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。

多头螺杆钻具逐步取代单头螺杆钻具而成为主导产品。

更多的国外油气井工具与设备公司，特别是斯伦贝谢、贝克(Baker)和克里斯坦森等气井与设备公司，都开始制造自己的多头螺杆钻具。

井下动力钻具经过40多年的探索和研究，已成为当今世界石油钻井中定向井、丛式井、大斜度井、水平井等钻井作业必不可少的重要工具。

我国是在20世纪70年代末期开始研制涡轮钻具和多头螺杆钻具，在80年代初曾推广使用涡轮钻具，但由于其转速高、与牙轮钻头不配套，加之当时的固相处理技术不过关，限制了涡轮钻具的应用。

20世纪80年代引进美国Dyna螺杆钻具技术后，螺杆钻具发展迅速，得到普遍应用。

现在，我国已有十余家工厂可以生产螺杆钻具，国产螺杆钻具已成为主要的钻井工具。

2.井下动力钻具发展概况近年来随着井下动力钻具发展概况近年来，随着导向钻井技术的发展和钻头质量的改进，井下动力钻具的应用空间逐步拓展，从直井到定向井、大斜度井、水平井，从井下动力钻具钻井到复合钻井，都与井下动力钻具密切相关因此了解和掌握都与井下动力钻具密切相关。

因此，了解和掌握井下动力钻具的作用、工作原理、基本结构及其特点，对于从事石油工程的专业人员是十分重要的。

3井下动力钻具分类3.井下动力钻具分类螺杆钻具井液力驱动涡轮钻具下动力钻电驱动电动钻具具。

本章主要介绍螺杆钻具和涡轮钻具二螺杆钻具简介结构及分类二、螺杆钻具简介、结构及分类1. 螺杆钻具简介螺杆钻具简介螺杆钻具，又称定排量马达，是一种以钻井液为动力液的井下动力钻具，为容积式马达。

工作原理：泥浆泵泵出的钻井液从钻柱进入螺杆钻具的马达，在马达的两端形成定压力差，推动马达的转子旋转，并将扭矩达的两端形成一定压力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。

2螺杆钻具结构2. 螺杆钻具结构螺杆钻具的组成部分：螺杆钻具的组成部分1)旁通阀总成；2)马达总成；3)万向轴总成；4)传动轴总成。

扶正器旁通阀马达万向轴总成传动轴总成螺杆钻具单弯导向螺杆钻具弯角角度造斜率导向螺杆钻具弯角角度与造斜率的关系3螺杆钻具分类3.螺杆钻具分类螺杆钻具的分类方式有多种：1)按螺杆马达的结构特征分类(单头、多头)(单头多头)2)按螺杆马达的公称外径分类(75、95、120mm…)(7595120mm3)按螺杆万向轴壳体结构特征分类(直螺杆、弯螺杆)(直螺杆弯螺杆)1)按螺杆马达的结构特征分类按螺杆马达转子端面线型的头数N，可把螺杆钻具分为“头”数N可把螺杆钻具分为单头钻具和多头钻具。

一般可取N=1～9。

N=1为单头马达(钻具)，N≥2为多头马达(钻具)。

单头马达具有高转速、小扭矩特性；多达具有高转速小扭矩特性多头马达具有低转速、大扭矩特性。

2)按螺杆马达的公称外径分类这种分类方法主要是便于钻井工作者根据所钻井眼尺寸来选择相应直径的螺杆钻具。

常见的螺杆钻具有：Φ75、Φ95(用于118mm以下尺寸井眼)；Φ120 (用于152mm、165mm 井眼)；，(用于井眼)；Φ165Φ172(215mmΦ197、Φ203(用于Φ241、Φ311mm井眼)；Φ244(用于Φ311mm及以上尺寸井眼)。

3)按螺杆万向轴壳体结构特征分类根据螺杆钻具的万向轴壳体是否带有结构弯角，可将螺杆钻具划分为：直螺杆钻具(无结构弯角)；弯壳体螺杆钻具(带结构弯角)。

直螺杆钻具主要用于钻直井，弯壳体螺杆钻具主要用于钻水平井、大位移井、多分支井等，而且随着钻井技术发展及螺杆钻具弯壳体品种规格的增加，弯壳体螺杆钻具发展及螺杆钻具弯壳体品种规格的增加弯壳体螺杆钻具的应用日益普遍。

螺杆钻具的分类方法有多种但实际螺杆钻具的分类方法有多种，但实际上应用中最常用的是根据螺杆钻具外径及万向轴壳体结构进行分类。

三、螺杆钻具各部分的工作原理1.旁通阀总成1)作用：旁通阀是螺杆钻具的辅助部件，它的作用是在停泵时是螺杆钻具的辅助部件它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。

2)组成:旁通阀总成由阀芯、阀套、弹簧、阀口等零件组成。

阀芯有两个位置：开启位置和关闭位置。

旁通阀的开启与关闭由钻井液的流量控制。

旁通阀结构示意图3)工作原理在开泵时，钻井液压力迫使阀芯向下运动，造成弹簧在开泵时钻井液压力迫使向下运动造成压缩并关闭阀体上的通道(般有5个沿圆周均匀分布的(一般有通孔，内装筛板过滤异物)，此时螺杆钻具可循环钻井液或正常钻进。

当停泵时，钻井液压力消失，被压缩的弹簧，，上举阀芯，旁通阀开启，使钻柱内空间与环空沟通。

正常钻进时，旁通阀关闭。

此时泥浆流经马达把压力能转换为机械能。

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入马达，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，来代替螺杆钻具旁通阀的作用。

替螺杆钻具旁通阀的作用2螺杆钻具马达部分2.螺杆钻具马达部分1)马达的组成及结构简介马达是螺杆钻具的动力部件，马达总成实际上是由转子和定子两个基本部分组成的单螺杆容积式动力机械。

转子是一根表面镀有耐磨材料Cr的钢制螺杆，其上端是自由端，下端与万向轴相连。

定子包括钢制外下端与万向轴相连筒和硫化在外筒内壁的橡胶衬套，橡胶衬套内孔为一个螺旋曲面的型腔。

壳体定子转子螺杆钻具马达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，则定子必为N+1头摆线线型；转子和定子曲面的螺距相同。

除对转子和定子的端面曲线即线型有一定要求外，还要求转子与定子的长度须大于螺距。

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。

距般以e表示RoSt转子和定子具有特殊的啮合结构啮合点沿轴向经大液压能→机械能合结构，啮合点沿轴向经大于一个螺距的距离后形成螺定子旋密封线，形成一个又一个的密封空腔转子的密封空腔。

当具有一定能量的压力转动方向液进入转、定子形成的密封腔并从马达的一端流到另腔，并从马达的端流到另一端时，便推动转子在定子液流中转动，将液压能转换为机械能，这就是螺杆马达的基本工作原理。

万向节螺杆钻具的理论特性曲线分析公式可以看出：(1)螺杆钻具的转速只与排量和结构有关，而与工况(钻压、扭矩等)无关。

(2)工作扭矩与压降和结构有关，而与转速无关。

(2)工作扭矩与压降和结构有关而与转速无关(3)转速和工作扭矩是各自独立的两个参数。

(4)螺杆钻具具有硬转速特性(不因负载增大而降低转速)和良好的过载能力(压降增加可导致工作扭矩变大)。

(5)泵压表可作为井底工况监视器，由泵压变化判断和显示井下工况(扭矩和钻压)。

(6)转速随排量Q的变化而线性变化，因此可通过调节排量Q很容易地进行转速调节。

速调节(7)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。

螺杆钻具的头数越多，每转排量越大，马达的转速越低，扭矩越大（如图）。

螺杆钻具头数与扭矩和转速特性间的关系曲线螺杆钻具的理论特性曲线螺杆钻具实际工作转速与压降的关系3万向轴总成3.万向轴总成1)作用把马达转子的平面行星运动转化为传动轴的定轴转动，转化为传动轴的定轴转动同时把马达的工作转矩传递给传动轴和钻头。

2)结构万向轴有不同的结构形式，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。

万向轴总成结构和工作原理4.传动轴总成4传动轴总成1)组成传动轴由壳体、轴、推力轴承、径向轴承及其他辅助零件总装组成。

推力轴承承受钻具在各种工况下产生的轴向力，径向轴承则用于对传动轴进行扶正，保证其正常工作位置。

对传动轴进行扶正保证其正常工作位置常规螺杆钻具的传动轴总成: 上、下径向轴承为硬质合金轴承（TC轴承），中间装有一组角接触推力球轴承，具有较高的承载能力和使用寿命。

螺杆钻具工作时，少量泥浆从轴承间隙处通过，使轴承得到润滑和冷却。

泥浆流入泥浆泄漏传动轴2)作用作用：将马达的扭矩和转速传递给钻头，同时要承受钻进时地层作用于钻头的轴向力和径向力。

止推轴承TC轴承泥浆泄漏传动轴谭春飞近期获得授权的中国国家专利清单专利名称专利类型专利号序号1井下动力钻具储油密封补偿结构实用新型ZL00239161.9 2充油密封润滑动力钻具行星齿轮减速器实用新型ZL00234226.X 3动力钻具金属端面密封结构实用新型ZL00234224.3 4具有金属橡胶止推轴承和滚动轴承的井下动力钻具传动轴实用新型ZL02232766.5 5具有金刚石止推轴承的井下动力钻具传动轴实用新型ZL02237850.2 6积木式组合涡轮节实用新型ZL02246686.X 7组合式减速涡轮钻具实用新型ZL02256778.X 8具有圆柱滚子推力轴承的储油补偿橡胶密封传动轴实用新型ZL02237851.0 9具有推力圆锥滚子轴承的储油补偿橡胶密封传动轴实用新型ZL02235691.6 10具有多列推力球轴承的储油补偿简易密封传动轴实用新型ZL02240121.0 11具有金刚石止推轴承的涡轮钻具中间支承节实用新型ZL02246311.9 12具有推力球轴承的涡轮钻具中间支承节实用新型ZL02246314.3 13具有储油补偿器的橡胶密封涡轮钻具中间支承节实用新型ZL02246310.0 14具有四点角接触推力球轴承的动力钻具传动轴实用新型ZL02246313.5 15具有推力圆锥滚子轴承的储油补偿橡胶密封传动轴发明专利ZL02121100.0 16积木式组合涡轮节发明专利ZL02129474.7 17具有金属橡胶止推轴承和滚动轴承的井下动力钻具传动轴发明专利ZL02149095.3 18具有圆柱滚子推力轴承的储油补偿橡胶密封传动轴发明专利ZL02149094.5 19具有金刚石止推轴承的涡轮钻具中间支承节发明专利ZL02149093.7祝同学们学习进步！。