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1、第四节第四节 井下动力钻具的选用井下动力钻具的选用一、动力钻具性能分析一、动力钻具性能分析1.1.工作特性的区别工作特性的区别 下图分别给出了涡轮钻具和螺杆钻具的理论特性。由此可对比出下图分别给出了涡轮钻具和螺杆钻具的理论特性。由此可对比出二者在工作特性上的区别，从而直观认识二者在工作原理上的差异。二者在工作特性上的区别，从而直观认识二者在工作原理上的差异。从对比中可以得出，螺杆钻具有硬的机械特性，过载能力强；而从对比中可以得出，螺杆钻具有硬的机械特性，过载能力强；而涡轮钻具有软的机械特性，过载能力差，随着钻压增大导致切削阻力涡轮钻具有软的机械特性，过载能力差，随着钻压增大导致切削阻力矩增大时
2、，会引起转速下降，易被矩增大时，会引起转速下降，易被“压死压死”而造成制动。从这方面来而造成制动。从这方面来看，螺杆钻具用于钻井作业更为适用。看，螺杆钻具用于钻井作业更为适用。另一方面另一方面,螺杆钻具的压降随着扭矩的变化而变化螺杆钻具的压降随着扭矩的变化而变化,因而可通过泵因而可通过泵压的变化检测螺杆钻具的工作情况。而涡轮钻具的压降不因载荷的变压的变化检测螺杆钻具的工作情况。而涡轮钻具的压降不因载荷的变化而变化，对其在井底的工作状况无法在地表直接检测。化而变化，对其在井底的工作状况无法在地表直接检测。2.2.转速差异转速差异 涡轮钻具的转速明显高于螺杆钻具。一般涡轮钻具涡轮钻具的转速明显高于
3、螺杆钻具。一般涡轮钻具的空转转速多在的空转转速多在1200rpm1200rpm以上，其工作转速以上，其工作转速(即空载转即空载转速的一半速的一半)也多在也多在600rpm600rpm以上，而单头螺杆钻具的转速以上，而单头螺杆钻具的转速一般在一般在 400rpm 400rpm左右，多头螺杆钻具转速一般左右，多头螺杆钻具转速一般100rpm100rpm左左右。右。3.3.压降差异压降差异 外径相近、工况参数外径相近、工况参数(排量、钻井液密度排量、钻井液密度)相同的两相同的两种钻具，涡轮钻具的压降远远大于螺杆钻具的压降。种钻具，涡轮钻具的压降远远大于螺杆钻具的压降。涡涡轮钻具的高压降特性，在钻井水
4、力设计中必须予以充分轮钻具的高压降特性，在钻井水力设计中必须予以充分考虑，特别是在深井钻进的情况下。考虑，特别是在深井钻进的情况下。例如例如165mm165mm的多头螺杆钻具，其额定工作压降的多头螺杆钻具，其额定工作压降 p p一般为一般为3MPa(3MPa(空载起动压降一般小于空载起动压降一般小于1MPa)1MPa)，而尺寸相近，而尺寸相近的涡轮钻具，其压降一般可达的涡轮钻具，其压降一般可达 5-7MPa 5-7MPa。4.4.耐温性能差异耐温性能差异 井下动力钻具内的橡胶部件造成了钻具承温能力的门坎井下动力钻具内的橡胶部件造成了钻具承温能力的门坎值。螺杆钻具的定子衬里是耐油丁腈橡胶，过高的
5、工作温度值。螺杆钻具的定子衬里是耐油丁腈橡胶，过高的工作温度会使定子橡胶脆化而造成先期破坏。一般的螺杆钻具工作温会使定子橡胶脆化而造成先期破坏。一般的螺杆钻具工作温度不超过度不超过125125。涡轮钻具内部没有橡胶件，完全不受高温的限制。涡轮钻具内部没有橡胶件，完全不受高温的限制。这是这是涡轮钻具的一大优点，也是近年来涡轮钻具又一度成为热门涡轮钻具的一大优点，也是近年来涡轮钻具又一度成为热门产品一个重要原因。产品一个重要原因。5.5.直径影响的差异直径影响的差异 涡轮钻具与螺杆钻具相比，涡轮钻具的功率和扭矩受直涡轮钻具与螺杆钻具相比，涡轮钻具的功率和扭矩受直径的影响甚大，而直径对螺杆钻具的影响
6、较小。径的影响甚大，而直径对螺杆钻具的影响较小。在设计产品或规划产品系列时，对涡轮钻具宜发展大直在设计产品或规划产品系列时，对涡轮钻具宜发展大直径产品径产品(过小尺寸会使扭矩太小过小尺寸会使扭矩太小)；对小直径动力钻具可主要；对小直径动力钻具可主要发展螺杆钻具。发展螺杆钻具。目前涡轮钻具产品的直径范围是目前涡轮钻具产品的直径范围是9595320mm320mm，而螺杆，而螺杆钻具产品的直径范围是钻具产品的直径范围是45-244mm45-244mm。6.6.横振差异横振差异 螺杆钻具的转子在定子型腔内作平面行星运动，螺杆钻具的转子在定子型腔内作平面行星运动，产生离心惯性力，从而造成钻具的横向振动。
7、而涡轮产生离心惯性力，从而造成钻具的横向振动。而涡轮钻具的转子作定轴转动不会引起离心惯性力和横向振钻具的转子作定轴转动不会引起离心惯性力和横向振动。动。7 7、长度差异、长度差异 在外径相近、扭矩相近的条件下，涡轮钻具的长在外径相近、扭矩相近的条件下，涡轮钻具的长度明显大于度明显大于(甚至成倍于甚至成倍于)螺杆钻具长度。长度过大对螺杆钻具长度。长度过大对造斜作业不利。造斜作业不利。二、螺杆钻具和涡轮钻具特点对比二、螺杆钻具和涡轮钻具特点对比1.1.螺杆钻具螺杆钻具优点：优点：1.1.转速低，适用于现有牙轮钻头转速低，适用于现有牙轮钻头.2.2.长度短长度短(5(510m)10m)，适合打定向井
8、、水平井。，适合打定向井、水平井。3.3.压降低压降低(3(35MPa)5MPa)。4.4.转速不受输出扭矩的影响转速不受输出扭矩的影响,具有很好的过载能力。具有很好的过载能力。5.5.螺杆钻具的压降随着载荷的变化而变化螺杆钻具的压降随着载荷的变化而变化,因而可通过泵因而可通过泵压的变化检测螺杆钻具的工作情况。压的变化检测螺杆钻具的工作情况。缺点：缺点：1.1.橡橡胶胶定定子子和和转转子子在在高高密密度度及及泥泥浆浆净净化化不不好好条条件件下下易易磨磨损损，随随着着间间隙隙的的增增大，转速和扭矩下降。大，转速和扭矩下降。2.2.橡橡胶胶定定子子不不耐耐高高温温，在在高高于于125125条条件件
9、下下橡橡胶胶易易失失效效，橡橡胶胶存存放放时时间间长长了就会老化。螺杆钻具一般情况下只能存放了就会老化。螺杆钻具一般情况下只能存放2 2年时间。年时间。2.2.涡轮钻具涡轮钻具优点：优点：1.1.涡轮钻具转速高涡轮钻具转速高(400rpm(400rpm以上以上)，较适合于，较适合于TSPTSP钻头、金刚石钻头。钻头、金刚石钻头。2.2.涡轮钻具定转子使用寿命长。涡轮钻具定转子使用寿命长。3.3.耐高温和高压，适用于高温高压井。耐高温和高压，适用于高温高压井。缺点：缺点：1.1.涡轮钻具转速较高，与现有牙轮钻头不匹配。涡轮钻具转速较高，与现有牙轮钻头不匹配。2.2.单节涡轮钻具扭矩小，为了提高扭
10、矩，只有采用长度长的复式单节涡轮钻具扭矩小，为了提高扭矩，只有采用长度长的复式涡轮钻具，使得钻具总长度较大，不利于井眼轨迹控制；涡轮钻具，使得钻具总长度较大，不利于井眼轨迹控制；3.3.复式涡轮钻具压降大，特别是在高泥浆比重条件下压降更大。复式涡轮钻具压降大，特别是在高泥浆比重条件下压降更大。4.4.转速与输出扭矩有关，过载条件下会导致钻具不转。转速与输出扭矩有关，过载条件下会导致钻具不转。三、动力钻具的选用三、动力钻具的选用 动力钻具的选用一般遵循以下准则：动力钻具的选用一般遵循以下准则：常规定向井、大位移井、水平井的造斜以及复合钻常规定向井、大位移井、水平井的造斜以及复合钻井选用螺杆钻具。遇到高温情况，可选用减速器涡轮。井选用螺杆钻具。遇到高温情况，可选用减速器涡轮。为提高钻井速度而采用井下动力钻具时，应根据钻头的特点选用为提高钻井速度而采用井下动力钻具时，应根据钻头的特点选用动力钻具。一般可采用下列组合：动力钻具。一般可采用下列组合：PDC PDC钻头或牙轮钻头钻头或牙轮钻头+螺杆钻具；螺杆钻具；PDC PDC钻头或牙轮钻头钻头或牙轮钻头+减速器涡轮钻具；减速器涡轮钻具；TSP TSP钻头钻头+高速螺杆或中速涡轮或减速器涡轮；高速螺杆或中速涡轮或减速器涡轮；单晶金刚石钻头单晶金刚石钻头+中、高速涡轮。中、高速涡轮。