国产涡轮钻具结构及性能分析

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2007年 第 35卷 第 1期
冯 定 : 国产涡轮钻具结构及性能分析
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这种涡轮钻具解决了常规涡轮钻具装配 、调节 困难的问题 , 并使各个涡轮节具有互换性 , 而且涡 轮节和支承节在现场对接时很方便 , 不用计算 、调 节轴向间隙 , 可在钻台上方便地实施联接 。在涡轮 节中的止推轴承组有 2种安装位置 : 一种放在主轴 的上部 , 另一种放在主轴的下部 , 这样分别称之为 上悬挂涡轮钻具和下悬挂涡轮钻具 。
(4) 开发带测量功能的涡轮钻具 , 就是将测 量仪器中的部分测量功能置换到涡轮钻具中 , 带测 量功能的涡轮钻具是实现近钻头测量钻井的必备工 具 , 也是闭环钻井组合的重要工具 。
(5) 加大涡轮钻具与钻井参数 、钻头匹配的 研究工作 , 并且开发带减速器的涡轮钻具及在定向 井和水平井并用的短涡轮钻具 。
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技术讨论
石 油 机 械
CH INA PETROLEUM MACH INERY
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国产涡轮钻具结构及性能分析 3
冯 定
(长江大学机械工程学院 )
摘要 详细介绍了国产涡轮钻具中常规型 、独立悬挂式和浮动定子 (转子 ) 式 3种典型钻具 结构型式和性能参数 。重点讨论了国产涡轮钻具的涡轮叶栅及型线的流场 、止推轴承组 、扶正轴 承等影响钻具性能和使用寿命的关键技术 。通过对以往研究工作的总结分析 , 提出我国涡轮钻具 今后的研究工作计划和发展建议 。
21止推轴承组 国产涡轮钻具中的止推轴承组现采用串联式多 联推力角接触球轴承 。这种轴承非常适用于涡轮钻 具的转速范围 , 大载荷 , 工况恶劣 , 振动剧烈的场 合 , 具有承载能力大 、耐冲击 、结构简单和拆装方 便 , 并能承受双向轴向载荷等特点 。目前用的是 6 ～10列串联结构 , 每列轴承由内圈 、外圈和钢球 3 部分组成 , 圆弧滚道 , 用特殊材料制造 。为提高止 推轴承组的轴向承载能力 , 轴承的接触角一般选 55°左右 。 止推轴承组主要的失效形式是由严重的粘着磨 损后引起的磨损 、撕痕 、刮擦 、涂抹 、粘焊和破 碎 , 为了提高止推轴承组的抗胶合能力 , 按要求对 涡轮节和支承节中的止推轴承组都进行 MoS2 滑化
31扶正轴承 涡轮钻具中的扶正轴承在含有砂粒的钻井液中 工作 , 工况非常恶劣 , 同时涡轮钻具的尺寸规格也 限制了它的体积大小 。为此 , 设计了特殊的扶正轴 承结构型式 , 利用这种特殊结构保证止推轴承组的 装配与工作游隙 , 而扶正部分则是采用 TC轴承的 设计制造方式 。 经过室内实验对比 , 选择了硬度较高、寿命相 对较长的硬质合金块作为摩擦工作面的主体 , 这样 有利于摩擦面的覆盖 , 延长工作寿命 。基体材料由 铸造碳化钨和浸渍合金组成 , 铸造碳化钨粒度为 50 ～200目 , 浸渍合金的主要成分为铜 、锰、镍 、硅 。 制造过程中 , 可通过调整铸造碳化钨的粒度和浸渍 合金的质量分数来保证基体硬度达到设计要求 , 并 使所形成的基体对硬质合金块能够牢固包镶 。
钻进 。 (1) 常规涡轮钻具 常规涡轮钻具是使用最
早的一种涡轮钻具 , 分为单式和复式 2种 。通常每 个涡轮节中装有 100 级左右的涡轮定子 、转子 、 4 个扶正轴承 。为了防止由于支承节中轴承过度磨损 而造成的转子与定子相碰磨 , 涡轮节在装配时 , 必 须严格按要求对涡轮节与支承节的联接尺寸进行调 整 , 过程比较复杂 。
(2) 独立悬挂涡轮钻具 独立悬挂涡轮钻具 是在每个涡轮节内 , 直接安装止推轴承组来承受该 节内定子 、转子所产生的水力负荷 、涡轮轴及转子 的重力 , 同时使涡轮轴不能上下串动 , 有利于保证 定子 、转子之间的轴向间隙 。涡轮节与涡轮节和涡 轮节与支承节的外壳采用钻杆螺纹联接 , 而各节的 主轴则靠轴向可移动的联轴器联接 。每个涡轮节中 可装 90级左右的各种叶片形状的涡轮定子 、转子 。 当支承节中的止推轴承组磨损后 , 不影响定子和转 子之间的轴向间隙 , 而且磨损易于预测 。
(1) 理论研究已表明 , 当钻压接近于涡轮产 生的水力负荷时 , 涡轮钻井的钻柱将产生剧烈的纵 向共振 , 随着反射波与激振波的叠加 , 对涡轮钻具 的止推轴承组产生剧烈冲击 , 使涡轮钻具的寿命极 不稳定 。今后将通过理论和试验研究确定出各种型
号涡轮钻具的自振频率谱 , 通过谱分析避开井下激 振频率 , 以保证涡轮钻具的寿命稳定 。
关键词 涡轮钻具 结构设计 关键技术 性能分析
引 言
以涡轮钻具和螺杆钻具为主体的井下动力钻具 在 20世纪 80年代就被誉为石油工程进步的三大技 术之一 。从 20世纪 50年代开始 , 涡轮钻井技术已 成为俄罗斯石油钻井的基本方法 , 采用高速牙轮钻 头配合涡轮钻具钻井的机械钻速比转盘钻井提高了 3～5倍 , 节约钻井成本 20% ～30% [ 1, 2 ] 。
(2) 利用动态仿真及其相关技术对涡轮钻具 用止推轴承组的材料与结构进行分析 , 进一步优化 止推轴承组的结构 , 对轴承组中的滚珠及轴承座圈 的材料及热处理工艺进行研究 , 延长止推轴承组的 使用寿命 。
(3) 对涡轮钻具零部件的材料及热处理工艺 和梯形联接螺纹进行研究 , 争取进一步延长涡轮钻 具的寿命 。
国产涡轮钻具结构及性能分析
11涡轮钻具结构 涡轮钻具由涡轮节和支承节组成 , 它们分别由 涡轮定子 、转子 、主轴 、止推轴承组 、扶正轴承 、 联接器和外壳等主要零部件组装而成 [ 3～5 ] 。根据所 钻地区 、地层以及井深等地质和工艺情况 , 通常采 用 2个或 3个涡轮节与 1个支承节进行组合 , 实现
参 考 文 献
1 杨世奇 , 薛敦松 , 蔡镜仑等 1涡轮钻井技术的新进展 1 石油大学学报 (wk.baidu.com然科学版 ) , 2002, 26 ( 3 ) : 128 ～ 133
处理 。MoS2 滑化处理的工艺流程为 : 去油清洗 → 敷 MoS2 →烘干 →清洗 →浸渍 , 采用的滑化处理工 艺有喷涂法 、水煮法和刷涂法 3种 。
止推轴承组在安装前 , 必须在专用的台架上进 行特殊的跑合处理 , 跑合时间通常是 20 h左右 , 这 样可大幅度地提高止推轴承组及涡轮钻具的整体寿 命 , 同时也提高了涡轮钻具的输出功率。轴承安装 时 , 应使轴承两端面的内外圈分别位于同一平面内 , 内圈与内圈、外圈与外圈之间分别轴向预紧 。工作 过程中轴承的内圈和外圈可同时承受一对方向相反 的轴向载荷 。内圈与外圈之间有 2 mm 左右宽的间 隙 , 以便在工作中通过工作介质保持轴承润滑。
这种涡轮钻具可以最大限度地增加涡轮定子 、 转子的平均直径 , 可以把每级定子 、转子之间的轴 向间隙压缩到最小 , 这样在同样长度外壳内可组装 比常规涡轮钻具更多的涡轮级数 。涡轮轴向间隙与 止推轴承组之间没有相互关系 , 可避免发生定子 、
转子之间的端面相互碰撞磨损 。 目前 , 国际上这 3种结构型式的涡轮钻具均有
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涡轮装配原则 , 把涡轮间的轴向间隙从止推轴承组 的装配和工作状况的制约下解脱出来 。涡轮节中的 每一级定子或者转子在轴向方向上均可自由移动 , 通常采用进入外壳键槽中的键销来防止定子本体的 转动 , 每一级转子均作为相应定子的支撑 , 定子不 需要壳系方向上的压紧 ; 或者采用扁平主轴的平行 面防止转子本体与主轴的相对转动 , 每一级定子可 作为另一转子的支撑 , 转子在轴系方向上不需要再 压紧 。
国产涡轮钻具的关键技术
11涡轮叶栅及型线的流场 对涡轮钻具定子 、转子的叶栅叶型进行了系统 研究 , 基本形成了以低压降 、大扭矩为特点的涡轮 钻具定子 、转子的设计体系 。主要包括 : 涡轮定 子 、转子副的主要几何尺寸的合理确定 , 包括级 高 、叶片高度 、叶片宽度 、定子外径 、转子内径 等 ; 涡轮叶栅流动参数设计 , 包括定子和转子叶片 方案的选择 、定子和转子进出口液流角 、叶栅距 等 ; 叶片造型设计和跨叶片的内流场分析 。 采用粒子成像测速技术 [6 ]对环流系数 、流量 、 叶片进出口结构角和叶片安装角均相同而叶栅密度 不同情况下的涡轮叶栅进行了内流场测试 , 研究了 涡轮钻具叶栅密度对叶栅内流场的影响 , 获得不同
叶栅密度下叶栅内流体速度场和相应的速度矢量图 。 涡轮定子 、转子叶型通常为平面叶栅 , 也就是
沿径向各圆周面上叶片形状相同 。在进行叶片造型 时 , 首先根据涡轮钻具设计参数和叶轮机械工作理 论计算确定流动参数 , 依据经验数据和相关公式确 定叶片的几何参数 [ 7 ] , 然后选择适合的型线和构 造方法设计叶片吸力面和压力面 , 目前叶片压力面 和吸力面的型线都是采用具有连续三阶导数的单型 线结构型式 。通过软件对所构造的叶片的吸力面和 压力面进行数值实验 、计算机模拟和分析研究 。
(3) 浮动定子 (转子 ) 涡轮钻具 浮动定子 (转子 ) 涡轮钻具的结构 , 改变了一直沿用的轴流
3 基金项目 : 湖北省国际合作项目 “多相流下的深井井下工具的机理 、结构与动态分析与仿真 ” ( G200512001) 。 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
使用 , 如俄罗斯生产的涡轮钻具以常规和浮动定子 涡轮钻具为主 ; Christensen 和 Neyrfor公司是以独 立悬挂和常规涡轮钻具居多 ; 而国产涡轮钻具常采 用独立悬挂和浮动式结构型式 。
21性能分析 经过多年的自主研究 , 国产涡轮钻具技术在整 体结构设计 、涡轮定子 、转子的叶栅叶型的流场分 析及计算机优化 、止推轴承组和扶正轴承方面做了 较深入的研究和重要改进 , 其性能参数均达到或超 过国际同类产品 。以 175 mm 涡轮钻具为例 , 表 1 是国内外典型涡轮钻具 2个涡轮节在清水状态下所 测的性能参数对比 。
目前 , 国产涡轮钻具已在塔里木 、四川 、玉 门 、中原等多个油田进行了推广应用 , 单次下井的 工作时间在 60～180 h, 工作时间不是很稳定 。工 作时间较长的 , 能很好地满足钻井工作的需要 , 但 有时工作时间不长 , 没有实现涡轮钻具 、钻头 、地 层和钻井液的合理匹配 ; 而且还不能实现井下涡轮 钻具运行状态的实时监测 , 目前只有 4种型号的涡 轮钻具可供选择 , 选择性较差 。
从 20世纪 80年代 , 我国就开始自主地研究与 开发涡轮钻具 , 国产涡轮钻具走过了从无到有、从 弱到强的过程 , 目前已拥有外径为 240、195、175 和 165 mm 4种规格型号的涡轮钻具 [3, 4 ] 。但是 , 目 前还存在着许多不尽人意的地方 , 如工作时间不稳 定、钻具运行状态无法监测 、钻具的选择性差以及 钻具管理混乱等问题。因此 , 需要对钻具的设计 、 制造、使用以及钻具档案等进行全过程管理 , 找出 差距 , 为国产涡轮钻具的进一步发展打下基础。
今后研究工作计划和发展建议
经过多年的研究 , 长江大学机械工程学院目前 在研究力量 、测试和试验手段等方面已具规模 , 拥 有 2 000 m2 的试验基地 , 装备了用于涡轮钻具或 其它井下工具的整机和部件测试的 4 套试验台架 , 并采用数控化的计算机数据采集和处理 ; 还装备了 拆装架 、拉拔架等用于涡轮钻具拆装的工具与设 备 , 从测试台架到拆装设备已基本配置完备 , 可满 足各类研究工作的需要 。所以 , 今后对涡轮钻具的 研究重点应放在提高钻具寿命的稳定方面 , 具体建 议如下 :