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　　1、2、井下动力钻具发展概况l 世界上第一台单级涡轮的专利于1873年的美国，比转盘钻井的提出还早11年。但线%以上的油井在螺杆钻具问主要应用涡轮钻井的，在50年代中期以前，前是用涡轮钻进的。与前不同的是，美、英等西方世前，绝大部分的油井是用转盘钻钻成的。l 由于涡轮钻具的小扭矩和高转速而无法与牙轮钻头匹配，人们迫切希望寻找新的具有低转速和大扭矩特性的钻井工具的技术需求，导致了螺杆钻具的诞生。l 20世纪30年代，法国工程师根据对阿基米德螺旋泵的研究成果设计了单螺杆泵。1955年，美国戴纳公司(Dyna)在单螺杆泵的基础上研制开发单螺杆钻具，于1968

　　2、年起开始出售商品，一时占领世界市场。1966年，前的全苏钻井科学技术开始研制多头螺杆钻具。这种钻具的低转速大扭矩特性进一步了单头螺杆转速偏高、扭矩偏小、仍不太适合牙轮钻头的不足，扩大了螺杆钻具在定向井中的推广应用。3-1 井下动力钻具简介2、井下动力钻具发展概况l 随着定向井数目的增加，20世纪70年代，人们对螺杆钻具的与日俱增。多头螺杆钻具逐步取代单头螺杆钻具而成为主导。的国外钻井设备公司，特别是斯伦贝谢、贝克(Baker)和克里斯坦森等公司，都开始制造的多头螺杆钻具。l 井下动力钻具在美、英、法、德和原等，经过40年的探索和研究，其制造工艺及其应用技术不断发展和完善，已成为世界石油钻井中定

　　3、向井、丛式井、大斜度井、水平井等钻井作业必不可少的重要工具。l 我国是在20世纪70年代末期开始研制涡轮钻具和多头螺杆钻具，在80 年代初曾推广使用涡轮钻具，但由于其转速高与牙轮钻头不配套，加之当时的固相处理技术不过关，限制了涡轮钻具的应用。20世纪80年代引进美国戴纳公司(Dyna)螺杆钻具技术后，螺杆钻具发展迅速，得到普遍应用。现在，我国已有十余家工厂可以生产螺杆钻具，国产螺杆钻具已成为主要的钻井工具。3-1 井下动力钻具简介3、井下动力钻具分类螺杆钻具液力驱动涡轮钻具电驱动电动钻具 本节主要讲解螺杆钻具和涡轮钻具 3-1 井下动力钻具简介井下动力钻具3-2 螺杆钻具l 螺杆钻具：根据莫依

　　4、诺（Rene Moineau ）原理制造的，容积式井下动力机械， 。l 作用：把钻井液的水力能转化为机械能供给钻头。l 应用领域：主要用于定向井、水平井的定向造斜及扭方位 施工，也用于直井反扣或侧钻作业中，是目前使用最广泛 的一种井下动力钻具。l 生产商： Smith公司：迪纳钻具（Dyna系列）； Christensen公司：纳维钻具（Navi系列）； 北京石油机械厂、大港中成石油机械厂、立林公司。1、基本结构l 由四部分组成，从上至下依次为：旁通阀总成； 马达总成； 万向轴总成；传动轴总成。3-2 螺杆钻具旁通阀是螺杆钻具的辅助部件。A、旁通阀总成 作用：停泵时使钻柱内空间与环空，避免起下

　　5、钻和接单根时钻柱内钻井液溢出污染钻台， 影响正常工作。 结构：由阀体、阀芯、弹簧、筛板等组成。3-2 螺杆钻具1、基本结构A、旁通阀总成l 工作原理：a. 开泵时，钻井力迫使阀芯向下运动，造成弹簧压缩并关闭阀体上的通道（内装筛板过滤异物）， 此时螺杆钻具可循环钻井液或正常钻进。b. 停泵时，钻井力消失，被压缩的弹簧上举阀芯，旁通阀开启，使钻柱内空间与环空。3-2 螺杆钻具1、基本结构马达是螺杆钻具的动力部件。B、马达总成l 作用：把钻井液的水力能转化为机械能。l 结构：由转子和定子两部分组成。 转子是一根表面镀有耐磨材料的钢制螺杆，其上端是自由 端，下端与万向轴相连。

　　6、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。3-2 螺杆钻具1、基本结构B、马达总成 工作原理：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。3-2 螺杆钻具1、基本结构C、万向轴总成l 作用：将马达的行星运动转变为传动轴的定轴转动， 将马达产生的扭矩及转速传递给传动轴和钻头。l 结构及工作原理：壳体和万向轴。a) 直螺杆钻具的万向轴壳体无弯角，而弯壳体螺杆钻具的万向轴壳体带有弯角。b) 万向轴有几种不同的结构形式，普遍采用瓣型连接轴和挠性连接轴。3-2 螺杆钻具1、基

　　7、本结构D、传动轴总成l 作用：将马达的旋转动力传递给钻头，同时承受钻压所产生的轴向和径向负荷。l 结构及工作原理：a) 由壳体、传动轴、上部推力轴承、下部推力轴承、径向扶正轴承组及其它辅助零件总装组成。b) 上、下推力轴承用来承受钻具在各种工况下产生的轴向力。径向扶正轴承组用于对传动轴进行扶正，保证其正常工作位置。31-2 螺杆钻具、基本结构D、传动轴总成l 结构及工作原理：c) 传动轴总成的推力轴承是螺杆钻具最易损坏的部位（上部推力轴承）。d) 常规螺杆钻具的传动轴外壳上不带稳定器（水平井用的螺杆钻具除外）。e) 对干中曲率造斜用的螺杆钻具，为了保证有足够的造斜率，要求压缩万向轴壳体弯点至钻

　　8、头的距离，需要设计轴向较小的传动轴总成。31-2 螺杆钻具、基本结构2、工作原理l 当高压流体从钻柱内孔进入螺杆钻具时，液体迫使旁通阀活塞下行并密封旁通阀筛孔， 整个钻具变形成了一个高压密封系统；l 当液体通过转子和定子间组成的连续密封腔时推动转子转动，经万向轴的转换把行星转 动变为轴心转动，带动钻头旋转，即把钻井液的液力能通过螺杆转换成机械能。3-2 螺杆钻具3、分类方法以“5LZ1657.0B”为例：5马达转子为5头；LZ螺杆钻具；165外径为165mm（6-1/2in）；7.0许用的最大钻头水眼压降为7.0MPa；B第二次改进（为中空转子） 。 LZ 轴承结构形式最大钻头水

　　9、眼压降(MPa)钻具直径(mm)转子瓣数(单头省略) C：船用橡胶轴承Y：硬质合金轴承J：石轴承0：转子中空1：改进型2：挠性轴3：弯壳体4：双弯壳体5：稳定器6：稳定器弯壳体7：稳定器双弯壳体3-2 螺杆钻具根据螺杆马达的结构特征及其结构参数进行分类。3、分类方法(1) 按螺杆马达的结构特征分类a) 按螺杆马达转子端面线型的“头数”N（Lobe，又称波瓣数）， 可分为单头钻具（N=1）和多头钻具（N2）。单头马达具有高转速、小扭矩特性。多头马达具有低转速、大扭矩特性。b) 按马达转子与定的关系进行子头数分类。原理上讲，只要二者头数相差1均可螺杆马达，可分为N/（N+1）型N/（N

　　10、1）型两种。 目前油气井作业中普遍采用N/（N+1）型螺杆钻具。c) 按马达“级数”进行分类。螺杆马达的定子转子运动副的长度与定子导程长度的比值，即定子转子运动副所包含的定子导程的整倍数，称为螺杆马达的级数（Stage）。实际用于钻井作业的螺杆钻具马达，单头的多在3级以上，多头的多在2级以数越多，马达可输出的工作力矩值越大。3-2 螺杆钻具3、分类方法(2) 按螺杆钻具（马达）的公称外径分类便于使用者根据所钻井眼来选择相应直径的螺杆钻具，或生产者根据井眼系列来开发螺杆钻具的系列与规格。 216mm井眼：165mm、172mm； 244mm311mm井眼：197mm、20

　　11、3mm； 311mm以上井眼：244mm。 152mm以下井眼（小井眼）：120mm、100mm、95mm、89mm、54mm等。多用于套管开窗侧钻和修井作业，及地质勘探和其他工程的钻小孔作业。3-2 螺杆钻具3、分类方法随着钻井技术发展及弯壳体螺杆钻具品种规格的增加，弯壳体螺杆钻具的应用更加普遍。(3) 按螺杆钻具万向轴壳体结构特征分类根据万向轴壳体是否带有结构弯角，将螺杆钻具划分为常规的直 螺杆钻具（无结构弯角）和弯壳体螺杆钻具（带结构弯角）。l 直螺杆钻具上方加配弯接头主要用于钻常规定向井。l 弯壳体螺杆钻具主要用于钻水平井、大位移井、多分支井等。3-2 螺杆钻具

　　12、导向螺杆钻具l 结构特点：弯壳体稳定器中空转子l 类型：单弯、同向双弯、异向双弯l 用途：配合PDC钻头（或牙轮钻头）组成导向钻具组合，完成定向 造斜，在不更换钻具组合情况下实现稳斜段及水平井段的钻井。 单弯、同向双弯：造斜率高、造斜效果好，水平井必备工具； 异向双弯钻具：水平段钻进，有微增、降斜功能，稳斜、稳平效果好，可配合旋转方式钻进，轨迹方便。l 技术关键：各弯点的选择及弯角精度的3-2 螺杆钻具包括理论工作特性和实际工作特性4、工作特性（外特性）(1)理论工作特性：MT wT = Dp QMT 、 NT马达理论扭矩、功率；nT= 60wT钻头理论角速度；1M

　　13、T= 2p Dp qnT钻头理论转速，即马达输出的自转转速；Dp 马达的降；= Dp QNTQ 流经马达的流量，即“排量”；q 马达每转排量，是一个结构参数，仅与线型和几何有关。螺杆钻具为容积式马达，马达的输入流量和作用于两端的降差决定了钻具的基本性能。3-2 螺杆钻具（1）理论工作特性转速只与排量 Q 和结构有关，而与工况（钻压、扭矩等）无关； 工作扭矩与压降DP 和结构有关，而与转速无关；转速和力矩是各自的两个参数；具有硬转速特性（不因负载 M 增大而降低转速）和良好的过载能力（ Dp 增大可导致工作转矩 M 变大）；泵压表可作为井底工况的监视器，由DP 变化来

　　14、和显示井下工况（MT 和钻压 PB）；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； 工作扭矩 MT 与转速 nT 均与结构（q）有关，增大马达的每转排量，可获得适合于钻井作业时的低速大扭矩特性。34-2 螺杆钻具、工作特性(外特性)(2)实际工作特性l 螺杆钻具的转子与定子之间存在摩擦阻力和密封腔间的漏失，其它部分也存在机械和水力损失（如传动轴的轴 承节），造成实际工作特性与理论工作特性差异很大。螺杆钻具存在机械效率h m 和水力效率hv ；其总效率为：h = hm hv34-2 螺杆钻具、工作特性(外特性)(2)实际工作特性M 马达实际转

　　16、套在压降Dp 作用下产生变形和漏失，导致实际转速 n 随压降Dp 的增大而降低；转矩 M 仍随压降Dp 的增大而线性增加，表明螺杆钻具实际上仍有良好的过载能力。34-2 螺杆钻具、工作特性(外特性)(2)实际工作特性负荷效率：不计马达起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（ Dp2 Q ）间比值关系的一种计算效率。h L 曲线 螺杆钻具、工作特性(外特性)(2)实际工作特性制动工况对螺杆钻具危害甚大，应予避免！在操作时应缓慢施加钻压，一旦发生制动工况（泵压表数值突增），应立即将钻具提离井底循环钻井液，待泵压表的数值下

　　17、降后再下放钻具缓慢施加钻压。螺杆钻具的制动现象：当钻压PB 变大时，导致钻头阻力矩增加，此时马达压降Dp 增大导致马达转矩 M 增大以克服阻力矩，但同时引起相应的转速降低。当压降Dp 逐渐增大到临界值Dpc 时钻头转速为零而出现制动，此时转矩M 达到M max ，称为制动力矩。34-2 螺杆钻具、工作特性(外特性)(3)额定工作参数的确定。l 负荷效率最大的工况为螺杆钻具的工作点，与此对应的工作参 数应是螺杆钻具的最优工作参数。如 说明书上推荐的额定排量、额定钻压、额定扭矩、额定转速和额定功率。l 应尽量使螺杆钻具工作在其工作点附近。在这一范围内，螺杆 钻具仍具有很强的转速硬特性，这是涡轮钻具

　　18、与之无法相比的34-2 螺杆钻具、工作特性(外特性)5、导向螺杆钻具的选型原则l 根据图示的思路和方法，具体确定导向螺杆钻具的结构与工作参数，再从目录中选定所需的型号和规格。3-2 螺杆钻具5、导向螺杆钻具的选型原则(1)根据井眼确定钻具的公称上述对应关系主要是为了保证工具外径和井壁间留有一定的环隙，约25.4mm （1in）左右，以防止井下遇卡和出现事故时进行打捞作业。3-2 螺杆钻具(2)根据设计造斜率确定工具造斜率“造斜率原则”：所选工具的造斜率（或称造斜能力）应满足定向井、水平井钻井要求，这是导向钻具的首选原则。导向钻具的造斜率 KTa 应比设计造斜率 K 高 1020，以便有足够余地

　　19、应付钻井过程中意外出现的造斜率不足问题。= (1.1 1.2)KKTa说明书中推荐的据螺杆钻具造斜能力值确定规格。若说明书中缺少造斜能力值这一指标，可用 Kc 算法（极限曲率法）计算。35-2 螺杆钻具、导向螺杆钻具的选型原则(3)根据钻头水眼压降确定传动轴类型l 型号说明中，“许用钻头水眼压降”与传动轴类型对应。l 先根据设计的钻头水眼核算其压降值，再确定相应的传 动轴类型级别。l 现有分3.5MP a（500psi）、7.0MPa（1000psi）和14.0MPa（2000psi）三种。该值越大，说明传动轴的承力承压性能越好，成本就越高。35-2 螺杆钻具、导向螺杆钻具的选型原则(4)根据

　　20、排量需求选择转子类型l 螺杆钻具的转速与工作排量成正比，增大排量必然增大转子、万向轴、 传动轴的转速和万向轴的载荷循环频率，故排量的大幅度增长必将会 导致螺杆钻具的工作，容易造成破坏。l 水平井钻井过程中，要求有较高的钻井液返速来满足携带岩屑需要，要求有较大的工作排量，可能会成倍高于螺杆钻具的额定排量。l 在这种情况下，应该选择带有中空转子马达的螺杆钻具马达转子 的中心钻有通孔，通孔上端装有一个固定喷嘴。流入马达的钻井液排 量将分成两部分，一部分进入转子中孔旁路，另一部分进入转子与定 子间使钻具马达产生旋转。35-2 螺杆钻具、导向螺杆钻具的选型原则6、现场使用方法(1)现场使用注意事项(2)

　　21、下钻：下钻前检查(3) 钻进：故障检查及排除(4) 起钻3-2 螺杆钻具(1)现场使用注意事项 根据井眼和地层硬度合理选择螺杆动力钻具。 井下温度不要超过动力钻具使用的温度极限。 普通定子：额定温度为95-120； 耐高温定子：额定温度135-150。 钻头压降要求在钻具性能规范的范围以内，以免造成钻具的轴承 严重磨损或烧毁。 钻进排量要符合生产厂家推荐的数值范围，以免造成螺杆钻具的先期损坏。36-2 螺杆钻具、现场使用方法(1)现场使用注意事项考虑反扭角时，要注意上部钻具的刚性及装置角与高边的关系。 使用刚性小的钻杆，如铝合金钻杆 ，反扭角就大些；使用刚性强的钻具，如

　　22、钻铤数量多或者使用了加重钻杆等，反扭角就会小些。好钻井液的含砂量。钻井液的含砂量高，会动力钻具的定子、转子、轴承及万向轴节的磨损，造成钻具提前大修或报废。含砂量应在0.3%-0.5%以下。 注意钻井液中不要有铁屑。定子内的橡胶对金属铁屑特别敏感，应在方钻杆以下加钻杆滤清器，以防止下井钻具内的铁锈结块及残存的铁屑进入工具内。36-2 螺杆钻具、现场使用方法(1)现场使用注意事项 加钻压时要考虑井斜产生的摩阻力的影响。 可以通过上下活动钻具求出摩擦阻力的大小指重表显示钻 压减去摩擦阻力就是实际钻压。 可以通过动力钻具压差（降）的形式进行钻进。36-2 螺杆钻具、现场使用方法

　　23、(2)下钻检查旁通阀活塞是否上下活动灵活。检查轴向间隙是否超过标准。接牙轮钻头、方钻杆，开泵试运转。（严禁接PDC钻头试运转）下钻过程中严禁猛冲猛砸，在通过防喷器、套管鞋和 眼井段时，注意下钻速度防止突然迂阻而损坏钻具。距离到底12m时，开泵钻具空转泵压。上下大幅度活动钻具数次，消除钻具扭矩，确保定向准确。36-2 螺杆钻具、现场使用方法如何检查螺杆钻具的轴向间隙？工具外径最大间隙D1D2inmmin4 3/46 1/46 3/489 1/2466880.1570.2360.2360.3150.315检查步骤： 先将动力钻具立在转盘面上，测量驱动短节和轴承壳体的间隙D2； 然后提起动力钻具，测

　　24、量驱动短节和轴承壳体的间隙D1； D1-D2要小于厂家推荐最大轴承间隙值。(3)钻进 上提钻具，钻头离井底12m时，开泵启动螺杆钻具。当排量达到正常排量时，立管泵压。 慢慢加压钻进，立管不断升高，该升高值不能大于 螺杆钻具推荐最大压差。如果升高太大应提起钻具， 待恢复后再慢慢加压钻进。 钻进过程中注意选择进尺较快的钻压。 螺杆钻具在钻进过程中的故障及处理方法见下表。36-2 螺杆钻具、现场使用方法螺杆钻具在钻进过程中的故障及处理方法故障类型发生解决方法泵压突然升高马达压死上提钻具，重新启动（重新开泵）并降低钻压马达轴承卡死提起钻具重新启动。若启动无效，可采用转盘启动（加压3050kN，慢慢转动

　　25、转盘，使卡死轴承活动开）。若上述办法均无效，则起钻更换马达。马达堵塞起钻更换马达泵压慢慢增加钻头磨损钻进，如果机械钻速太慢，起钻更换钻头地层变硬改变钻进参数钻进泵压慢慢降低循环漏查钻井液总量钻柱刺坏起钻检查钻具旁通阀损坏起钻更换无进尺钻头严重磨损起钻更换钻头地层变化改变钻进参数。若无效则起钻，改变钻头型号，以适宜地层情况。钻具卡死处理办法同上无压差马达严重磨损或万向节断，起钻更换36-2 螺杆钻具、现场使用方法(4)起钻 在决定起钻后，不能和涡轮钻具一样压死循环泥浆。 起钻过程中严禁转盘卸扣。 再一次测量D1和D2，决定该钻具是否能够继续使用。 使用转盘排出钻具内钻井液，旁通阀注入润滑油。36

　　26、-2 螺杆钻具、现场使用方法7、新型螺杆钻具及其应用(1)串联多级马达（DPSPDM） ： 动力段总成增加了一节动力段，中间用一钛挠性轴相连， 使马达输出的扭矩和功率增加，但其需要的驱动排量、转 速与单一动力段马达是一样的。 设计与制造材料方面的改进，使串联马达具有极好的耐用 性，在南得克萨斯、北海和阿拉斯加很快得到推广。 在的一口水平井中，用 126 h钻进了 618 m的井段， 平均钻速 4.9m/h，是单一动力段马达的两倍。3-2 螺杆钻具(2)加长马达 把动力段加长，使马达的输出扭矩增加。加长马达装备有改进的加强的轴承组合，设计时用有限元分析法评估 了各部件的性能，能满足输出大扭矩、高

　　27、负载的需要。 贝克休斯公司：在奥斯汀白云岩的一口双分支水平井中， 使用120.65 mm WP/ XL马达，累计循环时间383h，钻 速达9.9m/h，与常规马达相比，工作和机械钻速都 有大幅提高。37-2 螺杆钻具、新型螺杆钻具及其应用(3)中空转子马达 大斜度井和水平井需要大排量洗井以利于清砂，实心转子马达额定排量小，中空转子的额定排量可以提高20以上。 中石油勘探开发研制出一种带稳流阀的中空螺杆，这 一特别设计的稳流阀了普通中空螺杆钻具过载时严重丢 转的间题，提高了钻具的抗过载能力和水功率利用率。现场 试验证实，这种的机械钻速比普通中空螺杆提高了40。37-2 螺杆钻具、新型

　　28、螺杆钻具及其应用(4)铰接式螺杆钻具 主要用于老井侧钻或钻短半径水平井，它能在 30 m长度内将井眼由垂直变为水平，造斜率达3 o4om。 显著特点是有两个铰接体，铰接体可以在5范围内弯曲活动，其中一个铰接体连接了两段螺杆马达；在内部结 构中，两转子之间采用高强度万向节连杆。 Bake Hllghes Inteq公司曾用此种钻具钻了一个曲率半径为 1218 m的造斜段。37-2 螺杆钻具、新型螺杆钻具及其应用3-3 涡轮钻具1.涡轮钻具发展史：转子+定子。1、涡轮钻具发展史l 涡轮原理在几百年前已存在(如风车), 现在也广泛应用于航空器和发电厂等领域l 1873年美国就公布了用井下

　　29、螺杆给钻头提供动力的技术 专利，这个专利比旋转钻井专利早11年。l 19世纪20年代后期涡轮钻具在俄罗斯开始开发，在1924年将涡轮钻具应用到钻井中。l 1956年法国Neyrpic（目前Sii-Neyrfor公司的前身）公司最先取得俄罗斯工具的生产,首次在西方钻井中使用。3-3 涡轮钻具1、涡轮钻具发展史l Neyrfor、Preussag、Dresser、Christensen和其他的一些公司开始生产涡轮钻具，但是Neyrfor公司一直占据市场的主导地位。目前除俄罗斯外，Sii-Neyrfor生产的涡轮钻具占世界销售市场的90以上。l 1982年Neyrfor公司首次在油田定向井中推广使用

　　30、定向钻井系统，大大减少了起下钻次数，降低了成本。l 1992年先进的PDC轴承、平衡毂和弯筒技术引进到涡轮钻具中，PDC轴承的使用使涡轮钻具适应超高温的钻井环境，大大提高了涡轮的效率，导向技术大大提高了钻井定向的能力。l 2002年低速、大扭矩涡轮系统的开发大大扩展了涡轮钻具的应用优势。3-3 涡轮钻具3-3 涡轮钻具1.涡轮钻具发展史涡轮钻具的基本特征飞机机翼的基本原理空气 举升力（比如功率）是通过压差产生的，机 翼下面的较高，机翼上部的较低。3-3 涡轮钻具2.结构性能介绍3-3 涡轮钻具2.结构性能介绍涡轮钻具的基本特征液体动力流态图（如 流量）轴向推力旋转涡轮钻具的基本特征

　　31、功率空转标准速度转速扭矩/速度/功率关系图3-3 涡轮钻具2.结构性能介绍扭矩功率憋停涡轮钻具的标准组件常规的T3（三级动力单元）涡轮钻具图工具全长达70英尺（21.3m)（精确长度根据不同工具（外径）来定）3-3 涡轮钻具2.结构性能介绍涡轮钻具的标准组件转子叶片盘定子叶片盘定子叶片盘转子叶片盘泥浆流动力部分涡轮本体组配的单级动力涡轮驱动轴涡轮叶片盘排列图3-3 涡轮钻具2.结构性能介绍涡轮钻具的标准组件移动盘移动盘止推轴承迷宫环垫环前轴承挠性轴固定盘可调弯筒前轴承稳定器钻头母扣稳定器涡轮弹性轴承排列图3-3 涡轮钻具2.结构性能介绍涡轮钻具的标准组件HNBR型橡胶下径向轴承中间径向轴承涡轮

　　32、径向轴承排列图3-3 涡轮钻具2.结构性能介绍涡轮钻具的标准组件95流体口轴承部分驱动轴下部流态图3-3 涡轮钻具2.结构性能介绍涡轮钻具叶片的设计原理定子(上)和转子(下) 尾流状态图 MK 1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 MK 2是压降变化型,地面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的钻头运转状况的反馈信息,主要应用在定向井钻井中 MK 3和MK 2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、大排量的环境中等同于

　　33、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 片的形状和涡流进入叶片的角度相关3-3 涡轮钻具3.涡轮钻具的改进（ Neyrfor公司）涡轮钻具叶片的分布图标准涡轮压降钻井范围钻头转速3-3 涡轮钻具3.涡轮钻具的改进（ Neyrfor公司）扭矩涡轮钻具轴承座圈图l 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 ）下进行作业，并能够承受较大的轴向载荷l 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l 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。3-3 涡轮钻具3.涡轮钻具

　　34、的改进（ Neyrfor公司）轴向受力和承受载荷图用标准的9-1/2T3(MK1)涡轮钻具泵排量 750gpm（3410L/m）涡轮叶片上的垂向力推力110,000lbs（50t)水平力水平力钻压30,000lbs（14t)钻压反作用力钻压80000lbs（36t)轴向轴承轴向轴承止推轴止推轴止推轴止推轴止推轴止推轴3-3 涡轮钻具3.涡轮钻具的改进（ Neyrfor公司）涡轮平衡毂图流进涡轮钻具的主泥浆流大约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）平衡毂衬套驱动轴3-3 涡轮钻具3.涡轮钻具的改进（ Neyrfor公司）涡轮平衡毂

　　35、（TSB型）图（TSB型是指由单级动力单元组成的涡轮钻具，旁通阀是直接通到环空的）液流叶片等的受推力面平衡毂的受推力面推力推力平衡毂直径 涡轮叶片液流直径推力的影响效果：6-5/8: 推力降低了509-1/2: 推力降低了70的受推力面Dd注意： 对于4-3/4或者更小的工具，平衡毂不需要使用， 因为推力是非常小的，而且也可以被钻压平衡掉3-3 涡轮钻具3.涡轮钻具的改进（ Neyrfor公司）涡轮平衡毂（TSH型）图中空的驱动轴到钻头）TSH型利用中空驱动轴流向旁通3-3 涡轮钻具3.涡轮钻具的改进（ Neyrfor公司）（TSH型是指由单级动力单元组成的涡轮钻具，旁通阀是通过TSH型平衡毂

　　36、的驱动轴内部是中空的，该型平衡毂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）流向环空？ TSB型： 是TSH型： 不是金属径向轴承图 碳化壁衬里（轴衬）激光碳化表面（套筒）下径向轴承注意： 已经地在超过260的高温环境中操作过3-3 涡轮钻具3.涡轮钻具的改进（ Neyrfor公司）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止推平衡毂涡轮单级动力单元可调稳定器弯筒下轴承稳定器钛金属挠性驱动轴PDC止推轴承下径向轴承末端公扣型驱动轴带一体式涡轮套筒的母扣型钻头3-3 涡轮钻具3.涡轮钻具的改进（

　　37、Neyrfor公司）目前FBS型涡轮钻具的钻具2-7/83-3/84-3/456-5/87-1/49-1/2井眼3.25-4.0 3.75-5.375 5.625-6.75 6.0-6.75 7.625-9.875 8.375-9.875 12.0-17.5 3-3 涡轮钻具3.涡轮钻具的改进（ Neyrfor公司）稳定性在旋转状态下，不同的可调式“中间”稳定器的大小用于精确定向可调弯筒下轴承稳定器（一般为比钻头小1/16-1/8）长保径母扣型钻头注意：涡轮钻具顶部钻柱稳定器的 大小也可对整个钻具的稳定性实现“微调”3-3 涡轮钻具4.涡轮钻具定向性挠性钛驱动轴可调弯筒（带开口环）可调弯筒（不

　　38、带开口环）可调弯筒的调节范围为0.85-1.5,相应的狗腿范围在2-12/100英尺（详细准确的参数查阅性能参数表）。弯筒角度的调节是通过旋转开口环两侧的半筒来实现的。3-3 涡轮钻具4.涡轮钻具定向性反扭矩容积式液动螺杆涡轮钻具3-3 涡轮钻具4.涡轮钻具定向性定向能力（井斜大于15的斜度）可调涡轮钻具的可调弯筒的角度狗腿范围（ 度 /100英尺）9 1/20.851.00456 5/80.751.001.254684 3/41.001.251.50810123 3/81.2517狗腿程度的大小是根据井眼、地层类型和钻头类型的不同而

　　39、变化3-3 涡轮钻具4.涡轮钻具定向性容积式螺杆和涡轮钻具对比用容积式螺杆时的颤动性用涡轮钻具时的颤动性3-3 涡轮钻具5.涡轮钻具振动性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适应地面低转速要求限制使用孕镶石钻头不需要“平衡”过去的10年中，在高温（140以上）高压下钻尺超过300,000米3-3 涡轮钻具6.涡轮钻具耐高温高压流体静压头对塑性页岩的影响3-3 涡轮钻具6.涡轮钻具耐高温高压它是确定井眼质量的主要因素另外： 能确保钻压的顺畅传递降低扭矩，减小阻力有助于大大降低钻柱的卡钻事故容易下入测井工具提供较好的测井质量数据（使用贴井壁工具时）容易下入套管/衬管/取芯筒容易下入完

　　40、井设备基本上在全过程钻井中提供了较高的效率3-3 涡轮钻具6.井眼质量不稳定性和稳定性对比不稳定的容积式螺杆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。3-3 涡轮钻具6.井眼质量钻具的改进结构图近钻头稳定器末端母扣连接的驱动轴底轴承稳定器长保径公扣连接底轴承稳定器末端母扣连接的驱动轴短保径钻头母扣连接公扣连接 稳定器底轴承稳定器长保径上母扣钻头底轴承稳定器3-3 涡轮钻具6.井眼质量长保径 公扣连接 螺旋形井眼超声波井径仪测井曲线、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；或者会出现持续的“钻柱悬空”现象3-3 涡轮钻具6.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，带顶端母扣连接钻头， 防止井眼螺旋形的最佳解决方案3-3 涡轮钻具6.井眼质量欠平衡钻井中为什么使用涡轮钻具？钻井效率：高可靠性在欠平衡钻井中已经获得了单趟钻柱运转308小时的单趟钻柱完成造斜或侧钻，然后钻到井底的为高机械钻速提供高动力方位的：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3-3 涡轮钻具7.欠平衡钻井配合先进的欠平衡钻井的配合MK3型叶片：分散型比标准动力单元

　　42、承受复合材质高抗腐蚀性和抗侵蚀性高40以上FBS型定向轴承部分（带先进PDC轴承）：高流量较好的抗液流推力能力耐高温、抗气侵实用的加长动力部分：超长5英尺以上比标准动力单元多50以上承受的比标准动力高50以上金属径向轴承：100的消除减压影响耐高温3-3 涡轮钻具7.欠平衡钻井配合先进的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多口欠平衡钻井这些井中，很多是多层结构这些井中，所有油藏都是用涡轮钻具钻穿的其中几口井涉及到眼侧钻，这些也都是用涡轮钻具完成的阿尔及利亚、阿根廷、尼西亚、英国和委内瑞拉：进尺超过100,000英尺（30480m） 工作时间超过8,000小时44为定向进

　　43、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 油基泥浆氮气 水基泥浆氮气 天然气液体介质单相和两相流体：3-3 涡轮钻具7.欠平衡钻井配合1.动力钻具性能分析1.工作特性的区别l 下图分别给出了涡轮钻具和螺杆钻具的理论特性。由此可对比出二者在工作特性上的区别，从而直观认识二者在工作原理上的差异。l 从对比中可以得出，螺杆钻具有硬的机械特性，过载能力强；而涡轮钻具有软的机械特性，过载能力差，随着钻压增大导致切削阻力矩增大时，会引起转速下降，易被“压死”而造成制动。从这方面来看， 螺杆钻具用于钻井作业更为适用。l 另

　　44、一方面,螺杆钻具的压降随着扭矩的变化而变化,因而可通过泵压的变化检测螺杆钻具的工作情况。而涡轮钻具的压降不因载荷的变化而变化，对其在井底的工作状况无法在地表直接检测。3-4 动力钻具选用1. 工作特性的区别3-4 动力钻具选用1.动力钻具性能分析2.转速的差异涡轮钻具的转速明显高于螺杆钻具。一般涡轮钻具的空转转速多在1200rpm以上，其工作转速(即空载转速的一半)也多在600rpm以上，而单头螺杆钻具的转速一般在 400rpm左右，多头螺杆钻具转速一般100rpm左右。3-4 动力钻具选用1.动力钻具性能分析3. 压降差异对比外径相近、工况参数(排量、钻井液密度)相同的这两种钻具的压降可以发

　　45、现，涡轮钻具的压降远远大于螺杆钻具的压降。涡轮钻具的高压降特性，在钻井水力设计中必须予以充分考虑，特别是在深井钻进的情况下。例如165mm的多头螺杆钻具，其额定工作压降p一般为3MPa(空载起动压降一般小于1MPa)，而尺寸相近的涡轮钻具，其压降一般可达 5-7MPa。3-4 动力钻具选用1.动力钻具性能分析4. 耐温性能差异井下动力钻具内的橡胶部件造成了钻具承温能力的门坎值。螺杆钻具的定子衬里是耐油丁腈橡胶，过高的工作温度会使定子橡胶脆化而造成先期破坏。一般的螺杆钻具工作温度不超过125。涡轮钻具内部没有橡胶件，完全不受高温的限制。这是涡轮钻具的一大优点，也是近年来涡轮钻具又一度成为热门一个

　　46、重要。3-4 动力钻具选用1.动力钻具性能分析5. 直径影响的差异涡轮钻具与螺杆钻具相比，涡轮钻具的功率和扭矩受直径的影响甚大，而直径对螺杆钻具的影响较小。在设计或系列时，对涡轮钻具宜发展大直径(过小会使扭矩太小)；对小直径动力钻具可主要发展螺杆钻具。目前涡轮钻具的直径范围是95320mm， 而螺杆钻具的直径范围是45-244mm。3-4 动力钻具选用1.动力钻具性能分析5. 直径影响的差异涡轮钻具与螺杆钻具相比，涡轮钻具的功率和扭矩受直径的影响甚大，而直径对螺杆钻具的影响较小。在设计或系列时，对涡轮钻具宜发展大直径(过小会使扭矩太小)；对小直径动力钻具可主要发展螺杆钻具。目前涡轮钻具的直径范

　　47、围是95320mm， 而螺杆钻具的直径范围是45-244mm。3-4 动力钻具选用1.动力钻具性能分析1.动力钻具性能分析6.横振差异7.长度差异在外径相近、扭矩相近的条件下，涡轮钻具的长度明显大于(甚至成倍于)螺杆钻具长度。长度过大对造斜作业不 利。涡轮钻螺杆钻具的转子在定子型腔内作平面行星运动， 产生离心惯性力，从而造成钻具的横向振动。而涡轮钻具 的转子作定轴转动引起离心惯性力和横向振动。3-4 动力钻具选用螺杆钻具，缺点：1、橡胶定子和转子在高密度及泥浆净化不好条件下易磨损，随着间隙的增大转速和扭矩下降。2、橡胶定子不耐高温，在高于125条件下橡胶易失效，橡胶存放时间长了 就会老化。螺杆

　　48、钻具一般情况下只能存放2年时间。优点：1、转速低，适用于现有牙轮钻头.2、长度短(510m)，适合打定向井、水平井。3、压降低(35MPa)。4、转速不受输出扭矩的影响,具有很好的过载能力。5、螺杆钻具的压降随着载荷的变化而变化,因而可通过泵压的变化检测螺杆钻 具的工作情况。3-4 动力钻具选用2.螺杆和涡轮特点对比涡轮钻具缺点：1、涡轮钻具转速较高，与现有牙轮钻头不匹配。2、单节涡轮钻具扭矩小，为了提高扭矩，只有采用长度长的复式涡轮钻具，使得钻具总长度较大，不利于井眼轨迹；3、复式涡轮钻具压降大，特别是在高泥浆比重条件下压降更大。4、转速与输出扭矩有关，过载条件下会导致钻具不转。优点：1、涡轮钻具转速高(400rpm以上)，较适合于TSP钻头、石钻头。2、涡轮钻具定转子使用长。3、耐高温和高压，适用于高温高压井。3-4 动力钻具选用2.螺杆和涡轮特点对比3.动力钻具的选用动力钻具的选用一般遵循以下原则：为提高钻井速度而采用井下动力钻具时，应根据钻头的特点选用动力钻具。一般可采用下列组合：PDC钻头或牙轮钻头+螺杆钻具；PDC钻头或牙轮钻头+器涡轮钻具；TSP钻头+高速螺杆或中速涡轮或器涡轮；单晶石钻头+中、高速涡轮。常规定向井、大位移井、水平井的造斜以及复合钻井选用螺杆钻具。遇到高况，可选用器涡轮。3-4 动力钻具选用

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