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1、1,涡轮钻具结构及应用,西南石油大学石油工程学院,2,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。,3,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
2、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,4,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,5,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
3、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,6,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,在定排量时涡轮钻具的 典型特性曲线,7,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
4、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d1d2。新的涡轮钻具间隙值约为1mm，厂家给定的最大磨损量为56mm。 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。,8,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）,9,涡轮钻具的标准组件,涡轮叶片盘排列图,10,涡轮钻具的标准组件,涡轮弹性轴承排列图,11,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,12,涡轮钻具的标准组件,轴承部分驱动轴下部流态图
5、,13,涡轮钻具的改进,涡轮钻具叶片的设计原理,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 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,14,涡轮钻具的改进,涡轮钻具叶片的压力分布图,15,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
6、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,16,涡轮钻具的改进,轴承受力和承受载荷图,泵排量 750gpm（3410L/m）,用标准的9-1/2T3(MK1)涡轮钻具,17,涡轮钻具的改进,涡轮平衡鼓图,18,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）,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,19,涡轮钻具的改进,涡轮平衡鼓（TSH型）图（TSH型是
7、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,20,涡轮钻具的改进,金属径向轴承图,注意： 已经成功地在超过260的高温环境中操作过,21,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,22,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 ,23,涡轮钻具
8、定向性,稳定性,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”,24,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,25,涡轮钻具定向性,反扭矩,容积式液动马达,涡轮钻具,26,涡轮钻具定向性,定向能力,27,涡轮钻具的振动性,容积式马达和涡轮钻具对比,28,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
9、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,29,涡轮钻具耐高温高压性能,流体静压头对塑性页岩的影响,30,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,31,井眼质量,倒悬钻头的改进结构图,32,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
10、续的“钻柱悬空”现象,33,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,34,欠平衡钻井的配合,欠平衡钻井中为什么使用涡轮钻具？,35,欠平衡钻井的配合,金属径向轴承： 100的消除减压影响 耐高温,实用的加长马达部分： 超长5英尺以上 比标准马达单元多50以上 承受的压力比标准马达高50以上,MK3型叶片： 压力分散型 比标准马达承受压力高40以上 复合材质 高抗腐蚀性和抗侵蚀性,FBS型定向轴承部分（带先进PDC轴承）： 高流量 较好的抗液流
11、推力能力 耐高温、抗气侵,36,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,37,欠平衡钻井的配合,欠平衡钻井使用涡轮钻具的全球业绩,38,涡轮钻具在钻井中的应用,4 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 7 14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 6 5/8定向涡轮钻具在挪威Stat
12、fjord油田 的业绩 涡轮钻具在英国北海Marnock油田的应用 6 5/8定向涡轮钻具套筒式轧铸钻头的组合钻井,39,4 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Shell Expro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）,4
13、0,涡轮钻具在阿尔及利亚的新纪录,4 3/4FBS T1-MK2型涡轮钻具曾在阿尔及利亚的Cambrian RA完成了最长的一次进尺。 在Sonahess 的一口水平井上，用4 3/4FBS T1-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EI Agreb油田的Cambrian Ra单趟进尺达到了960米。 在Cambrian Ra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）。,41,典型的欠平衡侧钻应用实例,在6井眼里面，用4 3/4TS1(MK3)型、1.25导向涡轮钻具带潜铸式金刚石钻头完成了一口裸眼定向井。水平段中涡轮钻具
14、总进尺是3902英尺（1189米），首先是钻了754英尺（230米），然后由于导向工具出现问题起钻，重新下进去后又钻了3148英尺（960米）到井底。 导向进尺2647英尺（806.8米），全程机械转速=37.3英尺小时（11.4米小时），涡轮钻具总循环时间=262小时。,位置：英国的北海南部 钻完深度：19200英尺（5852.16米）地层：Rotliegendes SST 金刚石钻头：S280G89Y泥浆类型：水基泥浆 泥浆比重：8.6ppg（1.03g/cm3）排量：220Gpm（0.8m3/min） 钻压：212Klbs（0.9-5.4 t）井底压力：1600psi(11Mpa) 地面
15、压力：3400psi(23.4Mpa),42,7 14涡轮钻具美国怀俄明州历史记录,用7 1/4Sii Neyrfor涡轮钻具带9 1/2XTG46 Smith潜铸式金刚石钻头在伯灵顿能源公司创造了世界纪录：钻到井底用了655h，涡轮钻具的循环时间达到705h，机械转速是0.8m/h。 完成了9 1/2井眼部分，共钻529.4米，深度超过了7315.2米。 完全适应1.92g/cm3油基泥浆和井底温度超过193的工作环境。 在钻到井底后，发现涡轮钻具和钻头依然处于良好的工作状态。,43,连续油管涡轮在欠平衡钻井中应用实例,世界第一次：连续油管使用定向涡轮钻具在带压进行欠平衡钻井 用连续油管接3
16、-3/8T2(Mk2)型定向涡轮钻具，用带压进行欠平衡钻井的方式，钻完了3-7/8井眼的延伸段。平均机械钻速达7.62m/h，共钻进158.2米，达到了所有施工目的。 比相同层位的螺杆钻井机械钻速高出250。,位置：挪威 钻完深度：12800英尺（3901.44米）地层：MudST/SST 金刚石钻头：D 72 901U泥浆类型：卤水 泥浆比重：8.6ppg（1.03g/cm3）排量：90Gpm（0.34m3/min） 钻压：13Klbs（0.45-1.33 t）井底压力：700psi(0.05Mpa) 地面压力：3900psi(26.9Mpa),44,涡轮钻具在阿曼的使用情况,6 5/8的FBS型定向涡轮钻具 单趟管柱328小时的运转时间 井筒里18天 机械转速4.88m/h 成功的完成了所有的定向目标,位置：PDO Oman Well Ajeeb 1
