涡轮钻具及其应用

涡轮钻具在俄罗斯的应用及发展方向研究摘要：涡轮钻井在俄罗斯一直是有效和经济适用的钻井方法。

文章分析了俄罗斯涡轮钻井的应用现状。

涡轮钻具存在着诸多不足，不是所有区域都适合涡轮钻井。

要想提高涡轮钻井效率，就必须从改变涡轮钻具的结构入手，同时还需选择与涡轮钻具相匹配的高效钻头。

并分析了俄罗斯涡轮钻具的发展方向，对研发我国的涡轮钻具具有重要的借鉴意义。

关键词：涡轮钻井；缺点；钻头；发展方向涡轮钻具也是一种液动马达，涡轮壳体里面装有多级成对的涡轮定转子，工作时钻井液在泵的作用下首先进入涡轮定子，涡轮定子使钻井液具有一定的方向和速度进入涡轮转子，涡轮转子使钻井液的水力能量转变为涡轮钻具输出轴驱动井底钻头的转动机械能。

涡轮钻具转速范围大，可使用牙轮钻头、PDC 钻头和各类孕镶金刚石钻头；涡轮钻具定转子使用寿命长，存放时间不受限制；耐高温和高压，适用于高温高压井。

涡轮钻具克服了螺杆钻具的缺点，是深井、超深井、高研磨性、高抗压强度、高温地层的有效提速手段。

20世纪20年代后期前苏联开始研发涡轮钻具，1923年研制成功，到20世纪50年代，前苏联取得了一大批有价值的理论研究成果，使涡轮钻井技术成为前苏联重要的钻井方法。

几十年来，前苏联通过对涡轮钻具的性能与结构不断进行完善，基本上满足了现场钻井工艺要求，涡轮钻井技术的钻井进尺占到了总钻井进尺的80％以上。

1俄罗斯涡轮钻具应用现状分析涡轮钻井在俄罗斯一直是一种经济、有效且适用的钻井方法。

在俄罗斯大部分油气田钻井过程中使用涡轮钻井方法是有根据的，该种钻井方法尤其适用于斜井。

最近，涡轮钻井在斜井钻井区域不存在严重竞争，在这种情况下，涡轮钻井方法的优势是显而易见的，如：钻杆不旋转，轻质合金钻杆，高机械钻速等等。

多年来，当钻井液流量为44～48l/s时，在西西伯利亚一直采用高度机动的涡轮钻具3ТСШ1-195ТЛ ，此工艺虽然保证了较高机械转速，但同时也导致井壁侵蚀坍塌。

技术最过硬的钻井队在500~3 000 m井段也要划眼12～15次，而其它的钻井队达20～25次。

一种涡轮钻进式多分支小井眼完井工具及操作方法与流程在石油开采领域，高效、稳定的钻井技术至关重要。

本文将介绍一种涡轮钻进式多分支小井眼完井工具及其操作方法和流程，该技术具有高效、节能、环保等特点，为我国石油勘探开发提供了有力支持。

一、涡轮钻进式多分支小井眼完井工具1.工具组成该工具主要由以下几部分组成：（1）涡轮钻头：采用高速旋转的涡轮钻头，提高钻进速度和效率。

（2）多分支钻杆：钻杆上设有多个分支，用于同时钻探多个井眼。

（3）导向装置：确保钻头沿预定轨迹钻进，提高钻进精度。

（4）动力系统：为涡轮钻头提供动力，驱动钻头旋转。

2.工具特点（1）高效节能：利用涡轮钻头高速旋转，提高钻进速度，降低能耗。

（2）环保：减少泥浆排放，降低对环境的影响。

（3）多井眼钻探：一次钻进多个井眼，提高勘探开发效率。

（4）适应性强：适用于不同地质条件，具有较强的适应性。

二、操作方法与流程1.操作方法（1）准备工作：对设备进行检查，确保设备正常运行。

（2）钻进：启动动力系统，驱动涡轮钻头旋转，开始钻进。

（3）导向：通过导向装置，调整钻头钻进方向，确保钻头沿预定轨迹钻进。

（4）多井眼钻探：利用多分支钻杆，同时钻探多个井眼。

（5）完井：完成钻进后，进行完井作业，包括井筒清洗、固井等。

2.操作流程（1）设备检查：检查设备运行状态，确保设备正常。

（2）钻进参数设定：根据地质条件和设计要求，设定钻进参数。

（3）钻进作业：按照设定参数，进行钻进作业。

（4）监测与调整：实时监测钻进情况，调整钻进参数和导向装置。

（5）多井眼钻探：利用多分支钻杆，同时钻探多个井眼。

（6）完井作业：完成钻进后，进行完井作业。

（7）设备维护：钻进作业结束后，对设备进行清洗、保养和维修。

总结：涡轮钻进式多分支小井眼完井工具及操作方法与流程，为我国石油勘探开发提供了一种高效、节能、环保的技术手段。

在实际应用中，需根据地质条件和设计要求，合理设定钻进参数，确保钻进作业的顺利进行。

井底水力涡轮钻具使用手册一、概述涡轮钻具是一种井底水力发动机，里面装有若干级涡轮（定子和转子），定子使液体以一定的方向和速度冲动转子，而转子将液体这种动能转变成带动钻头旋转破碎地层的机械能。

1、涡轮钻具型式及直径系列国产涡轮钻具型式、型号与橡胶机械性能均应符合SY /T5401—91规定。

（1）涡轮钻具型式单节式：只有一个涡轮节的涡轮钻具。

多节式：有两个以上涡轮节的复式涡轮钻具。

支承节式：全部轴向推力轴承安装成专门单体的涡轮钻具。

（2）型号表示法例：3WZ—195Z3 表示这是一种195mm直径、带支承节及水力制动节的、经过三次改进后的、具有三个涡轮节的涡轮钻具。

WZl—172—2 表示这是一种172mm直径、不带支承节的、经过二次改进后的单节式涡轮钻具。

WZ—240 表示这是一种240mm直径、带支承节的单节式涡轮钻具。

（3）直径系列见表3－1、轴接头的螺纹见表3－2、涡轮钻具各部位螺纹上紧扭矩见表3－3。

表3－1 国产涡轮钻具直径系列(SY/T5401—91)表3－2 轴接头的螺纹表3－3 涡轮钻具各部位螺纹上紧扭矩(SY/5547—92)单位：N·m（4）涡轮钻具按其结构和用途大致可分为：单式涡轮钻具、复式涡轮钻具、短涡轮钻具、弯壳体涡轮钻具、带减速器的涡轮钻具、带滚动轴承的涡轮钻具和高速涡轮钻具等等。

二、涡轮钻具技术规格及结构由于国内目前主要使用单式普通涡轮钻具，故本手册将以国产WZ系列的涡轮钻具为例，介绍涡轮钻具的规格、结构、特点及使用要求。

1、涡轮钻具的技术规格及工作性能（1）涡轮钻具的技术规格WZ系列和FZ系列的各种涡轮钻具的技术规格见表3－4、表3－5。

表3－4 WZ系列涡轮钻具规格表3－5 FZ系列涡轮钻具规格（2）涡轮钻具的工作性能工作液为清水、钻井液时工作性能见表3－6、表3－7、表3－8。

表3－6 涡轮钻具性能液体：清水（密度1g/㎝3）表3－7 WZ涡轮钻具使用参数(SY5547—92)表3－8 涡轮钻具性能液体：钻井液（密度1.2g/㎝3）（3）涡轮钻具的特性曲线涡轮钻具的特性曲线，就是涡轮钻具的主要技术参数之间的关系曲线，如图3－1所示。

涡轮工具在元坝10-1H井的成功应用元坝10-1H井是西南油气分公司布置的一口生产评价井，大斜度水平井。

完钻井深7805m,垂深m。

水平位移超过m。

由胜利油田川东北工委70112钻井队承钻。

为了提高机械钻速，加快元坝油气田开发进度，决定在本井三开井段使用涡轮+孕镶金刚石钻头提速工艺。

平均机械钻速达1.73m/h。

大大缩短了该井的钻井周期，取得了良好地效果。

1涡轮钻井技术概述涡轮钻具近年来有了较大的发展，大扭矩高速涡轮钻具工作转速为500～2000r/min，主要适应于孕镶金刚石钻头。

高速涡轮钻具定转子均为铸钢或不锈钢铸造件，耐冲刷。

在普通钻井液中可正常工作800～1000h，涡轮钻具的最大优点是不含橡胶件，耐高温，工作温度可达250～300℃，适用于深井、超深井和高温高压井，1套涡轮钻具检修后可多次重复使用。

近十多年来，国外采用先进的涡轮钻具与PDC钻头、金刚石钻头和孕镶金刚石钻头配套钻井技术，提高了机械钻速，缩短了建井周期，降低了钻井成本，这是国外近年来涡轮钻井技术较快发展的主要原因。

目前国外采用涡轮钻具钻井一般能节约钻时40～50%，节约钻井成本约1/3左右，美国、加拿大、德国、埃及等许多国家应用涡轮钻井技术所钻井（特别是深井和超深井）的比例在不断增加，所使用的涡轮钻具数量也越来越多。

1.1涡轮钻井优点（1）可以提高机械钻速，大幅度缩短钻井周期。

（2）提高钻具稳定性，保护钻具及井下工具。

（3）配合孕镶金刚石钻头，提高单只钻头寿命及进尺，减少起下钻时间。

与使用牙轮钻头相比，单趟钻平均可节约5-8次起下钻。

（4）减少钻井液对储层的浸泡时间，有利于保护和发现油气层。

（5）可提供良好的井眼条件，有利于提高固井和完井质量。

（6）涡轮钻井技术是高研磨性地层提高钻井速度的有效技术，有利于加快油气田勘探开发进程。

1.2实施涡轮钻井的条件（1）涡轮钻具需要一定的压力损耗以提供足够的能量输出，要求钻井泵具有足够的功率，以保障涡轮钻具需要的水力能量。

第三章 涡轮机械第一节 概 述涡轮钻具是一种结构比较特殊的井下动力钻具，它由钻井泵打出的高压钻井液来驱动。

涡轮钻具钻井与转盘钻井相比，主要优点是：将能量集中在井底驱动钻头旋转以破碎岩石，此机械钻速较高；钻井时钻杆不转动，减少了钻杆的磨损和断裂事故，延长了钻杆的使用寿命，特别适合于打定向井、丛式井以及进行修井、侧钻等特殊作业。

涡轮钻具在前苏联一直作为主要的钻井工具，钻井总进尺占80%以上。

长期以来，涡轮钻具主要是配用牙轮钻头打井，存在着涡轮钻具转速高，牙轮钻头寿命短、进尺少，及其像胶一金属推力轴承工作寿命不长等缺点；但随着高转速、低钻压聚晶金刚石复合片PDC 钻头的推广应用，随钻测量技术的普及，以及各种新型结构的出现，涡轮钻具在石油、天然气钻井工程中将会发挥越来越大的作用。

一、涡轮的工作原理涡轮钻具是接在钻杆的下端，随钻杆一起下到井底的一种井底动力钻具。

涡轮钻具中的涡轮，是把液体能（主要是动能及部分压能）变为涡轮轴上的机械能，从而带动钻头旋转破碎岩石。

涡轮钻具是一种特殊结构的水涡轮，它的作用原理和地面上的一般水涡轮相同，可用下面简单的例子说明，如图3-1所示。

漏斗A 可绕0102轴旋转，将液体从漏斗上部灌入，下部喷出，喷出的速度大小和方向与进口不同。

液流进出口动量矩的变化，使漏斗中的液体受一力矩。

该液体以大小相等方向相反的力矩作用在漏斗上，使漏斗沿箭头所示方向转动。

如把几个漏斗沿0102轴的圆周放置，成一整体就构成了涡轮，即可带动0102轴旋转作机械功。

可见要使漏轮轴作机械功，必须使液流在进入工作轮前具有一定的方向和速度，因此，液流在进入工作轮前应通过一个导向装置。

在涡轮的导向装置（或定子）中，只发生液体能形式的改变，把部分压能转换为动力能，并把液流引导一定方向。

而工作轮（或涡轮转子）中，发生液体能转换成机械能的过程，并带动涡轮轴旋转，对外作机械功。

钻井用的涡轮钻具，在工作条件和结构方面都与地面的水涡轮有很大区别。

引进涡轮钻具在深井中的应用安勇(大庆钻探工程公司钻井三公司， 黑龙江 大庆 163412)摘要：目前深层Q2以下地层可钻性级值为4～10.5级，硬度为2000～5000MPa，其地温高，地层研磨性极强,限制了PDC 钻头及井下动力钻具的使用。

为了探索深层钻井提速，解决限制钻速的瓶颈，特引进俄罗斯涡轮钻具进行试验，并取得了一定经验，为进一步探索涡轮钻具在深井提速上的应用前景，现论述如下。

关键词：涡轮钻具;国内外现状;现场应用;取得认识近年来,随着深部油气藏的勘探和开发,深井和超深井的数量大幅度增加,但深井普遍存在地温高且深部地层坚硬的地质特点，寻找影响深井机械钻速的主要原因有：深井高温条件下,岩石的可钻性变差,限制PDC 钻头及井下动力钻具的使用。

深部井段的岩石在高温压作用下其强度和塑性大幅度增加,破岩机械能量不足，钻头破岩效率降低,岩屑清除困难.为提高井底钻头的破岩机械能量,目前可采取的行之有效的措施就是提高钻头工作转速。

而涡轮钻具正满足即可以提供抗高温并且能够输出大扭矩的作用。

1 涡轮工艺涡轮钻具主要以叶片进行动能传输的一种动力钻具，没有橡胶件密封，具有抗高温、转速高、大扭矩的优点。

引进的俄罗斯TRM 减速器涡轮钻具，采用一节或多节涡轮节组合，配置了充油密封保护行星齿轮减速器,减速器上下两端连接开式支承节，支承节在行星齿轮机构的上下侧将轴向、径向轴承系统集成到密封腔里,结构非常紧凑,不超过3-4m,可与一节或多节涡轮节组合。

为了深井和超深井在高温高压条件下使用涡轮钻具,采用了高速涡轮(空转转速2000-3000r/min)与一级或二级减速器结合,下部通过弯接头或短节与支承节相连,采用整体充油密封保护,形成一个整体密封的钻具。

2 现场应用引进涡轮钻具在两口井进行试验，一口井在超深井XX 井，采用一级减速涡轮配合孕镶金刚石钻头；一口在XXX 井采用一级减速涡轮钻具配合PDC 钻头进行提速对比试验，两口井累计进尺427.39m，平均机械钻速12.83m/h。