井下工具方向教案井下动力钻具

井下动力钻具在提高机械钻速、增加单只钻头进尺、减少每米钻井成本、实现井身轨迹定向控制和快速准确中靶以及确保井身质量和钻井安全性等方面，与传统的转盘钻井相比，具有极大的优越性。目前，国内外开发和利用的井下动力钻具主要有三种，一是容积式螺杆钻具，二是叶片式涡轮钻具，三是电动钻具。§5井下动力钻具一、概述1）螺杆钻具螺杆钻具又称定排量马达，使一种容积式井下动力钻具（如图），是目前最广泛使用的一种井下动力钻具，主要用于定向井、水平井的造斜及扭方位施工，一部分也用于直井反扣或侧钻作业中。美国50年代中期开始研制螺杆钻具，1962年用于生产，主要生产的有迪纳钻具(Smith公司)、纳维钻具(Christensen公司)和波斯钻具，其基本原理都是基于容积式马达，只是内部结构和技术参数略有不同。我国的螺杆钻具生产在80年代中后期才形成一定规模，目前，常规螺杆钻具已规格化系列化，各主要厂家如大港、北京、德州、潍坊的产品已覆盖国内绝大部分市场。2）涡轮钻具涡轮钻具与电动钻具相比，输出性能柔和，转速稍低(约800r/min)，无特殊的绝缘和密封要求，制造精度容易保证，使用操作相对简单，因而受到油田井队的欢迎。特别是复式涡轮钻具的出现，以及后来的带独立支承节涡轮钻具定型产品的推广，使机械钻速和每米钻井成本等技术经济指标大大超过了电动钻具。但是，随着密封牙轮钻头的发展和喷射钻井技术水平的提高，涡轮钻具暴露出了如下四大致命弱点：（1）输出转速高，超过了牙轮钻头的最佳额定工作转速范围(100~270r/min)。（2）压力降消耗大(为6.0~8.0MPa)，降低了钻头的水马力，影响了井底清洗和钻头破岩效率，无法保证牙轮钻头喷射钻井所需的水力功率。（3）整机尺寸过长，单式涡轮钻具的力矩太小，不能产生足够的钻井动力，（4）单位长度产生的能量与钻具直径成5次幂关系，随着井眼直径的减小，小尺寸涡轮钻具发出的功率急剧降低。（5）复式涡轮钻具的装配和调整麻烦，辅助工作时间长。近年来，石油高校在涡轮钻具的研究和试验方面作了大量工作,研制了几种新型涡轮钻具，使涡轮钻具的结构性能、使用寿命有了较大提高，我国研制的涡轮钻具技术的特点是：①系统研究了涡轮钻具叶片优化设计，基本形成了以低压降、大扭矩为特点的涡轮钻具的设计体系；②采用无橡胶件的TC扶正轴承，以适应涡轮钻具在高温井底条件下的钻井；③改善了轴承受力条件并提高轴承寿命，现有轴承平均寿命超过150h；④设计了带齿轮减速器的涡轮钻具，消除了常规涡轮钻具的低扭矩、高转速等不利因素。3）电动钻具在我国的油气钻井中，使用电动钻具尚属空白。国外以独联体国家使用电动钻具较多。井下电动钻具是1937~1940年发展起来的，结构形式由交流电驱动+行星减速器改进为直流电驱动，1956年其平均寿命仅为25~30h，由于结构可靠性的提高，1986~1999年其平均寿命达90h，导线接头损坏的次数提高到每1000m少于1次(寿命可达240h)。优点：直流电动钻具调速范围宽，过载能力强，功率利用率高，井下信息的通讯容量大，井眼轨迹控制精度高，可适应在重钻井液条件下工作。缺点：电动钻具的输出转速在1200r/min以上，多级减速器结构复杂，可靠性差，井下电动机的绝缘和密封性能要求高。电枢绕组失效后，修复困难。二、螺杆钻具1、螺杆钻具的发展概况及趋势螺杆钻具的诞生和发展的历史要迟于涡轮钻具。在50年代中期以前，前苏联80%以上的油井是用涡轮钻进的。美、英等西方国家在螺杆钻具问世前，绝大部分的油井是用钻盘钻成的。20世纪30年代，法国工程师根据阿基米德螺旋泵的研究成果设计了单螺杆泵。1955年，美国戴纳公司在单螺杆泵的基础上研制开发单螺杆钻具，于1968年起开始出售产品。随着定向井数目的增加，20世纪70年代，人们对螺杆钻具的兴趣与日俱增。多头螺杆钻具逐步取代单头螺杆钻具成为主导产品。更多的国外钻井设备公司，特别是斯伦贝谢、贝克和克里斯坦森等公司，都开始制造自己的多头螺杆钻具。我国是在20世纪70年代末期开始开始研制多头螺杆钻具。现在，我国已有十余家工厂可以生产螺杆钻具，而且随着我国定向井技术的普及和推广，国产螺杆钻具已成为主要的钻井工具。随着油气勘探开发形势的发展，钻井技术在不断发展，推动着螺杆钻具技术水平也在不断逐步进步和提高。综观其发展过程和发展趋势，其方向可基本概括为：长寿命，高转速，多功能。（1）长寿命延长螺杆钻具的工作寿命，使其在井下能长时间可靠地工作。具体表现为以下几个方面：●马达定子橡胶材料和硫化工艺的改进。●万向轴结构类型与质量的改进。●传动轴轴承节结构及轴承质量的改进。（2）大扭矩●降低螺杆钻具的输出转速以匹配牙轮钻头；●提高扭矩以满足钻井需要，于是产生了多头螺杆钻具。（3）高转速一般钻头转速越高，机械钻速越快，单头马达或头数较少的串联马达及加长马达，配用优质牙轮、金刚石或PDC钻头、达到大扭矩条件下的较高转速。（4）多动能开发不同结构特征和工作特性的螺杆钻具，形成多功能的不同钻具品种。●弯螺杆●可调弯螺杆●地质导向测传马达●短半径造斜马达●中空螺杆马达●螺杆—涡轮串联马达●高温型螺杆钻具2、螺杆钻具的基本原理与结构特征1）工作原理螺杆钻具是一种以液体为动力，把液体的压力能转化为机械能的井下动力工具。当动力液进入液压马达，迫使转子在定子中转动，在液压马达的进出口生产一定的压差，推动液压马达的转子绕定子轴线作行星运动，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。2)螺杆钻具结构螺杆钻具由四个部件组成，从上至下依次是：(1)旁通阀总成；(2)马达总成；(3)万向轴总成；(4)传动轴总成。(1)旁通阀总成旁通阀的作用是在停泵时使钻柱内空间与环空沟通，以避免起下钻和接换单根时钻柱内钻井液溢出污染钻台，影响正常工作。旁通阀由阀体、阀套、阀芯及弹簧等部件组成。(2)马达总成马达是螺杆钻具的动力部件，马达是由定子和转子两个基本部分组成的单螺杆容积式动力机械。马达转子的螺旋线有单头（N=1）和多头（N≥2）之分。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。根据马达线型理论研究结论可知，转子线型和定子线型是一对摆线类共轭曲线副，常用的马达转子若为N头摆线线型，则定子为N+1摆线线型；转子和定子曲面的螺距相同，导程之比为N/（N+1）。马达中转子与定子相互啮合，用两者的导程差而形成螺旋密封腔，以完成能量转换。为了确保密封效果，转子与定子之间的配合尺寸与不同井深、井温有关，在选择钻具时应按不同井况选用不同型号马达。(3)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，同时把马达产生的工作扭矩及转速传递给传动轴和钻头。万向轴总成由两个元件组成：壳体和万向轴。壳体通过上、下锥螺纹分别和马达定子壳体下端及传动轴壳体上端相连接。直螺杆钻具的万向轴壳体无结构弯角，而弯壳体螺杆钻具的万向轴壳体则是一个带有结构弯角的弯壳体。(4)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。它由壳体、传动轴、上部推力轴承、下部推力轴承、径向扶正轴承组及其他辅助零件总装组成。3、螺杆钻具的性能特点及分类螺杆钻具的性能特点是由其动力部件—螺杆马达决定的。这种容积式马达虽然结构简单，只有两个基本元件定子和转子，但却有以下两个突出特点：（1）理论转矩与马达进出口间的压差成正比。（2）理论转速与通过的流量有关而与钻压无关。1）按螺杆马达的结构特征分类（1）按螺杆马达转子断面线型的“头”数N，可把螺杆钻具分为单头钻具和多头钻具。（2）按马达转子与定子头数的关系进行分类。只要二者头数差值为1，均可构成螺杆马达，因此可分为N/（N+1）和N/（N-1）型两种马达。（3）按马达的“级”数进行分类。2）按螺杆钻具（马达）的公称外径分类这种分类方法主要是便于钻井工作者根据所钻的井眼尺寸来选择相应直径的螺杆钻具（马达），或螺杆钻具的设计制造部门根据井眼尺寸系列来开发生产螺杆钻具的系列与规格。3）按螺杆钻具万向轴壳体结构特征分类根据螺杆钻具的万向轴壳体是否带有结构弯角，可将螺杆钻具划分为常规的直螺杆钻具（无结构弯角）和弯壳体螺杆钻具（带结构弯角）。4、螺杆钻具的表达方式5、螺杆钻具的应用1）影响螺杆钻具性能的主要因素●钻井液●钻井液流量●钻井液压力降与钻压●扭矩●钻头水眼2）使用方法及其注意事项●根据钻修井条件选用合适的钻具类型和合理的技术参数，以提高螺杆钻具的工作效率。●下井前应认真检查两端连接丝扣和台肩及外壳体有无变化，旁通阀是否灵敏好用。●钻具及其钻具组合下井时应控制下放速度，下钻遇阻不得硬砸硬压，不可顿钻或将钻具直接坐入井底。●下钻到井底，应将钻头提高到离井底1—3m左右，开泵启动，逐渐加压钻进。●容积式马达特性之一是马达所产生的扭矩与两端所生产的压降成正比，和整个系统压力变化成正比。●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。●井下马达工作时向右旋转。●施加在钻头的扭矩越大，马达越会向左旋转。●钻具起钻过程类似常规钻具起钻操作。●起出井下马达后应认真检查旁通阀总成，并把钻具内的钻井液排净，尽可能冲洗清洁，正常维护保养后待用。3）故障分析与排除6、螺杆钻具的外特性分析螺杆的工作特性，即外特性，包括理论工作特性和实际工作特性。了解和掌握螺杆钻具的外特性，对于正确选择和使用螺杆钻具至关重要。1）理论特性单螺杆马达是典型的容积式机械，在不计损失时，根据容积式机械工作过程中的能量守恒，在单位时间内钻头输出的机械能（MTωT）应等于单螺杆马达输入的水力能（△pQ），则有：MTωT=△pQ（6）根据容积式机械的转速关系，有（7）由以上两式及可得出；（8）和（9）式中：MT—马达理论转矩；—钻头理论角速度；—钻头理论转速，即马达输出的自转转速；—马达进、出口的压力降；—马达每转排量，它是一个结构参数，仅与线型和几何尺寸有关；Q—流经马达的流量，即排量；NT—理论功率TTnpq分析式（7）式（8）式可得如下重要结论：●螺杆钻具的转速只与排量Q和结构有关，而与工况无关。●工作扭矩与压降和结构有关，而与转速无关。●转速和力矩是各自独立的两个参数。●螺杆钻具具有硬转速特性和良好的过载能力。●泵压表可作为井底工矿的监视器。●转速随排量的变化而线性变化，因此可通过调节排量很容易地进行转速调节。●工作扭矩与转速均与结构有关，增大马达的每转排量，可获得适合于钻井作业的低速大扭矩特性。2）实际工作特性事实上，螺杆马达存在转子与定子之间的摩擦阻力和密封腔间的漏失，其他部分也存在机械损失和水力损失，因此螺杆钻具存在机械效率和水力效率，其总效率为：η=ηm*ηv（10）其实际转矩M、钻头实际转速n和实际输出功率N0为M=MTηv=（11）qCppqm22121（12分子加Q）（13）式中C—马达的转矩系数。（14）pQNNT0221)1(ppppCmmvVTqnn607、螺杆钻具的参数计算在简要分析螺杆马达工作原理的基础上，推证螺杆钻具一些参数的计算公式。螺杆马达的每转排量q、扭矩M、转子轴向力G、马达最小长度L、万向轴内载荷循环频率等，以作为讨论螺杆钻具设计要点的基础。1）、螺杆马达的工作原理的进一步介绍螺杆马达的转子实际上是一个螺旋外齿轮，而定子则是一个螺旋内齿轮。马达横截面上的共轭曲线副。马达的轴向长度远大于截面尺寸，所以称转子为一个螺旋杆，定子为一个有螺旋型腔的套筒更为形象化。（1）形成一个容积式液马达的转子与定子应具备的基本条件●能密封，即转子和定子曲面应组成空间共轭封闭，以形成多个共轭封闭腔来容纳工作介质（钻井液）。●转子的连续转动能导致共轭密封腔连续沿轴向下移，以保证工作介质（钻井液）循序向下推进。（2）螺杆马达转子与定子的几何形状要满足构成液马达的上述两个基本条件，转子和定子的几何形状必须满足：●转子与定子的端面曲线（简称线型）为一共轭曲线，即首先满足齿轮传动的要求。如果定子不动，转子可以在定子