涡轮钻具介绍

深圳百勤石油技术有限公司涡轮钻具技术介绍目录涡轮钻具的发展史涡轮钻具同PDM的对比涡轮钻具结构性能介绍-基本特征-标准组件-钻具的改进-定向性-振动性-耐高温高压性-井眼质量-欠平衡钻井的配合涡轮钻具的业绩涡轮钻具总结涡轮钻具发展史•涡轮原理在几百年前已存在(如风车),现在也广泛应用于航空器和发电厂等领域•1873年美国就公布了用井下螺杆给钻头提供动力的技术专利，这个专利比旋转钻井专利早11年•19世纪20年代后期涡轮钻具在俄罗斯开始开发，在1924年成功将涡轮钻具应用到钻井中。•1956年法国Neyrpic（目前Sii-Neyrfor公司的前身）公司最先取得俄罗斯工具的生产许可,首次在西方钻井中使用涡轮钻具发展史•Neyrfor、Preussag、Dresser、Christensen和其他的一些公司开始生产涡轮钻具，但是Neyrfor公司一直占据市场的主导地位。目前除俄罗斯外，Sii-Neyrfor生产的涡轮钻具占世界销售市场的90％以上•1982年Neyrfor公司首次在油田定向井中推广使用定向钻井系统，大大减少了起下钻次数，降低了成本•1992年先进的PDC轴承、平衡毂和弯筒技术引进到涡轮钻具中，PDC轴承的使用使涡轮钻具适应超高温的钻井环境，大大提高了涡轮的效率，导向技术大大提高了钻井定向的能力•2002年低速、大扭矩涡轮系统的开发大大扩展了涡轮钻具的应用优势涡轮钻具发展史井下动力钻具基本原理•动力钻具是转换液能到机械能•输出动力小于输入动力•一般来讲，输出动力大约是输入动力的55－65％•影响传输特性的主要因素是效率的输出和效率的保持•提高性能和可靠性的关键是先进的设计和科学选材应用在所有液动动力钻具（如容积式液动螺杆和涡轮钻具）中的简单物理特性和参数：井下动力钻具基本原理任何井下动力钻具的功率计算方法（英制单位）：•机械功率＝（速度×扭矩）／5252•液力功率＝（压降×流量）／1714•动力钻具功率＝液力功率×效率涡轮钻具同PDM对比涡轮钻具和容积式液动螺杆对比•属于反作用式螺杆泵•扭矩／速度的应用范围取决于波瓣的比率•压降和扭矩成比例•相对来讲比较容易组配工具涡轮钻具和容积式液动螺杆对比容积式液动螺杆的主要技术特点：•本身固有的机械性能限制了使用寿命，而且动力也受到温度的极大限制•容易受到憋停的损坏•液动噪音和较差的轴向平衡能力引起严重的颤动，并传输到钻头和钻柱组件（如随钻测量工具串等）涡轮钻具和容积式液动螺杆对比容积式液动螺杆的主要技术特点：•本身的机械性能提供了较高的动力潜能•极高的可靠性•几乎完美的轴向平衡•动力系统不再依赖于橡胶材质•采用了液力联轴节效应（不再由于憋停而损坏）涡轮钻具和容积式液动螺杆对比涡轮钻具的主要技术特点：•转速可达800rpm至2000rpm•采用适用于高转速的专用钻头•强动力输出•在小井眼中效果更好涡轮钻具和容积式液动螺杆对比涡轮钻具的主要技术特点：•性能参数如下：▲排量530gpm、工作压差1160psi、输出效率60％的情况下，最大可得到215马力的输出功率▲但是实际中工作压差更可能是大约400psi-600psi，所以在工作压差600psi、输出效率60％时，最大输出功率是111马力注意：容积式液动螺杆的效率随着工作时间的增长快速下降涡轮钻具和容积式液动螺杆对比6-3/4″M2PXL(2:3波瓣）：•性能参数如下：▲排量530gpm、工作压差1676psi（用比重10ppg的泥浆）、输出效率55％的情况下，最大可得到285马力的输出功率。同容积式液动螺杆在工作压差1160psi时的输出功率相比高出PDM30％多▲如果按照PDM的实际工作压差仅是600psi计算，那么使用该涡轮钻具提供的功率是PDM的150％多注意：涡轮钻具的效率下降非常慢，即使是在几百小时的工作后，涡轮钻具的工作效率也只是有很少的下降涡轮钻具和容积式液动螺杆对比Sii-Neyrfor6-5/8″FBST1MK2型涡轮钻具：涡轮钻具结构性能介绍涡轮钻具的基本特征飞机机翼的基本原理流动空气举升力（比如功率）是通过压差产生的，机翼下面的压力较高，机翼上部的压力较低涡轮钻具的基本特征液体动力流态图（如流量×压力）轴向推力旋转涡轮钻具的基本特征扭矩/速度/功率关系图憋停转速扭矩\功率功率空转标准速度涡轮钻具的标准组件常规的T3（三级动力单元）涡轮钻具图工具全长达70英尺（21.3m)（精确长度根据不同工具尺寸（外径）来定）涡轮钻具的标准组件涡轮叶片盘排列图转子叶片盘定子叶片盘泥浆流组配的单级动力转子叶片盘定子叶片盘涡轮本体动力部分涡轮驱动轴涡轮钻具的标准组件涡轮弹性轴承排列图移动盘固定盘垫环移动盘前轴承前轴承稳定器迷宫环止推轴承可调弯筒挠性轴钻头母扣稳定器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涡轮钻具的标准组件轴承部分驱动轴下部流态图±95％流体口涡轮钻具的改进涡轮钻具叶片的设计原理定子(上)和转子(下)尾流状态图等同于飞机机翼的原理,利用涡流在叶片两面产生的压差来使转子发生转动,压差的大小和叶片的形状和涡流进入叶片的角度相关•MK1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•MK2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•MK3和MK2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、大排量的环境中涡轮钻具的改进涡轮钻具叶片的压力分布图钻头转速扭矩涡轮压降钻井范围标准压力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℃）下进行作业，并能够承受较大的轴向载荷•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涡轮钻具的改进轴承受力和承受载荷图钻压推力＞110,000lbs（50t)80000lbs（36t)钻压±30,000lbs（14t)泵排量750gpm（3410L/m）用标准的9-1/2″T3(MK1)涡轮钻具轴向轴承轴向轴承止推轴承止推轴承止推轴承止推轴承止推轴承止推轴承水平力水平力钻压反作用力涡轮叶片上液压的垂向力涡轮钻具的改进涡轮平衡毂图驱动轴平衡毂衬套大约3％的液体流到环空（TSB型）或从中空的驱动轴向下通过轴内腔流进轴承段，流到钻头（TSH型）流进涡轮钻具的主泥浆流涡轮钻具的改进涡轮平衡毂（TSB型）图（TSB型是指由单级动力单元组成的涡轮钻具，旁通阀是直接通到环空的）平衡毂的受推力面叶片等的受推力面合成的受推力面平衡毂直径‘Dd’推力推力涡轮叶片液流直径推力的影响效果：6-5/8″:推力降低了50％9-1/2″:推力降低了70％液流注意：对于4-3/4″或者更小的工具，平衡毂不需要使用，因为推力是非常小的，而且也可以被钻压平衡掉涡轮钻具的改进涡轮平衡毂（TSH型）图（TSH型是指由单级动力单元组成的涡轮钻具，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流向环空？TSB型：是TSH型：不是TSH型平衡毂的驱动轴内部是中空的，该型平衡毂的衬套装有现场可更换的喷嘴，便于选择流入旁通的流量的百分比，该喷嘴也可以完全堵塞（平衡流体流过驱动轴）涡轮钻具的改进金属径向轴承图下径向轴承激光碳化表面（套筒）碳化壁衬里（轴衬）注意：已经成功地在超过260℃的高温环境中操作过涡轮钻具的改进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带一体式涡轮套筒的母扣型钻头末端公扣型驱动轴下径向轴承PDC止推轴承钛金属挠性驱动轴下轴承稳定器弯筒可调稳定器单级动力单元涡轮止推平衡毂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″涡轮钻具定向性稳定性长保径母扣型钻头下轴承稳定器（一般为比钻头小1/16″-1/8″）可调弯筒在旋转状态下，不同的可调式“中间”稳定器的尺寸大小用于控制精确定向注意：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”涡轮钻具定向性挠性钛驱动轴可调弯筒（带开口环）可调弯筒（不带开口环）可调弯筒的调节范围为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）。弯筒角度的调节是通过旋转开口环两侧的半筒来实现的°°涡轮钻具定向性反扭矩容积式液动螺杆涡轮钻具涡轮钻具定向性性定向能力（井斜大于15°的斜度）可调涡轮钻具的尺寸可调弯筒的角度狗腿范围（度/100英尺）91/2″0.851.004565/8″0.751.001.2546843/4″1.001.251.508101233/8″1.2517狗腿程度的大小是根据井眼尺寸、地层类型和钻头类型的不同而变化涡轮钻具的振动性容积式螺杆和涡轮钻具对比用涡轮钻具时的颤动性用容积式螺杆时的颤动性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•使用孕镶金刚石钻头不需要“压力平衡”•过去的10年中，在高温（140℃以上）高压下钻尺超过300,000米涡轮钻具耐高温高压性能流体静压头对塑性页岩的影响涡轮钻具耐高温高压性能流体静压头对塑性页岩的影响井眼质量井眼质量为什么是重要的？经检验它是确定井眼质量的主要因素另外：•能确保钻压的顺畅传递•降低扭矩，减小阻力•有助于大大降低钻柱的卡钻事故•容易下入测井工具•提供较好的测井质量数据（使用贴井壁工具时）•容易下入套管/衬管/取芯筒•容易下入完井设备基本上在全过程钻井中提供了较高的效率井眼质量不稳定性和稳定性对比不稳定的容积式螺杆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井眼质量钻具的改进结构图长保径公扣连接长保径公扣连接短保径公扣连接长保径上母扣钻头近钻头稳定器末端母扣连接的驱动轴底轴承稳定器末端母扣连接的驱动轴钻头母扣连接稳定器底轴承稳定器底轴承稳定器底轴承稳定器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；或者会出现持续的“钻柱悬空”现象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，带顶端母扣连接钻头，防止井眼螺旋形的最佳解决方案欠平衡钻井的配合欠平衡钻井中为什么使用涡轮钻具？钻井效率：方位的控制：•高可靠性－在欠平衡钻井中已经获得了单趟钻柱运转308小时的记录•单趟钻柱完成造斜或侧钻，然后钻到井底的记录•为高机械钻速提供高动力•靠稳定工具提供优质井眼•连续稳定的工具界面•较好的随钻测量信号先进的欠平衡钻井的配合金属径向轴承：⒈100％的消除减压影响⒉耐高温实用的加长动力部分：⒈超长5英尺以上⒉比标准动力单元多50％以上⒊承受的压力比标准动力高50％以上MK3型叶片：⒈压力分散型⒉比标准动力单元承受压力高40％以上⒊复合材质⒋高抗腐蚀性和抗侵蚀性FBS型定向轴承部分（带先进PDC轴承）：⒈高流量⒉较好的抗液流推力能力⒊耐高温、抗气侵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•这些井中，很多是多层结构•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欠平衡钻井的配合欠平衡钻井使用涡轮钻具的全球业绩•成功进尺超过100,000英尺（30480m）•工作时间超过8,000小时•44％为定向进尺•最长下入深度为6478