涡轮钻具介绍课件.ppt
深圳百勤石油技术有限公司,涡 轮 钻 具 技术介绍,目录,涡轮钻具的发展史 涡轮钻具同PDM的对比 涡轮钻具结构性能介绍-基本特征-标准组件-钻具的改进-定向性-振动性-耐高温高压性-井眼质量-欠平衡钻井的配合 涡轮钻具的业绩 涡轮钻具总结,涡轮钻具发展史,涡轮原理在几百年前已存在(如风车),现在也广泛应用于航空器和发电厂等领域1873年美国就公布了用井下螺杆给钻头提供动力的技术专利，这个专利比旋转钻井专利早11年19世纪20年代后期涡轮钻具在俄罗斯开始开发，在1924年成功将涡轮钻具应用到钻井中。1956年法国Neyrpic（目前Sii-Neyrfor公司的前身）公司最先取得俄罗斯工具的生产许可,首次在西方钻井中使用,涡轮钻具发展史,Neyrfor、Preussag、Dresser、Christensen和其他的一些公司开始生产涡轮钻具，但是Neyrfor公司一直占据市场的主导地位。目前除俄罗斯外，Sii-Neyrfor生产的涡轮钻具占世界销售市场的90以上1982年Neyrfor公司首次在油田定向井中推广使用定向钻井系统，大大减少了起下钻次数，降低了成本1992年先进的PDC轴承、平衡毂和弯筒技术引进到涡轮钻具中，PDC轴承的使用使涡轮钻具适应超高温的钻井环境，大大提高了涡轮的效率，导向技术大大提高了钻井定向的能力2002年低速、大扭矩涡轮系统的开发大大扩展了涡轮钻具的应用优势,涡轮钻具发展史,井下动力钻具基本原理,动力钻具是转换液能到机械能输出动力小于输入动力一般来讲，输出动力大约是输入动力的5565影响传输特性的主要因素是效率的输出和效率的保持提高性能和可靠性的关键是先进的设计和科学选材,应用在所有液动动力钻具（如容积式液动螺杆和涡轮钻具）中的简单物理特性和参数：,井下动力钻具基本原理,任何井下动力钻具的功率计算方法（英制单位）：,机械功率（速度扭矩）5252液力功率（压降流量）1714动力钻具功率 液力功率效率,涡轮钻具同PDM对比,涡轮钻具和容积式液动螺杆 对比,属于反作用式螺杆泵扭矩速度的应用范围取决于波瓣的比率压降和扭矩成比例相对来讲比较容易组配工具,涡轮钻具和容积式液动螺杆 对比,容积式液动螺杆的主要技术特点：,本身固有的机械性能限制了使用寿命，而且动力也受到温度的极大限制容易受到憋停的损坏液动噪音和较差的轴向平衡能力引起严重的颤动，并传输到钻头和钻柱组件（如随钻测量工具串等）,涡轮钻具和容积式液动螺杆 对比,容积式液动螺杆的主要技术特点：,本身的机械性能提供了较高的动力潜能极高的可靠性几乎完美的轴向平衡动力系统不再依赖于橡胶材质采用了液力联轴节效应（不再由于憋停而损坏）,涡轮钻具和容积式液动螺杆 对比,涡轮钻具的主要技术特点：,转速可达800rpm至2000rpm采用适用于高转速的专用钻头强动力输出在小井眼中效果更好,涡轮钻具和容积式液动螺杆 对比,涡轮钻具的主要技术特点：,性能参数如下：排量530gpm、工作压差1160psi、输出效率60 的情况下，最大可得到215马力的输出功率 但是实际中工作压差更可能是大约400psi-600psi，所以在工作压差600psi、输出效率60时，最大输出功率是111马力注意：容积式液动螺杆的效率随着工作时间的增长快速下降,涡轮钻具和容积式液动螺杆 对比,6-3/4M2PXL(2:3波瓣）：,性能参数如下：排量530gpm、工作压差1676psi（用比重10ppg的泥浆）、输出效率55 的情况下，最大可得到285马力的输出功率。同容积式液动螺杆在工作压差1160psi时的输出功率相比高出PDM30多 如果按照PDM的实际工作压差仅是600psi计算，那么使用该涡轮钻具提供的功率是PDM的150多注意：涡轮钻具的效率下降非常慢，即使是在几百小时的工作后，涡轮钻具的工作效率也只是有很少的下降,涡轮钻具和容积式液动螺杆对比,Sii-Neyrfor 6-5/8FBS T1 MK2型涡轮钻具：,涡轮钻具结构性能介绍,涡轮钻具的基本特征,飞机机翼的基本原理,流动空气,举升力（比如功率）是通过压差产生的，机翼下面的压力较高，机翼上部的压力较低,涡轮钻具的基本特征,液体动力流态图（如 流量压力）,涡轮钻具的基本特征,扭矩/速度/功率关系图,涡轮钻具的标准组件,常规的T3（三级动力单元）涡轮钻具图,工具全长达70英尺（21.3m)（精确长度根据不同工具尺寸（外径）来定）,涡轮钻具的标准组件,涡轮叶片盘排列图,涡轮钻具的标准组件,涡轮弹性轴承排列图,涡轮钻具的标准组件,涡轮径向轴承排列图,HNBR型橡胶,下径向轴承,中间径向轴承,涡轮钻具的标准组件,轴承部分驱动轴下部流态图,涡轮钻具的改进,涡轮钻具叶片的设计原理,MK 1是恒压降型,不管驱动轴的转速有多快,叶片产生的压降不变,这是三种叶片中效率最高的,主要应用在直井钻井中MK 2是压降变化型,地面压力随着驱动轴转速的降低而减小,它的工作效率比MK1稍低,但是给司钻的提供了更多的钻头运转状况的反馈信息,主要应用在定向井钻井中MK 3和MK 2同属于压降变化型,但是比MK2结构性能加强了,从而可以用在高压、大排量的环境中,涡轮钻具的改进,涡轮钻具叶片的压力分布图,涡轮钻具的改进,涡轮钻具轴承座圈图,PDC止推轴承具有较高的耐研磨能力，可以在超高温（目前最高温度233）下进行作业，并能够承受较大的轴向载荷PDC材质具有较小的摩擦系数，不受钻井中存在的天然的或者泥浆里的化学物质的影响轴承的承载能力和低摩擦系数从而使其高效、结构紧凑，因此也大大缩短了钻具长度,涡轮钻具的改进,轴承受力和承受载荷图,泵排量 750gpm（3410L/m）,用标准的9-1/2T3(MK1)涡轮钻具,涡轮钻具的改进,涡轮平衡毂图,涡轮钻具的改进,涡轮平衡毂（TSB型）图（TSB型是指由单级动力单元组成的涡轮钻具，旁通阀是直接通到环空的）,注意：对于4-3/4或者更小的工具，平衡毂不需要使用，因为推力是非常小的，而且也可以被钻压平衡掉,涡轮钻具的改进,涡轮平衡毂（TSH型）图（TSH型是指由单级动力单元组成的涡轮钻具，旁通阀是通过中空的驱动轴到钻头）,TSH型利用中空驱动轴流向旁通,涡轮钻具的改进,金属径向轴承图,注意：已经成功地在超过260的高温环境中操作过,涡轮钻具的改进,FBS涡轮钻具的典型结构图FBS是指由固定的或可调节的弯筒组成的定向轴承式的涡轮钻具,涡轮钻具的改进,目前FBS型涡轮钻具的尺寸,钻具尺寸 井眼尺寸 2-7/8 3.25-4.0 3-3/8 3.75-5.375 4-3/4 5.625-6.75 5 6.0-6.75 6-5/8 7.625-9.875 7-1/4 8.375-9.875 9-1/2 12.0-17.5,涡轮钻具定向性,稳定性,注意：涡轮钻具顶部钻柱稳定器的尺寸大小也可对整个钻具的稳定性实现“微调”,涡轮钻具定向性,挠性钛驱动轴,可调弯筒（带开口环）,可调弯筒（不带开口环）,可调弯筒的调节范围为0.85-1.5,相应的狗腿范围控制在2-12/100英尺（详细准确的参数查阅性能参数表）。弯筒角度的调节是通过旋转开口环两侧的半筒来实现的,涡轮钻具定向性,反扭矩,容积式液动螺杆,涡轮钻具,涡轮钻具定向性性,定向能力,涡轮钻具的振动性,容积式螺杆和涡轮钻具对比,涡轮钻具耐高温高压性能,涡轮的优点,不受高温限制叶片类型和数量适应泥浆比重和压力限制适应地面低转速要求使用孕镶金刚石钻头不需要“压力平衡”过去的10年中，在高温（140以上）高压下钻尺超过300,000米,涡轮钻具耐高温高压性能,流体静压头对塑性页岩的影响,涡轮钻具耐高温高压性能,流体静压头对塑性页岩的影响,井眼质量,井眼质量为什么是重要的？经检验它是确定井眼质量的主要因素,另外：,能确保钻压的顺畅传递降低扭矩，减小阻力有助于大大降低钻柱的卡钻事故容易下入测井工具提供较好的测井质量数据（使用贴井壁工具时）容易下入套管/衬管/取芯筒容易下入完井设备,基本上在全过程钻井中提供了较高的效率,井眼质量,不稳定性和稳定性对比,不稳定的容积式螺杆能够使钻头产生过多的横向运动，从而导致井眼质量非常差，出现螺旋形井眼,稳定的涡轮钻具带有长保径的母扣钻头，这极大地减少了钻头的横向运动，从而获得了高质量的井眼，同时也极大地降低了出现螺旋形井眼的风险,井眼质量,钻具的改进结构图,井眼质量,螺旋形井眼,超声波井径仪测井曲线图,螺旋井眼中井底钻具机械状态图,结果：在井底钻具旋转时，就会出现大扭矩、阻力大现象，并可能损坏井底钻具；或者会出现持续的“钻柱悬空”现象,井眼质量,螺旋形井眼,涡轮钻具，带钻头母扣连接的稳定器,涡轮钻具，带顶端母扣连接钻头，防止井眼螺旋形的最佳解决方案,欠平衡钻井的配合,欠平衡钻井中为什么使用涡轮钻具？,先进的欠平衡钻井的配合,金属径向轴承：100的消除减压影响耐高温,实用的加长动力部分：超长5英尺以上比标准动力单元多50以上承受的压力比标准动力高50以上,MK3型叶片：压力分散型比标准动力单元承受压力高40以上复合材质高抗腐蚀性和抗侵蚀性,FBS型定向轴承部分（带先进PDC轴承）：高流量较好的抗液流推力能力耐高温、抗气侵,欠平衡钻井的配合,在北海地区：,在北海南部，壳牌公司已经完成20多口欠平衡钻井这些井中，很多是多层结构这些井中，所有油藏都是用涡轮钻具钻穿的其中几口井涉及到裸眼侧钻，这些也都是用涡轮钻具完成的,欠平衡钻井的配合,欠平衡钻井使用涡轮钻具的全球业绩,涡轮钻具业绩,4 TS1XL型涡轮钻具在北海南部创作了世界纪录,世界纪录：,下钻深度：10676英尺（3254m）起钻深度：17154英尺（5228.5m)进尺：6478英尺（1974.5m）平均机械钻速：33.1ft/hr(10m/hr)正常进尺：5224英尺（81）造斜进尺：1254英尺（19）,TS1XL型是指顶部动力单元部分加长，比常规T1型涡轮钻具增加了30多的涡轮单元,用4 3/4TS1XL型涡轮钻具给KGR50CTPXX孕镶金刚石钻头提供动力，在6井眼里创造了单趟进尺世界记录。在北海南部Shell Expro的一口水平井中单趟进尺达到了6478英尺（1974.5m),打破了原先螺杆保持的1333英尺（406.3m）的记录。涡轮钻具的总循环时间308小时,用涡轮钻具在阿尔及利亚的新纪录单趟进尺960米,4 3/4FBS T1-MK2型涡轮钻具曾在阿尔及利亚的Cambrian RA完成了最长的一次进尺,在Sonahess的一口水平井上，用4 3/4FBS T1-MK2型涡轮钻具带6孕镶式金刚石钻头，以4.2米/小时的机械钻速，在EI Agreb油田的Cambrian Ra单趟进尺达到了960米。在Cambrian Ra使用PDM钻具，用高速螺杆的情况下，最好的进尺是588米，最高机械钻速为2.9米/小时,侧钻：低井口应用和欠平衡导向工具1.25的斜角,典型的欠平衡侧钻应用实例,位置：英国的北海南部 钻完深度：19200英尺（5852.16米）地层：Rotliegendes SST 金刚石钻头：S280G89Y泥浆类型：水基泥浆 泥浆比重：8.6ppg（1.03g/cm3）排量：220Gpm（0.8m3/min）钻压：212Klbs（0.9-5.4 t）井底压力：1600psi(11Mpa)地面压力：3400psi(23.4Mpa),在6井眼里面，用4 3/4TS1(MK3)型、1.25导向涡轮钻具带孕镶金刚石钻头完成了一口裸眼定向井。水平段中涡轮钻具总进尺是3902英尺（1189米），首先是钻了754英尺（230米），然后由于导向工具出现问题起钻，重新下进去后又钻了3148英尺（960米）到井底。,导向进尺2647英尺（806.8米）（68）只是在下入导向工具的情况下，准确地沿着设计的井眼轨迹非常好地完成了定向和钻井作业。全程机械钻速=37.3英尺小时（11.4米小时）涡轮钻具总循环时间=262小时,历史记录：7 14涡轮钻具美国怀俄明州,螺杆最长寿命100小时，最大机械钻速1.4英尺小时（0.4米小时）,用7 1/4Sii Neyrfor涡轮钻具带9 1/2XTG46 Smith孕镶金刚石钻头在伯灵顿能源公司创造了世界纪录：钻到井底用了655个小时，涡轮钻具的循环时间达到705个小时，机械钻速是2.6英尺/小时（0.8米小时）。,完成了9 1/2井眼部分，共钻了1737英尺（529.4米），深度超过了24000英 尺（7315.2米）。完全适应16ppg（1.92g/cm3）油基泥浆和井底温度超过380F（193）的工作环境在钻到井底后，发现涡轮钻具和钻头（2/3/WT/S/X/In/DU/TD）依然处于良好的工作状态,连续油管使用定向涡轮钻具在带压进行欠平衡钻井的井中,连续油管欠平衡钻井的应用实例用连续油管接3-3/8T2(Mk2)型定向涡轮钻具，用带压进行欠平衡钻井的方式，钻完了3-7/8井眼的延伸段。以平均机械钻速25英尺/小时（7.62米/小时）的情况下，共钻了519英尺（158.2米）的新井眼，达到了所有施工目的。注意：机械钻速最好的PDM钻速的2.5倍（同样地层和总垂深）井底温度是167,位置：挪威 钻完深度：12800英尺（3901.44米）地层：MudST/SST 金刚石钻头：D 72 901U泥浆类型：卤水 泥浆比重：8.6ppg（1.03g/cm3）排量：90Gpm（0.34m3/min）钻压：13Klbs（0.45-1.33 t）井底压力：700psi(0.05Mpa)地面压力：3900psi(26.9Mpa),在阿曼使用涡轮钻具情况,6 5/8的FBS型定向涡轮钻具单趟钻328小时井筒里18天机械钻速16英尺小时（4.88米小时）成功的完成了所有的定向目标,位置：PDO Oman Well Ajeeb 1 初钻深度：10797英尺（3290.9米）钻头类型：8 3/8Smith MA89PX PDC 完钻深度：14862英尺（4529.9米）变钝级别：3:3:WT:A:X:2:LT:BHA 总进尺：4065英尺（1239米）地层岩性：硬石膏岩、含盐岩、粘土岩 泥浆比重：15.7ppg（1.88g/cm3）为“S”型井眼，斜角达到9.3度，又降到3.2度 方位角 进出：120.6/269.4度 弯筒角度调到1.0度井斜 进出：5.0/3.2度,6 5/8定向涡轮钻具的业绩,挪威的Statfjord油田 单趟管柱钻完井段用最好的PDM最少要下4趟管柱 下倾和上倾角度从22.5 90 转动角度从158 30 从AFE共钻了9.5天,英国北海，Marnock油田，BP ETAP项目,8 井段，大约65斜角开始钻，然后水平导向钻至井底。防砂管方式完井,油藏段-开始用PDM钻,井号:22/24a-A03 为了上倾钻井在PDM上使用的是1短保径PDC钻头 两趟钻到了井底 平均机械钻速18.2英尺/小时（5.54米/小时），总进尺3642英尺（1110.08米）由于井眼不规则不能将防砂筛管下到井底,井号:22/24a-A03z 为了上倾钻井在PDM上使用的是1短保径PDC钻头 两趟钻到了井底 平均机械钻速14.3英尺/小时（4.37米/小时），总进尺3976英尺（1211.89米）由于井眼不规则不能将防砂筛管下到井底,然后使用6 5/8定向涡轮钻具套筒式孕镶金刚石钻头的组合钻井,上述井完钻后都成功地下入防砂筛管完井,涡轮钻具总结,全球涡轮钻具的故障平均时间（1990年2004年间的所有工具）,总下入次数：5,604次 总进尺：3,538,796英尺（1,078,625米）总运转时间：367,080小时 工具故障次数：149次 故障百分比：2.6%,涡轮钻具总结,特点 强动力输出 所有都是金属件 不同涡轮叶片类型 模块式工具(轴承/动力单元/稳定器)内可调式“中心”稳定器 末端公扣式驱动轴顶端母扣式钻头 不同地层需选择相应的钻头，不需要选择不同动力单元 极低的振动性,优点 最大机械钻速 不受温度约束 强适应性 现场容易调整 预先定向 高质量井眼定向性 高稳定性 保护钻头、井下工具串、随钻测量等,针对须家河地层使用涡轮的考虑,须家河地层钻进特点砂泥岩地层，有橡皮地层的特点泥浆密度高，对大部分地层来说，正压差很大位于深井段，起下钻时间长井眼质量差钻具容易被损坏,使用涡轮的优点高转速对橡皮地层进行高效研磨孕镶金刚石钻头岩屑小，在大正压差条件下容易被冲起寿命长，起下钻总时间少井眼平滑，高质量井眼稳定性好，保护井下工具,针对须家河地层使用涡轮的考虑,针对须家河地层使用涡轮的考虑,单井设计举例,涡轮钻具无论何时何地都是您有必要尝试的动力钻具,谢谢！,
