井下工具方向教案螺杆钻具

（3）、整机尺寸过长，单式涡轮钻具的力矩
太小，不能产生足够的钻井动力， （4）、单位长度产生的能量与钻具直径成5
次幂关系，随着井眼直径的减小，小尺寸涡轮钻 具发出的功率急剧降低。
（5）、复式涡轮钻具的装配和调整麻烦，辅 助工作时间长。
近年来石油大学、江汉石油学院在涡轮钻具的 研究和试验方面作了大量工作,研制了几种新型涡 轮钻具，使涡轮钻具的结构性能、使用寿命有了较 大提高，我国研制的涡轮钻具技术的特点是：
2、 螺杆钻具的基本原理与结构特征
工作原理：螺杆钻具是一种以液体为动力，把 液体的压力能转化为机械能的井下动力工具。当动 力液进入液压马达，迫使转子在定子中转动，在液 压马达的进出口生产一定的压差，推动液压马达的 转子绕定子轴线作行星运动，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。
(2)、马达总成 马达是螺杆钻具的动力部件，马达是由定子和转子 两个基本部分组成的单螺杆容积式动力机械。
马达转子的螺旋线有单头（N=1）和多头（ N≥2）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。
根据马达线型理论研究结论可知，转子线型和 定子线型是一对摆线类共轭曲线副，常用的马达转 子若为N头摆线线型，则定子为N+1摆线线型；转子 和定子曲面的螺距相同，导程之比为N/（N+1）。
1）、螺杆马达的工作原理的进一步介绍
螺杆马达的转子实际上是一个螺旋外齿轮， 而定子则是一个螺旋内齿轮。马达横截面上的共 轭曲线副。马达的轴向长度远大于截面尺寸，所 以称转子为一个螺旋杆，定子为一个有螺旋型腔 的套筒更为形象化。
1）、理论特性
单螺杆马达是典型的容积式机械，在不计损 失时，根据容积式机械工作过程中的能量守恒， 在单位时间内钻头输出的机械能（MTωT ）应等于 单螺杆马达输入的水力能（△pQ ），则有：
MTωT = △pQ
（6）
根据容积式机械的转速关系，有
（7）
由以上两式及
可得出；
（8）
和
（9）
式中： MT—马达理论转矩；
2)、螺杆钻具结构 螺杆钻具由四个部件组成，从上至下依次是： (1)旁通阀总成；(2)马达总成；(3)万向轴总成； (4)传动轴总成。
(1)、旁通阀总成 旁通阀的作用是在停泵时使钻柱内空间与环空沟 通，以避免起下钻和接换单根时钻柱内钻井液溢出污染 钻台，影响正常工作。 旁通阀由阀体、阀套、阀芯及弹簧等部件组成。
● 井下马达工作时向右旋转。 ● 施加在钻头的扭矩越大，马达越会向左旋 转。 ● 钻具起钻过程类似常规钻具起钻操作。 ● 起出井下马达后应认真检查旁通阀总成， 并把钻具内的钻井液徘净，尽可能冲洗清洁，正常 维护保养后待用。
3）故障分析与排除
6、 螺杆钻具的外特性分析 螺杆的工作特性，即外特性，包括理论工作特性 和实际工作特性。了解和掌握螺杆钻具的外特性，对 于正确选择和使用螺杆钻具至关重要。
我国的螺杆钻具生产在80年代中后期才形成一 定规模，目前，常规螺杆钻具已规格化系列化，各 主要厂家如大港、北京、德州、潍坊的产品已覆盖 国内绝大部分市场。
2）、涡轮钻具
涡轮钻具与电动钻具相比，输出性能柔和，转速稍 低(约800r/min)，无特殊的绝缘和密封要求，制造精度 容易保证，使用操作相对简单，因而受到油田井队的欢 迎。特别是复式涡轮钻具的出现，以及后来的带独立支 承节涡轮钻具定型产品的推广，使机械钻速和每米钻井 成本等技术经济指标大大超过了电动钻具。
4、螺杆钻具的表达方式
5、螺杆钻具的应用 1）影响螺杆粘具性能的主要因素 ● 钻井液 ● 钻井液流量 ● 钻井液压力降与钻压 ● 扭矩 ● 钻头水眼
2）使用方法及其注意事项 ● 根据钻修井条件选用合适的钻具类型和合理 的技术参数，以提高螺杆钻具的工作效率。 ● 下井前应认真检查两端连接丝扣和台肩及外 壳体有无变化，旁通阀是否灵敏好用。
一、螺杆钻具 1、概述 1）螺杆钻具
螺杆钻具又称定排量马达， 使一种容积式井下动力钻具（如图）， 是目前最广泛使用的一种井下动力 钻具，主要用于定向井、水平井 的造斜及扭方位施工，一部分也 用于直井反扣或侧钻作业中。
美国50年代中期开始研制螺杆钻具，1962年 用于生产，主要生产的有迪纳钻具(Smith公司)、 纳维钻具( Christensen公司)和波斯钻具，其基本原 理都是基于容积式马达，只是内部结构和技术参数 略有不同。
随着油气勘探开发形势的发展，钻井技术在不 断发展，推动着螺杆钻具技术水平也在不断逐步进 步和提高。综观其发展过程和发展趋势，其方向可 基本概括为：长寿命，高转速，多功能。
（1） 、长寿命 延长螺杆钻具的工作寿命，使其在井下能长 时间可靠地工作。具体表现为以下几个方面： ● 马达定子橡胶材料和硫化工艺的改进。 ● 万向轴结构类型与质量的改进。 ● 传动轴轴承节结构及轴承质量的改进。
60 q
v
（12）
N0 NT pQ （13）
式中 C—马达的转矩系数。
C
m (1
p1 p2
)
m
p p2
（14）
7、 螺杆钻具的参数计算 在简要分析螺杆马达工作原理的基础上，推证 螺杆钻具一些参数的计算公式。 螺杆马达的每转排量q、扭矩M、转子轴向力G、 马达最小长度L、万向轴内载荷循环频率等，以作为 讨论螺杆钻具设计要点的基础。
但是，随着密封牙轮钻头的发展和喷射钻井技术水 平的提高，涡轮钻具暴露出了如下四大致命弱点：
（1）、输出转速高，超过了牙轮钻头的最佳额定 工作转速范围(100~270r/min)。
（2）、压力降消耗大(为6.0~8.0MPa)，降低了钻 头的水马力，影响了井底清洗和钻头破岩效率，无法保 证牙轮钻头喷射钻井所需的水力功率。
T —钻头理论角速度；
nT —钻头理论转速，即马达输出的自转转速；
p —马达进、出口的压力降；
q —马达每转排量，它是一个结构参数，仅与线
型和几何尺寸有关； Q—流经马达的流量，即排量；
NT —理论功率
分析式（7）式（8）式可得如下重要结论： ● 螺杆钻具的转速只与排量Q和结构有关，而与工况无关。 ● 工作扭矩与压降和结构有关，而与转速无关。 ● 转速和力矩是各自独立的两个参数。 ● 螺杆钻具具有硬转速特性和良好的过载能力。 ● 泵压表可作为井底工矿的监视器。 ● 转速随排量的变化而线性变化，因此可通过调节排量很容 易地进行转速调节。 ● 工作扭矩与转速均与结构有关，增大马达的每转排量，可 获得适合于钻井作业的低速大扭矩特性。
（2）、大扭矩
● 降低螺杆钻具的输出转速以匹配牙轮钻头；Байду номын сангаас● 提高扭矩以满足钻井需要，于是产生了多头螺杆 钻具。
（3）、高转速 一般钻头转速越高，机械钻速越 ，单头马达或头 数较少的串联马达及加长马达，配用优质牙轮、金刚石
或PDC钻头、达到大扭矩条件下的较高转速 。
（4）、多动能 开发不同结构特征和工作特性的螺杆钻具，形成多功能的 不同钻具品种。 ● 弯螺杆 ● 可调弯螺杆 ● 地质导向测传马达 ● 短半径造斜马达 ● 中空螺杆马达 ● 螺杆—涡轮串联马达 ● 高温型螺杆钻具
① 系统研究了涡轮钻具叶片优化设计，基本 形成了以低压降、大扭矩为特点的涡轮钻具的设计 体系；
② 采用无橡胶件的TC扶正轴承，以适应涡轮 钻具在高温井底条件下的钻井；
③ 改善了轴承受力条件并提高轴承寿命，现 有轴承寿命超过100h；
④ 设计了带齿轮减速器的涡轮钻具，消除了 常规涡轮钻具的低扭矩、高转速等不利因素。
马达中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。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。
(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，同时把马达产生的工作扭矩及转速传递 给传动轴和钻头。
§5、 井下动力钻具
井下动力钻具在提高机械钻速、增加单只钻头 进尺、减少每米钻井成本、实现井身轨迹定向控 制和快速准确中靶以及确保井身质量和钻井安全 性等方面，与传统的转盘钻井相比，具有极大的 优越性。
目前，国内外开发和利用的井下动力钻具主 要有三种，一是容积式螺杆钻具，二是叶片 式涡轮钻具，三是电动钻具。
随着定向井数目的增加，20世纪70年代，人 们对螺杆钻具的兴趣与日俱增。多头螺杆钻具逐 步取代单头螺杆钻具成为主导产品。更多的国外 钻井设备公司，特别是斯伦贝谢、贝克和克里斯 坦森等公司，都开始制造自己的多头螺杆钻具。
我国是在20世纪70年代末期开始开始研制多头 螺杆钻具。现在，我国已有十余家工厂可以生产螺 杆钻具，而且随着我国定向井技术的普及和推广， 国产螺杆钻具已成为主要的钻井工具。
万向轴总成由两个元件组成：壳体和万向轴。壳 体通过上、下锥螺纹分别和马达定子壳体下端及传动 轴壳体上端相连接。
直螺杆钻具的万向轴壳体无结构弯角，而弯壳体 螺杆钻具的万向轴壳体则是一个带有结构弯角的弯壳 体。
(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。 它由壳体、传动轴、 上部推力轴承、下部推 力轴承、径向扶正轴承 组及其他辅助零件总装 组成。
优点：直流电动钻具具调速范围宽，过载 能力强，功率利用率高，井下信息的通讯容量 大，井眼轨迹控制精度高，可适应在重钻井液 条件下工作。
缺点：电动钻具的输出转速在1200r/min 以上，多级减速器结构复杂，可靠性差，井下 电动机的绝缘和密封性能要求高。电枢绕组失 效后，修复困难。
4）、螺杆钻具的发展概况及趋势 螺杆钻具的诞生和发展的历史要迟于涡轮钻具。 在50年代中期以前，前苏联80%以上的油井是用涡 轮钻进的。美、英等西方国家在螺杆钻具问世前，绝大 部分的油井是用钻盘钻成的。 20世纪30年代，法国工程师根据阿基米德螺旋泵的 研究成果设计了单螺杆泵。1955年，美国戴纳公司在单 螺杆泵的基础上研制开发单螺杆钻具，于1968年起开始 出售产品。