积木式组合涡轮钻具试验研究

针对涡轮钻具转速高、扭矩小、型号单一、结构复杂、维修麻烦,与我国的钻头发展水平不相适应的问题,开展了积木式组合涡轮钻具试验研究。分析了积木式组合涡轮钻具的理论特性,理论上认为积木式组合涡轮钻具的输出特性是单级涡轮定转子叶片输出特性的叠加。在不增加现有涡轮钻具定转子类型的基础上实现了同一尺寸系列转速的连续化设计。试验结果表明,积木式组合涡轮钻具的输出扭矩、功率、压降与效率的理论计算值与试验值吻合,输出扭矩与压降符合叠加原理;现场应用表明,积木式组合涡轮钻具能满足钻井现场各类钻头的需要,与牙轮钻头、PDC钻头和金刚石钻头匹配使用,平均钻速提高了43%～473%。     

172组合减速涡轮钻具的研究与应用

针对普通涡轮钻具转速高、扭矩小、压降高、型号单一,与牙轮钻头和PDC钻头不相适应,采用积木式涡轮节和2K-H-NGW型多列行星轮系减速传动方案设计了新型172mm组合减速涡轮钻具。室内实验表明,新型172组合减速涡轮钻具转速适中、扭矩大、压降低,能与高速牙轮钻头和PDC钻头匹配;现场应用表明,新型涡轮钻具能满足高速牙轮钻头和PDC钻头需要,寿命长,采用减速涡轮复合钻井方式可以较大幅度提高钻速;建议加大组合式减速涡轮钻具研究投入力度,并将新型涡轮钻具应用于深井超深井钻井。     

俄罗斯减速器涡轮钻具驱动PDC钻头在西西伯利亚油田的成功应用

涡轮钻具由前苏联研制出来以后，得到了迅速发展，目前已发展到减速器涡轮钻具阶段。现在，俄罗斯西西伯利亚地区普遍使用减速器涡轮钻具钻井，而减速器涡轮钻具驱动PDC钻头的使用还是空白。采用俄罗斯生产的几种不同型号的减速器涡轮钻具，在西西伯利亚进行了驱动PDC钻头钻井的阶段性试验。试验结果表明，在优选PDC钻头结构的情况下，用减速器涡轮钻具驱动PDC钻头，钻头进尺和机械钻速都较牙轮钻头有显著的提高，经济和社会效益显著。介绍了试验中使用的3种俄罗斯减速器涡轮钻具(TPM-195，TPⅢ-195和TPO3—195)的结构特点和主要技术参数。     

TRO-121减速涡轮在塔深1井应用

中转速、低压降、高扭矩减速涡轮钻具配合优质PDC钻头钻进,可大幅度提高超深井的钻进速度。介绍了121mm减速涡轮钻具的工作原理及特点,及在塔河油田塔深1井的试验情况。试验表明,减速涡轮钻具配合PDC钻头钻进比转盘旋转钻进的机械钻速提高96％,有利于缩短钻井周期,节约钻井成本,取得了较好的效果。     

180涡轮钻具用同步减速器研制

为了有效地克服常规涡轮钻具对钻压过敏，低速区不能稳定运转的缺点，研制了二齿差两级齿轮传动同步减速器。介绍了该减速器的工作原理和压力平衡储油补偿密封系统的结构与特点。叙述了该减速器的传动比、齿轮传动、高低速机械密封和偏心短圆柱滚子轴承的设计计算过程及有关处理办法。室内台架试验表明，此减速器运转灵活，压力平衡储油补偿密封系统工作可靠耐久，在不同加载扭矩和转速下，其传动效率均在90％以上。     

JWZ250减速涡轮钻具在丘东10井的现场试验

中转速、低压降、高扭矩减速涡轮钻具配合高效优质PDC钻头或高速长寿命ATM、MAX等系列牙轮钻头钻进,可大幅度提高大直径井眼的钻进速度。介绍了?250mm减速涡轮钻具的工作原理及特点,及在吐哈油田正东10井的试验情况。试验表明,减速涡轮钻具配牙轮钻头钻进比转盘旋转钻进的机械钻速提高230%;配PDC钻头钻进比转盘旋转钻进的机械钻速提高336%。从而缩短了钻井周期,节约了钻井成本,取得了较好的效果。     

新型减速涡轮钻具应用研究

在常规涡轮钻具基础上研制出的新型减速涡轮钻具,由涡轮节、支承节、减速节3部分组成,能使其原有的高转速降低到能满足高效钻头使用要求的中、低转速,而且相应地提高了其工作扭矩。减速涡轮钻具配合高效钻头技术在中原油田的应用结果表明,这项技术能大幅度地提高中、深井的机械钻速;具有较好的防斜打快功能,在西部新区山前高陡构造地层具有广阔的应用前景。     

JWZ250减速涡轮钻具在丘东10井的现场试验

中转速、低压降、高扭矩减速涡轮钻具配合高效优质ＰＤＣ钻头或高速长寿命ＡＴＭ、ＭＡＸ等系列牙轮钻头钻进,可大幅度提高大直径井眼的钻进速度。介绍了φ２５０ｍｍ减速涡轮钻具的工作原理及特点,及在吐哈油田正东１０井的试验情况。试验表明,减速涡轮钻具配牙轮钻头钻进比转盘旋转钻进的机械钻速提高 ２３０％;配 ＰＤＣ钻头钻进比转盘旋转钻进的机械钻速提高３３６％。从而缩短了钻井周期,节约了钻井成本,取得了较好的效果。     

国内外井下动力钻具减速器的现状

介绍了国内外涡轮钻具和螺杆钻具所用涡轮减速器、螺杆减速器、少齿差齿轮减速器及行星齿轮减速器的工作原理、发展现状及各自的适用范围。根据我国油田的具体情况，近期我国可发展螺杆减速器（组成螺杆－涡轮组合钻具）。从长远的观点看，我国应发展涡轮钻具并研制行星齿轮减速器。     

涡轮钻具用渐开线少齿差行星齿轮减速器的CAD

针对涡轮钻具的具体情况，建立了渐开线少齿差行星齿轮减速器的设计计算公式，给出了计算机程序框图，将大大提高涡轮钻具用少齿差减速器的设计速度和设计质量。     

180涡轮钻具用同步减速器研制

叙述了 180涡轮钻具用减速器的传动比 ,齿轮传动 ,端面机械密封和偏心短圆柱轴承的设计计算过程和有关处理办法。室内台架试验表明 ,此减速器运转灵活 ,机械密封可靠 ,传动效率高。该减速器研制成功为整个涡轮钻具研制打下了坚实的基础     

井下减速器传动方案分析

结合井下减速器的结构特点，分析了定轴轮系传动、2K-H型行星轮系传动、3K行星轮系传动、少齿差行星轮系传动4种传动方案，选择内齿作为输出轴的少齿差行星轮系传动方案更符合涡轮钻具的传动要求和井下工具结构特点。少齿差行星轮系的研制、开发、应用可降低涡轮钻具转速，提高扭矩，提高深井钻速。     

齿轮减速涡轮钻具改进钻井效果

对一种新型井下液压马达（齿轮减速涡轮钻具）的应用效果及其优越性的开发进行了介绍。第一代齿轮减速涡轮钻具ＴＲＭ－１５９被广泛地应用于俄罗斯的油气井钻井中,该齿轮减速涡轮钻具有岩石中的钻进速度超过了３．５ｍ／ｍｉｎ,其最佳效果是在西西伯利亚完井井与西方公司生产的旋转刮刀式钻头的组合使用,在世界上最深井Ｋｏｌａ井（１２２６０ｍ）的钻井成功地应用于耐热型的齿轮减速涡轮钻具,在使用ＰＤＣ钻头的高温（温度超过     

流体介质对高速涡轮钻具力学性能影响研究

提高涡轮钻具的力学性能一直是涡轮钻具研究的主要内容。为此,以178 mm高速涡轮钻具为原型,在台架试验的基础上,利用CFD方法,研究了不同介质密度、不同介质黏度对涡轮钻具力学性能的影响。研究和试验结果表明,随着介质密度的增加,高速涡轮钻具的压降、工作转速对应的扭矩及输出功率均会增大,介质黏度的改变对高速涡轮钻具的扭矩和输出功率基本无影响。在进行涡轮钻具设计时,应该考虑其对流体介质物理性质变化的适应能力,合理设计工作转速范围。现场使用涡轮钻具,当钻井液密度、黏度发生改变时,应注意调整泵压、钻压以保证最佳工况。     

变曲柄转速游梁式抽油机结构设想

设想了一种以非圆齿轮副作为游梁式抽油机减速器最后一级传动副的变曲柄转速抽油机的结构。利用非圆齿轮副的变传动比特性，达到在不减少冲次的前提下降低游梁式抽油机最大输入扭矩的目的。计算结果表明：这种变曲柄转速游梁式抽油机与同型号、同冲次非变曲柄转速游梁式抽油机相比，在同样工况条件下，其最大输入扭矩可降低２０％以上。     

积木式涡轮钻具配合高效钻头技术研究

根据中原油田实际情况完成了新型积木式涡轮钻具结构优化设计研究，试制成功的新型积木式涡轮钻具工作转速可在150～820r／min间变化。完成了Ф172mm积木式涡轮钻具金属密封轴承节研制，并进行了12口井现场试验，维修周期超过120h；完成了乒172mm积木式涡轮钻具金刚石轴承节研制，并进行了1次模拟试验和1井次现场试验，工作112h后磨损仅0．05mm（允许磨损0．25mm），根据磨损量测算维修时间大于300h；完成了积木式涡轮钻具配合高效钻头钻进的配套工艺技术研究，经过现场验证，证明涡轮复合钻井工艺技术措施正确。该项目研制成功新型长寿命、大扭矩、中转速的声172mm积木式涡轮钻具，并在中原油田桥29-52井、卫360-5井、文79-101井等12口井进行了现场试验，形成了一套涡轮钻具＋转盘复合钻井工艺配套新技术。     

现代涡轮钻具结构性能的改进

通过对苏联发展涡轮钻具的态势研究,结合本国的科研实践,认为高效能涡轮钻井用的支承节式多节涡轮钻具是比较成熟和最有发展前景的钻具。目前的涡轮钻具转速偏高,不适宜牙轮钻头工作的要求。为此而设计的低速涡轮不能只顾追求涡轮高效率,而应考虑牙轮每转的吃入量,增加涡轮扭矩与空转转速之比值。浮动定子涡轮提供了增大叶栅直径和减少级高的可能性,是一种更具备发展前途的结构。设计匹配PDC钻头用的高速大功率涡轮时,重点应考虑高效率。然而,高速涡轮的工作周期取决于支承寿命。使其寿命延长的根本办法是使涡轮轴向间隙不受止推轴承磨损的影响。     

4种井下减速器与涡轮节串联组合的对比分析

在介绍４种井下减速器工作原理的基础上,探讨了这些井下减速器与涡轮节以１加１方式、２夹１方式串联的特点,并着重阐明了这２种串联方式的机理。通过对几种减速涡轮钻具特性的对比,指出发展带同步减速器或摩擦滚珠减速器的２夹１联涡轮钻具大有前途。     

新型涡轮钻具的组合设计

改善常规复式涡轮钻具性能取决于抓好先进的涡轮叶栅水力设计和采用独立滚动球轴承支承节环节。带同步减速器涡轮钻具可克服常规涡轮钻具和螺杆钻具的固有缺点，是提高我国深井钻井技术的关键装备。文中就减速器的形式对减速涡轮钻具进行分类讨论，最后还比较了４种井下动力钻具的优、缺点。     

涡轮钻具复合钻进技术

涡轮钻具复合钻进技术是大幅度提高钻井速度、防斜打快的主要手段之一,随着涡轮钻具性能、型号的完善,加上高效PDC钻头的蓬勃发展,涡轮钻具复合钻井技术将得到大规模推广应用。在对涡轮钻具和螺杆钻具结构、性能和使用优缺点进行对比的基础上,提出了涡轮钻具复合钻进最佳工况的概念,给出了明确的转速范围;从涡轮钻具的特性和PDC钻头配合要求着手,详细论述了涡轮钻具复合钻进的机理;建立了涡轮钻具系统在钻井过程中的动态和纵向振动模型,为获得最佳的涡轮钻具复合钻进效果提供了理论依据。在国内高陡构造的典型地区进行防斜打快的应用实例表明,机械钻速明显提高,钻井周期大大缩短,钻井成本大幅度下降,经济效益显著。