螺杆钻具

6、现场使用
(1)现场使用注意事项
a)根据井眼尺寸和地层硬度合理选择螺杆动力钻具。 b)考虑反扭角时，要注意上部钻具的刚性及装置角与高边的关系。
使用刚性小的钻杆，如铝合金钻杆 ，反扭角就大些； 使用刚性强的钻具，如钻铤数量多或者使用了加重钻杆等，反
扭角就会小些。 c)钻进排量要符合生产厂家推荐的数值范围，以免造成螺杆钻具的先
应尽量使螺杆钻具工作在其工作点附近。在这一范围内，螺杆 钻具仍具有很强的转速硬特性，这是涡轮钻具与之无法相比的。
5、导向螺杆钻具的选型原则
根据图示的思路和方法，具体确定导向螺杆钻具的结构 与工作参数，再从产品目录中选定所需的型号和规格。
5、导向螺杆钻具的选型原则
(1)根据井眼尺寸确定钻具的公称尺寸
螺杆钻具
螺杆钻具
螺杆钻具：根据诺依莫（Rene Moineau ）原理制造的，容
积式井下动力机械， 。 作用：把钻井液的水力能转化为机械能供给钻头。 应用领域：主要用于定向井、水平井的定向造斜及扭方位 施工，也用于直井反扣或侧钻作业中，是目前使用最广泛 的一种井下动力钻具。 生产商： Smith公司：迪纳钻具（Dyna系列）； • Christensen公司：纳维钻具（Navi系列）； • 北京石油机械厂、大港中成石油机械厂、天津立林公司。
工作转矩 M 变大）； ⑤泵压表可作为井底工况的监视器，由 P 变化来判断和显示井下工况（MT 和钻压 PB）； ⑥转速 n 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； ⑦工作扭矩 MT 与转速 nT 均与结构（q）有关，增大马达的每转排量，可获得适合于钻
井作业时的低速大扭矩特性。
在钻井过程中，尤其是大井眼水平井中，为了携带岩屑需要，要求有 较高的钻井液返速，即要求有较大的工作排量。而这一排量会成倍高 于螺杆钻具的额定排量或最高排量。在这种情况下，应该选择带有中 空转子马达的螺杆钻具。
中空转子就是马达转子的中心钻有通孔，通孔上端装有一个固定喷嘴。 流入马达的钻井液排量Q将分成两部分，Q1进入转子中孔旁路，Q2 进入转子与定子间使钻具马达产生旋转。
2、工作原理
当高压流体从钻柱内孔进入螺杆钻具时， 液体迫使旁通阀活塞下行并密封旁通阀筛孔， 整个钻具变形成了一个高压密封系统；
当液体通过转子和定子间组成的连续密封 腔时推动转子转动，经万向轴的转换把行星 转动变为轴心转动，带动钻头旋转，即把钻 井液的液力能通过螺杆转换成机械能。
3、分类方法
□ LZ □×□ □ ─轴承结构形式
便于使用者根据所钻井眼尺寸来选择相应直径的螺杆钻具，或生产 者根据井眼尺寸系列来开发螺杆钻具的系列与规格。
Φ216mm井眼：Φ165mm、Φ172mm； Φ244mm～Φ311mm井眼：Φ197mm、Φ203mm； Φ311mm以上井眼：Φ244mm。 Φ152mm以下井眼（小井眼）：Φ120mm、Φ100mm、
(2)实际工作特性
螺杆钻具的转子与定子之间存在摩擦阻力和密封腔间的 漏失，其它部分也存在机械和水力损失（如传动轴的轴 承节），造成实际工作特性与理论工作特性差异很大。
螺杆钻具存在机械效率 m 和水力效率 v ； 其总效率为： m v
(2)实际工作特性
M —马达实际转矩； n —钻头实际转速；
Φ95mm、Φ89mm、Φ54mm等。多用于套管开窗侧钻和修井作 业，及地质勘探和其他地下工程的钻小孔作业。
3、分类方法
(3)按螺杆钻具万向轴壳体结构特征分类
根据万向轴壳体是否带有结构弯角，将螺杆钻具划分为常规的直螺 杆钻具（无结构弯角）和弯壳体螺杆钻具（带结构弯角）。
直螺杆钻具上方加配弯接头主要用于钻常规定向井。 弯壳体螺杆钻具主要用于钻水平井、大位移井、多分支井等。
│ │ └───最大允许钻头水眼压降(MPa)
│ └─────钻具直径(mm)
└────────转子瓣数(单头省略)
C：船用橡胶轴承
Y：硬质合金轴承
J：金刚石轴承
0：转子中空
1：改进型 2：挠性轴 3：弯壳体 4：双弯壳体
5：稳定器 6：稳定器＋弯壳体
7：稳定器＋双弯壳体
以“5LZ165—7.0B”为例：5—马达转子为5头；LZ—螺杆钻具； 165—外径为165mm（61/2in）；7.0—许用的最大钻头水眼压降 为7.0MPa；B—第二次改进（为中空转子） 。
3、分类方法
根据螺杆马达的 结构特征及其结 构参数进行分类。
(1)按螺杆马达的结构特征分类
a) 按螺杆马达转子端面线型的“头数”N（Lobe，又称波瓣数）， 可分为单头钻具（N=1）和多头钻具（N2）。单头马达具有高 转速、小扭矩特性。多头马达具有低转速、大扭矩特性。
b) 按马达转子与定子头数的关系进行分类。原理上讲，只要二者头 数相差1均可构成螺杆马达，可分为N/（N+1）型N/（N－1）型 两种。 目前油气井作业中普遍采用N/（N+1）型螺杆钻具。
制动工况对螺杆 钻具危害甚大，
应予避免 ！
在操作时应缓慢施加钻压，一旦发生制动工况（泵压表数值突增），应立即将钻 具提离井底循环钻井液，待泵压表的数值下降后再下放钻具缓慢施加钻压。
(3)额定工作参数的确定
定义负荷效率最大的工况为螺杆钻具的工作点，与此对应的工 作参数应是螺杆钻具的最优工作参数。如产品说明书上推荐的 额定排量、额定钻压、额定扭矩、额定转速和额定功率。
D、传动轴总成
结构及工作原理：
c) 传动轴总成的推力轴承是螺杆钻具最易损 坏的部位 （上部推力轴承）。
d) 常规螺杆钻具的传动轴外壳上不带稳定器 （水平井用的螺杆钻具除外）。
e) 对干中曲率造斜用的螺杆钻具，为了保证 有足够的造斜率，要求压缩万向轴壳体弯 点至钻头的距离，需要设计轴向尺寸较小 的传动轴总成。
随着钻井技术发展及弯壳体螺杆钻具品种规格的增加，弯壳体螺 杆钻具的应用更加普遍。
导向螺杆钻具
结构特点：弯壳体＋稳定器＋中空转子 类型：单弯、同向双弯、异向双弯 用途：配合PDC钻头（或牙轮钻头）组成导向钻具组合，完成定向
造斜，在不更换钻具组合情况下实现稳斜段及水平井段的钻井。 • 单弯、同向双弯钻具造斜率高、造斜效果好，是水平井钻井必备 工具之一； • 异向双弯钻具常用于水平段钻进，有微增、降斜的功能，稳斜、 稳平效果好，可配合旋转方式钻进，控制轨迹方便。
c) 按马达“级数”进行分类。螺杆马达的定子－转子运动副的长度 与定子导程长度的比值，即定子－转子运动副所包含的定子导程 的整倍数，称为螺杆马达的级数（Stage）。实际用于钻井作业 的螺杆钻具马达，单头的多在3级以上，多头的多在2级以上。级 数越多，马达可输出的工作力矩值越大。
3、分类方法
(2)按螺杆钻具（马达）的公称外径分类
技术关键：各弯点的选择及弯角加工精度的控制
包括理论工作
4、工作特性（外特性）
特性和实际工 作特性
(1)理论工作特性：
M T 、 NT —马达理论扭矩、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 —流经马达的流量，即“排量”；源自MT T p QC、万向轴总成
作用：将马达的行星运动转变为传动轴的定轴转动，
将马达产生的扭矩及转速传递给传动轴和钻头。
结构及工作原理：壳体和万向轴。
a) 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带有结构弯角。
b) 万向轴有几种不同的结构形式，普遍采用瓣型 连接轴和挠性连接轴。
D、传动轴总成
1、基本结构
由四部分组成，从上至下依次为： • 旁通阀总成； • 马达总成； • 万向轴总成； • 传动轴总成。
§6-2 螺杆钻
A、旁通阀总成
• 作用：停泵时使钻柱内空间与
环空沟通，避免起下钻和接单根 时钻柱内钻井液溢出污染钻台， 影响正常工作。
旁通阀是螺杆 钻具的辅助部
件。
• 结构：由阀体、阀芯、弹簧、筛 板等组成。
nT 60Q / q
MT
1
2
p q
NT p Q
q —马达每转排量，是一个结构参数，仅与线型和几何尺寸有关。
螺杆钻具为容积式马达，马达的输入流量和作用于两端的压力降差 决定了钻具的基本性能。
（1）理论工作特性
①转速只与排量 Q 和结构有关，而与工况（钻压、扭矩等）无关； ②工作扭矩与压降 P 和结构有关，而与转速无关； ③转速和力矩是各自独立的两个参数； ④具有硬转速特性（不因负载 M 增大而降低转速）和良好的过载能力（ p 增大可导致
(2)实际工作特性
L 曲线—负荷效率曲线
L
p2 p
负荷效率是不计马达起动阶段的压降和有关损失，只计工作阶段输
出机械能与有用水力能（ p2 Q ）间比值关系的一种计算效率。
(2)实际工作特性
螺杆钻具的制动现象：当钻压 PB 变大 时，导致钻头阻力矩增加，此时马达 压降 p 增大导致马达转矩 M 增大以 克服阻力矩，但同时引起相应的转速 降低。当压降 p 逐渐增大到临界值 pc 时钻头转速为零而出现制动，此 时转矩 M 达到 M max，称为制动力矩。
现有产品分为3.5MP a（Δ500psi）、7.0MPa （Δ1000psi）和14.0MPa（Δ2000psi）等三种。该值 越大，说明传动轴的承力承压性能越好，成本就越高。
(4)根据排量需求选择转子类型
由干螺杆钻具的转速与工作排量成正比，增大排量必然增大转子、万 向轴、传动轴的转速和万向轴的载荷循环频率，故排量的大幅度增长 必将会导致螺杆钻具的非正常工作，容易造成破坏。
KT (1.1 ~ 1.2)K 根据螺杆钻具制造厂家的产品说明书中推荐的产品造斜能力值确定产 品规格。若说明书中缺少造斜能力值这一指标，可用 Kc 算法（极限曲率 法）计算。
(3)根据钻头水眼压降确定传动轴类型
型号说明中，“许用钻头水眼压降”与传动轴类型对应。 选型时，要根据设计的钻头水眼核算其压降值，再确定 相应的传动轴类型级别。
A、旁通阀总成
工作原理：
a. 开泵时，钻井液压力迫使阀芯 向下运动，造成弹簧压缩并关 闭阀体上的通道（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。
b. 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。
B、马达总成
马达是螺杆钻 具的动力部件。
作用：把钻井液的水力能转化为机械能。 结构：由转子和定子两部分组成。
转子是一根表面镀有耐磨材料的钢制螺杆，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。
B、马达总成
• 工作原理：万向轴约束了转子的轴向运动，所以高压钻井液在流过
马达副时，不平衡的水压力驱动转子作平面行星运动，转子的自转转 速和力矩经万向轴传给传动轴和钻头。
N0 —马达实际输出功率；
p —马达总压降， p p2 p1
p1 —马达起动压降（约 0.5～1MPa）；
p2 —马达负荷压降，也称为工作压降。
C—马达的转矩系数， C
m
1
p1 p2
m
p p2
M
1
2
p q m
1
2
p2
qC
n
60 Q q
v
N0 p Q
(2)实际工作特性
由于马达定子橡胶衬套在压降 p 作用下产生变形和漏失，导致 实际转速 n 随压降 p 的增大而降低；转矩 M 仍随压降 p 的增大 而线性增加，表明螺杆钻具实际上仍有良好的过载能力。
期损坏。 d)控制好钻井液的含砂量。钻井液的含砂量高，会加速动力钻具的
上述对应关系主要是为了保证工具外径和井壁间留有一定的环隙，约 25.4mm （1in）左右，以防止井下遇卡和出现事故时进行打捞作业。
(2)根据设计造斜率确定工具造斜率
所选工具的造斜率（或称造斜能力）应满足水平井钻井要求，可称之为 “造斜率原则”，这是导向钻具的首选原则。 按照水平井工艺需要，导向钻具的造斜率 KT 应比设计造斜率 K 高 10 ％～20％，以便有足够的余地应付钻井过程中意外出现的造斜率不足的 问题。
作用：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。
结构及工作原理：
a)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它辅助零件 总装组成。
b)上、下推力轴承用来承受钻具在各种工况 下产生的轴向力。径向扶正轴承组用于对 传动轴进行扶正，保证其正常工作位置。