（油气井工程专业论文）井下斜盘式增压器的设计.pdf

d e s i g no fs w a s h p l a t et y p ed o w n h o l es u p e r c h a r g e q iw a n j u n ( o i l & g a sw e l ld r i l l i n ge n g i n e e r i n 9 1 d i r e c t e db yp r o f e s s o rx u i a b s t r a c t t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft e c h n o l o g yo nd o w n h o l es u p e r c h a r g i n ga th o m ea n da b r o a d ，w e f i n dt h a tc o m p l i c a t e dh y d r a u l i cc o n v e r s i o nm e c h a n i s m sa n df l o wc h a n n e l sa r ei n c l u d e dm m o s to fd o w n h o l es u p e r c h a r g e s t h ed e v e l o p m e n to fu l t r a - h i g h p r e s s u r ej e td r i l l i n gi s r e s t r i c t e di nc o n s i d e r a t i o no ft h ep r o b l e m so fs h o r t l i f e ，p o o rr e l i a b i l i t ya n dd i f f i c u l t p r o c e s s i n go ft h ep r e s e n td o w n - h o l es u p e r c h a r g e st h a ta r ew o r k e du n d e rt h el i m i t e dw o r k i n g s p a c ea n dp o o rw o r k i n gc o n d i t i o n s f o rt h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o no fu l t r a h i g hp r e s s u r ej e t d r i l l i n gt e c h n o l o g y ，t h en e wd o w n h o l es u p e r c h a r g e sw i t hs t r o n g a d a p t a b i l i t ym u s tb e d e v e l o p e d an e w s w a s h p l a t et y p es u p e r c h a r g e ，t om e e tt ot h ei n c r e a s i n gd e v e l o p m e n to fu l t r a h i g h p r e s s u r ej e td r i l l i n gt e c h n o l o g yi sd e s i g n e di nt h ep a p e r s c r e wd r i l li st h ed y n a m i cs o u r e eo f t h es u p e r c h a r g ew h i c hi sd e s i g n e da tt h eb a s eo ft h ee x i s t i n gr e l a t i v e l ym a t u r et e c h n o l o g yo f s c r e wd r i l l t h es u p e r c h a r g i n gi n s t a l l a t i o ni sd r i v e nb ym e c h a n i c a le n e r g yc o n v e r t e df r o m w a t e re n e r g yt h r o u g hs c o wd r i l l s oi n c r e a s i n go fp r e s s u r eo fd r i l lf l u i di sr e c e i v e d t h es t r u c t u r ea n do p e r a t i n gp e r f o r m a n c eo fs c r e w d r i l l ，w h i c hi st h es o u r c eo fp o w e r a r e d e t a i l e d l ye x p a t i a t e di nt h ep a p e r t h er e a lo p e r a t i n gp e r f o r m a n c ea n df e a s i b i l i t yo fs t r u c t u r e i m p r o v e m e n ta b o u ts c r e wd r i l la r es t u d i e di nt h ea r t i c l e t h er e s e a r c hi sa b o u ts e v e r a lp a r t s ： t h es t r u c t u r a ld e s i g na n dc o m p l e t i n gt h ep a r t sa n da s s e m b l yd r a w i n g so fs w a s h p l a t et y p e s u p e r c h a r g e ；d e t e r m i nt h ek e yp a r a m e t e r so ft h ed e v i c e ；s t r e n g t hc h e c ko l lt h ei m p o r t a n tp a r t s o fs w a s h p l a t et y p es u p e r c h a r g e ；3 dg r a p h i c so fp a r t sa n do v e r a l ls t r u c t u r ea r em a d eb yu s i n g p r o e n g i n e e rs o f t w a r e t h es t r u c t u r a la n a l y s i sa n dm o t i o ne m u l a t i o no ft h es w a s h p l a t e 妙p es u p e r c h a r g ea r ea c h i e v e da tt h eb a s e t h ed e s i g no fs w a s h p l a t et y p es u p e r c h a r g ew i l lh a v ea l li m p o r t a n tg u i d i n gs i g n i f i c a n c e t ot h ed e v e l o p m e n to fu l t r a - h i g hp r e s s u r ej e tt e c h n o l o g yi nt h ef u t u r e k q 唧o r d s ：i n 卿e d - 2 r b i tt y p e d o w n h o l es u p e r c h a r g es c r e wd r i l l s t r u c t u r a ld e s i g n m o r i o ns i m u l a t i o n 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获缛中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了赐确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 4 陋肇 1 日期：龆年5 - 月自知 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上； 学位论文作者签名： 指导教师签名：j 纭盈杰 日期：p 罗年歹 f t 期：河年3 - r 日 名7 占 五 月 月 1 1 课题的研究目的 第一章绪论 油气钻井工程实践已经表明，提高井底钻头喷嘴射流压力可以大幅度提高钻井速 度。为此，在国内外的钻井工程领域人们提出了对钻井液的地面增压和井下增压两种措 施。地面增压由于所用设备和工艺比较复杂、成本昂贵，尽管提高速度明显，但没有得 到推广应用。关于井下增压一直是近几年的研究重点，其主要优点是不必改变现有的钻 井工艺及设备，在钻头以上安装个增压装置，就可以使部分钻井液的压力达到1 0 0 m p a 以上，达到高压射流辅助破岩的目的，现有的井下增压装置的工作动力都是来自钻井液 本身所携带的压能，基本工作原理都是将整体钻井液的部分能量集中提供给小部分钻井 液，由于在这种原理限定下，要求增压装置必须具有复杂的液压转换机构( 以活塞式增 压装置为代表) 。目前大多数增压器都是基于以上液压转换机构设计的，都普遍都存在 以下问题： 1 、制造难度大，成本高 ( 1 ) 增压器内部由较多零部件组成，有些零部件之间还要有相对运动和高压动密封要求， 并且承受较大载荷，这都对零件的材料和制造精度提出更高的要求。 ( 2 ) 增压器内部有较多的流道。较多流道应有足够的截面积，这和增压器外径尺寸受井 眼直径限制有矛盾，所以有些流道不得不设计成形状复杂的型腔，进一步增加了制 造难度。 ( 3 ) 增压器小活塞两端压差巨大，保证小活塞移动时的超高压动密封的可靠性难度很大。 2 、振动冲击大，零部件磨损严重 ( 1 ) 为使超高压钻井液有一定的排量，活塞要以较高的频率( 1 0 0 - - 。1 8 0 次m i n ) 往复 运动。而活塞的每次换向都会引起部分钻井液高、低压力的转换，因此有较大的冲 击、振动。 ( 2 ) 增压器内部许多零件间都有相对运动，受超高压钻井液的影响，零件间的磨损较严 重。 ( 3 ) 磨损后的零件很难保证超高压动密封的要求，从而使某些零件很快失效。因此，该 第一章绪论 增压器的工作寿命预计较短。 针对以上现存增压器的缺点，设计出一套零件较少，流道简单，制造容易，并且性 能稳定、强度高、使用寿命长的增压器已经是目前增压器研究的首要任务。 因此，该课题从另外一种全新的原理出发，利用现有成熟技术，研制出一套将螺杆 钻具输出的动力作为并下增压器的动力来源的增压装置，以达到提高钻井速度，降低钻 井成本的目的。利用螺杆钻具作为井下增压装置的动力来源可以使增压装置整体结构大 大简化，该装置去除了常规增压装置所必需的液压换向机构，大大的简化了流道，使之 更利于在井下环境下实现增压目的和正常工作。该课题的完成对提高钻井速度将具有重 要的意义。 1 2 课题研究目标、研究内容、拟解决的关键问题 1 2 1 研究目标： 本课题主要通过对高压水射流破岩机理的研究，并针对目前增压器所存在的常见不 足之处，设计一套以螺杆钻具为动力源的增压装置，使其结构简单、性能稳定、强度高， 使用寿命长，能显著提高井下钻井速度。 1 2 2 研究内容： ( 1 ) 增压装置动力转换体的研究设计 ( 2 ) 增压装置螺杆钻具的选择 ( 3 ) 增压装置柱塞的密封设计 ( 4 ) 高压阀与钻头密封的研究 1 2 3 拟解决的关键问题： ( 1 ) 增压器斜盘轨迹的确定问题 ( 2 ) 增压器直径及其冲程的确定问题 ( 3 ) 增压器超高压密封问题 2 中国石油人学( 华东) 硕i 二毕业论文 1 3 课题研究方法、创新性及其预期成果 1 3 i 研究方法 本课题拟采用理论研究与计算机模拟的方法。首先对国内外目前增压器的理论基础 和其运行机理进行研究，掌握其运行机理并找出其存在的不足和有待完善的地方，并掌 握螺杆钻具结构及其工作特性；其次以螺杆钻具为增压动力源设计一套能克服现有增压 装置不足的新型增压装置，并在计算机上实现其三维动态动力学仿真。 1 3 2 课题的创新性 该增压装置的创新点在于： ( 1 ) 将螺杆钻具作为井下增压装置的动力源，使其水力传动更加可靠、有效； ( 2 ) 通过特殊设计的转换机构将螺杆的旋转运动转换为轴向的往复运动； ( 3 ) 对增压器的流道作了最大程度的简化，使其制造更容易； ( 4 ) 对增压装置进、排水阀的设计； ( 5 ) 高压阀与钻头密封的设计； 1 3 3 预期成果 ( 1 ) 通过对增压器的设计与三维模拟，做出一套斜盘增压器的设计理论依据； ( 2 ) 设计出一种新型的增压器并尽可能的做出样机，使该增压器结构更简单、性能更 稳定，寿命更长，有效的提高井底水压力，从而达到提高井底机械钻速的目的，使其机 械钻速有较大幅度的提升； 3 第二章蝶杆钻具及爿：f 增脉投术研究进展 第二章螺杆钻具及井下增压技术研究进展 2 1 螺杆钻具研究进展及应用 螺杆钻具又称定排量马达( p o s i t i v ed i s p l a c e m e n tm o t o r 简写为p d m ) ，是一种容积式 井下动力钻具。它由四大部分组成，即旁通阀、动力段总成( 转子与定子) 、万向轴总成、 传动轴总成【i l 。它是通过泥浆挤压转子与定子之间的密封腔推动转子自转，经万向轴的 转换把行星转动变为轴心转动带动钻头旋转，即把泥浆的液力能通过螺杆转换成机械 能，从而破岩钻进。 螺杆钻具实质上是螺杆泵的逆应用【2 1 。2 0 世纪3 0 年代，法国工程师r e n em o n e a u 根据对阿基米德螺旋泵的研究成果设计了单螺杆泵1 9 5 5 年，美国生产迪纳钻具( s m i t h 公司) 、纳维钻具( c h r i s t e n s e n 公司) 和波斯钻具公司在单螺杆泵的基础上研制开发了单螺 杆钻具d y n ad r i l l ，其基本原理都是基于容积式马达，只是内部结构和技术参数略有不 同。至8 0 年代中期，美国的迪纳钻具己发展成两个系列1 0 种规格，纳维钻具有两个系 列1 4 种规格。随着配套部件质量的提高，螺杆钻具工作寿命从原来的3 0 4 0 h ，提高到 1 0 0 h 以上，1 9 8 0 年在美国俄克拉荷马州创造了连续运转4 2 9 h 的新记录。 1 9 6 6 年，前苏联的全苏钻井科学技术研究院及其比尔姆分院开始研制“且”型多头 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d y n a d r i l l 转速偏高、扭矩 偏小、仍不太适合牙轮钻头的不足，已扩大了螺杆钻具在定向井中的推广应用。到1 9 8 4 年螺杆钻具累计进尺达1 5 1 0 6 m ，1 9 9 1 年螺杆钻具钻进量占全苏工作量的7 5 。 近1 0 年来，随着水平井、径向井、分支水平井的大量涌现，螺杆钻具的发展也产 生了质的飞跃。多头螺杆钻具逐步取代了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( s c u 啪b e r g e r ) 、贝克( b a k e r ) 和克里斯坦森( c h r i s t e n s e n ) 等 公司，都开始制造自己的多头螺杆钻具，导向钻井系统己成了定向井中公认的标准化专 用工具，出现了许多新型的专用螺杆钻具。在美国和西欧，几乎9 0 的大、中曲率半径 水平井的定向造斜和水平井段都是由螺杆钻具钻成的。 我国是在2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初开始研制多头螺杆钻具【3 l 。1 9 7 8 年，石油部 石油勘探开发科学研究院承担了部级重点攻关项目“l z 6 1 1 2 ”螺杆钻具研制，并于1 9 8 2 4 中国石油人学( 华东) 硕士毕业论文 年推出了我国的第一台3 头螺杆钻具。1 9 8 5 年大港油田总机械厂( 现中成公司) 和北京石 油机械厂共同引进美国s m i t h 公司d y n a d r i l l 全套a 5 0 0 、1 0 0 0 、f 2 0 0 0 三个系列的螺 杆钻具，螺杆钻具开始在我国得到发展和应用。目前，国内生产螺杆钻具的主要厂家有 中成公司、北京石油机械厂、德州石油机械厂、渤海石油机械厂等，其产品己覆盖国内 绝大部分市场。国内的主要研究机构有石油大学( 华东) 、中国科学技术研究院和北京石 油勘探开发研究院等。随着我国定向井技术的普及和推广( 目前定向井己占我国每年油 气钻井总数的l 3 左右) ，国产螺杆钻具己成为主要的钻井工具。其中中成公司在引进 d y n a d r i l l 的基础上，经过近2 0 年的消化、吸收和发展，目前已能够独立生产和开发适 用于各种用途的各种规格系列的螺杆钻具。 现阶段国内常规螺杆钻具己规格化、系列化，某些厂家也己着手研制小径螺杆、铰 接螺杆、中空螺杆等一些专用产品，并取得一定的成果，但在工作寿命、易损件耐磨性、 特种螺杆的设计制造等方面与国外有一定的差距。 随着油气勘探开发形势的发展，钻井技术在不断发展，推动着螺杆钻具技术水平也 在不断地进步和提高i l l 。由普通直螺杆发展起来的新型螺杆有：弯外壳螺杆，如：固定 式单弯壳体、同向双弯壳体、反向双弯壳体、同体双弯壳体螺杆钻具；可调弯螺杆、铰 接式螺杆钻具；导向钻井系统用螺杆钻具；特殊用螺杆钻具，如：煤层气井抗腐蚀螺杆、 地热井抗高温螺杆；小井眼水平井中的小尺寸螺杆钻具；满足高地温剃度地区以及深井、 超深井井下高温条件下钻井需要的高温马达；发展取心用井下动力钻具等。综观其发展 过程和发展趋势，其方向可基本概括为：长寿命，大扭矩，高转速，多功能。 面对经济全球化、国内市场国际化这一趋势，油气资源的勘探与开发必然追求投入 的高回报与资金的快速回收。一批高校低成本的钻井新技术将会迅速发展，从而推动井 下动力钻具的应用。改革开放以来，我国油气钻井新技术的应用获得了重要的进展。定 向井、水平井、多分支井技术提高了钻探成功率和效率，推动了井下动力钻具的发展和 应用。此外，小井眼钻井、套管开窗侧钻、旋转导向钻井、连续油管钻井等技术的开发 和利用，也需要并下动力钻具有相应的发展。目前我国油气钻井成本偏高，建井周期长， 转盘钻井的平均机械速度过低，一些高效钻井新技术装备，例如顶部驱动装置、新型涡 轮钻具、高效能长寿命的p d c 钻头等新技术和新装备给的开发应用，无疑为提高我国 油气钻井的综合技术经济指标起着极为重要的作用。发展深井、超深井与高温、高压、 5 第二章蝶杆钻具及井下增鹱技术研究进展 高地应力条件下提高钻井效率的技术也是我国油气井钻井发展的趋势i s l 。深并的年钻井 比例达3 0 以上，且增长趋势较大，而中、深井的数量更大。要改变深井中后三分之一 的钻井工作量占全井三分之二的钻井时间的状况，采用井下动力钻具钻井，尤其是推广 应用螺杆钻具钻井新技术，无疑是最经济的选择之一。由于螺杆钻具结构的改进，新材 料和新技术的应用，因此具有低速大扭矩的硬特性、过载能力强、结构简单、钻具较短， 操作方便，维修方便等优点，成为一种理想的井下动力钻具。此外，随着井下动力钻具 的不断改进，以动力钻具为基础的新型钻井装备也可以得到快速的发展，为我国石油钻 井贡献一定的力量。 2 2 井下增压技术研究进展 在水射流钻小孔技术用于煤层钻探和岩石开采挖掘的同时，许多石油公司开始试图 用高压水射流辅助钻机在油层中钻大孔的研究。四十年代末，喷射钻井技术在美国取得 突破性进展，提出了提高射流喷射速度的办法来提高钻速并取得成功。随着喷射速度的 提高，钻进速度也不断提高，七十年代初，国外便开始了超高压钻井技术的研究。超高 压射流用于辅助机械钻井主要经历了三个发展阶段：地面全增压、地面部分增压和井下 泵增压l 6 。 七十年代初，美国m a u r e r 等人便开始了超高压射流钻井的试验研究，他们在佛罗 里达州和德克萨斯州进行了试验，利用地面增压器把整个循环泥浆压力提高到 6 8 1 0 5 m p a ，设备功率高达2 8 0 1 1 2 0 k w ，试验结果表明，可提高机械钻速2 3 倍，证 明了超高压射流钻井方法能够大幅度提高机械钻速。 七十年代中期，高压冲蚀钻井法取得了重大突破。美国埃克森( e x x o n ) 开发研究公 司与其它八家公司协作，设计出了一套专门的高压钻头实验设备【7 j ，最高泵压可达 9 8 m p a ，最大排量3 8 l s ，喷嘴有效压降为1 4 7 7 8 4 m p a ，喷速达1 9 0 m s 。当喷嘴压降 超过破碎岩石最低有效压降后，钻速明显增大，压降值超过得越多，钻速增长得也越多。 对不同的岩石，压降对钻速的增长率是不同的，最高可达约3 m h m p a 。在东德克萨斯 一口生产井用高压冲蚀钻井法从7 0 5 m 钻至1 8 2 8 m 只用了2 4 2 小时，与另一口井在相 饲井段用普通钻头钻井6 6 。6 小时相比说明高压冲蚀钻头较普通钻头快2 至3 倍。试验通 过增加泵功率可以大大提高高压冲蚀钻井的速度。试验表明在6 8 8 - 1 0 0 5 5 m p a 压力和 6 中国石油人学( 华东) 硕上毕业论文 1 7 6 5 k w 水功率时钻速可以成倍增加( 从6 1 m h 增大到1 2 2 1 8 3 r n m ) ，冲蚀钻头的钻速 正比于水马力，所以将泵功率增大到4 4 1 2 k w 时，钻速可望比水力率为1 7 6 5 k w 时再 增在2 2 5 倍( 即增大到3 0 5 4 8 8 r n h ) ，也就是说在这样的功率水平下冲蚀钻头将比普 通钻头的钻速加快5 8 倍。 七十年代术美国瑞德公司曾在东德克萨斯中软地层进行了超高压喷射钻井井下工 业试验，试验井深达3 0 0 0 m 引。在现场共使用了3 6 辆高压水泥车并把它们分为两组， 每组约工作2 0 分钟就需要交替检修更换泵的易损件。试验了三组不同尺寸的小喷嘴： 直径为2 2 9 m m 的一组喷嘴，工作泵压为13 8 m p a ；直径为2 5 4 m m 的一组喷嘴，工作泵 压为1 0 3 5 m p a ：直径为2 9 2 m m 的一组喷嘴，工作泵压为6 9 m p a 。共试验了3 0 只8 ” 牙轮钻头，机械钻速平均比同类钻头提高3 0 5 0 。这一井下工业试验成本虽然很高， 但确证了超高压喷射钻井是能够大幅度提高钻速的。 尽管这套技术能提高机械钻速，减少了钻井时间，但由于地面全增压射流钻井技术 要求循环系统的设备如泵、水龙头、钻杆、钻头喷嘴等均能承受如此高压，在当时情况 下较难经济而安全的工作，因此未能获得工业应用。 1 9 8 5 年，f l o wi n d u s t r i e s 公司成立f l o w d r i l 子公司，投资1 7 0 0 万美元，专门研究超 高压射流钻井系统【9 】。该公司负责人认为，降低泥浆流速把高压泥浆完全控制在井底是 实现高压射流钻井的关键。1 9 8 8 年，f l o w d r l l 公司和g r a c e 钻井公司合作研制出了一种 双管射流钻井辅助系统。在该系统中，将一小部分泥浆增压到约2 4 5 m p a ，自超高压泵 通过地面管汇输送到与常规水龙头的鹅颈管连接的超高压水龙头，再通过常规钻杆内的 同心导管传送至钻头上的高压喷嘴，喷出的超高压液流冲击岩面破碎和清除钻屑。该系 统的独特之处是通过普通钻柱内的同心超高压合金管，及其与钻柱之间的环隙分别传送 超高压和常压钻井液。用该系统在俄克拉荷马和德克萨斯东、西部的2 2 口井中进行了 试验，共钻7 4 3 2 m ，机械钻速提高1 4 3 2 倍。 借鉴双管系统常压大排量与超高压小排量相结合的思路，把增压器置于井下，而常 规循环系统的设备基本保持不变。1 9 9 3 年，f l o w d r i l 公司和天然气研究所( g r i ) 联合实 施了一项为期三年的井下超高压泵的研制计划【1 0 1 【1 4 】，并于1 9 9 4 年研制出了第一台样 机，总长1 2 m ，外径7 ”，是为8 ”井眼设计的，这种井下泵直接安装在钻头上方， 7 第二章螺杆钻具及井下增压技术研究进展 其尺寸与普通钻挺相近，操作方法也与普通钻挺相同。它是一种往复式增压器，靠水力 驱动，通过钻柱将正常流量输至井下泵，井下泵可将约7 的液流增压至2 0 7 m p a ，超高 压流体通过自己的导管流过钻头接头和钻头，到达钻头上的一个加长喷嘴，其余大部分 液体由钻头的常规喷嘴喷出。通过5 口井的现场试验，机械钻速是普通钻头钻速的 1 1 3 5 倍，其中速度提高最多的第一口井，因为地层较浅，射流形成自然空化。其余 几口井因为地层较深，根据当地的钻井经验，当射流压力低于2 4 5 2 8 0 m p a 时岩石很难 切削，因而钻速提高不明显。 1 9 9 4 年末，美国能源部( d o e ) 与f l o w d r i l 和g r i 联合研制并测试了第二代井下 泵样机15 1 ，总长减为8 5 m ，# 1 , , 径6 3 4 ”，是为7 ”井眼设计的，井底增压泵将约7 的 井底流体的压力增加到2 0 7 m p a ，超高压流体通过三牙轮钻头的加长喷嘴形成高速射流 冲击井底，辅助钻头机械破岩。通过现场4 口井的实验表明，全部为页岩的情况下，破 岩速度与常规破岩速度之比大约为1 4 5 ，花岗岩中为1 5 ，砂岩增加到2 。超高压水射流 辅助机械钻井提高破岩速度的原因不能用提高钻头通常应用的水功率来解释。由于井下 泵体积小，压力高，部件密封和材料强度要求很高，目前研制的试验样机井下工作时间 较短，第一代样机最长为4 0 5 小时，最短的仅为1 小时左右【1 6 】：第二代样机实验室可 靠运行时间为4 0 小时，但现场实验井下寿命只有8 1 7 小时，远远低于钻头的工作时 间。此外，井下泵的研制成本也较高，还无法真正从总体上缩短钻井周期，降低钻井成 本，因此还没有在工业上得到广泛使用。 尽管井下增压泵暂时不能在工业上得到普遍的应用，但是井下增压泵比地面增压泵 具有以下明显的优势：首先，井下增压泵设备投资低，易于实现从常规钻井向超高压射 流钻井方式转变，经济性好，安全性高，可靠性强，市场前景更为广阔：其次，井下超 高压泵装在钻头上方，钻井液以常规排量通过钻柱送至井下超高压泵，井下超高压泵将 大约1 0 的钻井液加压至2 0 0 m p a 以上，这部分超高压钻井液通过钻头的专用流道到达 钻头的加长喷嘴，而未加压的钻井液流向普通喷嘴。再次，由于该技术在常规钻井液体 系中应用，很容易实现超高压喷射钻井。近期又出现了井下超高压泵专利技术，从以上 井下增压泵的优点及井下增压的发展方向都可以说明它代表了目前超高压射流钻井方 式研究的发展趋势。 8 中国石油大学( 华东) 硕上毕业论文 目前国内外通常采用串联和并联两种井下增压回路技术，串联回路是利用地面钻并 泵的全部流量作为动力来增压破岩，动力缸卸荷的钻井液用来净化井底。并联回路是利 用地面钻井泵的小部分流量作为增压破岩，大部分低压钻井液用来直接净化井底。 国内研究超高压射流辅助钻井晚于国外，且投入的资金更无法与美国相比，有关理 论、材料及密封等技术差距很大，但对井下泵的研究，应该说还早于美国，早在1 9 8 9 年 我国科技工作者就着手井下增压破岩的可能性，目前已取得了初步进展。 我国自上世纪9 0 年代初以来，提出了静压式井下增压器的结构及水力设计方案， 它根据流体静压传递的帕斯卡原理，利用大活塞带动小活塞的方法上下往复运动产生超 高压小股射流。1 9 9 6 年，第一代全尺寸样机经过室内实验，输出压力在l5 0 m p a 左右， 累计工作时间已超过lo o h ，但没能达到现场应用条件。 1 9 9 4 年石油天然气总公司勘探开发研究院开始对井下增压泵进行研究，如成本的预 测，增压理论，增压方式串、并联，大、小喷嘴参数优选，动密封技术，钻头水动力特 性研究等。当时的设计指标为井下增压泵输出压力为1 5 0 m p a 。 2 0 0 5 年，中原油田钻井院与中国石油大学( 北京) 经过两年多的联合研究攻关，研 制出了一套井底增压喷射钻井系统，并进行了首次现场试验，并进行了首次现场试验， 取得了阶段性研究成果。 另外，我国的不少石油高校和研究机构也开展了大量的井下增压装置的理论研究、 结构设计和样机开发研究，开发了不少各式各样的井下增压泵，但是都存在着寿命短、 制造困难、换向元件易损坏等问题。原因其一有可能是我们的制造技术和加工能力还达 不到设计要求，其二有可能是研究的基本原理和技术路线还存在某些问题。但不管怎样， 超高压射流辅助破岩技术是提高钻速的一个有效和重要途径，井下增压装置仍是该项技 术成功应用的关键和必须攻克的难点。 9 第三章螺杆钻具结构及其工作特性研究 第三章螺杆钻具结构及其工作特性研究 3 1 螺杆钻具工作原理 螺杆钻具是一种以油基泥浆、乳化泥浆及粘土等各种钻井 液作为动力液，把液体的压力能转换为机械能的容积式井下动 力钻具【1 7 】。当泥浆泵产生的高压泥浆流经旁通阀进入马达时， 转子在压力泥浆的驱动下绕定子的轴线旋转，马达产生的扭矩 和转速通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业。 3 2 螺杆钻具的结构组成 目前所生产的螺杆钻具大都包括下列主要部件： ( 1 ) 位于马达部件上端由阀体、阀芯、阀套、阀口等组件 组成的旁通阀。 ( 2 ) 内部衬有橡胶的定子外壳，它和钻柱相连，具有z 2 + 1 个螺旋腔。 ( 3 ) 一个金属的螺旋驱动轴( 转子) 具有z 2 个瓣，其表面 进行了抗磨损的处理。 ( 4 ) 一个铰接的轴用挠性轴或是万向街头连接到驱动轴及 钻头上。 ( 5 ) 滑动的或滚动的径向轴承和止推轴承，使钻子组件找 正与定位，并在轴向驱动钻头。 、 概括起来螺杆钻具主要由以下几部分组成：旁通阀、马达、 t c 轴承与推力轴承、万向轴、传动轴等几部分组成( 如图3 1 所示) 。 3 2 1 旁通阀 ，旁通阀位于马达部件上端，由阀体、阀芯、阀套、弹簧、 阀口总成等组成【1 8 】，它的作用是在压力作用下时阀芯在阀套中 l o 图3 - 1 螺杆钻具结构图 f i 9 3 - 1 s t r u c t u r e d r a w i n go fs c r e w d r i l l 中国石油人学( 华东) 硕j 毕业论文 滑动，阀芯的运动改变液体的流向，使得旁通阀有旁通和关闭两个状态：一般情况下， 在起、下钻作业过程中，阀套与阀体通孔未闭合，旁通阀处于旁通状态：在起钻时使钻 杆内的钻井液从阀体侧面的阀口流入环空，下钻时允许环空( 钻杆与井壁的环形空间) 的钻井液由旁通阀阀侧面的阀口孔流入钻杆内；这样可使钻井液不至于溢于井台上。 正常情况下，旁通阀的启闭完全由钻井液的流量大小决定。当泥浆流量和压力达到 标准设定值时，阀芯下移，关闭旁通阀孔，此时泥浆流经马达，把压力能转变成机械能。 当泥浆流量值过小或停泵时，弹簧把阀芯顶起，旁通阀孔处于开启位置处于旁通状 态，如图3 2 所示。总之，正常情况下旁通阀的启闭完全由流量大小决定的。 一体 一善 5 蕞 一j f 玎；i 悖鬣 ， 一关叫t 开采) 图3 - 2 旁通阀结构和工作原理 f i 9 3 2 s t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fb y p a s sv a l v e 旁通阀不是螺杆钻具工作时的必须部件。在水平钻井中，为了防止停泵时环空钻井 液内的岩屑从旁通阀的筛板进入马达，往往不装旁通阀，或把旁通阀的弹簧取出来使旁 通阀呈常闭状态，而在直井段的钻柱上安装一个钻柱旁通阀，来代替钻具旁通阀的作用。 3 2 2 马达部件 马达部分是按法国工程师r e n em o i n e a u 研究发明的原理进行设计，它是由z 2 瓣( 或 称头) 数的轴和嵌入在一个带凹槽的壳体所组成，壳体凹槽瓣数z l = z 2 + 1 马达的横剖面 图表明轴和壳体呈波浪形轮廓，每个波形相当于一个瓣，并叫马达有z z 2 个瓣数。下 面仅以转子与定子啮合头数为5 ：6 和9 ：1 0 的截面为参考，如图3 3 所示。 * 三g 螺杆镕 托& j e i 作特性w a k “91 0 - 图3 - 3 马达截面 f i 9 3 - 3 c r o s ss e c t i o n o f m o t o r 我们把有z 2 瓣数的轴叫做转子，它是由一根经过加工并且镀有一层防腐材料的左 旋螺杆转子的上端是自由的，其下端与万向轴相连。把带凹槽的有z l = z 2 + 1 个瓣数的 壳体叫做定子；定子内是一个模压成型的橡胶套筒，它的内部是螺旋通道，包客转于， 外部是由金属做成的套筒。如图3 - 4 所示： 图3 - 4 马达内部结构 f i 9 3 一 i n t e r n a ls t r u c t u 他o f m o t o r 在转于装入定子后，形成马达任意截取一个垂直于轴线的截面它们两者部是共 轭啮合的，因此，绕轴线的转子上有一系列啮合点，这些啮合点封闭起来的容腔组成一 个密封腔；因为马达一般是多头的，因此，转子在定子内可形成多个互补相通的密封腔。 当压力液进入马达时，在转子的螺旋曲面上产生了动力矩，迫使转子在定子内做行 星运动，从而时液能转换成机械能。这就是马达的基本工作原理。 根据马达头数的多少钻具分高速、中速和低速。马达的头数越少，转速越高，扭矩 越小：马达的头数越多，转速越低，扭矩越高。 中用d 学( 华束) 毕业论文 3 23 万向轴部件总成 万向轴部件总成位于转子下端它由两个元件组成：万向轴壳体和万向轴，壳体通 过上、下螺纹分别和马达定子壳体下端及传动轴壳体上端水帽相连接。其作用是将转子 与传动轴连接起柬将转子的行星运动转换成传动轴的定轴传动，从而把马达的输出扭 矩和转速传递给传动轴钻头上。 万向轴有几种不同的结构形式 嘲，应用最普遍的是以下两种形式： ( 1 ) 挠轴形式，如图3 5 ( a ) 所示，这种结构形式是靠挠轴自身的弯曲变形来适应转 子的行星运动，同时缩短了钻具总长度。 ( 2 ) 万向节形式如图3 - 5 ( b ) 所示，这种形式的万向轴结构紧凑，传递扭矩较大。 a b a ) 挠轴形式b ) 万向节形式 圈3 - g 万向轴结构图 f i 9 3 - 5 s t r u c t u r ed r a w i n g o f c a r d a n 3 24 传动轴部件总成 传动轴部件总成的一般由壳体、传动轴、上径 向轴承、平面推力轴承组和下径向轴承及其他辅助 零件组成，如图3 - 6 所示。 流经万向轴壳体的钻井液从导流水帽进入传 动轴中间的流道并从钻头的水眼喷出清洗岩屑。 传动轴部件总成通过外壳与定子相连控制钻头的 钻进方向，并同时承受钻压所产生的轴向和径向负 荷。传动轴总成是螺杆钻具中最要害的部位，因为 图3 - 6 传动轴结构图 f i e 3 - 6 & r u c t l l 件d r a w j n eo f 第三章螺杆钻具结构及其丁作特住研究 传动轴总成内的轴承常常决定螺杆钻具的工作寿命，轴承组合的功能主要有以下两个： ( 1 ) 把轴向载荷传递到钻头上，这是通过平面推力轴承实现的，平面推力轴承由多列 向心推力球轴承组成。 ( 2 ) 使传动轴居中，以确保主轴平稳运转。这是通过使用径向轴承实现的。径向轴承 是用弹性合成材料制成的套筒型轴承。在传动轴总成中，通常装有两个径向轴承，称为 上径向轴承和下径向轴承。平面推力轴承装在上下径向轴承之间。上径向轴承兼做限流 器，控制一定的钻井液流过( 约7 以内) 来润滑径向轴承和平面推力轴承，然后从传 动轴壳体下部排向环空；这就是为什么使用螺杆钻具时要求钻井液的含砂量越小越好的 原因。 3 3 螺杆钻具的工作特性 嫘杆钻具是按莫诺原理制成的井下动力钻具，采用容积式螺杆液压马达( 以下简称 马达) 作为动力机，在性能上具有转速低、扭矩大、易于启动和过载能力强等特点，比 涡轮钻具更有优越性，特别适合配用p d c 钻头钻井。理论研究表明【2 0 1 ，螺杆钻具的工 作特性主要取决于马达的转子与定子的横截面的过流面积，如不考虑机械效率的影响， 通过线型参数设计来增大转子与定子横截面的过流面积，可使马达的每转体积流量、输 出扭矩和轴向力( 由马达压力降引起的转子轴向力) 上升，使钻具的转速、转子与定子间 的最大滑速及转子离心惯性力下降，并可使马达对钻井液中颗粒污物的敏感性降低。若 减小转子的偏心距，可使万向轴的运动幅度减小，从而可减小万向轴内的应力值。减小 偏心距，还会使转子离心力降低，并有助于减小钻具的横向振动。这些理论上的研究结 果为马达的优化设计提供了依据。然而，螺杆钻具的工作特性不仅是由转子与定子的线 型参数决定的，制造和使用方法的因素对螺杆钻具工作特性的影响往往也是不可忽视 的，大量的试验和使用实践证明了这种影响的严重性。下面在制造经验和大量试验的基 础上，简单分析制造和使用条件对螺杆钻具工作特性的影响。 3 3 1 螺杆钻具的理论特性 在无漏失、无摩擦的理想状况下，根据能量守恒，在单位时间内钻头输出的机械能 ( m 。q ) 应等于螺杆钻具马达输入的水力能( 舻q ) ，则有： 1 4 中国石油大学( 华东) 硕_ 上毕业论文 m 7 - 缈7 = a p q 根据容积式机械的转速关系，有 由以上( 3 1 ) 、( 3 - 2 ) i 两式可得： 和 式中：鸩一马达理论扭矩； 坼理论功率； 姊钻头理论角速度； 朋，= 6 0 q q m t = 去心q n t = a p q 仰钻头理论转速，即马达输出的自转转速； ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) 尸马达进出口的压力降； g 马达每转排量，是一个结构参数，仅与线形和儿何尺寸有关； q 流经马达的流量，即“排量”； 分析公式( 3 一1 ) 、( 3 - 2 ) 、( 3 3 ) 、( 3 4 ) 可得如下重要结论： ( 1 ) 螺杆钻具的转速只与排量q 和结构有关，而与工况( 钻压、扭矩等) 无关： ( 2 ) 工作扭矩与压降舻和结构有关，而与转速无关； ( 3 ) 转速和扭矩是各自独立的两个参数： ( 4 ) 螺杆钻具具有硬特性( 不因负载m 的增大而降低转速) 和软特性( 良好的过载能 力，a p 增大可导致工作扭矩m 变大) ； ( 5 ) 泵压表可作为井底工况的监视器，由凹变化来判断和显示井下工况( 肘丁和钻 压b ) ； ( 6 ) 转速n 随排量q 的变化而线性变化，因此可通过调节排量q 很容易地进行转 速调节； 1 5 第三章螺杆钻具结构及其工作特性研究 ( 7 ) 工作扭矩鸩与转速吩均与结构( q ) 有关，增大马达每转排量，可获得适于钻井 操作时的低速大扭矩特性： 如图3 7 所示，给出了螺杆钻具的理论工作特性曲线。 3 3 2 实际工作特性 t 苫 乏 厶p 图3 7 螺杆钻具理论工作特性曲线 f i 9 3 - 7 t h e o r e t i cw o r k i n gc u i v eo fs c r e w d r i | l 事实上，理想的马达是不存在的，在钻具工作过程中，转子公转形成的离心惯性力、 马达压力降p 在转子上产生的倾斜力矩、定子和转子的尺寸精度与形状误差、马达副 的配合间隙及定子橡胶的变形等因素都会破坏马达的理论密封，造成工作液( 即钻井液) 漏失【2 2 1 。另外，转子与定子间的滑动对配合表面的机械磨损、转子偏心造成的横向振动、 转子轴向力的存在、钻井液流速造成钻具内部的冲刷磨损和局部水力损失等因素都会使 钻具的总效率迸一步降低，导致螺杆钻具的实际工作特性偏离理论工作特性。因此，螺 杆钻具存在机械效率和水力效率仉，其总效率为： 7 7 = 7 7 。7 7 。( 3 5 ) 其实际扭矩m 、钻头实际转速1 3 和实际输出功率为： m = m 儿= 去尸= 去只q c ( 3 - 6 ) ，? ：露，穆。：盟夥。( 3 - 7 )，? 2 露f 穆w5 - 二夥” q n o = n ，r = 尸q 7 7( 3 8 ) 式中：c 马达扭矩系数，为： 1 6 中国石油人学( 华东) 硕士毕业论文 c 巩( + 等h 簧 其中，a p 、卸、必有如下关系： a p = 只+ a 最 或 式中：纰马达启动压降； 鹋马达负荷压降； 最= a p 一鼻 ( 3 9 ) ( 3 - 1 0 ) 舻螺杆马达的总压降； 必一般在0 5 - 1 m p a 左右，视转子和定子间的配合松紧程度而定；必又称为工作 压降，当把螺杆钻具提离井底循坏钻井液时，与加上钻压钻进时地而泵压表的差值就是 必。 图3 8 某螺杆钻具实际工作特性曲线 f i 9 3 8 a c t u a l w o r k i n gc u r v eo fs c r e w d r i l i 图3 8 是某螺杆钻具由试验台架做出的实际工作特性曲线。中的砚曲线称为负荷效 率曲线。负荷效率是不计马达启动阶段的压降和有关损失，只计工作阶段输出机械能与 有用水力能( 必，q ) 间比值关系的一种计算效率，为： p r 27 7云(3-1 1 ) 对比图3 - 7 和图3 - 8 ，可发现螺杆钻具理论特性与实际特性间的差异，由于水力效 率7 7 ，的影响，导致实际转速n 随肿的增大而降