井下电动钻具
石油钻井设备与工具-王镇全 第二节 螺杆钻具
定子
转子 转动 方向
封线，形成一Байду номын сангаас一个的密封空
腔。 当具有一定能量的压力液
进入转、定子形成的密封腔，
并从马达的一端流到另一端时， 推动转子在定子中转动，将液 压能转换为机械能，这就是螺 杆马达的基本工作原理。
液流
万向节
3、螺杆马达的机械特性分析
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
1.2 井底温度
型有一定要求外，还要求转子与定子的长度须不小于最小
限度，即最小长度要大于螺距。 转子轴线和定子轴线间有一距离，称为偏心距，一般 以e 表示。
2 、工作原理
螺杆钻具是一种容积式(液压式)机械，其理论基础基于帕斯卡原 理.。
P1>P2
P2
P1
转子和定子具有特殊的啮
合结构，啮合点沿轴向经大于 一个螺距的距离后形成螺旋密
能转换为机械能。
特殊说明
旁通阀不是螺杆钻具工作时的必须部件。在
水平钻井中，为了防止停泵时环空钻井液内的岩 屑从旁通阀的筛板进人马达，往往不装旁通阀， 或把旁通阀的弹簧取出来使旁通阀呈常闭状态， 而在直井段的钻柱上安装一个钻柱旁通阀，来代 替钻具旁通阀的作用。
二、马达的结构及工作原理
1、马达的组成及结构简介
速大扭矩特性。
三） 万向轴总成
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， 而弯壳体螺杆钻具万向轴壳体则是一个带 有结构弯角的弯壳体。
万向轴有几种不同的结构形式， 例如应用最普遍的为瓣型连接轴和挠 性连接轴(有一定柔度、上下两端为 连接螺纹的光轴）以及其他形式的万 向轴。万向轴的上端和马达转子下端 相连，而下端则和传动轴上端的导帽 相连。
常用井下作业工具
螺杆钻具
工作原理：通过螺杆的旋转 和推进，实现钻孔和取芯
结构特点：由螺杆、钻头、 钻杆等部件组成
应用范围：广泛应用于石油、 天然气、地热等井下作业
优点：效率高、操作简便、 适应性强、使用寿命长
井下作业工具的使
04
用方法
钻头的使用方法
添加标题
钻头选择：根据井下 地质条件选择合适的 钻头类型
添加标题
考虑操作安全：选择操作简 单、安全可靠的工具
注意操作安全
确保工具质量合格，符合安全标准 操作前检查工具是否完好，有无损坏 操作时遵守操作规程，避免违规操作 定期对工具进行维护和保养，确保其性能稳定 操作过程中注意观察工具状态，发现异常及时处理 操作结束后，及时清理现场，确保安全
注意工具的可靠性
螺杆钻具的使用方法
检查螺杆钻具各部件是否完好， 确保钻具正常工作
连接钻具与钻机，确保连接牢 固可靠
启动钻机，调整钻具转速和扭 矩，确保钻具正常工作
钻具下放至井底，开始钻井作 业，注意观察钻具工作情况， 及时调整钻具转速和扭矩
钻具钻至预定深度后，停止钻 井作业，将钻具提至井口，进 行接至钻机，准备下一次钻 井作业
,
常用井下作业工具
汇报人：
CONTENTS
目 录
01 单击添加目录标题
02 井下作业工具的种类
03 常用井下作业工具的特点
04 井下作业工具的使用方法
05 井下作业工具的维护与保养
06
井下作业工具的选择与使用 注意事项
01
添加章节标题
井下作业工具的种
02
类
手动工具
手动钳子：用于夹持、 剪切、弯曲等操作
液压扩张器：用于扩张或收缩物体
井下电动钻具的现状及发展
尔、 古雪夫 、 阿塞拜疆 、 土库曼 、 乌克兰等石油联合
公 司试用 电动钻具 ， １６ 从 ９３年到 １７ ９８年 ， 电动 钻 具 的总进 尺达 到 ４０×１ ５ ０ ｍ。 从 １８ ９ ５—１９ ９０年 ，前 苏 联 电动 钻 具 的平 均 年 进尺 为 ５ ０×１ ０ｍ。从 １８ ９ ６—１８ ９ ８年 ，电动 钻 具 的 故 障平均 间 隔时 间为 ９ ， ０ｈ 而导 线 接头 损坏 的次 数 每一 千米 少 于一 次 。１ ２套 最好 的 电 动钻 具 故 障 平
钻井实践 。苏联是世界上为数不多的几个使用电动
钻具 的国家之 一 ， １３ 就研究 成 功 电动钻 具 遥 在 ９７年 测 系统 （ 随钻检 测 系统 ） 并开 始 应用 。１６ ， ９ ３年 苏 联 成立 了电动钻 具设 计 及 工 艺 局 ， 在 苏 联 的 巴什 基 并
二 、 下 电动 钻 具 的 结构 和 工 作 原 理 井
力 钻 具 的 发 明 已有 １ ０多年 历 史 ， 由于 受 到 技 术 水 平 的 限 制 ， 下 动 力 钻 具 直 到 最 近 几 年 才 引起 国 际 钻 井界 的 ０ 但 井
关注。文章介绍 的是俄 罗斯 （ 苏联 ） 美 国在 井下 电动钻具 方面的研 究和使 用资料 。 前 及
关 键 词 ： 电动 钻 具 ；结 构 ；工作 原 理
（ １西南石 油 大 学机 电工程 学 院 ２辽 河 油 田物 资公 司 ３中国石 油塔 里 木 油 田分 公 司 ）
刘 春 全 等 ．井 下 电 动 钻 具 的现 状 及 发 展 ． 采 工 艺 ，０ ８ ３ （ ） １５一ｌ７ １４ 钻 ２ ０ ，１ ５ ：１ １ ，２
新型无扭矩井下电动钻具设计
［ ３ ］ 刘春 全 ， 徐 茂林 ， 汤平汉 ， 井 下 动 力钻 具 的现 状 及 发 展 ［ Ｊ ］ ． 钻 采 工
艺． ２ ０ ０ ８ ．
１ 、 ３ 一 圆锥 齿轮 （ 主动 轮 ）２ 一 圆锥 齿轮 （ 从 动轮 ） 图 ２ 双 主动 轮 圆锥齿 轮 组合 结构 的啮 合 图
服 钻 柱 受扭 变形 这 一缺 陷。 文章介 绍 了一种 可 抵 消钻 柱 所 受扭矩 的井 下 电动 钻具 ， 该 电动钻 具 采 用对 称安 装 的 两个 井 下 电机提 供 破 岩动 力 ， 利 用 双主 动轮 圆锥 齿轮 组 合作 为 动 力传 输介 质 ， 破 岩过 程 中， 两 个 电机 同 时驱 动各 自所联 接 的 圆锥 齿轮 沿相 反 方 向 转动 ， 转 动过 程 中两 个 电机 所 承 受 的扭 矩在 水 平 方向 上 大 小相 等 、 方 向相反 ， 两者 在 井 下相 互抵 消 ， 减 小钻 杆 所 受扭 矩 。 关键 词 ： 钻柱 ； 受扭 变形 ； 井下 电动 钻 具
科技创新与应用 ｌ ２ ０ １ ４ 年 第５ 期
科 技 创 新
新型无扭矩井下 电动钻具设计
陈 鹏 银 进 康 博 吴 雪 锋
（ 西南石油 大学 石油工程学院 ， 四川 成都 ６ １ ０ ５ ０ ０ ） 摘 要： 井下电动钻具以其独特 的井口一 井底能源信 息传输功能， 实现 了－ ￣： ｔ ｔ － 自动控制 ， 然而现有 的井下电动钻具仍 不能完全克
ｌ背 景
圆轴扭 转 时 的变 形标 志 是 两个 横 截 面 间 绕轴 的相 对转 角 ， 这 也 就 是扭 转 角 。计算 公 式 如下 ：
＝ 一
Ｇ Ｉ
（ １ ）
其 中： ‘ ｐ 一 圆轴 两 个横 截 面 间绕 成 的相 对 转 角 ； Ｔ 一 两 截 面 之 间 的 扭矩 ； ｌ 一 两个截面之间的距离 ； Ｉ 截 面极惯性矩 ， 且对 于圆轴有 ：
螺杆钻具
第二节第节螺杆钻具(中国石油大学谭春飞主讲)目录一、概述1.井下动力钻具简介2.井下动力钻具发展概述3.井下动力钻具分类3井下动力钻具分类二、螺杆钻具简介、结构及分类1.螺杆钻具简介1螺杆钻具简介2.螺杆钻具结构3螺杆钻具分类3.螺杆钻具分类三、螺杆钻具各部分的工作原理1.旁通阀总成1旁通阀总成2.螺杆钻具马达部分万向轴总成3.万向轴总成4.传动轴总成一、概述1.井下动力钻具简介将动力发动机置于井底直接与钻头相联驱动钻头破碎岩石进行钻井的井下动力装置，称为井下动力钻具。
这种钻井方式称为井下动力钻具钻井。
特点：1)井下动力钻具钻井时，钻杆不转，只承受钻头的反扭矩，这样可1)井下动力钻具钻井时钻杆不转只承受钻头的反扭矩这样可改善钻柱的受力状况，减少钻柱与套管之间的磨损；2)井下动力钻具与转盘钻井相比，转速快，有利于提高机械钻速；3)可实现井身轨迹的定向控制。
4)可与转盘复合，实现复合钻井。
不仅可以实现旋转或滑动钻井，还可提高钻头转速，提高钻井速度。
还可提高钻头转速提高钻井速度2.井下动力钻具发展概况井下动力钻具发展概况世界上第个井下动力钻具的专利于1873年注册于美国，比转盘钻世界上第一个比转盘钻井的提出还早11年；但其真正应用是在20世纪20、30年代的前苏联。
前苏联作为全球主要应用涡轮钻具钻井的国家，在20世纪50年代中期以前，作为全球主应涡轮钻钻井的家在纪年代中期前前苏联80%以上的油井是用涡轮钻具钻成的。
20世纪30年代，法国工程师根据对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(Dyna)在单螺杆泵的基础上研制开发单螺杆钻具，于1958年起开始出售商品，一时占领世界市场。
1966年，前苏联的苏井科学技研究院开始研制多头螺具全苏钻井科学技术研究院VNIIBT开始研制多头螺杆钻具。
井下动力钻具发展概况2.井下动力钻具发展概况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。
定向井专用工具解读
(7)、导向总成
导向钻具有单弯钻具和双弯钻具两种。 导向单弯钻具，是在马达下部设置一带角度的短 节，从而使弯曲点尽可能靠近钻头，提高造斜率。 导向双弯钻具，是在单弯钻具的基础上增加一弯 接头，以提高造斜性能，根据其弯曲方向、度数 及联接部位可有多种组合方式。
2、钻具规格及技术参数
(1)钻具表牌说明 (2)技术参数
（7）钻具轴承间隙要求
钻具经过一段时间的使用，必须进行检修，否则 将影响钻具的再次下井使用，判断钻具能否继续 下井使用的一般方法是：钻具除在井口试验正常 外，还要看其推力轴承的磨损程度，可测量主轴 的轴向窜动量，窜动量要在额定范围之内，否则， 钻具必须进行维修。测试方法如下：(如下图)
首先，将钻具用吊卡吊起来，测量并记录不转 动部分的最下端一下径向轴承的下端和驱动接 头之间的间隙尺寸D1。 然后，将钻具座在转盘上，用钻具自身重量压 缩轴承总成，测 量并记录不转动部分的最下 端和驱动接头之间的间隙尺寸D2。 D1—D2即为推力轴承间隙值，见表1。
d.地面检查结束后，用吊钳卡住驱动接头，用 钻头盒将钻头和钻具上紧扣，卸下方钻杆，按 设计的钻具组合把各联接件上紧，要防止粘扣、 错扣，应保证传动轴驱动接头相对于上面的壳 体反时针转动，以防止钻具内部的零件松扣或 脱扣。 使用定向弯接头时，定向弯接头带的定位键必 须和工具面对正，如果在钻头和传动轴之间加 转换接头，建议其长度不超过 250mm 长，否则 将影响轴承寿命及造斜效果，甚至损坏传动轴。
a．组合推力轴承：
用以承受工作状态时的钻压，马达、钻头水眼压 降产生的轴向力及转子、万向轴、传动轴、钻头 重量等各轴向力的合力。
b．径向滑动轴承
它分为上、下两组，主要作用是承受转子作行星 运动引起的弯曲载荷和钻头转动时产生的侧向力， 上径向轴承对钻井液起限流作用，它允许马达流 出钻井液的 5—10％通过轴承组件，起着冷却和润 滑轴承的作用。
俄罗斯井下电动钻具1
1787 1891 2090
2105
2059 2064 1481
1727
质量(кg)
140
210 310
330
425
460 720 432
494
18
2.4减速器
19
参数
164
钻头直径（mm）
187.3 190.5
钻探深度（米）
6000
最大轴负荷（千牛） 250
功率（KW）
55
65
电压（V）
1100
11
2.3井下电动钻具结构
电钻总成示意图： 1、电缆引入端, 2、补偿装置, 3、上密封;, 4、绕组; 5、定子, 6、转子, 7、下密封;
12
2.3电动钻具结构
8、连接接头； 9、止推球轴承节； 10、补偿器； 11、轴; 12、主轴密封； 13、接头； 14、钻头； 15、阀； 16、塞子； 17、观察窗。
4
1.2 俄罗斯电钻技术的发展历史
1937年，电动钻具遥测系统（随钻检测系统） 进行了试验并开始应用。 苏联在巴什基尔、古比雪夫、阿塞拜疆、土库曼、 乌克兰等石油联合公司推广使用电动钻具，由于 电动钻具打定向井中靶率高，以丛式井为主的秋 明油气总局也使用电动钻具。
1973年前后电动钻具的年进尺为25 ～ 27万米。 1963～1978年电动钻具的总进尺约450万米，
100
250
35
55
750
850
1297
1350
430
——
145
——
——
138
0.77/1.68
——
1.35/3.00
——
—— 10100
2.6/5.2 9694 21
石油钻采机械概论——井下动力钻具(2003版本)
发展
• 1.国外井下动力钻具的发展具有品种类型趋于统一、 性能参数基本一致的趋势。产品可 • 分为低速大扭矩井下动力钻具、中高速大功率井下 动力钻具和中高速短长度井下动力钻具三 • 大类型。 • 2.外径大于120mm的井下动力钻具的系列化尺寸主 要有127mm、172mm、195mn、240mm和260mm五 种规格。 • 3.重视辅助配套技术的完善，不断提高产品的使用 可靠性和技术经济效益。应用新材日、新工艺和新 设计，争创产品特色，是国外井下动力钻具发展中 的基本特征
发展
• 1977年，聚晶金刚石（PDC）钻头在北海油田 问世，加速了井下动力钻具的发展。 • 80年代，井下动力钻具、聚晶金刚石(PDC)钻 头和随钻测量（MWD）系统这三大技术工具 得到了高速发展和广泛应用，特别是这三者的 有机组合体——井下动力钻具导向钻井系统的 问世，极大地促进了丛式井、大斜度井和大中 曲率半径水平井的开发，使西方国家的水平井 钻井成本普遍降低60%一70%，被誉为钻井技 术史上的重大变革
叶片钻具
• 这种钻具具有单向离合器的功能，当压力中断 时可以用转盘通过钻杆直接驱动钻头旋转
• 实践表明，叶片钻具使用效果良好。井下定向 控制方便，不仅可用于大斜度井和小曲率半径 水平井，而且还适用于深井和高温井，在各种 高压钻井液中均能有效地工作。
• 目前，叶片钻具主要在北海油田与帝国石油工 具公司合作的承包商的承包区内大量使用，尚 未超过合同规定的对外保密年限
• 优势：井下动力钻具在西方发达国家已被 确定为定向井、丛式井、大斜度井、水平 井和抢险救援井的最佳钻井工具之一
术语
• 进尺：钻进获得以米为度量单位的长度数 值。一个作业班(8小时)内的钻进长度，称 为班进尺，此外有日进尺、月进尺、年进 尺等；一个钻头所钻的总深度，称钻头进 尺；进尺是钻探或钻井的工作量指标，是 钻探计划、统计、核算、定额等的一个基 本项目 • 压力降：压力降指的是压差，一般指流体 经过某容器或设备等所损失的压力。
螺杆钻具
螺杆钻具一、概述螺杆钻具是一种井下动力钻具，它是由高压泥浆驱动的容积式井下动力钻具。
具有结构简单、过载性能好、在小尺寸时能得到大的扭矩和功率的特性已广泛应用在定向井和直井中。
螺杆钻具根据需要可做成直壳体和弯壳体，弯壳体螺杆钻具具将在《定向井和水平井工具》一章中介绍。
直壳体螺杆钻具加上弯接头也常用于定向井和水平井的钻进。
本节介绍的是直壳体螺杆钻具。
二、型号表示方法三、结构、工作原理。
1、工作原理螺杆钻具是以钻井液为动力的一种井下动力钻具。
泥浆泵泵出的钻井液流经旁通阀进入马达，在马达的进、出口形成一定的压力差，推动马达的转子旋转，并将扭矩和转速通过方向轴和传动轴传递给钻头。
其性能主要取决于马达的性能参数。
2、螺杆钻具的结构螺杆钻具主要由旁通阀、马达、万向轴和传动轴等四大部件组成。
（1）旁通阀它是为了使钻井液绕过马达，从而起下钻时可让钻井液不溢于井台上。
当无循环或低泵量循环时，弹簧使阀芯处于上部位置，此时旁通阀处于开启位(见图1)。
当流经活塞的钻井液流量达到一定值时，阀芯处于下部，旁通阀被关闭，此时钻井液流过马达。
（2）马达它是由具有螺旋形内腔的硫化橡胶定子和螺旋形的转子组成(见图2)。
转子和定子的形状和尺寸沿轴向形成螺旋密封线，构成马达的密封容腔。
随着转子在定子中的转动，容腔沿着轴向移动，不断生成和消失，完成其能量转换，这就是螺杆马达的基本工作原理。
（3）中空转子马达为了增加钻头的水马力和泥浆的上返速度及保护马达的使用寿命，将转子加工成为带喷嘴的中空转子。
此时马达的总流量应等于流经马达密封腔流量和流经转子喷嘴流量的总和。
为了达到理想的钻井参数，用户可以按以下计算方法选用中空转子的喷嘴：1)根据泥浆上返流速的要求，确定泥浆泵的输出流量Q。
2)流量Q进人马达时分两路，通过马达螺旋容腔的流量为Q m，通过中空转子喷嘴的流量Q P。
即 Q=Q m+Q p所以 Q m=Q-Q m设定马达转速n值计算Q m值Q m=nq／(60﹠) (L／S)或 n=60Qm﹠／q (r／min)容积效率小﹠取0.90。
定向井常用井下工具
定向井常⽤井下⼯具油⽥技术－定向井⼯程师序列培训讲义（T2－21）第⼀部分定向井常⽤井下⼯具的分类1、泥浆马达（PDM）2、旋转导向⼯具3、扶正器（STB）4、⾮磁钻铤（NMDC）5、悬挂短节（HOS）6、短⾮磁钻铤（SNMDC）7、浮阀（F/V）8、定向接头（O/S）9、挠性短节（F/J）10、震击器（JAR）11、加重钻杆（HWDP）12、短钻铤13、弯接头14、套管开窗⼯具15、其它定向井⼯具第⼆部分定向井常⽤井下⼯具的现场检查测绘及使⽤⼀、泥浆马达1、泥浆马达的主要组成部分1) 旁通阀总成2) 马达总成3) 万向轴总成4) 驱动轴总成2、泥浆马达的⼯作原理:马达是⼀种螺杆钻具（SCREW DRILLS），它是以泥浆作为动⼒的⼀种井下动⼒钻具。
马达⼯作原理：泥浆泵产⽣的⾼压泥浆流，经旁通阀进⼊马达时，转⼦在压⼒泥浆的驱动下，绕定⼦的轴线旋转，马达产⽣的扭矩和转速，通过万向轴和传动轴传递给钻头，来实现钻井作业。
3、旁通阀结构及⼯作原理：旁通阀有旁通和关闭两个位置，在起下钻时位于旁通位置，下钻时允许环空的泥浆由旁通阀阀体侧⾯的阀⼝孔流向钻杆(钻具)内孔，起钻时使钻杆内孔的泥浆从阀体侧⾯的阀⼝流⼊环空，减少井台溢出泥浆，当泥浆流量及压⼒达到⼀定值时，旁通阀关闭，泥浆流经马达，将泥浆能量转换为机械能。
4、马达总成的结构及⼯作原理：马达总成由转⼦和定⼦两部分组成。
定⼦与转⼦之间形成若⼲个密封腔，在泥浆动⼒作⽤下，密封腔不断的形成与消失，完成能量交换从⽽推动转⼦在定⼦中旋转。
马达可形成⼏个密封腔就称⼏级马达。
5、万向轴总成的⼯作原理：万向轴总成位于转⼦下端，其作⽤是把马达产⽣的扭矩和转速传递到传动轴上。
由于转⼦作的是偏⼼运动，因此要求万向轴具有较好的挠性功能，能将偏⼼运动转换成传动轴的定轴转动。
6、传动轴总成(drive shaft assembly) 的⼯作原理：它的作⽤是将马达的旋转动⼒（扭矩和转速）传递给钻头，同时承受钻压所产⽣的轴向和径向负荷。
电动钻机概述ZJ70DB、50DB、40DB
二 、总体方案 1、ZJ70DB钻机
简述 钻机采用4台1900KVA柴油发电机组作 为主动力，发出600V/400V 50Hz交流电经 变频单元 (VFD) 变频后，分别驱动绞车，转 盘、泥浆泵和独立送钻（应急）装置的交流 变频电机。
转盘：采用独立驱动方式，由1台 600Kw变频电机驱动。 绞 车 ： 由 2 台 高 速 、 宽 频 700Kw/800Kw变频电机驱动，经二级斜齿 轮减速后带动滚筒。 泥浆泵：配3台，每台泵均各由1台 1200Kw交流变频电机驱动。 独立送钻（应急）装置：由1台37Kw变 频电机驱动。
二 、总体方案
2、ZJ50DB钻机
基本技术参数
名义钻深(41/4钻杆 ) 最大钩载 绞车额定功率 绞车档数 提升速度 泥浆泵型号及台数 转盘开口名义直径 转盘档数 井架型式及有效高度 底座型式 5000m 3150kN 1100kW I 无级调速 0~1.35m/s 2或3台F-1600 Ф952.5mm I 无级调速 “K”型 45m 双升式/新型旋升式
控制，提高系统的可靠性。 5、系统配VFD房，其中ZJ70DB及ZJ50DB为二座， ZJ40DB为一座， 外形尺寸控制在12000×2900×3000mm以内。
五、电传动控制系统
6、采用大功率能耗制动单元和制动电阻定量控制制动扭矩，游车可
实现平稳下放。
7、独立送钻电机自动送钻系统可实现 0.1～36m/h 速度范围内的恒 钻压自动送钻，有效的防止溜钻、卡钻、事故的发生。
ZJ70DB、50DB、40DB系列交流变频 电驱动钻机
目
录
一、 二、
概述 总体方案
三、
四、 五、 六、
主要技术特点
主要部件介绍 电传动控制系统 一体化仪表系统
ZDY-1250钻机说明书
ZDY-1250煤矿用液压坑道钻机--钻进能力200米1 用途及使用范围ZDY-1250，ZDY-2300型煤矿用液压坑道钻机主要用于煤矿井下钻进瓦斯抽（排）放孔、注浆灭火孔、煤层注水孔、防突卸压孔、地质勘探孔及其它工程孔。
适用于岩石坚固性系数f ≤10的各种煤层、岩层。
要求巷道或钻场断面大于6.5m2，高度大于2.3m，宽度大于2.8m。
2、ZDY-1250，ZDY-2300型煤矿用液压坑道钻机基本参数见表项目单位 ZDY-1250最大钻进深度 m 200开孔直径 mm 95/115终孔直径 mm 65/75钻杆直径 mm 50钻孔倾角° -90～+90额定输出转速 r/min 80/170额定输出转矩 N．m 1250/600给进力 kN 60起拔力 kN 45锚固力 kN 4×50钻机钻架支撑高度范围 mm 1800～2600正常进给速度 m/min 0～1.5进给行程 mm 850适应煤岩坚固性系数 f≤10噪声 dB(A) 92主机外形尺寸（长×宽×高） mm 2240×1020×1380整机重量（不含钻杆） kg 约1820泵站小泵出油调定工作压力 MPa 14大泵出油调定工作压力 MPa 14油箱容积 L 100外形尺寸（长×宽×高） mm 1450×760×680操纵台推进压力 MPa 12反转旋转压力 MPa 13正转旋转压力 MPa 11外形尺寸（长×宽×高） mm 1000×570×1120煤矿井下用隔爆型三相异额定功率 kW 22步电动机（YBK2-225S-4）额定电压 V 380/660额定电流 A 42.2/24.4额定转速 r/min 1480三层钢丝编织液压支架胶管总成 KJRB2-10KJRB3-10液压系统推进额定压力 MPa 14旋转额定压力 MPa 143 结构和工作原理3.1钻机结构钻机整体结构（图1），主要由泵站、操纵台、动力头、座架、夹持器、立柱和钻具等7大部分组成。
钻井工程-12-13-井眼轨道设计与轨迹控制
b 2 arctan ( De Dmw ) / 2 Re Se
（1）三段式
• 给定
Dt , St ,0 , Dkop , b ，计算 K z , Dmw
Rz ( Dt Dkop St / tan b ) /tan( b / 2) K z 1719/ Rz Dmw ( Dt Dkop Rz sin b ) / cos b
• 给定 Dt , St ,0 , K z ,b ， 计算 Dkop , Dmw
Dkop Dt St / tan b Rz tan( b / 2)
Dmw ( Dt Dkop Rz sin b ) / cos b
（2）多靶三段式 给定： Dt , Dkop , K z ,0 , t , Dmm 计算： St , Dmw , b ; （ 倒推设计法 ）
（4）双增轨道的第二增斜段
Dzz Rzz (sin t sin b ) S zz Rzz (cos b cos t ) Dmzz Rzz ( t b ) / 180
（关键参数）已求出（5）目标段 （已知条件） （2）稳斜段
Dmw DW Dmw cos b S w Dmw sin b
材图5-20、5-21、5-22、5-23 中的标注，尤其是
应注意不同轨道时的
Dt
和
St
的取值。
6 、井段计算及设计结果表示
对每个井段计算出段长、垂增、平增三个参数。
（1）增斜段
Dz Rz sin b S z Rz (1 cos b ) Dmz Rz b / 180
• 特殊工艺井控制井斜和方位，使轨道和轨迹相一致。
定向井工具简介
4
一、马 达（2）
马达内部结构图：
旁通阀总成
马达总成
万向轴总成 传动轴总成
单位名称－序号
5
一、马 达（3）
马达外型结构：
Á «
Á «
AKO
Á «
单位名称－序号
6
马达的工作原理（4）
马达是一种 螺杆钻具（SCREW DRILLS），它是以 泥浆作为动力的一种井下动力钻具。 马达工作原理：泥浆泵产生的高压泥浆流，经旁 通阀进入马达时，转子在压力泥浆的驱动下，绕定 子的轴线旋转，马达产生的扭矩和转速，通过万向 轴和传动轴传递给钻头，来实现钻井作业。
单位名称－序号
24
五、短非磁钻铤
短非磁钻铤的作用： 与非磁钻铤的作用类似，只是长度不同。
Hale Waihona Puke 短非磁钻铤尺寸、内外径及扣型：
8 "短非磁钻铤： 扣型：631*630 外径：8 " （203.2mm）
内径：3-1/4 " （82.55mm）
6-1/2 "短非磁钻铤：
扣型：411*410
外径：165.1mm
内径：3-1/4 “ 或 2-13/16 ” （71.4mm）
单位名称－序号
25
六、浮阀和定向接头（1）
浮阀的作用：
主要作用是防止泥浆倒流损害井下测量工具， 以及防止钻头水眼被堵。
定向接头的作用：
主要作用是为定向仪器（陀螺等）提供一个稳 定的座封环境，便于准确地知道马达等井下工具 的方向，保障下部作业顺利进行。
单位名称－序号
7
旁通阀总成---马达（5）
旁通阀结构及工作原理：
旁通阀有旁通和关闭两个位置，在起下钻时位于旁 通位置，下钻时匀许环空的泥浆由旁通阀阀体侧面的阀 口孔流向钻杆内孔，起钻时使钻杆内孔的泥浆从阀体侧 面的阀口流入环空，减少井台溢出泥浆，当泥浆流量及 压力达到一定值时，旁通阀关闭，泥浆流经马达，将泥 浆能量转换为机械能。
电动钻机简介
电动钻机工作时噪音相对较低，对周围环 境的影响较小。
维护成本低
适用于受限空间
电动钻机的结构相对简单，维护保养成本 较低，使用寿命相对较长。
由于电动钻机不产生烟雾和噪音，因此在 一些城市或受限空间中，如地下停车场、 博物馆等，使用电动钻机更加方便。
缺点
受电力限制
电动钻机受电力限制，在缺乏电源或需要长时间施工的偏远地区 ，使用电动钻机可能会面临困难。
扭矩
扭矩是电动钻机旋转时所能够产生的最大力量，扭矩越高，钻机越有力量。
重量与尺寸
重量
电动钻机的重量会影响其便携性，重量越轻，越容易携带。
尺寸
电动钻机的尺寸会影响其便携性，尺寸越小，越容易携带。
04
电动钻机的优缺点
优点
环保节能
噪音小
电动钻机使用电能作为动力源，相比内燃 钻机使用燃油，能够大幅减少碳排放和能 源消耗，更加环保节能。
特点
高效节能：电动钻机使用电力作为动力源，能够实现高效 节能的效果。
精度高：电动钻机采用先进的控制系统和传动系统，能够 实现高精度的钻探作业。
适用范围广：电动钻机适用于各种地质条件和钻探深度要 求，可用于石油、天然气、水文、地质等领域的钻探作业 。
环保：电动钻机在运行过程中产生的噪音和振动较小，对 环境的影响较小。
高效化
为了提高钻井作业的效 率和降低成本，电动钻 机将采用更高效的电机 、减速器和传动系统， 实现大扭矩、高转速和
高效率的钻井作业。
可靠性
电动钻机在高温、高湿 度、高海拔等恶劣环境 下运行时，需要具备更 高的可靠性和稳定性， 以确保钻井作业的顺利
进行。
环保性
随着环保意识的不断提 高，电动钻机将采用更 环保的材料和设计，减 少噪音、振动和污染，
螺杆钻具
摘要：螺杆钻具是一种井下动力钻具，它是由高压泥浆驱动的容积式马达，把液压能转化为钻头转动所需的动能。
它具有结构简单、过载性能好、在小井眼和转盘不易加扭矩时也能得到大的扭矩和功率，钻进快，已广泛应用于垂直钻井、定向钻井、水平钻井、直井和修井作业中。
随着钻井工程的快速发展，螺杆钻具也有了长足的发展，目前国产螺杆钻具在国内市场已基本上占有主导地位，已较好地满足了我国钻井工程的需要，但还存在许多不足之处。
在对螺杆钻具的基本原理和结构功能分析之后，并对改进措施和今后的发展提出了自己的一点看法。
关键词：螺杆钻具；基本原理；钻具失效；钻具改善目录1 绪论 (3)1.1研究的目的和意义 (3)1.2国内外发展概况及趋势 (3)2 螺杆钻具的基本原理 (4)2.1螺杆钻具的基本原理与结构特征 (4)2.1.1 工作原理 (4)2.1.2 螺杆钻具结构 (5)2.2螺杆钻具的性能特点与工作特性 (7)2.2.1 螺杆钻具的性能特点 (7)2.2.2 螺杆钻具的工作特性 (8)3 螺杆钻具的失效分析 (9)3.1螺杆钻具失效主要原因 (9)3.1.1失效的结构因素 (9)3.1.2失效的工艺因素 (10)3.1.3失效的使用因素 (10)3.2螺杆钻具技术改进措施 (11)3.2.1 壳体防脱 (11)3.2.2 壳体防断 (11)3.2.3 传动轴防断防掉 (12)4 螺杆钻具的参数计算及设计要点 (12)4.1螺杆马达的工作原理的进一步介绍 (12)4.2螺杆钻具的设计要点 (13)4.2.1 螺杆钻具的总体设计 (13)5 结论 (14)1 绪论1.1 研究的目的和意义螺杆钻具又称定排量马达，是一种容积式井下动力钻具，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。
螺杆钻具具有功率大、转速低、扭矩大、压降小、容易启动等优点，目前被油田广泛应用。
认知和研究螺杆钻具让更多的人了解螺杆钻具的基本原理、结构、失效形式、以及改进方法。
ZDY-1250钻机说明书
ZDY-1250煤矿用液压坑道钻机--钻进能力200米1 用途及使用范围ZDY-1250，ZDY-2300型煤矿用液压坑道钻机主要用于煤矿井下钻进瓦斯抽（排）放孔、注浆灭火孔、煤层注水孔、防突卸压孔、地质勘探孔及其它工程孔。
适用于岩石坚固性系数f ≤10的各种煤层、岩层。
要求巷道或钻场断面大于6.5m2，高度大于2.3m，宽度大于2.8m。
2、ZDY-1250，ZDY-2300型煤矿用液压坑道钻机基本参数见表项目单位 ZDY-1250最大钻进深度 m 200开孔直径 mm 95/115终孔直径 mm 65/75钻杆直径 mm 50钻孔倾角° -90～+90额定输出转速 r/min 80/170额定输出转矩 N．m 1250/600给进力 kN 60起拔力 kN 45锚固力 kN 4×50钻机钻架支撑高度范围 mm 1800～2600正常进给速度 m/min 0～1.5进给行程 mm 850适应煤岩坚固性系数 f≤10噪声 dB(A) 92主机外形尺寸（长×宽×高） mm 2240×1020×1380整机重量（不含钻杆） kg 约1820泵站小泵出油调定工作压力 MPa 14大泵出油调定工作压力 MPa 14油箱容积 L 100外形尺寸（长×宽×高） mm 1450×760×680操纵台推进压力 MPa 12反转旋转压力 MPa 13正转旋转压力 MPa 11外形尺寸（长×宽×高） mm 1000×570×1120煤矿井下用隔爆型三相异额定功率 kW 22步电动机（YBK2-225S-4）额定电压 V 380/660额定电流 A 42.2/24.4额定转速 r/min 1480三层钢丝编织液压支架胶管总成 KJRB2-10KJRB3-10液压系统推进额定压力 MPa 14旋转额定压力 MPa 143 结构和工作原理3.1钻机结构钻机整体结构（图1），主要由泵站、操纵台、动力头、座架、夹持器、立柱和钻具等7大部分组成。
各种钻井条件下的钻具组合
一、常规钻井（直井）钻具组合：BIT钻头；DC钻鋌；SDC 螺旋钻鋌；LZ螺杆钻具；SJ双向减震器；DP钻杆；HWOP加重钻杆；STB或LF钻具稳定器；LB随钻打捞杯；DJ震击器；1、塔式钻具组合：Φ444.5mmBIT×0.50m+Φ229mmDC×27.24m +Φ203mmDC×54.94m+Φ165 mmDC×54.51m+Φ139.7mmDPΦ311.1mmBIT×0.40m+Φ229mmDC×54.38m+Φ203mmDC×82.23m+Φ165m mDC×81.83m+Φ139.7mmDPФ311.1mmBIT×0.32m+Ф244.5mm LZ×9.50m+Ф229mmDC×45.40m+Ф203 mmDC×73.13m+Ф165mmDC×81.83m+Ф139.7mmDPΦ311.1mmBIT×0.30m+Φ229mm SJ×6.62m+Ф229mmDC×53.94m+Ф203mm DC×81.75m+Ф165mmDC×81.83m+Ф139.7mmDP钻头FX1951X0.44 m（Φ311.1mm）＋6A10/630×0.61 m＋9″钻铤×52.17m （6根）＋6A11/5A10×0.47 m+ 8″钻铤×133.19m（9根）＋410/5A11×0.49 m＋61/2″钻铤×79.88m（9根）＋51/2″HWOP×141.88m（15根）＋51/2″钻杆（＊＊根）＋顶驱Φ215.9mmBIT×0.25m+430/4A10+Ф165mmSDC×161.56m+4A11/410+Ф165 mmDJ×8.81m+411/4A10＋61/2″钻铤×79.88m（9根）＋51/2″HWOP×141.88m （15根）＋51/2″钻杆（＊＊根）＋顶驱2、钟摆钻具组合：Φ660.4mmP2×0.50m+730/NC61母+Φ229mm SJ×9.24m+Φ229mmSDC×1 8.24m+730/NC61公+26″LF+731/NC61母+Φ229mmSDC×9.24m+730/NC61公+ 26″LF+731/NC56母+Φ203mmDC×94.94m+410/NC56公+Φ139.7mmDP+顶驱Φ444.5mmGA114×0.50m+730/NC61母+Φ229mmSJ×9.24m+Φ229mm SDC ×18.24m+171/2″LF+Φ229mmSDC×9.24m+171/2″LF+NC61公/NC56母+Φ2 03mmDC×121.94m+8″随震+8″DC×18.94m+410/NC56公+Φ127mmH WOP×141. 94m +Φ139.7mmDP+顶驱Φ311.1mmBIT×0.46m+Φ229mmDC×18.08m+Φ308mmLF×1.82m+Φ203 mmDC×9.10m+Φ308mmLF×1.51m+Φ229mmDC×27.32m+203mmDC×73.13m+Φ178mmDC×81.83m+Φ139.7mmDP+顶驱Φ311.1mmDB535Z×0.50m+630/NC61母+Φ229mmSJ×9.24m+Φ229mm SDC×18.24m +NC61公/NC56母+121/4″LF + NC56 公/ NC61母+Φ229mm SDC×9. 24m +NC61公/NC56母+121/4″LF+Φ203mmDC×121.94m+8″随震+8″SDC×27.9 4m+410/NC56公+Φ139.7mmHWOP×141.94m +Φ139.7mmDP+顶驱Φ311.1mmDB535FG2×0.50m+630/731+95/8″LZ+Φ229mmSJ×18.64m+ 12 1/4″LF ++Φ229mm SDC×9.24m +121/4″LF+Φ203mmDC×148.94m+410/NC56公+Φ139.7mmHWOP×141.94m +Φ139.7mmDP+顶驱Φ215.9mmBIT×0.33m+Φ172mmLZ×8.55m+Φ165mmSDC×1.39m+Φ165mmSD C×1.39m+Φ214mmSTB×1.38m+Φ165mmDC× 236.14m+Φ139.7mmHWOP×141.94 m +Φ139.7mmDP+顶驱3、满眼钻具组合：Φ311.1mmH136×0.30m+121/4″LF +NC56 公/ NC61母+Φ229mmSJ×9.24m+NC61公/NC56母+121/4″LF + NC56 公/ NC61母+Φ229mm SDC×18.24 m+NC61公/NC56母+121/4″LF+Φ203mmDC×121.94m+8″随震+8″SDC×18.94m +410/NC56公+Φ139.7mmHWOP×141.94m +Φ139.7mmDP+顶驱Φ215.9mm牙轮BIT×0.24m+Φ190mm LB×1.10m+Φ214mmSTB×1.39m+Ф16 5mm SDC×1.39m+Φ214mmSTB×1.40m+Ф165mm DC×8.53m+Φ214mmSTB×1.39m+Φ165mm SJ×5.08m+Ф165mm DC×244.63m+Φ139.7mmHWOP×141.94m +Φ139.7m mDP+顶驱Φ215.9mm牙轮BIT×0.24m+Φ214mmLF×1.49m+Ф165mmSDC×1.39m+Φ21 4mmLF×1.40m+Ф165mmDC×8.53m+Φ214mmLF×1.39m+Φ165mm SJ×5.08m+Ф16 5mmDC×244.63m+Φ139.7mmHWOP×141.94m +Φ139.7mmDP+顶驱Φ215.9mm牙轮BIT×0.25m+Φ214mmSTB×1.50m+Ф165mmSDC×1.38m+Φ2 14mmSTB×1.40m+Ф165mmDC×8.81m+Φ214mmSTB×1.40m+Ф165mm SJ×6.11m+Ф165mmDC×229.22m+Φ139.7mmHWOP×141.94m +Φ139.7mmDP+顶驱二、定向井（水平井）钻具组合：1、直井段钻具组合：采用塔式钻具组合、钟摆钻具组合、满眼钻具组合。
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4.4 电机三维稳态温度场计算的数学模型
热传导方程和边界条件：
4.3 电动钻具机壳外表面、空心轴内表面散热系数
假设钻具周围井筒温度为80°C，獾式钻井时整个井筒全充满井液，计算在此工况
下的对流换热系数；
（1）对80°C水作为冷却介质时的温度升高
P Q C
（2）定性温度及定性温度时的相关物理常数 （3）雷诺数
Re
Nu f
（4）努谢尔特数
（5）表面散热系数
（2）设计要求（为螺旋输送提供通道、密封要求）
2、行星齿轮传动的设计和计算
（1） 齿轮材料、热处理、精度等级及强度极限； （2） 相关参数计算（斜齿轮结构参数、端面重合度、中心距、扭矩 等）； （3） 强度校核 齿面接触疲劳强度的校核、齿根弯曲疲劳强 度的校核； （4） 齿轮装配验算（同心、装配、邻接条件）、三维结构图；
3、循环润滑装置的设计
（1）循环润滑装置的工作原理
在输入齿轮轴上端的两轴承间设置有螺旋套，螺旋套与输入轴通过键 联接，相对应的壳体内表面是具有内螺旋面的专门衬套。螺旋套与衬套连续 啮合，沿着轴向将内螺旋面和螺旋套外表面形成一个个密封腔，随着输入轴 的旋转，密封腔不断向前移动，推动润滑油在减速器内的闭合油道循环润滑
2T 2T 2T x 2 y 2 z 2 q x y z T x, y , z T n
s2 s1
T1
T T f
采用六节点三棱柱单元，推导出单元对应的传导矩阵 F， K 、节点热载荷列向量 因而构造出相应的代数方程组 KT
F
4.5 仿真分析
目前工作
（1）进行行星齿轮传动系统的动力学分析；
（2）在FLUENT中进行参数的调整，来比较流速、散热外
壳长度、散热系数等对出口温度的影响；
创新点：
在散热外壳环形空间装一个相变材料储热腔，
最终解决电机散热问题；需要进一步研究。
谢谢
请批评指正
（2）基本参数的确定
参数：衬套外径、衬套导程、衬套工作部分长度、螺旋套直径、偏心距、 单级压差、排量、进出口压差；
（3）螺旋套、衬套的结构 （3.1）螺旋套螺旋面、衬套内螺旋面的形成原理 （3.2）三维结构
4、太阳轮齿轮轴和行星架间的端面密封设计
8
4.1 端面密封总体结构设计
22510源自867 5113-轴壁厚部分轴向流道； 14-径向通孔；15-机械密封
4.2 电机热源的计算
（1）定子铁耗 PFe 191.11W （2）定子绕组损耗 P W Cu1 896.9 （3）转子导条的损耗 PAl 2 364.54W （4）机械损耗、杂散损耗
Pfw 68.25W
PS 39.6W
电机结构及主要参数
（1）基本结构： 定子、转子、止推轴承等
（2）主要参数： 定子内外径、转子内外径、 铁心有效长度等；
4.1 电机内油路循环结构示意图
1-电机外壳； 2-止推轴承； 3-空心电机轴； 4-气隙； 5-定子； 6-转子；
7-中间接头； 8-上导壳； 9-叶轮； 10-下导壳； 11-压紧环； 12-散热壳；
用于獾式钻井新技术的井下电动钻具 设计研究
汇报人：杨涛
论文总体内容
一.总体结构设计
二.行星齿轮减速器主要部分结构设计 三.行星齿轮系统的动力学分析
四.电机散热建模及仿真 五.结论
一、井下电动钻具总体结构
1.1 电动钻具总体结构示意图
储油补偿密封系统
电机
行星齿轮减速器 主轴（中空通道） 支承节
最下端轴密封
c
（5）泄露量
（6）摩擦功耗
三.行星齿轮系统的动力学分析、行星架的有限元分析
（1）行星齿轮传动系统的模态分析，以便得到齿轮系统的振动
特性（各阶频率和相应振型）； （2）ADAMS中进行行星齿轮传动系统的动力学仿真分析，以得到
轮齿间啮合力的分布情况；
（3）行星架的有限元分析
四、电机散热建模及仿真
二、井下减速器主要部分结构设计
1、用于獾式钻井的行星齿轮减速器主要设计参数和要求
2、行星齿轮传动的设计和计算
3、循环润滑装置的设计
4、太阳轮齿轮轴和行星架间的端面密封设计
行星齿轮减速器的总体装配图
1、用于獾式钻井的行星齿轮减速器主要设计参数和要求
（1）行星齿轮减速器的主要设计参数
外径、内径、减速比、级数、长度等；
15
70 50
5
5
54
33
6
3
12
41
4.2 主要结构设计
（1）摩擦副的设计
宽b 外径 补偿 环 内径 高 8mm 67mm 51mm 11mm 宽b 外径 非补偿 环 内径 高 19mm 78mm 40mm 10mm
10
（2）弹簧设计
77
4.3端面密封主要参数的计算
（1）端面液膜压力 （2）载荷系数 （3）介质侧端面比压 （4）P v