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1、第三章 涡轮机械第一节 概 述 涡轮钻具是一种结构比较特殊的井下动力钻具，它由钻井泵打出的高压钻井液来驱动。涡轮钻具钻井与转盘钻井相比，主要优点是：将能量集中在井底驱动钻头旋转以破碎岩石，此机械钻速较高；钻井时钻杆不转动，减少了钻杆的磨损和断裂事故，延长了钻杆的使用寿命，特别适合于打定向井、丛式井以及进行修井、侧钻等特殊作业。 涡轮钻具在前苏联一直作为主要的钻井工具，钻井总进尺占80%以上。长期以来，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，牙轮钻头寿命短、进尺少，及其像胶一金属推力轴承工作寿命不长等缺点；但随着高转速、低钻压聚晶金刚石复合片PDC钻头的推广应用，随钻测量技术的普及
2、，以及各种新型结构的出现，涡轮钻具在石油、天然气钻井工程中将会发挥越来越大的作用。 一、涡轮的工作原理 涡轮钻具是接在钻杆的下端，随钻杆一起下到井底的一种井底动力钻具。涡轮钻具中的涡轮，是把液体能（主要是动能及部分压能）变为涡轮轴上的机械能，从而带动钻头旋转破碎岩石。 涡轮钻具是一种特殊结构的水涡轮，它的作用原理和地面上的一般水涡轮相同，可用下面简单的例子说明，如图3-1所示。图3-1 在轴上旋转的漏斗漏斗A可绕0102轴旋转，将液体从漏斗上部灌入，下部喷出，喷出的速度大小和方向与进口不同。液流进出口动量矩的变化，使漏斗中的液体受一力矩。该液体以大小相等方向相反的力矩作用在漏斗上，使漏斗沿箭头
3、所示方向转动。如把几个漏斗沿0102轴的圆周放置，成一整体就构成了涡轮，即可带动0102轴旋转作机械功。可见要使漏轮轴作机械功，必须使液流在进入工作轮前具有一定的方向和速度，因此，液流在进入工作轮前应通过一个导向装置。在涡轮的导向装置（或定子）中，只发生液体能形式的改变，把部分压能转换为动力能，并把液流引导一定方向。而工作轮（或涡轮转子）中，发生液体能转换成机械能的过程，并带动涡轮轴旋转，对外作机械功。钻井用的涡轮钻具，在工作条件和结构方面都与地面的水涡轮有很大区别。它与地面水涡轮相比，其特点是： 地面水涡轮的外壳尺寸大小不受限制，可根据涡轮功率的大小而定，而且都是单级的，即只有一个导向轮和一
4、个工作轮。而涡轮钻具的外壳尺寸则受到井眼直径的严格限制。所能通过的流量(即钻井泵的排量)也不大，因而使涡轮钻具轴上产生较大的功率，就必须采用多级涡轮，其级数多达一、二百级以上。 涡轮钻具中所用的工作液体是泥浆，粘度太、含砂多，对涡轮具的零部件危害很大，因而它的零部件必须能适应这种恶劣的工作条件。 二 涡轮钻具的结构 为了满足钻井工艺的要求，目前在国内外发展了许多类型的涡轮钻县，但基本结构差 别不大。下面介绍我国常用的涡轮钻具的典型结构。 图 32 单式涡轮钻具结构示意图 1 大小头；2一压紧螺帽； 3一轴b承座； 4轴承盘；5支承环 6调节环；7定子；8转子； 9中铀承； 10一下轴承；11主
5、轴 图 52 WZ255涡轮钻具结构 l一大小头；2外壳；3防松螺母；4锁紧垫圈；5帽罩；6支撑套筒；7转子螺母；8支承盘； 9支承环；10止推轴承；11调节环；12定子；13一轴，14转子；15一销； 16中轴承套，17一中轴承；18一撑套；19下部短节；20下部轴承套，2l键；22轴接头 1单式涡轮钻具 现以国产WZ一215型单式涡轮钻具为例，介绍涡轮钻具的结构。图32为涡轮钻具结构示意图，图33为WZ一215型涡轮钻具的结构图。 图 54 涡轮定子和转子（a）结构图 （b）涡轮的轴侧图 涡轮钻具的主要部件是涡轮，每一级涡轮由一个定子和一个转子组成，如图34所示。图3-5 涡轮钻具止推轴承
6、1一止推轴承座；2一支承盘，3支承环图 3-4 涡轮的定子和转子（a）结构图 （b）涡轮的轴测图 涡轮一般是铸钢的，涡轮上有很多弯曲的叶片，定子和转子的叶片形状基本一样，只是叶片的弯曲方向相反，这样就保证了定子对液流能量的部分转化及导流和转子将液体能转化为机械能， WZ一215型涡轮钻具共有100级涡轮，即有定子和转子各100个。定子装在固定的外壳内，转子装在可旋转的主轴上。转子和定子之间要保持一定的轴向间隙，WZ一215的轴向间隙为11mm。为了承受轴向载荷，在涡轮上部装有止推轴承。止推轴承由支承盘、支承环和带有塑料衬面的轴承座组成。止推轴承的内缘也有橡胶衬面，以起径向扶正作用，如35所示。
7、 为了减轻这种橡胶金属止推轴承上的负荷及磨损，该钻具一共装有12套结构相同的止推轴承。轴承座与外壳固定在一起，不转动，两轴承盘与支承环则固定在主轴上与轴一起转动，轴承座与轴承盘之间有2mm的间隙。止推轴承磨损后，轴向间隙增大，使主轴相对于外壳上移和下沉。 涡轮钻具的主轴细而长，约7.5m。在高速旋转时容易产生摆动，因此在主轴的中部和下部装有径向轴承，称中部轴承和下部轴承，起扶正作用。下部径向轴承还起着压紧短节和防止泥浆外泄的密封作用。径向轴承乃是带橡胶的轴承。中部轴承由轴承套和中轴承组成，并带有通过泥浆的沟槽，其结构见图36、图37。 涡轮钻具的主轴由铬钼钢锻成，上轴端有反扣螺纹，下端有锥形接
8、头，并与钻头连接。 轴的中下部有三个斜孔，用于将洗井液引入钻头。 中部轴承、下部轴承(或压紧短节)和止推轴承均由铬钢制成，上面粘有橡胶层，为了调节各级涡轮定子与转子之间的轴向间隙，在最上面一个定子的上部和止推轴承的轴承座之间装有一个调节环，可采用不同高度的调节环来调节涡轮钻具的轴向间隙。 图3-7涡轮钻具的下部轴承 图3-6涡轮钻具的中部轴承 为了保证涡轮钻具轴上所有转子和各旋转部分的零件固定在主轴上不致松动，全部转动部分的零件均由压紧螺帽压紧在主轴的下部台阶上。所有定子和不转动的零件由大小头和下部轴承固定在外壳内。综上所述，涡轮钻具的结构分为旋转和固定的两大系统。以主轴为中心的旋转系统从上而
9、下依次是：防松螺帽、帽罩、轴承盘、支承环、主轴、转子、中部轴承套、撑套、下部轴承套。固定于外壳中的固定系统从上而下依次为：大小头、支承套筒、止推轴承座、调节环、定子、中部轴承、下部压紧短节(下部轴承)、外壳，见图3-2、图3-3所示。洗井液在涡轮钻具中的流动情况是：泥浆从钻杆中心进入涡轮钻具，经止推轴承的孔眼进入涡轮中，经过各级涡轮把部分液体能变成涡轮轴上的机械能后，从主轴的三个侧孔流进钻头。清洗井底后由环形空间返出地面。 为满足不同钻井工艺的需要，涡轮钻具有多种类型和规格。例如，钻深井的复式涡轮钻具、钻定向井的短涡轮钻具和取岩芯的取芯涡轮钻具等。涡轮钻具的类型和规格见表3-1。 2复式涡轮钻
10、具 钻深井时，由于钻柱很长，泥浆的沿程阻力很大，泵压很高。为减少阻力，降低泵压，使钻井泵不致超负荷运行，就需要减少泥浆排量，这样，单节涡轮钻具所得到和输出的功率，必然大为减少，因此，需增加涡轮的级数以提高总功率。然而，过长的涡轮钻具不论在制造还是装配都有困难，因此，出现了复式涡轮钻具，它实际上是两节或三节单式涡轮钻具的组合。图3-8中给出了我国现场常用的复式涡轮钻具的结构，它实际上是由两节涡轮钻具组成。 复式涡轮钻具的外壳是用带锥形扣的接头连接，主轴靠圆锥摩擦联轴器连接。依靠涡轮钻具工作时所造成的轴向水力载荷将摩擦联轴器压紧，使上下两节涡轮的主轴连成一体带动钻头工作。为了防止上下两节轴在联轴器
11、锥面处打滑，摩擦锥面的配合要求严密，同时，为了保证联轴器摩擦锥面之间产生必要的摩擦力，复式涡轮钻具的上段不装止推轴承，止推轴承装在下段涡轮钻具的最上端。这样上段涡轮整个旋转部分所受向下的轴向载荷都必须先通过摩擦联轴器，然后再作用于止推轴承，从而保证为产生足够的摩擦力所必须的轴向压力。近年来，我国对复式涡轮钻具连接部件的结构作了一些改进。在2WZ-215A型复式涡轮钻具中，已把这部分结构改成花键及圆锥摩擦联轴器的组合结构，如图3-9所示。这样的联轴器结构有效地解决了两主轴联接处的打滑和磨损问题。表51 涡轮钻具规格及工作特性(泥浆重度9800Nm3，粘度小于30s)涡轮钻具的型号直 径mm长 度
12、mm重 量kg涡轮接头叶轮类型涡轮级数排 量Ls功 率KW转 矩Nm转 速rmin压力降Pa节数备注上接头下接头WZ-225WZ-240WZ-215WZ-1952 WZ-215WZ-1702WZ-1703WZ-1273WZ-104.54WZ-104.52WZ-215D1WZ-170DWZ-170DWZ-1273AWZ-170225240215195215170170127104.5104.52151701701271709220924592009100142408500150201429513180166651548044853400573497902465211517051440256810
13、042185100066587331686236206205205205204204203202302305204205203204206305205204204204204203302302305204205203204202722.53016.52222.52120.52120.51622.5281625121813.51813.53016.5100120100961761002402402122832204565305532452535253518302025121489783040773314024146127381036819012.56063100335324352233781841540406091030208601700610119011202160260730880137043058023029024030019903540490790440302515725600840600840475795550680760885105011809201050381503(3079)105(1964)105(2671)105(2447)105(1746)105(4487)105(5383)105(6690)105
