是在几百小时的工作后，涡 轮钻具的工作效率也只是有很少的下降
涡轮钻具
结构性能介绍
流动空气
涡轮钻具的基本特征
飞机机翼的基本原理
举升力（比如功率）是通过压差产生的，机翼下面的压力较高，机翼上 部的压力较低
涡轮钻具的基本特征
液体动力流态图
（如 流量×压力）
轴 向 推 力