涡轮钻具及其应用fjh

涡轮钻具结构及应用西南石油大学石油工程学院涡轮钻具结构及工作原理涡轮钻具有一系列转子和定子组成。转子是安装在一根竖直轴上的很多叶片，而定子则固定在涡轮钻具的本体上。每对转子—定子副称为一“级”。通过每级的压降是固定不变的，所以级数的多少受到有效总水头的限制。每级涡轮产生的扭矩和功率是相等的，相加起来为涡轮输出的总扭矩和总功率。涡轮钻具结构及工作原理轴承的寿命是涡轮钻具使用中的关键因素。轴承的寿命决定了涡轮钻具井下工作时间。止推轴承承受作用在涡轮上的轴向载荷径向轴承对驱动轴起扶正作用。可以把径向轴承和止推轴承组合在一起。下轴承对驱动轴的下部进行扶正，并抵抗钻井时作用在涡轮上的弯曲应力。止推轴承径向轴承与止推轴承组合涡轮钻具结构及工作原理当钻井液在泵的驱动下通过涡轮时，定子使钻井液流偏转，冲击转子，迫使转子带动竖直轴做顺时针转动。止推轴承用来承受轴向载荷，而径向轴承对轴起扶正作用。在液流通过多级涡轮后，其中分出少量的液流流过下部轴承并进行润滑，其余的液流则进入主轴下段内部的空心流道，流经喷嘴进入环空。涡轮钻具纵向剖面示意图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由以上关系可以看出，涡轮的扭矩、功率、和压降都与钻井液密度p成正比，与排量Q的幂成正比。即钻井液流经涡轮的速度矢量分析图)(12ttVVQrT)(12ttVVQrT)(12ttVVQrT)(12ttVVQrT121212)(ttttttttVVUPVVQUPVVQrT232,,QPQpQT涡轮钻具的工作特性涡轮输出转速与扭矩间的关系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mVhEEEE在定排量时涡轮钻具的典型特性曲线PEQP涡轮钻具的地面检查涡轮钻具在入井前需进行地面检查在涡轮钻具的下端，用卡尺在下轴承端部和轴肩之间测量轴向间隙在悬挂和静止两种情况下进行测量，其间隙值是d1－d2。新的涡轮钻具间隙值约为1mm，厂家给定的最大磨损量为5～6mm。径向间隙用尺子和分度仪表进行测量。径向间隙必须是1mm或最大2mm。涡轮钻具的标准组件常规的T3（三级马达）涡轮钻具图工具全长大于70英尺（21.3m)（精确长度根据不同工具尺寸（外径）来定）涡轮钻具的标准组件涡轮叶片盘排列图转子叶片盘定子叶片盘泥浆流组配的单级马达转子叶片盘定子叶片盘涡轮本体马达部分涡轮驱动轴涡轮钻具的标准组件涡轮弹性轴承排列图移动盘固定盘垫环移动盘前轴承前轴承稳定器迷宫环止推轴承可调弯外壳挠性轴钻头母扣稳定器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涡轮钻具的标准组件轴承部分驱动轴下部流态图±95％流体口涡轮钻具的改进定子(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轮进入叶片的角度相关涡轮钻具叶片的设计原理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的改进涡轮钻具叶片的压力分布图钻头速度扭矩涡轮压降钻井范围标准压力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℃）下工作，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涡轮钻具的改进轴承受力和承受载荷图钻压推力＞110,000lbs（50t)80000lbs（36t)钻压±30,000lbs（14t)泵排量750gpm（3410L/m）用标准的9-1/2″T3(MK1)涡轮钻具轴向轴承轴向轴承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钻具的改进涡轮平衡鼓图驱动轴平衡鼓衬套大约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钻具的改进涡轮平衡鼓（TSB型）图（TSB型是指由单级马达组成的涡轮钻具，旁通阀是直接通到环空的）平衡鼓的受推力面叶片等的受推力面合成的受推力面平衡鼓直径‘Dd’推力推力涡轮叶片液流直径‘Db’推力的影响效果：6-5/8″:推力降低了50％9-1/2″:推力降低了70％液流注意：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型利用中空驱动轴流向旁通流向环空？TSB型：是TSH型：不是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）涡轮钻具的改进金属径向轴承图下径向轴承激光碳化表面（套筒）碳化壁衬里（轴衬）注意：已经成功地在超过260℃的高温环境中操作过涡轮钻具的改进FBS涡轮钻具的典型结构图FBS是指由固定的或可调节的弯筒组成的定向轴承式的涡轮钻具带一体式涡轮套筒的母扣型钻头末端公扣型驱动轴下径向轴承PDC止推轴承钛金属挠性驱动轴下轴承稳定器弯外壳可调稳定器单级马达涡轮止推平衡鼓涡轮钻具的改进目前FBS型涡轮钻具的尺寸钻具尺寸井眼尺寸2-7/8″3.25-4.0″3-3/8″3.75-5.375″4-3/4″5.625-6.75″5″6.0-6.75″6-5/8″7.625-9.875″7-1/4″8.375-9.875″9-1/2″12.0-17.5″涡轮钻具定向性稳定性长保径母扣型钻头下轴承稳定器（一般为比钻头小1/16″-1/8″）可调弯外壳在旋转状态下，不同的可调式“中间”稳定器的尺寸大小用于控制精确定向注意：涡轮钻具顶部钻柱稳定器的尺寸大小也可对整个钻具的稳定性实现“微调”涡轮钻具定向性挠性钛驱动轴可调弯外壳（带开口环）可调弯外壳（不带开口环）可调弯外壳的调节范围为0.85°-1.5°,相应的狗腿范围控制在2°-12°/100英尺（详细准确的参数查阅性能参数表）。弯角的调节是通过旋转开口环两侧的半筒来实现的°°涡轮钻具定向性反扭矩容积式液动马达涡轮钻具涡轮钻具定向性定向能力（井斜大于15°的斜度）可调涡轮钻具的尺寸可调弯外壳的角度狗腿范围（度/100英尺）91/2″0.851.004565/8″0.751.001.2546843/4″1.001.251.508101233/8″1.2517狗腿程度的大小是根据井眼尺寸、地层类型和钻头类型的不同而变化涡轮钻具的振动性容积式马达和涡轮钻具对比用涡轮钻具时的颤动性用容积式马达时的颤动性涡轮钻具耐高温高压性能涡轮的优点不受高温限制叶片类型和数量适应泥浆比重和压力限制适应地面低转速要求使用孕镶式金刚石钻头不需要“压力平衡”过去的10年中，在高温高压下钻尺超过300,000米涡轮钻具耐高温高压性能流体静压头对塑性页岩的影响井眼质量稳定性对比不稳定的容积式马达能够使钻头产生过多的横向运动，从而导致井眼质量非常差，出现螺旋形井眼稳定的涡轮钻具带有长保径的母扣钻头，这极大地减少了钻头的横向运动，从而获得了高质量的井眼，同时也极大地降低了出现螺旋形井眼的风险井眼质量倒悬钻头的改进结构图长保径公扣连接长保径公扣连接短保径公扣连接长保径上母扣钻头近钻头稳定器末端母扣连接的驱动轴底轴承稳定器末端母扣连接的驱动轴钻头母扣连接稳定器底轴承稳定器底轴承稳定器底轴承稳定器井眼质量螺旋形井眼超声波／井径仪测井曲线图螺旋井眼中井底钻具机械状态图结果：在井底钻具旋转时，就会出现大扭矩、阻力大现象，并可能损坏井底钻具；或者进行划眼时会出现持续的“钻柱悬空”现象井眼质量螺旋形井眼涡轮钻具，带钻头母扣连接的稳定器涡轮钻具，带钻头母扣连接的稳定器在研磨性地层中由于螺旋形井眼引起的反转磨损图涡轮钻具，带顶端母扣连接钻头，防止井眼螺旋形的最佳解决方案欠平衡钻井的配合欠平衡钻井中为什么使用涡轮钻具？钻井效率：方位的控制：高可靠性－在欠平衡钻井中已经获得了单趟钻柱运转308小时的记录单趟钻柱完成造斜或侧钻开窗，然后钻到井底的记录为高机械转速提供高动力靠稳定工具提供优质井眼连续稳定的工具界面较好的随钻测量信号？？欠平衡钻井的配合金属径向轴承：⒈100％的消除减压影响⒉耐高温实用的加长马达部分：⒈超长5英尺以上⒉比标准马达单元多50％以上⒊承受的压力比标准马达高50％以上MK3型叶片：⒈压力分散型⒉比标准马达承受压力高40％以上⒊复合材质⒋高抗腐蚀性和抗侵蚀性FBS型定向轴承部分（带先进PDC轴承）：⒈高流量⒉较好的抗液流推力能力⒊耐高温、抗气侵欠平衡钻井的配合在北海地区：在北海南部，壳牌公司已经完成20多口欠平衡钻井和低井口井这些井中，很多是多个目的层这些井中，所有油藏都是用涡轮钻具钻穿的其中几口井涉及到裸眼侧钻，这些也都是用涡轮钻具完成的欠平衡钻井的配合欠平衡钻井使用涡轮钻具的全球业绩成功进尺超过100,000英尺（30480m）工作时间超过8,000小时44％为定向进尺最长下入深度为6478英尺（1974.5m）单趟钻柱循环时间超过300小时钻过3-7/8″－10-5/8″的井眼气体比高达88％阿尔及利亚、阿根廷、加拿大、印度尼西亚、英国和委内瑞拉：液体介质－单相和两相流体：油基泥浆＋氮气水基泥浆＋氮气泡沫＋天然气涡轮钻具在钻井中的应用4¾″TS1XL型涡轮钻具在北海南部创世界纪录涡轮钻具在阿尔及利亚的新纪录—960米单趟进尺典型的欠平衡侧钻应用实例71／4″涡轮钻具——美国怀俄明州的历史记录连续油管＋定向涡轮钻具在欠平衡钻井中的应用涡轮钻具在阿曼的使用情况65/8″定向涡轮钻具在挪威Statfjord油田的业绩涡轮钻具在英国北海Marnock油田的应用65/8″定向涡轮钻具＋套筒式轧铸钻头的组合钻井4¾″TS1XL型涡轮钻具在北海南部创纪录TS1XL涡轮配KGR50CTPXX潜铸式（孕镶式？）金刚石钻头提供动力，在北海南部ShellExpro的一口水平井6″井眼里创造了单趟进尺1974.5m世界记录。涡轮的总循环时间长达308h。下钻深度：10676英尺（3254m）起钻深度：17154英尺（5228.5m)进尺：6478英尺（1974.5m）平均机械转速：33.1ft/hr(10m/hr)正常进尺：5224英尺（81％）造斜进尺：1254英尺（19％）涡轮钻具在阿尔及利亚的新纪录43/4″FBST1-MK2型涡轮钻具曾在阿尔及利亚的CambrianRA完成了最长的一次进尺。在Sonahess的一口水平井上，用43/4″FBST1-MK2型涡轮钻具带6″潜铸式金刚石钻头，以4.2m/h机械转速，在EIAgreb油田的CambrianRa单趟进尺达到了960米。在CambrianRa使用PDM钻具，用高速马达的情况下，最好的进尺是588米（机械转速为2.9米/小时）。典型的欠平衡侧钻应用实例在6″井眼里面，用4