石油钻井设备与工具-王镇全 4第四节动力钻具选用

第四节井下动力钻具的选用一、动力钻具性能分析1、工作特性的区别下图分别给出了涡轮钻具和螺杆钻具的理论特性。

由此可对比出二者在工作特性上的区别，从而直观认识二者在工作原理上的差异。

从对比中可以得出，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。

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、压降差异对比外径相近、工况参数(排量、钻井液密度)相同的这两种钻具的压降可以发现，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。

4、耐温性能差异井下动力钻具内的橡胶部件造成了钻具承温能力的门坎值。

螺杆钻具的定子衬里是耐油丁腈橡胶，过高的工作温度会使定子橡胶脆化而造成先期破坏。

一般的螺杆钻具工作温度不超过125℃。

涡轮钻具内部没有橡胶件，完全不受高温的限制。

这是涡轮钻具的一大优点，也是近年来涡轮钻具又一度成为热门产品一个重要原因。

5、直径影响的差异涡轮钻具与螺杆钻具相比，涡轮钻具的功率和扭矩受直径的影响甚大，而直径对螺杆钻具的影响较小。

在设计产品或规划产品系列时，对涡轮钻具宜发展大直径产品(过小尺寸会使扭矩太小)；对小直径动力钻具可主要发展螺杆钻具。

目前涡轮钻具产品的直径范围是Φ95～Φ320mm，而螺杆钻具产品的直径范围是Φ45-Φ244mm。

6、横振差异螺杆钻具的转子在定子型腔内作平面行星运动，产生离心惯性力，从而造成钻具的横向振动。

而涡轮钻具的转子作定轴转动不会引起离心惯性力和横向振动。

7、长度差异在外径相近、扭矩相近的条件下，涡轮钻具的长度明显大于(甚至成倍于)螺杆钻具长度。

长度过大对造斜作业不利。

涡轮钻具优点：1、涡轮钻具转速高(400rpm以上)，较适合于TSP钻头、金刚石钻头。

2、涡轮钻具定转子使用寿命长。

3、耐高温和高压，适用于高温高压井。

三、动力钻具的选用目前，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。

第四章井下动力钻具前言1、井下动力钻具简介将动力发动机置于井底直接与钻头相联驱动钻头破碎岩石进行钻井的井下动力装置，称为井下动力钻具。

这种钻井方式称为井下动力钻具钻井。

其特点总结如下：1）用井下动力钻井，钻杆不转，只承受钻井的反扭矩，可改善钻柱的受力状况，减少钻柱和套管的磨损和破坏；2）井下动力钻具与转盘钻井相比，转速快，有利于提高机械钻速；3）实现井身轨迹的定向控制。

4）可与转盘复合，实现复合钻井。

不仅可以实现旋转或滑动钻井，还可提高钻头转速，提高钻井速度。

2、井下动力钻具的发展概况世界上第一台单级涡轮的专利注册于1873年的美国，比转盘钻井的提出还早11年。

但真正应用是在世纪20、30年代的前苏联。

作为全球主要应用涡轮钻井的国家，在50年代中期以前，前苏联80%以上的油井是用涡轮钻进的。

与前苏联不同的是，美、英等西方国家在螺杆钻具问世前，绝大部分的油井是用转盘钻钻成的。

由于涡轮钻具的小扭矩和高转速而无法与牙轮钻头匹配，人们迫切希望寻找新的具有低转速和大扭矩特性的钻井工具的技术需求，导致了螺杆钻具的诞生。

20世纪30年代，法国工程师根据对阿基米德螺旋泵的研究成果设计了单螺杆泵。

1955年，美国戴纳公司(Dyna)在单螺杆泵的基础上研制开发单螺杆钻具，于1968年起开始出售商品，一时占领世界市场。

1966年，前苏联的全苏钻井科学技术研究院开始研制多头螺杆钻具。

这种钻具的低转速大扭矩特性进一步改善了单头螺杆转速偏高、扭矩偏小、仍不太适合牙轮钻头的不足，扩大了螺杆钻具在定向井中的推广应用。

随着定向井数目的增加，20世纪70年代，人们对螺杆钻具的兴趣与日俱增。

多头螺杆钻具逐步取代单头螺杆钻具而成为主导产品。

更多的国外钻井设备公司，特别是斯伦贝谢、贝克(Baker)和克里斯坦森等公司，都开始制造自己的多头螺杆钻具。

井下动力钻具在美、英、法、德和原苏联等国家，经过40年的探索和研究，其制造工艺及其应用技术不断发展和完善，已成为当今世界石油钻井中定向井、丛式井、大斜度井、水平井等钻井作业必不可少的重要工具。

我国是在20世纪70年代末期开始研制涡轮钻具和多头螺杆钻具，在80年代初曾推广使用涡轮钻具，但由于其转速高与牙轮钻头不配套，加之当时的固相处理技术不过关，限制了涡轮钻具的应用。

20世纪80年代引进美国戴纳公司(Dyna)螺杆钻具技术后，螺杆钻具发展迅速，得到普遍应用。

现在，我国已有十余家工厂可以生产螺杆钻具，国产螺杆钻具已成为主要的钻井工具。

近年来，随着导向钻井技术的发展和钻头质量的改进，井下动力钻具应用空间逐步拓展，从直井到定向井、大斜度井、水平井，从井下动力钻具钻井到复合钻井，都与井下动力钻具密切相关。

因此，了解和掌握井下动力钻具的作用、工作原理、基本结构及其特点，对于从事石油工程的专业人员是十分重要的。

2、井下动力钻具分类及特点本课程主要讲解螺杆钻具和涡轮钻具。

第三节涡轮钻具一、概述1、涡轮钻具技术的发展自五十年代以来，涡轮钻井成为前苏联基本的钻井方法，井下动力钻具（主要是涡轮钻具）的年进尺量达到总进尺量的80%，在西伯利亚的秋明油田则达到了100%,在前苏联的鞑靼地区，采用高速牙轮钻头配合涡轮钻具钻井,机械钻速比转盘钻井提高了3-5倍。

欧美地区在深井硬地层钻井中采用涡轮钻具配用金刚石钻头也取得了良好的效果。

实践表明，涡轮钻井可以取得较高的机械钻速。

但作为主要破岩工具的牙轮钻头在涡轮钻具过高的转速下轴承的寿命很短，在深井段导致起下钻时间增加、行程钻速降低而使钻井成本提高，限制了涡轮钻井技术的推广应用。

后发展起来的螺杆钻具由于其具有输出转速低，扭矩大，压降小，长度短，结构简单，操作方便等优点，在定向井和水平井钻井中得到了广泛运用，在很多领域一度取代了涡轮钻具。

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，且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。

二、涡轮钻具基本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器总成。

2、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。

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。

其作用是降低马达的转速、增加扭矩，与钻头匹配。

3、涡轮钻具类型按转速分类：高速涡轮：>600RPM中速涡轮：400-600RPM低速涡轮：<400RPM按有无减速器分类无减速器涡轮钻具减速器涡轮钻具三、涡轮马达的工作机理涡轮钻具是一种液力式机械，其物理基础是液力传动的欧拉方程式。

单级涡轮由定子和转子叶片组成，转子和定子叶片形状相同但弯曲方向相反。

定子起到导流作用，将高压流体导向转子推动转子旋转，转子与涡轮轴相连，将旋转力传递到涡轮轴。

涡轮马达由上百级单级涡轮组成。

1、涡轮叶片的结构参数涡轮钻具叶片的计算平均直径：叶片高度：级高：式中，L1,L1—涡轮定、转子的轴向高度；—涡轮定、转子间的轴向间隙。

叶片结构角，即涡轮叶片骨线与叶片水平断面的夹角：，：定子出口和进口角；，：转子进口和出口角。

2、涡轮叶片特性理论分析涡轮钻具是由多级转子定子副组成，理论上认为，多级涡轮叶片的特性是单级涡轮叶片特性的叠加。

涡轮叶片特性分析的理论基础是一元欧拉方程，它的推导基于以下假设：（1）涡轮钻具叶片无限薄；（2）叶片数无限多；（3）叶片工作的液体为理想流体。

K—涡轮级数；u—转子叶轮计算直径D上的圆周速度；n—涡轮主轴转速；Q—通过涡轮的液体流量；—钻井液密度；R —转子叶轮计算半径；C1u—转子叶轮进口处绝对速度的切向分量；C2u—转子叶轮出口处绝对速度的切向分量；g—重力加速度。

涡轮钻具特性分析涡轮钻具的扭矩MK与钻井液的排量(Q)、密度及转速参数(C1u-C2u)有关。

压降(HK)取决于转速(n)和结构尺寸(D)，而且与排量(Q)有关，当n，D，Q确定后压降即已确定，不会随工况(钻压、扭矩)的变化而变化。

输出扭矩与流量为平方关系增加；流体密度与输出扭矩呈正比。

在涡轮叶片结构确定后。

涡轮钻具的扭矩与涡轮级数成正比。

第二节螺杆钻具一、概述1、螺杆钻具简介螺杆钻具，又称定排量马达(devoplacement Motor，简写为PDM)，是一种以钻井液为动力液的井下动力钻具，是一种容积式马达。

其工作过程为：泥浆泵泵出的钻井液从钻柱进入螺杆钻具的马达，在马达的两端形成一定压力差，推动马达的转子旋转，并将扭矩和转速通过万向轴和传动轴传递给钻头。

由于其本身结构和性能方面的一系列特点和优点，所以自20世纪50年代中期问世，特别是近30年以来，在石油钻井和修井方面获得了广泛应用，并被用于地质勘探、煤层气开采、建筑管道施工和国防工程等方面的钻进作业。