2024年7月22日发(作者：公羊芳春)

井底水力涡轮钻具使用手册

一、概述

涡轮钻具是一种井底水力发动机，里面装有若干级涡轮（定子和转子），定

子使液体以一定的方向和速度冲动转子，而转子将液体这种动能转变成带动钻头

旋转破碎地层的机械能。

1、涡轮钻具型式及直径系列

国产涡轮钻具型式、型号与橡胶机械性能均应符合SY /T5401—91规定。

（1）涡轮钻具型式

单节式：只有一个涡轮节的涡轮钻具。

多节式：有两个以上涡轮节的复式涡轮钻具。

支承节式：全部轴向推力轴承安装成专门单体的涡轮钻具。

（2）型号表示法

钻具技术或结构改进次序代号。用阿拉伯数码字表示

钻具几种典型结构型式代号。用下列符号表示：

“J”表示带减速器的涡轮钻具；

“Z”表示带水力制动节的涡轮钻具；

“W”表示弯涡轮钻具；

“Q”表示取心涡轮钻具；

“D”表示短涡轮钻具；

“JW”表示带减速器的弯涡轮钻具；

“JD”表示带减速器的短涡轮钻具；

“ZQ”表示带水力制动节的取心涡轮钻具；

“QD”表示取心用的短涡轮钻具。

当钻具内不含以上九种结构。且该位置后面又需使用改进次序号

时此处用“—”符号表示。但若其后面不使用改进次序代号时，

则符号“—”不写。

钻具名义直径，mm

钻具名称及基本结构型式代号。用下列符号表示：

“WZ”表示带支承节的涡轮钻具

“WZ1表示不带支承节的涡轮钻具

钻具中含涡轮节的节数。用阿拉伯数码字表示。但当钻具中

只有一个涡轮节时，代号“l”省略不写

例：3WZ—195Z3 表示这是一种195mm直径、带支承节及水力制动节的、经

过三次改进后的、具有三个涡轮节的涡轮钻具。

WZl—172—2 表示这是一种172mm直径、不带支承节的、经过二次改进后

的单节式涡轮钻具。

WZ—240 表示这是一种240mm直径、带支承节的单节式涡轮钻具。

（3）直径系列见表3－1、轴接头的螺纹见表3－2、涡轮钻具各部位螺纹上

紧扭矩见表3－3。

表3－1 国产涡轮钻具直径系列(SY/T5401—91)

涡轮钻具名义直径(mm)

涡轮级外径(定子外径)(mm)

涡轮级内径(转于内径)(mm)

102

/

/

127

/

/

172

148

/

195

165

/

215

186

100

240

/

/

255

221

120

表3－2 轴接头的螺纹

涡轮钻具名义直径(mm)

轴接头内螺纹

表3－3 涡轮钻具各部位螺纹上紧扭矩(SY/5547—92) 单位：N·m

钻具规格

项 目

WZ170

锁紧螺母

防松螺母

压紧短节

轴 接 头

外壳接头

保护接头

异径接头

5000～5500

5000～5500

7000～8000

8500

/

/

10000～12000

WZ195、DWZ195

5900～6800

5900～6800

14000～15000

9000～15000

14000～15000

/

/

W7215、DWZ215

7000～7500

7000～7500

14000～15000

9500

/

18000～19000

/

102

2

7

/

8

REG

127

3

1

/

2

REG

172

4

l

/

2

REG

195

4

1

/

2

REG

215

6

5

/

8

REG

240

6

5

/

8

REG

255

7

5

/

8

REG

（4）涡轮钻具按其结构和用途大致可分为：单式涡轮钻具、复式涡轮钻具、

短涡轮钻具、弯壳体涡轮钻具、带减速器的涡轮钻具、带滚动轴承的涡轮钻具和

高速涡轮钻具等等。

二、涡轮钻具技术规格及结构

由于国内目前主要使用单式普通涡轮钻具，故本手册将以国产WZ系列的涡

轮钻具为例，介绍涡轮钻具的规格、结构、特点及使用要求。

1、涡轮钻具的技术规格及工作性能

（1）涡轮钻具的技术规格

WZ系列和FZ系列的各种涡轮钻具的技术规格见表3－4、表3－5。

表3－4 WZ系列涡轮钻具规格

涡轮钻具

型 号

WZ1—170

WZ195

WZ1—215

WZ195D

短涡轮钻具

直径

(mm)

170

195

215

195

长度

(mm)

7700

8165

8480

4760

质量

(kg)

1132

1404

1650

836

涡轮接头螺纹

上接头

520

520

520

520

下接头

420

420

420

420

涡轮

级数

110

130

110

70

生产

厂家

兰州

石油

化工

机械

厂

表3－5 FZ系列涡轮钻具规格

钻具规格

流量(l／s)

涡轮级数

转速(r／min)

额定扭矩

(N·m)

压力降(MPa)

推荐井眼(in)

FZ—175

25～30

345

324～388

2200～3170

5.4～7.8

ZJJW—180

26～30

80

69～192

2940

(带减速器)

3.6～4.5

FZ—195

25～30

345

302～364

2448～3225

5.65—8.14

8

1

/

2

～12

1

/

4

FZ—240

40～45

300

303～341

3720～4710

5.38～6.8

FZ—260

40～45

300

275～310

3912～4950

5.16～6.54

8

1

/

2

～9

5

/

8

12

1

/

4

～17

1

/

2

（2）涡轮钻具的工作性能

工作液为清水、钻井液时工作性能见表3－6、表3－7、表3－8。

表3－6 涡轮钻具性能 液体：清水（密度1g/㎝

3

）

涡轮钻具

型 号

WZ1—170

排量

(l／s)

22

25

28

25

28

WZ195 30

32

35

30

32

WZ1—215 35

38

40

25

WZ195D

短涡轮钻具

28

30

32

35

功率

(kW)

34.5

53.2

75.0

52.5

74.2

90.7

111.0

144.7

32.8

39.5

52.2

61.9

77.6

28.3

39.5

48.5

59.7

77.6

转矩

(N·m)

549.3

706.3

892.7

794.6

1030.0

1147.7

1314.5

1559.7

814.2

922.1

1098.7

1196.8

1442.1

431.6

559.2

618.0

706.3

834.7

转速

(r／min)

620

704

790

620

690

740

790

865

381

406

445

483

508

620

590

740

790

865

压力降

(MPa)

2.4

3.1

3.9

3.3

4.1

4.7

5.3

6.4

1.9

2.2

2.6

2.7

3.3

1.8

2.2

2.5

2.8

3.3

表3－7 WZ涡轮钻具使用参数(SY5547—92)

钻具规格

(mm)

适用井眼

范围(mm)

泵排

量

(l/s)

载荷

降压

(MPa)

钻速

(r／min)

扭矩

(N·m)

功率

(kW)

螺纹连接

上端 下端

长度

(m)

重量

(kg)

WZ－170

WL－195

DWZ－195

ZW－215

217.2～

250.8

247.6～

311.2

247.6 ～

431.2

311.2～

444.2

20～

25

25～

30

25～

30

35～

40

2.4～

4.5

3.6～

4.6

3.6～

4.6

3.6～

5.1

475～

795

600～

840

600～

840

515～

726

254.8～

715.4

597.8～

1166.2

529.2～

1009.2

842.8～

1666.0

12.5～

59.6

37.5～

103.0

33.8～

91.9

45.6～

126.5

410

520

420

420

7.68

8.17

4.76

8.48

1132

1404

836

1650

520 420

520 420

表3－8 涡轮钻具性能 液体：钻井液（密度1.2g/㎝

3

）

涡轮钻具

型 号

排量

(1/s)

20

WZl－170

22

25

28

25

28

WZl95 30

32

35

30

32

WZl—215 35

38

40

25

WZl95D

短涡轮钻具

28

30

32

35

功率

(kW)

32.2

44.2

63.7

90.0

63.0

89.2

108.7

133.5

174.0

39.5

47.7

62.6

73.8

93.2

34.5

47.7

58.2

71.6

93.2

转矩

(N·m)

539.5

657.2

843.6

1069.2

951.5

1236.0

1373.4

1579.4

1873.7

971.2

1108.5

1324.4

1442.1

1736.4

529.7

667.1

745.6

853.5

1010.4

转速

(r／min)

564

620

704

790

620

690

740

790

865

381

406

445

483

508

620

690

740

790

865

压力降

(MPa)

2.4

2.9

3.7

4.7

4.0

4.6

5.6

6.4

7.7

2.3

2.6

3.0

3.3

4.0

2.2

2.6

2.9

3.4

4.0

（3）涡轮钻具的特性曲线

涡轮钻具的特性曲线，就是涡轮钻具的主要技术参数之间的关系曲线，如图

3－1所示。了解涡轮钻具的特性曲线，就可以根据特性曲线正确选择、合理使

用涡轮钻具和钻井参数，以获得最佳效益。

2、涡轮钻具的结构

现以国产WZl—215型

单式涡轮钻具为例介绍涡轮

钻具的结构，如图3－2所示。

其他类型的涡轮钻具与此大

体相似，此处不再一一介绍。

涡轮钻具由旋转和不旋

转两大部分组成。

旋转部分包括：防松螺

母、紧箍、转子螺母、支承

图3－1 涡轮钻具特性曲线

环、支承盘、中轴承、转子，上挡套、下挡套、下轴承、轴和接头。上述零部件

(除轴接头外)借助于轴螺母、紧箍和防松螺母紧固在主轴上。

不旋转部分包括：大小头、外壳、短节、间隔筒、止推轴承、调节环、定子、

中部轴承、隔套和下部轴承。它们借助于短节紧固在外壳内。

涡轮钻具的主要部件是涡轮，每一级涡轮由一个定子和一个转子组成，如图

3－3所示。定子和转子的形状基本一样，只是叶片的弯曲方向相反。定子装在

固定不转的外壳内，转子装在可旋转的主轴上。转子和定子之间要保持一定的轴

向间隙。

为了承受轴向负荷，在涡轮钻具内装有止推轴承，如图3－4所示。它由支

承盘、支承环和带有橡胶衬套的轴承座组成。WZ1—215型涡轮钻具共有12副

止推轴承。轴承座与支承盘之间有2mm的间隙。主轴中部的涡轮之间，装有起

扶正作用的径向轴承(图3－5)。下部轴承(图3－6)除起扶正作用外，还起压紧短

节和防止钻井液漏失的密封作用。

主轴上部为左旋螺纹，下端带有与钻头连接的钻柱螺纹。

涡轮钻具各连接螺纹的装配力矩见表3－9。

表3－9 涡轮钻具装配力矩

涡轮钻具

型 号

WZ1—170

WZl95

力矩(N·m)

转子螺母

4905—5395

5788—6180

防松螺母

4905—5395

5788—6180

短节

6867—7848

13734—14715

轴接头

8338

8338

大小头

10791—12753

13734—14715

WZ1—215 6867—7357 6867—7357 13734—14715 8338 13734—14715

WZl95D

短涡轮钻具

4905—5395 4905—5395 11772—12753 / 11772—12753

涡轮钻具工作时，轴向力由止推轴承承受，径向力由下部轴承、中间轴承和

止推轴承承受。

图3－2 WZ1—215型涡轮钻具

三、涡轮钻具的有关计算

1、涡轮钻具的压力降

P

T

=9.8l×l0

-2

βQ

2

式中：P

T

—涡轮钻具压力降，MPa；

β—涡轮钻具特性系数；

Q—排量，1／s。

涡轮钻具特性系数β见表3－10。

图3－3 一级涡轮

图3－4涡轮钻具止推轴承

图3－5 涡轮钻具中间轴承

图3－6 下轴承

表3－10 涡轮钻具特性系数β

型 号

清 水

钻井液(

ρ

m

=1.20)

WZ1—215

0.0275

0.0330

WZ195

0.0525

0.0635

WZ1—170

0.0555

0.0665

2、合理钻压的确定

(1) 止推轴承受力计算

S=Γ

B

+G

po

T

－P

Γ

B

=9.81×10

-3

Aρ

m

Q

2

式中：S－轴承上的轴向载荷kN；

Γ

B

—水力载荷，kN；

A—水力载荷系数；

ρ

m

—钻井液密度，g／cm气

G

po

T

—涡轮钻具转动部分重量力(转子、主轴、钻头)，kN；

P—钻压，kN。

各型涡轮钻具水力载荷系数A的大小见表3－11。

表3－11 涡轮钻具的A系数

型 号

A 值

WZ1—215

5.8

WZl95

9.4

WZ1—170

8.9

涡轮钻具枢轴载荷及有关数据见表3－12。

轴向载荷S=0时，钻压为

P=Γ

B

+ G

po

T

(2) 涡轮钻具最大功率时的合理钻压钻压

P>Γ

B

+ G

po

T

(硬地层)

P<Γ

B

+ G

po

T

((软地层)

3、合理排量的确定

当泵压P

H

一定，涡轮钻具压力降P

T

，，为泵压P

H

的

2

/

3

时，涡轮钻具获得最

大功率，其合理排量为：

表3－12 涡轮钻具枢轴负荷

涡

轮

平

型 号 均

直

径

(mm)

涡 轮

平 均

面 积

(cm

2

)

止 推

轴 承

表 面

积

(cm

2

)

止 推

轴 承

数 量

(个)

止推

轴承

总表

面积

(cm

2)

主轴

系统

总重

(kg)

排量

(1/s)

压力降

(MPa)

钻

清

水

井

液

(1.20)

水力载荷

(KN)

钻

清

水

井

液

(1. 20)

轴上总载荷

(KN)

钻

清

水

井

液

(1.20)

止推轴承比压

(MPa)

钻

清

水

井

液

(1.20)

WZ1－215 14.7 169.7 50.5 12 606 165

35

46

25

30

20

25

3.1

4.0

30

4.3

2.0

3.2

3.7

4.8

3.7

5.2

2.5

3.8

51.7

67.7

27.9

53.9

22.4

35.0

61.8

80.9

46.4

65.3

26.9

42.1

59.1

75.1

34.2

60.2

27.2

39.9

69.3

88.4

52.3

71.6

31.7

47.0

1.00

1.26

0.45

0.83

1.39

2.03

1.17

1.49

0.72

0.98

1.62

2.39

WZ—195 13.5 133 41.5 18 745 640

WZ1-170 11.9 111..2 25 8 200 498

Q

OUT

=

P

O

9.8110

2

3



m

(mLn)

式中：Q

OUT

——合理排量，l／s；

P

o

——泵的允许压力，MPa；

L——井深，m；

m——钻杆、环形空间、接头的水力损失系数；

n——钻头、地面管汇的水力损失系数；

ρ

m

——钻井液密度，g／cm

3

4、涡轮钻具功率计算

N＝P

T

·Q·η

式中：N——涡轮钻具的功率，Kw；

P

T

——涡轮钻具的压力降，MPa；

Q——排量，l／s；

η——涡轮钻具效率，一般取0.55—0.60。

四、涡轮钻具间隙调节

1、单式涡轮间隙调节见图3－7 、图3－8。

2、复式涡轮间隙调节见图3－9。

C值的确定：

C+B=M+E+b

C=(A+E+M+b)-B

WZI-10″ WZI-9″

WZI-8″ WZI-6″

2 WZI-8″

WZI-7″

2 WZI-7″（下节）

K=9.5

H=9.5+B

K=7

H=7=B

图3－7 单式涡轮间隙调节

3

WZI-5（下节）

WZI-4（下节）

K=6 Ø=50

K=5 ∮=45

H=40-B

图3－8 单式涡轮间隙调节

Д=B-M

式中：b——涡轮轴向间隙值；

A——连接接头上的测量尺寸；

E——下节轴在下部位置时的测量尺寸；

M——预先由联轴节上测量；

B——上联轴节置于轴上时测得。

图3－9 复式涡轮间隙调节

3、复式弯涡轮钻具的调节如图3－10所示。

下节：

1．装配前先测出下列长度：

L

1

—外壳上接头全长

L

2

一间隔筒长度

L

3

—轴套长度

L

4

—下轴节长度

上节：

确定和计算上节调

节环厚度C值：

1．装配前先测出下列长度：

B—弯接关有效平均长度 1．当下节涡轮下间隙为e＝按

L

5

—上联轴节长度 调节和装配的要求上节涡轮下

S—上、下联轴节装配间隙 间隙e

1

=e+l-1.5

L

6

、L

7

—轴头有关长度

2．计算下联轴节露出长度A值： 上联轴节锥面接触长度M： 2．计算C值：

A＝C十L

3

+L

4

—L

1

—L

2

2．计算P值：P=L

5

+L

6

-M C=B+B

1

+e

1

-Aˊ-S-Pˊ

3．装配后实测(轴在下部位置)Aˊ 3．上联轴节装后实测Pˊ

3．上节在实际装配中：

B

1

=(一个)

C

1

=(一个)

图3－10 复式弯涡轮间隙调节

五、正确使用涡轮钻具的条件

1、钻井液含砂量应小于2％，且无大颗粒岩屑和杂物。

2、井底无落物。

3、必须使用钻杆滤清器。

4、心轴在98.1～196.2N·m力矩作用下转动灵活、轻便。

5、新涡轮的轴向间隙不大于2mm；旧涡轮不大于5mm。轴向间隙的测量方

法：将吊起的涡轮钻具的轴压在转盘上，在轴露出短节处作一标记，然后上提涡

轮钻具使其悬空，再在轴露出短节处作第二个标记。两个标记之间的距离，即为

测量的轴向间隙。

6、涡轮钻具入井前，必须在井口试运转，检查能否容易启动和螺纹连接处

有无渗漏。先单泵启动，泵压不超过1.5～2MPa。单泵不能启动时，可用双泵启

动。仍不能启动时，可用转盘迫转5～10min，再行开泵。要求运转平稳，没有

跳动。停泵时，轴应逐渐减速直至停止转动。如遇突然停止，则说明轴承摩擦力

矩过大，必须重新进行试运转。

六、使用涡轮钻具的注意事项

l、涡轮钻具在井下往往需要强制启动，即反复加减钻压，甚至用转盘带动

钻具旋转。强制启动的时间不应超过20min，长时间强制启动容易损坏止推轴承。

2、开始钻进时，应以小钻压活动钻头2～3min，然后逐渐增加钻压。涡轮

钻具在最高机械钻速下的钻压为最合适的钻压。

3、定时或定进尺上提活动钻柱，防止钻柱粘附井壁。

4、钻压过大而使涡轮钻具制动时，应先停泵后上提钻具，然后逐渐将钻头

下放至井底，均匀加压。

5、钻进中需停泵时，停泵后应立即上提钻具10～12m，以防岩屑下沉而卡

住钻头或涡轮钻具。

6、涡轮钻具在井内需要停钻循环洗井时，应增加钻压使轴制动，防止因钻

头空钻造成钻头先期磨损或掉牙轮。

7、涡轮钻具不能长距离划眼。

七、涡轮钻具常见故障及排除方法（见表3－13）

表3－13 涡轮钻具钻进中常见故障及排除方法

常见故障 发生故障的原因

1．钻压过大，轴制动

2．钻头失效

3．止推轴承过度磨损导致定、转子端

面相碰

4．短节或转子螺母松动，导致轴功率

下降

5．排量减小或钻柱刺坏(从泵压表读

数判断)

6．轴承橡胶膨胀

1．止推轴承钻压面过度磨损

2．钻头牙轮卡死

3．钻头牙轮落井

4．井底有其他落物

1．钻柱被刺漏

2．钻柱折断或脱扣

1. 洗井液不清洁、钻具被堵

2．钻进过程中忽然停泵，井内岩屑下

沉使钻具被堵

排除故障的方法

减小钻压

更换钻头

更换阀轮钻具

起钻拧紧短节或更换涡

轮钻具

修泵或起钻检查钻柱

改善洗井液质量

更换涡轮钻具

更换钻头

打捞落物

起钻检查钻柱

打捞落鱼

打开又关上闸门反复多

次冲洗钻柱，经5－10min

冲洗无效则起钻检查

轴停止运转或

机械钻速忽然

降低

加不上钻压(即一加

钻压轴就制动)

泵压忽然急剧

下降

泵压急剧上升

八、标准、规范

SY/T 5401-91《涡轮钻具》。

2024年7月22日发(作者：公羊芳春)

井底水力涡轮钻具使用手册

一、概述

涡轮钻具是一种井底水力发动机，里面装有若干级涡轮（定子和转子），定

子使液体以一定的方向和速度冲动转子，而转子将液体这种动能转变成带动钻头

旋转破碎地层的机械能。

1、涡轮钻具型式及直径系列

国产涡轮钻具型式、型号与橡胶机械性能均应符合SY /T5401—91规定。

（1）涡轮钻具型式

单节式：只有一个涡轮节的涡轮钻具。

多节式：有两个以上涡轮节的复式涡轮钻具。

支承节式：全部轴向推力轴承安装成专门单体的涡轮钻具。

（2）型号表示法

钻具技术或结构改进次序代号。用阿拉伯数码字表示

钻具几种典型结构型式代号。用下列符号表示：

“J”表示带减速器的涡轮钻具；

“Z”表示带水力制动节的涡轮钻具；

“W”表示弯涡轮钻具；

“Q”表示取心涡轮钻具；

“D”表示短涡轮钻具；

“JW”表示带减速器的弯涡轮钻具；

“JD”表示带减速器的短涡轮钻具；

“ZQ”表示带水力制动节的取心涡轮钻具；

“QD”表示取心用的短涡轮钻具。

当钻具内不含以上九种结构。且该位置后面又需使用改进次序号

时此处用“—”符号表示。但若其后面不使用改进次序代号时，

则符号“—”不写。

钻具名义直径，mm

钻具名称及基本结构型式代号。用下列符号表示：

“WZ”表示带支承节的涡轮钻具

“WZ1表示不带支承节的涡轮钻具

钻具中含涡轮节的节数。用阿拉伯数码字表示。但当钻具中

只有一个涡轮节时，代号“l”省略不写

例：3WZ—195Z3 表示这是一种195mm直径、带支承节及水力制动节的、经

过三次改进后的、具有三个涡轮节的涡轮钻具。

WZl—172—2 表示这是一种172mm直径、不带支承节的、经过二次改进后

的单节式涡轮钻具。

WZ—240 表示这是一种240mm直径、带支承节的单节式涡轮钻具。

（3）直径系列见表3－1、轴接头的螺纹见表3－2、涡轮钻具各部位螺纹上

紧扭矩见表3－3。

表3－1 国产涡轮钻具直径系列(SY/T5401—91)

涡轮钻具名义直径(mm)

涡轮级外径(定子外径)(mm)

涡轮级内径(转于内径)(mm)

102

/

/

127

/

/

172

148

/

195

165

/

215

186

100

240

/

/

255

221

120

表3－2 轴接头的螺纹

涡轮钻具名义直径(mm)

轴接头内螺纹

表3－3 涡轮钻具各部位螺纹上紧扭矩(SY/5547—92) 单位：N·m

钻具规格

项 目

WZ170

锁紧螺母

防松螺母

压紧短节

轴 接 头

外壳接头

保护接头

异径接头

5000～5500

5000～5500

7000～8000

8500

/

/

10000～12000

WZ195、DWZ195

5900～6800

5900～6800

14000～15000

9000～15000

14000～15000

/

/

W7215、DWZ215

7000～7500

7000～7500

14000～15000

9500

/

18000～19000

/

102

2

7

/

8

REG

127

3

1

/

2

REG

172

4

l

/

2

REG

195

4

1

/

2

REG

215

6

5

/

8

REG

240

6

5

/

8

REG

255

7

5

/

8

REG

（4）涡轮钻具按其结构和用途大致可分为：单式涡轮钻具、复式涡轮钻具、

短涡轮钻具、弯壳体涡轮钻具、带减速器的涡轮钻具、带滚动轴承的涡轮钻具和

高速涡轮钻具等等。

二、涡轮钻具技术规格及结构

由于国内目前主要使用单式普通涡轮钻具，故本手册将以国产WZ系列的涡

轮钻具为例，介绍涡轮钻具的规格、结构、特点及使用要求。

1、涡轮钻具的技术规格及工作性能

（1）涡轮钻具的技术规格

WZ系列和FZ系列的各种涡轮钻具的技术规格见表3－4、表3－5。

表3－4 WZ系列涡轮钻具规格

涡轮钻具

型 号

WZ1—170

WZ195

WZ1—215

WZ195D

短涡轮钻具

直径

(mm)

170

195

215

195

长度

(mm)

7700

8165

8480

4760

质量

(kg)

1132

1404

1650

836

涡轮接头螺纹

上接头

520

520

520

520

下接头

420

420

420

420

涡轮

级数

110

130

110

70

生产

厂家

兰州

石油

化工

机械

厂

表3－5 FZ系列涡轮钻具规格

钻具规格

流量(l／s)

涡轮级数

转速(r／min)

额定扭矩

(N·m)

压力降(MPa)

推荐井眼(in)

FZ—175

25～30

345

324～388

2200～3170

5.4～7.8

ZJJW—180

26～30

80

69～192

2940

(带减速器)

3.6～4.5

FZ—195

25～30

345

302～364

2448～3225

5.65—8.14

8

1

/

2

～12

1

/

4

FZ—240

40～45

300

303～341

3720～4710

5.38～6.8

FZ—260

40～45

300

275～310

3912～4950

5.16～6.54

8

1

/

2

～9

5

/

8

12

1

/

4

～17

1

/

2

（2）涡轮钻具的工作性能

工作液为清水、钻井液时工作性能见表3－6、表3－7、表3－8。

表3－6 涡轮钻具性能 液体：清水（密度1g/㎝

3

）

涡轮钻具

型 号

WZ1—170

排量

(l／s)

22

25

28

25

28

WZ195 30

32

35

30

32

WZ1—215 35

38

40

25

WZ195D

短涡轮钻具

28

30

32

35

功率

(kW)

34.5

53.2

75.0

52.5

74.2

90.7

111.0

144.7

32.8

39.5

52.2

61.9

77.6

28.3

39.5

48.5

59.7

77.6

转矩

(N·m)

549.3

706.3

892.7

794.6

1030.0

1147.7

1314.5

1559.7

814.2

922.1

1098.7

1196.8

1442.1

431.6

559.2

618.0

706.3

834.7

转速

(r／min)

620

704

790

620

690

740

790

865

381

406

445

483

508

620

590

740

790

865

压力降

(MPa)

2.4

3.1

3.9

3.3

4.1

4.7

5.3

6.4

1.9

2.2

2.6

2.7

3.3

1.8

2.2

2.5

2.8

3.3

表3－7 WZ涡轮钻具使用参数(SY5547—92)

钻具规格

(mm)

适用井眼

范围(mm)

泵排

量

(l/s)

载荷

降压

(MPa)

钻速

(r／min)

扭矩

(N·m)

功率

(kW)

螺纹连接

上端 下端

长度

(m)

重量

(kg)

WZ－170

WL－195

DWZ－195

ZW－215

217.2～

250.8

247.6～

311.2

247.6 ～

431.2

311.2～

444.2

20～

25

25～

30

25～

30

35～

40

2.4～

4.5

3.6～

4.6

3.6～

4.6

3.6～

5.1

475～

795

600～

840

600～

840

515～

726

254.8～

715.4

597.8～

1166.2

529.2～

1009.2

842.8～

1666.0

12.5～

59.6

37.5～

103.0

33.8～

91.9

45.6～

126.5

410

520

420

420

7.68

8.17

4.76

8.48

1132

1404

836

1650

520 420

520 420

表3－8 涡轮钻具性能 液体：钻井液（密度1.2g/㎝

3

）

涡轮钻具

型 号

排量

(1/s)

20

WZl－170

22

25

28

25

28

WZl95 30

32

35

30

32

WZl—215 35

38

40

25

WZl95D

短涡轮钻具

28

30

32

35

功率

(kW)

32.2

44.2

63.7

90.0

63.0

89.2

108.7

133.5

174.0

39.5

47.7

62.6

73.8

93.2

34.5

47.7

58.2

71.6

93.2

转矩

(N·m)

539.5

657.2

843.6

1069.2

951.5

1236.0

1373.4

1579.4

1873.7

971.2

1108.5

1324.4

1442.1

1736.4

529.7

667.1

745.6

853.5

1010.4

转速

(r／min)

564

620

704

790

620

690

740

790

865

381

406

445

483

508

620

690

740

790

865

压力降

(MPa)

2.4

2.9

3.7

4.7

4.0

4.6

5.6

6.4

7.7

2.3

2.6

3.0

3.3

4.0

2.2

2.6

2.9

3.4

4.0

（3）涡轮钻具的特性曲线

涡轮钻具的特性曲线，就是涡轮钻具的主要技术参数之间的关系曲线，如图

3－1所示。了解涡轮钻具的特性曲线，就可以根据特性曲线正确选择、合理使

用涡轮钻具和钻井参数，以获得最佳效益。

2、涡轮钻具的结构

现以国产WZl—215型

单式涡轮钻具为例介绍涡轮

钻具的结构，如图3－2所示。

其他类型的涡轮钻具与此大

体相似，此处不再一一介绍。

涡轮钻具由旋转和不旋

转两大部分组成。

旋转部分包括：防松螺

母、紧箍、转子螺母、支承

图3－1 涡轮钻具特性曲线

环、支承盘、中轴承、转子，上挡套、下挡套、下轴承、轴和接头。上述零部件

(除轴接头外)借助于轴螺母、紧箍和防松螺母紧固在主轴上。

不旋转部分包括：大小头、外壳、短节、间隔筒、止推轴承、调节环、定子、

中部轴承、隔套和下部轴承。它们借助于短节紧固在外壳内。

涡轮钻具的主要部件是涡轮，每一级涡轮由一个定子和一个转子组成，如图

3－3所示。定子和转子的形状基本一样，只是叶片的弯曲方向相反。定子装在

固定不转的外壳内，转子装在可旋转的主轴上。转子和定子之间要保持一定的轴

向间隙。

为了承受轴向负荷，在涡轮钻具内装有止推轴承，如图3－4所示。它由支

承盘、支承环和带有橡胶衬套的轴承座组成。WZ1—215型涡轮钻具共有12副

止推轴承。轴承座与支承盘之间有2mm的间隙。主轴中部的涡轮之间，装有起

扶正作用的径向轴承(图3－5)。下部轴承(图3－6)除起扶正作用外，还起压紧短

节和防止钻井液漏失的密封作用。

主轴上部为左旋螺纹，下端带有与钻头连接的钻柱螺纹。

涡轮钻具各连接螺纹的装配力矩见表3－9。

表3－9 涡轮钻具装配力矩

涡轮钻具

型 号

WZ1—170

WZl95

力矩(N·m)

转子螺母

4905—5395

5788—6180

防松螺母

4905—5395

5788—6180

短节

6867—7848

13734—14715

轴接头

8338

8338

大小头

10791—12753

13734—14715

WZ1—215 6867—7357 6867—7357 13734—14715 8338 13734—14715

WZl95D

短涡轮钻具

4905—5395 4905—5395 11772—12753 / 11772—12753

涡轮钻具工作时，轴向力由止推轴承承受，径向力由下部轴承、中间轴承和

止推轴承承受。

图3－2 WZ1—215型涡轮钻具

三、涡轮钻具的有关计算

1、涡轮钻具的压力降

P

T

=9.8l×l0

-2

βQ

2

式中：P

T

—涡轮钻具压力降，MPa；

β—涡轮钻具特性系数；

Q—排量，1／s。

涡轮钻具特性系数β见表3－10。

图3－3 一级涡轮

图3－4涡轮钻具止推轴承

图3－5 涡轮钻具中间轴承

图3－6 下轴承

表3－10 涡轮钻具特性系数β

型 号

清 水

钻井液(

ρ

m

=1.20)

WZ1—215

0.0275

0.0330

WZ195

0.0525

0.0635

WZ1—170

0.0555

0.0665

2、合理钻压的确定

(1) 止推轴承受力计算

S=Γ

B

+G

po

T

－P

Γ

B

=9.81×10

-3

Aρ

m

Q

2

式中：S－轴承上的轴向载荷kN；

Γ

B

—水力载荷，kN；

A—水力载荷系数；

ρ

m

—钻井液密度，g／cm气

G

po

T

—涡轮钻具转动部分重量力(转子、主轴、钻头)，kN；

P—钻压，kN。

各型涡轮钻具水力载荷系数A的大小见表3－11。

表3－11 涡轮钻具的A系数

型 号

A 值

WZ1—215

5.8

WZl95

9.4

WZ1—170

8.9

涡轮钻具枢轴载荷及有关数据见表3－12。

轴向载荷S=0时，钻压为

P=Γ

B

+ G

po

T

(2) 涡轮钻具最大功率时的合理钻压钻压

P>Γ

B

+ G

po

T

(硬地层)

P<Γ

B

+ G

po

T

((软地层)

3、合理排量的确定

当泵压P

H

一定，涡轮钻具压力降P

T

，，为泵压P

H

的

2

/

3

时，涡轮钻具获得最

大功率，其合理排量为：

表3－12 涡轮钻具枢轴负荷

涡

轮

平

型 号 均

直

径

(mm)

涡 轮

平 均

面 积

(cm

2

)

止 推

轴 承

表 面

积

(cm

2

)

止 推

轴 承

数 量

(个)

止推

轴承

总表

面积

(cm

2)

主轴

系统

总重

(kg)

排量

(1/s)

压力降

(MPa)

钻

清

水

井

液

(1.20)

水力载荷

(KN)

钻

清

水

井

液

(1. 20)

轴上总载荷

(KN)

钻

清

水

井

液

(1.20)

止推轴承比压

(MPa)

钻

清

水

井

液

(1.20)

WZ1－215 14.7 169.7 50.5 12 606 165

35

46

25

30

20

25

3.1

4.0

30

4.3

2.0

3.2

3.7

4.8

3.7

5.2

2.5

3.8

51.7

67.7

27.9

53.9

22.4

35.0

61.8

80.9

46.4

65.3

26.9

42.1

59.1

75.1

34.2

60.2

27.2

39.9

69.3

88.4

52.3

71.6

31.7

47.0

1.00

1.26

0.45

0.83

1.39

2.03

1.17

1.49

0.72

0.98

1.62

2.39

WZ—195 13.5 133 41.5 18 745 640

WZ1-170 11.9 111..2 25 8 200 498

Q

OUT

=

P

O

9.8110

2

3



m

(mLn)

式中：Q

OUT

——合理排量，l／s；

P

o

——泵的允许压力，MPa；

L——井深，m；

m——钻杆、环形空间、接头的水力损失系数；

n——钻头、地面管汇的水力损失系数；

ρ

m

——钻井液密度，g／cm

3

4、涡轮钻具功率计算

N＝P

T

·Q·η

式中：N——涡轮钻具的功率，Kw；

P

T

——涡轮钻具的压力降，MPa；

Q——排量，l／s；

η——涡轮钻具效率，一般取0.55—0.60。

四、涡轮钻具间隙调节

1、单式涡轮间隙调节见图3－7 、图3－8。

2、复式涡轮间隙调节见图3－9。

C值的确定：

C+B=M+E+b

C=(A+E+M+b)-B

WZI-10″ WZI-9″

WZI-8″ WZI-6″

2 WZI-8″

WZI-7″

2 WZI-7″（下节）

K=9.5

H=9.5+B

K=7

H=7=B

图3－7 单式涡轮间隙调节

3

WZI-5（下节）

WZI-4（下节）

K=6 Ø=50

K=5 ∮=45

H=40-B

图3－8 单式涡轮间隙调节

Д=B-M

式中：b——涡轮轴向间隙值；

A——连接接头上的测量尺寸；

E——下节轴在下部位置时的测量尺寸；

M——预先由联轴节上测量；

B——上联轴节置于轴上时测得。

图3－9 复式涡轮间隙调节

3、复式弯涡轮钻具的调节如图3－10所示。

下节：

1．装配前先测出下列长度：

L

1

—外壳上接头全长

L

2

一间隔筒长度

L

3

—轴套长度

L

4

—下轴节长度

上节：

确定和计算上节调

节环厚度C值：

1．装配前先测出下列长度：

B—弯接关有效平均长度 1．当下节涡轮下间隙为e＝按

L

5

—上联轴节长度 调节和装配的要求上节涡轮下

S—上、下联轴节装配间隙 间隙e

1

=e+l-1.5

L

6

、L

7

—轴头有关长度

2．计算下联轴节露出长度A值： 上联轴节锥面接触长度M： 2．计算C值：

A＝C十L

3

+L

4

—L

1

—L

2

2．计算P值：P=L

5

+L

6

-M C=B+B

1

+e

1

-Aˊ-S-Pˊ

3．装配后实测(轴在下部位置)Aˊ 3．上联轴节装后实测Pˊ

3．上节在实际装配中：

B

1

=(一个)

C

1

=(一个)

图3－10 复式弯涡轮间隙调节

五、正确使用涡轮钻具的条件

1、钻井液含砂量应小于2％，且无大颗粒岩屑和杂物。

2、井底无落物。

3、必须使用钻杆滤清器。

4、心轴在98.1～196.2N·m力矩作用下转动灵活、轻便。

5、新涡轮的轴向间隙不大于2mm；旧涡轮不大于5mm。轴向间隙的测量方

法：将吊起的涡轮钻具的轴压在转盘上，在轴露出短节处作一标记，然后上提涡

轮钻具使其悬空，再在轴露出短节处作第二个标记。两个标记之间的距离，即为

测量的轴向间隙。

6、涡轮钻具入井前，必须在井口试运转，检查能否容易启动和螺纹连接处

有无渗漏。先单泵启动，泵压不超过1.5～2MPa。单泵不能启动时，可用双泵启

动。仍不能启动时，可用转盘迫转5～10min，再行开泵。要求运转平稳，没有

跳动。停泵时，轴应逐渐减速直至停止转动。如遇突然停止，则说明轴承摩擦力

矩过大，必须重新进行试运转。

六、使用涡轮钻具的注意事项

l、涡轮钻具在井下往往需要强制启动，即反复加减钻压，甚至用转盘带动

钻具旋转。强制启动的时间不应超过20min，长时间强制启动容易损坏止推轴承。

2、开始钻进时，应以小钻压活动钻头2～3min，然后逐渐增加钻压。涡轮

钻具在最高机械钻速下的钻压为最合适的钻压。

3、定时或定进尺上提活动钻柱，防止钻柱粘附井壁。

4、钻压过大而使涡轮钻具制动时，应先停泵后上提钻具，然后逐渐将钻头

下放至井底，均匀加压。

5、钻进中需停泵时，停泵后应立即上提钻具10～12m，以防岩屑下沉而卡

住钻头或涡轮钻具。

6、涡轮钻具在井内需要停钻循环洗井时，应增加钻压使轴制动，防止因钻

头空钻造成钻头先期磨损或掉牙轮。

7、涡轮钻具不能长距离划眼。

七、涡轮钻具常见故障及排除方法（见表3－13）

表3－13 涡轮钻具钻进中常见故障及排除方法

常见故障 发生故障的原因

1．钻压过大，轴制动

2．钻头失效

3．止推轴承过度磨损导致定、转子端

面相碰

4．短节或转子螺母松动，导致轴功率

下降

5．排量减小或钻柱刺坏(从泵压表读

数判断)

6．轴承橡胶膨胀

1．止推轴承钻压面过度磨损

2．钻头牙轮卡死

3．钻头牙轮落井

4．井底有其他落物

1．钻柱被刺漏

2．钻柱折断或脱扣

1. 洗井液不清洁、钻具被堵

2．钻进过程中忽然停泵，井内岩屑下

沉使钻具被堵

排除故障的方法

减小钻压

更换钻头

更换阀轮钻具

起钻拧紧短节或更换涡

轮钻具

修泵或起钻检查钻柱

改善洗井液质量

更换涡轮钻具

更换钻头

打捞落物

起钻检查钻柱

打捞落鱼

打开又关上闸门反复多

次冲洗钻柱，经5－10min

冲洗无效则起钻检查

轴停止运转或

机械钻速忽然

降低

加不上钻压(即一加

钻压轴就制动)

泵压忽然急剧

下降

泵压急剧上升

八、标准、规范

SY/T 5401-91《涡轮钻具》。