新型井下动力钻具-动态推靠式回转马达的研究

发布时间：2020-11-10 11:48

　　 随着我国对深层矿产资源,地热能、页岩油、页岩气、煤层气和天然气水合物等非常规油气资源的勘探开发项目逐年增多,钻探中所用到的绳索取心、垂直钻井、大位移水平井、分支井、对接井、欠平衡钻井等先进钻井工艺也取得了较大发展。而井下动力钻具则是各类钻井工艺中用到的核心工具,钻井实践表明,井下动力钻具可以大幅度提升钻探效率而有效的降低钻探成本。井下动力钻具在现有的成熟技术中,主要有两种,一是叶片式涡轮钻具,二是容积式螺杆钻具。但这两种钻具都存在各自的缺点:涡轮钻具软的机械特性致使其整机长度过长,螺杆钻具由于定子使用了橡胶衬套而导致其不能在高温环境下使用。为此,研究一种具备螺杆马达和涡轮马达的优点,但能规避两者缺点的新型井下动力钻具十分必要,其有着非常重要的工程应用价值。论文结合发明专利“动态推靠式回转马达”对这种新型井下动力钻具进行研究。主要开展了以下工作:动态推靠式回转马达属于叶片马达的一种,采用容积式结构,具备硬的机械特性,其各零部件均采用金属材料,能够抗高温。依据动态推靠式回转马达的结构设计,分析马达结构组成,并重点分析马达核心动力部件配流阀、转子主体和定子的结构;分析马达工作原理,重点分析压力流体如何在马达中形成高低压腔体,从而产生驱动力使马达转动;分析总结马达工作特性的计算公式,并分析马达自身结构参数对马达工作特性的影响。对马达在转动过程中易于损坏的部件:转子组件、输出轴进行ANSYS静力学仿真。运用动力学仿真软件Adams,对马达进行动力学仿真,分析马达在一定压差下能否实现转动,验证马达设计的可行性;并分析在Adams仿真过程中,摩擦系数和推块所受压差这两个参数对马达仿真的影响。加工出动态推靠式回转马达的试验样机。依据德州联合石油机械有限公司的马达试验平台,设计了马达进行空载试验和加载试验的两套连接装置,为马达下步开展试验测试提供了基础。论文所做工作对动态推靠式回转马达的进一步研究提供了参考依据。
【学位单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：P634.5
【部分图文】：

3结构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。就涡轮钻井工作量而言，当前，俄罗斯仍占主导地位。随着PDC和热稳定型金刚石钻头的出现和发展，涡轮马达自身高转速超过了牙轮钻头工作范围的问题得到了解决，这使得涡轮钻具的使用得到了推广、涡轮钻具相关研究和技术成果也得到了迅猛发展。西方国家使用涡轮钻具钻井一般能节省钻时40%-50%，节约钻井成本1/3（李旭杨，2007）。全俄钻井设备科学研究所（VNIIBT）于1963年11月26日成立，1975~1978年，该所首先开发了TRM-195型直径为195mm的减速涡轮钻具。它后来与广泛使用的RM-195油充填式齿轮减速器配合使用。1978~1985年，这种齿轮减速器涡轮钻具在巴什科、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。1983年，科拉SG-3超深井就是借助该钻具获得了钻探最深记录。该研究所已于2003年成立了VNIIBTDrillingInstrument公司，致力于解决乌拉尔和伏尔加河地区遇到的钻井问题，并在其他领域改进了涡轮钻具的钻进方法，也一直致力于制造用于石油和天然气钻井的低速井下动力钻具。图1-1是VNIIBT-Drilling公司生产的涡轮钻具的典型结构图。图1-1VNIIBT-Drilling公司涡轮钻具典型结构图VNIIBT-Drilling公司经过多年来在涡轮钻具领域的研究探索，以及公司产品大量的应用于钻探实践，现已开发出了种类丰富的涡轮钻具产品，表1-1列出了VNIIBT-Drilling公司生产的一系列涡轮钻具产品。

5法国Neyrpic(目前Sii-Neyrfor公司的前身)公司于1956年最先取得俄罗斯涡轮钻具的生产许可，涡轮钻具开始在西方钻井中使用。除了Neyrfor外，西方国家生产涡轮钻具的厂商还有Preussag、Dresser、Christensen等，但是Neyrfor公司生产的涡轮钻具一直占据市场主导地位，目前除俄罗斯外，Sii-Neyrfor公司生产的涡轮钻具占世界销售市场的90%以上，Sii-Neyrfor公司已于2010年合并到Schlumberger公司，通过优势互补进一步提升了Neyrfor涡轮钻具的研发应用实力，当前Neyrfor涡轮钻具广泛应用于垂直钻井、水平井、定向井、定向后稳斜钻井、裸眼侧钻、高温井（260℃）、欠平衡和连续油管钻井等，同时可以和PDC钻头，孕镶钻头配合使用，有效的降低了钻井费用。图1-2是Neyrfor公司生产的涡轮钻具的典型结构图。图1-2Neyrfor涡轮钻具的典型结构图1-3是Neyrfor公司目前生产的比较先进的涡轮钻具，直通管式涡轮钻具：NeyrforTTT(Thru-tubingturbodrill)。图1-3NeyrforTTT(Thru-tubingturbodrill)螺杆钻具（PDM）是利用莫依诺原理以钻井液为动力，把钻井液压力能转化为机械能的一种容积式井下动力机。美国从20世纪50年代开始研制螺杆钻具，1955年，美国克利斯坦森矿山钻探制品公司根据莫依诺原理开始研究，于1964年取得成功。第一台工业井下马达则是1957年美国W.Clark的专利产品，这是第一只迪纳钻具（Dyna-Drill），之后美国Smith公司研制出了系列的迪纳钻具（Dyna-Drill）。1966年，前苏联制成了波瓣比为9/10的螺杆钻具样机，经过多年的发展前苏联研制出了系列的Д型螺杆钻具。1975年，斯伦贝谢（Schlumberger）生产波瓣比为5/6的螺杆马达，取名georotor。之后国外许多钻井公司都投入到了螺杆钻具的研究，如美国Baker公司、Eastman–whipstock公司等。

8效率以及出色的井下马达性能。图1-5Dyna-DrillESX动力马达为了在高温下达到定子性能和可靠性之间的最佳平衡，重要的是要了解井下温度升高期间弹性体性能的动态特性。DTX动力马达在工作过程中，始终能对井下温度以及弹性体与钻井液的相容性进行实时分析。在300华氏度（149℃）下，DTX动力马达也有望可靠地提供其指定性能的约55％至60％。DTX动力马达如图1-6所示：图1-6Dyna-DrillDTX动力马达Navi-Drill自1976年成立以来，Navi-Drill马达的性能和可靠性已成为行业标准，Navi-Drill螺杆马达已经在世界各地成千上万的定向和水平井中积累了数百万钻井时间。该公司于1995年推出了NaviDrillUltra系列马达，之后该系列马达开始广泛应用于各类定向钻井领域，Ultra系列马达结构如图1-7所示：
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 翟广超;;螺杆钻具和多头单螺杆马达的基本原理[J];民营科技;2015年10期

2 陈明;卢丽;夏彪;;螺杆钻具研究现状与应用[J];内江科技;2013年11期

3 王鄂川;樊洪海;李岩泽;罗立新;沈维格;王义顷;;螺杆动力钻具压耗计算方法研究与分析[J];石油钻采工艺;2013年06期

4 张先勇;冯进;;井下水力涡轮的研究现状及发展[J];机械工程师;2012年10期

5 姚坚毅;刘宝林;王瑜;;涡轮钻具水力设计与分析方法应用现状研究[J];石油矿场机械;2012年03期

6 陈思;郭东涛;孙玉龙;;螺杆钻具的研究进展及变化趋势[J];长江大学学报(自然科学版)理工卷;2010年03期

7 成海;郑卫建;夏彬;王甲昌;肖国益;;国内外涡轮钻具钻井技术及其发展趋势[J];石油矿场机械;2008年04期

8 冯定;;国产涡轮钻具结构及性能分析[J];石油机械;2007年01期

9 李树立;焦宗夏;;叶片式摆动液压马达泄漏计算与控制[J];液压与气动;2005年11期

10 唐雪平,苏义脑,陈祖锡;三维井眼轨道设计模型及应用[J];数学的实践与认识;2004年03期

相关博士学位论文 前1条

1 谭春飞;深井超深井涡轮钻具复合钻井提高钻速技术研究[D];中国地质大学（北京）;2012年

相关硕士学位论文 前10条

1 彭少龙;模拟高温温度场螺杆钻具性能参数检测试验装置的研制[D];中国地质大学;2018年

2 谭逢林;螺杆钻具在油气钻井中的理论分析和应用选型[D];西南石油大学;2017年

3 柳欢欢;基于流固耦合的螺杆马达动态仿真[D];华中科技大学;2017年

4 王龙;井下涡轮钻具涡轮叶片造型及优化研究[D];西安石油大学;2016年

5 刘思瀛;7LZ172金属螺杆马达研制[D];西安石油大学;2016年

6 马宇;新型井下动力钻具的模拟分析与设计[D];吉林大学;2016年

7 王庆仓;涡轮钻具叶片的逆向分析及流场仿真研究[D];西南石油大学;2015年

8 郑道宽;螺杆马达的流固耦合仿真[D];华中科技大学;2015年

9 杨剑;六头螺杆马达的三维动态仿真[D];华中科技大学;2014年

10 杜文倩;俄罗斯涡轮钻井技术主要进展及在我国的应用[D];中国石油大学（华东）;2013年

本文编号：2877894