Φ102涡轮钻具井下喷射器设计(6)

前言

1.2.3 发展趋势

超高压射流钻井能提高机械钻速，其破岩机理碎见就较多，也提出各种破岩机理理论，但对其破岩机理仍缺乏清晰明确的认识，有待于进一步的研究。目前关于岩石破碎的研究主要停留在静态或准静态上面，未充分考虑破岩过程动态影响，也未充分考虑钻深井过程中所遇到的高围压问题，故前任对钻井过程中破岩机理的研究还存在局限性。所以，应加强射流作用下井底岩石应力场研究。井下增压器将常规机械破岩钻井方式转化为高压超高压射流钻井方式，并且安全可靠，相对于其他提高钻速方式，经济效益也好，代表了目前超高压射流钻井方式研究的发展趋势。

1.3井下水力增压研究进展

井下水力增压是西南石油学院在自激振荡脉冲射流喷嘴研究的基础上首次提出来的。利用井下环空流体的水力能量作为外加激励源，实现自增流量及它激的双重作用，达到增压的目的。

（1）振荡腔调制机理研究振荡腔的调制机理是射流在腔室内经扰动、碰撞、有效反馈和放大作用的循环过程。由于振荡腔内流体的流动为非定常流动，流体湍流边界层的不稳定性而生成涡环结构。但是，目前尚没有一个完整的数学模型能够较全面地描述振荡腔内流体流动压力和速度的大小及其分布。所以，首先采用实验的方法，用有机玻璃模型定性的观察了振荡腔内流体流动的规律，同时在腔室的同一个面上开孔6个，用压力传感器定量地测试了振荡腔内流体的压力。 （2）井下水力它激振荡增压探讨

井下水力增压是以钻井环空流体液柱压力作为它激的激励源以自增流量来实现井下增压的。当具有一定压力（流速）的流体进入共振腔后，在腔室的上游区域，由于紊流射流强烈的卷吸作用，以及环空液柱压力的激励作用，引入部分环空流体，实现自增流量，这部分流体（自增流量部分）与振荡腔室内的紊流射流发生着复杂的动量和能量交换。流体到达腔室的下游区域时，大部分流体经由腔室出口喷出，小部分流体经过碰撞后，沿腔室内壁返回到腔室上游区域。由于在这一区域的负压作用，驱使着环空流体被引入共振腔室。由此可见，井下水力增压主要依靠3种作用方式：①振荡腔内的卷吸作用；②振荡腔内反馈负压区的形成作用；③环空流体压力的它激作用。

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Φ102涡轮钻具井下喷射器的设计

2. 涡轮钻具的设计

2.1 涡轮钻具的选型

涡轮钻具是一种结构比较特殊的井下动力钻具，它由钻井泵打出的高压钻井液来驱动。涡轮钻井与转盘钻井相比，主要优点是：能将能量集中在井底驱动钻头旋转以破碎岩石，因此机械钻速较高；钻井时钻杆不动，减少了钻杆的磨损以及断裂事故，延长了钻杆的使用寿命，特别适用于打定向井、丛式井以及进行修井、侧钻的特殊作业。如下图2-1（a）、（b）所示即为涡轮钻具整体结构简图：

图2-1 涡轮钻具整体结构图

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喷射器的设计

如下图2-2所示为涡轮转子、定子工作结构图。

Mud-泥浆

Rotor-转子 Stator-定子

图2-2 涡轮钻具定转子结构图

根据原始数据：

①喷射器外径:Ф102 ②适合于512油管空间 ③流量:Q=10～20L/s

④涡轮工作转速:n=800-1200r.p.m.

由《钻井测试手册》表2-7，综合考虑以上条件按选取型号为3WZ1-5”的涡轮钻具，其工作特性如下表2-1所示。

表2-1 涡轮钻具的工作特性

涡轮 型号 3WZ1-5” 轮叶 类型 涡轮 级数 排量 功 率（hp） 转 矩转 速压 力 降（kg/cm） 66 77 90 2（L/S） （kg·N） （r/min） 备注 25/12 240 12 `13 14 45 58 72 43 50 58 760 825 885 3节 涡轮钻具枢轴载荷以及有关数据 涡轮平均直径：8.825cm; 涡轮平均面积：61.1cm2; 止推轴承表面积：17.8cm2;

止推轴承：15个;

止推轴承总表面积：17.8cm2;

主轴系统总重：0.48t;

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Φ102涡轮钻具井下喷射器的设计 表2-2 涡轮钻具枢轴载荷以及有关数据

止推轴承比压压力降（kg/cm） 排量（L/S） 清水 12 13 66 77 比重1:2泥浆 79 92 清水 4.04 4.7 比重1:2泥浆 4.83 5.62 清水 4.52 5.18 比重1:2泥浆 5.31 6.1 2水力载荷(吨) 轴上总载荷(吨) （kg/cm） 清水 16.9 19.4 比重1:2泥浆 19.9 22.8 2

2.2 总体方案设计

在开始时，我选了这个题目，其实我对涡轮钻具有一点了解，涡轮钻具就是主要由定子和转子组成的一种结构比较特殊的井下动力钻具，由钻井泵打出的高压钻井液来驱动，作用是把液体能变为主轴上的机械能。但是我却对于带喷射器的涡轮钻具的作用很是疑惑，在老师和同学的帮助下，我也查阅很多相关的资料，才把什么是带喷射器的涡轮钻具弄清楚了，其实喷射器就是在涡轮钻具下端加上的一个间歇喷射经过增压的高压液体的装置。根据我的题目——Ф102涡轮钻具井下喷射器设计，我将设计在钻具上加上的一个能够提供喷射高压液的装置，这样能很好的利用资源，产生高效率钻井，在初步的认识的引导下，我脑海中慢慢的就形成了我的总体设计思路，如图2-3所示。

机械破岩钻进 设 计

液力破岩钻进 图2-3 总体设计流程简图

涡轮钻具设计

喷射器设计 由于今年的时间较短，老师让我做喷射器设计，所以我的设计主要集中于喷射器的结构设计。

经过一段时间的资料查找以及阅读，带喷射器的涡轮钻具的工作原理是十分必要的，现将其做以下叙述。如下图2-4所示为带喷射器的涡轮钻具工作原理简图，其工

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喷射器的设计

作过程为：

首先，由地上的泥浆泵产生一定压力的泥浆，通过钻杆输送到井底，同时不断向下放钻杆；

其次，通过钻杆的泥浆在通过涡轮钻具时，驱动涡轮转子将液体压力能转化为涡轮轴的转动机械能；

最后，与涡轮轴相连接的喷射器也就随着涡轮轴一起转动，从而带动喷射器下端的钻头破碎岩石，同时通过喷射器的一部分泥浆液体经过喷射器内的增压装置达到高压，从高压喷嘴射出同时配合钻头钻进，另外一部分泥浆液体则从低压流道从钻头普通喷嘴流出冲洗井底。

岩 图2-4 带喷射器的涡轮钻具工作原理简图

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泥浆 泵 产生并传递泥浆 放钻杆、钻杆 输送泥浆 涡轮节 机械破岩 喷射器 产生一定转速和扭矩 液力破岩 钻把泥浆变成高压液 头 层

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