钻井工具

一、螺杆钻具的应用范围 螺杆钻具比较适合于钻各种弯曲半径的定向斜井，钻水平 井段和进行侧钻、分支井眼的钻进。 由于螺杆钻具的直径可以做得很小，长度也可以比较短， 并可以分成几节连结使用，因此在造斜的弯曲井段、在小直径 的井眼都可以方便地使用。在无法使用转盘或顶驱钻进的井， 螺杆钻具能发挥其功能。 螺杆钻具的转速与牙轮钻头、金刚石钻头都能很好地匹配， 可以选用不同的螺杆头数，得到不同的转速和扭矩，钻进的速 度比较高。 螺杆钻具可以与普通钻杆配合，也可以与连续油管配合使 用。 螺杆钻具的出现，使水平井、侧钻井、分支井、小井眼井 得到成功。
当高压泥浆进入腔室后流进转子和定子间的空隙。压 力迫使流体沿螺旋的空隙运动，就带动螺杆（转子）旋转。 流量越大，转速越快；压力越高，产生的扭矩越大。
马达转子的螺旋线有单头和多头之分（定子的螺旋线头 数比转子多1）。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。转子头数与定子头数比有 1：2；3：4；5：6；7：8；9：10 的马达，下图是几种典型 马达配合的截面轮廊：
第一节 螺杆钻具
在螺杆钻具出现之前，曾经使用过涡轮钻具作为井下 动力。涡轮钻具有一些固有的缺点，限制了它的应用。例 如，涡轮的直径较大，很难制造出直径小、功率足够大的 涡轮钻具；涡轮的转速很高，不能直接驱动钻头，往往需 要减速器进行减速，增加了装置的复杂性，降低可靠性。 因此，涡轮钻具除了在某些直井中使用过，在弯曲半径比 较小的定向斜井、小直径的井、水平井等处使用并不方便。 电动钻具所需要的电缆在泥浆环境中故障率较高，不适应 于较深井，也没有得到推广。现在广泛使用的是螺杆钻具。 螺杆钻具是以泥浆为动力的一种井下工具，用钻井泥 浆驱动螺杆旋转，带动钻头破碎岩石。
转子 定子 橡胶 衬套 定子 壳体
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，这就是螺杆马达的基本工作原理。
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1.3倍， 如四级马达，额定压降应为3.2MPa,最大压降为4.2MPa。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。 为了确保马达的密封效果，转子与定子之间的配合尺寸 与不同井深的温度有关,因此在选择钻具时应尽可能准确地提 供给厂家钻具应用场所的井温情况，以便推荐使用松紧配合 状态适合的马达。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，甚至马达磨损加快。 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，随着负载的增加，钻具的转速有所降低，因 此在地面只要根据压力表控制压力，根据流量计控制泵的流 量，就可以控制井下钻具的扭矩和转速。
花瓣型万向轴总成
球传动万向轴总成
球传动万向轴总成的组成见下图。
承 压 球 活 绞
传 动 球
球 座
密 封 套
锁 紧 套
连 杆
可调弯壳体结构见图。可调弯壳体可调角度范围有 0° ～2°、0°～3° 、0°～4°。
上壳体 定位套 弯接头
下壳体
上壳体
定位套
下壳体
可调弯壳体
1.5°
0°
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。传动轴总成有两种结构： 钻头水眼压降为7.0MPa，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（如下图）： 钻头水眼压降为14.0MPa，采用硬质合金径向轴承和金刚 石复合片（PDC）的平面止推轴承，其寿命更长、承载能力更 高。
钻头螺纹
连接螺纹 钻头水眼压降 流量 钻头转数 马达工作压力降 马达最大压力降 工作扭矩 最大扭矩
65/8 REG
65/8 REG 200-1000 psi 300-590 gpm 77-141 rpm 466 psi 659 psi 3704 ft-lb 4920 ft-lb
中空 转子
2、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 簧 密封件 隔 板 筛 板 隔 板 挡 圈
挡圈
阀 体 阀 套 阀 芯
它有旁通和关闭两个位置，在起下钻作业过程中处于旁通位 置，使钻柱中泥浆循环绕过不经过马达进入环空，这样起下钻时 泥浆不溢于井台上。 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，使其转变成机械能。 当泥浆流量值过小或停泵时，所产生的压力不足以克服弹簧 力和静摩擦力时，弹簧把阀芯顶起，旁通阀孔又处于开启位置。
1LZ203Bx7.0- Ⅷ L 技术参数：
钻具参数 公称直径 马达头数 马达级数 井眼尺寸 钻头螺纹 英制 8 in 1:2 4 97/8-121/4 in 65/8 REG 公制 203 mm 1:2 4 251-311 mm 65/8 REG
连接螺纹
钻头水眼压降 流量 钻头转数 马达工作压力降 马达最大压力降 工作扭矩 最大扭矩 功率
二、螺杆钻具的原理 螺杆钻具是以泥浆为动力的一种井下工具，由传动轴总成、 马达总成、万向轴总成、防掉总成和旁通阀总成五大部分组成 。 见下图。 泥浆泵输出的泥浆，流经旁通阀进入马达，在马达进出口 形成一定压差推动马达的转子旋转，并将扭矩和转速通过万向 轴和传动轴传递给钻头。 螺杆钻具的马达是一种新型的内啮合回转式容积马达。主 要工作部件是偏心螺杆（转子）和固定的衬套（定子）。
工作钻压
最大钻压 钻头至弯点距 钻具全长
33000 lb
44000 lb 69 in 266 in
15 T
20 T 1752 mm 6760 mm
5LZ203Bx7.0- Ⅷ LL 技术参数：
钻具参数
公称直径 马达头数 马达级数 井眼尺寸
英制
8 in 5:6 4 97/8-121/4 in
公制
203 mm 5:6 4 251-311 mm
工作钻压
最大钻压 钻头至弯点距 钻具全长

22000 lb
37400 lb 69 in 266 in
10 T
17 T 1752 mm 6760 mm
5LZ203Bx7.0- Ⅷ L 技术参数：
钻具参数 公称直径 马达头数 马达级数 井眼尺寸 钻头螺纹 英制 8 in 5:6 4 97/8-121/4 in 65/8 REG 公制 203 mm 5:6 4 251-311 mm 65/8 REG
a.7.0MPa传动轴总成
b.14.0MPa传动轴总成
传动轴总成的组成部件见图：
串轴承 键 上TC静套 上TC动套 水帽
壳 体
隔套
锁母
下TC静套
下TC动套
传动轴
为了适应钻井的需要，螺杆钻具的传动轴总成的外壳上 配有不同种类的稳定器，有固定式的和可换套式的。稳定器 的扶正条形式多种多样，用户可根据钻井工艺的需要选择使 用。
1:2
3:4
5:6
7:8
9:10
三、螺杆钻具的结构 由传动轴总成、马达总成、万向轴总成、防掉总成和旁通阀 总成五大部分组成 。螺杆钻具的性能主要取决于马达总成。 1、马达总成 马达总成由定子外壳、转子和橡胶套组成，见下图。 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。
传动轴总成
万向轴总成
防掉总成
马达总成
旁通阀总成
以单头螺杆为例说明 螺杆钻具的工作。 马达的外壳是定子， 其截面的形状见图。内腔 是螺旋状的、两端带半圆 弧的柱体。 内腔里有螺杆，是转 子。螺杆的形状见图。螺 杆是圆柱体，弯曲成螺旋 状。 转子放在定子内，由 于形状不一致，就在定子 和转子之间有空间。
钻井工具
授课人：王德新
目 录
第一章 钻头
第一节 牙轮钻头 第二节 金刚石钻头
第二章 钻具和其它常用管具
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 钻杆 钻铤 方钻杆 套管 常用油管 吊卡 吊钳 吊环 卡瓦 其它工具
第三章 钻井井口工具
第四章 井控装置
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 闸板防喷器 环型防喷器 旋转防喷器 防喷器控制装置 钻具内防喷装置
连接螺纹
钻头水眼压降 流量 钻头转数 马达工作压力降 马达最大压力降 工作扭矩 最大扭矩 功率
65/8 REG
200-1000 psi 300-590 gpm 77-141 rpm 466 psi 659 psi 3704 ft-lb 4920 ft-lb 133 hp
65/8 REG
1.4-6.9MPa 1113-2225 lpm 77-141 rpm 3.2 MPa 4.25 MPa 5022 N.m 6700 N.m 99 Kw
直棱稳定器
三瓣偏心稳定器
三瓣、五瓣螺旋稳定器
三瓣、五瓣球型稳定器
可换套式的稳定器：
可换稳定器套筒
四、螺杆钻具的规格型号 螺杆钻具型号说明 见图。
例：型号为 5LZ165×7.0 L的螺杆钻具表示为转子头数与定 子头数比为5﹕6的、外径为165mm螺杆钻具，钻头水眼压降为 7.0Mpa。 L是制造商的代号。
第五章 井下动力钻具和工具
第一节 螺杆钻具 第二节 空气锤
第五章 井下动力钻具和工具
井下动力钻具和某些带有井下动力的工具是钻某些特 殊井所使用的专用工具。这些工具的出现，是一些高难度 油井的钻井成功的保证。 井下动力钻具有早期的涡轮钻具、电动钻具以及现在 成熟和广泛应用的螺杆钻具。空气锤是带有动力性质的井 下工具。它们的出现，解决了很多钻井的难题，为推动钻 井技术的发展做出了贡献。 但是，这些工具出现的比常规工具要晚，还有很多不 完善的地方，所以现在系列化和标准化的工作还在进行。 各国和各生产厂是按照自定的规格标准生产的。将来会随 着产品的成熟和大量生产，完善的标准产品会出现。