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1、渦輪鉆具結(jié)構(gòu)及應(yīng)用西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院渦輪鉆具結(jié)構(gòu)及工作原理渦輪鉆具有一系列轉(zhuǎn)子和定子組成。轉(zhuǎn)子是安裝在一根豎直軸上的很多葉片，而定子則固定在渦輪鉆具的本體上。每對(duì)轉(zhuǎn)子—定子副稱為一“級(jí)”。通過(guò)每級(jí)的壓降是固定不變的，所以級(jí)數(shù)的多少受到有效總水頭的限制。每級(jí)渦輪產(chǎn)生的扭矩和功率是相等的，相加起來(lái)為渦輪輸出的總扭矩和總功率。渦輪鉆具結(jié)構(gòu)及工作原理軸承的壽命是渦輪鉆具使用中的關(guān)鍵因素。軸承的壽命決定了渦輪鉆具井下工作時(shí)間。止推軸承承受作用在渦輪上的軸向載荷徑向軸承對(duì)驅(qū)動(dòng)軸起扶正作用?？梢园褟较蜉S承和止推軸承組合在一起。下軸承對(duì)驅(qū)動(dòng)軸的下部進(jìn)行扶正，并抵抗鉆井時(shí)作用在渦輪上的彎曲應(yīng)
2、力。止推軸承徑向軸承與止推軸承組合渦輪鉆具結(jié)構(gòu)及工作原理當(dāng)鉆井液在泵的驅(qū)動(dòng)下通過(guò)渦輪時(shí)，定子使鉆井液流偏轉(zhuǎn)，沖擊轉(zhuǎn)子，迫使轉(zhuǎn)子帶動(dòng)豎直軸做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。止推軸承用來(lái)承受軸向載荷，而徑向軸承對(duì)軸起扶正作用。在液流通過(guò)多級(jí)渦輪后，其中分出少量的液流流過(guò)下部軸承并進(jìn)行潤(rùn)滑，其余的液流則進(jìn)入主軸下段內(nèi)部的空心流道，流經(jīng)噴嘴進(jìn)入環(huán)空。渦輪鉆具縱向剖面示意圖渦輪鉆具的工作特性渦輪鉆具基本上是一臺(tái)軸流式機(jī)械，在其內(nèi)部的液流的能量傳遞到轉(zhuǎn)子主軸上。因?yàn)榘霃教幪幈３植蛔?，所以不存在明顯的徑向液流。液流通過(guò)渦輪時(shí)的絕對(duì)速度可被分解為平行于y軸的分量Vy和切向分量Vt。在推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)只有Vt做有用功。
3、由動(dòng)量守衡定理推導(dǎo)出由以上關(guān)系可以看出，渦輪的扭矩、功率、和壓降都與鉆井液密度p成正比，與排量Q的冪成正比。即鉆井液流經(jīng)渦輪的速度矢量分析圖渦輪鉆具的工作特性渦輪輸出轉(zhuǎn)速與扭矩間的關(guān)系當(dāng)通過(guò)渦輪的液流不受阻力時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值，稱為“空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速”，相應(yīng)阻力矩為零；當(dāng)渦輪發(fā)生制動(dòng)，轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)，阻力矩達(dá)到最大值。渦輪鉆具總效率Eh—水力效率，考慮壓力變化和進(jìn)出、口的水力損失；Ev—轉(zhuǎn)子與定子間漏失的鉆井液造成的損失；Em—軸承內(nèi)的摩擦損失；有效輸出功率在定排量時(shí)渦輪鉆具的典型特性曲線渦輪鉆具的地面檢查渦輪鉆具在入井前需進(jìn)行地面檢查在渦輪鉆具的下端，用卡尺在下軸承端部和軸肩之間測(cè)量軸向間隙
4、在懸掛和靜止兩種情況下進(jìn)行測(cè)量，其間隙值是d1－d2。新的渦輪鉆具間隙值約為1mm，廠家給定的最大磨損量為5～6mm。徑向間隙用尺子和分度儀表進(jìn)行測(cè)量。徑向間隙必須是1mm或最大2mm。渦輪鉆具的標(biāo)準(zhǔn)組件常規(guī)的T3（三級(jí)馬達(dá)）渦輪鉆具圖工具全長(zhǎng)大于70英尺（21.3m)（精確長(zhǎng)度根據(jù)不同工具尺寸（外徑）來(lái)定）渦輪鉆具的標(biāo)準(zhǔn)組件渦輪葉片盤(pán)排列圖向下推力轉(zhuǎn)子葉片盤(pán)定子葉片盤(pán)泥漿流組配的單級(jí)馬達(dá)轉(zhuǎn)子葉片盤(pán)定子葉片盤(pán)渦輪本體馬達(dá)部分渦輪驅(qū)動(dòng)軸渦輪鉆具的標(biāo)準(zhǔn)組件渦輪彈性軸承排列圖移動(dòng)盤(pán)固定盤(pán)墊環(huán)移動(dòng)盤(pán)前軸承前軸承穩(wěn)定器迷宮環(huán)止推軸承可調(diào)彎外殼撓性軸鉆頭母扣穩(wěn)定器渦輪鉆具的標(biāo)準(zhǔn)組件渦輪徑向軸
5、承排列圖HNBR型橡膠下徑向軸承中間徑向軸承渦輪鉆具的標(biāo)準(zhǔn)組件軸承部分驅(qū)動(dòng)軸下部流態(tài)圖±95％流體口渦輪鉆具的改進(jìn)定子(上)和轉(zhuǎn)子(下)尾流狀態(tài)圖等同于飛機(jī)機(jī)翼的原理,利用渦流在葉片兩面產(chǎn)生的壓差來(lái)使轉(zhuǎn)子發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),壓差的大小和葉片的形狀和渦輪進(jìn)入葉片的角度相關(guān)渦輪鉆具葉片的設(shè)計(jì)原理MK1是恒壓降型,不管驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速有多快,葉片產(chǎn)生的壓降不變,這是三種葉片中效率最高的,主要應(yīng)用在直井鉆井中MK2是壓降變化型,地面壓力隨著驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速的降低而減小,它的工作效率比MK1稍低,但是給司鉆的提供了更多的鉆頭運(yùn)轉(zhuǎn)狀況的反饋信息,主要應(yīng)用在定向井鉆井中MK3和MK2同屬于壓降變化型,但是比MK2
6、結(jié)構(gòu)性能加強(qiáng)了,從而可以用在高壓、大排量的環(huán)境中渦輪鉆具的改進(jìn)渦輪鉆具葉片的壓力分布圖鉆頭速度扭矩渦輪壓降鉆井范圍扭矩壓力標(biāo)準(zhǔn)壓力渦輪鉆具的改進(jìn)渦輪鉆具軸承座圈圖PDC止推軸承具有較高的耐研磨能力，可以在超高溫（目前最高溫度233℃）下工作，并能夠承受較大的軸向載荷PDC材質(zhì)具有較小的摩擦系數(shù)，不受鉆井中存在的天然的或者泥漿里的化學(xué)物質(zhì)的影響軸承的承載能力和低摩擦系數(shù)從而使其高效、結(jié)構(gòu)緊湊，因此也大大縮短了鉆具長(zhǎng)度渦輪鉆具的改進(jìn)軸承受力和承受載荷圖鉆壓推力＞110,000lbs（50t)80000lbs（36t)鉆壓±30,000lbs（14t)泵排量750gpm（3410L/m
7、）用標(biāo)準(zhǔn)的9-1/2″T3(MK1)渦輪鉆具軸向軸承軸向軸承止推軸承止推軸承止推軸承止推軸承止推軸承止推軸承水平力水平力鉆壓反作用力渦輪葉片上液壓的垂向力渦輪鉆具的改進(jìn)渦輪平衡鼓圖驅(qū)動(dòng)軸平衡鼓襯套大約3％的液體流到環(huán)空（TSB型）或從中空的驅(qū)動(dòng)軸向下通過(guò)軸內(nèi)腔流進(jìn)軸承段，流到鉆頭（TSH型）流進(jìn)渦輪鉆具的主泥漿流流進(jìn)馬達(dá)的主液流液力平衡液流微環(huán)空馬達(dá)平衡鼓渦輪鉆具的改進(jìn)渦輪平衡鼓（TSB型）圖（TSB型是指由單級(jí)馬達(dá)組成的渦輪鉆具，旁通閥是直接通到環(huán)空的）平衡鼓的受推力面葉片等的
