带同步减速器涡轮钻具工作力学与性能仿真.docx

1、带 同 步 减 速 器 涡 轮 钻 具 工 作力 学 与 性 能 仿 真许 福 东 张 晓 东 著中 国 地 质 大 学 出 版 社内 容 简 介本 书 是 作 者 及 其 同 事 们 以 多 年 的 研 究 成 果 为 基 础 写 成 的 一 部 专 著。 本 书 从 回 顾 国 内 外 涡 轮钻 具 发展 简 史 出 发 , 简 述 了 带 同 步 减 速 器 涡 轮 钻 具 的 基 本 功 能 、 组 成 和 科 研 水 平 。 主 要 介 绍 了 带 同 步 减速 器 涡 轮 钻 具 几 何 结 构 学 、 运 动 学 和 动 力学 , 重 点 叙 述 了 专 用 轴 承 弹 性 静

2、力 接 触 计 算 、 涡 轮 节 涡轮 轴 向 间 隙 计 算 、 压 力 平 衡 补 偿 密 封 系统 与 轴 承 寿 命 预 测 新 进 展 及 其 结 构 性 能 仿 真 分 析 方 法 和 实 例 , 最 后 介 绍 了 带 同 步 减 速 器 涡 轮 钻 具 性 能 测 试 实 验 等 内 容 。 全 书 共 由 九 章 组 成 。本 书 可 作 为 石 油 和 地 矿 类 院 校 有 关 专 业 研 究 生 教 学 用 书 , 也 可 作 为 石 油 工 程 及 石 油 机 械 工 程 等 方 面 的 科 技 人 员 和 管 理 干 部 使 用 的 参 考 书 。图 书 在 版

3、编 目 ( CIP ) 数 据带 同 步 减 速 器 涡 轮 钻 具 工 作 力 学 与 性 能 仿 真 / 许 福 东 , 张 晓 东 著 .武 汉 : 中 国 地 质 大 学 出 版 社 , 2004 .12ISBN 7 5625 1951 X .带 . 许 张 .带 同 步 减 速 器 工 作 力 学 性 能 仿 真 涡 轮 钻 具 .T E92带 同 步 减 速 器 涡 轮 钻 具 工 作 力 学 与 性 能 仿 真 许 福 东 张 晓 东 著责 任 编 辑 : 段 连 秀 技 术 编 辑 : 阮 一 飞 责 任 校 对 : 张 咏 梅出 版 发 行 : 中 国 地 质 大 学 出 版

4、 社 ( 武 汉 市 洪 山 区 鲁 磨 路 388 号 ) 邮 编 : 430074电 话 : ( 027 )87482760 传 真 : 87481537 E-mail : cbb cug .edu .cn经 销 : 全 国 新 华 书 店 htt p :/ / w ww .cugp .c n开 本 : 787 mm1092 mm 1/ 16 字 数 : 220 千 字 印 张 : 8. 5版 次 : 2004 年 12 月 第 1 版 印 次 : 2004 年 12 月 第 1 次 印 刷印 刷 : 中 国 地 质 大 学 出 版 社 印 刷 厂 印 数 : 1600 册ISBN 7 5

5、625 1951 X/ T E9 定 价 : 20. 00 元如 有 印 装 质 量 问 题 请 与 印 刷 厂 联 系 调 换序涡 轮 钻 具 是 石 油 钻 井 工 程 中 的 一 种 重 要 井 下 动 力 钻 具 , 在 深 井 和 定 向 井 钻 井 中 有 广 泛 的 应 用 , 其 性 能 对 钻 井 速 度 和 成 本 影 响 很 大 。 20 世 纪 50 年 代 , 我 国 石 油工 业 界 引 进 了 前 苏 联 老 式 涡 轮 钻 具 , 并 在 使 用 中 积 累 了 丰 富 的 经 验 。 70 年 代 , 我 国 进 行 自 行 研 制 涡 轮 钻 具 , 但 在

6、 总 体 性 能 方 面 没 有 取 得 突 破 性 进 展 。 80 年 代 中 期以 来 , 在 中 国 石 油 天 然 气 集 团 公 司 的 支 持 下 , 对 涡 轮 钻 具 开 展 了 重 点 攻 关 , 并 在 设 计 理 论 、 制 造 技 术 和 现 场 应 用 等 多 方 面 取 得 了 良 好 进 展 。许 福 东 同 志 曾 在 符 达 良 教 授 和 胡 泽 明 教 授 的 带 领 下 , 从 事 涡 轮 钻 具 研 制 工 作 多 年 。 其 后 , 又 在 马 德 坤 教 授 和 符 达 良 教 授 的 指 导 下 , 攻 读 了 博 士 学 位 。 博 士 论

7、文 的 题 目 是 “带 同 步 减 速 器 涡 轮 钻 具 性 能 的 计 算 机 仿 真 研 究 ”。 前 后 经 过 十 多 年 的 努 力 攻 关 和 刻 苦 钻 研 , 作 者 对 涡 轮 钻 具 的 工 作 行 为 、 设 计 方 法 、 实 验 技 术 等 诸 多 问 题 进 行 了 深 刻 的 研 究 , 并 在 实 际 运 用 中 取 得 了 良 好 的 效 果 。本 书 集 中 反 映 了 作 者 及 其 同 事 的 研 究 成 果 , 也 包 括 了 各 协 作 单 位 在 该 领 域 研 究 中 所 做 的 工 作 。 作 为 长 期 从 事 涡 轮 钻 具 研 究 的

8、 主 要 成 员 之 一 , 将 研 究 中 形 成 的 理 论 成 果 和 实 践 中 积 累 的 工 作 经 验 总 结 出 版 , 无 疑 将 提 高 现 有 的 研 究 水 平 并 推 动 此 项 研 究 的 进 一 步 深 入 。 原 江 汉 石 油 学 院 井 下 工 具 研 究 室 在 石 油 部 门 的 支 持 下 建 成 了 部 分 地 面 条 件 下 的 井 下 工 具 试 验 测 试 装 置 , 但 还 不 具 备 在 井 下 工 况 下 的 实 验 能 力 。 但 愿 本 书 的 出 版 , 有 助 于 进 一 步 推 动 这 方 面 的 理 论 和 实 验 研 究 ,

9、 使 涡 轮 钻 井 技 术 在 未 来 的 石 油 勘 探 开 发 中 发 挥 更 重 要 的 作 用 。江 汉 石 油 学 院院 长博 士 生 导 师 教 授2004 年 9 月 1 日前 言涡 轮 钻 具 是 以 高 压 钻 井 液 为 工 作 介 质 , 并 将 其 压 力 能 转 换 成 机 械 能 , 用 于 石 油 钻 井 的 一 种 重 要 的 井 下 动 力 钻 具 。 涡 轮 钻 具 工 作 性 能 的 优 劣 , 直 接 对 石 油 钻 井 的 质 量 、 机 械 钻 速 和 钻 井 成 本 有 重 要 影 响 。 因 此 , 它 一 直 是 石 油 工 程 和 石 油

10、机 械 工 程 密 切 关 注 的 对 象 。 多 年 来 , 国 内 外 许 多 制 造 厂 商 和 科 研 院 所 都 对 涡 轮 钻 具 的 设 计 、 制 造 和 使 用 做 了 大 量 的 研 究 和 开 发 工 作 , 有 力 地 促 进 了 涡 轮 钻 井 技 术 的 不 断 发 展 。 但 是 , 由 于 涡 轮 钻 具 的 复 杂 性 , 至 今 仍 有 许 多 问 题 没 有 解决 , 使 得 其 设 计 、 制 造 和 使 用 不 得 不 处 于 主 要 依 赖 经 验 的 状 况 。 要 摆 脱 这 种 对 经 验 过 分 依 赖 的局 面 , 必 须 深 入 系 统

11、地 研 究 其 工 作 行 为 机 理 , 即 要 研 究 包 括 几 何 结 构 学 、 运 动 学 、 动 力 学 、 磨 粒 磨 损 、 弹 性 静 力 接 触 力 学 和 流 体 力 学 等 在 内 的 工 作 力 学 。 同 时 , 为 了 提 高 研 究 质 量 和 加 快 研 究 速 度 , 借 助 于 计 算 机 仿 真 技 术 , 对 涡 轮 钻 具 的 工 作 性 能 进 行 仿 真 是 十 分 必 要 的 。在 中 国 石 油 天 然 气 集 团 公 司 和 所 属 司 局 领 导 的 关 怀 和 支 持 下 , 原 江 汉 石 油 学 院 井 下 工 具研 究 室 与

12、国 内 外 许 多 单 位 合 作 , 攻 克 了 一 个 又 一 个 涡 轮 钻 具 技 术 难 关 , 完 成 了 多 项 国 家 级 、 省 部 级 和 厅 局 级 重 点 科 研 课 题 , 取 得 了 多 项 有 价 值 的 科 研 成 果 。 将 这 些 成 果 综 合 起 来 , 形 成 了 一 套 比 较 完 整 的 涡 轮 钻 具 技 术 体 系 , 其 中 包 括 基 本 理 论 、 工 作 行 为 机 理 、 专 门 的 实 验 技 术 和 实 验 设 备 等 。 同 时 , 也 形 成 了 独 特 的 研 究 思 路 、 策 略 和 方 法 。 这 些 成 绩 标 志

13、着 涡 轮 钻 具 仿 造 时 期 的 结 束 , 独 具 特 色 的 自 主 开 发 时 期 的 到 来 。 本 书 以 带 同 步 减 速 器 涡 轮 钻 具 为 例 , 较 系 统 地 介 绍 了 我 们 在 其 工 作 力 学 和 性 能 仿 真 方 面 所 做 的 工 作 。 另 外 , 为 了 使 读 者 了 解 涡 轮 钻 具 工 作 力 学 和性 能 仿 真 的 全 貌 , 书 中 还 简 要 介 绍 了 其 他 研 究 人 员 的 相 关 研 究 成 果 。 本 书 的 读 者 对 象 主 要 是从 事 石 油 工 程 和 石 油 机 械 工 程 的 技 术 人 员 和 有

14、关 专 业 的 师 生 。在 技 术 系 统 形 成 和 本 书 写 作 过 程 中 , 得 到 了 原 江 汉 石 油 学 院 符 达 良 教 授 、 西 南 石 油 学 院 马 德 坤 教 授 和 石 油 大 学 胡 泽 明 教 授 的 指 导 和 帮 助 , 并 特 请 中 原 石 油 勘 探 局 钻 井 工 程 技 术 研 究 院晁 文 学 高 级 工 程 师 审 定 , 且 对 部 分 内 容 提 出 了 宝 贵 的 修 改 意 见 , 在 此 特 致 谢 意 。笔 者 还 要 衷 心 感 谢 多 年 来 与 原 江 汉 石 油 学 院 井 下 工 具 研 究 室 密 切 合 作 的

15、 中 原 石 油 勘 探 局 各 钻 井 公 司 、 四 川 石 油 管 理 局 川 东 矿 区 、 新 疆 塔 西 南 勘 探 开 发 公 司 、 大 港 石 油 管 理 局 钻 井 公 司 、 西 南 石 油 学 院 钻 头 研 究 室 、 石 油 大 学 流 体 力 学 研 究 室 、 中 国 石 油 天 然 气 集 团 公 司 信 息 研 究 所 、 牡 丹 江 石 油 机 械 厂 、 武 汉 船 用 机 械 厂 、 第 四 石 油 机 械 厂 、 俄 罗 斯 国 家 钻 井 技 术 研 究 院 、 美 国 密 苏 里 罗 拉 大 学 等 单 位 以 及 原 江 汉 石 油 学 院 基

16、 础 力 学 教 研 室 、 机 械 工 程 教 研 室 、 中 心 实 验 室 的 同 志 们 , 他 们 都 对 本 书 的 写 作 作 出 了 许 多 直 接 或 间 接 的 贡 献 。尽 管 笔 者 有 写 好 本 书 的 强 烈 愿 望 , 但 因 能 力 、 文 字 水 平 、 时 间 等 各 方 面 的 限 制 , 书 中 疏 漏 和错 误 之 处 肯 定 不 少 , 恳 请 读 者 批 评 指 正 。作 者2004 年 6 月目 录第 一 章 绪 论 ( 1)第 一 节 国 内 外 涡 轮 钻 具 发 展 概 况 和 趋 势 ( 1)第 二 节 带 同 步 减 速 器 涡 轮

17、钻 具 基 本 功 能 和 结 构 ( 5)第 三 节 带 同 步 减 速 器 涡 轮 钻 具 的 设 计 与 科 研 水 平 ( 6)第 二 章 带 同 步 减 速 器 涡 轮 钻 具 几 何 结 构 学 (10)第 一 节 带 同 步 减 速 器 涡 轮 钻 具 复 合 运 动 圆 柱 坐 标 体 系 (10)第 二 节 关 键 零 部 件 二 维 几 何 结 构 表 示 (11)第 三 节 特 征 面 上 的 涡 轮 定 转 子 叶 栅 叶 片 造 型 几 何 学 (14)第 四 节 部 分 关 键 零 部 件 三 维 几 何 造 型 与 快 速 成 形 原 理 (27)第 三 章 专

18、用 轴 承 弹 性 静 力 接 触 数 学 力 学 模 型 与 仿 真 分 析 (31)第 一 节 TC 轴 承 弹 性 静 力 接 触 应 力 计 算 数 学 力 学 模 型 (31)第 二 节 多 级 金 属 球 轴 承 组 弹 性 静 力 接 触 载 荷 分 布 计 算 过 程 数 学 力 学 模 型 (37)第 三 节 四 支 点 球 轴 承 组 载 荷 分 布 仿 真 实 验 与 均 载 机 理 分 析 (41)第 四 章 涡 轮 节 涡 轮 轴 向 间 隙 的 弹 性 静 力 数 学 力 学 模 型 与 仿 真 分 析 (45)第 一 节 涡 轮 节 理 论 涡 轮 轴 向 间 隙

19、 的 确 定 (45)第 二 节 涡 轮 装 配 轴 向 间 隙 的 数 学 力 学 模 型 与 仿 真 分 析 (46)第 三 节 涡 轮 受 载 轴 向 间 隙 的 数 学 力 学 模 型 与 仿 真 分 析 (52)第 四 节 涡 轮 轴 向 间 隙 的 数 学 力 学 模 型 致 效 (53)第 五 章 带 同 步 减 速 器 涡 轮 钻 具 运 动 学 与 性 能 仿 真 分 析 (58)第 一 节 涡 轮 的 基 本 运 动 规 律 (58)第 二 节 涡 轮 叶 栅 几 何 结 构 对 其 特 性 的 影 响 (64)第 三 节 涡 轮 轴 向 间 隙 与 叶 栅 密 度 以 及

20、 制 造 工 艺 对 其 特 性 的 影 响 (70)第 四 节 实 验 数 据 整 理 的 涡 轮 叶 栅 几 何 结 构 与 特 性 的 关 系 (72)第 五 节 涡 轮 节 转 子 系 统 基 本 运 动 规 律 (73)第 六 节 同 步 减 速 器 传 动 基 本 运 动 规 律 (77)第 七 节 带 同 步 减 速 器 涡 轮 钻 具 稳 态 特 性 数 学 力 学 模 型 与 仿 真 分 析 (78)第 六 章 涡 轮 内 部 流 体 运 动 数 学 力 学 模 型 及 其 可 视 化 仿 真 分 析 (80)第 一 节 涡 轮 内 部 钻 井 液 运 动 基 本 方 程 (

21、80)第 二 节 涡 轮 叶 栅 内 部 流 体 运 动 数 学 力 学 模 型 与 数 值 计 算 过 程 (82)第 三 节 涡 轮 叶 栅 内 部 流 体 运 动 可 视 化 (85)第 四 节 涡 轮 叶 栅 内 部 流 体 运 动 可 视 化 仿 真 分 析 实 例 (88)第 七 章 带 同 步 减 速 器 涡 轮 钻 具 动 力 学 与 动 态 性 能 仿 真 分 析 (90)第 一 节 涡 轮 节 动 态 力 矩 特 性 数 学 力 学 模 型 (90)第 二 节 涡 轮 节 动 态 轴 向 水 力 载 荷 特 性 数 学 力 学 模 型 (93)第 三 节 带 同 步 减 速

22、 器 涡 轮 钻 具 不 稳 定 工 况 下 的 数 学 力 学 模 型 (95)第 四 节 不 稳 定 工 况 下 钻 具 动 态 特 性 仿 真 分 析 实 例 (98)第 八 章 压 力 平 衡 补 偿 密 封 系 统 与 轴 承 寿 命 预 测 ( 100)第 一 节 压 力 平 衡 补 偿 密 封 系 统 ( 100)第 二 节 TC 轴 承 磨 损 寿 命 预 测 新 进 展 ( 102)第 三 节 多 级 金 属 球 轴 承 磨 粒 磨 损 寿 命 预 测 ( 105)第 九 章 带 同 步 减 速 器 涡 轮 钻 具 性 能 测 试 实 验 研 究 ( 110)第 一 节 涡

23、轮 内 外 特 性 测 试 ( 110)第 二 节 涡 轮 叶 栅 叶 型 非 接 触 测 量 ( 116)第 三 节 同 步 减 速 器 性 能 测 试 ( 118)第 四 节 专 用 轴 承 性 能 测 试 ( 119)第 五 节 带 同 步 减 速 器 涡 轮 钻 具 整 机 特 性 测 试 ( 120)附 录 主 要 符 号 表 ( 124)1第 一 章 绪 论涡 轮 钻 具 是 一 种 重 要 的 井 下 动 力 钻 具 , 它 连 接 在 下 部 钻 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 ,

24、实 施 石 油 钻 井 作 业 。 其 主 要 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 。多 年 来 , 国 内 外 许 多 制 造 厂 商 和 科 研 院 所 都 对 涡 轮 钻 具 的 设 计 、 制 造 和 使 用 做 了 大 量 的 研 究 和 开 发 工 作 , 有 力 地 促 进 了 涡 轮 钻 井 技 术 的 不 断 发 展 。 近 年 来 , 随 着 计 算 机 仿 真 技 术 的 出 现 和 相 关 学 科 的 发 展 , 借 助 于 计 算 机 仿 真 技 术

25、, 对 涡 轮 钻 具 的 工 作 性 能 进 行 仿 真 与 理 论 研 究 , 也 使 得 涡 轮 钻 井 技 术 迈 上 了 一 个 新 台 阶 。 另 外 , 随 着 涡 轮 导 向 钻 井 系 统 等 的 出 现 , 该 技 术 在 石 油 工 业 中 愈 来 愈 显 示 出 其 强 大 的 生 命 力 。第 一 节 国 内 外 涡 轮 钻 具 发 展 概 况 和 趋 势一 、 国 内 外 涡 轮 钻 具 发 展 概 况1873 年 , C .G .Cross 在 美 国 提 出 了 第 一 个 涡 轮 钻 具 , 更 精 确地 说 是 涡 轮 钻 头 专 利 , 如 图 1 1 所

26、 示 。 随 后 , 德 国 柏 林 的 Ma x Blum er reich 设 计 出 了 比 C .G .Cross 的 专 利 更 可 靠 的 涡 轮 钻 头 。 1894 年 , M .C .Ba ker 对 C .G .Cros s 的 专 利 做 了 大 量 改 进 工作 1 。 虽 然 , 这 些 发 明 都 因 过 分 简 单 化 失 去 了 实 际 应 用 的 价 值 , 但 它 却 翻 开 了 涡 轮 钻 井 的 新 篇 章 。1923 年 , 俄 国 工 程 师 M .A .Kap elyus hnikov 取 得 了 单 级 减 速 器 涡 轮 钻 具 的 专 利 ,

27、 并 在 俄 国 巴 库 地 区 用 它 钻 了 第 一 口 井 1 。 接 着 , 1924 年 , C .C .Sch ar enb erg 申 请 了 多 级 涡 轮 专 利 , 并 在 美 国加 利 福 尼 亚 、 波 兰 和 德 国 均 进 行 了 试 验 1 。 但 由 于 没 有 克 服 转 速过 高 、 减 速 器 脆 弱 易 坏 和 单 级 涡 轮 产 生 的 功 率 有 限 等 三 个 方 面 的问 题 , 试 验 没 有 达 到 预 期 的 效 果 , 未 能 缩 小 与 转 盘 钻 井 在 钻 速 方面 的 差 距 。图 1 1 涡 轮 钻 头1934 年 , 前 苏

28、联 的 P .P .Shumilov、 R .A .L oa nnesy an 等 开 始 从 事 工 业 用 多 级 涡 轮 钻 具 的 研 制 工 作 1 。 由 于 其 出 色 的 工 作 , 开 创 了 前 苏 联 涡 轮 钻 具 钻 井 的 新 篇 章 。 但 是 , 止 推 轴 承 的 寿命 较 低 仍 是 涡 轮 钻 具 的 一 个 薄 弱 环 节 。20 世 纪 50 年 代 , 尽 管 美 国 的 一 些 石 油 公 司 , 如 加 利 福 尼 亚 的 标 准 石 油 公 司 , 放 弃 了 涡 轮钻 具 试 验 研 究 , 而 前 苏 联 则 加 强 了 涡 轮 钻 具 的

29、 研 究 和 推 广 应 用 , 并 在 某 些 油 田 完 全 转 向 用 涡 轮 钻 具 钻 井 。 前 苏 联 涡 轮 钻 具 的 特 点 是 级 数 多 和 采 用 钻 井 液 开 式 润 滑 轴 承 。 其 间 研 制 了 第 一 台 装 有 多 达 240 级 的 涡 轮 钻 具 和 第 一 台 取 芯 涡 轮 钻 具 。 同 时 , 法 国 也 研 制 了 第 一 台 工 业 用 涡 轮2钻 具 , 并 在 M on t pellier 附 近 成 功 地 投 入 使 用 。 为 了 发 展 涡 轮 钻 井 技 术 , 法 国 成 立 了 T urbose r- vice、 T

30、urbosonde 和 T ur m afor 三 个 公 司 , 一 方 面 开 发 新 一 代 涡 轮 钻 具 , 如 SN PA 型 钻 机 上 用的 7 5/ 8 涡 轮 钻 具 , 另 一 方 面 引 进 前 苏 联 和 德 国 的 涡 轮 钻 具 。 这 说 明 了 法 国 已 开 始 逐 渐 接 受了 涡 轮 钻 井 技 术 。 20 世 纪 50 年 代 , 我 国 开 始 引 进 了 前 苏 联 的 老 式 涡 轮 钻 具 , 并 先 后 在 玉 门 、 四 川 等 油 田 试 验 应 用 。 据 四 川 石 油 管 理 局 统 计 , 涡 轮 钻 井 进 尺 占 当 时 总

31、 钻 井 进 尺 的 33. 9 % , 这 说 明 涡 轮 钻 具 在 当 时 的 四 川 地 区 占 有 重 要 地 位 。 从 此 , 我 国 开 始 了 涡 轮 钻 井 技 术 的 研 究与 应 用 工 作 。 由 于 这 种 涡 轮 钻 具 转 速 高 , 扭 矩 小 , 加 之 没 有 配 套 的 钻 头 , 因 而 影 响 了 它 的 推 广应 用 。20 世 纪 60 年 代 , 美 国 的 Eas tm an 公 司 采 用 前 苏 联 技 术 生 产 涡 轮 钻 具 , 并 用 于 定 向 造 斜 钻进 , Dr es ser 公 司 则 放 弃 了 原 来 获 得 的 生

32、 产 前 苏 联 涡 轮 钻 具 的 资 格 。 法 国 也 因 北 非 事 件 , 减 少 了 涡 轮 钻 井 的 活 动 范 围 。 只 有 T urboservice 公 司 在 维 持 石 油 方 面 的 经 营 业 务 。 这 时 , 英 国 开始 研 制 一 种 钻 井 涡 轮 , 虽 然 投 入 了 大 量 资 金 , 但 没 有 达 到 工 业 应 用 阶 段 。 前 苏 联 还 在 大 量 生 产 和 应 用 涡 轮 钻 具 , 其 涡 轮 钻 井 总 进 尺 逐 年 增 长 , 并 将 其 用 于 出 口 第 三 世 界 国 家 。20 世 纪 70 年 代 , 由 于 海

33、 洋 石 油 勘 探 开 发 活 动 的 逐 渐 增 加 , 为 涡 轮 钻 井 提 供 了 新 的 领 域 。 法 国 的 T urboservice 公 司 将 其 业 务 扩 展 到 了 地 中 海 和 北 海 。 Neyrpic 公 司 也 恢 复 了 Neyr for 涡 轮 钻 具 的 生 产 。 美 国 造 斜 服 务 公 司 吞 并 了 其 竞 争 对 手 E as t ma n 公 司 , 并 将 其 库 存 的 涡 轮 用 于 北 海 和 阿 拉 伯 湾 。 在 这 一 时 期 , 前 苏 联 将 其 研 究 工 作 主 要 集 中 在 开 发 适 合 牙 轮 钻 头 转

34、速 的低 速 涡 轮 钻 具 方 面 , 开 发 出 了 带 水 力 制 动 级 的 涡 轮 钻 具 和 浮 动 定 子 涡 轮 钻 具 。 浮 动 定 子 涡 轮钻 具 具 有 转 速 低 、 扭 矩 大 、 轴 向 间 隙 小 和 单 位 长 度 上 能 量 大 的 优 点 。 同 时 , 在 用 的 涡 轮 钻 具 逐渐 配 备 有 滚 珠 止 推 轴 承 。 我 国 则 开 始 了 自 行 研 制 涡 轮 钻 具 的 工 作 , 并 研 制 出 了 几 种 低 速 降 压涡 轮 叶 型 的 涡 轮 钻 具 , 有 的 已 达 到 前 苏 联 20 世 纪 60 年 代 末 的 水 平

35、, 但 就 总 体 性 能 来 看 , 还 是 不 够 理 想 。 在 国 际 上 , 由 于 PDC 钻 头 研 制 成 功 , 并 适 合 与 涡 轮 钻 具 相 匹 配 , 一 种 中 高 速 大 功 率涡 轮 钻 具 出 现 了 , 其 代 表 为 法 国 Neyrpic 公 司 的 Neyr for 涡 轮 钻 具 。 Neyr for 涡 轮 钻 具 的 功 率居 市 场 上 各 种 类 型 涡 轮 钻 具 之 首 , 其 转 速 和 扭 矩 参 数 能 很 好 地 与 PD C 钻 头 匹 配 , 所 用 支 承 节中 轴 承 工 作 寿 命 达 200 小 时 以 上 , 同

36、时 能 耐 170 的 高 温 。 美 国 的 E as t ma n-Chris tensen 公 司 也 推 出 了 类 似 的 产 品 。 这 类 涡 轮 钻 具 已 具 一 定 规 模 , 并 已 系 列 化 。20 世 纪 80 年 代 , 由 于 适 合 石 油 钻 井 应 用 的 螺 杆 钻 具 的 研 制 成 功 , 西 方 国 家 涡 轮 钻 具 的 发展 有 所 放 慢 , 但 是 应 用 研 究 一 直 进 行 。 美 国 埃 克 森 公 司 的 大 陆 分 公 司 在 A na darko 盆 地 11 口 井 中 M or ro w 地 层 进 行 了 25 套 涡

37、轮 钻 具 和 金 刚 石 钻 头 优 化 钻 井 现 场 试 验 。 F .V .Det ucia 等 也 做 了 螺 杆 钻 具 和 涡 轮 钻 具 的 技 术 性 能 和 工 作 特 性 的 现 场 试 验 , 以 便 于 钻 井 承 包 商 或 钻 井 工程 师 们 能 根 据 实 际 的 需 要 确 定 使 用 最 佳 的 井 下 动 力 钻 具 。 法 国 石 油 总 公 司 用 金 刚 石 钻 头 配 合 涡 轮 钻 具 在 硬 地 层 和 中 硬 地 层 进 行 钻 井 试 验 , 取 得 了 良 好 的 经 济 效 益 。涡 轮 钻 具 在 海 洋 钻 井 方 面 的 研 究

38、 和 应 用 也 在 进 行 中 。 涡 轮 钻 具 配 St rat apa x 钻 头 在 北 海油 田 钻 直 井 和 定 向 井 , 可 以 最 大 限 度 地 提 高 钻 井 指 标 。 钻 井 所 获 得 的 经 济 利 益 已 确 保 它 能 作为 钻 井 作 业 的 一 种 标 准 技 术 。 M obil 勘 探 公 司 挪 威 分 公 司 利 用 涡 轮 钻 具 加 PDC 钻 头 在 s tatf- jord 油 田 “水 晶 型” 高 岭 土 母 岩 进 行 钻 井 取 得 了 成 功 。 这 期 间 , 西 德 专 利 介 绍 了 一 种 新 型 涡 轮钻 具 一 种

39、 带 独 立 涡 轮 节 的 复 式 涡 轮 钻 具 , 适 合 配 合 牙 轮 钻 头 或 金 刚 石 钻 头 钻 较 深 的 油 气1 99 8 许 福 东 . 带 同 步 减 速 器 涡 轮 钻 具 性 能 的 计 算 机 仿 真 研 究 . 博 士 论 文 . 四 川 : 西 南 石 油 学 院 . 湖 北 : 江 汉 石 油 学 院 .3井 。 美 国 专 利 也 介 绍 了 一 种 涡 轮 钻 具 支 承 节 , 即 独 立 支 承 节 。 该 支 承 节 中 具 有 一 组 彼 此 间 装有 弹 性 圈 的 球 轴 承 组 , 弹 性 圈 使 每 一 副 轴 承 可 以 按 顺

40、序 连 续 地 承 受 载 荷 。随 钻 测 量 系 统 ( MWD ) 的 发 展 , 为 更 正 确 地 操 作 和 使 用 涡 轮 钻 具 , 使 其 发 挥 最 大 功 率 , 增 加 机 械 钻 速 , 创 造 了 有 利 条 件 。 MWD 技 术 与 涡 轮 钻 具 和 PDC 钻 井 技 术 结 合 就 是 涡 轮 导 向 钻井 系 统 。 它 可 根 据 井 下 采 集 的 钻 压 、 扭 矩 、 温 度 、 井 斜 和 方 位 等 数 据 , 分 析 井 下 钻 具 工 作 状 况 , 实 施 最 优 化 钻 井 。 涡 轮 导 向 钻 井 系 统 现 已 成 为 一 种

41、缩 短 钻 井 周 期 , 降 低 钻 井 成 本 和 提 高 井 身质 量 的 有 效 技 术 手 段 。 在 超 深 井 和 海 洋 钻 井 中 , 涡 轮 导 向 钻 井 系 统 的 经 济 效 益 更 加 明 显 。 因此 , 涡 轮 导 向 钻 井 系 统 被 称 为 钻 井 发 展 史 上 的 一 个 里 程 碑 。20 世 纪 80 年 代 中 期 , 原 江 汉 石 油 学 院 和 原 华 东 石 油 学 院 合 作 承 担 了 “七 五 ”国 家 重 点 科 技 攻 关 项 目 3 F WZ 195 型 带 浮 动 定 子 的 中 速 大 扭 矩 涡 轮 钻 具 的 研 制

42、。 1989 年 在 川 东 佛 耳 4 井 和 卧 123 井 进 行 了 现 场 工 业 试 验 , 均 取 得 了 良 好 的 钻 井 效 果 。 三 个 涡 轮 节 工 作 寿 命 超过 了 281 小 时 , 支 承 节 中 轴 承 寿 命 达 到 100 小 时 , 机 械 钻 速 比 转 盘 钻 井 提 高 了 1. 5 2 倍 2 。 从 此 , 涡 轮 钻 井 技 术 在 我 国 蓬 勃 发 展 起 来 。20 世 纪 90 年 代 以 来 , 国 内 外 的 涡 轮 钻 井 技 术 发 展 迅 速 。 涡 轮 钻 井 技 术 愈 来 愈 受 到 石 油钻 井 界 的 重 视

43、 , 其 应 用 也 日 趋 广 泛 。 这 期 间 , 涡 轮 钻 井 方 法 仍 然 是 独 联 体 国 家 油 气 井 钻 井 最 主 要 的 手 段 。 西 欧 北 海 油 田 和 中 东 地 区 涡 轮 钻 井 的 进 尺 逐 年 增 加 。 一 向 不 太 重 视 涡 轮 钻 井 技 术 的 美 国 , 从 20 世 纪 90 年 代 初 到 现 在 , 涡 轮 钻 井 技 术 也 得 到 了 蓬 勃 的 发 展 。 国 内 则 一 直 致 力 于 独 立 自 主 开 发 涡 轮 钻 具 。( 一 ) 独 联 体 国 家 涡 轮 钻 井 技 术 新 进 展独 联 体 国 家 继 续

44、 在 涡 轮 钻 具 结 构 与 性 能 方 面 开 展 深 入 细 致 的 研 究 工 作 , 其 研 究 重 点 集 中在 以 下 几 个 方 面 :(1 ) 提 高 涡 轮 钻 具 单 位 长 度 所 能 产 生 的 能 量 指 标 ;(2 ) 不 增 加 涡 轮 钻 具 零 部 件 条 件 下 延 长 其 修 理 周 期 ; (3 ) 降 低 涡 轮 钻 具 转 速 并 提 高 输 出 扭 矩 ;(4 ) 在 寻 求 低 速 大 扭 矩 的 结 构 研 究 中 , 尽 量 降 低 压 力 降 ; (5 ) 最 大 程 度 地 使 涡 轮 钻 具 零 部 件 通 用 化 、 模 块 化

45、。在 具 体 改 进 与 发 展 方 面 , 主 要 研 制 低 速 大 扭 矩 涡 轮 钻 具 , 如 带 独 立 支 承 节 的 复 式 涡 轮 钻 具 和 调 节 型 带 同 步 减 速 器 的 涡 轮 钻 具 等 3 , 4 , 5 。( 二 ) 西 方 国 家 涡 轮 钻 井 技 术 新 进 展1. 美 国 Me xico 湾 西 部 和 M obile 湾 地 区 的 涡 轮 钻 井 2 1994 年 , Neyrpic 公 司 用 Neyrfor 涡 轮 钻 具 在 美 国 T ex as 州 和 Louisian a 州 以 及 M obile湾 等 地 区 的 涡 轮 钻 井

46、 就 达 5 149 小 时 , 总 进 尺 3 万 余 米 。 其 中 M obile 湾 使 用 涡 轮 钻 井 达 2 846小 时 , 比 1993 年 提 高 了 489 % , 总 进 尺 为 15 758m。 1995 年 , 在 M obile 湾 用 320 级 的 T 4 AL I 184 涡 轮 钻 具 钻 216mm 井 眼 , 其 工 作 寿 命 达 450 小 时 。 另 一 次 用 T F I 127 涡 轮 钻 具 钻165mm 井 眼 , 其 工 作 寿 命 也 达 到 了 338 小 时 。 从 这 两 种 钻 具 实 际 使 用 的 工 作 寿 命 , 可

47、 以 看 出涡 轮 钻 具 的 技 术 进 步 。2. 美 国 阿 拉 斯 加 北 部 的 涡 轮 钻 井阿 拉 斯 加 北 部 的 Slope 地 区 K upa ruk 河 油 田 使 用 涡 轮 钻 具 钻 井 , 创 造 了 多 项 新 记 录 。 例如 , 在 2 M 09 井 创 造 了 日 进 尺 1 675. 75 m 的 记 录 ; T 2184 可 控 涡 轮 钻 具 创 造 了 一 次 行 程 钻 进2 472m 的 新 记 录 等 2 。 这 种 Neyr for 涡 轮 钻 具 采 用 带 金 属 推 力 轴 承 ( A MB ) 的 支 承 节 。 AMB4轴 承

48、的 出 现 , 提 高 了 涡 轮 钻 具 整 体 工 作 寿 命 , 如 带 A MB 轴 承 作 支 承 节 的 T 2184 涡 轮 钻 具 在 一 次 下 井 中 的 工 作 时 间 记 录 为 245 小 时 , 并 且 钻 井 液 密 度 为 2. 06g/ c m3 。3. 涡 轮 钻 井 技 术 在 北 海 油 田 的 应 用仅 1993 1994 年 中 , 在 北 海 南 部 地 区 , 用 涡 轮 钻 具 钻 了 27 口 气 田 开 发 井 。 27 口 井 的 技术 指 标 为 : 平 均 每 一 行 程 的 进 尺 超 过 365m ; 故 障 平 均 间 隔 时

49、间 为 900h ; 一 次 行 程 的 最大 钻 井 进 尺 为 1 839m ; 在 镁 灰 岩 层 上 , 平 均 机 械 钻 速 为 11. 46 m/ h。( 三 ) 中 东 地 区 涡 轮 钻 井 技 术 的 新 进 展1990 年 , 中 东 地 区 的 卡 塔 尔 通 用 石 油 公 司 在 卡 塔 尔 北 部 世 界 上 最 大 的 气 田 上 采 用 涡 轮 钻井 技 术 成 功 地 钻 完 两 个 丛 式 井 组 共 16 口 大 斜 度 定 向 井 , 平 均 每 口 井 节 省 50 万 美 元 。 20 世 纪 90 年 代 , 在 巴 林 K huff 油 田 K 471、 K 472 T 和 K 473 三 口 井 用 涡 轮 钻 具 在 311mm , 216mm和 156 mm 井 眼 钻 进 了 4 592m , 其 机 械 钻 速 是 转 盘 钻 进 的 2 倍 , 节 省 了 相 当 于 5 个 钻 机 工 作日 的 费 用 6 , 7 。 由 此 可 见 , 在 这 些 地 区 , 涡 轮 钻 具 的 使 用 可 节 约 大 量 的 钻 井 费 用 。( 四 ) 国 内 涡 轮 钻 井