螺杆钻具结构原理.docx

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螺杆钻具结构原理

1、螺杆钻具结构

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,由旁通阀、马达、TC轴承、推力轴承、万向轴、传动轴和防掉装置等组成（如图1所示）。

当高压液体进入钻具时，迫使转子在定子中转动（定子和转子组成了马达），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装置，具有低转速、大扭矩、大排量等许多优点：

1．增加了钻头扭矩和功率，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．广泛应用于直井、水平井、丛式井和修井作业。

1.1旁通阀总成

旁通阀由阀体、阀套、阀芯及弹簧等部件组成（如图2所示）。

在压力作用下阀芯在阀套中滑动，阀芯的运动改变了液体的流向，使得旁通阀有旁通和关闭两个状态：

在起、下钻作业过程中，阀套与阀体通孔未闭和，旁通阀处于旁通状态，使钻柱中泥浆绕过马达进入环空；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，把压力能转变成机械能。

当泥浆流量值过小或停泵时，弹簧把阀芯顶起，旁通阀孔处于开启位置--处于旁通状态。

1.2马达总成

马达由定子、转子组成。

定子是在钢管内壁上压注橡胶衬套而成，其内孔是具有一定几何参数的螺旋；转子是一根有硬层的螺杆（如图3所示）。

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。

马达转子的螺旋线有单头和多头之分。

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。

仅以转子与定子啮合头数为5：

6和9：

10的截面参考。

（如图4、图5所示）。

马达中一个定子导程组成一个密封腔（一级）。

每级额定工作压降约0.8MPa～1.1MPa。

压降超过最大压降值，马达就会产生泄漏，转速很快下降，对马达也会造成损坏。

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。

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，甚至加快马达磨损。

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，负载的增加，钻具的转速有所降低。

1.2.1中空转子马达

中空转子可增加钻头液压动力和泥浆上返速度，马达的总流量等于流经马达及转子喷嘴的总和，流经该马达的液体流量过大，马达将停止转动。

因此选择中空转子马达时，应确保马达密封腔流量在正常工况。

1.2.2喷嘴直径选取

在泥浆密度、喷嘴尺寸和马达流量一定时，起钻时马达负载近似为零，流经转子喷嘴流量最小，而流经马达密封腔的流量最大。

相反，钻头钻进，马达压差不断增加，流经转子喷嘴流量增加，同时，流经马达密封腔流量减少。

流经马达密封腔的流量为Q1，通过马达喷嘴的流量Q2，Q总=Q1+Q2。

用户可依据使用需要随时更换不同直径喷嘴，从而达到理想的效果。

表1：

喷嘴直径

（in）

泥浆密度

马达两端压力降（psi）

100

200

300

400

流经转子水眼流量

12/32

8.34

40

56

69

80

10.00

36

51

63

73

12.00

33

47

58

66

14.00

31

43

53

62

18/32

8.34

90

127

155

179

10.00

82

116

142

164

12.00

75

106

129

150

14.00

69

98

120

138

表2：

中空转子所配喷嘴尺寸

喷嘴号

喷嘴直径

喷嘴号

喷嘴直径

in

mm

in

mm

07

7/32

5.56

16

16/32

12.70

08

8/32

6.35

17

17/32

14.27

09

9/32

7.14

18

18/32

15.88

10

10/32

7.94

19

22/32

17.48

11

11/32

8.74

20

24/32

19.05

12

12/32

9.53

21

28/32

22.23

13

13/32

10.31

22

30/32

23.80

14

14/32

11.11

23

32/32

25.40

15

15/32

11.91

24

1.3万向轴总成

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，将马达产生的扭矩及转速传递给传动轴至钻头。

万向轴多采用挠轴式（如图6所示）。

1.4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。

我公司制造的钻具传动轴结构（如图7所示）已申请国家专利，具有寿命更长、承载能力更高等诸多优点。

1.5防掉装置

我公司采用的防掉装置已经申请国家专利。

当定子下部各个外壳螺纹松脱后，防掉装置通过转子防止下部壳体落入井眼中，并且φ120以上规格的钻具都能够防止传动轴轴头落入井中，具有极大的安全性。

2、螺杆钻具型号说明

同SY/t5383-1999中有关说明一致。

3、使用须知

3.1井场钻井技术人员和司钻首先要了解钻具的结构原理和使用参数，再按使用手册的要求合理使用钻具。

3.2根据整个井眼的钻井作业计划，由钻井工程师根据任务结合不同地层结构、井眼孔径、深度、机械转速选定所用钻头与钻具型号，决定水眼直径和钻具组合。

现场施工必须严格按照制定的钻井作业计划执行。

3.3对钻井液的要求

螺杆钻具的马达为容积式，马达的输入流量和作用于两端的压力降差决定了钻具的基本性能。

钻井液的物理、化学性能除个别有损钻具寿命外，一般不影响钻具性能，但钻井液所含的各种硬颗粒必须予以限制，因为它会加速轴承、马达的磨损而降低钻具的使用寿命，建议固相含砂量不超过1%（若含砂量达到5%，钻具寿命会降低50%）。

同时注意钻井液中不要混有各种气体，因为混有气体的钻井液在钻具中压力的变化下容易产生“气蚀作用”，加速钻具的损坏，尤其是定子橡胶更容易被气蚀坏，对于欠平衡钻进中强碱、高温泥浆，要提前说明。

3.4使用钻头的选择

钻头与钻具是否匹配是螺杆钻具能否成功发挥作用的因素之一，选择时应注意以下问题：

（1）钻井方案及计划；

（2）针对地层需要的刃部结构；

（3）钻井液流通通道的结构；

（4）预先计划的机械钻速；

（5）使用该钻头，钻具运转的时间估算：

（6）钻头水眼压降的设计。

除了钻头水眼造成的压降外，要使钻井液流经钻头底部时不再形成其他较大的压力损失，尤其是钻头水眼压降已达到该型号钻具规定的压降值时更应注意，应选择合适的钻头。

A：

PDC钻头其冠部液体通道的设计，须考虑通道过流面积是否可能造成额外过多的压力损失问题，同时并能保证岩屑及时排出及钻头冷却需要。

PDC钻头不仅适用于定向造斜，更适用于钻井周期较长的作业，如打直井等。

B：

牙轮钻头适用于钻井周期不长的作业，如定向造斜、侧钻等。

C：

改善传动轴的稳定性，对提高钻具寿命发挥钻头性能有帮助。

另外，考虑钻头金刚石的几何尺寸、布置方位、钻压负荷等诸多因素是否影响钻具转速及寿命。

3.5对井底环境温度的要求

温度过高对钻具马达性能有影响。

使用油基泥浆液，井底温度低于95℃，钻具工作状态最佳。

当温度超过150℃时，钻具定子寿命受到影响较大。

为使钻具在较高的油基钻井液下正常工作，可以采用分段下钻，间歇循环，使用带分流孔的空心转子，以加速循环或改善钻井液的散热性及其它性能的方法。

保证实际定子工作温度低于极限值。

有普通定子（额定温度为95℃-120℃）、耐高温定子（额定温度135℃-150℃）两种。

3.6对钻井液流量的要求

螺杆钻具的输出转速与输入钻井液流量成正比。

建议按钻具推荐流量参数范围进行选择，否则会降低钻具效率及使用寿命。

3.7钻井液压力与钻压的特点

钻具进行空运转时，若保持泥浆流量不变，钻具与钻头的压降为一常数，该值随钻具形式和规格的不同而有所不同。

钻具工作时，随着钻压逐步增加，钻井液循环压力逐渐上升，该压力的增量与钻压或钻进所需扭矩的增量成正比，当达到最大推荐值时，产生最佳扭矩。

继续增加钻压，当循环钻井液在马达两端产生的压降超过最大设计值时，钻具将发生泄漏。

正常工作时，如果泵压表突然增加了几兆帕，继续增加钻压，泵压不再增加，表明钻具发生了泄漏，此时钻具定子与转子间密封腔破坏，液体经密封腔从钻头水眼中流出。

因故障卡钻时，钻井液在钻具制动情况下仍可以继续循环流过钻具，应迅速将钻具提离井底降低钻压，因为钻井液长时间流过不转的马达会使钻具严重损坏。

另外，要使钻具获得最佳工作效率，应将钻具两端的压差控制在推荐参数范围内。

3.8预先进行必要的水力估算

钻井作业时，由泥浆泵泵出的钻井液依次经立杆、水龙头、方钻杆而进入钻杆、钻铤、无磁钻铤、钻具（马达）、钻头水眼及环空而返回地面。

在钻井液不断循环过程中，由于钻井液本身的摩擦和钻井液与管壁、井壁的摩擦及各局部流动造成的损失，皆需消耗一定的能量。

这一能量损失以压力损失表现出来，按预计井深累加压力损失后，就可以作为确定泵压的一个参数。

对于现场操作者来说，只要将钻头稍稍提离井底，在额定排量下，主管压力表上的读数值就是上述总压力损失值。

4.钻具使用的注意事项　

4.1钻具下井前的地面检查

4.1.1钻具除提升短节与旁通阀连接外，其他部分的壳体连接均涂以锁紧剂。

4.1.2用钻头装卸器把钻头装上，只许用链钳转动钻具传动轴头，而且只能逆时针旋转（俯视旋向，下同），以防止内部螺纹松扣。

4.1.3吊起提升短节，把钻具放入转盘中，把旁通阀置于转盘中易于观察的位置。

用卡瓦把钻具卡牢，卸去提升短节。

4.1.4检查旁通阀：

用锤柄或木棒向下压旁通阀芯，从上部向旁通阀注满水，此时旁通阀应不漏，水面无明显下降，然后挪走木棒，阀芯应被弹簧弹起复位，所注水应从侧面各孔均匀流出，即可认为正常。

4.1.5下放后，使旁通阀位于钻杆下方便于观察的地方，开动钻井泵，逐渐提高排量直到旁通阀关闭，上提钻具，看钻头是否转动，此时旁通阀处于“关闭”位置。

不应有钻井液从旁通孔流出。

停泵后注意观察旁通阀是否再次打开，使钻井液从旁通孔排出。

泵未完全停止之前，不要把旁通阀提到转盘以上，防止污染井台。

4.1.6按设计的钻具组合，分别把弯接头、无磁钻铤、稳定器等接好。

4.2把钻具下到井眼

司钻下放钻具时，需控制下放速度，否则易被井眼中的沙桥、井眼台肩、套管鞋所损坏。

如遇到这样的井段，往往需开动钻井泵，慢慢地扩大井眼再通过。

如果用弯接头或弯壳体，钻头侧面就更易碰上井壁的硬岩层和套管鞋等，要周期性的转动钻具，以消除侧钻的影响。

对于深井和高温井，下放钻具时建议周期性地进行中途循环，这样可以防止钻头堵塞，或因高温造成钻具定子损坏。

在井内，钻井液若不能迅速通过旁通阀阀口，应减慢下井速度，或不时停下来充灌泥浆，下钻时，注意不可墩钻或将钻具直接放进井底。

4.3开动钻具：

如果钻具处于井底，必须提起0.3-0.4m，开动钻井泵，此时记下立杆压力表读数，与计算的压力值对比一下，如果超过水力计算的压力数值也是正常的，这是钻头侧钻引起的。

清理井底：

尤其是打斜井，井底必须足够“干净”，因为井底堆积或沉淀的岩屑影响转速或造斜。

最好用正常的钻井液循环清理，清理时也可慢慢转动钻具或钻具分次转动（每次转动30º-40º），依次地把堆在井底的物体清理干净。

清理干净后，再把钻具上提0.3-0.4m，校对压力值，记录下来。

重新下入井底并逐步加钻压，马达扭矩增加，立杆压力表压值升高，这个升高的压力值应符合各型号钻具规定的马达压降值，此压力表增大的数值反映了马达的负载是否正常，也反映钻压加的是否合适，因此保持马达转速基本稳定，钻压基本稳定，只要把立杆压力表读数限制在所选钻具推荐范围内就可以了。

它能使司钻及时了解钻具工作情况。

钻头不在井底时，如果循环压力高，则可能是钻头水眼被堵或传动轴被卡死。

4.4起钻：

起钻时，旁通阀处于旁通状态，允许钻柱中的钻井液泻入环空，但是钻具本身不能排出钻井液，通常在起钻前在钻柱上部注入一段加重钻井液顺利排出。

4.4.1在钻具提出到旁通阀位置后，卸下旁通阀口上各部件，用清水从旁通阀顶部进行冲洗，然后使用木棒或锤柄等将阀芯按下、松开使其移动无阻。

清洗完毕，拧上提升短节，提出钻具。

4.4.2装好钻头装卸器，卡牢钻具外壳，反转钻头（俯视反旋）把马达中残存的泥浆从旁通阀排出，卸下钻头。

4.4.3卸下钻具，从传动轴孔中冲洗钻头，将传动轴和万向轴清洗干净，然后平放钻具，正常维护保养待用。

4.5故障分析：

以立杆压力表上数值变化推断井底钻井液循环压力变化。

5、定向井中螺杆钻具的使用

定向钻井就是沿着预先设计的井眼轴线钻到目的层的钻井方法。

要实现定向钻井需要螺杆钻具，接头、弯接头、钢钻铤、无磁钻铤、稳定器、钻头以及测量系统等配套工具和设备。

5.1我公司生产的螺杆钻具可以满足定向钻井需要。

5.2弯接头是有弯曲角度的接头短节，其公扣拧入钻具上部。

弯接头上部再接钻铤，这样在钻铤及钻具间形成一定角度。

弯接头（角度0°-3°）角度的选择应考虑井眼尺寸、井斜角变化的要求、所用钻具估计能完成的进尺等因素。

如果弯接头有斜口管鞋造斜键，应当检查一下这个件要弯接头上的刻线，这样可以保证定向方位的正确，并在运转前记录下来。

5.3反扭矩对定向钻井的影响：

钻具组合，通过钻杆下到预定定向造斜深度，从预定深度到井台在反扭矩的作用下产生变形。

施加钻压时，钻具输出一定的扭矩，那么大小相同方向相反的反扭矩就作用在整个钻具组合及钻杆上，造成它们的扭转变形，因此必然影响定向的方位。

在定向钻井工作中，为了保持正确的方向，必须考虑反扭矩。

由反扭矩造成的反扭角的大小取决于：

钻压、钻杆的类型与长度、井斜角的大小、钻铤和重钻的类型和长度、装有扶正器时，扶正器的数量和长度。

钻柱的反扭角可以粗略地参照下表数值。

表3：

钻柱反扭角估算

开始造斜深度

估算反扭角

0-152

左旋20°

＞152-305

左旋25°

＞305-455

左旋35°

＞455-1524

左旋50°

＞1524-全井深

左旋10°/305m

如果在预定方位井斜角下继续造斜而造斜过程中出现偏离预定方位的情况，建议下表获得最有效的方位变化，以少影响井斜角的变化。

表4：

已有井斜角时（纠偏）反扭角的估算

井深

井斜角

从井眼的高点调整钻具　

向左纠偏

向右纠偏

地面-305

2°-5°

40°左转

140

5°-10°

40°左转

135

10°-15°

40°左转

130°右转

15°-20°

40°左转

125°右转

20°-25°

40°左转

120°右转

25°-30°

40°左转

115°右转

30°-35°

40°左转

110°右转

Over35°

40°右转

105°右转

305-510

2°-5°

30°左转

155°右转

5°-10°

20°左转

140°右转

10°-15°

10°左转

135°右转

15°-20°

15°左转

130°右转

20°-25°

0°左转

125°右转

25°-30°

5°左转

120°右转

30°-35°

5°右转

115°右转

Over35°

10°右转

110°右转

510-全部井深

2°-5°

25°左转

180°右转

5°-10°

15°左转

150°右转

10°-15°

5°左转

145°右转

15°-20°

0°左转

145°右转

20°-25°

5°右转

125°右转

25°-30°

10°右转

115°左转

5.4注意事项

●调整弯接头指向时，转盘应按右旋定位，调整完毕，钻柱需慢慢地提升和下放数次（上提高度应超过9m）消除井眼中的钻杆应力，使其处于自由放松状态。

●所测得的井眼方位和井斜角不是钻头处的数据而是在钻头以上15米左右处，这是测斜装置距钻头的距离。

●连续造斜时，建议每钻一单根取一测量数据。

为使造斜准确，所加钻压应稳定且不要过大。

5.5导向钻井螺杆钻具：

●导向螺杆钻具是专为水平钻井设计、制造的新型井下动力，通常是指配有弯壳体和稳定器的钻具。

●用途：

配合PDC钻头或牙轮钻头组成不同的钻具组合，用于导向钻井系列，完成造斜和在不更换钻具组合情况下实现稳斜段（配合转盘低速旋转）及水平井段的钻井。

●传动轴外壳带有不同直径和不同形状的稳定器。

●为了解决水平钻井的携屑上返困难，马达转子设计在中心分流孔入口处装有喷嘴，从而增加输入流量，可以进行高压喷射钻井。

当需要排量较小时，可以封堵转子中孔。

我公司可根据用户要求，制造转子头数与定子头数比为1：

2，3：

4，4：

5，9：

10等各种规格的钻具，且可根据使用要求为用户提供钻头水眼压力降为14Mpa的产品。

●应用空气动力或泡沫动力钻具马达对于采用欠平衡钻进段，我公司专门设计空气或泡沫动力钻具。

目前120、165、203钻具都有，如用户需要其它规格，我公司能单独设计。

●可调弯壳体钻具用一根在地面可调角度钻具代替多根不可调角度螺杆钻具，不但可以节约钻具的购置费用，

同时也利于现场工程师操作。

我公司可调弯处壳角度调整为有级调整，调好后不移动不错位。

6、订货须知

如果您要订购螺杆钻具，请您确定以下信息：

（1）是否需提供附件，如提升短节或定向接头；

（2）钻具使用地层、使用目的及预计使用时间、井身结构、使用钻具井段、泥浆条件、弯壳体角度。

（3）以下信息供客户参考

表5：

螺杆钻具允许承受最大拉力

钻具外径

钻头上负载

kN（lbs）

壳体上负载

kN（lbs）

φ95

800

176000

1000

220500

φ120

1282

288200

1998

449100

φ165

1783

400800

2389

537000

φ172

2182

480960

2923

644400

φ203

2937

660200

4319

971000

φ216

3400

750000

4990

1100000

φ244

3764

846300

5774

1298000

表6：

紧扣扭矩

序号

钻具型号

紧扣扭矩（N.m）

最小值

最大值

1

5LZ120

5500

7500

2

5LZ165

27000

30375

3

5LZ172

33000

36000

4

5LZ203

37200

40500

5

5LZ216

45500

48750

6

5LZ244

60750

65750

7、附图