螺杆钻具压降分析计算
解析螺杆钻具试验台卡钳的力学分析及计算
解析螺杆钻具试验台卡钳的力学分析及计算摘要：随着石油开采需求的增加，相应的钻井难度也越来越大，因此在油田钻井当中对钻具的性能提出越来越高的要求，螺杆钻具是开采油田的主要钻具，并且螺杆钻具在现阶段石油钻井当中，使用试验台对螺杆性能进行检测是主要的途径，而卡钳的稳定性决定了螺杆钻具检测精度，因此对卡钳进行力学分析与计算有助于进一步提升试验台检测螺杆钻具的精度。
关键词：螺杆钻具；试验台；卡钳；受力分析引言本次研究的螺杆钻具试验台的床身、卡钳、传动装置可以满足不同规格螺杆钻具的装夹需求。
试验台卡钳性能直接决定了试验台检测螺杆钻具的效果，因此本次研究对螺杆钻具试验台卡钳进行受力分析，目的是为了增强试验台卡钳在检测螺杆钻具过程中的稳定性，确保螺杆钻具在钻井时的质量与效果。
1.试验台结构图1 试验台结构本试验台为旋转螺杆钻具转子且密封性能出众的螺杆钻具专业检测设备，由A、B、C、D四部分共同组成，A为前座，B为后座，C为卡持推动总成，D为后卡持。
A端与电机、减速器、动力传动相连构成总成，传动总成输出端连接位置有输液管螺杆钻具，两个螺杆钻具之间存在卡持推动总成，移动装卡结构具有转角与高度调节装置。
[1]2.试验台装卡装置2.1装卡该试验台的装卡装置存在三种形式：可控制转角、高度的转角装卡结构；可移动装卡装置；螺杆钻具输出端、钻具扶正装置中间固定装卡装置，通过双作用油缸控制每一种装卡装置的卡钳松紧，可以实现卡台移动与老姑夹持。
2.2卡钳受力分析图1 卡钳受力分析图螺杆钻具被卡钳夹紧时，螺杆钻具会旋转产生扭力。
已知在卡钳夹紧螺杆钻具的条件下，扭力、夹紧力会产生相同的扭力。
螺杆钻具被夹紧以后，卡钳表面所产生的径向支反力FN1、FN2，液压油缸对卡钳左右产生的推力记为FM、FM1，且存在FM 、FM1。
根据力平衡方程计算径向反支力FN1：（1）解：（2）根据右侧卡钳力平衡计算：（3）从卡钳受力整体的角度出发，结合螺杆钻具力学平衡条件：（4）式中：D-被卡螺杆钻具直径；F1-左侧卡钳与螺杆钻具表面摩擦力，且F1=N1f；F2-右侧卡钳与螺杆钻具表面摩擦力，且F2=N2f；1.卡钳与螺杆钻具表2.面咬合系数由此计算螺杆泵壳体受到的总径向夹紧力：（5）将动载荷系数K考虑进来以后得出实际径向夹紧力：（6）选取最大扭矩M=15KN·m，螺杆钻具最大直径D=2.86cm，f=0.7，K=1.5，最终计算得出将最终计算得出的卡钳夹紧力记为Fs，3.试验台装卡机构3.1转角转卡转角转卡的安装位置选择在靠近试验台前端，转角转卡采用双卡钳，并且双卡钳并列使用，在满足转角装卡的同时还可以实现在马达、齿条作用下沿床身移动，卡钳在加紧螺杆钻具以后可以按不同角度、长度沿床身横向移动、以卡钳为中心旋转。
立林螺杆钻具介绍
螺杆钻具是以泥浆为动力的一种井下工具，其由传动轴总成、 螺杆钻具是以泥浆为动力的一种井下工具，其由传动轴总成、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 总成、万向轴总成、防掉总成和旁通阀总成五大部分组成 . 泥浆泵输出的泥浆，流经旁通阀进入马达. 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。 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。 螺杆钻具的性能主要取决于马达总成。 螺杆钻具的性能主要取决于马达总成。 万向轴总成 防掉总成
1:2
3:4
5:6
7:8
9:10
螺 杆 钻 具
中空转子马达 ：
为了增加钻头的水马力和泥浆的上返速度， 为了增加钻头的水马力和泥浆的上返速度，将转子加工成为带喷嘴 的中空转子。 的中空转子。 此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， 此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， 每种规格的马达都有其推荐的最大和最小流量值。如果流量过大， 每种规格的马达都有其推荐的最大和最小流量值。如果流量过大，转子会超 速运转，定子和转子会出现提前损坏，如果流量过小，马达将停止转动。 速运转，定子和转子会出现提前损坏，如果流量过小，马达将停止转动。因 此在选择转子喷嘴尺寸时， 此在选择转子喷嘴尺寸时，应确保马达密封腔流量始终保持或高于最小推荐 流量值，这样才能使马达正常运转。 流量值，这样才能使马达正常运转。 在泥浆密度、 喷嘴尺寸和马达流量为定量时，流经转子喷嘴的流量和流 在泥浆密度、 喷嘴尺寸和马达流量为定量时， 经马达密封腔的流量总是随负载变化而变化的。钻头离开井底， 经马达密封腔的流量总是随负载变化而变化的。钻头离开井底，马达负载近 似为零，此时流经转子喷嘴流量最小，而流经马达密封腔的流量最大。钻头 似为零，此时流经转子喷嘴流量最小， 而流经马达密封腔的流量最大。 钻进，使马达压差不断增加，使流经转子喷嘴流量增加， 钻进，使马达压差不断增加，使流经转子喷嘴流量增加，而此时流经马达密 封腔流量减少。 封腔流量减少。 中空 转子
螺杆钻具相关知识2)
4、没进尺 可能原因（！）：地层变化 解决办法：适当改变钻压和排量。 可能原因（2）：万向轴损坏 解决办法：钻压增加，泵压不升高或变化不
马达简介
-----定向井塘沽基地 沙新华 2003.7.28
目录
前言 马达工作原理 马达的组成 马达型号说明 使用须知 故障分析和解决办法 有关概念和补充 调马达弯角
前言
第一根马达生产于1956年，现在已广泛应用 于油田各类井作业中（包括直井、普通定 向井、水平井、开窗侧钻井、多底井、分 支井等）具有很大的优越性。
在生产工艺上由普通机床改为立式加工中心
螺杆钻具
万向轴壳体 我公司现生产的万向轴壳体有直壳体和弯壳体。为了适应钻井市场的需求
在原有弯壳体的设计双弯壳体（同向双弯壳体和反向双弯壳体）和钻台可调节 弯壳体（0°-2°、0°-3° 、0°-4°）
弯接头
1.5°
上壳体 定位套 下壳体
可调弯壳体 0°
螺杆钻具
阀进入马达，在马达进出口处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。螺杆钻具的性能 主要取决于螺杆马达的性能参数。
旁通阀总成
马达总成
万向轴总成
传动轴总成
螺杆钻具
旁通阀总成：
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 浆循环绕过不工作马达进入环空，这样起下钻时泥浆不溢于井台上。
对井底温度的要求：温度过高对马达性能 十分不利。使用油基泥浆井底温度低于950C 马达工作状态最佳。当温度超过1500C时， 即使使用最佳的油基泥浆甚至使用水基泥 浆马达定子橡胶寿命也会大幅度缩短。
螺杆钻具参数
螺杆钻具参数本文介绍了螺杆钻具技术参数，包括钻具型号、外径、流量、钻头钻速、马达压降、工作扭矩、最大扭矩、推荐钻压、最大钻压、最大功率、长度和连接螺纹等信息。
钻具型号包括“C 5 LZ 172 * 7.0 II - D K W F G”，其中“C”表示马达形式，“5”表示转子头数，“LZ”表示螺杆钻具产品代号，“172”表示螺杆钻具规格，“7.0”表示允许使用的转子水眼压降，“II”表示产品改进次数，“D”表示弯钻具弯角形式，“K”表示可调弯壳体钻具结构形式，“W”表示稳定器，分流则表示转子中空，“G”表示钻具耐温特性。
这些钻具型号都有不同的外径、流量、钻头钻速、马达压降、工作扭矩、最大扭矩、推荐钻压、最大钻压、最大功率、长度和连接螺纹等参数。
例如，“5LZ60*7.0”的外径为23/8英寸，流量为60，马达压降为2.5MPa，工作扭矩为160N.m，最大扭矩为280N.m，推荐钻压为5kN，最大钻压为10kN，最大功率为6.03kW，长度为3.3m，连接螺纹为1.9TBG。
总之，螺杆钻具技术参数是钻井作业中非常重要的指标，不同的型号和参数适用于不同的作业需求，选用合适的螺杆钻具可以提高钻井效率和质量。
螺杆钻具技术参数(单头)以下是不同型号的螺杆钻具技术参数，包括外径、流量/中空流量、钻头钻速、马达压降、工作扭矩、最大扭矩、推荐钻压、最大钻压、最大功率、长度和连接螺纹。
LZ127*3.5钻具型号：LZ127*3.5外径：5英寸（127毫米）流量/中空流量：9.5～18.5钻头钻速：355转/分马达压降：2.5 MPa工作扭矩：576 N.m最大扭矩：1152 N.m推荐钻压：20 kN最大钻压：40 kN最大功率：33.78 kW长度：5.8米连接螺纹（API正规）：31/2英寸LZ165*3.5钻具型号：LZ165*3.5外径：6.5英寸（165毫米）流量/中空流量：12.6～22钻头钻速：275～480转/分马达压降：2.5935 MPa工作扭矩：1870 N.m最大扭矩：N/A推荐钻压：N/A最大钻压：N/A最大功率：33.78 kW长度：N/A连接螺纹（API正规）：31/2英寸C5LZ172*7.0-Ⅱ63/4钻具型号：C5LZ172*7.0-Ⅱ63/4 外径：6.75英寸（172毫米）流量/中空流量：18.93～37.85 钻头钻速：150～300转/分马达压降：7.0 MPa工作扭矩：3660 N.m最大扭矩： N.m推荐钻压：170 kN最大钻压：340 kN最大功率：198.55 kW长度：9.18米连接螺纹（API正规）：41/2英寸C5LZ172*7.0 63/4钻具型号：C5LZ172*7.0 63/4外径：6.75英寸（172毫米）流量/中空流量：18.93～37.85钻头钻速：100～200转/分马达压降：4.5 MPa工作扭矩：6320 N.m最大扭矩：8240 N.m推荐钻压：150 kN最大钻压：300 kN最大功率：1.7.8 kW长度：7.76米连接螺纹（API正规）：41/2英寸5LZ197*7.0 73/4钻具型号：5LZ197*7.0 73/4外径：7.75英寸（197毫米）流量/中空流量：22～36钻头钻速：95～150转/分马达压降：3.2 MPa工作扭矩：6870 N.m最大扭矩：8750 N.m推荐钻压：120 kN最大钻压：240 kN最大功率：78.54 kW长度：6.9米连接螺纹（API正规）：51/2英寸C5LZ197*7.0 73/4钻具型号：C5LZ197*7.0 73/4 外径：7.75英寸（197毫米）流量/中空流量：22～36钻头钻速：100～160转/分马达压降：5.2 MPa工作扭矩：5000 N.m最大扭矩： N.m推荐钻压：145 kN最大钻压：290 kN最大功率：8.7 kW长度：7.76米连接螺纹（API正规）：51/2英寸C3LZ216*7.0 81/2钻具型号：C3LZ216*7.0 81/2外径：8.5英寸（216毫米）流量/中空流量：28～56.78钻头钻速：145～290转/分马达压降：5.0 MPa工作扭矩：8890 N.m最大扭矩： N.m推荐钻压：200 kN最大钻压：XXX kN最大功率：240.8 kW长度：8.285米连接螺纹（API正规）：65/8英寸C5LZ216*7.0 81/2钻具型号：C5LZ216*7.0 81/2外径：8.5英寸（216毫米）流量/中空流量：28～56.78钻头钻速：105～210转/分马达压降：5.0 MPa工作扭矩： N.m最大扭矩： N.m推荐钻压：200 kN最大钻压：XXX kN最大功率：235.3 kW长度：8.285米连接螺纹（API正规）：65/8英寸3LZ244*7.0 95/8钻具型号：3LZ244*7.0 95/8外径：9.625英寸（244毫米）流量/中空流量：18.93～56.78 钻头钻速：96～290转/分马达压降：5.0 MPa工作扭矩：7040 N.m最大扭矩： N.m推荐钻压：210 kN最大钻压：400 kN最大功率：213.8 kW长度：7.56米连接螺纹（API正规）：65/8英寸5LZ244*7.0 95/8钻具型号：5LZ244*7.0 95/8外径：9.625英寸（244毫米）流量/中空流量：50.7～75.7钻头钻速：90～140转/分马达压降：2.5 MPa工作扭矩：9300 N.m最大扭矩： N.m推荐钻压：210 kN最大钻压：400 kN最大功率：136.3 kW长度：7.8米连接螺纹（API正规）：65/8英寸。
钻井各种计算公式
钻头水利参数计算公式：1、 钻头压降：dc QP eb 422827ρ= （MPa ） 2、冲击力：VF Q j02.1ρ= (N)3、 喷射速度：dV eQ201273=(m/s)4、 钻头水功率：d c QN eb 42305.809ρ= （KW ）5、比水功率：DNN b 21273井比＝ (W/mm 2)6、 上返速度：D DV Q221273杆井返＝- （m/s ）式中：ρ－钻井液密度 g/cm 3Q－排量 l/sc －流量系数，无因次，取0.95～0.98de －喷嘴当量直径 mmd d d de 2n 2221+⋯++= d n ：每个喷嘴直径 mmD 井、D 杆 －井眼直径、钻杆直径 mm全角变化率计算公式：()()⎪⎭⎫ ⎝⎛∂+∂+∆=-∂-∂225sin 222b a b a b a L K abab ϕϕ 式中：a ∂ b ∂ －A 、B 两点井斜角；a ϕ b ϕ －A 、B 两点方位角套管强度校核：抗拉：安全系数 m ＝1.80（油层）；1.60～1.80（技套） 抗拉安全系数＝套管最小抗拉强度/下部套管重量 ≥1.80 抗挤：安全系数：1.12510ν泥挤H P= 查套管抗挤强度P c ' P c'/P挤≥1.125按双轴应力校核：Hn P ccρ10=式中：P cc －拉力为T b 时的抗拉强度（kg/cm 2） ρ －钻井液密度（g/cm 3） H －计算点深度（m ） 其中：⎪⎭⎫⎝⎛--=T T KPP b b ccc K 223T b ：套管轴向拉力（即悬挂套管重量） kg P c ：无轴向拉力时套管抗挤强度 kg/cm 2K ：计算系数 kg σs A K 2=A ：套管截面积 mm 2 σs ：套管平均屈服极限 kg/mm 2 不同套管σs 如下：J 55：45.7 N 80:63.5 P 110:87.9地层压力监测：⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=D W NT R R d m n c 0671.0lg 282.3lg (d c 指数)100417.04895.8105⎪⎭⎫ ⎝⎛+⨯-=H cn ddR d Rcmcnp= （压力系数）式中：T –钻时 min/m N –钻盘转数 r/minW －钻压 KN D －钻头直径 mmR n －地层水密度 g/cm 3 R m －泥浆密度 g/cm 3压漏实验：1、 地层破裂压力梯度：HPG Lm f 10008.9+=ρ KPa2、 最大允许泥浆密度：HP Lm 102max +=ρρ g/cm 3为安全，表层以下[]06.0max-=ρρm g/cm 3 技套以下[]12.0max-=ρρmg/cm 33、 最大允许关井套压：[]8.01000'max ⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛--=gHm R a P P ρρ式中：P L －漏失压力（MPa ） PR－破裂压力（MPa ）ρm－原泥浆密度（g/cm 3） H －实验井深（m ）ρ'm ax－设计最大泥浆密度（g/cm 3） 10008.9mHP PL ρ+＝漏10008.9HmR P P ρ+=破井控有关计算：最大允许关井套压经验公式：表层套管[Pa]=11.5%×表层套管下深（m ）/10 MPa 技术套管[Pa]=18.5%×技术套管下深（m ）/10 MPa地层破裂压力梯度：HPG RR 1000=KPa/m最大允许关井套压：8.000981.01000max ⨯⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=H H G P R a 套套ρ Mpa 最大允许钻井液密度：81.9'max G R=ρ－0.06 (表层)81.9'maxGR=ρ－0.12 （技套）套管在垂直作用下的伸长量：10724854.7-⨯-=∆LmL ρ式中：ρm －钻井液密度 g/cm 3 L ∆ －自重下的伸长 m L －套管原有长度 m 套管压缩距：()ρρmL LLE L 总钢固自-⨯=∆10式中：L ∆ －下缩距 m L自－自由段套管长度 mL固－水泥封固段套管长度 mL总－套管总长 mρ钢－钢的密度 7.85g/cm 3ρm－钻井液密度 g/cm 3E －钢的弹性系数 （2.1×106kg/cm 3）泥浆有关计算公式：1、加重剂用量计算公式：()rr r r r 重加原重原加加－＝-V W 式中：W 加 －所需加重剂重量 吨 V 原 －加重前的泥浆体积 米3r 原、r 重、r 加－加重前、加重后、加重材料比重 g/cm 32、泥浆循环一周时间：QT V V 60柱井-=式中：T －泥浆循环一周时间 分 V 井、V 柱 －井眼容积、钻柱体积 升 Q －泥浆泵排量 升/秒 3、井底温度计算公式：1680HT T += 式中：T 、T 0 －井底、井口循环温度 o C H －井深 米 4、配制泥浆所需粘土和水量计算：粘土量 ()rr r r r 水土水泥泥泥土－＝-V W 水量r土土泥水－＝W VQ 式中：W 土 －所需粘土的重量 吨 V 泥 －所需泥浆量 米3r 水、r 土、r 泥 －水、土和泥浆的比重 g/cm 3 Q 水 －所需水量 米35、降低比重所需加水量：()rrrrr水稀水稀原原水＝--VQ式中：Q水－所需水量米3V原－原泥浆体积米3r原、r稀、r水－原泥浆、稀释后泥浆和水的比重g/cm3。
螺杆钻具的力学分析法
螺杆钻具力学分析下部钻具组合力学分析是井眼轨道控制理论的基础和重要组成部分，长期以来这一问题的研究一直受到国内外的重视，并取得了重大进展，研究成果使钻井工艺逐步发展成为一门建立在理论分析基础上的科学。
其具有代表性的方法有Lubinski经典数学微分方程法，lem的有限元法，B.H.Walker的能量法，白家社的“纵横弯曲法”[8]。
3.2.1 纵横弯曲法概述纵横弯曲法是把一个带有多稳定器的下部钻具组合看成为一个受有纵横弯曲载荷的连续梁，然后利用梁柱的弹性稳定理论导出相应的三弯矩方程组，以求解BHA的受力与变形。
在纵横弯曲法中，首先是把BHA从支座处（稳定器和上切点等）断开，把连续梁化为若干个受纵横弯曲载荷的支梁柱，用弹性稳定理论求出每跨间支梁柱的端部转角值，利用在支座处转角相等的连续条件和上切点处的边界条件列写三弯矩方程组。
三弯矩方程组是一系列以支座内弯矩和最上一跨长度（表征上切点位置）为未知数的代数方程组，对其进行求解即可得到BHA 的受力和变形。
假设其遵循的条件:（1）弯接头以下的动力钻具组合简化为等效钻挺（均匀、连续的等圆环截面梁柱）；（2）钻头底面中心位于井眼中心线上，钻头和地层间无力偶作用；（3）钻压为常量，作用在钻头中心处的井眼轴线的切线方向；（4）井壁为刚性体，井眼尺寸不随时间变化；（5）稳定器（偏心垫块）与井壁的接触为点接触；（6）上切点以上钻柱一般因自重而躺在下井壁上；（7）钻具组合在变形前后，其弯接头弯角顶点处的两条切线保持不变；（8）不考虑转动和震动等动态因素的影响；3.2.2 弯矩等效处理首先对单弯螺杆钻具经行弯矩等效处理；由于螺杆钻具具有弯曲的结构，必须对其进行弯矩等效处理，即把存在一个弯角的曲梁柱，用一集中载荷作用在弯角处的直梁代替。
即用一当量横向集中载荷Qd作用在弯曲点处的直梁柱代替它初始弯曲对曲梁柱变形的影响。
Qd所产生的弯矩图应与轴向力p由于初始弯曲所产生的弯矩图相同，由弯矩相等:L cLcQpa d )(-=（3-11）公式中的个字母代表的意义如图所示：图3-3 螺杆钻具简化图（1）由此可解得: )(c L c paL Q d -= （3-12）把求出的当量横向集中载荷Qd 附加作用在直梁柱上（作用点在原来的弯点处，作用线位于弯角平面内且与直梁柱垂直），即可用直梁取代原来的曲粱进行变形分析。
压降计算公式
压降计算公式压降（pressuredrop）是流体运动过程中发生的非质量的损耗，一般用来衡量流体在管路中的能量消耗，也就是压力消耗。
在流体运动过程，随着流体流经管道，管内摩擦阻力大小与流体运动速度和管道内阻力有关，管系中存在不可忽视的压力损失。
因此，需要对管道系统的压降进行计算以便对其进行设计和操作。
压降（pressure drop）的计算一般通过流体力学的basic equations来进行。
它们主要包括流体动量守恒方程、能量守恒方程和流体流量定律。
根据这些方程，我们可以得到压力损失的计算公式，也就是所谓的压降计算公式。
压降计算公式通常有以下三种形式：1. Darcy-Weisbach公式Darcy-Weisbach方程又称摩擦因数公式，Darcy-Weisbach方程表示流体在管道内的压降损失，它可以用来计算几乎任何形式的流体在任何形状管道中的压力损失。
它的公式为：ΔP=f*L*V2/2D（单位：帕）其中，ΔP表示压力损失，f表示摩擦系数，L表示管道长度，V 表示流速，D表示管道内径。
2.壁阻力非定常公式管壁阻力非定常公式旨在试图分离流体的摩擦力和管壁阻力，以改善管道压力损失的计算。
它的公式为：ΔP=f*L*V2 /2D+t*L*V2/2D其中，ΔP表示压力损失，f表示摩擦系数，L表示管道长度，V 表示流速，D表示管道内径，t表示管壁阻力系数。
3. Cole-Cole-Cole公式Cole-Cole-Cole公式是一种计算压降的更精确方法，它可以更详尽地考虑流体管道系统中的摩擦力和管壁阻力。
它的公式为：ΔP = [ f1 * L * V2 / 2D + k1 * V2] + [ f2 * L * V2 / 2D + k2 * V2]其中，ΔP表示压力损失，f1和f2表示摩擦系数，L表示管道长度，V表示流速，D表示管道内径，k1和k2表示管壁阻力系数。
以上就是压降计算公式的常见表达形式，为了更加准确地计算出系统中的压力损失，还需要考虑流体的流量、粘度、温度和密度等因素，以及考虑管道的实际形状、材料和粘滞性等因素。
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。
使用螺杆钻具条件下钻井水力参数优化设计方法
使用螺杆钻具条件下钻井水力参数优化设计方法史玉才;管志川;张欣;张文斌【摘要】螺杆钻具虽然应用广泛，但使用螺杆钻具条件下的钻井水力参数优化设计方法还不完善。
为了指导钻井现场应用，以螺杆钻具的推荐工作参数为约束条件，应用数学规划方法建立了钻井液排量和钻头压降优选模型，给出了实用的钻井水力参数优化设计方法。
研究表明，使用螺杆钻具时，应在螺杆钻具推荐工作参数内，以钻头水功率与螺杆钻具水功率之和最大为指标优选钻井水力参数；为了获得最优水力参数，螺杆钻具工作压降尽可能采用推荐工作压降，钻头压降尽可能接近螺杆钻具传动轴限定的最大钻头压降。
%Although positive displacement dow n-hole motor (PDM )is commonly used in directional drilling at present ,not much effort has been made in research on the optimization methods for drilling hy-draulic parameters when using a PDM .An optimization modelin drilling fluid rate and drill bit nozzle pres-sure-drop selection has been established by mathematical programming method w hile taking PDM ’s recom-mended operating parameters as constrain conditions .T he research results show that hydraulic parameters should be optimized within PDM ’s recommended operating parameters while taking maximum total hy-draulic power designated to drill bit and PDM as the target .To obtain optimum drilling hydraulic parame-ters ,the PDM’s working pressure-drop should be within the recommended working pressure-drop while bit nozzle pressure-drop is close to the maximum of that transmission shaft of the down hole motor allows to .【期刊名称】《石油钻探技术》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】4页(P33-36)【关键词】螺杆钻具;水力参数;钻井液排量;钻头压降【作者】史玉才;管志川;张欣;张文斌【作者单位】中国石油大学华东石油工程学院，山东青岛 266580;中国石油大学华东石油工程学院，山东青岛 266580;中国石油大学华东石油工程学院，山东青岛 266580;中国石油大学华东石油工程学院，山东青岛 266580【正文语种】中文【中图分类】TE22螺杆钻具在定向钻井、直井井斜控制和提高深井钻速等方面应用十分广泛[1-5]。
钻井用钻头水眼压降计算
钻井用钻头水眼压降计算钻井中的水眼压降计算是钻井工程中的一个重要参数，用于评估钻井液在流经钻头时的压力损失。
下面将详细介绍钻井用钻头水眼压降计算的相关知识。
首先，需要明确一些基本概念。
水眼压降是指钻井液在钻头喉部流动时产生的压力损失。
在钻井作业中，钻头喉部是流量的主要限制因素之一，因此准确计算水眼压降对于评估钻井液流动性能和优化钻井参数具有重要意义。
水眼压降的计算涉及到流体力学、流体动力学和工程学等多个学科的知识。
一般情况下，可以采用几种方法进行计算，包括传统的经验公式、理论计算和实验方法。
传统的经验公式是通过大量的试井数据和实验结果总结而来的，具有一定的工程应用价值。
常用的经验公式包括Darcy-Weisbach公式、Hagen-Poiseuille公式和Ergun公式等。
这些公式可以分别用于计算不同类型的钻井液在钻头喉部的水眼压降。
传统的经验公式计算方法简单快捷，适用于常见的钻井工况。
但由于其基于经验和试验数据，对于特殊的工况可能存在一定的误差，因此在使用过程中需要注意合理选择公式和参数。
理论计算方法是基于流体力学和流体动力学原理进行的计算，可以得到相对准确的结果。
理论计算方法的基本原理是通过对流场、速度场和压力场的分析，建立相关的数学方程，然后求解这些方程以获得水眼压降的计算结果。
理论计算方法计算精度高，适用于各种类型的钻井液和不同的流动条件。
但由于其计算步骤较为繁琐，需要较高的数学和物理基础，因此在实际应用中一般较少采用。
实验方法是通过实际的物理试验来测量水眼压降。
实验方法可以在实际的井下条件下进行，在实验室中进行模拟实验，或者通过数值模拟的方法进行。
实验方法的优点是可以获得准确的压降数据，可以用于验证其他计算方法的准确性。
需要注意的是，对于深井、高压、高温等特殊工况，水眼压降计算的误差可能较大，因此在这些工况下需要更加谨慎地选择计算方法和参数。
综上所述，钻井用钻头水眼压降计算涉及到多个学科的知识，可以采用传统的经验公式、理论计算和实验方法进行。
螺杆钻具参数
螺杆钻具技术参数C 5 LZ 172 * 7.0 II -D K W F G其中“C”表示：马达形式（C-长马达、D-短马达、K-空气或泡沫马达省略-常规马达）“5”表示：转子头数“LZ”表示：螺杆钻具产品代号“172”表示：螺杆钻具规格（外径,mm）“7.0”表示：允许使用的转子水眼压降（MPa）“II”表示：产品改进次数“D”表示：弯钻具弯角形式:D-单弯（弯接头或弯壳体）P-大偏移距同向双弯（弯接头+单弯壳体） T-同向双弯S-异向双弯（DTU）J-铰接钻具K-可调弯壳体无-直钻具“K”表示：K-可调弯壳体钻具结构形式省略-固定弯壳体钻具结构形式“W”表示：稳定器（W-传动轴壳体带稳定器；省略-不带稳定器）“F”表示：转子中空分流（F-转子中空分流；省略-转子非中空）“G”表示：钻具耐温特性（G-耐温150℃；省略-耐温120℃）螺杆钻具技术参数(多头)钻具型号外径流量/中空流量钻头钻速 (r/min) 马达压降(MPa) 工作扭矩(N.m) 最大扭矩(N.m) 推荐钻压(kN) 最大钻压(kN) 最大功率(kW) 长度(m)连接螺纹（API正规）(Inch) (mm)上端下端5LZ60*7.0 23/8 60 1.26～3.13 140～3602.5160280 5 10 6.03 3.3 1.9TBG 1.9TBG 5LZ73*7.0 27/8 73 1.26～5.05120～480 3.45 275 480 12 25 13.83.45 23/8TBG23/8 5LZ89*7.0 31/2 89 2～795～3304.1 5609801837 19.35 4.67 23/8 23/8 5LZ95*7.033/495 4.73～11.04 140～320 3.2710 1240 2140 23.8 4.21 27/8 27/8 C5LZ95*7.0-Ⅱ 33/4 95 5～13.33 140～380 5.2 1200 1920 35 70 47.8 5.49 27/8 27/8 C5LZ95*7.0 33/4 955～13.33140～3806.5 1490 2235 40 80 59.3 6.88 27/8 27/8 5LZ100*7.037/8100 4.73～11.04 140～3203.2710 1240 214023.84.2127/827/85LZ120*7.0 43/4 120 5.78～15.8 70～200 2.5 1300 2275 55 72 27.23 4.88 31/2 31/2 C5LZ120*7.0 43/4 120 6.667～20 90～270 5.2 2500 4000 55 100 70.5 6.88 31/2 31/2 3LZ165*7.0 61/2 165 17～27 200～300 4.1 2500 3750 80 160 78.54 6.5 41/2 41/2 5LZ165*7.0 61/2 16516～28100～1783.2 3200 5600 80 160 59.656.541/2 41/2 C5LZ165*7.0 61/2 165 18.93～37.85 125～250 5.0 5000 8000 90 180 112.6 8.15 41/2 41/2 D7LZ165*7.0 61/2 165 18～28 130～200 2.5 5000 3680 80 150 48.2 4.97 41/2 41/2 9LZ165*7.0 61/2 16519～31.685～1352.5 2300 5600 80 160 45.24 5.7 41/2 41/2 5LZ172*7.0 63/4 172 18.93～37.85 100～2003.2 3200 5856 100 20076.66.7141/2 41/2 C4LZ172*7.063/4172 18.93～37.85 150～300 7.0 3660 10110 170 340 198.55 9.18 41/2 41/2 C5LZ172*7.0-Ⅱ 63/4 172 18.93～37.85 100～200 4.5 6320 8240 150 300 1.7.8 7.76 41/2 41/2 C5LZ172*7.0 63/4 172 18.93～37.85 100～200 6.0 5150 10992 170 340 144 9.18 41/2 41/2 5LZ197*7.0 73/4 197 22～36 95～150 3.2 6870 8750 120 240 78.54 6.9 51/2 65/8 C5LZ197*7.0 73/4 197 22～36 100～160 5.2 5000 14220 145 290 1508.751/2 65/8 C3LZ216*7.0 81/2 216 28～56.78 145～290 5.0 8890 12700 200 360 240.8 8.285 65/8 65/8 C5LZ216*7.0 81/2 21628～56.78105～2105.0 10700 17100 200 360 235.3 8.285 65/8 65/8 3LZ244*7.095/8244 18.93～56.78 96～2905.0 7040 11260 210400213.8 7.5665/875/85LZ244*7.0 95/8 244 50.7～75.7 90～140 2.5 9300 16275 210 400 136.3 7.8 65/8 75/8螺杆钻具技术参数(单头)钻具型号外径流量/中空流量钻头钻速(r/min) 马达压降(MPa) 工作扭矩(N.m) 最大扭矩(N.m) 推荐钻压(kN)最大钻压(kN) 最大功率(kW) 长度(m)连接螺纹（API正规）(Inch) (mm)上端下端LZ127*3.5 5 127 9.5～18.5 355～560 2.5 576 1152 20 40 33.78 5.8 31/2 31/2 LZ165*3.5 61/2 165 12.6～22 275～480 2.5935 187029 55 47 6 41/2 41/2 LZ197*3.5 73/4 197 19～28.4 275～415 2.5 1532 3064 54 83 66.6 6.2 51/2 65/8 LZ244*3.5 95/8 244 25.2～44 215～375 2.5 2632 5246 49 102 1037.8765/8 75/8 LZ100*7.0 37/8 100 4.7～11 280～700 5.17 650 1300 35 57 47.65 6.4 27/8 27/8 LZ120*7.0 43/4 120 6.33～15 245～600 4.0 790 1580 35 70 50 6.4 31/2 31/2 LZ127*7.0 5 127 9.5～19345～690 3.1712 142447 110 51.56.631/2 31/2 LZ165*7.0 61/2 165 15.8～25.2 350～550 4.1 1817 3634 80160 104.7 7.3 41/2 41/2 LZ197*7.0 73/4 197 19～31.6 230～390 4.1 2928 5856 120 240 120 7.8 51/2 65/8 LZ244*7.095/824438～63240～400 4.1 6236 12472 213329261.2965/875/8螺杆钻具技术参数(空气或泡沫)钻具型号外径流量/中空流量钻头钻速(r/min) 马达压降(MPa) 工作扭矩(N.m) 最大扭矩(N.m) 推荐钻压(kN) 最大钻压(kN)最大功率(kW)长度(m)连接螺纹（API正规）(Inch) (mm) 上端下端K5LZ95*7.0 33/4 95 5～10 60～1302 1000 1600 30 60 13.61 5.8 27/8 27/8 K7LZ120*7.0 43/4 120 10～20 50～100 1.8 2770 4430 55 100 29.0 6.2 31/2 31/2 K7LZ172*7.063/4172 22～38.5 50～1002.46000960015030062.86.741/241/2K7LZ197*7.0 73/4 19733.5～56.750～80 2.4 11000 17600 200 380 92.2 6.9 51/2 65/8K7LZ244*7.0 95/8 244 42～70 40～70 2.4 15000 24000 210400 110 7.8 65/8 75/8。
冲击螺杆钻具结构设计与参数优化
◀钻井技术与装备▶冲击螺杆钻具结构设计与参数优化∗姜华１ꎬ２㊀李军１㊀张鹏翔３㊀汪伟４㊀查春青４(１ 中国石油大学(北京)石油工程学院㊀２ 中石化华东石油工程有限公司３ 中石油西部钻探吐哈钻井公司㊀４ 北京工业大学材料与制造学部)姜华ꎬ李军ꎬ张鹏翔ꎬ等.冲击螺杆钻具结构设计与参数优化[Ｊ].石油机械ꎬ２０２４ꎬ５２(４):４９－５５.ＪｉａｎｇＨｕａꎬＬｉＪｕｎꎬＺｈａｎｇＰｅｎｇｘｉａｎｇꎬｅｔａｌ.ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎＰＤＭｄｒｉｌｌ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２４ꎬ５２(４):４９－５５.摘要:为了高效钻进硬岩地层ꎬ将螺杆钻具的大扭矩与轴向冲击工具的高频低幅冲击特性相结合ꎬ研制了一种冲击螺杆钻具ꎮ在工具结构原理讨论的基础上ꎬ建立了轴向冲击短节的冲锤运动控制方程ꎬ分析了冲锤的运动特性ꎬ并以工具冲击功和最大能量利用率为评价指标ꎬ采用正交试验方法对主要工具结构参数进行了优化研究ꎮ研究结果表明:冲锤往复运动过程为加速度逐渐减小的非线性加速运动ꎬ节流喷嘴直径和冲锤运动行程是影响冲击功的主要因素ꎬ而冲锤质量㊁承压面积和腔体通孔面积是次要因素ꎮ节流喷嘴直径和冲锤承压面积是影响最大能量利用率的主要因素ꎻ而冲锤运动行程㊁冲锤质量和腔体通孔面积是次要因素ꎮ所得结论可为对冲击螺杆钻具的进一步优化设计和现场应用提供参考ꎮ关键词:冲击螺杆钻具ꎻ运动特性ꎻ正交试验ꎻ冲击功ꎻ最大能量利用率中图分类号:ＴＥ９２１㊀文献标识码:Ａ㊀ＤＯＩ:１０ １６０８２/ｊ ｃｎｋｉ ｉｓｓｎ １００１－４５７８ ２０２４ ０４ ００７ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＤｅｓｉｇｎａｎｄＰａｒａｍｅｔｅｒＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＰｅｒｃｕｓｓｉｏｎＰＤＭＤｒｉｌｌＪｉａｎｇＨｕａ１ꎬ２㊀ＬｉＪｕｎ１㊀ＺｈａｎｇＰｅｎｇｘｉａｎｇ３㊀ＷａｎｇＷｅｉ４㊀ＺｈａＣｈｕｎｑｉｎｇ４(１ ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ(Ｂｅｉｊｉｎｇ)ꎻ２ ＳｉｎｏｐｅｃＥａｓｔＣｈｉｎａＯｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄꎻ３ ＴｕｈａＤｒｉｌｌｉｎｇＣｏｍｐａｎｙｏｆＸＤＥＣꎻ４ ＦａｃｕｌｔｙｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇꎬＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙｄｒｉｌｌｉｎｔｏｈａｒｄｒｏｃｋｆｏｒｍａｔｉｏｎｓꎬａｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎＰＤＭｄｒｉｌｌｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙｃｏｍｂｉｎｉｎｇｔｈｅｈｉｇｈｔｏｒｑｕｅｏｆＰＤＭｄｒｉｌｌｗｉｔｈｔｈｅｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｌｏｗａｍｐｌｉｔｕｄｅｉｍｐａｃｔｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆａｘｉａｌｐｅｒｃｕｓ￣ｓｉｏｎｔｏｏｌ.Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｄｉｓｃｕｓｓｉｎｇｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｏｏｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬａｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｅｑｕａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｄｅｍｏｌｉｔｉｏｎｈａｍｍｅｒｏｆａｘｉａｌｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎｐｕｐｊｏｉｎｔｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｍｏｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｄｅｍｏｌｉｔｉｏｎｈａｍｍｅｒ.Ｔｈｅｎꎬｔａｋｉｎｇｔｈｅｂａｌｌｉｓｔｉｃｗｏｒｋａｎｄｍａｘｉｍｕｍｅｎｅｒｇｙｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｉｏａｓｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｄｉｃａｔｏｒｓꎬｔｈｅｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｃｏｎｄｕｃｔｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｍａｉｎｔｏｏｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓ.Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｅｍｏｌｉｔｉｏｎｈａｍｍｅｒｉｓａｎｏｎｌｉｎｅａｒａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄｍｏｔｉｏｎｗｉｔｈｇｒａｄｕａｌｌｙｄｅｃｒｅａｓｉｎｇａｃｃｅｌｅｒａ￣ｔｉｏｎ.Ｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｔｈｅｔｈｒｏｔｔｌｅｎｏｚｚｌｅａｎｄｔｈｅｓｔｒｏｋｅｏｆｔｈｅｄｅｍｏｌｉｔｉｏｎｈａｍｍｅｒｍｏｔｉｏｎａｒｅｔｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔ￣ｉｎｇｔｈｅｂａｌｌｉｓｔｉｃｗｏｒｋꎬｗｈｉｌｅｔｈｅｍａｓｓａｎｄｂｅａｒｉｎｇａｒｅａｏｆｔｈｅｄｅｍｏｌｉｔｉｏｎｈａｍｍｅｒａｎｄｔｈｅｔｈｒｏｕｇｈ￣ｈｏｌｅａｒｅａｏｆｔｈｅｃａｖｉｔｙａｒｅｍｉｎｏｒｆａｃｔｏｒｓ.Ｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｔｈｅｔｈｒｏｔｔｌｅｎｏｚｚｌｅａｎｄｔｈｅｂｅａｒｉｎｇａｒｅａｏｆｔｈｅｄｅｍｏｌｉｔｉｏｎｈａｍｍｅｒａｒｅｔｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｅｎｅｒｇｙｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｉｏꎬｗｈｉｌｅｔｈｅｓｔｒｏｋｅｏｆｔｈｅｄｅｍｏｌｉｔｉｏｎｈａｍｍｅｒｍｏｔｉｏｎꎬｔｈｅｍａｓｓｏｆｔｈｅｄｅｍｏｌｉｔｉｏｎｈａｍｍｅｒａｎｄｔｈｅｔｈｒｏｕｇｈ￣ｈｏｌｅｏｆｔｈｅｃａｖｉｔｙａｒｅｍｉｎｏｒｆａｃｔｏｒｓ.Ｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｐｒｏｖｉｄｅｒｅｆｅｒ￣９４ ㊀２０２４年㊀第５２卷㊀第４期石㊀油㊀机㊀械ＣＨＩＮＡＰＥＴＲＯＬＥＵＭＭＡＣＨＩＮＥＲＹ㊀㊀㊀∗基金项目:国家自然科学基金项目 钻井复杂工况井下实时智能识别系统研制 (５２２２７８０４)㊁ 特深井复杂温度场测量与井筒压力剖面控制基础研究 (Ｕ２２Ｂ２０７２)ꎻ中国石油－中国石油大学(北京)战略合作项目 准噶尔盆地玛湖中下组合和吉木萨尔陆相页岩油高效勘探开发理论及关键技术研究 (ＺＬＺＸ２０２０－０１)ꎮｅｎｃｅｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎａｎｄｆｉｅｌｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎＰＤＭｄｒｉｌｌ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎＰＤＭｄｒｉｌｌｔｏｏｌꎻｍｏｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃꎻｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｔｅｓｔꎻｂａｌｌｉｓｔｉｃｗｏｒｋꎻｍａｘｉｍｕｍｅｎ￣ｅｒｇｙｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｉｏ０㊀引㊀言深层油气藏是我国油气勘探开发的重要接续区ꎬ然而ꎬ由于深部地层岩石强度较高㊁可钻性较差ꎬ导致深层钻井岩石破碎效率和机械钻速均大幅降低[１－３]ꎮ如何提高深部地层的机械钻速㊁降低钻井成本成为目前技术攻关的重难点ꎮ工程实践表明ꎬ在当前钻井工艺水平下ꎬ井下动力钻具与冲击钻井技术相结合是深部地层提速的有效途径[４－５]ꎮ螺杆马达具有功率大㊁性能稳定㊁工作寿命长的特点ꎬ广泛应用于钻井作业[６－７]ꎮ冲击钻井技术能够为钻头提供额外的冲击能量ꎬ是提高硬地层破岩效率的有效方法之一[８－９]ꎮ将大功率螺杆马达与冲击钻具相配合ꎬ能够同时为钻头提供大扭矩和冲击动载ꎬ降低岩石抵抗破碎能力ꎬ有助于岩石被旋转剪切破碎ꎬ从而有效提高深部地层的机械钻速[１０]ꎮ现场应用也表明冲击螺杆钻具在深井硬地层中具有明显提速效果[１１－１２]ꎮ张海平[１２]㊁甘心等[１３]提出ꎬ机械式旋冲螺杆通过凸轮与滚轮相配合ꎬ依靠钻柱重力势能产生冲击载荷ꎬ能够提供低频高幅的轴线冲击载荷ꎮ王四一等[１４]㊁王勇军等[１５]设计的冲击螺杆采用凸轮冲锤与弹簧相配合ꎬ依靠弹簧蓄能推动冲锤产生冲击载荷ꎬ能够提供稳定的冲击力ꎮ但以上冲击螺杆工具存在结构复杂㊁凸轮冲击机构易磨损㊁工具寿命较短的问题ꎮ于洋等[１６]应用的旋冲螺杆钻具采用自激振荡腔产生轴向冲击载荷ꎬ但该工具的轴向压力波动对钻井液性质要求较高ꎮ针对目前存在的技术问题ꎬ笔者设计了一种新型冲击螺杆钻具ꎬ利用高压钻井液推动冲锤产生轴向冲击载荷ꎮ该工具兼具螺杆马达和冲击钻井工具的优点ꎬ在螺杆＋转盘复合钻井的同时ꎬ为钻头提供高频低幅的冲击载荷ꎬ以提高破岩效率ꎮ通过对工具结构的优化设计和性能参数的计算分析ꎬ以期为深部硬地层增速提效提供有效的技术手段ꎮ１㊀技术分析１ １㊀工具结构冲击螺杆钻具是在螺杆传动轴下端增加轴向冲击短节形成的一种井下提速工具ꎬ其结构示意图如图１所示ꎮ由图１可知ꎬ轴向冲击短节主要由叶轮转筒㊁换向筒㊁轴向冲锤㊁节流喷嘴以及下接头组成ꎮ轴向冲击短节安装在在螺杆钻具传动轴内部ꎬ下接头与钻头相连接ꎮ１ 螺杆钻具外壳ꎻ２ 螺杆钻具传动轴ꎻ３ 叶轮转筒ꎻ４ 换向筒ꎻ５ 轴向冲锤ꎻ６ 节流喷嘴ꎻ７ 下接头ꎮ图１㊀螺杆轴向冲击钻具结构示意图Ｆｉｇ １㊀ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｆｏｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆａｘｉａｌｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎＰＤＭｄｒｉｌｌｔｏｏｌ１ ２㊀工作原理钻进过程中ꎬ螺杆传动轴中心孔内的高压钻井液流入轴向冲击短节ꎬ驱动叶轮转筒连续转动ꎮ叶轮转筒的连续转动使得冲锤上㊁下腔体与工具内部的高㊁低压流道交替连通ꎬ周期性改变作用在冲锤端面的压差力方向ꎬ驱动冲锤沿轴向往复运动ꎮ在正向冲击阶段产生的冲击载荷传递至钻头ꎬ辅助提高钻头破岩效率ꎮ轴向冲击短节利用叶轮旋转配流以实现冲锤换向动作ꎬ冲击频率可通过改变叶轮转速调节ꎮ工具整体结构简单ꎬ冲击短节长度较短ꎬ对螺杆钻具的定向作业影响较小ꎮ１ ３㊀主要技术参数设计的冲击螺杆钻具的主要技术参数如表１所示ꎮ表１㊀工具主要技术参数Ｔａｂｌｅ１㊀Ｍａｉｎｔｅｃｈｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎ０５ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２４年㊀第５２卷㊀第４期２㊀冲锤运动特性分析２ １㊀冲锤运动控制方程冲锤往复运动与钻头座碰撞产生周期性冲击载荷ꎬ分析冲锤的运动特性能够为工具结构参数和冲击性能的优化设计提供依据ꎮ由于冲锤流道为对称结构设计ꎬ冲锤在正向与反向冲击阶段的钻井液流动过程一致ꎬ以换向筒单侧冲锤回程运动阶段的钻井液流动过程为例进行分析ꎮ图２为冲锤回程阶段的钻井液流动示意图ꎮ图２㊀冲锤回程阶段的钻井液流动示意图Ｆｉｇ ２㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｆｏｒｄｒｉｌｌｉｎｇｆｌｕｉｄｆｌｏｗｄｕｒｉｎｇｒｅｔｕｒｎｓｔａｇｅｏｆｄｅｍｏｌｉｔｉｏｎｈａｍｍｅｒ由图２可知ꎬ总流量为Ｑ１的高压钻井液进入工具的中心流道后ꎬ一部分通过换向筒侧壁上腔体通孔进入冲锤一侧的高压腔ꎬ剩余部分经由工具内部的节流喷嘴产生压降ꎮ钻井液作用在冲锤端面的压差Δｐｃ为:Δｐｃ＝ｐＨ－ｐＬ＝Δｐｐ－２Δｐｋ(１)式中:ｐＨ为冲锤高压腔压力ꎬＰａꎻｐＬ为冲锤低压腔压力ꎬＰａꎻΔｐｐ和Δｐｋ分别为钻井液流经节流喷嘴和腔体通孔形成的压差ꎬＰａꎮ钻井液通过节流喷嘴和腔体通孔处形成的压差一般计算表达式为:Δｐｐ＝１２ρξＱ２Ａｐæèçöø÷２(２)Δｐｋ１＝１２ρξＱ３Ａｋæèçöø÷２(３)式中:ρ为钻井液密度ꎬｋｇ/ｍ３ꎻＱ２和Ｑ３分别为进入节流喷嘴和高压腔的流量ꎬＬ/ｓꎻＡｐ和Ａｋ分别为节流喷嘴和腔体通孔面积ꎬｍ２ꎻξ为压耗系数ꎬ一般取０ ８~１ １ꎮ进入高压腔的流量与冲锤运动速度相关ꎬ其表达式为:Ｑ３＝ｖｃＡｃ(４)式中:ｖｃ为冲锤运动速度ꎬｍ/ｓꎻＡｃ为冲锤端面承压面积ꎬｍ２ꎮ由牛顿第二定律ꎬ综合式(１)~式(４)ꎬ得到正向冲击阶段和反向复位阶段内冲锤的运动方程:Ｍｃａｃ＝ΔｐｃＡｃ＝ρξＡｃ１２Ｑ１－ｖｃＡｃＡｐæèçöø÷２－ｖｃＡｃＡｋæèçöø÷２éëêêùûúú(５)式中:Ｍｃ为冲锤质量ꎬｋｇꎻａｃ为冲锤的瞬时加速度ꎬｍ/ｓ２ꎮ２ ２㊀冲锤运动规律分析根据式(５)的冲锤运动数学模型ꎬ基于有限差分原理ꎬ利用Ｍａｔｌａｂ编制模拟计算程序ꎬ对所设计的轴向冲击工具进行冲锤运动的迭代计算ꎮ分析采用的工具结构参数为:节流喷嘴直径２０ｍｍꎬ冲锤运动行程４０ｍｍꎬ冲锤质量２０ｋｇꎬ承压面外径１１５ｍｍꎬ承压面内径９５ｍｍꎬ腔体通孔面积４００ｍｍ２ꎮ水力参数为:钻井液排量３０Ｌ/ｓꎬ钻井液密度１ ２ｇ/ｃｍ３ꎮ计算得到在正向冲击阶段ꎬ冲锤速度随位移的变化曲线如图３所示ꎮ图３㊀冲锤速度随位移变化曲线Ｆｉｇ ３㊀Ｖａｒｉａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｏｆｄｅｍｏｌｉｔｉｏｎｈａｍｍｅｒｓｐｅｅｄｗｉｔｈｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ由图３可以看出ꎬ冲锤速度随运动时间的延长而升高ꎬ但曲线斜率逐渐减小ꎬ冲锤运动为加速度减小的非线性加速运动ꎮ冲锤加速度减小的主要原因是随着冲锤运动速度升高ꎬ进入腔体的高压钻井液瞬时流量Ｑ３增大ꎬ叶轮转筒内流经节流喷嘴处的流量Ｑ２减小ꎬ从而导致钻井液流经喷嘴时形成的压差降低ꎮ与此同时ꎬ腔体通孔产生的压降随瞬时流量的增大而增大ꎬ导致作用在冲锤两端的压差力逐渐减小ꎮ３㊀参数优化设计３ １㊀工具冲击参数在水力参数㊁工具结构参数给定条件下ꎬ根据冲锤运动特性的分析ꎬ得到冲锤在正向冲击阶段的末速度和运动时间ꎬ进而计算用于评价轴向冲击钻１５ ２０２４年㊀第５２卷㊀第４期姜华ꎬ等:冲击螺杆钻具结构设计与参数优化㊀㊀㊀井工具性能的冲击参数ꎬ主要包括冲锤冲击功和最大能量利用率ꎬ具体表达式为:Ｅｃ＝１２Ｍｃｖ２ｅ(６)η＝ＥｃｆｃＰｔｏｔａｌ(７)式中:Ｅｃ为冲锤冲击功ꎬＪꎻｖｅ为冲击末速度ꎬｍ/ｓꎻη为最大能量利用率ꎻｆｃ为固有冲击频率ꎬＨｚꎻＰｔｏｔａｌ为总输入功率ꎬＷꎮ３ ２㊀结构参数对冲击性能的影响从冲锤运动特性分析可知ꎬ影响冲击性能的结构参数涉及节流喷嘴直径㊁运动行程㊁冲锤质量㊁承压面积和腔体通孔面积５个单因素ꎮ其中承压面积与承压面内外径尺寸相关ꎬ分析时保持承压面内径尺寸不变ꎬ仅改变承压面外径尺寸ꎮ计算得到各结构参数对工具冲击性能的影响规律如图４所示ꎮ图４㊀不同结构参数对冲击性能的影响Ｆｉｇ ４㊀Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｉｍｐａｃｔｐｒｏｐｅｒｔｙ㊀㊀由图４可知:随着节流喷嘴直径的增加ꎬ工具冲击功和最大能量利用效率均会逐渐减小ꎻ随着冲锤质量㊁腔体通孔面积的增加ꎬ工具冲击功和最大能量利用效率逐渐增大ꎻ当节流喷嘴直径增加㊁腔体通孔面积的减小时ꎬ喷嘴产生的节流增压效果减弱ꎬ流经通孔产生的压力损失增大ꎬ导致钻井液作用在冲锤端面的压差力减小ꎬ从而引起冲击功的减小ꎬ最大能量利用率随之减小ꎮ在相同作用压差和运动行程条件下ꎬ冲锤冲击速度和冲击频率均随质量的增大而减小ꎻ但在较小的冲锤质量变化范围内ꎬ冲锤冲击速度和频率的减小幅度小于冲锤质量的增大幅度ꎬ因此冲击功和最大能量利用效率仍随冲锤质量的增大而增大ꎮ随着运动行程的增大ꎬ工具冲击功逐渐增大ꎬ而最大能量利用效率则呈现相反的变化规律ꎮ在相同作用压差条件下ꎬ冲锤受钻井液驱动的作用时间随运动行程的增大而延长ꎬ冲锤的冲击速度随之增加ꎬ从而提高工具冲击功ꎻ随着冲锤运动时间的延长ꎬ钻井液流经换向筒上腔体通孔的能量损耗也相应增大ꎬ导致最大能量利用率降低ꎮ２５ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２４年㊀第５２卷㊀第４期随着冲锤承压面外径的增大ꎬ工具冲击功和最大能量利用效率均呈先增大后减小的变化趋势ꎬ即承压面积存在最优值ꎮ当冲锤承压面面积在一定范围增大时ꎬ能够增大钻井液作用在冲锤端面的压差力ꎬ从而增大冲击功和最大能量利用率ꎻ随着冲锤承压面面积的继续增大ꎬ进入高压腔的流量增大ꎬ流入节流喷嘴的流量随之减小ꎬ导致喷嘴产生的节流增压效果减弱ꎬ从而会对冲击功和最大能量利用率产生负面影响ꎮ３ ３㊀多因素变化对冲击性能的影响单因素分析能够研究各结构参数对工具冲击性能的影响规律ꎬ但还存在各因素之间的相互作用ꎬ从而对工具的冲击性能产生额外影响ꎮ正交试验能够分析多个结构参数间的相互作用对工具性能的影响效果ꎬ并筛选最优工具结构参数组合ꎮ设计Ｌ１６(４５)正交试验表格ꎬ将５个因素依次编号为Ａ(节流喷嘴直径)㊁Ｂ(冲锤行程)㊁Ｃ(冲锤质量)㊁Ｄ(承压面外径)㊁Ｅ(腔体通孔面积)ꎬ并计算得到不同参数组合下的单次冲击功和最大能量利用率ꎮ计算过程中钻井液排量取３０Ｌ/ｓꎬ密度为１ ２ｇ/ｃｍ３ꎬ冲锤承压面内径固定为９５ｍｍꎮ其方案及计算结果如表２所示ꎮ表２㊀正交试验方案及计算结果㊀㊀以冲锤冲击功和最大能量利用率作为评价指标ꎬ通过方差分析和直观分析研究各因素的主次关系ꎬ并确定最佳因素水平组合ꎮ以冲锤冲击功为评价指标时ꎬ计算得到各因素方差分析和平均值变化趋势如表３和图５所示ꎮ表３㊀以冲击功为评价指标的方差分析Ｔａｂｌｅ３㊀Ｖａｒｉａｎｃｅａｎａｌｙｓｉｓｔａｋｉｎｇｂａｌｌｉｓｔｉｃｗｏｒｋ图５㊀以冲击功为评价指标的均值随各因素水平的变化趋势Ｆｉｇ ５㊀Ｖａｒｉａｔｉｏｎｔｒｅｎｄｏｆｔｈｅｍｅａｎｖａｌｕｅｔａｋｉｎｇｂａｌｌｉｓｔｉｃｗｏｒｋａｓａｎｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｄｉｃａｔｏｒｗｉｔｈｔｈｅｌｅｖｅｌｏｆｅａｃｈｆａｃｔｏｒ以最大能量利用率为评价指标时ꎬ计算得到各因素方差分析和平均值变化趋势如表４和图６所示ꎮ３５２０２４年㊀第５２卷㊀第４期姜华ꎬ等:冲击螺杆钻具结构设计与参数优化㊀㊀㊀对比表３数据中Ｆ值的大小ꎬ可以得出５个结构参数中ꎬ对冲锤冲击功的影响重要程度排序如下:节流喷嘴直径(Ａ)>运动行程(Ｂ)>冲锤质量(Ｃ)>承压面外径(Ｄ)>腔体通孔面积(Ｅ)ꎮ其中节流喷嘴直径和运动行程是影响冲击功的主要因素ꎬ而冲锤质量㊁承压面外径和腔体通孔面积是次要因素ꎮ由图５可寻求以冲锤冲击功为评价指标的各结构参数最佳组合方式ꎬ最佳组合取各因素较大的平均数对应的水平值ꎮ由图５可知ꎬ冲击功达到最佳的工具结构参数组合:节流喷嘴直径为１８ｍｍꎬ运动行程为５０ｍｍꎬ冲锤质量为３０ｋｇꎬ承压面内径为１１０ｍｍꎬ腔体通孔面积为６００ｍｍ２ꎮ该结构参数组合下的冲击功达到３５２ ９Ｊꎬ相比算例分析中原结构的１６６ ２４Ｊꎬ提高了１１２ ３％ꎮ值得注意的是ꎬ在实际应用中不能一味追求高冲击功ꎬ工具节流喷嘴直径的选择通常还需综合考虑现场钻井液排量和密度ꎬ防止工具压降过高ꎮ表４ 以最大能量利用率为评价指标的方差分析Ｔａｂｌｅ４㊀Ｖａｒｉａｎｃｅａｎａｌｙｓｉｓｔａｋｉｎｇｍａｘｉｍｕｍｅｎｅｒｇｙ图６㊀以最大能量利用率为评价指标的均值随各因素水平的变化趋势Ｆｉｇ ６㊀Ｖａｒｉａｔｉｏｎｔｒｅｎｄｏｆｔｈｅｍｅａｎｖａｌｕｅｔａｋｉｎｇｍａｘｉｍｕｍｅｎｅｒｇｙｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｉｏａｓａｎｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｄｉｃａｔｏｒｗｉｔｈｔｈｅｌｅｖｅｌｏｆｅａｃｈｆａｃｔｏｒ对比表４数据中Ｆ值的大小ꎬ可以得出各因素对工具最大能量利用率的影响重要程度排序如下:节流喷嘴直径(Ａ)>承压面外径(Ｄ)>冲锤质量(Ｃ)>腔体通孔面积(Ｅ)>运动行程(Ｂ)ꎮ其中节流喷嘴直径和冲锤承压面外径是影响最大能量利用率的主要因素ꎬ而冲锤质量㊁腔体通孔面积和运动行程是次要因素ꎮ由图６可知ꎬ能量利用率达到最优的工具结构参数组合:节流喷嘴直径为１８ｍｍꎬ运动行程为３０ｍｍꎬ冲锤质量为２０ｋｇꎬ承压面内径为１１５ｍｍꎬ腔体通孔面积为６００ｍｍ２ꎮ与高冲击功下的最优参数组合类似ꎬ节流喷嘴直径越小ꎬ工具最大能量利用率越高ꎮ因此ꎬ在实际应用时仍需根据现场工况进行节流喷嘴尺寸的优选ꎮ４㊀结㊀论(１)为提高硬地层机械钻速ꎬ将大功率螺杆与轴向冲击钻具相结合ꎬ研制了一种冲击螺杆钻具ꎬ能够同时为钻头提供大扭矩和高频低幅冲击载荷ꎮ(２)冲锤运动特性分析表明:冲锤运动过程中ꎬ进入高压腔的流量增大ꎬ流入节流喷嘴的流量减小ꎬ喷嘴产生的节流增压效果减弱ꎬ冲锤做加速度减小的非线性加速运动ꎮ(３)工具结构参数优化结果表明:节流喷嘴直径和运动行程是影响冲击功的主要因素ꎬ而冲锤质量㊁承压面积和和腔体通孔面积是次要因素ꎻ节流喷嘴直径和冲锤承压面积是影响最大能量利用率的主要因素ꎬ而运动行程㊁冲锤质量和腔体通孔面积是次要因素ꎮ参㊀考㊀文㊀献[１]㊀李阳ꎬ薛兆杰ꎬ程喆ꎬ等.中国深层油气勘探开发进展与发展方向[Ｊ].中国石油勘探ꎬ２０２０ꎬ２５(１):４５－５７.ＬＩＹꎬＸＵＥＺＪꎬＣＨＥＮＧＺꎬｅｔａｌ.Ｐｒｏｇｒｅｓｓａｎｄｄｅ￣ｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓｏｆｄｅｅｐｏｉｌａｎｄｇａｓｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｉｎＣｈｉｎａ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｘｐｌｏｒａ￣ｔｉｏｎꎬ２０２０ꎬ２５(１):４５－５７[２]㊀李庆辉ꎬ李少轩.超深层砂岩储层岩石力学特性试验研究[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ２０２１ꎬ４０(５):９４８－９５７.ＬＩＱＨꎬＬＩＳＸ.Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｕｌｔｒａ￣ｄｅｅｐｓａｎｄｓｔｏｎｅ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０２１ꎬ４０(５):９４８－９５７[３]㊀高明忠ꎬ叶思琪ꎬ杨本高ꎬ等.深部原位岩石力学研究进展[Ｊ].中国科学基金ꎬ２０２１ꎬ３５(６):８９５－９０３.ＧＡＯＭＺꎬＹＥＳＱꎬＹＡＮＧＢＧꎬｅｔａｌ.Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｄｅｅｐｉｎｓｉｔｕｒｏｃｋｍｅｃｈａｎｉｃｓ[Ｊ].ＢｕｌｌｅｔｉｎｏｆＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａꎬ２０２１ꎬ４５ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２４年㊀第５２卷㊀第４期３５(６):８９５－９０３[４]㊀陈新勇ꎬ韩煦ꎬ邱爱民ꎬ等.扭力冲击器与螺杆钻具集成ＢＨＡ应用研究[Ｊ].石油机械ꎬ２０２０ꎬ４８(５):３４－３８.ＣＨＥＮＸＹꎬＨＡＮＸꎬＱＩＵＡＭꎬｅｔａｌ.ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆｉｎｔｅｇｒａｔｅｄＢＨＡｗｉｔｈｔｏｒｓｉｏｎａｌｉｍｐａｃｔｏｒａｎｄｓｃｒｅｗｄｒｉｌｌ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２０ꎬ４８(５):３４－３８[５]㊀陈新勇ꎬ付潇ꎬ李亮亮ꎬ等.廊固凹陷安探地区复杂深井钻井关键技术[Ｊ].石油机械ꎬ２０２１ꎬ４９(１２):３６－４１.ＣＨＥＮＸＹꎬＦＵＸꎬＬＩＬＬꎬｅｔａｌ.ＫｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｆｏｒｃｏｍｐｌｅｘｄｅｅｐｗｅｌｌｄｒｉｌｌｉｎｇｉｎＡｎｔａｎａｒｅａｏｆＬａｎｇｇｕｓａｇ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２１ꎬ４９(１２):３６－４１[６]㊀邱自学ꎬ王璐璐ꎬ徐永和ꎬ等.页岩气钻井螺杆钻具的研究现状及发展趋势[Ｊ].钻采工艺ꎬ２０１９ꎬ４２(２):３６－３７ꎬ４８.ＱＩＵＺＸꎬＷＡＮＧＬＬꎬＸＵＹＨꎬｅｔａｌ.Ｓｔａｔｕｓｑｕｏａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆｐｏｓｉｔｉｖｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｍｏｔｏｒｕｓｅｄｉｎｓｈａｌｅｇａｓｄｒｉｌｌｉｎｇ[Ｊ].Ｄｒｉｌｌｉｎｇ＆ＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏ￣ｇｙꎬ２０１９ꎬ４２(２):３６－３７ꎬ４８[７]㊀李红星ꎬ李辉ꎬ王晓鹏ꎬ等.绥中３６－１油田调整井开窗侧钻高造斜率钻具研制及应用[Ｊ].中国海上油气ꎬ２０１８ꎬ３０(３):１３２－１３６.ＬＩＨＸꎬＬＩＨꎬＷＡＮＧＸＰꎬｅｔａｌ.Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｂｕｉｌｄ￣ｕｐｒａｔｅｄｒｉｌｌｉｎｇｔｏｏｌｓｆｏｒａｄｊｕｓｔ￣ｍｅｎｔｗｅｌｌｓｓｉｄｅｔｒａｃｋｉｎｇｉｎＳＺ３６－１ｏｉｌｆｉｅｌｄ[Ｊ].ＣｈｉｎａＯｆｆｓｈｏｒｅＯｉｌａｎｄＧａｓꎬ２０１８ꎬ３０(３):１３２－１３６ [８]㊀闫炎ꎬ韩礼红ꎬ刘永红ꎬ等.全尺寸ＰＤＣ钻头旋转冲击破岩过程数值模拟[Ｊ].石油机械ꎬ２０２３ꎬ５１(６):３６－４２.ＹＡＮＹꎬＨＡＮＬＨꎬＬＩＵＹＨꎬｅｔａｌ.Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕ￣ｌａｔｉｏｎｏｆｒｏｔａｒｙｉｍｐａｃｔＲｏｃｋ￣ＢｒｅａｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆａＦｕｌｌ￣Ｓｉｚｅｄｒｉｌｌｂｉｔ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２３ꎬ５１(６):３６－４２[９]㊀汪伟ꎬ柳贡慧ꎬ李军ꎬ等.复合冲击钻井工具结构设计与运动特性分析[Ｊ].石油机械ꎬ２０１９ꎬ４７(７):２４－２９.ＷＡＮＧＷꎬＬＩＵＧＨꎬＬＩＪꎬｅｔａｌ.ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｍｏｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎｄｒｉｌｌｉｎｇＴｏｏｌ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０１９ꎬ４７(７):２４－２９[１０]㊀席传明ꎬ穆总结ꎬ罗翼ꎬ等.ＧＣＹ－Ι型冲击螺杆钻井提速技术研究与试验[Ｊ].石油机械ꎬ２０２０ꎬ４８(１０):３９－４３.ＸＩＣＭꎬＭＵＺＪꎬＬＵＯＹꎬｅｔａｌ.ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄｆｉｅｌｄｔｅｓｔｏｆＧＣＹ￣Ιｓｃｒｅｗｉｍｐａｃｔｄｒｉｌｌｉｎｇｔｏｏｌｓ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２０ꎬ４８(１０):３９－４３ [１１]㊀甘心.页岩气钻井用机械式螺杆冲击器结构设计与应用[Ｊ].吉林大学学报(地球科学版)ꎬ２０２２ꎬ５２(４):１２１５－１２２２.ＧＡＮＸ.Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｅｃｈａｎｉ￣ｃａｌＰＤＭｉｍｐａｃｔｏｒｕｓｅｄｉｎｓｈａｌｅｇａｓｗｅｌｌｓ[Ｊ].Ｊｏｕｒ￣ｎａｌｏｆＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ(ＥａｒｔｈＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ)ꎬ２０２２ꎬ５２(４):１２１５－１２２２[１２]㊀张海平.机械式旋转冲击钻井工具结构设计与试验[Ｊ].石油机械ꎬ２０２０ꎬ４８(１２):９－１４.ＺＨＡＮＧＨＰ.ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｔｅｓｔｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｒｏｔａｒｙｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎｄｒｉｌｌｉｎｇＴｏｏｌ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２０ꎬ４８(１２):９－１４[１３]㊀甘心ꎬ梁应红ꎬ李伟廷ꎬ等.螺杆式旋冲工具凸轮机构性能测试装置设计及试验研究[Ｊ].钻采工艺ꎬ２０２１ꎬ４４(６):９３－９６.ＧＡＮＸꎬＬＩＡＮＧＹＨꎬＬＩＷＴꎬｅｔａｌ.Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｅｘ￣ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｔｅｓｔｉｎｇｄｅｖｉｃｅｆｏｒｃａｍｍｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｒｏｔａｒｙ￣ｐｅｒｃｕｓｓｉｖｅＴｏｏｌｂａｓｅｄｏｎｓｃｒｅｗｄｒｉｌｌ[Ｊ].Ｄｒｉｌｌｉｎｇ＆ＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０２１ꎬ４４(６):９３－９６[１４]㊀王四一ꎬ李泉新ꎬ刘建林ꎬ等.冲击螺杆马达研制[Ｊ].煤田地质与勘探ꎬ２０１９ꎬ４７(５):２２５－２３１.ＷＡＮＧＳＹꎬＬＩＱＸꎬＬＩＵＪＬꎬｅｔａｌ.Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｉｍｐａｃｔｓｃｒｅｗｍｏｔｏｒ[Ｊ].ＣｏａｌＧｅｏｌｏｇｙ＆Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎꎬ２０１９ꎬ４７(５):２２５－２３１[１５]㊀王勇军ꎬ刘刚ꎬ佟铮ꎬ等.旋冲螺杆钻具在硬岩地热钻探中的应用研究[Ｊ].钻探工程ꎬ２０２３ꎬ５０(５):１４６－１５２.ＷＡＮＧＹＪꎬＬＩＵＧꎬＴＯＮＧＺꎬｅｔａｌ.Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｔｕｄｙｏｆｒｏｔａｒｙ￣ｐｅｒｃｕｓｓｉｖｅｓｃｒｅｗｄｒｉｌｌｉｎｇｔｏｏｌｉｎｈａｒｄ￣ｒｏｃｋｇｅｏｔｈｅｒｍａｌｄｒｉｌｌｉｎｇ[Ｊ].ＤｒｉｌｌｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０２３ꎬ５０(５):１４６－１５２[１６]㊀于洋ꎬ刘士银.高速旋冲钻井技术优化及在顺北区块的试验[Ｊ].石油机械ꎬ２０２０ꎬ４８(１０):２４－２９ꎬ３８.ＹＵＹꎬＬＩＵＳＹ.Ｈｉｇｈ￣ＳｐｅｅｄｒｏｔａｒｙｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄｉｔｓｆｉｅｌｄｔｅｓｔｉｎｔｈｅＳｈｕｎｂｅｉｂｌｏｃｋ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２０ꎬ４８(１０):２４－２９ꎬ３８㊀㊀第一作者简介:姜华ꎬ高级工程师ꎬ生于１９７９年ꎬ２００３年毕业于中国石油大学(华东)电气工程及其自动化专业ꎬ现为在读博士研究生ꎬ主要从事石油钻井工具研究工作ꎮ地址:(１０２２４９)北京市昌平区ꎮｅｍａｉｌ:３４７０４９１２＠ｑｑ ｃｏｍꎮ通信作者:李军ꎬｅｍａｉｌ:ｌｉｊｕｎ４４６＠ｖｉｐ １６３ ｃｏｍꎮ㊀收稿日期:２０２３－１１－１０(本文编辑㊀任㊀武)５５２０２４年㊀第５２卷㊀第４期姜华ꎬ等:冲击螺杆钻具结构设计与参数优化㊀㊀㊀。
螺杆钻具参数的计算
在井下动力钻具中 ，钻井液总是子上而下刘静马达的，而钻头的工作旋向有总是顺时针旋转，因此，单螺杆钻马达的的转子和定子的旋向是左旋的。
钻头的转动来自转子的自转。
转子自转r=hN N z )1(+2π，密封线下移z ，由此可求出转子的自转一周密封线的下移距离H ： Hz r π2= 可求的 H=N(N+1)h （1-27） 或 H=NT s =（N+1）T r （1-28）若以A s 表示定子线性包容的面积，A r 表示转子线型所包容的面积。
择流过的面积A G 为 A G = A s -A r (1-29)螺杆马达的每转排量q （即当钻头旋转一周，流过马达的液体量）为q=A H （1-30）将式子（1-28）（1-29）带入（1-30）可得到：q= A G NT s =（ A s -A r ）NT s可见每转排量去、纯粹是一个几何量，它与马达的线型、头数和定子导程有关，式子（1-30）是一个通式。
对单头马达，令N=1，结合图1-7.图图1-19、图2-22中的有关参数，可写出 A r = πR 2A s = πR 2+4eD r =πR 2A G = A s -A r =8eR= 4eD rT s =2h可得出q=16eRh螺杆马达理论扭矩和转速的计算：若设钻头的输出转矩为M ，马达入口与出口的钻井液压力差为p ∆，忽略马达及钻具传动轴等部件的摩擦，那么，由马达吸收的水马力与其输出功率相等，既⋅∆p q=M ·2π 则 M=s r s NT A A p )(2-∆π由此同时很容易有每转排量q 和输入体积流量Q 求的无水利损失下的转速，即理论转速 qQ n t 60=多线单螺杆钻具螺杆上作用的轴向力，是由于液压降所产生的轴向力和啮合力的轴向分量之和，数值是很大的。
精确的计算螺杆工作时所承受的轴向力以正确的选择支承， 是提高单螺杆钻具的使用寿命、工作可靠性及能量指标的重要条件之一。
图 1.3 中给出单螺杆钻具和螺杆上作用轴向力的简图(略去螺杆本身重量的影响)。
螺杆钻具的工况分析
螺杆钻具工作特性分析螺杆钻具的工作特性，即外特性，包括理论工作特性和实际工作特性。
螺杆钻具的工作特性是表示其输出参数（输出扭矩T 和输出转速N ）、输入参数（钻具压降、钻具中流量或钻井液流量Q 以及主轴功率和钻具效率之间的关系。
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[30]。
而螺杆钻具具有两种工作特性：理论工作特性和螺杆钻具的实际工作特性。
3.1.1 螺杆钻具的理论钻具分析螺杆钻具最基本的工作原理就是把钻井液的水力能转化为钻头的机械能，从而破岩钻进。
螺杆钻具的性能特点是由其动力部件------螺杆钻具决定的。
这种容积式马达虽然结构简单，只有两个基本元件定子和转子，但却有以下两个突出特点:1. 理论转矩与马达进出口间的压差成正比；2. 理论转速与通过的流量有关而与钻压无关。
这两个特点对于钻井的的意义：（1） 螺杆钻具的输出扭矩与螺杆钻具所消耗的钻井液压降基本成正比，所以可通过钻台上的立管压力表数据变化来反应井下螺杆钻具的扭矩情况；当钻压增大时钻井液压降相应增大，导致扭矩增加，以利于增大井底切削力矩；当井口立管压力突然增大时，表明井下切削力矩突然变大，可适时减小钻压以减小切削力矩，防钻具超载。
（2） 螺杆钻具的转速基本上只与钻井液流量有关而受钻压影响很小，而钻进过程中流进钻具的钻井液排量是固定的，因此，螺杆钻具的输出转速基本不变，不因加大钻压而造成钻头转速明显下降。
这说明螺杆钻具具有良好的过载性能和硬机械特性。
螺杆钻具是典型的容积式机械，下面简要分析螺杆钻具的理论工作特性。
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（11ωT ）应等于螺杆钻具输入的水力能1pQ ∆，则有:11ωT =1pQ ∆（3-1）根据容积式机械的转速关系，有q Q N /6011=（3-2）由以上两式及30/11N πω=可得出：pq T ∆=π211（3-3）11pQ P ∆=（3-4）式子中：1T —螺杆马达理论转矩，N.m ；1ω—钻头理论角速度，rad/s ；1N —钻头理论转速，即马达输出的自转转速，r/min ；p ∆—螺杆马达进、出口的压力降，Pa ；q —螺杆马达每转排量，是一个结构参数，仅与线型、几何尺寸有关，； Q 1—流经螺杆马达的流量，即排量m 3/s ；P 1—螺杆马达的理论功率，w 。
螺杆钻具压降分析计算
套管侧钻水平井是一项复杂 的钻井技术， 钻
井 参数 的合理 选择在 套 管侧钻水 平井 的施 工 过程
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Ｐｌ Ｐ ／ ＭＴ — ０ １ ｚ ｒ ａ
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中起着十分重要的作用 ， 水平井井身轨迹的控制 、
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井下安全 、 水平井成本等都 与钻井参数的合理选 择相关 。钻井参数的选择主要包括钻压 、 转速 、 水
（ 长江大学ｆ 油工程学 院， 湖北 刷州 ４ ４ ２ ） ３ ０ ３
摘 要 螺杆钻具压降的分析计算使侧钻水平井钻 井参数 的选择更加合理与科 学， 可改 进套管侧钻水平并钻井设计并提 高施 工水平 ， 能极大地提高并眼轨迹控
关键 词 螺杆 钻具 压 降 侧钻 水平 并
收 稿 日期 ：０６— ４ ２ 。 ２０ ０ — ７ 作者简介 ： ， ， ７ 张旭 女 １ ３年生， ９ 长江大学 在读硕士 ， 主要
从 事 钻井 下 艺 、 算 机 也 用 方 面 的 研 究 开 发 工 作 Ｅ— 计
ｍａ ｌ ｌ ｘａ ｌ ｉ ：ｌ ｉ ｏｉ ｄ ｓ ｔｍ． ｏ 。 ｕ ｍｉ ａ ＠ ｏ ｃ ｒ ｎ
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式 中 ： 为 钻 井 液 密 度 ，／ ｍ ；７ 塑 性 黏 度 ， ｐ ｇｆ ， 为 ２ Ｐ ｓｄ 中空管 内 径 ，ｍ； 为 中空 管 长 度 ，ｌ ａ・ ； 为 ｃ ｚ ｎ； Ｑ 为 中空 管排 量 ，／ 。 ． Ｌ ｓ 计 算 中空 管排 量 Ｑ ： ．
螺杆压降的计算分析
螺杆压降的计算分析
郑凯;李永平;郭玲玲
【期刊名称】《青海石油》
【年(卷),期】2009(027)004
【摘要】螺杆钻具，又称定排量马达（Positive Displacement Motor，简称PDM），是油气钻井中应用最广泛的一种井下动力钻具。
在深井和超深井钻井中采用螺杆钻具配PDC钻头的复合钻井技术是提高机械钻速的一项有效技术措施。
但是，在实际应用中，螺杆的输出性能与理论输出性能有较大的差别，因此研究螺杆的实际工作特性具有很重要的实践意义。
【总页数】4页(P17-20)
【作者】郑凯;李永平;郭玲玲
【作者单位】青海油田公司钻采工艺研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TE921.2
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对螺杆钻具入口压力的动态分析_张强
图 1 钻具启动时入口压力随时间的变化曲线 图 2 入口压力随时间的变化曲线 (第 5工况点 )
图 3 入口压力随时间的变化曲线 (第 7工况点 ) 图 4 入口压力随时间的变化曲线 (第 8工况点 ) M achine B uilding A utomation, D ec 2009, 38 ( 6 ) : 66 ～67, 89
·机械制造与研究 ·
张强 ,等 ·对螺杆钻具入口压力的动态分析
表 1 钻具特性参数
序号
入口流量 / ( l/ s)
入口压力 /M Pa
出口压力 /M Pa
输出扭矩 / (N·m )
转速 / ( r/m in)
总效率 /﹪
1 6. 15 2 6. 16 3 6. 15 4 6. 15 5 6. 16 6 6. 18 7 6. 17 8 6. 18 9 6. 12 10 6. 15
降 。试验结果说明 ,螺杆钻具在启动过程中所需要的启动
压降大于钻具空载运转压降 ;钻具一经启动 ,其入口压力
将降低 。启动压力的峰值可能与钻具定转子的密封过盈
量有关 。
2) 入口压力的波动频率与转速的关系
从图 2, 3, 4, 5, 6中提取若干完整的波形 ,由所经历的
时间换算出波动频率 ,再与所对应工况点的钻具输出轴转
143. 3 143. 2 143. 4 141. 9 140. 9 140. 0 137. 2 135. 2 129. 3 118. 0
1. 6 51. 4 59. 0 66. 8 67. 5 70. 4 68. 9 67. 7 70. 7 61. 1
图 5成本 ,具有一定的使用价值 。
参考文献 :
[ 1 ] 肖洪兵 ,胡辉 ,郭速学. 跟我学用单片机 [M ]. 北京 : 北京航空 航天大学出版社 , 2002.