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
涡轮钻具工作特性分析： ①涡轮钻具压降在流量、涡轮结构尺寸、涡轮级数确定后即为定值，不 会随工况(钻压、扭矩)的变化而变化。 ②涡轮钻具的扭矩与流量、钻井液密度及转速参数有关。输出扭矩与流 量、钻井液密度、涡轮级数成正比。 ③涡轮钻具的输出功率与流量、涡轮结构尺寸、涡轮级数、钻井液密度 有关。 ④涡轮钻具的转速与输出扭矩成反比。空载时转速很高，重载时转速 低。扭矩超过涡轮钻具的额定扭矩，涡轮钻具会停止旋转，也既涡轮钻具没 有过载能力 。 ⑤涡轮钻具的输出功率随着输出扭矩、转速的变化而变化，并存在最大 值。此最大值为涡轮钻具的理想工作负载点。
行星轮 中心轮 内齿轮
图4.6.3涡轮钻具减速器行星减速机构
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（图4.6.4），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。 定子
转子
图4.6.4单级涡轮的组成
1.涡轮叶片的结构参数 涡轮叶片的结构参数（图4.6.5)如下： 涡轮钻具叶片的计算平均直 径： 叶片高度：
h= D1 − D 2 2
2 D − D2 D = ⋅ 12 3 D1 − D2 2
3 3
级高：
l = l1 + l 2 + Δ
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。
图4.6.5 涡轮叶片的结构参数
叶片结构角（图3.6.7），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:
α 1k α 2 k
β 2k
转子进口和出口角: β 1k
图4.6.7涡轮叶片结构角
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。 多级(K级)涡轮的理论压降HK、理论扭矩MK、理论功率NK可由下式计 算：
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。
优点： ①转速低，适用于现有牙轮钻头. ②长度短(5～10m)，适合打定向井、水平井。 ③压降低(3～5MPa)。 ④转速不受输出扭矩的影响,具有很好的过载能力。 ⑤螺杆钻具的压降随着载荷的变化而变化,因而可通过泵压的变化检测螺 杆钻具的工作情况。 缺点： ①橡胶定子和转子在高密度及泥浆净化不好条件下易磨损，随着间隙的 增大，转速和扭矩下降。 ②橡胶定子不耐高温，在高于125℃条件下橡胶易失效，橡胶存放时间长 了就会老化(螺杆钻具一般情况下只能存放2年时间)。
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。 缺点： ①涡轮钻具转速较高，与现有牙轮钻头不匹配。 ②单节涡轮钻具扭矩小，为了提高扭矩，只有采用长度长的复式涡轮钻 具，使得钻具总长度较大，不利于井眼轨迹控制； ③复式涡轮钻具压降大，特别是在高泥浆比重条件下压降更大。 ④转速与输出扭矩有关，过载条件下会导致钻具不转。
④耐温性能差异 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，橡胶部件造成了钻具承温能力的门坎值。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，不受高温的限制。 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，小 尺寸涡轮钻具扭矩小；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。
2.螺杆钻具和涡轮钻具特点对比 螺杆钻具:
本章作业： 1．钻柱在钻井过程中的主要作用是什么？ 2. 钻柱的定义？钻柱主要包括哪些工具？ 3. 井下三器指哪三种工具？ 4．什么是井下动力钻具？动力钻具钻井的特点是什么？ 5．液力井下动力钻具有哪几种？ 6．什么是螺杆钻具？主要有哪几部分构成？ 7．弯螺杆钻具弯角大小与造斜率的关系？ 8．螺杆钻具的特点是什么？ 9．涡轮钻具工作特性分析? 10.根据螺杆钻具和涡轮钻具的工作特性曲线论述二者机械性能的差 异？
第六节 涡轮钻具
一、概述
1.涡轮钻具技术的发展 涡轮钻井在前苏联应用广泛，涡轮钻井的年进尺量达到总进尺量的 80%，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35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，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。
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。
Hk = K
u (C1u −C 2u ) g
M k = KQγ m R (C1u − C 2u )
N K = KQγ m u (C1u − C 2u )
u=
πDn
60
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；
γm
—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。 根据公式可得到涡轮钻具的理论工作曲线（图4.6.8）：