螺杆马达部分 PPT课件

煤炭科学研究总院西安研究院
井下千米定向钻进装备与工艺
螺杆马达部分
煤炭科学研究总院西安研究院 研发中心
2020年4月7日
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培训提纲
1 国内研究应用现状 2 螺杆马达与稳定组合钻具优缺点对比 3 螺杆马达结构原理 4 螺杆马达定向成孔工艺 5 螺杆马达定向钻进试验 6 螺杆马达使用注意事项 7 螺杆马达故障分析
113运输顺槽
1.5°
2-1分支孔
0°
1-2分支孔
1-3分支孔
113回风顺槽
2#主孔 1#主孔
1-1分支孔
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3.3.5 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。
较小口径定向钻进常采用硬质合金径向轴承和中间有一组推 力轴承的传动轴总成。
传动轴总成
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缺点
不能控制钻孔方位角，倾角只能在 一定范围内调节，对设备机具能力 要求较高、钻工劳动强度相对较大
结构较为复杂、价格相对昂贵、 对钻工整体素质要求较高
应用范畴
定向精度要求不高的较稳定地层较 大口径长钻孔
定向精度较高的较稳定地层瓦 斯抽采长钻孔、地质异常条件 探测钻孔
7
3 螺杆马达结构原理
3.1
螺杆马达分类
低转速、大扭矩，适应于 较深孔和相对复杂地层定 向钻孔施工
启动泵量、泵压较高， 马达发热较为严重
进口73mm 螺杆马达
启动泵量、泵压较低，工 作性能稳定，便于操作掌 控，适用于一般定向钻孔 施工
排量范围较小、转速较 高、输出扭矩较低，较 深钻孔时钻具性能可能 会受限
两种类型螺杆马达性能对比
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4 螺杆马达定向成孔工艺
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工具面向角对钻孔轨迹的影响：
工具面向角对倾角的影响
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工具面向角对钻孔轨迹的影响：
工具面向角对方位的影响
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工艺流程：
准备配套机具
设计定向钻孔
螺杆马达测试 安装螺杆马达
定向钻进
调整弯外管弯角 调整工具面向角
钻孔测量
是否偏
Y
离
设计轨 迹N
定向钻进
终孔
螺杆马达和泵压。通过调节泵量可控制
4.1
主孔成孔工艺
4.2
分支孔成孔工艺
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4.1 主孔成孔工艺
成孔工艺原理
主
孔
定向方法
成
孔
工
工艺流程
艺
钻进工艺参数
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定向成孔工艺原理：
用螺杆马达进行煤矿井下近水平定向钻进时，通过选用或调节 0-3°不同的定向弯外管，可达到不同的定向效果。根据设计钻孔轨 迹，在钻孔施工过程中，通过随钻测斜数据来调整弯外管的工具面 向角，从而使钻孔的倾角和方位基本达到预定目标。
最大过 载拉力
kN
最大 钻压 kN
82
113 140
73 - 5:6 3 3.2 -
- 1620 257 89
27
114
350 375
进口φ73螺杆钻具按不同分类方式的主要技术参数表
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3.2 螺杆马达工作原理
螺杆马达是一种把液体的压力能转换为机械能的能量容积式正 排量动力转换装置，主要由旁通阀总成、螺杆马达（定子、转子） 总成、万向轴总成、传动轴总成四大部分组成。
按万向轴壳体结构分类
可分为直螺杆马达（无结构弯角）和弯壳体螺杆马达（带结构 弯角），直螺杆马达上方加配弯接头主要用于常规定向钻孔，弯壳 体螺杆马达主要用于近水平孔、多分支孔、大位移孔等施工。
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3.1 螺杆马达分类
外径 mm
钻头 尺寸 mm
头数
级数
长度 m
排量 lpm
转速 rpm
上紧 扭矩 Nm
输出 扭矩 Nm
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3.5 螺杆马达性能测试
水便 钻机 钻杆 螺杆钻具隔水器测功议
测试仪
带孔接头 万向节
泥浆泵
水池
测试试验机具连接布置示意图
测控室
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3.5 螺杆马达性能测试
测试试验现场
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3.5 螺杆马达性能测试
进口73mm螺杆马达转速、泵压与扭矩变化趋势图
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3.5 螺杆马达性能测试
类型
优点
缺点
国产73mm 螺杆马达
113运输顺槽
1-2分支孔 1-3分支孔 113回风顺槽
2-1分支孔
1-1分支孔
2#主孔 1#主孔
密封舱
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3.3.3 马达总成
马达转子的螺旋线有单头和多头之分（定子头数比转子多 一头）。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。常用的转子头数与定子头数比为 3：4、 5：6、7：8的马达，其马达配合的截面轮廊为：
螺杆马达能够定向钻进基于三个缘由： 1）钻头回转碎岩而钻杆柱不回转； 2）可连接不同定向弯外管； 3）可随钻进行倾角和方位角测量。
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定向方法：
1）人工定向：利用全液压坑道钻机卡盘、夹持器的联动功 能进行人工定向
2）随钻测量系统定向：根据设计钻孔的轨迹状况，如用可 调弯外管的螺杆马达，先在孔口调整弯外管度数，使其弯头朝上， 规定为0°。当使用随钻测斜仪时，为避免磁场干扰，应在螺杆马 达后面分别连接下无磁钻杆、测斜仪（其外管也为无磁钻杆）、 上无磁钻杆。钻进过程中，根据钻孔轨迹与设计轨迹的偏斜状况， 采用调整工具面向角进行控制，而不用起下钻变更钻具组合。
防掉连杆
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3.3.2 防掉总成
防掉接头
防掉锁母
防掉连杆
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3.3.3 马达总成
由定子和转子组成。定子是在钢管内壁上压注橡胶衬套而成，
橡胶内孔是具有一定几何参数的螺旋；转子是一根有镀铬硬层的螺
杆。
定子
橡胶 衬套
定子 壳体
转子
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3.3.3 马达总成
螺杆马达的基本工作原理：
转子与定子相互啮合，是用两者的导程差而形成的螺旋密 封线，同时形成密封腔。随着转子在定子中的转动，密封腔沿 着轴向移动，不断的生成与消失，完成其能量转换。
传动轴总成的组成 ：
串轴承
键
上TC静套
上TC动套
水帽
隔套
锁母
下TC静套
下TC动套
壳
体
传动轴
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传动轴总成的组装 ：
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螺杆马达型号说明 ：
（
1）
上
仰
组
合
钻
具
结
构
图
（
2）
保
直
组
合
钻
具
结
构
图
（
3）
下
斜
组
合
钻
具
结
构
图
例：5LZ73×7.0-Ⅱ
表示螺杆马达转子头数与定子头数比5﹕6、外径73mm，钻头水眼压降 7.0Mpa，为第二次改进产品。
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3.4 螺杆马达特性分析
η,M,n,N
N
M
η n
0
⊿p
理论特性曲线示意图
可知：理论转矩M与马达进出口间的压差△P成正比； 理论转速n与通过的流量Q成正比而与钻压无关。
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3.4 螺杆马达特性分析
η,M,n,N
M
η N n
0
⊿p
实际特性曲线示意图
可知：通过控制泥浆泵的排量Q和泵压P 可控制螺杆马达的输出转速n和扭矩M
采用螺杆马达进行钻进，不需要钻杆旋转，泥浆泵输出冲洗液 经旁通阀（或代用接头）进入螺杆马达，在马达进出口形成一定压 差，推动马达转子旋转，通过万向轴和传动轴将转速和扭矩传递给 钻头，从而达到碎岩的目的。
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3.3 螺杆马达结构组成
螺杆马达结构特征示意图
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3.3.1 旁通阀总成
旁通阀在马达的上端，是螺杆马达的辅助部分，有旁通和关闭 两个位置。其作用是在起下钻（停泵）时处于旁通位置，由旁通口 提供钻柱内外冲洗液的通道，使钻柱中冲洗液不经过马达直接流入 环空；当冲洗液流量和压力达到标准设定值时，阀芯下移，旁通口 关闭，压力冲洗液全部进入马达，把压力能转化为机械能而正常工 作。煤矿井下近水平钻进时，常用代用接头代替旁通阀。
3.2 螺杆马达工作原理
3.3
螺杆马达结构组成
3.4
螺杆马达特性分析
3.5
螺杆马达性能测试
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3.1 螺杆马达分类
按马达转子端面线型的“头”数分类 ，
按
螺杆马达可分为单头和多头螺杆马达。多头
结
具有低转速、大扭矩特征。
构
按马达转子与定子头数的关系分类，目前
特
井下常用的为3/4、4/5、5/6等型螺杆马达。
冲洗液
冲洗液
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3.3.1 旁通阀总成
它主要由阀体、阀芯、阀套、弹簧、筛板、密封件、孔用挡圈组成。
弹
密封件
隔
筛
隔
挡
簧
板
板
板
圈
挡 圈
阀
阀
套
芯
阀 体
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3.3.2 防掉总成
它的作用是防止螺杆由于异常原因造成壳体断裂或脱扣避免落 井事故,同时使泵压升高, 使地面发现问题及时起钻。
泥浆
泥浆
防掉接头
防掉锁母
马达的输出扭矩M与马达的压降△P成正比，输出转速n与输入泥 浆量Q成正比，随着负载的增加，钻具的转速有所降低，因此在孔口 只要根据压力表控制压力，根据表盘控制泵的流量，就可以控制孔内 钻具的扭矩M和转速n。
定子
转子
113工作面一号联络巷 113工作面二号联络巷
东翼胶带巷
东翼回风巷 东翼轨道巷
槽运料11道3回风顺
瓣型万向轴采用数控切割技术制成，切口平行度高，粗糙度可达 6.3且不破坏金属化学成分，因此使用寿命高、机械损失小。
球传动万向轴采用球、杆、绞连接方式，工作面均进行特殊表面 处理并用橡胶套密封钢球运动部分，内部注入润滑脂来润滑摩擦副， 因此耐磨性、可靠性得到进一步提高，工作寿命相应延长。
花瓣型万向轴总成
钻头的转速；泵压可作为孔底工况的监视器，来 反映扭矩的大小，即钻压的相对大小。
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4.2 分支孔成孔工艺
分支孔
侧钻开 分支孔技术
分支孔 重入技术
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侧钻开分支孔技术：
根据开分支孔的发展过程可分为： 1）打水泥塞侧钻 2）可回收式裸眼封隔器/斜向器侧钻 3）悬空侧钻
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打水泥塞侧钻：
施工工艺为：在钻每一个分支孔前，在主水平孔相应位置打 一个一定长度（一般大于10m）的水泥塞，候凝48小时；修塞， 将水泥塞顶面修至侧钻点；下入由带单弯外管螺杆组成的导向钻 具进行定向钻进，直到开出新的分支孔；钻完一个分支后，将水 泥塞钻掉；重复上述步骤，钻另一分支孔。
征
分
按马达的“级”数即定子—转子运动副所
类
包含的定子导程的正倍数进行分类，单头多在
3级以上，多头多在2级以上。级数越多，马达
可输出的工作力矩值越大。
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3.1 螺杆马达分类
按公称直径分类
此分类方法便于设计制造部门和使用者根据钻孔外径要求选 择相应直径的螺杆马达，煤矿井下常用的小口径螺杆马达主要有 φ95（33/4）、φ89（ 31/2 ）、φ73（ 27/8 ）和φ54（ 21/8 ）等。
煤科院西安研究院承担国家级两大井下定向钻进项目，2008 年5月现场试验阶段应用螺杆马达配套机具和随钻测量系统，完成 了目前为止国内最深的1046m近水平受控定向钻孔，并侧钻进行 多个定向分支孔，真正实现了国产近水平钻进技术和设备机具的配 套
3
2 螺杆马达与稳定组合钻具优缺点对比
No
稳定组合钻具结构示意图
2
1 国内研究应用现状
90年代初期
煤科院西安研究院率先用螺杆马达组合进行煤矿井下近水平定 向孔施工，在大同局四台矿用于探测地质异常体，孔深达302.5m
90年代中期 2003年起 2005年起
先后引进9套千米钻机和螺杆马达配套机具用于井下近水平孔定
向施工，最深钻孔仅432.15m，孔径96mm
亚美大宁、寺河、白芨沟等矿先后引进澳大利亚VLD定向钻机 和螺杆马达配套机具，在国外专家指导下，于2005年和2007年分 别施工超过1000m主孔的定向孔两个，孔深为1005m和1023m， 并在主孔中进行多个分支钻孔施工
东翼胶带巷 东翼回风巷 东翼轨道巷
113 槽回 运风 料顺 道 113工作面一号联络巷 113工作面二号联络巷
113运输顺槽 2-1分支孔
1-2分支孔
1-3分支孔 113回风顺槽
2#主孔 1#主孔
1-1分支孔
3:4
5:6
7:8
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3.3.4 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。万向轴大多采用瓣形和球形。
主要由钻杆(普通 钻杆、细钻杆、 加重钻杆)、钻头 (造斜钻头、稳斜 钻头、阶梯钻头) 和稳定器组成
4
不同定向效果的稳定器结构:
5
测斜仪
无磁钻杆
旁通阀
马达
万向轴
传动轴
钻头
螺杆马达组合结构示意图
6
优缺点对比:
名称
稳定组合钻具
优点
成本低、结构简单、易于操作、 对冲洗液性能要求较低
螺杆马达
对倾角、方位角均能调节、实 时随钻测量精确高、定向效果 好、对设备能力要求较低
球传动万向轴总成
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球传动万向轴总成的组成：
承传 压动 球球
球 座
密 封 套
活 绞
锁 紧 套
连 杆
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可调弯壳体的组成:
上壳体
定位套
弯接头 下壳体
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可调弯壳体的调整：
煤矿用可调弯壳体可调角度范围一般为0°-3° 。
上壳体
定位套
下壳体
可调弯壳体
东翼胶带巷 东翼回风巷 东翼轨道巷
113 槽回 运风 料顺 道 113工作面一号联络巷 113工作面二号联络巷
定子
转子
113工作面一号联络巷 113工作面二号联络巷
东翼胶带巷
东翼回风巷 东翼轨道巷
槽运料11道3回风顺
113运输顺槽
1-2分支孔 1-3分支孔 113回风顺槽
2-1分支孔
1-1分支孔
2#主孔 1#主孔
密封舱
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3.3.3 马达总成
马达定子一个导程组成一个密封腔，也称为一级。每级额定工作 压降为0.8Mpa,最大压降为额定工作压力的1.13倍，如四级马达，额定 压降应为3.2Mpa,最大压降为4.52Mpa。压降超过此值马达就会产生泄 漏，转速很快下降，严重时会完全停止转动，甚至造成马达损坏，用 户应特别注意。