井下动力钻具

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1、 井下动力钻具在提高机械钻速、增加单只钻头进尺、减少每米钻井成本、实现井身轨迹定向控制和快速准确中靶以及确保井身质量和钻井安全性等方面，与传统的转盘钻井相比，具有极大的优越性。 目前，国内外开发和利用的井下动力钻具主要有三种，一是容积式螺杆钻具，二是叶片式涡轮钻具，三是电动钻具。 井下动力钻具井下动力钻具 一、概述一、概述 1）螺杆钻具）螺杆钻具 螺杆钻具又称定排量马达， 使一种容积式井下动力钻具（如图），是目前最广泛使用的一种井下动力钻具，主要用于定向井、水平井的造斜及扭方位施工，一部分也用于直井反扣或侧钻作业中。 美国50年代中期开始研制螺杆钻具，1962年用于生产，主要生产的有迪纳钻具(

2、Smith公司)、纳维钻具( Christensen公司)和波斯钻具，其基本原理都是基于容积式马达，只是内部结构和技术参数略有不同。 我国的螺杆钻具生产在80年代中后期才形成一定规模，目前，常规螺杆钻具已规格化系列化，各主要厂家如大港、北京、德州、潍坊的产品已覆盖国内绝大部分市场。 2）涡轮钻具 涡轮钻具与电动钻具相比，输出性能柔和，转速稍低(约800r/min)，无特殊的绝缘和密封要求，制造精度容易保证，使用操作相对简单，因而受到油田井队的欢迎。特别是复式涡轮钻具的出现，以及后来的带独立支承节涡轮钻具定型产品的推广，使机械钻速和每米钻井成本等技术经济指标大大超过了电动钻具。 但是，随着密封牙

3、轮钻头的发展和喷射钻井技术水平的提高，涡轮钻具暴露出了如下四大致命弱点： （1）输出转速高，超过了牙轮钻头的最佳额定工作转速范围(100270r/min)。 （2）压力降消耗大(为6.08.0MPa)，降低了钻头的水马力，影响了井底清洗和钻头破岩效率，无法保证牙轮钻头喷射钻井所需的水力功率。 （3）整机尺寸过长，单式涡轮钻具的力矩太小，不能产生足够的钻井动力， （4）单位长度产生的能量与钻具直径成5次幂关系，随着井眼直径的减小，小尺寸涡轮钻具发出的功率急剧降低。 （5）复式涡轮钻具的装配和调整麻烦，辅助工作时间长。 近年来，石油高校在涡轮钻具的研究和试验方面作了大量工作,研制了几种新型涡轮钻具

4、，使涡轮钻具的结构性能、使用寿命有了较大提高，我国研制的涡轮钻具技术的特点是： 系统研究了涡轮钻具叶片优化设计，基本形成了以低压降、大扭矩为特点的涡轮钻具的设计体系； 采用无橡胶件的TC扶正轴承，以适应涡轮钻具在高温井底条件下的钻井； 改善了轴承受力条件并提高轴承寿命，现有轴承平均寿命超过150h； 设计了带齿轮减速器的涡轮钻具，消除了常规涡轮钻具的低扭矩、高转速等不利因素。 3 3）电动钻具）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电动钻具较多。 井下电动钻具是19371940年发展起来的，结构形式由交流电驱动+行星减速器改进为直流电驱动，1956年其平均寿命

5、仅为2530h，由于结构可靠性的提高，19861999年其平均寿命达90h，导线接头损坏的次数提高到每1000m少于1次(寿命可达240h)。 优点优点：直流电动钻具调速范围宽，过载能力强，功率利用率高，井下信息的通讯容量大，井眼轨迹控制精度高，可适应在重钻井液条件下工作。 缺点缺点：电动钻具的输出转速在1200r/min以上，多级减速器结构复杂，可靠性差，井下电动机的绝缘和密封性能要求高。电枢绕组失效后，修复困难。 二、螺杆钻具二、螺杆钻具 1、螺杆钻具的发展概况及趋势螺杆钻具的发展概况及趋势 螺杆钻具的诞生和发展的历史要迟于涡轮钻具。 在50年代中期以前，前苏联80%以上的油井是用涡轮钻进

6、的。美、英等西方国家在螺杆钻具问世前，绝大部分的油井是用钻盘钻成的。 20世纪30年代，法国工程师根据阿基米德螺旋泵的研究成果设计了单螺杆泵。1955年，美国戴纳公司在单螺杆泵的基础上研制开发单螺杆钻具，于1968年起开始出售产品。 随着定向井数目的增加，20世纪70年代，人们对螺杆钻具的兴趣与日俱增。多头螺杆钻具逐步取代单头螺杆钻具成为主导产品。更多的国外钻井设备公司，特别是斯伦贝谢、贝克和克里斯坦森等公司，都开始制造自己的多头螺杆钻具。 我国是在20世纪70年代末期开始开始研制多头螺杆钻具。现在，我国已有十余家工厂可以生产螺杆钻具，而且随着我国定向井技术的普及和推广，国产螺杆钻具已成为主要

7、的钻井工具。 随着油气勘探开发形势的发展，钻井技术在不断发展，推动着螺杆钻具技术水平也在不断逐步进步和提高。综观其发展过程和发展趋势，其方向可基本概括为：长寿命，高转速，多功能。 （1 1） 长寿命长寿命 延长螺杆钻具的工作寿命，使其在井下能长时间可靠地工作。具体表现为以下几个方面： 马达定子橡胶材料和硫化工艺的改进。 万向轴结构类型与质量的改进。 传动轴轴承节结构及轴承质量的改进。 （2 2）大扭矩）大扭矩 降低螺杆钻具的输出转速以匹配牙轮钻头； 提高扭矩以满足钻井需要，于是产生了多头螺杆钻具。 （3 3）高转速）高转速 一般钻头转速越高，机械钻速越快 ，单头马达或头数较少的串联马达及加长马

8、达，配用优质牙轮、金刚石或PDC钻头、达到大扭矩条件下的较高转速 。 （4 4）多动能）多动能 开发不同结构特征和工作特性的螺杆钻具，形成多功能的不同钻具品种。 弯螺杆 可调弯螺杆 地质导向测传马达 短半径造斜马达 中空螺杆马达 螺杆涡轮串联马达 高温型螺杆钻具2 2、 螺杆钻具的基本原理与结构特征螺杆钻具的基本原理与结构特征 1）工作原理 螺杆钻具是一种以液体为动力，把液体的压力能转化为机械能的井下动力工具。当动力液进入液压马达，迫使转子在定子中转动，在液压马达的进出口生产一定的压差，推动液压马达的转子绕定子轴线作行星运动，马达产生的扭矩和转速通过万向轴传递到传动轴和钻头上，达到钻井的目的。

9、 2) 2) 螺杆钻具结构螺杆钻具结构 螺杆钻具由四个部件组成，从上至下依次是：螺杆钻具由四个部件组成，从上至下依次是：(1)(1)旁通阀总成；旁通阀总成；(2)(2)马达总成；马达总成；(3)(3)万向轴总成；万向轴总成；(4)(4)传动轴总成。传动轴总成。 (1) (1) 旁通阀总成旁通阀总成 旁通阀的作用是在停泵时使钻柱内空间与环空沟通，以避免起下钻和接换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、阀套、阀芯及弹簧等部件组成。 (2) (2) 马达总成马达总成 马达是螺杆钻具的动力部件，马达是由定子和转子马达是螺杆钻具的动力部件，马达是由定子和转子两个基本部分组成的单螺

10、杆容积式动力机械。两个基本部分组成的单螺杆容积式动力机械。 马达转子的螺旋线有单头（N=1）和多头（N2）之分。转子的头数越少，转速越高，扭矩越小；头数越多，转速越低，扭矩越大。 根据马达线型理论研究结论可知，转子线型和定子线型是一对摆线类共轭曲线副，常用的马达转子若为N头摆线线型，则定子为N+1摆线线型；转子和定子曲面的螺距相同，导程之比为N/（N+1）。 马达中转子与定子相互啮合，用两者的导程差而形成螺旋密封腔，以完成能量转换。为了确保密封效果，转子与定子之间的配合尺寸与不同井深、井温有关，在选择钻具时应按不同井况选用不同型号马达。 (3) (3) 万向轴总成万向轴总成 万向轴的作用是将马

11、达的行星运动转变为传动轴的定轴转动，同时把马达产生的工作扭矩及转速传递给传动轴和钻头。 万向轴总成由两个元件组成：壳体和万向轴。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。 (4) (4) 传动轴总成传动轴总成 传动轴的作用是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。 它由壳体、传动轴、 上部推力轴承、下部推 力轴承、径向扶正轴承 组及其他辅助零件总装 组成。 3 3、 螺杆钻具的性能特点及分类螺杆钻具的性能特点及分类 螺杆钻具的性能特点是由其动力部件螺杆钻

12、具的性能特点是由其动力部件螺杆马达决螺杆马达决定的。这种容积式马达虽然结构简单，只有两个基本元定的。这种容积式马达虽然结构简单，只有两个基本元件定子和转子，但却有以下两个突出特点：件定子和转子，但却有以下两个突出特点： （1 1）理论转矩与马达进出口间的压差成正比。）理论转矩与马达进出口间的压差成正比。 （2 2）理论转速与通过的流量有关而与钻压无关。）理论转速与通过的流量有关而与钻压无关。 1）按螺杆马达的结构特征分类 （1）按螺杆马达转子断面线型的“头”数N，可把螺杆钻具分为单头钻具和多头钻具。 （2）按马达转子与定子头数的关系进行分类。只要二者头数差值为1，均可构成螺杆马达，因此可分为N

13、/（N+1）和N/（N-1）型两种马达。 （3）按马达的“级”数进行分类。 2）按螺杆钻具（马达）的公称外径分类 这种分类方法主要是便于钻井工作者根据所钻的井眼尺寸来选择相应直径的螺杆钻具（马达），或螺杆钻具的设计制造部门根据井眼尺寸系列来开发生产螺杆钻具的系列与规格。 3）按螺杆钻具万向轴壳体结构特征分类 根据螺杆钻具的万向轴壳体是否带有结构弯角，可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）。 4、螺杆钻具的表达方式 5、螺杆钻具的应用 1）影响螺杆钻具性能的主要因素 钻井液 钻井液流量 钻井液压力降与钻压 扭矩 钻头水眼 2）使用方法及其注意事项 根据钻

14、修井条件选用合适的钻具类型和合理的技术参数，以提高螺杆钻具的工作效率。 下井前应认真检查两端连接丝扣和台肩及外壳体有无变化，旁通阀是否灵敏好用。 钻具及其钻具组合下井时应控制下放速度，下钻遇阻不得硬砸硬压，不可顿钻或将钻具直接坐入井底。 下钻到井底，应将钻头提高到离井底13m左右，开泵启动，逐渐加压钻进。 容积式马达特性之一是马达所产生的扭矩与两端所生产的压降成正比，和整个系统压力变化成正比。 施加钻压不要太猛，钻压不是监视钻具工作的指标，只是作为参考指标，判断钻具工作情况的主要依据应该是泵压。 井下马达工作时向右旋转。 施加在钻头的扭矩越大，马达越会向左旋转。 钻具起钻过程类似常规钻具起钻操

15、作。 起出井下马达后应认真检查旁通阀总成，并把钻具内的钻井液排净，尽可能冲洗清洁，正常维护保养后待用。 3）故障分析与排除 6、 螺杆钻具的外特性分析 螺杆的工作特性，即外特性，包括理论工作特性和实际工作特性。了解和掌握螺杆钻具的外特性，对于正确选择和使用螺杆钻具至关重要。 1）理论特性 单螺杆马达是典型的容积式机械，在不计损失时，根据容积式机械工作过程中的能量守恒，在单位时间内钻头输出的机械能（MTT ）应等于单螺杆马达输入的水力能（pQ ），则有： MTT = pQ （6）根据容积式机械的转速关系，有 （7）由以上两式及 可得出； （8）和 （9）式中： MT马达理论转矩； 钻头理论角速度

16、； 钻头理论转速，即马达输出的自转转速； 马达进、出口的压力降； 马达每转排量，它是一个结构参数，仅与线型和几何尺寸有关； Q流经马达的流量，即排量； NT 理论功率 分析式（7）式（8）式可得如下重要结论： 螺杆钻具的转速只与排量Q和结构有关，而与工况无关。 工作扭矩与压降和结构有关，而与转速无关。 转速和力矩是各自独立的两个参数。 螺杆钻具具有硬转速特性和良好的过载能力。 泵压表可作为井底工矿的监视器。 转速随排量的变化而线性变化，因此可通过调节排量很容易地进行转速调节。 工作扭矩与转速均与结构有关，增大马达的每转排量，可获得适合于钻井作业的低速大扭矩特性。 2） 实际工作特性 事实上，螺

17、杆马达存在转子与定子之间的摩擦阻力和密封腔间的漏失，其他部分也存在机械损失和水力损失，因此螺杆钻具存在机械效率和水力效率，其总效率为 ： = m* v （10） 其实际转矩M、钻头实际转速n和实际输出功率N0为 M=MTv= （11） （12分子加Q） （13） 式中 C马达的转矩系数。 （14） 7、 螺杆钻具的参数计算 在简要分析螺杆马达工作原理的基础上，推证螺杆钻具一些参数的计算公式。 螺杆马达的每转排量q、扭矩M、转子轴向力G、马达最小长度L、万向轴内载荷循环频率等，以作为讨论螺杆钻具设计要点的基础。 1）、螺杆马达的工作原理的进一步介绍 螺杆马达的转子实际上是一个螺旋外齿轮，而定子则

18、是一个螺旋内齿轮。马达横截面上的共轭曲线副。马达的轴向长度远大于截面尺寸，所以称转子为一个螺旋杆，定子为一个有螺旋型腔的套筒更为形象化。 （1） 形成一个容积式液马达的转子与定子应具备的基本条件 能密封，即转子和定子曲面应组成空间共轭封闭，以形成多个共轭封闭腔来容纳工作介质（钻井液）。 转子的连续转动能导致共轭密封腔连续沿轴向下移，以保证工作介质（钻井液）循序向下推进。 （2） 螺杆马达转子与定子的几何形状 要满足构成液马达的上述两个基本条件，转子和定子的几何形状必须满足： 转子与定子的端面曲线（简称线型）为一共轭曲线，即首先满足齿轮传动的要求。如果定子不动，转子可以在定子内作平面行星运动。

19、线型要满足隔离条件和消失条件 。 （3）转子与定子的螺旋曲面旋向应相同，螺距相等 2) 、螺杆马达钻具的每转排量计算 3)、螺杆马达的理论扭矩和转速计算 4)、马达最小长度的计算 5)、万向轴内交变应力的循环频率 8、 螺杆钻具设计要点 螺杆钻具的设计包括两大部分：总体设计和部件设计，后者可进一步细分为旁通阀设计、马达总成设计、万向轴总成设计和传动轴总成设计等，下面主要介绍总体设计。 1)、螺杆钻具的总体设计 螺杆钻具的总体设计就是要根据钻井工艺要求，确定待设计的螺杆钻具的主要力能特性参数和主要外形结构型式及尺寸。 (1)、根据井眼（钻头）尺寸确定螺杆钻具的公称直径D； (2)、根据破岩力矩选

20、择螺杆马达额定力矩； (3)、根据钻头类型确定螺杆马达的转速； (4)、根据造斜率要求选择螺杆钻具总长度和结构类型； (5)、根据钻具组合外壳强度及结构要求确定各段的壳体壁厚。 三、涡轮钻具 涡轮钻具是一种重要的井下动力钻具，它连接在下部钻具组合（一般直接与钻头连接）中，利用钻井泵泵出的高压钻井液作动力，实施石油钻井作业。其特点是将能量集中在井底直接驱动钻头破岩，能量利用充分，机械钻速较高，井身质量好。 1、国内外涡轮钻具发展概况、国内外涡轮钻具发展概况 1） 西方国家涡轮钻井技术新进展西方国家涡轮钻井技术新进展（1）美国Mexico湾西部和Mobile湾地区的涡轮钻井（2）美国阿拉斯加北部的

21、涡轮钻井（3）涡轮钻井技术在北海油田的应用 2） 国内涡轮钻井技术的新发展国内涡轮钻井技术的新发展 2 2、涡轮钻具总体结构及工作原理、涡轮钻具总体结构及工作原理 1 1） 总体结构总体结构 涡轮钻具分为涡轮节与支承节二个独立的组成部分。 根据总体结构设计要求，涡轮节又可分为独立悬挂和非独立悬挂两种，如图2-93所示。支承节与涡轮钻具结构示意图分别如图2-94和如图2-95所示。 图2-93涡轮节结构图图2-94支撑节结构图图2-95 涡轮钻具结构示意图 2）工作原理）工作原理 涡轮钻具属叶片式水力机械。工作时，涡轮钻具利用高速高压的钻井液冲击涡轮定、转子叶片，反向弯曲的定、转子叶片将钻井液的

22、液压能转换成旋转轴的机械能，即转速和扭矩。 3 涡轮钻具典型结构的介绍涡轮钻具典型结构的介绍 1）单式涡轮钻具 我国应用最广泛的就是单式涡轮钻具如图2-96所示。 图2-96 单式涡轮钻具结构示意图 由结构示意图可见，涡轮钻具的全部零件都装在一个长达89米筒形外壳里。在外壳里面，从上到下部装满了涡轮，总计有一百多级，每级由一个定子和一个转子组成，如图2-97所示。 图2-97 涡轮定子和转子示意图 主轴上一百多级旋转的转子和固定的定子之间应保持一定的轴向间隙，同时主轴受到的轴向负荷也要有一定的支承，为此，在涡轮上部装有止推轴承。它由与主轴一起转动的支承盘和支承环，以及位于它们两者间表面挂有止推

23、轴承(图2-98)。止推轴承起到径向扶正的作用。 图2-98 涡轮钻具止推轴承示意图 涡轮钻具的主轴细而长，在高速旋转时容易因产生径向力而摆动，因此在主轴中部的涡轮之间还装有径向扶正的中轴承，如图2-99所示。在涡轮钻具中，所有转动的零件(转子、支承盘、支承环)都用转子螺母固紧在主轴上，而所有不转的零件(定子、止推轴承和中轴承等)都用一个下部短节(图2-100)把它们压紧在外壳内，这个压紧用短节又是主轴的下部径向轴承，同时还起着防止泥浆从主轴下方外漏的密封作用。图2-100 涡轮钻具下部短节图2-99 涡轮钻具的中轴承示意图 支承环、中轴承套及下轴承套的用途是保护主轴，以免主轴在径向轴承中很快

24、磨损。 涡轮钻具的主轴由铬铂钢锻成。上端为左螺纹，用以防松，下端有标准的锥形接头丝扣与钻头相连。轴的中下部钻有三个斜孔，泥浆由此进入钻头。 钻井时，涡轮钻具下降到井底，涡轮钻具外壳接在钻杆下端，钻头接在涡轮钻具主轴下端。 泥浆从钻杆中心进入涡轮钻具后，先经过止推轴承再进入涡轮。在涡轮中泥浆先从第一级涡轮的定子流入第一级涡轮的转子，再从转子进入第二级涡轮的定子，就这样经过各级涡轮，把自己的部分液体能(主要是压能)变成涡轮轴上的机械能，使主轴带动钻头旋转。然后泥浆就从主轴下方的斜孔流入中心孔，再从中心孔进入钻头，泥浆从钻头水眼中射出后就冲洗井底，携带井底岩屑，沿钻杆外的环形空间返回地面。 涡轮钻具

25、根据所钻油井直径和深度不问，有各种类型和各种不同尺寸。例如有钻深井用复式涡轮钻具，钻定向井用的短涡轮钻具，以及可用于取芯的取芯涡轮钻具等。 如图2-101所示的国产WZ-215就是典型的单式涡轮钻具结构 图2-101 国产WZ-215型单式涡轮钻具 2）复式涡轮钻具 为了满足钻深井时功率和扭矩的要求，就需要增加涡轮的级数。而级数很多、长度太大的涡轮钻具，无论在制造上或装配上都有困难，因此，出现了复式涡轮钻具，又叫多节式涡轮钻具。 图2-102所示为复式涡轮钻具的结构。图2-102 复式涡轮钻具结构 它是由两套涡轮钻具组成，它们的外壳用带锥扣的接头连接，而主轴靠轴端的联轴锥即圆锥摩擦联轴器连接，

26、依靠涡轮钻具工作时压力降所造成的轴向水力负荷(由上向下)把联轴锥压紧，并靠摩擦力矩把上轴的扭矩和转速传给下轴，通过下轴带动钻头工作。 为了防止上下轴在联轴锥处打滑，摩擦锥面要求配合紧密，光洁度较高。 近年来在国产2WZ215A型复式涡轮钻具中，已经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2-103所示，图2-103 花键圆锥摩擦联轴器 它有效地解决了主轴间的打滑磨损问题。由于复式涡轮钻具的涡轮级数较多，所产生的轴向水力负荷也较大，因此相应地增加了止推轴承的级数。 为了便于调节涡轮定子与转子问的轴向间隙，把止推轴承都集中装在下面那节涡轮钻具的上端，如图2-102所示。 实践表明，增加

27、涡轮钻具节数(即增加涡轮级数)能在较深地层以足够的扭矩进行钻进。常用的是双节和三节的复式涡轮钻具，但继续增加节数会使轴向间隙的调节变得复杂，使用也不很方便。 4 4、涡轮钻具设计及计算、涡轮钻具设计及计算 从总体上讲，涡轮钻具的几何结构相对复杂，形状特殊的各种零件挤在窄小的空间里，各种参数之间相互制约，往往一动就牵动一连串尺寸和形状的变化，涉及难度相对大。另外，涡轮钻具工作环境恶劣，上有数千米弹性钻柱振动的影响，下有钻头与岩石相互作用的影响，其动力液是含有砂粒和腐蚀性物质的钻井液，同时狭小的井眼又限制了其外径，这些都是涡轮钻具设计时必须考虑的因素。 1 1） 涡轮叶栅及叶形设计涡轮叶栅及叶形设

28、计 涡轮钻具性能的优劣，取决于涡轮叶栅的设计水平，而涡轮钻具的工作寿命则取决于支承节的设计水平。因此，涡轮叶栅的研究和设计是涡轮节结构设计中最关键的环节，也是涡轮性能的保证。 涡轮叶栅的设计是指涡轮副整体结构设计的确定，包括叶栅内外叶冠的形式，涡轮定、转子是否采用对称叶型，叶片的节距，涡轮级高等。 涡轮叶形的设计是指涡轮叶片进、出口角的确定叶片的造型，叶片内流场的计算等方面。 在涡轮叶栅叶形设计之前，应根据钻井工艺的要求，给出在预定的钻井液排量下，涡轮应能提供的转速、扭矩与消耗的压降等技术性能参数。 为了满足配用金刚石钻头进行深井和超深井钻井作业，涡轮钻具的性能应是在中、低排量条件下能提供较大

29、的扭矩和中高转速，还要根据我国目前钻井泵的性能其压降消耗尽量低。 根据上述要求，对涡轮叶片的进、出口角进行反复计算、对比及优化。经优选确定的几种进、出口角参数进行叶片的造形设计，然后用计算机程序 对它们作内流场的二元流动计算，并从中选定2至3种，确定叶栅结构，制成涡轮定、转子模型，并将模型在涡轮10级性能测试台架上作性能测试。经测试数据的分析，修改叶形参数和模型，再测试，最后研制出涡轮的叶栅叶形结构，并应用到相应规格涡轮钻具的样机中。 2 ）均载四支点推力轴承的研究及支承节的）均载四支点推力轴承的研究及支承节的结构设计结构设计 由于独立支承节的寿命决定了涡轮钻具的行程寿命。因此，支承节结构设计

30、的好坏，直接体现了涡轮钻具使用的可靠性。所以，采用何种轴承和轴承组的结构形式，钻井过程中轴承的工作力学，以及轴承材料的选用是最关键的技术之一。 (1(1）轴承组均载结构的研究）轴承组均载结构的研究 由于井眼直径的限制，推力轴承组结构的承载能力只能向轴向发展。因此，轴承组一般都采用串形均载的结构。根据金刚石钻头的工作载荷谱和每付轴承并联工作时的数学力学模型，曾用计算机优化出两种减震弹簧的结构，即U 形及蝶形弹簧。U 形减震弹簧的工作特性较好，可以保持变形后达到恒刚度的工作载荷特性，使每付轴承的受载均匀，但由于制造工艺复杂，成本太高而无法实施。蝶形弹簧虽然制造成本较低，理论上也可行，但由于弹簧刚度

31、大，减震效果差，制造精度难以 达到均载的要求，经试验后放弃。推力轴承组的结构，后由带减震垫的二支点角接触推力球轴承，改进为无减震垫的四支点推力球轴承。四支点轴承亦经历了由分体式 V型软基面的结构改进到整体式球型硬基面的结构，后者只在结构设计和工艺上稍加改进，其均载性能和强度都得到明显突破，井下工作时间可达150200小时以上。 （2）支承节结构设计 支承节采用开式泥浆润滑，在结构设计上除适当提高轴承容量外，为保证进入轴承腔体的泥浆中没有较大颗粒固相，使轴承得到充分的冷却和润滑，在轴承组的入口处，加装了一种固流分离器。 为适应深井和超深井的需要，和涡轮节一样，支承节中取消了橡胶件，为使推力轴承组

32、更有效地工作，在轴承组两端各装有一副TC径向轴承，使支承节的整体寿命得到进一步的提高 。 5 5、涡轮钻具性能参数、涡轮钻具性能参数 1） 涡轮钻具的特性曲线 （1）涡轮钻具的特性参数 在设计、选择和使用涡轮钻具时，首先需要了解它的性能特点。标志涡轮钻具性能特点的特性参数包括扭矩、转速、输出功率n、流量、压力、压力降、消耗功率与效率等项。 其中扭矩N、转速n及输出功率N这三项都是涡轮钻具主铀输出的特性参数，表现了涡轮钻具做机械功的能力和特点； 流量Q、压力降及消耗功率N耗这三项则是液体输给涡轮钻具的特性参数，即涡轮钻具的输入特性参数，而效率则表明涡轮钻具使用的经济性。 （2） 涡轮钻具的特性曲

33、线 为了使用方便，通常把涡轮钻具特性参数间的关系绘成涡轮钻具的特性曲线。 图2-105 涡轮的特性曲线 初步分析一下所得的几条特性曲线 Mn曲线：这是涡轮最主要的特性曲线，它表示涡轮输出轴上的转速n随负荷M的变化规律，它近似地为一条斜直线，即当涡轮轴为空负荷或M0时，涡轮转速n为最大，随着负荷M的增大，转速n成正比地降低，直到涡轮轴被完全制动(n0)时，轴上的扭矩M达到最大值。 Nn及n曲线表示涡轮轴的输出功率及效率随转速的变化规律。 n曲线：在涡轮内的压力降近似为一水平线，即液体能量的消耗，或涡轮的输入能量，基本上不随转速的变化而变。 从特性曲线的分析可见，涡轮轴上的转速取决于轴上负荷M的大

34、小，当负荷增加时，涡轮的转速自动降低。 2 ） 涡轮钻具特性曲线的理论分析 涡轮钻具中最主要的工作元件是涡轮转子和定子。在涡轮内，液体分别和定子及转子叶轮相互作用，使液体能量转化为涡轮轴上机械能。下而来分析液体与涡轮之间的相互作用，特别是液体与涡轮转子之间的相互作用。 （1） 液体在涡轮内的运动规律 涡轮钻具是由成百级结构相同的单级涡轮组成的，因此，只要对一级涡轮内的能量转化规律进行研究，就可以了解整个涡轮钻具的特性。 以下都以单级涡轮的定子和转子为代表进行讨论。 涡轮钻具中的涡轮是轴流式的，轴流涡轮的特点是液体沿轴向流动，从图2-97可看出液体通过涡轮定子和转子的情况。 图 2-97 通过涡

35、轮的液体是在直径为D1和D2的两个同轴的圆柱面间运动(图2-106)，因而它可看作是无数圆柱层液体的合成运动。 图 2-106 涡轮内液体的流动 实践证明，采用涡轮流道内径与外径的几何平均值作为平均计算直径D，算出的性能结果与实际性能相差不大，因此就用平均直径D作为计算直径 （39） 将上述圆柱面展开成平面，圆柱表面与涡轮叶片相交的线，在平面上即为叶片的断面，液体就绕此断面流动，这样，空间的流动就简化成平面流动，如图2-107所示。 图2-107 涡轮转子进口 及出口处的速度三角形 液体流经固定不转的定子时，定子叶片迫使液体沿着它的流道方向运动，在定子出口及转子进口处液体的绝对速度为c1(见图

36、2-107)，c1的方向应切于定子叶片的出口角，即，其速度大小则取决于液体流量的大小。当流经定子的流量为一定时，c1的方向和大小都是定值，而其轴向分速c1Z为 （40） （2） 涡轮钻具中的能力损失、功率和效率 与其它一切水力机械一样，涡轮钻具及其涡轮在工作过程中也有三类损失：水力损失、容积损失和机械损失。 水力损失 涡轮内的水力损失h可分为冲击损失h冲和摩据损失h摩两类 h= + （46） 容积损失 如图2-111所示，高压液体通过涡轮的流量Q可以分为两股液流 (49) 图2-111 涡轮中的 容积损失 机械损失 涡轮钻具中的涡轮要通过其主轴才能带动钻头破碎岩石，而主轴装在一定的支承上，并用

37、一定的密封装置来密封高压液体，因而主轴在旋转时要遇到轴承、密封等的机械摩擦阻力，而且装在主轴上的转子叶轮在液体中旋转，也有圆盘摩擦损失，因而要消耗一定的摩擦功率。 ） 典型涡轮钻具性能参数 240、175、165三种涡轮钻具的性能参数如下列表格所示。 表 240涡轮钻具性能参数(两根长涡轮节组合,泥浆密度为1) 表2 175涡轮钻具性能参数(两根涡轮节组合,泥浆密度为1) 表 165涡轮钻具性能参数(两根涡轮节组合,泥浆密度为1) 6、 涡轮钻具操作规程 1)为了防止涡轮流道堵塞及轴承的过早磨损，井队必须具备良好的钻井液处理设备，涡轮入口固相颗粒必须小于0.074毫米，含砂量尽可能要低。建议使

38、用钻杆滤清器或安装立管滤清器。 2)钻头的切削齿需选用适合于涡轮钻具的中高速型（水眼压降建议不超过2.0兆帕）。 3)尽量避免涡轮空运转和划眼作业，因为这将造成涡轮钻具过快的磨损。 4)下钻时，特别是在接近井底时不能过快，以防止钻头水眼堵塞。 5)下钻遇阻时，要及时开泵循环，不得强行下钻。 6) 正常情况下，当钻头下到距井底12米时，进行钻井液循环和涡轮起动。 7)短时间冲洗井底后，将钻头放至井底开始钻进，此时应以小钻压进行井底造型，然后缓慢加钻压，寻求一个能使涡轮钻具和钻头在最高机械钻速下工作的钻压。但不能超过钻头规定的钻压。 8)当涡轮钻具因超载（钻压过大）而被制动时，必须上提钻柱，然后将

39、钻具慢慢放至井底，再逐渐加大钻压，达到如前所指的最佳钻压。 9) 送钻要均匀,尤其不允许将钻具猛触井底。本涡轮钻具有低速降压的特性，当发现钻速不正常下降，且压力亦呈下降趋势时，可轻提钻具减少钻压，以提高涡轮转速，增加进尺速度。 10)在涡轮钻进过程中，可定期用转盘缓慢转动钻杆，以免钻具“粘附”在井壁上，否则既影响钻速又会使指重表读数不准。 11)在涡轮钻进过程中，不允许转盘反转，特别是在处理轻微卡钻时更应注意。 12)在钻进过程中，如停泵，则应将钻具略微提离井底，以防环空钻井液倒流和钻屑堵塞钻具。 13)涡轮钻具起出井口后，如暂不使用时，应注满清水，两头上好护丝，拆下井台平置在钻杆架上。若七至

40、十天内不再使用，应立即送专门的维修站清洗上油后存放。 7、 涡轮钻具现场应用简况 1）240涡轮钻具应用简况 2）175、165涡轮钻具应用简况 3） 涡轮钻具使用效果分析 8、小结 涡轮钻井技术具有如下优势： 1） 用先进的涡轮钻具钻井，不仅机械钻速高、行程钻速快、达到缩短建井周期、大幅度地降低钻井成本的目的，而且将进一步推动钻井技术向科学钻井方面前进一大步。 2）井身质量好，井径规则。 3）由于所需钻杆转速低或钻杆基本不旋转，可以减少钻柱的损耗，避免井下钻杆断裂等恶性事故的发生。 4）由于井径规则，固井时水泥用量可减少2530。 5）可以保护技术套管 6） 利用涡轮钻具的自然左漂来扭方位，另外，低钻压高转速快速钻进，可以实现防斜打快。 7） 维修费用低，节省原材料。