井下工具方向教案螺杆钻具

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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 。 5、 井 下 动 力 钻 具 一 、 螺 杆 钻 具 1、

2、 概 述 1） 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 (Smith公 司 )、纳 维 钻 具 ( Christensen公 司 )和 波 斯 钻 具 ， 其

3、 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

4、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 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

5、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

6、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 大 学 、 江 汉 石 油 学 院 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 ， 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

7、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 寿 命 超 过 100h； 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） 、 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

8、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 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 ： 直 流 电 动 钻 具 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 ，

9、 井 眼 轨 迹 控 制 精 度 高 ， 可 适 应 在 重 钻 井 液条 件 下 工 作 。 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 。 4） 、 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 的 。

10、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

11、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 的 钻 井 工 具 。 随 着 油 气 勘 探 开 发 形 势 的 发 展 ， 钻

12、 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） 、 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

13、及 轴 承 质 量 的 改 进 。 （ 2） 、 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） 、 高 转 速 一 般 钻 头 转 速 越 高 ， 机 械 钻 速 越 ， 单 头 马 达 或 头数 较 少 的 串 联 马 达 及 加 长 马 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） 、 多 动 能 开 发 不 同 结 构 特 征 和 工 作 特 性 的 螺 杆

14、 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、 螺 杆 钻 具 的 基 本 原 理 与 结 构 特 征 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

15、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 。 2)、 螺 杆 钻 具 结 构 螺 杆 钻 具 由 四 个 部 件 组 成 ， 从 上 至 下 依 次 是 ：(1)旁 通 阀 总 成 ； (2)马 达 总 成 ； (3)万 向 轴 总 成 ； (4)传 动 轴 总 成 。 (1)、 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

16、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)、 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（ N 2） 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

17、 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 ，

18、在 选 择 钻 具 时 应 按 不 同 井 况 选 用 不 同 型号 马 达 。 (3)、 万 向 轴 总 成 万 向 轴 的 作 用 是 将 马 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

19、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)、 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、 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 马 达 决定 的

20、。 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 ： （ 1） 理 论 转 矩 与 马 达 进 出 口 间 的 压 差 成 正 比 。 （ 2） 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

21、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/（ 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

22、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 粘 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

23、 钻 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 。 煤 杆 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 1 3m左右 ， 开 泵 启 动 ， 逐 渐 加 压 钻 进 。

24、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 作 。 起 出 井 下 马 达 后 应 认

25、 真 检 查 旁 通 阀 总 成 ，并 把 钻 具 内 的 钻 井 液 徘 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

26、 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 （ MT T ） 应 等 于单 螺 杆 马 达 输 入 的 水 力 能 （ pQ ） ， 则 有 ： M T T = 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 ； 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

27、 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 ； N T 理 论 功 率 TTnpq 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

28、 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 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

29、 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 N 0为 M=MT v= （ 11） qCppq m 22121 （ 12） （ 13） 式 中 C 马 达 的 转 矩 系 数 。 （ 14） pQNN T 0 221 )1( ppppC mm vVT qnn 60 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

30、 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 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）

31、 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

32、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 。 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

33、 向 轴 内 交 变 应 力 的 循 环 频 率 7、 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

34、 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 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 。 二 、 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

35、 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 1） 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 涡 轮 钻 井（ 3） 涡 轮 钻

36、 井 技 术 在 北 海 油 田 的 应 用 2） 国 内 涡 轮 钻 井 技 术 的 新 发 展 2、 涡 轮 钻 具 总 体 结 构 及 工 作 原 理 1） 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

37、2-95 涡 轮 钻 具 结 构 示 意 图 2） 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 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 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

38、 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

39、 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 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

40、、 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

41、， 以 免 主 轴 在 径 向 轴 承 中 很 快 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

42、 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

43、钻 具 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

44、 、 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 ， 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

45、)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 2WZ 215A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

46、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 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

47、 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、 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

48、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） 涡 轮 叶 栅 及 叶 形 设 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

49、 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

50、 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 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

51、 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 的结 构 设 计 由 于 独 立 支 承 节 的 寿

52、命 决 定 了 涡 轮 钻 具 的 行 程 寿命 。 因 此 ， 支 承 节 结 构 设 计 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） 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

53、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

54、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 150 2

55、00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 更 有 效 地 工 作 ， 在轴 承 组 两 端 各

56、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、 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

57、 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 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

58、 初 步 分 析 一 下 所 得 的 几 条 特 性 曲 线 M n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 (n 0)时 ，轴 上 的 扭 矩 M达 到 最 大 值 。 N n及 n曲 线 表 示 涡 轮 轴 的 输 出 功 率 及效 率 随 转 速

59、 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 小 ， 当 负 荷 增 加 时 ， 涡 轮 的 转 速自 动 降 低 。p 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

60、 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

61、 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 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

62、 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）2 21 DDD 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

63、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 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c 1Z为 （ 40）11sin11 FQcZc i （ 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

64、 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）冲h摩h 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QQQ i 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

65、在 一 定 的 支 承 上 ， 并 用 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

66、) 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 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