螺杆钻具工作原理及结构

第三节螺杆钻具工作原理及结构螺杆钻具的工作原理螺杆钻具是一种把液体的压力能转换为机械能的能量转换装置。当高压液体进入钻具时，迫使转子在定子中滚动，马达产生的扭矩和转速通过万向轴传递到传动轴和钻头上，达到钻井的目的。螺杆钻具作为井底动力钻具，有许多突出的优点：1．增加了钻头扭矩和功率，因而提高了进尺率。2．减少了钻杆和套管的磨损和损坏。3．可准确地进行定向、造斜、纠偏。4．在水平井、丛式井及修井作业中，可显著提高钻井经济效益。5．由于结构的先进，提高了钻具的寿命，可用于延深钻井或直井钻进。螺杆钻具的结构及其作用DT螺杆钻具主要由以下几部分组成：※旁通阀总成※马达总成※万向轴总成※传动轴总成※导向总成（导向钻具专有部件）1．旁通阀总成（见图1）旁通阀设置在马达的上部，它由阀体、阀芯、阀座、弹簧、滤套等组成，其功用如下：a．下钻时，井眼中的钻井液由旁通阀引入钻杆柱内，减小下钻过程的阻力，平衡钻杆内外液柱压力。b．起钻时，钻井液由钻杆柱内经旁通阀侧孔流入环空，不致使钻井液溢于井台。c．钻具工作时，高压钻井液流经旁通阀，推动阀芯，压缩弹簧，关闭旁通阀侧孔，所有钻井液流经马达，把压力能转换为机械能。正常情况下，旁通阀的开关由钻井液流量及压力大小来控制。2．马达总成（见图2、图3）马达是由转子和定子两部分组成的，图3为钻具马达截面轮廓。转子是一根经过特殊加工和处理，具有抗腐蚀、耐磨损的左旋螺杆。定子是一根内衬橡胶的钢管，定子内孔也呈螺旋形，转子与定子组装好后沿着它们的接触点形成一系列连续的、共轭的、啮合密封腔，在具有压力能的液体作用下，随着密封腔的形成、变化和消失，迫使转子在定子中作连续运动。每套螺杆钻具的马达为多级，马达中的一个定子导程组成的密封腔为一级，每一级的许用压降一般不超过0.8MPa，否则，马达就要产生漏损，降低转速。为保证马达密封腔的密封，以承受一定的压降，转、定子都需经过选配测试以确保为轻微过盈配合，同时，由于井温对定子橡胶的影响，用户可根据实际的井温向厂家反映，以达到合适的马达配合要求，从而使马达发挥最大的功率和效率。每种马达都对应一定范围的额定排量，不按此排量使用，将加速钻具的磨损，也不能有效的工作。此外，5LZ165×7II—F型马达转子为中空，可根据钻井工艺要求选择喷嘴，以调节钻井液排量，更好的满足钻井工艺的需要。3．万向轴总成（见图4、图5）万向轴总成的作用是将马达的偏心运动变换为传动轴的定轴旋转，同时传递扭矩给传动轴，以达到钻井的目的。我厂生产的螺杆钻具有挠式万向轴（见图4）和花瓣万向轴（见图5）两种结构。挠式万向轴是专为超短型钻具而设置，该型钻具特点是：长度短、运转平稳、利于造斜。由于本厂独特的结构型式，从而使钻具具有较高的寿命。花瓣万向轴更适于配中空可调排量转子以满足大流量钻井液钻井的需要。4．传动轴总成（见图6）传动轴总成的作用是将马达的旋转扭矩传递给钻头，同时承受钻压所产生的轴向和径向负荷。传动轴总成的设计既要考虑到转动的灵活和平稳，同时根据钻压、钻井液的性质及钻头的侧面载荷、转速、钻头水眼压降来设计，因此设计为组合推力轴承和径向滑动轴承共同作用的型式。a．组合推力轴承：用以承受工作状态时的钻压，马达、钻头水眼压降产生的轴向力及转子、万向轴、传动轴、钻头重量等各轴向力的合力。b．径向滑动轴承：它分为上、下两组，主要作用是承受转子作行星运动引起的弯曲载荷和钻头转动时产生的侧向力，上径向轴承对钻井液起限流作用，它允许马达流出钻井液的5～10％通过轴承组件，起着冷却和润滑轴承的作用。旁通阀上端内螺纹和传动轴下端内螺纹均符合API规范。用户若有特殊要求，可订货时提出。5．导向总成（见图7）导向钻具有单弯钻具和双弯钻具两种。导向单弯钻具，是在马达下部设置一带角度的短节，从而使弯曲点尽可能靠近钻头，提高造斜率。导向双弯钻具，是在单弯钻具的基础上增加一弯接头，以提高造斜性能，根据其弯曲方向、度数及联接部位可有多种组合方式。同时，我厂也可根据用户需要生产地面可调角度导向钻具。由于我厂导向单弯钻具采用了独特的结构型式，提高了钻具寿命和造斜性能，因此，更适于定向井及水平井钻井作业。DT钻具规格及技术参数（附录四）DT钻具标牌说明例：（1）外径165mm、5/6瓣比液马达、钻头水眼压力降7MPa、经过第三次改进的直型螺杆钻具应表示为：5LZ165×7Ⅲ。（2）外径172mm、5/6瓣比液马达、大偏移同向双弯、弯点下带稳定器、钻具允许最高工作温度150℃、钻头水眼压力降7MPa的弯壳体螺杆钻具应表示为：5LZ172×7—PWG。六、大港—钻具的使用方法大港一钻具除提升短节和旁通阀外，其他部分的壳体联接均涂以锁紧剂，并按API标准紧扣扭矩上紧。在选择钻具及其组合方案时，应制订钻井作业计划，充分考虑井眼孔径、井眼轨道、钻头类型、规格、地层结构和水力计算等细节。1.地面检查钻具下井前，应在钻台上按下述方法进行试验。a.用提升短节将钻具提起坐入转盘卡瓦内，装上安全卡瓦卸去提升短节。b.检查旁通阀：用木棒下压旁通阀阀芯，从上部注满水，此时旁通阀应不漏，水面无明显下降。然后松开阀芯，阀芯复位，所注水应从旁通阀口均匀流出。c.接上方钻杆，卸去安全卡瓦，提出卡瓦，下放钻具使旁通阀阀口处于转盘下易于观察的位置。d.开泵：逐渐提高排量直到旁通阀关闭、马达起动为止（记下该排量值）。不停泵上提钻具至能看见转动的驱动接头为止。在此过程中可能有部分泥浆经轴承组流出，观察钻具运转情况。停泵前应再下放钻具，让旁通阀阀口位于转盘以下，检查停泵时是否泥浆经旁通阀阀口顺利流出。e.地面检查结束后，用吊钳卡住扭动摇头，用钻头盒把钻头和钻具接上（大钳只可咬在旋转传动轮驱动接头上），紧扣扭矩见附录6。（注：应保证传动轮驱动接头相对于上面的壳体反时针转动，以防止内部螺纹松扣。）使用弯摇头时，定向装置带的转盘套和定位键必须和工具面对正，如果要用回压凡尔，可直接安装在旁通阀上方。如果在驱动接头和钻头之间还要加转换接头，建议不应超过250mm长，以免产生过多的方位变化，以及会降低轴承寿命或损坏传动轴。2.钻具下井：a.下放钻具及其组合应小心地控制下放速度，以防撞到沙林、井壁台肩和套管鞋上使钻具损坏。下钻遇阻，应开泵循环，慢慢划眼通过。若带有弯接头或弯壳体的钻具遇阻时应周期性地转动钻具组合，慢慢通过，以防止划出新井眼。b.对于深升和高温升，下放钻具建议周期性地进行中途循环，这样可防止钻具堵塞，或因高温造成的钻具定子损坏。c.在井内，泥浆若不能迅速通过旁通阀阀口流进钻柱中，应减慢下钻速度或不时停下来充灌泥浆。下钻时，注意不可顿钻或将钻具直接坐入井底。3.启动a.钻具达到预先计划的井深位置，可以开采循环，由于钻头侧向力的影响，压力值可能超过计算值。b.定向前应充分清洗井底，清除井底岩屑沉淀或堆积，消除循环不彻底对定向的影响。具体方法是以正常的泥浆循环慢慢转动钻具（每次转30°－45°）依次把堆积井底岩屑和沉砂清出，清理干净后，上提钻具0.3－0.6m循环并记录，校对压力值。4.钻进a.钻具悬离井底进行空循环时，立管压力在所显示的是整个系统的空载循环泵压，也称离井底泵压。容积式马达特性之一，马达所产生的扭矩与两端所产生的压力降成正比，和整个系统压力变化成正比。钻头钻进时，随着钻压升高，工作扭矩的加大，马达两端的压力降也成正比例增加。循环系统的压力表反应出该压力的的增值。通过监视地面立管压力表，便可以判断钻具压力和扭矩的变化（钻杆与井壁的磨擦可能会影响判断精度）。在充分考虑钻头水眼压降和钻压的关系后，把表压增值限制在所选钻具推荐值范围内就会产生最佳效能。工作打钻泵压＝离井底泵压＋钻具负载压力降离井底泵压不是一个常数，它随井深和泥浆的变化而变化，在实际操作中，一般取每次单根后的离井底泵压为近似值，这样做完全可以满足要求，当泵压处于最佳工作状态时，停止增加钻压，泵压会产生波动稳定下降，直到再次调整钻压。b.施加钻压不要太猛，钻压不是监视钻具工作的指标，只是作为参考指标，判断钻具工作情况的主要依据应该是泵压。判断钻具工作情况的主要依据应该是泵压。对于发生较大磨损的马达，还应以进尺速度为依据。5.起钻钻具起钻过程类似常规钻机起钻操作。起钻时，旁通阀处于开位，允许钻柱中的泥浆汇入环空。但钻具本身不能快速地排除泥浆，通常在起钻前柱上部注入一段加重泥浆，使钻杆内的泥浆顺利排出。6.现场维护保养a.卸下旁通阀以上各件，用清水冲洗旁通阀，同时上、下移动阀芯调整使其移动无阻，清洗完毕，拧上提升短节。b.将钻头座入钻头盒中，用大钳夹紧钻具，反时针旋转钻头，空出钻具中剩余泥浆（泥浆由旁通阀阀口流出），然后卸去钻头。c.从传动轴驱动接头中冲洗钻具，将转动轴上部水帽及轴承清洗干净，然后平放钻具，正常维护保养后待用。若暂停使用或长时间搁置不用，建议向钻具内注入少量的矿物油防锈蚀（注意，不允许加入柴油）。七、故障分析与排除注意观察泥浆压力的变化，可发现和判断钻进过程中出现的许多问题。正确分析和采取适当的措施，往往可节省起、下钻所耗费的时间和费用。列举以下几种情况，供大家参考。1.钻具离井底情况：（1）循环压力低于计算值这种情况通常是因为旁通阀打开关不上，钻柱刺坏形成循环短路或出现井漏，解决方法一般是起钻检修。（2）循环压力高于计算值原因可能是钻具或钻头堵塞，传动轴轴承受卡或损坏，井眼过小或弯接头角度过大；使钻头侧向力增大引起的，典型情况有：①无循环，检查整个循环系统。②部分循环，可能是钻头堵塞或钻头侧向力过大。③完全循环，一般认为钻具负载太大，工作扭矩大于该钻具尺寸下的推荐值。采取的措施包括：a.稍许起钻，减少钻压b.改变循环排量，判断是否是钻具或钻头堵塞c.短时间内交替开或停泥浆泵，以降低泵压d.如钻具组合装有弯接头或弯壳体，应将方钻杆稍向下送进，使钻具在弯曲井眼中放松，以减少侧向力2.钻具坐井底情况（1）循环压力低于计算值：可能是由于旁通阀打开关不上，钻柱刺坏或出现升温，也可能是由于钻具马达定传之间的密封不良引起的，后一种情况可通过检测钻具制动点的方法判断，具体方法与步骤如下：a.将钻具提高井底0.3－0.5m并开泵b.记下泵的排量,核准输入钻具的泥浆排量是否符合要求c.记下钻具提离井底时的空循环压力值d.缓慢将钻头坐入井底，逐渐地施加钻压e.泵压逐渐上升，达到推荐值，此时钻具获得最佳功率值，随钻压不断增加，所需的工作担任最终将超出钻具能提供的功率值，钻具产生制动。此时无论怎样地续增加钻压，泵压不会再增加，该值即为制动时压力降。f.多数情况下，钻具制动点的压力降应是推荐工作压力的2倍，如果制动压力降过长较低，轻意制动，这说明马达已不能继续使用，应予以更换。（注：这种试验只能偶尔进行，而且应尽可能的快，以防高压泥浆长时间流过不转的马达刺坏定子。）（2）循环压力高于计算值通常是钻具式钻头堵塞，轴承卡住或损坏，或由于施加钻压过大而引起的。处理办法：a.减少钻压b.停泵c.将钻头提离井底如压力还是降不下来，说明钻具或钻头已经堵塞。八、大港—钻具的发展状况螺杆钻具是一种发展较快的井下动力钻具，随着钻井和定向钻井市场的需要，我厂由原只生产直型钻具和带弯接头的导向钻具，发展到今天可生产各种组合的导向钻具。不仅满足了钻井打普通定向井的需要，而且，适合于打各类中、长、短水平井的需要，并伴随开发了DTU、DKO、AKO、FAB四种类型的钻具组合，这些钻具组合的特点：1.DTU组合是在螺杆钻具的万向轴（或挠性轴）部分装有反向双弯的外壳。由于是反向双弯，故钻头的偏移距较小，这种组合可以开动转盘（低速）实现稳斜及水平段钻进。这种组合既可用来打长曲率半径的造斜段，也可用来打6°－10°／30m造斜率的中曲率半径的造斜段，还可用来打稳斜段及水平段。它由MWD、DTU马达及高效钻头组成导向钻井系统的硬件部分，可以实现井眼轨迹的连续控制。如图8。2.DKO组合是在螺杆钻具的万向轴（或挠性轴）部分装有同向双弯外壳，这种组合的功能基本与DTU相同，但由于双弯同向钻头偏移距稍大，可以有较大的造斜能力。如图9。3.AKO组合是在螺杆钻具的万