螺杆马达部分

井下千米定向钻进装备与工艺螺杆马达部分煤炭科学研究总院西安研究院研发中心2020年2月24日煤炭科学研究总院西安研究院培训提纲3螺杆马达结构原理4螺杆马达定向成孔工艺5螺杆马达定向钻进试验1国内研究应用现状2螺杆马达与稳定组合钻具优缺点对比6螺杆马达使用注意事项7螺杆马达故障分析煤科院西安研究院率先用螺杆马达组合进行煤矿井下近水平定向孔施工，在大同局四台矿用于探测地质异常体，孔深达302.5m亚美大宁、寺河、白芨沟等矿先后引进澳大利亚VLD定向钻机和螺杆马达配套机具，在国外专家指导下，于2005年和2007年分别施工超过1000m主孔的定向孔两个，孔深为1005m和1023m，并在主孔中进行多个分支钻孔施工煤科院西安研究院承担国家级两大井下定向钻进项目，2008年5月现场试验阶段应用螺杆马达配套机具和随钻测量系统，完成了目前为止国内最深的1046m近水平受控定向钻孔，并侧钻进行多个定向分支孔，真正实现了国产近水平钻进技术和设备机具的配套先后引进9套千米钻机和螺杆马达配套机具用于井下近水平孔定向施工，最深钻孔仅432.15m，孔径96mm90年代中期90年代初期2003年起2005年起90年代中期1国内研究应用现状（1）上仰组合钻具结构图（2）保直组合钻具结构图（3）下斜组合钻具结构图稳定组合钻具结构示意图2螺杆马达与稳定组合钻具优缺点对比主要由钻杆(普通钻杆、细钻杆、加重钻杆)、钻头(造斜钻头、稳斜钻头、阶梯钻头)和稳定器组成不同定向效果的稳定器结构:螺杆马达组合结构示意图测斜仪无磁钻杆旁通阀马达万向轴传动轴钻头名称稳定组合钻具螺杆马达优点成本低、结构简单、易于操作、对冲洗液性能要求较低对倾角、方位角均能调节、实时随钻测量精确高、定向效果好、对设备能力要求较低缺点不能控制钻孔方位角，倾角只能在一定范围内调节，对设备机具能力要求较高、钻工劳动强度相对较大结构较为复杂、价格相对昂贵、对钻工整体素质要求较高应用范畴定向精度要求不高的较稳定地层较大口径长钻孔定向精度较高的较稳定地层瓦斯抽采长钻孔、地质异常条件探测钻孔优缺点对比:3螺杆马达结构原理螺杆马达分类3.13.2螺杆马达结构组成3.3螺杆马达特性分析3.4螺杆马达工作原理螺杆马达性能测试3.53.1螺杆马达分类按结构特征分类按马达转子端面线型的“头”数分类，螺杆马达可分为单头和多头螺杆马达。多头具有低转速、大扭矩特征。按马达转子与定子头数的关系分类，目前井下常用的为3/4、4/5、5/6等型螺杆马达。按马达的“级”数即定子—转子运动副所包含的定子导程的正倍数进行分类，单头多在3级以上，多头多在2级以上。级数越多，马达可输出的工作力矩值越大。3.1螺杆马达分类此分类方法便于设计制造部门和使用者根据钻孔外径要求选择相应直径的螺杆马达，煤矿井下常用的小口径螺杆马达主要有φ95（33/4）、φ89（31/2）、φ73（27/8）和φ54（21/8）等。按公称直径分类按万向轴壳体结构分类可分为直螺杆马达（无结构弯角）和弯壳体螺杆马达（带结构弯角），直螺杆马达上方加配弯接头主要用于常规定向钻孔，弯壳体螺杆马达主要用于近水平孔、多分支孔、大位移孔等施工。进口φ73螺杆钻具按不同分类方式的主要技术参数表外径mm钻头尺寸mm头数级数长度m排量lpm转速rpm上紧扭矩Nm输出扭矩Nm最大过载拉力kN最大钻压kN7382-1145:633.2113-350140-375162025789273.1螺杆马达分类螺杆马达是一种把液体的压力能转换为机械能的能量容积式正排量动力转换装置，主要由旁通阀总成、螺杆马达（定子、转子）总成、万向轴总成、传动轴总成四大部分组成。采用螺杆马达进行钻进，不需要钻杆旋转，泥浆泵输出冲洗液经旁通阀（或代用接头）进入螺杆马达，在马达进出口形成一定压差，推动马达转子旋转，通过万向轴和传动轴将转速和扭矩传递给钻头，从而达到碎岩的目的。3.2螺杆马达工作原理3.3螺杆马达结构组成螺杆马达结构特征示意图旁通阀在马达的上端，是螺杆马达的辅助部分，有旁通和关闭两个位置。其作用是在起下钻（停泵）时处于旁通位置，由旁通口提供钻柱内外冲洗液的通道，使钻柱中冲洗液不经过马达直接流入环空；当冲洗液流量和压力达到标准设定值时，阀芯下移，旁通口关闭，压力冲洗液全部进入马达，把压力能转化为机械能而正常工作。煤矿井下近水平钻进时，常用代用接头代替旁通阀。冲洗液冲洗液3.3.1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3.3.1旁通阀总成防掉接头防掉锁母防掉连杆泥浆泥浆它的作用是防止螺杆由于异常原因造成壳体断裂或脱扣避免落井事故,同时使泵压升高,使地面发现问题及时起钻。3.3.2防掉总成防掉接头防掉锁母防掉连杆3.3.2防掉总成由定子和转子组成。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3.3.3马达总成螺杆马达的基本工作原理：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。定子转子密封舱3.3.3马达总成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1.13倍，如四级马达，额定压降应为3.2Mpa,最大压降为4.52Mpa。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。马达的输出扭矩M与马达的压降△P成正比，输出转速n与输入泥浆量Q成正比，随着负载的增加，钻具的转速有所降低，因此在孔口只要根据压力表控制压力，根据表盘控制泵的流量，就可以控制孔内钻具的扭矩M和转速n。定子转子密封舱3.3.3马达总成马达转子的螺旋线有单头和多头之分（定子头数比转子多一头）。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。常用的转子头数与定子头数比为3：4、5：6、7：8的马达，其马达配合的截面轮廊为：3:45:67:83.3.3马达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。万向轴大多采用瓣形和球形。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，工作面均进行特殊表面处理并用橡胶套密封钢球运动部分，内部注入润滑脂来润滑摩擦副，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3.3.4万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煤矿用可调弯壳体可调角度范围一般为0°-3°。可调弯壳体1.5°0°上壳体下壳体定位套可调弯壳体的调整：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。较小口径定向钻进常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。传动轴总成3.3.5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：螺杆马达型号说明：例：5LZ73×7.0-Ⅱ表示螺杆马达转子头数与定子头数比5﹕6、外径73mm，钻头水眼压降7.0Mpa，为第二次改进产品。理论特性曲线示意图可知：理论转矩M与马达进出口间的压差△P成正比；理论转速n与通过的流量Q成正比而与钻压无关。3.4螺杆马达特性分析0N⊿pηnMη,M,n,N实际特性曲线示意图可知：通过控制泥浆泵的排量Q和泵压P可控制螺杆马达的输出转速n和扭矩M3.4螺杆马达特性分析n0⊿pNηη,M,n,NM3.5螺杆马达性能测试水便钻机钻杆螺杆钻具测功议泥浆泵水池带孔接头万向节测试仪测控室隔水器测试试验机具连接布置示意图3.5螺杆马达性能测试测试试验现场0501001502002503003500100200300扭矩（Nm）转速（r/min)118(L/min)165(L/min)230(L/min)00.511.522.533.544.550100200300扭矩（Nm）泵压（MPa）118(L/min)165(L/min)230(L/min)进口73mm螺杆马达转速、泵压与扭矩变化趋势图3.5螺杆马达性能测试两种类型螺杆马达性能对比类型优点缺点国产73mm螺杆马达低转速、大扭矩，适应于较深孔和相对复杂地层定向钻孔施工启动泵量、泵压较高，马达发热较为严重进口73mm螺杆马达启动泵量、泵压较低，工作性能稳定，便于操作掌控，适用于一般定向钻孔施工排量范围较小、转速较高、输出扭矩较低，较深钻孔时钻具性能可能会受限3.5螺杆马达性能测试4螺杆马达定向成孔工艺主孔成孔工艺4.1分支孔成孔工艺4.24.1主孔成孔工艺主孔成孔工艺成孔工艺原理定向方法工艺流程钻进工艺参数定向成孔工艺原理：用螺杆马达进行煤矿井下近水平定向钻进时，通过选用或调节0-3°不同的定向弯外管，可达到不同的定向效果。根据设计钻孔轨迹，在钻孔施工过程中，通过随钻测斜数据来调整弯外管的工具面向角，从而使钻孔的倾角和方位基本达到预定目标。螺杆马达能够定向钻进基于三个缘由：1）钻头回转碎岩而钻杆柱不回转；2）可连接不同定向弯外管；3）可随钻进行倾角和方位角测量。定向方法：1）人工定向：利用全液压坑道钻机卡盘、夹持器的联动功能进行人工定向2）随钻测量系统定向：根据设计钻孔的轨迹状况，如用可调弯外管的螺杆马达，先在孔口调整弯外管度数，使其弯头朝上，规定为0°。当使用随钻测斜仪时，为避免磁场干扰，应在螺杆马达后面分别连接下无磁钻杆、测斜仪（其外管也为无磁钻杆）、上无磁钻杆。钻进过程中，根据钻孔轨迹与设计轨迹的偏斜状况，采用调整工具面向角进行控制，而不用起下钻变更钻具组合。工具面向角对倾角的影响工具面向角对钻孔轨迹的影响：工具面向角对方位的影响工具面向角对钻孔轨迹的影响：工艺流程：Y螺杆马达测试安装螺杆马达设计定向钻孔定向钻进是否偏离设计轨迹准备配套机具调整工具面向角终孔定向钻进调整弯外管弯角N钻孔测量螺杆马达定向钻进工艺流程钻进工艺参数：主要包括泵量和泵压。通过调节泵量可控制钻头的转速；泵压可作为孔底工况的监视器，来反映扭矩的大小，即钻压的相对大小。4.2分支孔成孔工艺分支孔重入技术分支孔侧钻开分支孔技术侧钻开分支孔技术：根据开分支孔的发展过程可分为：1）打水泥塞侧钻2）可回收式裸眼封隔器/斜向器侧钻3）悬空侧钻打水泥塞侧钻：施工工艺为：在钻每一个分支孔前，在主水平孔相应位置打一个一定长度（一般大于10m）的水泥塞，候凝48小时；修塞，将水泥塞顶面修至侧钻点；下入由带单弯外管螺杆组成的导向钻具进行定向钻进，直到开出新的分支孔；钻完一个分支后，将水泥塞钻掉；重复上述步骤，钻另一分支孔。采用此技术，由于分支孔侧钻时需多次在主孔中进行打塞和钻塞施工作业，施工程序十分复杂，如今已有被逐渐取代的趋势。可回收式裸眼封隔器/斜向器侧钻：此种方法成功率较高，但施工程序较多，需要特殊的工具。根据煤矿钻孔施工特点，目前井下分支钻孔施工一般不采用此项技术。悬空侧钻：悬空侧钻施工工序最为简单，直接将由单弯螺杆钻具组合组成的导向钻具下至预开分支点以上3m处，根据要求调整好工具面向角，以滑动方式缓慢钻进，直到开出新的分支孔。采用此技术进行侧钻开各分支孔，施工工艺简单，易于实现，是目前最为常用的开分支孔方法。分支孔重入技术：目的：携带分支孔岩粉，提高瓦斯抽放量和抽放效率。方法：利用侧钻点位置固定的特点，先下螺杆马达至欲下入的侧钻点处，调整好工具面向角，缓慢钻进并随钻测量，直至下入分支孔。室内模拟试验5.1现场工业性试验5.2定向效果分析5.35螺杆马达定向钻进试验5.1室内模拟试验室内模拟试验试验目的试验状况工艺参数试验结论螺杆钻具和钻头下无磁钻杆送水器上无磁钻杆通缆式钻杆测量探管监视器高压送水胶管通讯电缆模拟试验随钻测量系统连接示意图5