（油气井工程专业论文）复合钻进条件下钻进参数优选方法研究.pdf

o p t i m i z a t i o nr e s e a r c ho nd r i l l i n gp a r a m e t e r w i t h d o w n h o l em o t o r z h a iw e n t a n ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ys e n i o re n g i n e e rw a n g z h e n g u a n g p r o f e s s o rg u a nz h i c h u a n a b s t r a e t o nt h eb a s eo fu n d e r s t a n d i n go ft h ep e r f o r m a n c e so fd o w n h o l e m o t o r s ，a n dt h ed r i l l i n gc h a r a c t e r sw i t hd o w n h o l em o t o r s ，t h i sp a p e r p r e s e n t s af l e w a p p r o a c ht oh y d r a u l i co p t i m i z a t i o n f o r p o s i t i v e d i s p l a c e m e n tm o t o ra n dt u r b i n em o t o r f o rp o s i t i v ed i s p l a c e m e n t m o t o r , w ec h o o s et h eb i th y d r a u l i ch o r s e p o w e r ：w h i l ec o m i n gt o t u r b i n em o t o r , w ec h o o s et h em o t o rh o r s e p o w e r a tt h em e a nt i m e ，w e a l s op r e s e n tan e wa p p r o a c ht oo p t i m i z a t i o nw h i c hn o to n l yr e s u l ti n i m p r o v i n go ft h e r a t eo fp e n e t r a t i o nb u ta l s oi nt h ei n c r e a s i n gt h e o p e r a t i n gh o u r so fp d m t h e r ei sa l s o a na p p r o a c ht of o u n dt h e o p t i m a l w o bf o rm a xd r i l l i n gr a t eo ft u r b i n em o t o ra n dan e w a p p r o a c ht oc h o o s el i n e c t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h em e t h o d su s e dt oc a l c u l a t eh y d r a u l i c p r e s s u r ed r o po fd i f f e r e n tr h e o l o g i c a lp a t t e r n si n c l u d i n ge c c e n u i c a n n u l u s t h ef i e l dd a t aa c c o r dw i t hc a l c u l a t e dr e s u l t a n dw ea l s o d e v e l o p e dac o m p u t e rp r o g r a mf o rh y d r a u l i co p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：p o s i t i v ed i s p l a c e m e n tm o t o r , t u r b i n em o t o r ，h y d r a u l i c o p t i m i z a t i o n ，p r e s s u r el o s s ，d o w n h o l em o t o r 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名： 翌之蕴一 力口1 年s月如f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中田石油大学囱关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论艾被查阅和借阅：学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名 导师签名 弘订年岁 p 7 年， ， 月2 p同 月如r 中国4 i 油人学( 华尔) 硕十论文第l 章前言 第1 章前言 目前提高钻井速度，特另u 是提高深井超深井的钻井速度仍然是钻井 过程中面临的重要问题。特别是深井超深井的钻井速度是制约深井超深 井钻井数量、造成钻井成本居高不下的重要原因。为了提高钻井速度， 人们先后采用了螺卡t 钻具、涡轮钻具等井下动力钻具。现在转盘旋转加 井底动力钻具复合钻进技术已成为一项常规提高钻进速度的技术，尤其 是对提高深井超深井钻进速度效果更加明显。但是由于采用的井底动力 钻具的水力特性不同，关于复合钻进的水力参数选择还没有一套实用的 方法。这制约了复合钻进技术的应用，不能使复合钻进技术充分发挥出 它的作用。因此，根掘复合钻进中不同动力钻具水力特性的差异，建立 水力参数优选方法，对优化水力能量的分配、提高复合钻进的适应性和 效率卜分晕要。另外，随着泵功率的提高，现在设备承压能力已经成为 泵压选择的制约因素，泵的实际工作泵压达不到额定泵压。在这种情况 下，传统的泵缸套的选择方法不能充分发挥泵的功率。因此以设备承压 能力为基础，以发挥泵的最大功率为出发点确定排量，进行在设备承压 能力下的缸套选择的理论研究对于充分发挥泵功率、使钻井泵得到最合 理应用，从而提高钻井速度具有重要的意义。 中国_ i 油人学( 华尔) 硕十论文第2 章升f 动力钻冗介纠及分析 第2 章井下动力钻具介绍及分析 井下动力钻具目前主要是指螺杆钻具、涡轮钻具和电动钻具三种， 在本文中主要就螺杆钻具和涡轮钻具进行分析。井下动力钻具是安装钻 杜下端通过钻井液进行驱动的钻井装置，在定向井水平井以及深井超 深井钻井过程中应用广泛。 2 1 井下动力钻具概述 随着定向井、水平井钻井工艺的飞速发展以及套管开窗技术的推广 应用，深井超深井提高钻速的需要，井下动力钻具的需求量与f 1 俱增。 钻井和修升t 作的多样性对井下动力钻具的动力特性提出了各种不同 的要求。目前具有实际应用价值的并下动力钻具1 有螺卡t 钻具，涡轮 钻具和电动钻具一乏种而我固常脚的足前i 巧种。动力钻县接在钻铤之下， 钻头之上，在钻井液循环通过动力钻具时，驱动础力钻具转动并带动钻 头旋转破碎岩石，动力钻具以上的整个钻柱都呵以小旋转，动力钻具的 这种特点对于定向造斜是非常有利的。 21 1 螺杆钻具概述 螺杆马达是根据r e n e m o i n e a u 原理做成的。m o i n e a u 是一位法国工 程师，他在1 9 3 0 1 9 4 8 年期间研究了多种不同的螺旋装置并取得了专 利。币螺卡r 井底马达的起源可以追溯到1 9 3 9 年由t h u d s o n 和w g e r b e r 发明诈取得了关 词的专利。这就是取名为d y n a d r i l l 的i = 1 2 单波齿( 单 瓣数) 马达。 1 9 7 5 年，s c h l u m b e r f g e r 公司丌始q 二产卜b 技术怫调局( b c t ) 研制并 取得专利的外径为1 0l 4 i n ，i = 5 6 螺杆马达，取名为g e o r o t o r 。同时。 美国b a k e r 公司丌始研究i ：3 4 的t 达两德c h r i s t e n s e n 公司生产一系 列单头马达。叫n a v i d r i l l 。d y n a 钻其的最大1 一悖n ：差从1 7 6 5 、2 4 5 2 、 中国f i 油大学( 华东) 硕十论文第2 章井r 动力钻具介绍及分析 3 4 3 2 k p a 达到4 7 0 7 k p a ，新型d e l t a l 0 0 0 系列d y n a 钻具直径从1 3 4 i n 到 t 2 i n 对钻高温井的d y n a 钻具研制了由d a c r o n 和氟化碳织状纤维做 成的轴承。n a c i 钻具使用了多级球推力轴承和会属径向轴承，小直径钻 具还采用了会刚石止推轴承，这使得马达寿命大大提高。 我国螺秆钻具依靠引进技术也得到了较快的发展，品种规格齐全， 除基本上能满足我国的定向、侧钻钻井工艺需要外，还有少量的出口。 螺杆钻具的优点是：具有低速大扭矩的硬特性；过载能力强，操作方便； 结构简单，钻其较短，维修方便。缺点是需要定排量工作，有横向振动； 对油基钻井液比较敏感，不适应在高密度钻井液中工作；橡胶定子耐高 温性差，不易于深井作业。 2 1 2 涡轮钻具概述 近十年来，国外的涡轮钻井技术发展迅速，除俄罗斯最先采用涡轮 钻井技术外，西欧北海油阳和中东地区涡轮钻井的进尺逐年增加：在一 向不太重视涡轮钻井技术的美国，从2 0 世纪8 0 年代术到现在，涡轮钻 井技术也得到了蓬勃的发展。目前国外用涡轮钻具钻井一般能节省钻时 5 0 ，节约钻井成本1 3 。下面介绍国外涡轮钻井技术的发展情况： ( 1 ) 阿拉斯加的北s l o p e 地区的涡轮钻井 1 9 9 2 年在阿拉斯加的北s l o p e 地区k u p a m k 河油阳使用涡轮钻具钻 井，创造了多项世界记录。包括：在2 m 一0 9 井创造了r 进尺1 6 7 5 7 5 m 的新记录。n e y r f o r 公司的台t 2 18 4 可控涡轮钻具在一口井的一次行 程中钻了2 3 9 3 m ，平均机械钻速达6 9 m h 。另一台1 r 21 8 4 涡轮钻具在9 月份创造了一次行程钻进2 4 7 2 m 的新记录。钻井过程中涡轮钻具显示 了如下的优越性： 带余属推力轴承( a m b ) 的支撑节提高了涡轮钻具的整体工作寿 中国4 i 油人学( 华尔) 硕+ 论文第2 章升r 动力钻具介引及分析 命。自从1 9 9 0 年在北美地区进行会属推力轴承样品试验以束，己累计 工作1 4 0 0 h 。由于a m b 轴承的出现，支撑节可以做得较短，这就可以 向用户提供大功率而压降又相对较低的涡轮钻具，使定向钻井的测定更 加靠近钻头，提高了测定精度。带a m b 轴承的支撑节在一次行程中的 工作时 ，b j 记录为2 4 5 h 。钻并液的密度为2 0 6 - e c f l l 3 。 涡轮钻井可以大大减少套管的磨损。通常当井深达到5 4 8 6 m 时， 用密度2 1 5 6 9 c m 3 水基钻井液，钻速往往很慢。在这样困难的情况下， 用涡轮钻井取代转盘钻井时，除了节省钻井成本外，最显著的效果是减 少套管的磨损。由分析对比可知，转盘钻井时套管的磨损量大，平均每 小时套管的磨损量为3 5 4 5 9 ；涡轮钻井时套管的磨损量小于1 2 9 ，比 转盘钻井时减少6 5 的磨损量。这是因为套管的磨损量与钻柱的旋转速 度成币比。 ( 2 ) 涡轮钻井技术在北海油田的应用 仅n e y r f o r 公司每年在北海油阳的钻井t 作量平均为3 0 0 0 h ，每年 在中东的钻井= i = 作量平均为1 0 0 0 0 h 。1 9 9 4 年陔涡轮钻具备件消耗量的 价值为2 6 0 0 万美元( 整机费除外) 。自1 9 8 0 年以来，涡轮钻具在北海油 f 只的深井和定向井中己得到广泛的应用。1 9 9 3 1 9 9 4 两年中，在北海 南部气罔的2 71 3 丌发井上，使用s b s l 6 8 可控涡轮钻具在中2 1 6 m m 井 限中钻进了3 0 4 7 9 m 。在c l i p p e r 油m 的一口井中，涡轮钻具在一次行程 中就钻了18 3 9 m 。 ( 3 ) 涡轮钻具在中东地区的应用 n e y r f o r 公司的涡轮钻具在中东地区叙利亚、巴林、卡塔尔、阿联 酋等国家应用己有1 5 年多了。早在8 0 年代中期，巴林k h u f f 油阳已用 涡轮钻具钻了6 口井，累计7 7 7 2 m 均获得了良好的经济效益。用转盘 钻进钻中6 6 0 m m 和4 4 5 m m 井眼后，再异j 涡轮钻具钻中3 l i m m ， 4 中国_ i 油人学( 华尔) 硕十论文第2 章升r 动力钻冗介纠及分析 0 2 1 6 m m 和0 1 5 6 m m 井限，这是目前该油阳的标准钻井工艺过程。涡 轮钻具的技术进步同时促进了钻头的技术改进，过去涡轮钻井作业中广 泛应用的会刚石钻头已由s t r a t a p a x 钻头所取代，从而大大减少了钻时， 以往需2 0 天的钻井作业，现在只需1 3 1 5 天。 2 0 世纪9 0 年代初，k h u f f 油阳的k 4 7 1 、k 4 7 2 、k 4 7 3 三口油井用 涡轮钻具在0 3 l l m m 、0 2 1 6 m r n 和0 1 5 6 m m 井眼钻进了4 5 9 2 m ，占三 1 3 井总进尺的7 8 4 ，而转盘钻进尺仅占2 1 6 。除去涡轮钻具的租赁 品费外，其机械钻速是转盘钻的两倍，钻头损耗减少，从而增加了在井 底的工作时间，相当于节省5 个钻机工作同的费用。 自1 9 7 9 年以来，卡塔尔通用石油公司采用涡轮钻井技术和生物聚 合钻井液，使钻井时自j 节省5 0 ，钻井成本下降3 0 。在卡塔尔北部油 f 日，近几年来涡轮钻井技术的发展还表现在井眼从0 6 6 0 m m 和0 4 4 5 m m 就丌始用涡轮钻具造斜。而在0 3 1 i m m 和0 2 1 6 m m 井眼中无论从每米 钻井成本还是钻井时问来说，用涡轮钻井比用转盘钻井更经济。 我国“七五”期f b j ，也研制成功了新型0 1 9 5 m m 深直井和定向井 涡轮钻具，在四川地区2 5 0 0 4 0 0 0 m 井段共钻井三口，平均机械钻速 达4 7 m h 比转盘钻井提高1 5 2 倍。这一期问还完成了取心涡轮钻 具的设计，研制成带滚动球轴承的独立支撑节，工作寿命1 5 0 h 。此外， 还研制成0 1 7 5 m m 涡轮钻具，它可配0 2 1 6 m m 钻头，扭矩较大，但压 力降偏高，与目前压力级偏低的钻井泵不相匹配。1 9 9 5 年改进后的 0 1 7 5 m m 涡轮钻具在中原油阳的试验表明，其机械钻速比转盘钻快 0 3 5 倍，压降适中( 5 6 m p a ) ，支撑节的寿命达1 3 0 1 5 0 h ，已具备在 各油田推广使用的条件。涡轮钻具的优点：具有高速大扭矩的软特性， 无横向振动，机械钻速高；全会属的涡轮钻具耐高温，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。 s 中国t i 油人学( 华尔) 硕十论文第2 章井r 动力钻具介纠及分析 缺点是钻具较长，钻头的适用范围小( 减速涡轮钻具除外) ；安装调整轴 向问隙较繁琐。 2 1 3 电动钻具 在我国的油气钻井中，使用电动钻具尚属空白。国外以独联体国家 使用较多。掘1 9 9 0 年统计，在所有钻并进尺中，除涡轮钻井占8 3 的 优势外，电动钻具已占1 7 ，且局部地区上升较快。井下电动钻具是 1 9 3 7 - 1 9 4 0 年发展起束的，结构形式由交流电驱动+ 行星减速器改进为 直流电驱动，1 9 5 6 年其平均寿命仅为2 5 3 0 h ，由于结构可靠性的提高， 1 9 8 6 - 1 9 9 9 年其平均寿命为9 0 h ，导线接头损坏的次数提高到每1 0 0 0 m 少于1 次( 寿命可达2 4 0 h ) 。 在独联体国家，采用电动钻具钻水平井和多支井，以及在高密度钻 井液中进行深井钻井作业，取得了较好的技术经济效益。例如，掘1 9 8 0 年统计，土库曼斯坦5 口5 0 0 0 m 左右的深井是在钻井液密度为2 3 9 c m 3 的条件下用电动钻具钻戍的。这5 口井的平均机械钻速是转盘钻的l8 倍。当然，电动钻具也同样有缺点，如电缆接头的阻抗低易引发故障， 压降损失大，密封件的平均寿命还未超过l o o h ，维修要求高水平的技 师。 综上所述，三种井下动力钻具都有各自特定的优缺点。一般说来 涡轮钻井在深井、长井段直径以及存高温环境下能发挥优势。螺卡t 钻 具则在定向井和丛式井的造斜作业中应用更为有利。2 1 世纪井下动力 钻具将会有较大的发展，如何采用新材料和新工艺将平均行程工作寿命 提高到2 0 0 h 以上，是井下动力钻具今后的发展方向。 2 2 实心螺杆钻具介绍及分析 螺杆钻具1 是一种容积式井下马达。容积式马达是靠顺序被隔绝 6 中国打油人学( 华东) 硕十论文第2 章升f 动力钻具介纠及分析 的工作液体积在压力下被挤压通过马达本身不断变换的限定空间，使马 达转动或摆动，从而带动钻头旋转。螺丰t 钻具是容积式井下动力机械， 其作用是把钻井液的水力能转化为机械能供给钻头，在中、长半径水平 井常用的动力钻具组合绝大多数是以螺杆钻具为主构成的。目前为提高 钻速，螺杆钻具的应用越来越广泛。 螺杆钻具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，特别适合配用牙轮钻头钻井。理论研究表明螺丰丁钻具的工作特 性主要取决于马达的转子与定子的横截面线型，若不考虑机械效率的影 响，通过线型参数设计柬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l b j 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| 丁向轴内的应力值。减小偏心 距，还会使转子离心力降低，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。 这种马达，与这种类型的泵及压缩机一起，都是从一个法国工程师 r e n e m o i n e a u 的研究发明基础上派生出来的。这些马达的驱动绂是由 z ，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 = z ，+ 1 。马达的横剖面图，表明轴和壳体呈波浪形轮廓，每个 波形相当一个瓣。称马达有z ，z ，个瓣数。轴的螺距，和外壳的导程r 的 比值是相同的，这就是众所周知的螺杆钻具瓣数比i i = 互z ，= f t ： i = z ，z 瓣数和凹槽的不同，也就是外壳的轴线与转子的轴线不重合。 它们不重合值的大小称为偏心度e 。在它们相对旋转时，轴在外壳内壁 7 中国f i 油人学( 华尔) 硕十论文第2 章升r 动力钻具介纠及分析 上滚动，滚动方向和转子轴的旋转方向相反。其中转子轴心围绕定子轴 心作行星运动，其运动轨迹为以半径为e 的圆柱体。常规螺杆钻具的轴 围绕其轴线旋转，并在偏心的状态下围绕外壳轴线，以行星运动向相反 方向转动。因此，必须靠柔性或绞接的力- 向轴连接方式来驱动钻头。可 能还有其它的组合形状但在任何情况下，在两个组件中至少要有一个 作行星运动，并至少有一个作旋转运动。 2 2 1 螺杆钻具的结构 螺杆钻具【6 - 7 】有四个部件组成，从上至下依次是旁通阀马达、马达 总成、万向轴总成、传动轴总成。 ( 1 ) 旁通阀 旁通阀是螺卡t 钻具的辅助部件，它的作用是在停泵时使钻杜内空间 和坏空沟通，以避免起下钻和接单根时钻柱内钻井液溢出污染钻台影响 正常工作。 旁通阀由阀体、阀芯、弹簧、筛板等组成，在丌泵时，钻井液压力 迫使阎芯向下运动造成弹簧压缩并关闭阀体j = 的通道，此时螺卡t 钻具 可循环钻井液或正常钻进。当停泵时，钻井液压力消失，被压缩的弹簧 上举阀芯，旁通阀丌启，使钻柱内空i 日j 与环空沟通。显然旁通阀不是螺 秆钻具工作时的必需部件。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念，而在直井段的钻杠上安装一个钻柱旁通阀 来代替钻具旁通阀的作用。 ( 2 ) 马达总成 马达是螺杆钻具的动力部件，马达总成实际上是由转子和定子两个 基本部分组成的单螺打容积式动力机械。转子是根表面镀有耐磨材料 8 中国_ i 油人学( 华尔) 硕十论文第2 章升r 动力钻具介蜊及分析 的钢制螺杆，其上端是自由端，下端与万向轴相连。定子包括钢制外筒 和硫化在外筒内壁的橡胶衬套，橡胶衬套内孔为一个螺旋曲面的型腔。 根据马达的线性理论研究结论可知，转子的线型和定子的线型应是一对 摆线类共轭曲线副。常用的马达转子如果为n 头的摆线线型，则定子 必为+ 1 头的摆线线型；转子和定子的曲面螺距相同，导程之比为 + l o 在工程上，n 一般为从l 到9 的诈整数。由于万向轴约束了 转子的轴向运动，所以高压钻井液在流过马达副时，不平衡的水压力驱 动转子作平面行星运动，转子的自转转速和力矩经万向轴传给传动轴和 钻头。转子轴线和定子轴线问有一距离，称为偏心距，一般用p 表示。 ( 3 ) 万向轴总成 万向轴总成由两个元件组成：壳体通过上、下锥螺纹分别和马达定 子壳体下端及传动轴壳体上端相连接。直螺杆钻具的万向轴壳体无结构 弯角，而弯壳体螺杆钻具的万向轴壳体则是一个带有结构弯角的弯壳 体。万向轴有几种不同的结构形式，应用最普遍的有瓣型连接轴和挠性 连接轴，以及其它形式的万向轴。万向轴的上端和马达转子下端相连， 而下端则和传动轴的上端的导水帽相连。万向轴的作用是把马达转子的 平面行星运动转化为传动轴的定轴转动，同时把马达的工作扭矩传递给 传动轴和钻头。螺杆钻具在工作或循环钻井液时，从马达内流出的钻井 液穿过万向轴壳体内壁与万向轴日j 的空日j ，通过传动轴的上端的导水帽 的通道进入传动轴的内部通道，然后从钻头的水眼流出。 ( 4 ) 传动轴总成 传动轴总成是由壳体、传动轴、上部推力轴承、下部推力轴承、径 向扶丁f 轴承组及其它辅助零件总装而成。上、下推力轴承分别用来承受 钻具在各种工况下产生的轴向力。径向扶一轴承组则用于对传动轴进行 9 中国7 i 油入学( 华尔) 硕十论文第2 章升f 动力钻具介宝 及分析 扶正，保证其在于常的工作位置。早期的螺杆钻具传动轴不采用滚动径 向轴承组，而使用一个套简形的滑动轴承，它是在钢制圆筒内壁压铸耐 磨橡胶构成的，在橡胶内壁刻有沿圆周均布的轴向沟槽，用于对分流润 滑和冷却轴承的钻井液进行限流，因此统称为限流器。 如上所述，流经力t 向轴壳体的钻井液从导水帽进入传动轴的中j 到通 道，同时也有一小部分钻井液流经轴承组进行润滑和冷却，然后从传动 轴壳体的下部排向环空。 传动轴总成的推力轴承是螺杆钻具最易损坏的部位，因为螺杆钻具 在井底恶劣的坏境中工作时，轴承组的负荷重，且为幅度很大的交变载 荷，很易造成滚珠、滚道磨损，甚至破碎。理论分析和现场的使用经验 表明这种情况常发乍在卜部推力轴承。因此对轴承组的结构和材质的 改进一直是螺卡钻具研究的重点。 常规螺杆钻具的传动轴外壳，卜不带稳定器。用于水平井的螺丰t 钻 具，一般在传动轴壳体上带有稳定器。对于中曲率造斜用的螺丰t 钻具， 为了保证有足够的造斜率，往往要求压缩万向轴壳体弯点到钻头的距 离，这就需要设计轴向尺寸较小的转动轴总成。 2 2 2 螺杆钻具的分类 ( 1 ) 根据外径分 马达可按其外径分为小直径和大直径两类。小直径马达外径为 13 4 2 3 4 i n ，大商径外径为3 3 41 4 i n 。小直径马达特别适用于油井的 修井、丌槽井或未钻完的生产拌，也可以用柬钻水泥塞。 ( 2 ) 根掘波齿比分 瓣数比i = z 2 z = z 2 z 2 + l ，可在i = 0 5 到i - g + 1 ) 之侧变化， 但目前，= 9 1 0 代表了最高的限度。在l 工 q ，时，马达才有可能有转 速和功率输出。因此，q 为一l 临界值，称之为中空螺杆钻具的临界排 量，简称i 临界排量。l 临界排量是由中空分流造成的，事实上，其数值就 是中空分流量。如图2 - 4 是临界排量与马达压降的关系曲线。曲线表明， 负载( 马达压降) 大，临界排量办大。马达启动压降到最大许可压降变 化时对应的临界排量也存在一个范围，其中马达额定工作状态下的排量 称之为额定l 临界排量；马达启动压降对应的临界排量称之为启动临界排 量，也叫最小临界排景，因此低于此l 临界排量马达是无法启动的。 临界排量可以作为选用中空螺丰t 钻具的一个重要技术指标。根据实 际生产对排量的要求，可选用合适的临界排量的螺丰t 钻具，或调整螺杆 钻具的i 临界排量。如已知马达临界排量q ( 卸) 和马达工作排量q w ( 流 经马达工作腔，驱使马达转动) ，则所选螺杆钻具的排量应为： q q ，( 印) + 甄 ( 2 2 9 ) 2 1 中国_ l 油人。7 - ( 华尔) 硕十论文第2 章升l - z o 力钻具介 j 及分析 0 印 幽2 4 临界排鼍与压降的关系曲线 由以上的分析可以得出以下结论 ( 】) 中空螺卡t 钻具采用中孔分流提高排量，但是损耗了部分水功 率。随着负载( 马达压降) 的增大，马达转速、理论效率均减小，而输 出扭矩增大，且输出功率先增大后减小并存在最大值。 ( 2 ) 中空螺杆钻具的全部排量( 泵排量) 决定了中空螺杆钻具承 载能力的大小，也就是最大驱动转矩。巾窄螺柙。钻具的承载能力还受到 马达泄漏的影响，泄漏量大，承载能力小。 ( 3 ) 中空螺卡t 钻具存在着临界排量，它与马达压降( 负载) 大小 有关，是马达能输出转速所要求得最低排量，也是衡量中空螺杆钻具性 能的一个重要指标。 24 涡轮钻具介绍及分析 涡轮钻具m 是一种井底水力发动机。它旱面装有若干级涡轮( 定 子和转子) ，定子使液体以一定的方向和速度冲动转子，转子将液体的 动能转变成带动钻头旋转破碎地层的机械能。涡轮钻具按其结构和用途 大致可以分为：单式涡轮钻具复式涡轮钻具短涡轮钻具，弯壳体涡 轮钻具，带减速器的涡轮钻具和高速涡轮钻具等。 中国i 油人学( 华尔) 硕十论文 第2 章升r 动力钻具介耋f 及分析 轮钻具，带减速器的涡轮钻具和高速涡轮钻具等。 2 41 漏轮钻具的结构 涡轮钻具的结构，包括上端带大小头的外壳，被压紧短节压紧而安 装在外壳内的定子，下端带有下短节并与钻头相连接的主轴，套装在主 轴上的转子以及止推轴承和扶i f 轴承等。定子和转子是由特殊的叶片组 成的。每级涡轮有两个叶轮，有一个导流叶片，一个有驱油叶片( 导轮 装在外壳上动轮装在轴上) 。 2 4 2 涡轮钻具的分类 ( 1 ) 按直径分 当不采用制造者的名字时，涡轮钻具主要按其名义外径分类，通常 用英寸表示( 1 i n = 2 5 4 m m ) 。或者在少数情况下，用毫米表示。名义外径 常常与实际最大外住不致。例如苏联1 0 i n ( 2 5 4 m m ) 涡轮的外径在 2 5 0 m m 到2 6 0 m m 之间，而9 i n ( 2 2 8 m m ) 涡轮的外径为2 4 0 m m 。法国 7 1 4 i n ( 1 8 4 1 r a m ) 涡轮的实际外径为1 8 7 m m 。 ( 2 ) 按节数分 一台涡轮钻具可以做成所有零件都包含在一个单节内，这就是“单 节”涡轮。为了增加技术，或者是能在钻头上更换某一个零件，如止推 轴承涡轮钻具能做成可连在一起的多“节”或“段”的。单节涡轮钻具 的长度不得超过钻柱中最长件的长度，大概是1 2 m ( 方钻杆) 左右。 ( 3 ) 按涡轮的级数分 每级涡轮传一份扭矩给轴( 各份理论卜都相等) ，其总和即为涡轮钻 具的扭矩。幽f 所有的漏轮都以相同的转速旋转，因此，功率也是每缎 的总和。类似的压力也是累加的。 ( 4 ) 按转速分 中国f i 油人学( 华尔) 硕十论文第2 章井r 动力钻凡介耋f 及分析 由于结构上的关系按现有的涡轮钻具的尺寸，对称轴流涡轮的转 速范围，对标准尺寸的7l 4 i n 和l o i n 涡轮讲，在4 0 0 7 0 0 r m i n 之问。 最优转速疗。是相当于最大功率工况下的疗。值。对普通涡轮，胛。：行此 处n 。是额定转速。这样涡轮钻具可分类如下： 低速的：，? 。 4 0 0 0 r m i n ：常规的：4 0 0 0 r m i n l ，则最高效率 2 4 中国i i 油人学( 华尔) 硕十论文第2 章升r 动力钻具介坌f 及分析 点向低转速的一边移动。若仃 l ，则最高效率点向高转速的一边移动。 c 比转速：如果月。n 。和。是当转速以r m i n ，功率以h p ，压降 以m 水杜为单位时的额定值，k 级涡轮的比转速的典型公式为： 驴拶 泣，z ， 若甩。以r r a i n ，n ，以k w ，p ，以m p a 为单位，则府础为 ”筹警 协， 玎“2 i j ；矛。 2 。3 3 对单级涡轮：n 。= k ”5 月。，比转速随k 的增大而减小，也就表 明了多级涡轮的优点。 叶轮的技术工艺特性：除了机械强度和价格外，材料的选择对涡 轮的效率和寿命也是一个重要因素。除了某些铸铁和青铜叶轮外两种 基本的材料是钢和塑料，叶片的状况对水力效率有明显的影响，会属叶 片表面粗糙会扰动液流，造成涡流，这样会冲蚀叶片。 ( 6 ) 根扼特定的用途分：使用涡轮钻井的最初目的是代替转盘钻， 以免钻柱转动。结果人们发现，仅仅这个理由不足以使这项新技术发挥 更大效益，还有其它好处，诸如，增加井下功率或易于对钻具进行控制， 这就逐渐导致对涡轮钻具的专门研究和增加其适用的范围。 直井涡轮钻具：这类钻具的水力功率及其牢固耐用性使它能比转 盘钻井传给钻头更大的破岩功率。这类涡轮钻具都装有大量涡轮级，从 1 5 0 到3 0 0 级，甚至更多。这类涡轮按转速再划分为用于牙轮钻头的低 速涡轮( h 7 0 0 8 0 0 r m i n ) 。 造斜涡轮钻具。 中国f i 油人学( 华尔) 硕十论文 第2 章升r 动力钻具介耋f 及分析 专用涡轮钻具。这些是简化的涡轮，是为了钻一些规范化的井眼 而设计的，像用于钻鼠洞、导向孔以及固定沉桩用的井眼。 小直径涡轮钻具。 钻大井眼用的涡轮钻具。 涡轮钻具和液体及温度的匹配。a 钻井液：当工作液体与某些涡 轮零件不相容时，必须使用专门制作的涡轮钻具。例如，天然橡胶很快 就会被油基钻井液损坏，而合成橡胶会逐渐受清水的侵蚀破坏，在后一 种情况下应当使用天然橡胶：b 温度：地热井通常处在温度梯度很陡的 地区，随着油井钻井深度的增加，解决耐热问题更是个紧迫问题。标准 橡胶只能用在温度不超过1 0 0 1 1 0 ”c 的场合用更昂贵的材料可以增 加到1 5 0 0 c 。超过这个温度只能使用会属。 ( 7 ) 涡轮钻具：涡轮再取心方面具有十分吸引人的酊景，因为岩 心筒的内管能保持一定不变的方向对准耿芯岩层，以及可以适合会刚石 钻头的速度驱动取心钻头。 ( 8 ) 可收缩的涡轮钻具：为了换钻头时不起出钻柱，v n i l b t 的 技术专家们丌发了一种新的技术：采用可张丌的钻头和“轴径流式” 涡轮，以便转子系统能从定子系统中抽出或插入。尽管这种解决办法具 有吸引人的特点和鼓舞人心的试验结果，但还没有工业应用。主要的障 碍是零件，特别是钻头的性能不好。 2 4 3 常规涡轮钻具分析 ( 1 ) 常规涡轮钻具的结构 常规涡轮钻具的原动力部分i 。2 - 13 1 包括一系列k 个同样的涡轮缎。髟 可能从2 5 到3 0 0 。“1 这一系列涡轮组成的涡轮钻具的压力降、扭矩和 功率，理论上等于单级的性能参数乘以k 。只有最优转速“盯。”f 比 2 6 中国f i 油人学( 华尔) 硕+ 论文第2 章升r 动力钻具介纠及分析 每一级涡轮均由一个定子和个转子构成，并分别安装在外壳内和 轴上。工作液流经一个由半径和半径r 2 ( 或叶轮的径向高度h = r 2 一) 的轮廓线所勾划出的圆柱体内。叶轮的平均半径为 _ ：三錾 ( 2 3 4 ) 铲了赫 2 。4 在通常的叶轮尺寸中，该值很接近几何平均值 = 厄而 ( 2 3 5 ) 它相当于区分液流为两个相等部分的那个半径。0 与之间的 差取决于比值厂2 几。对标准涡轮，r 2 r 处在1 2 5 和1 4 5 之间。比。 稍大，但其差别在1 以下。在简化的情况下，可采用算术平均值 = 乏 ( 2 3 6 ) 涡轮按3 0 4 0 级为一组，其唰用径向轴承分隔。常用的轴承是 钢和橡胶的滑动轴承，用钻井液冲洗润滑。 从最后一级涡轮出来，工作液通过轴上的斜孔直接通入钻头， 这段轴孔较大。在轴伸出外壳的地方有一个滑动轴承( 下轴承) ，用 来造成一个压力降，以限制钻井液通过下轴承进入环形空i 日j 。 轴在外壳中的轴向位置由止推轴承维持。止推轴承由一系列固 定在轴上的会属盘组成，这些余属盘能在固定在外壳上的橡胶挚上 滑动，并用泥浆冲沈和润滑。 止推轴承的平均半径是涡轮钻具的一个重要参数，其计算方法 和叶轮一样；和r 分别是与轴承止推盘接触的环形橡胶挚的内外半 径。 中国f 釉人学( 华尔) 硕十论文第2 章升r 动力钻具介引及分析 在最初的涡轮钻具中，由于制造上的原因，止推轴承放在涡轮 的上部。但在现代涡轮钻具中则放在驱动段的下方，或放在一个紧 挨钻头上边的独立的轴承节内。 ( 2 ) 涡轮钻具的马达 类型 现今工业用涡轮钻具【m 1 8 1 涡轮是： a 轴流的：在两个圆杜面问液流平行于轴线流动。 b 对称的( 或对应的) ：转子和定子类似，但成镜象对称。 c 反作用度0 5 ，即液流流过涡轮时的压力降，在定子和转子之 倒是相等分粕的。 d 低速的：单个涡轮的速度系数低于1 0 0 或2 0 0 ，这要取决于尺 寸。 基本方程 以往涡轮巾运动的液体的个质点为研究埘象陔质点与轴线z z 的距离为r 。 这个质点有一个绝对速度c ，它可以分解为在一个子午面( 即包 含z z 轴的平面) 内的速度c 。和一个垂直于子午面的速度c ，因而也 就是与半径为，的圆相切。这也就是说如果印是涡轮的角速度， ，街= 是在离轴线为r 处的圆周速度。液体传给涡轮驱动轮( 转子) 的能量，可以通过研究质点d 。进入或离丌叶轮的状态推导出来。在 下文中，所有与进口处有关的参数均标注为1 ，所有与叶轮出口处有 关的标注为2 。 在纯轴流涡轮的情况下，我们假定半径( 质点d 。到轴线z z 的距 中国打油大学( 华东) 硕十论文第2 章升r 动力钻具介绍及分析 离) 是不变的，即= r ，= r = 常数。 2 獠 2 j j 安 羽蕊“紧 ”：一翠；隆 埘c j 图2 5 液流对叶栅的作刚 如果我们把动量和动量差的定理用到质点d ，上，就可以得到相 对z - z 轴的外力矩的表达式 d m = 砌( - c i 一丘c n ) 此处y 是液体的密度。 只有绝对速度的切向分量e 产生并维持转动。分量c 。所产生的 力，以轴向推力的形式被止推轴承吸收。液体重量所产生的力的作 中国l i 油人学f 华尔) 硕十论文第2 苹升f 动力钻只介鲥及分析 用也是一样。我们还知道，转矩m 所产生的功率可以表示为： n = m o ，在此情况下，可写成： d n = r d q c o ( r , c 一t c n ) ( 2 3 7 ) 式( 2 - 3 7 ) 表达了涡轮轴上的单元功率。 因为液体被认为是均匀地流过叶片所扫过的断面因而就可以 用积分得出功率的表达式。此处q 是单位时问内的液体流量。 n = 旭( c j ，一也e 2 ) ( 2 3 8 ) 扭矩则为： m = 旭c o ( r l c 一c ，! ) ( 2 - 3 9 ) 因为切向速度是u = ，珊，功率则为： n = 应( o 一u ! c ! ) ( 2 4 0 ) 这是涡轮基本方程的一种形式，常称为欧拉方程。 对于轴流涡轮u = u ：= u ，因为1 = r 2 ，而缈= 常数，因而可得： m = 舫( c ”l c ) ( 2 4 1 ) n = 应u ( c 。一c 。2 ) 方程( 2 4 1 ) 表明，为了获得最大的功率，必须c 。：= 0 因此使c 。： 尽可能小是一种办法。流绎转子的液流压降的扭矩和其反扭矩总是保持 动力平衡的。当三个参数( 流量、压降和反扭矩) 中的一个或几个变化时， 这个平衡就会破坏，这就反映在转速的变化上。为了保证涡轮诈确的工 作，液流必须按清楚确定的角度射向涡轮的叶片。为了使液流离丌转子 时平行于轴线，c ，的切线分量必须为零，这就意味着角度厉( 离丌转 3 0 中国i 油人学( 华尔) 硕十论文第2 章升r 动力钻具介l “及分析 子时的相对流速的方向) 必须和绝对速度c ，( 定子出口的绝对速度) 冲击 转子入口的角度届相同，即属= 卢：= p ，且转子进口和出口的圆周速 度相同，经转子和定子的流量相同( c 。，= c 。：) 。 ( 3 ) 涡轮钻具的效率 涡轮的水力效率。涡轮的水力效率是指涡轮轴上得到的功率与 工作液流所给出的功率两者的比值r 。 涡轮的容积效率。假定所有的工作液体均通过了叶轮。实际上， 部分液体要经过固定件和转动件之间不可避免要存在的径向间隙。给涡 轮做有用功的流量与通过涡轮总流量的比值叫涡轮的容积效率玑。 涡轮钻具的机械效率。因为输入功率中的一部分要被轴承中的 各种形式的机械摩擦所吸收，特别是止推轴承，因此，称涡轮钻具的输 出功率与实际涡轮钻具轴上能得到的功率的比值为涡轮钻具的机械效 率。 ( 4 ) 涡轮的极限特性和最优特性 涡轮钻具工作的决定性因素是流量，流过的液体和加到其轴上的反 扭矩。其随转速月而定的性能参数有( 给定流量9 和密度y 时) ：扭矩m 、 轴上的有效功率、涡轮中的压降p 和效率7 7 。图2 - 6 并排地表示两个 速度三角形( 转子的进口和出口) 。图中，e 是c 在u 上的投影，c j ，：是 c ：在u ：上的投影，睨：是在u ：上的投影。t i ! t i ! - 1 - 速度范围内使用欧 拉方程，轴向的流速保持不变。它可由流量q 除以叶片间通路的横端面 面积“z 砌”计算得出，此处的d 是叶轮的平均直径，矗是其径向高度， 中国_ i 油人。学f 华4 、) 硕十论文第2 章井r 动力钻具介 “及分析 1 璺i2 - 6 述j 耍二角幽 z 是一个收缩系数，根掘叶片所占的窄问柬取值。 此外： = c 矿c 。2 南( 2 - 4 2 ) 由速度三角形给出： c 。l = ( 。，lc o t g a i c 。2 = u 2 一c 。! c o t g p 2 i = u 2 一肜，2 ( 2 4 3 ) 根据方程( 2 3 9 ) ，当u f = u 2 = u ，得出扭矩为： m = 9 r ( c 。c o t g a l 一【，+ e ，c o t g p ：) ( 2 4 4 ) 当不存在反扭矩，涡轮轴上的扭矩为m = 0 ，液流自由流过转子， 涡轮空转。根据方程( 2 4 0 ) ，这是的圆周速度变成： u = c m ( c o t g a i + c o t g f l 2 ) = c n l + 睨2 ( 2 - 4 5 ) 如果把u 写到扭矩的表达式中- 则： 3 2 中国斫油人学( 华尔) 硕十论文第2 章升r 动力钻具介纠及分析 m = 少，( ( ，。一= q r 一芒) ：一7 t = q m , ( 1 一旦) ( 2 - 4 6 ) 3 0 n ， 此处的7 1 是以r m i n 表示的空转转速，q 以l s 。 当月= 0 时，转子被制动，扭矩为 m 。= 万z o - 劬。( 2 - 4 7 ) 因而在转速为t l 时，我们可以把扭矩表示为空转转速疗，和制动扭矩 m 。的函数，即 m = m 。( 1 一旦) ( 2 - 4 8 ) 当流量不变的时候，转子的扭矩变化与转速成直线关系。 因功率可写成肋舻务，所以： - 斋坳( 1 一 ( 2 - 4 9 ) 3 0 。 盯。 当流量不变的时，功率是转速的二次抛物线函数，通过行= 0 ，n = 0 和”= 嚣，= o 两点。为了求得功率的峰值n o ，必须对功率取导数， 即 等= 删一o 协s o ， i 2 丽朋c 卜i 户” “。w 今以最优转速代替r l ： 3 3 中国l i 油人学