井下动力钻具.ppt

井下动力钻具 井下动力钻具 主要包括：涡轮钻具、单螺杆钻具、电动钻具。 最大特点是利用高压钻井泥浆的液压能，将其转化为涡轮轴的机械能，以带动钻头破岩。 涡轮钻具 涡轮由一个导向轮（定子）和一个工作轮（转子）组成，注意的是它的工作液体是泥浆，粘度大，含沙多，所以设计时要注意涡轮的零部件能适应这种工作条件。 石油矿场涡轮可分为三类：直井涡轮钻具、造斜涡轮钻具和特殊涡轮钻具。 涡轮钻具的结构特点 图1 1—定子叶片 2—转子叶片 涡轮钻具结构特点 图2 1—支撑盘 2—止推轴承 3—支撑环 4—轴 涡轮钻具结构特点 涡轮钻具在使用时所有转动的零件（转子、支撑盘、支撑环）都用转子螺母固紧在主轴上，所有不转零件（定子、止推轴承、中轴承）都用一个下部短节压紧在外壳内。 涡轮钻具结构特点 图3 涡轮钻具结构图 涡轮钻具的工作特性 涡轮的基本方程式： 扭矩公式： 此式表明：涡轮从液体获得的扭矩大小与通过涡轮的流量及涡轮的尺寸成正比，同时也与转子进口及出口绝对速度的变化有关，变化越大，则扭矩越大，涡轮从液体获得的功率，即转化功率为 如忽略能量转化过程中的损失，则由能量守恒定律可知，涡轮获得机械能等于液体消耗的能量，即 涡轮钻具的工作特性 由此可得，每公斤液体传给涡轮的能量，即转化压头 此即为涡轮的压头公式，表明涡轮所得的能量与转子进口及出口出液体速度间的关系。 液体在定子中的压力降 式中， ——定子中水力损失 上式表明，液体在定子中的压力降主要用于增加动能，即把压能转化为动能，其余的定子中的水力损失。 涡轮钻具的工作特性 在转子进口与出口处，单位重量液体的能量一部分变为涡轮的机械能 ,另一部分为转子内的水力损失，即 上式表明，涡轮中机械能的来源，一部分是转子中液体的压力降（除去水力损失），另一部分是转子的动能降，由于转子出口的绝对速度是下一级定子的进口绝对速度，所以转子的动能降等于定子中动能的增加值，它是由定子内的压力降变来的。 或者 涡轮钻具的工作特性 式中，H、 —每公斤液体在一级涡轮中消耗的总能量，即消耗压头。 h—涡轮定子和转子中水力损失之和。 上式说明，涡轮中机械能的来源是由定子和转子的总压力降转化而来的，而定子和转子压力降的分配主要决定于定子和转子的叶片结构形状，在定子中只有液体能量的转化，在转子中液体的部分动能和压能转变为涡轮轴上的机械能。 涡轮钻具的能量损失：水力损失，容积损失和机械损失。 总效率 转化效率 涡轮钻具的工作特性 根据制动，空转，及顶点工况时的扭矩和功率值，可近似做出涡轮的转化扭矩和转化功率特性曲线。 图 4 涡轮的理论特性曲线 涡轮钻具的工作特性 环流系数的概念：组成涡轮功率的两个因素——动力因素和运动因素在无冲击工况时的比值称为环流系数，用 表示。即 u为涡轮的圆周速度。由上式可见，当涡轮功率相等时，系数越大，则涡轮的扭矩越大，无冲击工况时的转速越低，涡轮为低速大扭矩。而系数越小，转速越高，涡轮为高速低扭矩。 涡轮的最优工况，即最高效率点的工况，总是在顶点（最大功率点）工况与无冲击工况之间，对正常涡轮来说，其无冲击工况和顶点工况重合，因此也就是最佳工况。 涡轮的相似理论。在钻井过程中，泥浆泵的流量是经常改变的，此时涡轮特性的变化可用相似公式求得。具体不在描述。 单螺杆钻具 容积式水力机械，主要优点是结构简单，过载能力好，在小尺寸时能得到大扭矩和功率，它可以在小流量下工作，转速较低，且不受井底载荷的影响，因而更适合牙轮钻头的工作。 可分为两大类：单线单螺杆钻具，以美国的迪纳钻具和纳维钻具为代表；多线单螺杆钻具，前苏联的多线单螺杆钻具（九线），我国研制的三线螺杆钻具。和单线单螺杆钻具比，多线单螺杆钻具具有转速更低、扭矩更大的优点，对于钻井更为理想。我国除研制多线单螺杆钻具外，也开始了单线单螺杆钻具的生产。 单螺杆钻具的结构和作用原理 图 5 迪纳钻具结构 1—旁通阀；2—螺杆（转子）；3—定子衬套； 4—万向轴；5—主轴；6—钻杆接头。 单螺杆钻具的结构和作用原理 图5为迪纳单螺杆钻具的结构图，它主要由旁通阀、马达（包括定子和转子）、万向轴及主轴等组成。 旁通阀装载钻具的顶部，它的作用是在下钻时允许钻井液充入钻杆柱，起钻时允许钻井液从钻杆柱放空，在循环钻井液及钻具工作时，关闭旁通阀的旁通孔，使钻井液全部进入螺杆钻具工作，而停泵时，旁通孔又会自动打开。 马达部分是单螺杆钻具的最主要部件，它由螺杆（转子）和衬套（定子）两部分组成，螺杆的材料为合金钢，表面渡鉻，其断面是半径为R的圆，螺杆可认为是一系列的圆所组成的，其各圆心的轨迹是以偏心距