齿轮减速涡轮钻具改进钻井效果.pdf

5 8 新 ■ 油 科 技 信 息 第2 1 卷第 3 期2 0 0 0 年9 月 一 6 ， ‘齿轮减速涡轮钻具改进钻井效果 N． D． D e r k a c h等 0 e r k 。 翻译 墨 新 疆 石 油 局 机 械 制 造 集 团 公 司 销 售 中 心 宋朝晖 新疆石泊局钻井工艺研究院 校对昊启勇 新疆石油局钻井工艺研究院 擅 耍 T 巴 、 2 对一种新型井下液压马达 齿轮减速涡轮钻具 的应用效果厦其优越性的开发进行 了彳 卜 绍．第一代齿乾减速涡轮 钻具 T R M--1 5 9被广泛地应用 于馈罗斯的油气井钻井中 谤哲鞋减速涡轮钴具在岩石由的钻进速庹超过 了3 ． 5 m ／ r a i n ， 其最佳效果是在西西怕利亚完井对与西方公 生产的旋转锄刀武钻头的组合使用 在世界土最澡井 K o l a井 1 2 2 6 0 m 的钻井中成功地应用 了醑热型的齿轮减速涡挑钻具． 在奠用 P D C钻共的高温井 温度超过 1 5 0 2 0 0 ℃ 钻井 中它们 最具优势． 主题词齿轮减速器涡轮钴具轴承转速趣矩 孜造， 0 前言 在俄罗斯和 C I S ， 涡轮主要应用于钻井操作， 有超过 7 5 ％的钻井任务是由涡轮钻具完成的。 科 学家和设计者用了 7 0多年的时间重新考虑利用 齿轮减速涡轮钻具来消除祸轮钻具的一些主要 缺点 长距离 、低扭矩、高转速 。从 1 9 2 3年 M． K a p e l y u s b n i k o v发明配备有齿轮减速涡轮驱 动的 “ 钻井工具”至今，在俄罗斯、乌克兰、阿 尔巴尼亚、英国、美国、加拿大、德国和一些其 他国家完成了大量的设计、研究和现场试验，许 多有齿轮减速的井下马达设计类型得到开发 、生 产和现场测试 但由于问题复杂．设计者在开发 长寿命、简单和应用广泛的涡轮钻具齿轮减速器 上花费了很长的时间。在 1 9 7 5 1 9 7 8年，P e r m 俄罗斯 首先开发 了 T R M一1 9 5型直径为 1 9 5 ram的齿轮减速涡轮钻具． 它后来与广泛使用 的 R M一1 9 5油充填式齿轮减速器配合使用 。 1 9 7 8 --1 9 8 5 年，这种齿轮减速器在巴什科、 塔塔 共合国、西西伯利亚以及包含在科学大陆钻井程 序网络内的前苏联的所有超深井钻井中进行 了 现场试验 。 1 设计 、性能、寿命数据 配 有 R M 一1 9 5油充 填式齿 轮减速器 的 T R M一1 9 5 型齿轮减速涡轮钻具如图 1 所示，它 地 I『 ， 叫 簌 幂 ， 图 1 配有 R M--1 9 5油充填式 齿靶减速器的 T RM--1 9 5型 齿轮减速涡轮钻具 由 1 0 0 2 0 0级 涡轮 A 、 上下 轴承总成 B 、 D 和 安 装 在 上 下 轴 承 总成 之 间 的 油 充 填 式 齿 轮减速器 C 。 齿轮减速器 C 中有 安 装 在 旋 转轴承 6 和径向 轴承 2 上的输入 轴7 和输出轴 9 ； 行星齿轮 8 位于 7和 9轴之间； 由两个面密封 5 和润滑器 4组成 的 油保 护 系统 给 油腔 室 传 送 泥浆压力．齿轮 与轴 承 在油 腔 室内结合 泥浆 通过 循 环 孔 进 入腔室 1 0 如箭头所示 ，抽通过孔 3充填腔室 1 0 。轴 7 和轴 9由半离合器 1 的性能与主轴内联 接。当泥浆泵入时，齿轮减速器改变涡轮轴的旋 转 ， 使转速按齿轮 比降低， 并使扭矩按比例增加。 维普资讯 第2 l 卷 第3 期 岳军等齿轮减速涡轮钻具改进钻井效果 1 9 8 6年 ． 在 T a mb o v s k工 厂 “ P o l y me r ma s h ” 开始大规模生产油充填式齿轮减速器 R M一1 9 5 ， 每年的产量为 1 0 0 2 3 0套 ，其主要用户是西西 伯利亚 的生产部门 。在 1 9 8 7 ～1 9 9 1年 ，在 N o y a b r s k n e f t g a s 、 N i z h n e v a r t o v s k n e f t g a s 等石油 公司中成立了 1 0 多家齿轮减速器维修服务中心。 1 9 8 9 1 9 9 0年每年在较浅的层位用齿轮减速涡 轮 钻具完成 的钻井进 尺由几十米／ k m 增加到 5 0 0 6 0 0 II l ， I 【m 1 9 8 7年，齿轮减速涡轮钻具在 封 闭、较低 的井 眼层位 中的钻进速度 超过 了 3 ．5 m／ mi n ，其耐热性在井深 1 2 2 6 0m的 Ko l a超 深井钻井 中被优先考虑。 这种 T R M一1 9 5 型涡轮 钻具在 K r i v o r o z h s k a y a 、D n e p r o v o - d o n e k a y a 以及包含在科学大陆钻井程序网络内的超深井 钻井中得到成功地应用。不同级别的涡轮 包括 已经使用的和新开发的 都可与T 剐Ⅵ一1 9 5 型齿 轮减速涡轮钻具配合使用。与不同级别涡轮组台 的齿轮减速涡轮钻具的技术数据如表 1 所示。 表 1 与不同祸轮钻具组合的齿轮减速涡轮钻具的性能 挂 0 厂运行状 态下的辅遣 ； 一盂翦荷状巷下的转速 ． 运} 状志 下曲扭 - 发生故障扭矩 鲕状志下的压力 涡轮钻具的稳定性在转速超过运行状态下 的转速越多、减速扭矩越大的情况下才能体现出 来，当使用第 2 和 5 组合时就会获得最高的机械 钻速。 总之， 在井眼较深的层位 2 0 0 0 3 0 0 0 m 齿轮减速涡轮钻具能使每只钻头 俄罗斯生产 进尺提高3 0 ％～5 0 ％， 钻进速度超过非齿轮减速 涡轮钻具的钻进速度 2 0 ％～3 0 ％， 当到达规定深 度 2 0 0 0 2 2 0 0 m ，涡轮钻具中传统的主轴就 要被齿轮减速器代替，这样涡轮钻具就呈现出新 的性能 。 与 2 个主轴联接的齿轮减速器其平均故障间 隔为 1 2 O ～1 3 0 h 按照服务公司的数据 ， 在这种 情况下最主要的故障原因是主轴疲劳。油充填式 齿轮减速器 R M一1 9 5的平均检修期为 1 7 0 2 2 0 h ，但有时其检修间隔超过了3 0 0 h 。在被注销之 前，R M一1 9 5的平均保证寿命为 9 0 0 h ，但它通 常在使用 2 0 0 0 h后才被替换 。 2 效果 最近俄罗斯的石油公司有机会购买国外的 钻头 ， 尽管 “ 休斯工具” 、“ 史密斯国际” 等公司 的旋转刮刀式钻头价格很高，但其在西西伯利亚 浅层位钻井中表现出高效性 。高质量的钻头轴承 在转速为 2 0 0 r ／ mi n的情况下能在井底工作 1 0 0 h 以上，“ 狼牙”型钻头具有很高的机械钻速，并 计算了 2 1 5 ．9 m mA T M． 1 l H 钻头的效率，还在 2 0 0 0 3 0 0 0 m地层对俄罗斯 S G V、 R 4 5 、 MZ G V 进行了应用以作出比较。 俄罗 斯 钻 头 价格 最 低为 7 0 0，最 高 为 2 0 0 0 ， 这取决于钻头级别。 平均钻机费用包括 1 h操作 能源、材料、设备老化、人员工资等 大约为 3 0 0 。 计算结果如下 H u g h e s C h r i s t e n s e n公司生产的每只钻头平 均进尺为 6 2 3 ．5 m，超过俄罗斯产钻头 9 m；寿命 为 7 6 ． 1 h ，超过俄罗斯产钻头 7 ． 7 h ；每米成本为 4 9 ． 9美 元 ．而俄罗 斯 产 的钻 头 则会 降 低 2 7 ． 6％ 。 用 H u g h e s C h r i s t e n s e n公司生产钻头钻完 2 0 0 0 3 1 0 0 m地层的费用为 1 2 0 6 4 。 基于经验，人们认为在俄罗斯最好用齿轮减 速涡轮钻具来驱动这些钻头 。这是因为 T R M一 1 9 5型涡轮钻具的寿命和可靠性完全可以在井底 驱动钻头以及其性能的稳定性在钻井的全过程 中提供最佳钻井操作 实践表明，与 P D M 的性 能相比，T R M一1 9 5 涡轮钻具轴的较高转速并不 能减少钻头的寿命．而增加了机械钻速。美国每 只钻头在 2 0 0 0 3 0 0 0 m 的地层中的平均进尺为 8 0 0 ～1 0 0 0 m，而俄罗斯产的钻头在该层位上的 最大平均进尺为 l 2 0 ～1 5 0 m， 这就是美国钻头价 维普资讯 新 I 石 油 科 董nt患 2 O O O年 9月 格高的原因 是俄罗斯产钻头的3 --4 倍 。 如果 钻头与齿轮减速涡轮钻具一起使用，即使不考虑 每米进尺的钻头价格 ，但 由于机械钻速 的增加 3 0 ％～5 O ％ 和起下钻次数的减少 ， 它们也能 带来效益。 油充填式齿轮减速器 R M一1 9 5还有一个用 处 ， 就是在 J S C O作为 T R o一1 9 5 涡轮齿轮减速 转向器，其性能分析如表 l 所示．如果应用配有 齿轮减速器的祸轮钻具 3 T S S H 1 1 9 5 的0 ．5 节高 速涡轮．在输出扭矩等同于配有 3 节 3 T S S HI 一 1 9 5涡轮钻具的情况下可得到高速模式 2 0 6 -- 4 2 1 r ／ m i n 作用在短轴上的轴向静液载荷和静 态载荷不高，可以把祸轮短轴与 R M一1 9 5齿轮 减速器 的轴 没有中间主轴 联接．并在齿轮减 速 器与低 主轴 之间安装 弯管和接头 。转 向器 T R o一1 9 5的总长不能超过 1 1 m，与涡轮转向器 T o 2 1 9 5相比，这种新的转 向器有以下优点 低转速、高扭矩，短小并具有在主轴为 S H O 1 1 9 5的涡轮钻具上低转速的特征。这些优点能在 井眼偏离的地层中提高每只钻头进尺的 1 ．4 ～1 ． 6 倍，并提高井斜控制和操纵转向器的可能。为减 少祸轮级数和最大转速， 又开发了 1 9 5 1 7 ／ 1 8级 新涡轮 。T R o一1 9 5转向器的故障间隔比传统的 涡轮转向器高．平均达到 1 5 0 h 。 3 改善设计并开发新一代齿轮减速涡轮 钻具 在掌握这种工具 的生产和利用齿轮减速涡 轮钻具来完成增加的钻井任务期间，重要的是在 设计中提高对钻井状况要求的考虑。涡轮钻具在 井底通常由于钻柱下部纵向、扭转和侧向的振动 而受到动力载荷。井眼越深．对其操作的控制就 越困难 。这些情况提出了动力和流体动力的问题 以及全方位研究和动力过程评价的必要性，以确 保齿轮减速涡轮钻具的高可靠性 。在许多年里． 作者与 P e r m 的一些研究公司合作完成了井下马 达动力学的理论与实践的研究工作，并开发了配 有齿轮减速器 的井下驱动的数学模式和油保护 系统。该模式的计算能改善有 N o v i k o v 螺旋传动 装置的双排行星齿主要部分。设计中考虑保护齿 轮．附属轴承不受过载和钻压振动的冲击，油保 护系统得到显著提高，提供了面密封临界值和水 力阻力，研究 了流体动力振动对面密封性能的影 响，确定了上下密封的水力卸压系数最优化，这 使密封的设计和生产技术得到提高．确保它们在 强烈 的轴向和径向振动以及泥浆压力脉冲的磨 蚀环境中具有很好的稳定性 。现在齿轮减速涡轮 钻具侧面、扭转和纵向的振动等问题已经解决， 主要部件的计算方法也已开发出来．齿轮减速器 的可靠性和故障间隔增加到 5 0 0 6 0 0 h ．为此， 这就要求除了考虑动力载荷．生产车间的技术设 备和产品质量的提高也要考虑。 以上的工作是开发新一代齿轮减速涡轮钻 具的基础 。因为油充填式齿轮减速器 R M一1 9 5 的检修期为上下轴承总成 轴向轴承工作在泥浆 中的 2 倍 ．因此有必要将轴向轴承安装在油腔 中，这种新的组装方法叫做 R S H 齿轮减速器一 主轴，它与一系列涡轮钻具联结，取代了传统位 置上的主轴 。根据钻井情况和钻头能量要求，1 、 2甚至 3节涡轮钻具与齿轮减速器一主轴联结都 可以。与齿轮减速器一主轴联结的齿轮减速涡轮 钻具如图 2 所示。 该组合包括；涡轮钻具部分 l 、 齿轮减速器一主轴 2 ；钻头 3由上密封 4和下密 封 5 保护的齿轮减速器一主轴油箱包括上轴向轴 承 6和下轴向轴承 7 、行星齿轮减速器 8 和径向 轴承 9 。高速轴 l 0由斜板式离合器与涡轮轴 1 1 联结钻头 3与低速轴 1 2 联结。 图 2 与齿轮减速器一主轴 联结的齿轮减速涡轮钻具 上述 1 9 5 mm 齿 轮 减 速器 一主 轴 的设 计是1 9 8 7 年完成的， 在 P e r m 地 区和 Ud mu r t l y a 进行了现场测试 ， 在 1 9 9 2年开始进 行系列生产。 齿轮 减 速 器 一 主轴 的检 修 期大约为 2 0 0 h 。 与 上面的设计类似． RS H一1 0 5、 RS H一 1 4 5 1 4 2 、 R S H2 2 4 0齿轮 减 速 器 一 主轴得 到开发与生产。现 在 RS H2 --2 4 0型 齿 轮减 速 器 一主 轴有 2个改进型 R S H 3 --2 4 0 、R S H 5 --2 4 0 与 R S H 级齿轮减速 器 一主轴联结的系列涡轮钻具 俄罗斯产的性 能如表 2 所示。 维普资讯 第2 l 卷 第3 期 岳军等齿轮减速涡轮钻具改进镐井效果 表 2 配有 R S H级齿轮减速器一主轴的俄罗斯生产的涡轮钻具系列的性能 自从定 向井和水平井钻井在世界范围内应 用，对井下动力马达提出了新的要求，需要在其 下部有斜面的短钻具马达。用镶齿钻头和 P D C 钻头来钻水平井地层，它要求在高扭矩下达到高 转速。为此开发了新一代齿轮减速涡轮钻具，它 的设 计概念是 以在无载荷状态下最大转速为 3 0 0 0 4 0 0 0 r ／ rai n的高速涡轮钻具与齿轮比为 3 4 3 6 的行星齿轮减速器相结合的原则为基础。 这里 已经有 4个标准的齿轮减速涡轮钻具 的尺 寸1 2 0 ，1 7 8 ，1 9 5 ，2 4 0 f i l m。1 2 0 mm 的齿轮减 速涡轮钻具是与德国 “ T i e f b o h r s e r v i c e ”公司联 合设计的。 1 2 0 mm 与1 7 8 mm T R 2 --1 2 0 G和 T R2 -- 1 7 8 G 的设计是用弯管将涡轮钻具齿轮减速器和 主轴部分进行内联结，驱动轴和行星齿轮被固定 在上部 。以下部分组装在主轴上提高能量强度 的 9 0 ～1 0 0 级高转速涡轮钻具 、油保护系统和有 多排轴承的轴承总成。设计的驱动轴径向轴承是 利用粉沫冶炼方法用硬质合金生产的，为其在高 转速和高泥浆磨蚀的环境中的可靠性提供保障。 主轴部分由径向轴承、多排轴向轴承和较低 的 “ 油一泥浆” 面密封， 为减少泥浆希主轴泄漏， 就使用了提高长度的硬质合金径 向轴承和内部 有环型槽密封的入 口。通过最 大允许偏离轴线 2 。中间轴来完成从行星齿轮驱动到主轴转速的 传递。行星齿轮、驱动和被驱动轴支撑轴承 中 间轴共同工作在油箱的环境中。 2 4 0 mm 齿轮减速涡轮钻具是一种简单型 的有悬挂涡轮钻具部分的 1 4 0 1 5 0级增强动力 涡轮钻具与齿轮减速器一主轴由工作在泥浆 中 的交叉式半离合器结合在一起。轴向轴承被具有 高承载能力的特殊卷轴插入式轴承所代替，其他 方面的设计与上述部分类似。 在定向井和水平井钻井中，旋转刮刀式钻头 要求最大转速为2 0 0 2 5 0 r ／ m i n的中等转速，如 果齿轮减速涡轮钻具 T R 3 1 2 0 G、T R 3 1 7 8 G、 T R 3 1 9 5 G 安装上双级行星齿轮就能满足该钻 头的要求。涡轮钻具的一半安装在涡轮钻具齿轮 减速部分中，从而使整个涡轮钻具的长度减少 ， 以满足地层钻井 ，该类型涡轮钻具 的性能如 表 3所示 。 表 3 应用于定向井和水平井 泥浆密度为 1 ． 2 g ／ c m 的齿轮减速祸轮钻具的性能 涡轮钻具的级别 直径 主轴长度 祸轮钻具长度 流建 压 自由旋转转建 故障扭 阵 ／ ram ／ m ／ m ／ 1 一 ／ MP a ／ ml n ／ Nm 1 2 0 L6 5 5 ． 3 5 1 2 5 4 8 2 0 20 1 0 1 4 7 4 9 56 27 3 0 1 2 0 1 6 5 4 ． 5 5 1 0 1 6 2 1 7 1 8 4 0 1 2 2 4 2 6 1 2 6 4 0 1 7 8 l 6 7 u 2 3 7 7 5 7 4 5 8 6 0 2 7 1 06 6 7 4 80 7 0 1 7 8 1 ．56 4 ． 4 0 2 7 3 5 1 7 5 1 03 8 0 30 4 4 1 9 4 1 2 8 2 0 1 9 5 2 6 7 ． 2 0 2 8 8 7 4 8 0 71 0 D 3 0 1 0 0 5 2 3 81 5 0 1 95 2 ． 5 6 5 00 30 3 8 1 4 2 1 1 2 80 3 2 4 3 1 5 1 1 2 8 40 2 4 0 2 ． 1 0 5 ． 2 0 7 0 5 4 5 3 1 1 6 8 6 0 下 辅出功半 ， k W TR2 1 2 0G TR3 1 2 0 G TR2 1 78 G TR3 1 7 8G TR2一 l 9 5 TR3一 l TR2 2 4 0 转 第 6 6页 以 仲 聃 Ⅲ 盯1 2帅 “ 维普资讯 新 油 科 扭 1 t息 2 O O O年 9 月 压力使平台处于活塞冲程的中部，接着就可以启 动主动液缸 ，这时钻台和钻柱补偿器就可以同步 运动。通过测定钻柱补偿器的位置，来确定每一 个液缸的参照点，并把液缸的测量位置作为反馈 信号。钻台补偿器和钻柱补偿器与使用 K a l ma n 滤波器的 “ 送进系统 相连，其控制是根据运动 参照单元提供的测量信号进行的 1 O 系统成 本 常规钻机与液压钻机成本的差异决定于负 载大小，对于轻型载荷，液压钻机的初始投资要 高于常规钻机，而对于重型载荷液压钻机要优越 于常规钻机。这是因为液压钻机仅把井架作为导 向系统，而常规钻机要使用井架提升负载，很 自 然要消耗更多的钢材。液压钻机把补偿装置从井 架顶部移至钻台上死绳一倜，靠近起升装置，也 相应地降低了井架的重量 1 1 未来发展 降低作业成本是未来急待解决的问题，同时 采用单船体来完成复杂的海上作业也是未来的 发展趋势。与海上钻井船相比，制造常规的船舶 成本要低。轻型的修井作业 ，如连续油管作业、 测井 、修井和安装电缆都将使用有关设备 比如 H y d r a t i f t 公司的通用井架系统 H V D S 在小型船 舶上进行 语 自 P e t r o l e u m E n g i n e e r I n t e r n a t i o n a l 1 9 9 9 4 3 9～4 3 收稿 日期 1 9 9 9 ． 1 2 3 0 { 上接 第 6 l页 按传统方法生产的所有齿轮减速涡轮钻具 ， 在井底适应的最高温度为 1 5 0℃，其耐热性最高 为 3 0 0℃ 新一代齿轮减速涡轮钻具在俄罗斯 、德国、 埃及和沙特阿拉伯进行了现场试验，测试结果的 初步分析表 明这使得开发适应新钻头要求 的涡 轮钻具和改进钻井效果成为可能。在操作中能量 参数保存期间，齿轮减速涡轮钻具的一个最重要 的优点已得到证实，就是液压涡轮钻具的参数在 操作中不用改变和涡轮钻具的轴 向轴承和主轴 浸在油中。涡轮钻具齿轮减速器部分和主轴之间 的联结接头由于径 向轴承而不承载并在油中工 作 齿轮减速涡轮钻具具有高耐热性 的特点 。 4 总结 1 广泛应用于俄罗斯的油充填式齿轮减速 涡轮钻具满足了油、气井钻井的需要 。 2 耐热 型具 有高 耐热 性指 标 3 0 0 ～ 3 5 0℃ ，世界最深井 S G r --3 1 2 2 6 0m是 由这 种涡轮钻具钻成的。 3 新一代齿轮减速涡轮钻具在钻定向井和 水平井中能达到高性能。 译 自 s P E 4 9 2 5 8 收稿 日期 2 0 0 0 - 0 3 - 1 5 维普资讯