螺杆钻具的使用(技术员培训)

螺杆钻具的认识和使用中原西南钻井分公司技术发展中心TechnologyDevelopmentCentre(EOTDC).Southwest.DrillingcompanyofZhongyuanPetroleumEngineeringCo.LtdSinopec螺杆钻具是以泥浆为动力的一种井下工具，其由传动轴总成、马达总成、万向轴总成、防掉总成和旁通阀总成五大部分组成.泥浆泵输出的泥浆，流经旁通阀进入马达.在马达进出口形成一定压差推动马达的转子旋转,并将扭矩和转速通过万向轴和传动轴传递给钻头。螺杆钻具的性能主要取决于马达总成。旁通阀总成马达总成万向轴总成传动轴总成防掉总成旁通阀总成：它主要由阀体、阀芯、阀套、弹簧、筛板、密封件、孔用挡圈组成。阀芯阀套筛板阀体隔板隔板密封件弹簧挡圈挡圈旁通阀总成：它有旁通和关闭两个位置，在起下钻作业过程中处于旁通位置，使钻柱中泥浆循环绕过不经过马达进入环空，这样起下钻时泥浆不溢于井台上。下钻时，环空中的泥浆液经阀口进入钻柱，减少钻柱内外的压力差。下钻时，环空中的泥浆液经阀口进入钻柱，减少钻柱内外的压力差。泥浆泥浆泥浆泥浆泥浆当泥浆流量和压力达到标准设定值时，阀芯下移，关闭旁通阀孔，此时泥浆流经马达，使其转变成机械能。当泥浆流量值过小或停泵时，所产生的压力不足以克服弹簧力和静摩擦力时，弹簧把阀芯顶起，旁通阀孔又处于开启位置。旁通阀不是螺杆钻具工作时的必须部件。在水平钻井中，为了防止停泵时环空钻井液内的岩屑从旁通阀的筛板进入马达往；或把旁通阀的弹簧取出来使旁通阀呈常闭状态而在直井段的钻柱上安装一个钻柱旁通阀，来代替螺杆钻具旁通阀的作用防掉接头防掉总成的组成：防掉锁母防掉连杆防掉接头防掉锁母防掉连杆防掉总成：泥浆泥浆它的作用是由于异常原因造成壳体断裂或脱扣时防止落井并同时使泵压升高使地面及时发现问题避免造成事故。马达总成：它由定子和转子组成。定子是在钢管内壁上压注橡胶衬套而成。橡胶内孔是具有一定几何参数的螺旋。转子是一根有镀铬硬层的螺杆。定子转子橡胶衬套定子壳体马达总成：定子转子转子与定子相互啮合，是用两者的导程差而形成的螺旋密封线，同时形成密封腔。随着转子在定子中的转动，密封腔沿着轴向移动，不断的生成与消失，完成其能量转换，这就是螺杆马达的基本工作原理。(转子和定子可以有不同的头数，一般来说转子头数为一的马达（单头马达）转速高、扭矩小；而转子头数大于1的马达（多头马达）转速低、扭矩大。为了只增加马达的流量而避免转速升的太高，有的螺杆钻具的转子做成中空形式，是马达达到中空分流能力。这种结构的优点是可增加螺杆钻具的流量，缺点是：会使马达特性变软，即在流量不变的前提下钻头的钻速将随钻压的增加而减小。螺杆钻具的马达可以具有不同的长度（不同的级数），以满足不同的使用要求。例如，加长马达具有很大的输出扭矩和功率，可以满足在长直井段快速钻进的需要；短马达使螺杆钻具整机长度缩短，可以满足提高造斜率的要求。)密封舱马达定子一个导程组成一个密封腔，也称为一级。每级额定工作压降为0.8Mpa,最大压降为额定工作压力的1.3倍，如四级马达，额定压降应为3.2Mpa,最大压降为4.2Mpa。压降超过此值马达就会产生泄漏，转速很快下降，严重时会完全停止转动，甚至造成马达损坏，用户应特别注意。为了确保马达的密封效果，转子与定子之间的配合尺寸与不同井深的温度有关,因此在选择钻具时应尽可能准确地提供给厂家钻具应用场所的井温情况，以便推荐使用松紧配合状态适合的马达。现场使用的泥浆流量应在推荐的范围之内,否则将影响马达效率，甚至马达磨损加快。马达的输出扭矩与马达的压降成正比，输出转速与输入泥浆量成正比，随着负载的增加，钻具的转速有所降低，因此在地面只要根据压力表控制压力，根据流量计控制泵的流量，就可以控制井下钻具的扭矩和转速。定子转子密封舱马达转子的螺旋线有单头和多头之分（定子的螺旋线头数比转子多1）。转子的头数越少，转速越高，扭矩越小;头数越多，转速越低，扭矩越大。我公司可根据用户需求，制造转子头数与定子头数比为1：2、3：4、5：6、7：8、9：10的马达，下图是几种典型马达配合的截面轮廊：1:23:45:67:89:10此马达的总流量应等于流经马达密封腔流量和流经转子喷嘴流量的总和，每种规格的马达都有其推荐的最大和最小流量值。如果流量过大，转子会超速运转，定子和转子会出现提前损坏，如果流量过小，马达将停止转动。因此在选择转子喷嘴尺寸时，应确保马达密封腔流量始终保持或高于最小推荐流量值，这样才能使马达正常运转。在泥浆密度、喷嘴尺寸和马达流量为定量时，流经转子喷嘴的流量和流经马达密封腔的流量总是随负载变化而变化的。钻头离开井底，马达负载近似为零，此时流经转子喷嘴流量最小，而流经马达密封腔的流量最大。钻头钻进，使马达压差不断增加，使流经转子喷嘴流量增加，而此时流经马达密封腔流量减少。中空转子中空转子马达：为了增加钻头的水马力和泥浆的上返速度，将转子加工成为带喷嘴的中空转子。万向轴总成：万向轴的作用是将马达的行星运动转变为传动轴的定轴转动，将马达产生的扭矩及转速传递给传动轴至钻头。万向轴大多采用瓣形，也有采用挠轴形式的。立林钻具的瓣型万向轴采用数控切割技术制成，切口平行度高，粗糙度可达6.3且不破坏金属化学成分，因此使用寿命高、机械损失小。球传动万向轴采用球、杆、绞连接方式传递扭矩，用高温润滑脂润滑摩擦副，橡胶套密封钢球运动部分，隔离含磨砺性钻井液，球传动万向轴工作面均进行特殊表面处理，使其表面硬度、抗高温性相对提高；因此耐磨性、可靠性得到进一步提高，工作寿命相应延长。花瓣型万向轴总成球传动万向轴总成球传动万向轴总成的组成：传动球承压球球座锁紧套连杆活绞密封套可调弯壳体的组成:上壳体下壳体定位套弯接头可调弯壳体:可调弯壳体可调角度范围有0°-2°、0°-3°、0°-4°.可调弯壳体1.5°0°上壳体下壳体定位套传动轴总成：传动轴的作用是将马达的旋转动力传递给钻头，同时承受钻压所产生的轴向和径向负荷。我公司制造的钻具传动轴总成有两种结构：一、钻头水眼压降为7.0Mpa，采用硬质合金径向轴承和中间有一组推力轴承的传动轴总成（如下图）：二、钻头水眼压降为14.0Mpa，采用硬质合金径向轴承和金刚石复合片（PDC）的平面止推轴承，其寿命更长、承载能力更高。a.7.0MPa传动轴总成b.14.0MPa传动轴总成传动轴总成的组成：壳体下TC动套下TC静套锁母上TC静套上TC动套串轴承隔套水帽传动轴键传动轴总成的组装：为了适应钻井的需要,螺杆钻具的传动轴总成的外壳上配有不同种类的稳定器有固定式的和可换套式的,稳定器的扶正条形式多种多样，用户可根据钻井工艺的需要选择使用。（见下图）直棱稳定器三瓣偏心稳定器三瓣、五瓣螺旋稳定器三瓣、五瓣球型稳定器可换套式的稳定器：可换稳定器套筒壳体本体螺杆钻具的种类1、低速大扭矩螺杆钻具:这种螺杆钻具的低速大扭矩特性将很好地配合牙轮钻头和PDC钻头的改进、能够有效地延长钻头的使用寿命和增加机械钻速。可通过多种结构来实现，其中典型的结构有3种：①加长马达，也称多级马达。就是把动力段加长，使马达的输出扭矩增加。。②串联多级马达（DPS-PDM）。串联马达的动力段总成增加了一节动力段，中间用一钛挠性轴相连，使马达输出的扭矩和功率增加。③多头螺杆，由单头螺杆与行星齿轮减速器和支撑节组成，在保持高的马达效率的同时，实现低速大扭矩。2、中空转子马达大斜度井和水平井需要大排量洗井以利于清砂，实心转子马达额定排量小，中空转子的额定排量可以提高20%以上。中空螺杆带有稳流阀，特别设计的稳流阀改善了普通中空螺杆钻具过载时严重丢转的问题，提高了钻具的抗过载能力和水功率利用率。3、等壁厚螺杆钻具橡胶衬套厚薄不均，螺杆钻具定子在工作时，容易导致定子过早失效，从而缩短了螺杆钻具的使用寿命，通过合理改变定子壳体的形状，使定子橡胶层薄且均匀，以克服常规螺杆钻具定子技术的不足，能有效地改善螺杆钻具的工作环境，提高其使用寿命。与常规螺杆钻具相比，等壁厚螺杆钻具的泵体短、扭矩小、易于洗井。该型钻具具有以下优点：散热效率提高、橡胶溶胀、热胀均匀、适应范围更广、结构更加优化、整体质量更轻。4、导向钻井系统用螺杆钻具导向钻井系统所用井下马达主要有带衬垫的弯外壳螺杆钻具、双倾万向螺杆（DTU）等，这些马达与随钻测量系统（MWD）、聚晶金刚石钻头配合在一起，进行长时间地钻井并实时收集井下情况，保证井眼沿设计轨道钻到目的层。5、开环/闭环系统中用定向螺杆钻具国外出现了井下可调螺杆钻具，井下调螺杆钻具的应用分两种类型，一是地面遥控可调角度型，另一种是井下自动调整系统。贝克休斯公司成功开发的AutoTrak旋转闭环钻井系统采用在井下马达上安装导向肋与近钻头MWD相配合实现导向功能，与可调弯壳体配套出现了可换扶正器的螺杆钻具，使扶正器的形状、尺寸可以根据钻井需要在井口改变，也有在井下可调尺寸的扶正器。6、直井钻进用螺杆钻具专门用于直井钻进的螺杆钻具与近钻头MWD、PDC钻头组合在一起在提高钻进速度的同时能够很好的纠斜和避免井下事故的发生。7、取芯用螺杆钻具螺杆钻具专门用于地质勘探钻井的取芯作业。大港油田中成公司生产的螺杆钻具在中国大陆科钻1井中应用于“绳索取芯+螺杆马达+液动锤三合一”取芯技术中，取得了良好的效果。8、空气螺杆钻具空气螺杆钻具是专为空气钻井设计的一种马达。还有抗高温螺杆、油基螺杆等特殊螺杆。按螺杆马达的结构特征分类：a)按螺杆马达转子端面线型的“头数‘’N(Lobe，又称波瓣数)，可分为单头钻具和多头钻具(N大于等于2)。单头马达具有高转速、小扭矩特性。多头马达具有低转速、大扭矩特性。b)按马达转子与定子头数的关系进行分类。原理上讲，只要二者头数相差1均可构成螺杆马达，可分为N/(N+1)型N/(N一1)型两种。目前普遍采用N/（N+1）型螺杆钻具。c）按马达“级数“进行分类。螺杆马达的定子一转子运动副的长度与定子导程长度的比值，即定子一转子运动副所包含的定子导程的整倍数，称为螺杆马达的级数(Stage)。实际用于钻井作业的螺杆钻具马达，单头的多在3级以上，多头的多在2级以上。级数越多，马达可输出的工作力矩值越大。1、螺杆本体越大，刚性强造斜要更好2、螺杆本体越长能量转换越多井下也越有劲3、头数越多寿命越短螺杆钻具型号说明：例：5LZ165×7.0L：表示为转子头数与定子头数比为5﹕6的、外径为165mm螺杆钻具，钻头水眼压降为7.0Mpa,L(立林)。9LZ172X7IV-F：表示为外径172mm，转子有9个头，钻头水眼压降7MPa，经过了4次改进，中空分流。5LZ172X7V-DW：螺杆外径172mm，转子有5个头，钻头水眼压降7MPa，经过了5次改进，单(D)弯而且弯点下有稳(W)定器。螺杆上标注：9.5/8“ERTMOTOR6/7LOBES3.5STAGE0.12REV/GAL表示螺杆直径9寸5，螺杆马达6-7头即转子是六头，定子是7头；级数是3.5级；一加仑排量转0.12圈即若排量是44L/S（约600加仑/分钟（GPM））则马达转速就是600×0.12=72转/分钟各个厂家的命名方式不一样，以上仅供参考（D：单弯（弯接头或弯壳体）P：大偏移距同向双弯T：同向双弯S：异向双弯K：可调弯壳体，省略：直钻具；C:长马达；D：短马达，K：空气或泡沫马达；G：耐温150℃，G2：耐温210℃，省略：耐温120℃F：中空；省略：非中空；W：带稳定器；省略：不带稳定器）螺杆钻具的级数：马达定子一个导程组成一个密封腔，也称为一级。从转子的某个位置开始，到这个位置旋转360度后的长度称之为一个“级”的长度，如图即转子每一棱（或头）沿着转子所转的圈数，即为螺杆的级数，级数越高，功率越大，扭矩也越大，螺杆常用的级数为2-6级。每级额定工作压降为0.8MPa，最大压降为额定工作压力的1.3倍。一般用的是5头。额定工作压降为4MPa，最大压降为5.2MPa。螺杆钻具的两个主要的参数：一是输出压力：由级数决定，级数越多，输出压力越大，如一级的压力为0.8MPa，