螺桿鉆具工作原理及結(jié)構(gòu)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第三節(jié)螺桿鉆具工作原理及結(jié)構(gòu)螺桿鉆具的工作原理 螺桿鉆具是一種把液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置。當(dāng)高壓液體進(jìn)入鉆具時(shí)，迫使轉(zhuǎn)子在定子中滾動(dòng)，馬達(dá)產(chǎn)生的扭矩和轉(zhuǎn)速通過萬向軸傳遞到傳動(dòng)軸和鉆頭上，達(dá)到鉆井的目的。螺桿鉆具作為井底動(dòng)力鉆具，有許多突出的優(yōu)點(diǎn)： 1增加了鉆頭扭矩和功率，因而提高了進(jìn)尺率。 2減少了鉆桿和套管的磨損和損壞。 3可準(zhǔn)確地進(jìn)行定向、造斜、糾偏。 4在水平井、叢式井及修井作業(yè)中，可顯著提高鉆井經(jīng)濟(jì)效益。 5由于結(jié)構(gòu)的先進(jìn)，提高了鉆具的壽命，可用于延深鉆井或直井鉆進(jìn)。螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)及其作用DT螺桿鉆具主要由以下幾部分組成： 旁通閥總成 馬達(dá)總成

2、萬向軸總成 傳動(dòng)軸總成 導(dǎo)向總成（導(dǎo)向鉆具專有部件）1旁通閥總成（見圖1） 旁通閥設(shè)置在馬達(dá)的上部，它由閥體、閥芯、閥座、彈簧、濾套等組成，其功用如下： a下鉆時(shí)，井眼中的鉆井液由旁通閥引入鉆桿柱內(nèi)，減小下鉆過程的阻力，平衡鉆桿內(nèi)外液柱壓力。 b起鉆時(shí)，鉆井液由鉆桿柱內(nèi)經(jīng)旁通閥側(cè)孔流入環(huán)空，不致使鉆井液溢于井臺(tái)。 c鉆具工作時(shí)，高壓鉆井液流經(jīng)旁通閥，推動(dòng)閥芯，壓縮彈簧，關(guān)閉旁通閥側(cè)孔，所有鉆井液流經(jīng)馬達(dá)，把壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。 正常情況下，旁通閥的開關(guān)由鉆井液流量及壓力大小來控制。 2馬達(dá)總成（見圖2、圖3） 馬達(dá)是由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成的，圖3為鉆具馬達(dá)截面輪廓。 轉(zhuǎn)子是一根經(jīng)過特殊加工和處

3、理，具有抗腐蝕、耐磨損的左旋螺桿。 定子是一根內(nèi)襯橡膠的鋼管，定子內(nèi)孔也呈螺旋形，轉(zhuǎn)子與定子組裝好后沿著它們的接觸點(diǎn)形成一系列連續(xù)的、共軛的、嚙合密封腔，在具有壓力能的液體作用下，隨著密封腔的形成、變化和消失，迫使轉(zhuǎn)子在定子中作連續(xù)運(yùn)動(dòng)。 每套螺桿鉆具的馬達(dá)為多級(jí)，馬達(dá)中的一個(gè)定子導(dǎo)程組成的密封腔為一級(jí)，每一級(jí)的許用壓降一般不超過0.8MPa，否則，馬達(dá)就要產(chǎn)生漏損，降低轉(zhuǎn)速。為保證馬達(dá)密封腔的密封，以承受一定的壓降，轉(zhuǎn)、定子都需經(jīng)過選配測(cè)試以確保為輕微過盈配合，同時(shí)，由于井溫對(duì)定子橡膠的影響，用戶可根據(jù)實(shí)際的井溫向廠家反映，以達(dá)到合適的馬達(dá)配合要求，從而使馬達(dá)發(fā)揮最大的功率和效率。 每種馬達(dá)

4、都對(duì)應(yīng)一定范圍的額定排量，不按此排量使用，將加速鉆具的磨損，也不能有效的工作。 此外，5LZ165×7IIF型馬達(dá)轉(zhuǎn)子為中空，可根據(jù)鉆井工藝要求選擇噴嘴，以調(diào)節(jié)鉆井液排量，更好的滿足鉆井工藝的需要。 3萬向軸總成（見圖4、圖5）萬向軸總成的作用是將馬達(dá)的偏心運(yùn)動(dòng)變換為傳動(dòng)軸的定軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)傳遞扭矩給傳動(dòng)軸，以達(dá)到鉆井的目的。我廠生產(chǎn)的螺桿鉆具有撓式萬向軸（見圖4）和花瓣萬向軸（見圖5）兩種結(jié)構(gòu)。 撓式萬向軸是專為超短型鉆具而設(shè)置，該型鉆具特點(diǎn)是：長度短、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、利于造斜。由于本廠獨(dú)特的結(jié)構(gòu)型式，從而使鉆具具有較高的壽命?；ò耆f向軸更適于配中空可調(diào)排量轉(zhuǎn)子以滿足大流量鉆井液鉆井的需要

5、。4傳動(dòng)軸總成（見圖6） 傳動(dòng)軸總成的作用是將馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)扭矩傳遞給鉆頭，同時(shí)承受鉆壓所產(chǎn)生的軸向和徑向負(fù)荷。傳動(dòng)軸總成的設(shè)計(jì)既要考慮到轉(zhuǎn)動(dòng)的靈活和平穩(wěn)，同時(shí)根據(jù)鉆壓、鉆井液的性質(zhì)及鉆頭的側(cè)面載荷、轉(zhuǎn)速、鉆頭水眼壓降來設(shè)計(jì)，因此設(shè)計(jì)為組合推力軸承和徑向滑動(dòng)軸承共同作用的型式。 a組合推力軸承： 用以承受工作狀態(tài)時(shí)的鉆壓，馬達(dá)、鉆頭水眼壓降產(chǎn)生的軸向力及轉(zhuǎn)子、萬向軸、傳動(dòng)軸、鉆頭重量等各軸向力的合力。 b徑向滑動(dòng)軸承： 它分為上、下兩組，主要作用是承受轉(zhuǎn)子作行星運(yùn)動(dòng)引起的彎曲載荷和鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向力，上徑向軸承對(duì)鉆井液起限流作用，它允許馬達(dá)流出鉆井液的510 通過軸承組件，起著冷卻和潤滑軸承的

6、作用。 旁通閥上端內(nèi)螺紋和傳動(dòng)軸下端內(nèi)螺紋均符合API規(guī)范。用戶若有特殊要求，可訂貨時(shí)提出。5導(dǎo)向總成（見圖7） 導(dǎo)向鉆具有單彎鉆具和雙彎鉆具兩種。 導(dǎo)向單彎鉆具，是在馬達(dá)下部設(shè)置一帶角度的短節(jié)，從而使彎曲點(diǎn)盡可能靠近鉆頭，提高造斜率。 導(dǎo)向雙彎鉆具，是在單彎鉆具的基礎(chǔ)上增加一彎接頭，以提高造斜性能，根據(jù)其彎曲方向、度數(shù)及聯(lián)接部位可有多種組合方式。 同時(shí)，我廠也可根據(jù)用戶需要生產(chǎn)地面可調(diào)角度導(dǎo)向鉆具。 由于我廠導(dǎo)向單彎鉆具采用了獨(dú)特的結(jié)構(gòu)型式，提高了鉆具壽命和造斜性能，因此，更適于定向井及水平井鉆井作業(yè)。DT鉆具規(guī)格及技術(shù)參數(shù)（附錄四）DT鉆具標(biāo)牌說明例：（1）外徑165mm、5/6瓣比液馬達(dá)

7、、鉆頭水眼壓力降7MPa、經(jīng)過第三次改進(jìn)的直型螺桿鉆具應(yīng)表示為：5LZ165 ×7。 （2）外徑172mm、5/6瓣比液馬達(dá)、大偏移同向雙彎、彎點(diǎn)下帶穩(wěn)定器、鉆具允許最高工作溫度150、鉆頭水眼壓力降7MPa的彎殼體螺桿鉆具應(yīng)表示為：5LZ172×7 PWG。六、大港鉆具的使用方法 大港一鉆具除提升短節(jié)和旁通閥外，其他部分的殼體聯(lián)接均涂以鎖緊劑，并按API標(biāo)準(zhǔn)緊扣扭矩上緊。 在選擇鉆具及其組合方案時(shí)，應(yīng)制訂鉆井作業(yè)計(jì)劃，充分考慮井眼孔徑、井眼軌道、鉆頭類型、規(guī)格、地層結(jié)構(gòu)和水力計(jì)算等細(xì)節(jié)。 1.地面檢查 鉆具下井前，應(yīng)在鉆臺(tái)上按下述方法進(jìn)行試驗(yàn)。 a.用提升短節(jié)將鉆具提起坐

8、入轉(zhuǎn)盤卡瓦內(nèi)，裝上安全卡瓦卸去提升短節(jié)。 b.檢查旁通閥：用木棒下壓旁通閥閥芯，從上部注滿水，此時(shí)旁通閥應(yīng)不漏，水面無明顯下降。然后松開閥芯，閥芯復(fù)位，所注水應(yīng)從旁通閥口均勻流出。 c.接上方鉆桿，卸去安全卡瓦，提出卡瓦，下放鉆具使旁通閥閥口處于轉(zhuǎn)盤下易于觀察的位置。 d.開泵：逐漸提高排量直到旁通閥關(guān)閉、馬達(dá)起動(dòng)為止（記下該排量值）。不停泵上提鉆具至能看見轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)接頭為止。在此過程中可能有部分泥漿經(jīng)軸承組流出，觀察鉆具運(yùn)轉(zhuǎn)情況。停泵前應(yīng)再下放鉆具，讓旁通閥閥口位于轉(zhuǎn)盤以下，檢查停泵時(shí)是否泥漿經(jīng)旁通閥閥口順利流出。e.地面檢查結(jié)束后，用吊鉗卡住扭動(dòng)搖頭，用鉆頭盒把鉆頭和鉆具接上（大鉗只可咬在

9、旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)接頭上），緊扣扭矩見附錄6。（注：應(yīng)保證傳動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)接頭相對(duì)于上面的殼體反時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，以防止內(nèi)部螺紋松扣。） 使用彎搖頭時(shí)，定向裝置帶的轉(zhuǎn)盤套和定位鍵必須和工具面對(duì)正，如果要用回壓凡爾，可直接安裝在旁通閥上方。如果在驅(qū)動(dòng)接頭和鉆頭之間還要加轉(zhuǎn)換接頭，建議不應(yīng)超過 250mm長，以免產(chǎn)生過多的方位變化，以及會(huì)降低軸承壽命或損壞傳動(dòng)軸。 2.鉆具下井： a.下放鉆具及其組合應(yīng)小心地控制下放速度，以防撞到沙林、井壁臺(tái)肩和套管鞋上使鉆具損壞。下鉆遇阻，應(yīng)開泵循環(huán)，慢慢劃眼通過。若帶有彎接頭或彎殼體的鉆具遇阻時(shí)應(yīng)周期性地轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具組合，慢慢通過，以防止劃出新井眼。 b.對(duì)于深升和高溫升，下放鉆具

10、建議周期性地進(jìn)行中途循環(huán)，這樣可防止鉆具堵塞，或因高溫造成的鉆具定子損壞。 c.在井內(nèi)，泥漿若不能迅速通過旁通閥閥口流進(jìn)鉆柱中，應(yīng)減慢下鉆速度或不時(shí)停下來充灌泥漿。下鉆時(shí)，注意不可頓鉆或?qū)@具直接坐入井底。 3.啟動(dòng) a.鉆具達(dá)到預(yù)先計(jì)劃的井深位置，可以開采循環(huán)，由于鉆頭側(cè)向力的影響，壓力值可能超過計(jì)算值。 b.定向前應(yīng)充分清洗井底，清除井底巖屑沉淀或堆積，消除循環(huán)不徹底對(duì)定向的影響。具體方法是以正常的泥漿循環(huán)慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具（每次轉(zhuǎn)30°45°）依次把堆積井底巖屑和沉砂清出，清理干凈后，上提鉆具0.30.6m循環(huán)并記錄，校對(duì)壓力值。 4.鉆進(jìn) a.鉆具懸離井底進(jìn)行空循環(huán)時(shí)，立

11、管壓力在所顯示的是整個(gè)系統(tǒng)的空載循環(huán)泵壓，也稱離井底泵壓。容積式馬達(dá)特性之一，馬達(dá)所產(chǎn)生的扭矩與兩端所產(chǎn)生的壓力降成正比，和整個(gè)系統(tǒng)壓力變化成正比。鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，隨著鉆壓升高，工作扭矩的加大，馬達(dá)兩端的壓力降也成正比例增加。循環(huán)系統(tǒng)的壓力表反應(yīng)出該壓力的的增值。通過監(jiān)視地面立管壓力表，便可以判斷鉆具壓力和扭矩的變化（鉆桿與井壁的磨擦可能會(huì)影響判斷精度）。在充分考慮鉆頭水眼壓降和鉆壓的關(guān)系后，把表壓增值限制在所選鉆具推薦值范圍內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生最佳效能。 工作打鉆泵壓離井底泵壓鉆具負(fù)載壓力降 離井底泵壓不是一個(gè)常數(shù)，它隨井深和泥漿的變化而變化，在實(shí)際操作中，一般取每次單根后的離井底泵壓為近似值，這樣做完全

12、可以滿足要求，當(dāng)泵壓處于最佳工作狀態(tài)時(shí)，停止增加鉆壓，泵壓會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)穩(wěn)定下降，直到再次調(diào)整鉆壓。 b.施加鉆壓不要太猛，鉆壓不是監(jiān)視鉆具工作的指標(biāo)，只是作為參考指標(biāo)，判斷鉆具工作情況的主要依據(jù)應(yīng)該是泵壓。判斷鉆具工作情況的主要依據(jù)應(yīng)該是泵壓。對(duì)于發(fā)生較大磨損的馬達(dá)，還應(yīng)以進(jìn)尺速度為依據(jù)。 5.起鉆 鉆具起鉆過程類似常規(guī)鉆機(jī)起鉆操作。起鉆時(shí)，旁通閥處于開位，允許鉆柱中的泥漿匯入環(huán)空。但鉆具本身不能快速地排除泥漿，通常在起鉆前柱上部注入一段加重泥漿，使鉆桿內(nèi)的泥漿順利排出。 6.現(xiàn)場維護(hù)保養(yǎng)a.卸下旁通閥以上各件，用清水沖洗旁通閥，同時(shí)上、下移動(dòng)閥芯調(diào)整使其移動(dòng)無阻，清洗完畢，擰上提升短節(jié)。 b.

13、將鉆頭座入鉆頭盒中，用大鉗夾緊鉆具，反時(shí)針旋轉(zhuǎn)鉆頭，空出鉆具中剩余泥漿（泥漿由旁通閥閥口流出），然后卸去鉆頭。 c.從傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)接頭中沖洗鉆具，將轉(zhuǎn)動(dòng)軸上部水帽及軸承清洗干凈，然后平放鉆具，正常維護(hù)保養(yǎng)后待用。若暫停使用或長時(shí)間擱置不用，建議向鉆具內(nèi)注入少量的礦物油防銹蝕（注意，不允許加入柴油）。七、故障分析與排除 注意觀察泥漿壓力的變化，可發(fā)現(xiàn)和判斷鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)的許多問題。正確分析和采取適當(dāng)?shù)拇胧?，往往可?jié)省起、下鉆所耗費(fèi)的時(shí)間和費(fèi)用。列舉以下幾種情況，供大家參考。 1.鉆具離井底情況： （1）循環(huán)壓力低于計(jì)算值 這種情況通常是因?yàn)榕酝ㄩy打開關(guān)不上，鉆柱刺壞形成循環(huán)短路或出現(xiàn)井漏，解決方法

14、一般是起鉆檢修。 （2）循環(huán)壓力高于計(jì)算值 原因可能是鉆具或鉆頭堵塞，傳動(dòng)軸軸承受卡或損壞，井眼過小或彎接頭角度過大；使鉆頭側(cè)向力增大引起的，典型情況有： 無循環(huán)，檢查整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)。 部分循環(huán)，可能是鉆頭堵塞或鉆頭側(cè)向力過大。 完全循環(huán)，一般認(rèn)為鉆具負(fù)載太大，工作扭矩大于該鉆具尺寸下的推薦值。采取的措施包括： a.稍許起鉆，減少鉆壓 b.改變循環(huán)排量，判斷是否是鉆具或鉆頭堵塞 c.短時(shí)間內(nèi)交替開或停泥漿泵，以降低泵壓 d.如鉆具組合裝有彎接頭或彎殼體，應(yīng)將方鉆桿稍向下送進(jìn)，使鉆具在彎曲井眼中放松，以減少側(cè)向力 2.鉆具坐井底情況 （1）循環(huán)壓力低于計(jì)算值： 可能是由于旁通閥打開關(guān)不上，鉆柱刺壞

15、或出現(xiàn)升溫，也可能是由于鉆具馬達(dá)定傳之間的密封不良引起的，后一種情況可通過檢測(cè)鉆具制動(dòng)點(diǎn)的方法判斷，具體方法與步驟如下： a.將鉆具提高井底0.30.5m并開泵 b.記下泵的排量,核準(zhǔn)輸入鉆具的泥漿排量是否符合要求 c.記下鉆具提離井底時(shí)的空循環(huán)壓力值 d.緩慢將鉆頭坐入井底，逐漸地施加鉆壓 e.泵壓逐漸上升，達(dá)到推薦值，此時(shí)鉆具獲得最佳功率值，隨鉆壓不斷增加，所需的工作擔(dān)任最終將超出鉆具能提供的功率值，鉆具產(chǎn)生制動(dòng)。此時(shí)無論怎樣地續(xù)增加鉆壓，泵壓不會(huì)再增加，該值即為制動(dòng)時(shí)壓力降。 f.多數(shù)情況下，鉆具制動(dòng)點(diǎn)的壓力降應(yīng)是推薦工作壓力的2倍，如果制動(dòng)壓力降過長較低，輕意制動(dòng)，這說明馬達(dá)已不能繼續(xù)

16、使用，應(yīng)予以更換。（注：這種試驗(yàn)只能偶爾進(jìn)行，而且應(yīng)盡可能的快，以防高壓泥漿長時(shí)間流過不轉(zhuǎn)的馬達(dá)刺壞定子。） （2）循環(huán)壓力高于計(jì)算值 通常是鉆具式鉆頭堵塞，軸承卡住或損壞，或由于施加鉆壓過大而引起的。 處理辦法： a.減少鉆壓 b.停泵 c.將鉆頭提離井底 如壓力還是降不下來，說明鉆具或鉆頭已經(jīng)堵塞。八、大港鉆具的發(fā)展?fàn)顩r 螺桿鉆具是一種發(fā)展較快的井下動(dòng)力鉆具，隨著鉆井和定向鉆井市場的需要，我廠由原只生產(chǎn)直型鉆具和帶彎接頭的導(dǎo)向鉆具，發(fā)展到今天可生產(chǎn)各種組合的導(dǎo)向鉆具。不僅滿足了鉆井打普通定向井的需要，而且，適合于打各類中、長、短水平井的需要，并伴隨開發(fā)了DTU、DKO、AKO、FAB四種類

17、型的鉆具組合，這些鉆具組合的特點(diǎn)： 1. DTU組合是在螺桿鉆具的萬向軸（或撓性軸）部分裝有反向雙彎的外殼。由于是反向雙彎，故鉆頭的偏移距較小，這種組合可以開動(dòng)轉(zhuǎn)盤（低速）實(shí)現(xiàn)穩(wěn)斜及水平段鉆進(jìn)。 這種組合既可用來打長曲率半徑的造斜段，也可用來打 6° 10°30m造斜率的中曲率半徑的造斜段，還可用來打穩(wěn)斜段及水平段。它由 MWD、DTU馬達(dá)及高效鉆頭組成導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的硬件部分，可以實(shí)現(xiàn)井眼軌跡的連續(xù)控制。如圖8。 2.DKO組合是在螺桿鉆具的萬向軸（或撓性軸）部分裝有同向雙彎外殼，這種組合的功能基本與DTU相同，但由于雙彎同向鉆頭偏移距稍大，可以有較大的造斜能力。如圖9。

18、3.AKO組合是在螺桿鉆具的萬向軸（在撓性軸）部分裝有地面可謂的單彎外殼，其功能與DKO組合相當(dāng)。如圖10。 4.FAB組合是在螺桿鉆具馬達(dá)的上部及下部（萬向軸部分）各裝有一單彎外殼，由于這種組合的鉆頭偏移距很大，故有很強(qiáng)的造斜能力，是一種強(qiáng)造斜組合。正因?yàn)殂@頭偏移距很大，不能開動(dòng)轉(zhuǎn)盤鉆井，故不能用FAB馬達(dá)組成導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。如圖11。 在鉆具穩(wěn)定器的種類上，不僅有固定式的，而且有可換式穩(wěn)定器。穩(wěn)定器的扶正條形式多種多樣，可以起到較好的穩(wěn)定效果。 總之，鉆井市場發(fā)展的目標(biāo)，就是我們產(chǎn)品的最終目標(biāo)。我們?cè)竿脩艄餐_發(fā)新型的螺桿鉆具和鉆具組合。附錄1 大港鉆具水力推力和鉆壓平衡圖 在鉆井過程中，

19、若施加的鉆壓與鉆頭水馬力匹配，使鉆具處于“平衡”狀態(tài)工作，有助于取得最快鉆井效果。水力推力和鉆壓平衡圖可用來確定最佳平衡點(diǎn)和確定：（l）最佳鉆壓；（2）最大鉆壓；（3）推薦鉆頭水眼壓降；（4）軸承負(fù)荷。具體方法如下： 1.最佳鉆壓： a.從圖上選擇相應(yīng)的鉆頭水眼壓降線； b.沿壓降線向右下觀察找出與鉆壓坐標(biāo)相交點(diǎn)； c.該交點(diǎn)和即為在該鉆頭水眼壓降下的最佳鉆壓值，此時(shí)水力推力與鉆壓相等，推力軸承上作用負(fù)載為零。 2.最大鉆壓： a.從圖上選擇相應(yīng)的鉆頭水眼壓降線； b.沿此線向右下方觀察，找出與坐井底推力軸承最大推薦載荷線的交點(diǎn)； c.從該點(diǎn)向上作垂直線交于鉆壓坐標(biāo)線； d.該交點(diǎn)的值即為最大推薦鉆壓。 3.推薦鉆頭水眼壓降 a.在鉆壓坐標(biāo)上找出已知鉆壓值； b.沿鉆壓線找出一條與已知鉆壓最近的鉆頭水眼壓降線，確定鉆頭水眼壓降值，然后再確