渦輪鉆具及其應(yīng)用

1、,渦輪鉆具結(jié)構(gòu)及應(yīng)用,渦輪鉆具結(jié)構(gòu)及工作原理,渦輪鉆具有一系列轉(zhuǎn)子和定子組成。轉(zhuǎn)子是安裝在一根豎直軸上的很多葉片，而定子則固定在渦輪鉆具的本體上。每對轉(zhuǎn)子定子副稱為一“級”。通過每級的壓降是固定不變的，所以級數(shù)的多少受到有效總水頭的限制。每級渦輪產(chǎn)生的扭矩和功率是相等的，相加起來為渦輪輸出的總扭矩和總功率。,渦輪鉆具結(jié)構(gòu)及工作原理,軸承的壽命是渦輪鉆具使用中的關(guān)鍵因素。軸承的壽命決定了渦輪鉆具井下工作時間。 止推軸承 承受作用在渦輪上的軸向載荷 徑向軸承 對驅(qū)動軸起扶正作用?？梢园褟较蜉S承和止推軸承組合在一起。 下軸承 對驅(qū)動軸的下部進(jìn)行扶正，并抵抗鉆井時作用在渦輪上的彎曲應(yīng)力。,止推軸承,徑

2、向軸承與止推軸承組合,渦輪鉆具結(jié)構(gòu)及工作原理,當(dāng)鉆井液在泵的驅(qū)動下通過渦輪時，定子使鉆井液流偏轉(zhuǎn)，沖擊轉(zhuǎn)子，迫使轉(zhuǎn)子帶動豎直軸做順時針轉(zhuǎn)動。止推軸承用來承受軸向載荷，而徑向軸承對軸起扶正作用。在液流通過多級渦輪后，其中分出少量的液流流過下部軸承并進(jìn)行潤滑，其余的液流則進(jìn)入主軸下段內(nèi)部的空心流道，流經(jīng)噴嘴進(jìn)入環(huán)空。,渦輪鉆具縱向剖面示意圖,渦輪鉆具的工作特性,渦輪鉆具基本上是一臺軸流式機(jī)械，在其內(nèi)部的液流的能量傳遞到轉(zhuǎn)子主軸上。因為半徑處處保持不變，所以不存在明顯的徑向液流。液流通過渦輪時的絕對速度可被分解為平行于y軸的分量Vy和切向分量Vt。在推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時只有Vt做有用功。 由動量守衡定理推

3、導(dǎo)出 由以上關(guān)系可以看出，渦輪的扭矩、功率、和壓降都與鉆井液密度p成正比，與排量Q的冪成正比。即,鉆井液流經(jīng)渦輪的速度矢量分析圖,渦輪鉆具的工作特性,渦輪輸出轉(zhuǎn)速與扭矩間的關(guān)系 當(dāng)通過渦輪的液流不受阻力時，轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值，稱為“空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速”，相應(yīng)阻力矩為零；當(dāng)渦輪發(fā)生制動，轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)，阻力矩達(dá)到最大值。 渦輪鉆具總效率 Eh水力效率，考慮壓力變化和 進(jìn)出、口的水力損失； Ev轉(zhuǎn)子與定子間漏失的鉆井液 造成的損失； Em軸承內(nèi)的摩擦損失； 有效輸出功率,在定排量時渦輪鉆具的 典型特性曲線,渦輪鉆具的地面檢查,渦輪鉆具在入井前需進(jìn)行地面檢查 在渦輪鉆具的下端，用卡尺在下軸承端部和軸肩之間測量軸向間隙

4、在懸掛和靜止兩種情況下進(jìn)行測量，其間隙值是d1d2。新的渦輪鉆具間隙值約為1mm，廠家給定的最大磨損量為56mm。 徑向間隙用尺子和分度儀表進(jìn)行測量。徑向間隙必須是1mm或最大2mm。,渦輪鉆具的標(biāo)準(zhǔn)組件,常規(guī)的T3（三級馬達(dá)）渦輪鉆具圖,工具全長大于70英尺（21.3m) （精確長度根據(jù)不同工具尺寸（外徑）來定）,渦輪鉆具的標(biāo)準(zhǔn)組件,渦輪葉片盤排列圖,渦輪鉆具的標(biāo)準(zhǔn)組件,渦輪彈性軸承排列圖,渦輪鉆具的標(biāo)準(zhǔn)組件,渦輪徑向軸承排列圖,HNBR型橡膠,下徑向軸承,中間徑向軸承,渦輪鉆具的標(biāo)準(zhǔn)組件,軸承部分驅(qū)動軸下部流態(tài)圖,渦輪鉆具的改進(jìn),渦輪鉆具葉片的設(shè)計原理,MK 1是恒壓降型,不管驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速

5、有多快,葉片產(chǎn)生的壓降不變,這是三種葉片中效率最高的,主要應(yīng)用在直井鉆井中 MK 2是壓降變化型,地面壓力隨著驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速的降低而減小,它的工作效率比MK1稍低,但是給司鉆的提供了更多的鉆頭運轉(zhuǎn)狀況的反饋信息,主要應(yīng)用在定向井鉆井中 MK 3和MK 2同屬于壓降變化型,但是比MK2結(jié)構(gòu)性能加強了,從而可以用在高壓、大排量的環(huán)境中,渦輪鉆具的改進(jìn),渦輪鉆具葉片的壓力分布圖,渦輪鉆具的改進(jìn),渦輪鉆具軸承座圈圖,PDC止推軸承具有較高的耐研磨能力，可以在超高溫（目前最高溫度233 ）下工作，并能夠承受較大的軸向載荷 PDC材質(zhì)具有較小的摩擦系數(shù)，不受鉆井中存在的天然的或者泥漿里的化學(xué)物質(zhì)的影響 軸承的

6、承載能力和低摩擦系數(shù)從而使其高效、結(jié)構(gòu)緊湊，因此也大大縮短了鉆具長度,渦輪鉆具的改進(jìn),軸承受力和承受載荷圖,泵排量 750gpm（3410L/m）,用標(biāo)準(zhǔn)的9-1/2T3(MK1)渦輪鉆具,渦輪鉆具的改進(jìn),渦輪平衡鼓圖,渦輪鉆具的改進(jìn),渦輪平衡鼓（TSB型）圖（TSB型是指由單級馬達(dá)組成的渦輪鉆具，旁通閥是直接通到環(huán)空的）,注意： 對于4-3/4或者更小的工具，平衡鼓不需要使用，因為推 力是非常小的，而且也可以被鉆壓平衡掉,渦輪鉆具的改進(jìn),渦輪平衡鼓（TSH型）圖（TSH型是指由單級馬達(dá)組成的渦輪鉆具，旁通閥是通過中空的驅(qū)動軸到鉆頭）,TSH型利用中空驅(qū)動軸流向旁通,渦輪鉆具的改進(jìn),金屬徑向軸

7、承圖,注意： 已經(jīng)成功地在超過260的高溫環(huán)境中操作過,渦輪鉆具的改進(jìn),FBS渦輪鉆具的典型結(jié)構(gòu)圖FBS是指由固定的或可調(diào)節(jié)的彎筒組成的定向軸承式的渦輪鉆具,渦輪鉆具的改進(jìn),目前FBS型渦輪鉆具的尺寸,鉆具尺寸 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 ,渦輪鉆具定向性,穩(wěn)定性,注意：渦輪鉆具頂部鉆柱穩(wěn)定器的尺寸大小也可對整個鉆具的穩(wěn)定性實現(xiàn)“微調(diào)”,渦輪鉆具定向性,撓性鈦驅(qū)動軸,可調(diào)彎外殼（帶開口環(huán)）,

8、可調(diào)彎外殼（不帶開口環(huán)）,可調(diào)彎外殼的調(diào)節(jié)范圍為0.85-1.5,相應(yīng)的狗腿范圍控制在2-12/100英尺（詳細(xì)準(zhǔn)確的參數(shù)查閱性能參數(shù)表）。彎角的調(diào)節(jié)是通過旋轉(zhuǎn)開口環(huán)兩側(cè)的半筒來實現(xiàn)的,渦輪鉆具定向性,反扭矩,容積式液動馬達(dá),渦輪鉆具,渦輪鉆具定向性,定向能力,渦輪鉆具的振動性,容積式馬達(dá)和渦輪鉆具對比,渦輪鉆具耐高溫高壓性能,渦輪的優(yōu)點,不受高溫限制 葉片類型和數(shù)量適應(yīng)泥漿比重和壓力限制 適應(yīng)地面低轉(zhuǎn)速要求 使用孕鑲式金剛石鉆頭不需要“壓力平衡” 過去的10年中，在高溫高壓下鉆尺超過300,000米,渦輪鉆具耐高溫高壓性能,流體靜壓頭對塑性頁巖的影響,井眼質(zhì)量,穩(wěn)定性對比,不穩(wěn)定的容積式馬達(dá)

9、能夠使鉆頭產(chǎn)生過多的橫向運動，從而導(dǎo)致井眼質(zhì)量非常差，出現(xiàn)螺旋形井眼,穩(wěn)定的渦輪鉆具帶有長保徑的母扣鉆頭，這極大地減少了鉆頭的橫向運動，從而獲得了高質(zhì)量的井眼，同時也極大地降低了出現(xiàn)螺旋形井眼的風(fēng)險,井眼質(zhì)量,倒懸鉆頭的改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖,井眼質(zhì)量,螺旋形井眼,超聲波井徑儀測井曲線圖,螺旋井眼中井底鉆具機(jī)械狀態(tài)圖,結(jié)果：在井底鉆具旋轉(zhuǎn)時，就會出現(xiàn)大扭矩、阻力大現(xiàn)象，并可能損壞井底鉆具；或者進(jìn)行劃眼時會出現(xiàn)持續(xù)的“鉆柱懸空”現(xiàn)象,井眼質(zhì)量,螺旋形井眼,渦輪鉆具，帶鉆頭母扣連接的穩(wěn)定器,渦輪鉆具，帶鉆頭母扣連接的穩(wěn)定器在研磨性地層中由于螺旋形井眼引起的反轉(zhuǎn)磨損圖,渦輪鉆具，帶頂端母扣連接鉆頭，防止井眼螺旋

10、形的最佳解決方案,欠平衡鉆井的配合,欠平衡鉆井中為什么使用渦輪鉆具？,欠平衡鉆井的配合,金屬徑向軸承： 100的消除減壓影響 耐高溫,實用的加長馬達(dá)部分： 超長5英尺以上 比標(biāo)準(zhǔn)馬達(dá)單元多50以上 承受的壓力比標(biāo)準(zhǔn)馬達(dá)高50以上,MK3型葉片： 壓力分散型 比標(biāo)準(zhǔn)馬達(dá)承受壓力高40以上 復(fù)合材質(zhì) 高抗腐蝕性和抗侵蝕性,FBS型定向軸承部分（帶先進(jìn)PDC軸承）： 高流量 較好的抗液流推力能力 耐高溫、抗氣侵,欠平衡鉆井的配合,在北海地區(qū)：,在北海南部，殼牌公司已經(jīng)完成20多口欠平衡鉆井和低井口井 這些井中，很多是多個目的層 這些井中，所有油藏都是用渦輪鉆具鉆穿的 其中幾口井涉及到裸眼側(cè)鉆，這些也

11、都是用渦輪鉆具完成的,欠平衡鉆井的配合,欠平衡鉆井使用渦輪鉆具的全球業(yè)績,渦輪鉆具在鉆井中的應(yīng)用,4 TS1XL 型渦輪鉆具在北海南部創(chuàng)世界紀(jì)錄 渦輪鉆具在阿爾及利亞的新紀(jì)錄 960 米單趟進(jìn)尺 典型的欠平衡側(cè)鉆應(yīng)用實例 7 14渦輪鉆具美國懷俄明州的歷史記錄 連續(xù)油管定向渦輪鉆具在欠平衡鉆井中的應(yīng)用 渦輪鉆具在阿曼的使用情況 6 5/8定向渦輪鉆具在挪威Statfjord油田 的業(yè)績 渦輪鉆具在英國北海Marnock油田的應(yīng)用 6 5/8定向渦輪鉆具套筒式軋鑄鉆頭的組合鉆井,4 TS1XL 型渦輪鉆具在北海南部創(chuàng)紀(jì)錄,TS1XL渦輪 配KGR50CTPXX潛鑄式（孕鑲式？）金剛石鉆頭提供動力

12、，在北海南部Shell Expro的一口水平井6井眼里創(chuàng)造了單趟進(jìn)尺1974.5m世界記錄。 渦輪的總循環(huán)時間長達(dá)308h。,下鉆深度：10676英尺（3254m） 起鉆深度：17154英尺（5228.5m)進(jìn)尺：6478英尺（1974.5m） 平均機(jī)械轉(zhuǎn)速：33.1ft/hr(10m/hr)正常進(jìn)尺：5224英尺（81） 造斜進(jìn)尺：1254英尺（19）,渦輪鉆具在阿爾及利亞的新紀(jì)錄,4 3/4FBS T1-MK2型渦輪鉆具曾在阿爾及利亞的Cambrian RA完成了最長的一次進(jìn)尺。 在Sonahess 的一口水平井上，用4 3/4FBS T1-MK2型渦輪鉆具帶6 潛鑄式金剛石鉆頭，以4.2

13、m/h機(jī)械轉(zhuǎn)速，在EI Agreb油田的Cambrian Ra單趟進(jìn)尺達(dá)到了960米。 在Cambrian Ra使用PDM鉆具，用高速馬達(dá)的情況下，最好的進(jìn)尺是588米（機(jī)械轉(zhuǎn)速為2.9米/小時）。,典型的欠平衡側(cè)鉆應(yīng)用實例,在6井眼里面，用4 3/4TS1(MK3)型、1.25導(dǎo)向渦輪鉆具帶潛鑄式金剛石鉆頭完成了一口裸眼定向井。水平段中渦輪鉆具總進(jìn)尺是3902英尺（1189米），首先是鉆了754英尺（230米），然后由于導(dǎo)向工具出現(xiàn)問題起鉆，重新下進(jìn)去后又鉆了3148英尺（960米）到井底。 導(dǎo)向進(jìn)尺2647英尺（806.8米），全程機(jī)械轉(zhuǎn)速=37.3英尺小時（11.4米小時），渦輪鉆具總循

14、環(huán)時間=262小時。,位置：英國的北海南部 鉆完深度：19200英尺（5852.16米）地層：Rotliegendes SST 金剛石鉆頭：S280G89Y泥漿類型：水基泥漿 泥漿比重：8.6ppg（1.03g/cm3）排量：220Gpm（0.8m3/min） 鉆壓：212Klbs（0.9-5.4 t）井底壓力：1600psi(11Mpa) 地面壓力：3400psi(23.4Mpa),7 14渦輪鉆具美國懷俄明州歷史記錄,用7 1/4Sii Neyrfor渦輪鉆具帶9 1/2XTG46 Smith潛鑄式金剛石鉆頭在伯靈頓能源公司創(chuàng)造了世界紀(jì)錄：鉆到井底用了655h，渦輪鉆具的循環(huán)時間達(dá)到705

15、h，機(jī)械轉(zhuǎn)速是0.8m/h。 完成了9 1/2井眼部分，共鉆529.4米，深度超過了7315.2米。 完全適應(yīng)1.92g/cm3油基泥漿和井底溫度超過193的工作環(huán)境。 在鉆到井底后，發(fā)現(xiàn)渦輪鉆具和鉆頭依然處于良好的工作狀態(tài)。,連續(xù)油管渦輪在欠平衡鉆井中應(yīng)用實例,世界第一次：連續(xù)油管使用定向渦輪鉆具在帶壓進(jìn)行欠平衡鉆井 用連續(xù)油管接3-3/8T2(Mk2)型定向渦輪鉆具，用帶壓進(jìn)行欠平衡鉆井的方式，鉆完了3-7/8井眼的延伸段。平均機(jī)械鉆速達(dá)7.62m/h，共鉆進(jìn)158.2米，達(dá)到了所有施工目的。 比相同層位的螺桿鉆井機(jī)械鉆速高出250。,位置：挪威 鉆完深度：12800英尺（3901.44米

16、）地層：MudST/SST 金剛石鉆頭：D 72 901U泥漿類型：鹵水 泥漿比重：8.6ppg（1.03g/cm3）排量：90Gpm（0.34m3/min） 鉆壓：13Klbs（0.45-1.33 t）井底壓力：700psi(0.05Mpa) 地面壓力：3900psi(26.9Mpa),渦輪鉆具在阿曼的使用情況,6 5/8的FBS型定向渦輪鉆具 單趟管柱328小時的運轉(zhuǎn)時間 井筒里18天 機(jī)械轉(zhuǎn)速4.88m/h 成功的完成了所有的定向目標(biāo),位置：PDO Oman Well Ajeeb 1 初鉆深度：10797英尺（3290.9米）鉆頭類型：8 3/8Smith MA89PX PDC 完鉆深度

17、：14862英尺（4529.9米）變鈍級別：3:3:WT:A:X:2:LT:BHA 總進(jìn)尺：4065英尺（1239米） 地層巖性：硬石膏巖、含鹽巖、粘土巖 泥漿比重：15.7ppg（1.88g/cm3）為“S”型井眼，斜角達(dá)到9.3度，又降到3.2度 方位角 進(jìn)出：120.6/269.4度 彎筒角度調(diào)到1.0度井斜 進(jìn)出：5.0/3.2度,6 5/8定向渦輪鉆具在挪威Statfjord油田 的業(yè)績,單趟管柱鉆完井段 減少了起下鉆次數(shù)，縮短建井周期 井斜從22.590 方位角從158 30 從AFE共鉆了9.5天,渦輪鉆具在英國北海Marnock油田的應(yīng)用,英國北海，Marnock油田，BP ETAP項目 8 井段，大約65井斜角開始鉆，然后水平導(dǎo)向鉆至井底。 防砂管方式完井,6 5/8定向渦輪鉆具套筒式軋鑄鉆頭的組合鉆井,井名:22/24a-A02 ，平均機(jī)械鉆速8.9m/h，總進(jìn)尺1177.14米m。 井名:22/24a-A01zz，平均機(jī)械鉆速12.8m/h，總進(jìn)尺556.9m （單趟完成了上傾段和水平段鉆至井底） 。 井名:22/24a-A04 ，平均機(jī)械鉆速6.16m/h，總進(jìn)尺307.9m。 井名:22/24a-A04z（裸眼側(cè)鉆井），平均機(jī)械鉆速8.14m/h，總進(jìn)尺597.8m。,全球渦輪鉆具的故障平均間隔時間（1990年2004年間的所有工具）,總下