石油钻采机械概论——井下动力钻具(版本).ppt

井下动力钻具 机自（卓越）1101 包立军Content 概述 定义：井下动力钻具是指能把钻井液的能量转化为钻井破岩动力的井底钻具。 由于井下动力钻具(井底马达)具有高转速，可以显著提高机械钻速，特别是与PDC钻头配合使用将大大地提高钻井速度 优势：井下动力钻具在西方发达国家已被确定为定向井、丛式井、大斜度井、水平井和抢险救援井的最佳钻井工具之一 术语 进尺：钻进获得以米为度量单位的长度数值。一个作业班(8小时)内的钻进长度，称为班进尺，此外有日进尺、月进尺、年进尺等；一个钻头所钻的总深度，称钻头进尺；进尺是钻探或钻井的工作量指标，是钻探计划、统计、核算、定额等的一个基本项目 压力降：压力降指的是压差，一般指流体经过某容器或设备等所损失的压力。 分类 电动钻具 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。特别是三牙轮钻头的纵向振动厉害，电动钻具的工况恶劣，使用寿命仅有30~40小时 应用 40年代末，电动钻具随着涡轮钻具的发展而逐渐被淘汰。在西方国家，电动钻具现已基本绝迹。在独联体，仅有少数井队使用电动钻具钻水平井和大斜度延伸井，年钻井进尺不到涡轮钻具钻井进尺的1%。 涡轮钻具 液动马达，涡轮壳体里面装有多级成对的涡轮定转子 工作时钻井液在泵的作用下首先进入涡轮定子，涡轮定子使钻井液具有一定的方向和速度进入涡轮转子，涡轮转子使钻井液的水力能量转变为涡轮钻具输出轴驱动井底钻头的转动机械能。 涡轮钻具转速范围大，可使用牙轮钻头、PDC钻头和各类孕镶金刚石钻头 优点 优点：具有高速大扭矩的软特性，无横向振动，机械钻速高； 全金属的涡轮钻具耐高温，适宜于深井和高温环境下作业； 对油基钻井液不敏感，能适应在高密度的钻井液中工作。 缺点 一是输出转速高，超过了牙轮钻头的最佳额定工作转速范围[100-270r/min]，不仅使牙轮钻头的使用寿命大为降低，而且钻头与井底的接触时间短，每转所获得的能量少，破岩效果不佳； 二是压力降消耗大为6~8MPa，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； 三是整机尺寸过长，单式涡轮钻具的力矩太小，不能产生足够的钻井动力，复式涡轮钻具一般长达20以上，不能满足钻定向井和钻大斜度井的工艺要求； 四是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。对于直径小于的井眼，涡轮钻具在结构上很难实现 螺杆钻具 SmithInternational公司根据Moineau泵原理设计[Moineau泵即单螺杆泵，1932年，法国工程师Moineau发明] 钻井液为动力，把液体压力能转为机械能的容积式井下动力钻具。 当泥浆泵泵出的泥浆流经旁通阀进入马达，在马达的进、出口形成一定的压力差，推动转子绕定子的轴线旋转，并将转速和扭矩通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业 螺杆钻具结构特征 1—旁通阀；2—多级马达；3—万向轴节；4—驱动轴 优点 在性能上，具有低速、大扭矩的特征，压力降在4MPa以下，单瓣（或称单头、单线）螺杆钻具的输出转速低于，多瓣螺杆钻具的输出转速为一适合与牙轮钻头配套钻井。在结构上，具有零件少、装配简单、维修工作量小的特点，小尺寸规格的钻具也容易制作。整机长度比较适合于钻定向井和丛式井的工艺要求 缺点 具有低速大扭矩的硬特性；过载能力强，操作方便；结构简单，钻具较短，维修方便。缺点是:需定排量工作，有横向振动；对油基钻井液敏感，不适应在高密度钻井液中工作；橡胶定子耐高温性差，不宜于深井作业 在超深井和大位移斜井及水平井中，为减少井下事故的发生，提高螺杆钻具的安全可靠性是非常必要的，这也是螺杆钻具质量稳定性的重要体现 导向涡轮钻具 英国壳牌勘探开发公司运用涡轮钻具、螺杆钻具和转盘钻在Barque油田和Clipper油田二叠组进行了51井次对比试验，三者平均机械钻速分别为14.39m/h、5.49m/h、8.08m/h，这说明涡轮钻具在深井硬地层仍有其独特优势。 法国Neyrfor公司和苏格兰Weir公司决定把螺杆钻具的优点引入涡轮钻具，两家联合制定了一个“导向涡轮钻具”的研制计划。 导向涡轮钻具试验及其成果 1990年，导向涡轮样机试制和台架试验； 1991年，北海油田，样机试验 据报道：样机试验获得了巨大成功导向涡轮钻具在油基钻井液中连续运转217小时，不仅机械钻速高，井下定位准确，而且降低了钻井成本。 叶片钻具 新型井下动力钻具，法国威利斯伯格帝国石油工具公司，将涡轮钻具的结构引入螺杆钻具，独家开发一种新的钻井工具——叶片钻具 由马达节和支承节两部分组成，钻水平井时可在二者之间加一万向联轴