螺桿鉆具.doc

1摘要：螺桿鉆具是一種井下動力鉆具，它是由高壓泥漿驅動的容積式馬達，把液壓能轉化為鉆頭轉動所需的動能。它具有結構簡單、過載性能好、在小井眼和轉盤不易加扭矩時也能得到大的扭矩和功率，鉆進快，已廣泛應用于垂直鉆井、定向鉆井、水平鉆井、直井和修井作業(yè)中。隨著鉆井工程的快速發(fā)展，螺桿鉆具也有了長足的發(fā)展，目前國產螺桿鉆具在國內市場已基本上占有主導地位，已較好地滿足了我國鉆井工程的需要，但還存在許多不足之處。在對螺桿鉆具的基本原理和結構功能分析之后，并對改進措施和今后的發(fā)展提出了自己的一點看法。關鍵詞：螺桿鉆具；基本原理；鉆具失效；鉆具改善2目錄1緒論.31.1研究的目的和意義.31.2國內外發(fā)展概況及趨勢.32螺桿鉆具的基本原理.42.1螺桿鉆具的基本原理與結構特征.42.1.1工作原理.42.1.2螺桿鉆具結構.52.2螺桿鉆具的性能特點與工作特性.72.2.1螺桿鉆具的性能特點.72.2.2螺桿鉆具的工作特性.83螺桿鉆具的失效分析.93.1螺桿鉆具失效主要原因.93.1.1失效的結構因素.93.1.2失效的工藝因素.103.1.3失效的使用因素.103.2螺桿鉆具技術改進措施.113.2.1殼體防脫.113.2.2殼體防斷.113.2.3傳動軸防斷防掉.124螺桿鉆具的參數(shù)計算及設計要點.124.1螺桿馬達的工作原理的進一步介紹.124.2螺桿鉆具的設計要點.134.2.1螺桿鉆具的總體設計.135結論.1431緒論1.1研究的目的和意義螺桿鉆具又稱定排量馬達，是一種容積式井下動力鉆具，是目前最廣泛使用的一種井下動力鉆具，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側鉆作業(yè)中。螺桿鉆具具有功率大、轉速低、扭矩大、壓降小、容易啟動等優(yōu)點，目前被油田廣泛應用。認知和研究螺桿鉆具讓更多的人了解螺桿鉆具的基本原理、結構、失效形式、以及改進方法。1.2國內外發(fā)展概況及趨勢美國50年代中期開始研制螺桿鉆具，美國史密斯公司在年就為直井鉆井研制一單頭單螺們鉆具，不過，由于當時鉆頭及其本身橡膠元件的工作壽命過短而沒有顯示其優(yōu)越性。1962年用于生產，不同廠家生產的有迪納鉆具(Smith公司)、納維鉆具(Christensen公司)和波斯鉆具，其基本原理都是基于容積式馬達，只是內部結構和技術參數(shù)略有不同。六十年代中期，由于螺桿鉆具制造工藝的改進以及能適應較高轉速的金剛石鉆頭的出現(xiàn)，使單頭螺桿鉆具得到了明顯發(fā)展。這個時期，單頭螺桿鉆具主要用來鉆定向井、叢式井、小眼井以及其它特種作業(yè)的鉆進，真正用來鉆直井和長井段鉆進則是七十年代的事。至80年代中期,美國的迪納鉆具已發(fā)展成兩個系列10種規(guī)格，納維鉆具有兩個系列14種規(guī)格。隨著配套部件質量的提高，螺桿鉆具工作壽命從原來的3040h，提高到100h以上，1980年在美國俄克拉荷馬州創(chuàng)造了連續(xù)運轉429h的新記錄。各項鉆井技術經(jīng)濟指標每英尺鉆井成本、機械鉆速、防斜打直等都優(yōu)于轉盤鉆井，與其它井下動力鉆具相比（渦倫鉆具或電動鉆具），在某些方面也占有一定優(yōu)勢，因此引起工業(yè)界廣泛重視。前蘇聯(lián)1966年開始研制螺桿鉆具，到年螺桿鉆具累計進尺達1500km,1991年螺桿鉆具鉆進量占全蘇工作量的7.5。近年來,隨著水平井、徑向井、分支水平井的大量涌現(xiàn)，螺桿鉆具的發(fā)展也產生了質的飛躍。在美國和西歐，幾乎90的大、中曲率半徑水平井的定向造斜和水平井段都是由螺桿鉆具鉆成，導向鉆井系統(tǒng)已成了定向井中公認的標準化專用工具，出現(xiàn)了許多新型的專用螺桿鉆具。我國在20世紀70年代末開始研制多頭螺桿鉆具。1978年，石油部勘探開發(fā)科學研究院承擔了部級重點攻關項目“LZ61/2螺桿鉆具研制，并于1982年推出了我國第一臺3頭螺桿鉆具?，F(xiàn)在，我國已有多家廠家生產螺桿鉆具，而且隨著我國適用領域不斷擴大，已由起初的定向井、大位移斜井、水平井及一般直井，發(fā)展到近些年的大規(guī)模推廣的直井復合鉆井及河流穿越工程等領域，國產螺桿鉆具已成為主要的鉆井工具。螺桿鉆具技術得到較大的發(fā)展，主要表現(xiàn)在：尺寸規(guī)格更加系列化，尺寸由直徑54mm擴至直徑286mm；性能參數(shù)更加細化，同一種規(guī)格有多種不同性能參數(shù)鉆具適應不同鉆井參數(shù)的需要；在結構上，不同結構適應不同的鉆井方式；在鉆井的壽命方面，優(yōu)化后的鉆具方案可滿足不同工況的鉆井需要等。隨著油氣勘探開發(fā)形勢的發(fā)展，鉆井技術在不斷發(fā)展，推動著螺桿鉆具技術水平也在不斷逐步進步和提高。綜觀其發(fā)展過程和發(fā)展趨勢，其方向可基本概括為：長壽命，大扭矩，高轉速，多功能。41）長壽命延長螺桿鉆具的工作壽命，使其在井下能長時間可靠的工作，一直是螺桿鉆具不斷發(fā)展的主要技術方向。具體的表現(xiàn)為以下幾個方面：萬向軸結構類型與質量的改進，傳動軸軸承結構及軸承質量的改進，這一部分一直是為追求螺桿鉆具長壽命指標進行研究改進的重點。從提高推動軸承的結構承載能力，到改進軸承組的結構形式，到換用硬質合金軸承（TC），以及采用PDC軸承等等。上述幾個方面的改進研究已使研究優(yōu)質螺桿鉆具工作壽命達200h以上，更好的可達300400h。2）大扭矩增大螺桿馬達的輸出扭矩，以適應鉆井的需要，一直是螺桿鉆具研究中的重要課題。從單頭螺桿馬達發(fā)展到多頭螺桿馬達就是有力的證明。一方面需要降低螺桿鉆具的輸出轉速以匹配牙輪鉆頭，另一方面要提高扭矩以滿足鉆井需要，于是產生了多頭螺桿鉆具。螺桿的頭數(shù)越多，其低速大扭矩特性越好，Mn指標越高。隨著金剛石鉆頭和PDC鉆頭技術的不斷發(fā)展與完善，以及海洋大位移井迫切需要提高機械鉆速以降低成本，保持較高鉆速同時具備大扭矩，就成了螺桿鉆具的又一次改進，于是單頭螺桿再度引起人們的關注。3）高轉速其實上述已談及螺桿馬達是高轉速問題。從本質上講，一般鉆頭轉速越高，機械鉆速越快。于是單頭馬達或頭數(shù)越少的串聯(lián)馬達及加長馬達，配用優(yōu)質牙輪、金剛石或鉆頭，達到大扭矩條件下的較高轉速，已充分引起鉆井工作者的注意。4）多功能開發(fā)不同結構特征和工作特性的螺桿鉆具，形成多功能的不同鉆具品種，是幾十年以來，也將是今后螺桿鉆具技術發(fā)展的重要方向。其中包括有：彎螺桿，可調彎螺桿，地質導向側鉆馬達，中空螺桿馬達，短半徑造斜馬達，螺桿渦輪串聯(lián)馬達，高溫型螺桿鉆具。2螺桿鉆具的基本原理2.1螺桿鉆具的基本原理與結構特征2.1.1工作原理螺桿鉆具是以鉆井液為動力的一種井下動力鉆具。泥漿泵泵出的鉆井液流經(jīng)旁通閥