机械毕业设计-浮动定子240涡轮钻具涡轮节设计【全套图纸】.doc

开题报告长 江 大 学毕业设计开题报告题目名称 浮动定子240涡轮钻具涡轮节设计院 （系） 机械工程学院 专业班级 机械10905班学生姓名 指导教师 辅导教师 开题报告日期 2013年4月10日1 题目来源题目类型：毕业设计题目来源：生产实践2 研究的目的和意义全套完整版设计，加153893706涡轮钻具在深井、超深井钻井以及非直井中的推广应用，显示出良好的技术经济效益，因此越来越引起钻井界的重视。目前，对于开式涡轮钻具由于工作环境极其恶劣，直接制约着涡轮钻具的工作寿命。涡轮钻具在工作时，金属球轴承组直接浸泡在钻井液中，受到钻井液中磨粒磨损作用，造成轴承内外圈道和球的磨损，结果导致轴系零部件随着轴承的磨损而向下运动，最终使得涡轮节定子、转子轴向下间隙逐渐减小。当下间隙为零时，涡轮定转子端面发生相碰，出现事故性磨损而损坏。因此，涡轮定子和转子轴向间隙是整过涡轮钻具工作寿命的决定因素。浮动定子( 转子 ) 涡轮钻具的结构, 改变了一直沿用的轴流涡轮装配原则, 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。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。3 阅读的主要参考文献及资料名称1 刘庆江. 涡轮钻具在俄罗斯的应用及发展方向研究J. 企业技术开发，2012，31（5）.2 李洪军，李庆章，屈 刃. 简述减速涡轮钻具的发展现状J. 民营科技，2010，15（6）. 3 张晓东 李俊华 龚 彦 樊思成 李国芳. 一种带浮动转子的涡轮节新结构J . 机电产品开发与创新，2009，22（6）：4546.4 谭春飞，李玉梅，夏柏如，杨世奇. 积木式组合涡轮钻具试验研究J. 石油机械，2009，37（8）.5 罗 飞 王希勇 廖忠会. 涡轮钻具在川西深井段的应用分析J. 断块油气田，2008，15（6）.6 成海, 郑卫建, 夏彬, 王甲昌, 肖国益. 国内外涡轮钻具钻井技术及其发展趋势J. 石油矿场机械，2008，37（4）:2831.7 张强，张鹏. 基于绿色设计的涡轮钻具设计方案模糊综合评价J. 石油钻探技术，2008，36（3）.8 冯定. 涡轮钻具复合钻进技术J. 石油钻采工艺，2007，29（3）.9 冯定. 国产涡轮钻具结构及性能分析J. 石油机械，2007，35（1）：596110 李飞，谢庆繁，冯定. 新型减速涡轮钻具应用研究J. 石油天然气学报 ( 江汉石油学院学报)，2005，27（4）:698699.11 Craig Staley, Greg Bruton, Chesapeake Energy, Mark Natanael, Jason Kelley, Jason Kelley, Ross -Milne, Neyrfor/Schlumberger. Turbodrill BHA Solves Build Section Challenges, Anadarko BasinJ.,SPE/IADC Drilling Conference and Exhibition,2011.12 Alan A. Thrift. COOLING OF A TURBINE VANE ENDWALL THROUGH CONTOURING AND FLOW INJECTIONJ.Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy,2011.13 MARK WAYNE MCQUILLING B.S.M.E., University of Kentucky, 2002 M.S.M.E., University of Kentucky, 2004.DESIGN AND VALIDATION OF A HIGH-LIFT LOW-PRESSURE TURBINE BLADE J. WRIGHT STATE UNIVERSITY SCHOOL OF GRADUATE STUDIES,2007.14 XiaodongZhang,YanGong,RuyiGou,JunhuaLi,JianpingWu and Zhongjian jiang. Modification and Analysis on Inlet and Outlet Angle of Turbodrills Cascade Blade ProfileJ.Advanced Materilas Research Vols,2011.15 R. Seale, T. Beaton, G. Flint, Sii-Neyrfor, SPE Members. Optimizing Turbodrill Designs for Coiled Tubing ApplicationsJ. Society of Petroleum Engineers Inc,2004.4 国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向4.1 国外减速涡轮钻具的发展概述4.1.1 苏联减速涡轮钻具的发展前苏联的井下动力钻具使用最早、发展最快、技术水平也最高。五十年代至七十年代推广应用复式涡轮钻具和带支承节的减速涡轮钻具。其在井下涡轮钻具的发展方面，一直处于世界的前列，60 、70 年代中期，涡轮钻具的钻井工作量曾一度占全苏联的钻井总量的 80% 以上。涡轮钻具自 1923 年由前苏联研制成功以来，得到了迅速发展，到 20 世纪 50 年代以后，涡轮钻井技术已成为前苏联基本的钻井方法，在全井段使用涡轮钻具钻井。目前俄罗斯的涡轮钻具已发展到减速器涡轮钻具阶段。减速器涡轮钻具是在普通涡轮钻具的下方连接一个减速比为 i 的充油齿轮减速器，使涡轮钻具的转速降低至 1 i ，而涡轮钻具的扭矩增加 i 倍，从而实现大扭矩、低转速的动力性能。目前俄罗斯西西伯利亚地区几乎全部采用减速器涡轮钻具钻井，使用俄罗斯国产或进口的牙轮钻头。4.1.2 美国西部和 Mobile 湾地区涡轮钻井作业1994 年 Neyrfor 涡轮钻具公司在美国得州、路州和 Mobile 湾等地区的涡轮钻井作业就达 5149h ，总进尺 3 万余米。其中Mobile 湾有减速涡轮钻井达 2846h ，比1993 年提高了 489%，总进尺 15758 米，用户数 17。预计，1995 年仅在 Mobile 湾地区减速涡轮钻井可超过 4200h 。4.1.3 阿拉斯加的北 Slope 地区的涡轮钻井1992 年阿拉斯加的北 Slope 地区Kuparuk 河油田便用减速涡轮钻井，创造了多次新记录。包括：在 2M 09 井创造了日进尺 1675.75m 的新记录。Neyrfor 公司的一台 T2 184 可控减速涡轮钻具在一口井的一次行程中钻了 2393m ，平均机械钻速达 69m/h 。另一台 T2 184 涡轮钻具在 9 月份创造了一次行程钻进 2472m 的新记录。 1992 年11 月， 在2M 32 井(216mm井眼）中用可控减速涡轮钻具在一次行程中创造了井尺最长的世界记录，即以机械钻速 76.4m/h 钻了 2550m，打破了 1982 年在北海 Conocos Murchison 油田的 2545m记录。减速涡轮钻具显示了以下优越性：其一，带金属推力轴承(AMB ) 的支承节提高了减速涡轮钻具整体工作寿命。其二，减速涡轮钻具钻井可以大大减少套管的磨损。4.1.4 涡轮钻井技术在北海油田的应用自 1980 年以来，涡轮钻具在北海油田的深井和定向井中已广泛应用。19931994两年中，在北海南部地区气田的 27 口开发井上，使用了 SBS168 可控减速涡轮钻在216mm 井眼中钻进了 30497m（10 万英尺）。在 Clipper 油田的一口井上，减速涡轮钻具在一次行程中就钻了 1839m 。4.1.5 涡轮钻具在英国的应用英国 Drilex systems 总公司的 DrilexTurbines产品系原美国Grant oil Tool 公司的 Redi-Dill 涡轮钻具。 Grant oil Tool公司合并到该公司后，原 Redi-Dill 涡轮钻具仍分为直井和定向井两大类，只在直井中新增了一种名义直径 184.1 外壳上带扶正器的涡轮钻具（涡轮 120 级，长 14.1m ），仍属高速高效叶型，适于配天然金刚石钻头或 PDC 钻头，该公司声称涡轮节在小流量时也能提供足够大的扭矩，支承节对径向载荷和轴向载荷的吸振性较好，径向轴承和推力轴承可使用于高转速。涡轮钻具整机寿命为 200h 。4.1.6 涡轮钻具在法国的应用法国尼尔毕克(Neyrpic )公司的尼尔福涡轮钻具有很高的技术水平，其功率居市场上各型减速涡轮之冠，转速和扭矩等参数均与金刚石或 PDC 钻头匹配。轴承节工作可靠，能耐 176 度高温，工作寿命在 200小时以上。目前北海油田 90% 的减速涡轮钻具是这家公司的产品。1982 年法国 Total 石油公司公布了1968-1981 年间涡轮 / 金刚石钻井经验。1976 年 PDC 钻头出现后，该公司就及时把它用于涡轮钻井，并在阿布扎比、北海、印尼、安哥拉和法国本部进行了广泛的试验。证明这种钻井技术不仅机械钻速快，钻头进尺高，每米成本低，而且由于减少起下钻操作时间，减轻了设备磨损和人员疲劳，减少了对井眼的抽汲和喘振作用，提高了油井质量。4.2 国内减速涡轮钻具的发展情况80 年代后期，新型涡轮钻具（包括减速涡轮钻具）的研制列入国家“七五”科研承担研究任务的有石油大学北京研究生院和江汉石油学院机械系。经过“七五”攻关我国研制成功了新型 195 型深井和定向井涡轮钻具，这一期间还完成了取芯涡轮钻具的设计，研制成带滚动轴承的独立支承节, 工作寿命达 150h ，平均机械钻速为4.7m/h ，比转盘钻井提高 1.5-2 倍。近几年对 195 型进行多次改进，研制出了多种不同型号的带浮动定子和独立支承节的涡轮钻具。涡轮节分别采用小排量中、高速小扭矩和低速大扭矩两种规格，经反复的室内台架试验和 11 次现场试验，已取得可喜的成果。尤其是 175 型无橡胶元件的涡轮钻具采用了新材料和新结构，具有中速大扭矩较低压的技术重点攻关项目，轴承组寿命长，现场对接方便和高温条件下作业，其更适应深井，超深井。其机械钻速是转盘钻井的 1.6-4 倍。可降低直接钻井成本 30%-40%,具有极好的经济效益。1998年 11 月,175 型全金属无橡胶元件涡轮钻具通过了部级鉴定。专家们一致认为，这种涡轮钻具的结构性能, 寿命以及经济指标均达到国际先进水平, 为推广应用创造了有利条件。此项成果是完全依靠我国自己的技术力量来实施，它为定向井和纵向井的钻井技术的发展提供了有力的技术装备, 对我国钻井技术的发展起着重要作用。我国井下减速器的发展虽然起步较晚，1988 年以来我们也取得了有关涡轮钻具及减速器的 5 项专利，设计开发了两种类型的井下减速器。一种是固定行星架式的行星齿轮传动减速器；另一种是具有国际先进水平的同步减速器。目前这两种减速器都已进入台架及工业性试验。4.3 涡轮钻具的新发展以前，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，牙轮钻头寿命低，进尺少的缺点，随着高转速低钻压的聚晶金刚石复合片钻头的推广应用，以及随钻测量技术的普及，涡轮钻具的作用越来越大，而且有了以下一些方面的研究和发展。4.3.1 低速大扭矩涡轮钻具的突出发展为了提高牙轮钻头的进尺，并把涡轮钻具成功地应用于深井钻井，应设法降低涡轮钻具的转速，增加其轴向的力矩。目前已成功的采用了具有低速降压涡轮的涡轮钻具、带水力制动级的涡轮钻具和带有行星减速器的涡轮钻具。一具有低速降压涡轮的涡轮钻具降低涡轮钻具转速，提高工作扭矩，保证涡轮钻具在低速下能稳定工作的较好办法，是采用特殊叶片结构的低速降压涡轮。当涡轮钻具的环流系数 Cu1 时,即为这种低速降压涡轮,其压力降随涡轮钻速下降而下降,无冲击工况偏于低转速一边。这类涡轮钻具能在2040吨钻压下以180360r/min 的转速稳定工作，在同样的流量下，其输出力矩比同尺寸地其它涡轮钻具大。二具有水力制动级的涡轮钻具水力制动级是一种特殊的叶型的涡轮级，它和普通的涡轮同装在一根主轴上。这类涡轮钻具轴上部装有驱动涡轮，下部装平直叶片的叶轮，叶轮定转子与垂直于轴线的平面形成相同的倾角，转子叶片就象定子叶片的延长。其扭矩曲线随转速成正比地增加，该曲线与驱动涡轮扭矩曲线交于一点，该点就决定了涡轮钻具的空转转速。这种叶片可以是垂直的，如果它们向旋转的相反方向倾斜，则制动扭矩曲线的角度减小，否则该角度增大，也就是说从制动定子流出的液体将对制动级转子叶片的旋转运动起阻碍作用，对涡轮主轴产生制动扭矩，从而使主轴的转速有所降低。改变涡轮钻具所装涡轮级与制动级的级数比例，可以获得不同的涡轮钻具力矩及转速。采用水力制动级会引起涡轮钻具就、效率的降低，但在深井条件下，主要任务不是为了获得涡轮的最高效率，而是获得能保证钻头高效率工作的力矩及转速。且采用水力制动级后能获得陡的力矩曲线，即 M/n 比值较大，从而保证了涡轮钻具在低速下工作的稳定性。三带减速器的涡轮钻具由于涡轮钻具转速高，为使涡轮钻具能够减速使用，各国一直在研究带减速器的涡轮钻具，在这项技术方面，俄罗斯处于领先的地位，并且近年研制出了一些先进的减速器，在现场应用后效果不错。采用多节式涡轮钻具及采用低速降压和水力制动级的涡轮钻具，更能提高扭矩，并可使转速降低到 100r/min 以下，对新型牙轮钻头更为适用。所以随着结构、材料及工艺的改进它还是很有发展前途的。4.3.2 带浮动定子的涡轮钻具这种新型涡轮钻具的每级涡轮转子都坐在定子上实际上构成独立的滑动轴承，其比压很小，不超过 0.04Mpa，故摩擦损失不大。浮动定子涡轮钻具的结构，改变了一直沿用的轴流涡轮装配原则，把涡轮间的轴向间隙从止推轴承的装配和工作状况的制约下解脱出来。使涡轮轴向间隙与轴承间隙之间互不相关，从而带来了一系列优点，涡轮轴向间隙减少，提高了涡轮钻具轴向尺寸的利用率，消除了组装涡轮钻具时调节涡轮间隙及检查等繁重的劳动，大大简化了安装工序，提高了工作的可靠性，当每级轴向轴承磨损时，轴向间隙的变化不会造成涡轮叶片互相碰坏的事故，有利于延长涡轮和支承节在井下连续运转的时间，因为转子置于定子之间，其间隙达到了 34mm，故涡轮零件的制造精度不是要求很高，各节涡轮钻具可以互相换，不需要专门调节，在井上组装方便。这种涡轮钻具由于转子与轴有间隙，可相对滑动和摆动在井下恶劣的受力情况下，转子与轴之间有冲击，时间一长就会在轴上形成深槽，使轴报废。从而增加了维修成本。但对于偏远地区及海上等运输成本高的地区还是一种很有前途的钻具。5 主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路5.1 主要研究内容涡轮定子和转子叶栅设计，涡轮轴设计，间