涡轮钻具介绍
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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。
5种常规钻具组合的不同特点
各种常规钻具组合 1、满眼钻具（packedholeassembly） 又称刚性配合钻具或刚性满眼钻具，是一种安装在钻柱下部的刚度较大而且井径与钻柱外径 之间间隙较小的防止井斜角和井眼曲率变大的一种钻具组合。 刚性满眼钻具一般是由几个外径与钻头直径相近的扶正器与一定长度外径较大的钻铤所组 成。它的防斜原理是在钻头以上的下部钻柱上安装一定数量的扶正器，以扶正合钻铤；提高 下部钻柱的刚度，减少其弯曲程度，以消除钻头的严重倾斜，使其能减小和限制由于钻柱弯 曲而产生的增斜力，同时扶正器能支撑在井壁上，抗衡地层自然造斜力，以达到控制井斜在 最小范围内变化的目的。 为了发挥满眼钻具的防斜作用，在钻具上至少要有三个稳定点，除在靠近钻头处有一个扶正 器外，其上面应再安放两个扶正器才能保持有三点接触井壁。如果只有两点接触，钻柱就能 循沿一条曲线，不能保证井眼的直线性。如果有三点接触，就能保证井眼的直线性和限制钻 头的横向移动。 1）在垂直或接近垂直的井眼中钻具的防斜作用：当钻具在垂直或接近垂直的井眼中工作时， 它的作用是保持井眼沿直线方向加深。 2）增斜时钻具的防斜作用：当钻进时井斜较大的地层时，满眼钻具能有力地抵抗地层横向 力，减小井斜的变化。满眼钻具在增斜地层中，能限制井斜角的增大速度，可防止狗腿、键 槽等现象的发生。 3）降斜时钻具的作用：如果井眼已发生了偏斜，而地层横向力又使其趋向恢复垂直状态， 满眼钻具的作用是防止井斜角过快地减小。钻具在降斜时能有力地抗衡地层降斜力，减少井 眼的降斜率，使其不致于产生狗腿、键槽等不良现象。 2、钟摆钻具 钟摆钻具是为了减少井斜角而设计的一种钻具组合，是利用斜井内切点以下钻铤重量的横向 分力把钻头推向井壁低的一侧，以达到逐渐减小井斜的效果。这个横向分力如钟摆一样，所 以称之为“钟摆力”，运用这个原理组合的钻具称为钟摆钻具。 对于一定斜度的井眼来说，井斜角是一定的，因此增大降斜力的主要方法是增大切点以下的 钻铤重量，其办法有二：一是使用大尺寸钻铤或加重钻铤。显然在同一钻压下，大尺寸钻铤 不易被压弯，并且切点位置高，因而切点以下钻铤长度 L大，有利于增大降斜力。二是在比 切点略高的位置上，安装一个扶正器，以提高切点位置，增大其下部钻铤重量，使降斜力增 大。除此之外，扶正器对其下部钻铤还起到扶正作用，因而可减少钻头倾斜角，限制增斜力 的增大。当然最理想的办法是采用大尺寸钻铤加扶正器，这样组成的钻具不仅钟摆的长度大， 而且重量也大，其降斜效果更好。 3、塔式钻具 塔式钻具就是在钻头之上，使用几段直径自下而上逐渐减小，形如塔状的钻铤组合。钻铤应 不少于 12根；这种防斜钻具的特点就是底部钻铤重量大，刚度大，整个钻铤柱的重心低， 稳定性好。能产生较大的钟摆减斜力。在松软地层，井径易扩大，对于扶正器满眼钻具或扶 正器钟摆钻具，由于其井径与扶正器间隙值大，防斜效果差。使用塔式钻具则能得到满意的 效果。此外，塔式钻具还有结构简单，使用方便，不需要进行扶正器位置计算的优点，也不 存在扶正器、方钻铤的磨损及修复等问题，但塔式钻具也存在底部间隙小，易卡钻，钻铤尺 寸多，操作部方便等不足。 塔式钻具防斜效果的好坏，取决于钻具的塔式组合。要求组合的重心低、底部钻铤直径大、 整个钻铤重量大、每一级钻铤尺寸差值小。 4、螺杆钻具组合 螺杆钻具由四个部件组成,从上至下依次是旁通阀、马达、万向轴、传动轴组成。螺杆钻具
第三章蜗轮机械讲解
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
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
涡轮钻具的改进
目前FBS型涡轮钻具的尺寸
钻具尺寸
2-7/8″ 3-3/8″ 4-3/4″ 5″ 6-5/8″ 7-1/4″ 9-1/2″
井眼尺寸
3.25-4.0 ″ 3.75-5.375 ″ 5.625-6.75 ″ 6.0-6.75 ″ 7.625-9.875 ″ 8.375-9.875 ″ 12.0-17.5 ″
涡轮钻具的改进
涡轮钻具叶片的压力分布图
标准压力 扭 矩 涡 轮 压 降
钻井范围
钻头转速
涡轮钻具的改进
涡轮钻具轴承座圈图
• • •
PDC止推轴承具有较高的耐研磨能力，可以在超高温（目前最高温度233 ℃）下进行作 业，并能够承受较大的轴向载荷 PDC材质具有较小的摩擦系数，不受钻井中存在的天然的或者泥浆里的化学物质的影响 轴承的承载能力和低摩擦系数从而使其高效、结构紧凑，因此也大大缩短了钻具长度
飞机机翼的基本原理流动空气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液体动力流态图如流量压力旋转扭矩速度功率关系图功率空转标准速度常规的t3三级动力单元涡轮钻工具全长达70英尺213m精确长度根据不同工具尺寸外径来定涡轮叶片盘排列图转子叶片盘定子叶片盘泥浆流单级动力转子叶片盘定子叶片盘涡轮本体动力部分涡轮驱动轴涡轮弹性轴承排列图移动盘固定盘移动盘前轴承前轴承稳定器迷宫环止推轴承可调弯筒钻头母扣稳定器涡轮径向轴承排列图hnbr型橡胶下径向轴承中间径向轴承轴承部分驱动轴下部流态图95流体口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mk1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mk2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mk3和mk2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叶片的压力分布图钻头转速钻井范围标准压力涡轮钻具轴承座圈图pdc止推轴承具有较高的耐研磨能力可以在超高温目前最高温度233下进行作业并能够承受较大的轴向载荷轴承的承载能力和低摩擦系数从而使其高效结构紧凑因此也大大缩短了钻具长度轴承受力和承受载荷图推力110000lbs50t80000lbs36t钻压30000lbs14t泵排量750gpm3410lm用标准的912t3mk1涡轮钻具止推轴承止推轴承止推轴承止推轴承止推轴承止推轴承水平力水平力钻压反作用力涡轮叶片上液压的垂向力涡轮平衡毂图驱动轴平衡毂衬套大约3的液体流到环空tsb型或从中空的驱动轴向下通过轴内腔流进轴承段流到钻头tsh型流进涡轮钻具的主泥浆流涡轮平衡毂tsb型图tsb型是指由单级动力单元组成的涡轮钻具旁通阀是直接通到环空的平衡毂的受推力面叶片等的受推力面合成的受推力面推力推力推力的影响效果
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
约钻井成本
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
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
俄罗斯涡轮钻具发展及技术优势分析
俄罗斯涡轮钻具发展及技术优势分析摘要：我国部分油田地层钻速低，严重制约了钻井效率。
俄罗斯是世界上最早研发及推广使用涡轮钻具的国家，具有成熟的生产各种型号涡轮钻具的能力。
文章分析了俄罗斯涡轮钻具的发展，将俄罗斯涡轮钻具在我国的部分地区进行了应用，并分析了使用效果，总结了俄罗斯涡轮钻具技术优势分析，对我国部分油田钻井提速提效提供了新的手段。
关键词：俄罗斯；涡轮钻具；发展；优势涡轮钻具是一种液动马达，涡轮壳体里面装有多级成对的涡轮定转子，工作时钻井液在泵的作用下首先进入涡轮定子，涡轮定子使钻井液具有一定的方向和速度进入涡轮转子，涡轮转子使钻井液的水力能量转变为涡轮钻具输出轴驱动井底钻头的转动机械能。
涡轮钻具转速范围大，可使用牙轮钻头、PDC钻头和各类孕镶金刚石钻头；涡轮钻具定转子使用寿命长，存放时间不受限制；耐高温和高压，适用于高温高压井。
涡轮钻具克服了螺杆钻具的缺点，是深井、超深井、高研磨性、高抗压强度、高温地层的有效提速手段。
高转速滚动轴承牙轮钻头和滑动轴承牙轮钻头已成功用于深井钻进；孕镶金刚石钻头以微剪切和研磨联合作用方式破碎岩石，通常与高速涡轮钻具（转速>800 rpm）配合使用，用于钻进深部致密难钻地层、研磨性高的地层及软硬交错地层。
涡轮动力钻具复合钻井技术具有明显的优势。
涡轮钻具所有都是金属件、不受高温及高压限制，高速大扭矩、振动性低，具有输出动力强、转速高的优点。
孕镶金刚石钻头具有无活动件、高抗研磨性、地层适应性强、入井作业时间长等特点。
适宜于深井和高温环境下作业，对油基钻井液不敏感，能适应在高密度的钻井液中工作。
涡轮钻具具有一定的降斜作用。
1 俄罗斯涡轮钻具的发展20世纪20年代后期前苏联开始研发涡轮钻具，1923年研制成功，到20世纪50年代，前苏联取得了一大批有价值的理论研究成果，使涡轮钻井技术成为前苏联重要的钻井方法。
几十年来，前苏联通过对涡轮钻具的性能与结构不断进行完善，基本上满足了现场钻井工艺要求，涡轮钻井技术的钻井进尺占到了总钻井进尺的80%以上。
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。
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。
井下动力钻具
涡轮钻具的工作特性
在转子进口与出口处， 在转子进口与出口处，单位重量液体的能量一部分变为涡轮的机 另一部分为转子内的水力损失， 械能 H ,另一部分为转子内的水力损失，即 另一部分为转子内的水力损失
l
p1 − p0 c1 − c2 + = H l + h转 ρg 2g
2 2
上式表明，涡轮中机械能的来源， 上式表明，涡轮中机械能的来源，一部分是转子中液体的压力降 除去水力损失），另一部分是转子的动能降， ），另一部分是转子的动能降 （除去水力损失），另一部分是转子的动能降，由于转子出 口的绝对速度是下一级定子的进口绝对速度， 口的绝对速度是下一级定子的进口绝对速度，所以转子的动 能降等于定子中动能的增加值， 能降等于定子中动能的增加值，它是由定子内的压力降变来 的。 ∆p转 ∆p定 ∆p Hl = − h转 + − h定 = −h ρg ρg ρg 或者
∆p
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。
单螺杆钻具的结构和作用原理
图 5 迪纳钻具结构 1—旁通阀；2—螺杆（转子）；3—定子衬套； 4—万向轴；5—主轴；6—钻杆接头。
单螺杆钻具的结构和作用原理
为迪纳单螺杆钻具的结构图， 图5为迪纳单螺杆钻具的结构图，它主要由旁通阀、 为迪纳单螺杆钻具的结构图 它主要由旁通阀、 马达（包括定子和转子）、万向轴及主轴等组成。 ）、万向轴及主轴等组成 马达（包括定子和转子）、万向轴及主轴等组成。 旁通阀装载钻具的顶部， 旁通阀装载钻具的顶部，它的作用是在下钻时允许钻 井液充入钻杆柱，起钻时允许钻井液从钻杆柱放空 井液充入钻杆柱， 在循环钻井液及钻具工作时， ，在循环钻井液及钻具工作时，关闭旁通阀的旁通 使钻井液全部进入螺杆钻具工作，而停泵时， 孔，使钻井液全部进入螺杆钻具工作，而停泵时， 旁通孔又会自动打开。 旁通孔又会自动打开。 马达部分是单螺杆钻具的最主要部件，它由螺杆（ 马达部分是单螺杆钻具的最主要部件，它由螺杆（转 和衬套（定子）两部分组成， 子）和衬套（定子）两部分组成，螺杆的材料为合 金钢，表面渡鉻，其断面是半径为R的圆 的圆， 金钢，表面渡鉻，其断面是半径为 的圆，螺杆可 认为是一系列的圆所组成的， 认为是一系列的圆所组成的，其各圆心的轨迹是以 偏心距e为半径 为螺距的柱面螺旋线 为半径、 为螺距的柱面螺旋线。 偏心距 为半径、l为螺距的柱面螺旋线。其形状很 像麻绳的一股。衬套由橡胶制成，其断面由两个半 像麻绳的一股。衬套由橡胶制成，
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
VNIIBT涡轮钻具简介 VNIIBT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
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
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-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.
VNIIBT-Drilling tool Ltd. 全俄钻井研究院-钻井工具有限公司 TURBODRILLS
全俄钻井研究院-钻井工具有限公司 生产组织结构
彼尔姆 – 井下螺杆马达 (PDM’s), 涡轮 钻具, 螺杆泵, 井下液压马达 (DHM) 维修设备.
全俄钻井研究院-钻井工具有限公司,
Pavlovsky 机械制造厂,彼尔姆 krai –井下螺杆马达, 涡轮钻具及
轴转动类型/振动 带减速器的涡轮 钻具 弹性体部件
不带减速器的涡轮 钻具
n, RPM
减速涡轮钻具
历 史
对减速涡轮钻具的测试是在科利超深井 SG-3 中进行的。该井的总井深为 12262 米 。 从 8115 米 开 始 使 用 乌 拉 尔 机 械 15000型钻机。从1978年直至1983年的5 年间，在 SG-З 井中共使用了22种不同 改进型的减速器。 钻井效率是由不同类 型的低转数井下马达进行测试的 。 在 8096-9060米井段的钻井过程中，分别使 用了 А7GТSH, ТRМ-195, 和А7SH 型 涡轮钻具，同时也使用了D2-172М 型螺 杆马达。9060 米以下则只用减速涡轮钻 进。
主要特性
新结构的金属-橡胶止推轴承
或多级滚珠轴承
下径向轴承对钻头 极其有利
涡 轮 钻 具
涡轮钻具 ТV1-240
ТV1-240型涡轮钻具适用于在311mm井眼中配合295.3牙轮或PDC钻头打直井和定向井.
主要特性: - 检修间隔时间长; - 减少了在工作状态下轴的旋转速度; - 减少了作用于轴和轴向轴承上的液压载荷; - 由于大大地减少了下部接头泥浆漏失量而改善了钻头的工作条件; - 改进了下径向轴承,从而使其最大化地有利于钻头.
工作扭矩
M停车/2
工作层段
N无负荷/2
n无负荷
涡 轮 钻 具
主轴部分
涡轮部分
涡轮种类
减速导向涡轮 导向涡轮 TRO 无主轴
涡轮部分 涡轮部分
Т1, TSSH
涡轮部分
直涡轮 TR, TRSH
TO
TV1
Turbine section
涡轮部分
Reduction section
Spindle section
通常在给定的层段内平均机械钻速为 8-12 米/小时
通常在给定的层段内平均机械钻速为 20-25 米/小时
通常在给定的层段内平均机械钻速为 12-15 米/小时
减速涡轮钻具
目前: -约租赁出 200 套直径为 178 mm, 195 mm and 240 mm 的涡轮钻具 -特点: 耐高温高达250°C - 高扭矩. - 有对普通涡轮钻具进行钻井的需求.
*功率特性是在泥浆密度为1,0 g/cm3 的情况下给定的 * 可用单级和两级涡轮
减速涡轮钻具
减速涡轮钻具的主要特性
M, Nm
减速涡轮钻具
螺杆 马达
涡轮钻具
水力驱动
低扭矩， 高转速 双轴 /低 无
螺杆马达
水力驱动
高扭矩， 低转速 无双轴 / 高 动力部分
工作原理
功率特性
水力驱动
高扭矩， 低转速 双轴 /低 固定密封
增强了功率特性 1. 涡轮叶片的设计 (对涡轮级在工作状态时无撞击的最优化计算). 2. 因优化了更加精细的加工生产过程而增强了效能. 3. 增加了涡轮数量. 目前最多可增加至150-160级.
泥浆 定子
转子
涡 轮 钻 具
M, N, P, ŋ M停车 M (Nm) N (kW)
涡轮钻具理论特性
ŋ (%)
涡 轮 钻 具
涡轮钻具T1-195
在泥浆密度为1,2 g/cm3 (10 ppg) 时 T1195型涡轮钻具在不同流量情况下的 功率和 转数
N 最大, kW
流量, 升/秒 (加仑/分钟) 泥浆密度, 克/厘米3 (ppg)
32 (507) 1,2 (10) 870 5690 (4197) 55 (798) 73 (1059)
工作时间: 2009年7月 用户: 全俄石油-钻井公司. 油田: Malo-Balykskoye. 井号： 4854 钻井层段：1295 – 2763 米 泥浆排量：32-35 升/秒 平均机械钻速：38,3 米/小时 钻井层段：2763 – 3377 米 泥浆排量：31-33升/秒 平均机械钻速：21,2 米/小时
130
n, 转数/分钟
涡 轮 钻 具
涡轮钻具T1-195
涡轮钻具T1-195被广泛应用于俄联邦不同地区的油气井钻井中: 西西伯利亚,鞑靼斯坦, 巴斯科尔托斯 坦, 奥沦堡等地区.由于涡轮钻具T1-195有其独特的功率特性，它可以用牙轮钻头或PDC钻头钻进深度 达4000米. 在西西伯利亚，用PDC钻头钻进时的平均机械钻速为25米/小时.
在泥浆密度为1,2 g/cm3 (10 ppg) 时 TO3-240BI 型 涡轮钻具在不同流量情况下的 功率和转数
N 最大, kW
177
Q=64 l/sec
450
490
525 n, RPM
用以驱动孕镶式金刚石钻头的
TO-178 和 2TSSH-178型涡轮钻具
在泥浆密度为1,2 g/cm3 (10 ppg) 时2TSSH-178型 涡轮钻具在不同流量情况下的 功率和转数
x 效率
液压
马达
x 效率
输出: 机械能量
扭矩 x 转数/分钟
5,0 (兆帕) x 32 (升/秒) x 0,6 = (3,14/30 000) х 160 (千瓦) x 0,6 =
150 (转数/分) x 6000 (牛米)
450 (转数/分) x 2000 (牛米)
96 (千瓦)
涡 轮 钻 具
涡轮钻具的轴向多极涡轮
173 Q=28 l/sec 123 Q=25 l/sec
810
640
710
n, RPM
用以驱动孕镶式金刚石钻头的
涡轮钻具
TO-178型涡轮钻具主要特性
涡轮部分
专利充油设计
角度调节器
枢轴的接触面采用合成宝 石加固
Шпиндельная секция
主轴部分
涡 轮 钻 具
全俄钻井研究院-钻井工具有限公司生产的各种涡轮钻具
减速涡轮钻具
全俄钻井研究院-钻井工具有限公司生产的各种减速涡轮钻具
说明:在工作状态下转数可在 ± 15% 范围之内变化，具体要根据钻头类型和地层对扭矩要求不同而定
结
论
1. 涡轮钻具可在配合使用不同类型钻头的情况下广泛应用于 各种不同地层的钻井作业。 2. 涡轮钻具可对提高机械转速提供保障，并可增强部件和总 成的耐用性。 3. 钻井技术的不断发展使得涡轮钻具也在不断改进，效率和 扭矩正在不断增加，耐磨性能也提高了许多。 4. 上述涡轮钻具可以保证在新的钻井工艺技术条件下长期稳 定地应用
155
Q=34 升/秒
空载转数, 转/分钟
制动时的扭矩, 牛米 (磅*英尺)
130 Q=32 升/秒 107 Q=30 升/秒
空载时的压降, 公斤/厘米2 (PSI) 最大涡轮压降, 公斤/厘米2 (PSI) 制动时的涡轮压降,公斤/厘米2 (PSI)
70 (1015) 最大功率, 千牛
400 435 460
其配件.
全俄钻井研究院-钻井工具有限公司, Kotovo 分公司, -- 封隔器,
打捞工具, 取芯桶, 套管和钻杆部件, 侧钻工具 , 减震器.
SPA 钻井技术公司, 莫斯科 – 井身结构工艺技术开发; 钻井计 划; 设计评价.
全俄钻井研究院-钻井工具有限公司 产品类型
-直径 43-240 毫米的PDM井下马达和涡轮钻具. -螺杆泵及多项流体泵压设备. -井下液压马达维修及保养设备. -切割工具. -振击器. -封隔器. -打捞设备. -扩眼器. -安全短节.
涡轮钻具
2ТSSH-178Т 涡轮钻具 特性: - 工作转数为800 转/分钟; - 250 千瓦的高功率;