螺杆钻具简介2005-07-11

螺杆钻具简介螺杆钻具是将液体压力能转换为机械能的一种容积式井下动力钻具，当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，与牙轮钻头、金刚石钻头以及其他特殊钻头配合使用，从而实现钻井作业。

一、常规螺杆钻具的主要结构与工作原理螺杆钻具主要由旁通阀、马达、万向轴和传动轴等四个部件组成。

1、旁通阀总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。

在起下钻作业过程中，泥浆泵停泵或流量较小，旁通阀自动开启，将钻柱内孔与环空连通。

起钻时钻柱内的泥浆经阀口流入环空。

下钻时环空内的泥浆经阀口进入钻柱，减少钻柱内外的压力差。

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。

2、马达总成螺杆钻具的马达由定子和转子两个零件组成。

定子是在钢管内壁上压注并粘结牢固的橡胶衬套。

橡胶内孔具有螺旋面的几何形状。

转子是一根经过机械加工并经高硬度表面处理的螺杆。

转子和定子具有特殊的啮合关系。

这些啮合点沿轴向形成螺旋密封线，形成一个一个的密封空腔（一个密封腔，也称为一级，每级所能承受的工作压力降应小于等于 0.8mMpa。

如四级马达，压降应为 3.2Mpa。

压降超过此值就要泄漏，转速很快下降，严重时会完全停止转动，级数越多、功率越大）。

当具有一定能量的压力液进入这些密封腔，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。

螺杆钻具马达的转子具有不同的头数。

头数越多,马达转速越低、功率越大。

转子的转速与马达的输入流量成正比，控制输入流量，就可以控制螺杆钻具的输出转速。

为了增加马达的流量而又避免转速的升高，有的螺杆钻具的转子被做成中空形式，并在转子上安装喷嘴，使马达具有中空分流。

这种结构的优点是可以增加螺杆钻具的流量，缺点是会使马达特性变软，即钻头的转速将随钻压的增加而减小（非线性），用户在选用和操作时，应当注意。

螺杆钻具的马达，将钻井液的液压能转换为钻头旋转的机械能。

马达两端有足够的压降，才能产生所需要的输出扭矩。

泵压太低或钻柱循环阻力太大，不能保证马达工作所需要的马达压降，螺杆钻具不会正常工作。

泵压足够时，马达压降随着所施加的钻压加大而升高，当钻压进一步加大时，马达压降也急剧增加。

由于马达本身结构的限制，马达压降达到一定程度后，破坏了定转子间密封空腔的密封性能，马达被“击穿”，转速急剧下降甚至停车（制动或滞动），地面可以观察到泵压升高，进尺减小或没有进尺，继续增加钻压，泵压不再增加，这种现象即为螺杆钻具在井下工作经常出现的马达失速。

钻井液通过破坏的马达密封腔从钻头水眼中流出，当因故障卡钻时，钻井液在钻头制动情况下，仍可以继续循环。

失速现象在螺杆钻具使用过程中是不允许发生的。

遇有这种情况必须及时提起钻具使钻头脱离井底。

因为钻井液长时间流过不转的马达会使钻具严重损坏。

如果地面压力表读数恢复正常，则可确认是钻压过大引起失速。

处理后如无异常，可以继续钻进。

严重失速的压力约为规定的马达压降的1.5～2倍。

如果没达到上述压力而轻易失速时，应当考虑该钻具定转子配合过松或已磨损严重，需要更换钻具。

螺杆钻具在井下工作时，随着钻压的增加，螺杆钻具的马达压降逐渐升高，输出扭矩逐渐增加。

螺杆钻具工作时的实际输出扭矩，取决于钻压的大小。

螺杆钻具在井下工作，应施加足够的钻压，才能使马达输出钻头破岩所需要的足够扭矩。

所施加钻压的大小，可以通过观察指重表上悬重的变化和泵压表上马达压降的变化来确定。

应当通过逐渐增加钻压，使螺杆钻具的马达压降尽量达到规定值的中上限，以保证螺杆钻具的马达最大限度地提供输出扭矩。

同时，应当控制钻压不能超过规定的钻压，以免导致传动轴轴承的损坏，或者马达压降过高而制动。

加长马达具有很大的输出扭矩和功率，可以满足在长的直井段快速钻进的需要；短马达使螺杆钻具整机的长度缩短，可以满足提高造斜率的要求。

大直径螺杆钻具输出力矩大3、万向轴总成万向轴的上端连接马达的转子、下端连接传动轴的导流水帽，其作用是将做行星运动的转子和做定轴转动的传动轴连接起来，把马达的输出扭矩及转速通过传动轴传递到钻头。

螺杆钻具使用后，要及时拆卸、检查万向轴磨损情况。

如磨损量超过维修标准，应及时更换，否则会因万向轴过度磨损导致其他零件的损坏，甚至钻具无法正常工作。

4、传动轴总成传动轴的功能是将马达的扭矩和转速传给钻头，同时要承受钻进时地层作用于钻头的轴向力和径向力，因此，其主要结构是一组轴承。

传动轴总成的寿命决定了螺杆钻具的寿命。

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。

密封式传动轴的结构与上述结构相似，由于优化了内部结构设计，将全部轴承密封起来，使轴承组在油润滑的条件下工作，使承载能力和使用时间进一步提高，适用于长井段连续钻进。

与螺杆钻具配合使用的钻头装有喷嘴，在螺杆钻具传动轴轴承的两端造成压力差，即钻头水眼压降。

钻头水眼压降较大时，密封机构两端压差较大，不利于密封机构的工作。

因此，使用具有密封传动轴的螺杆钻具，应当在满足钻井需要的情况下，尽量选用较大的喷嘴，降低钻头水眼压降。

二、螺杆钻具的使用螺杆钻具下井使用之前，应当进行细致的检查，确保下井后能正常工作，避免不必要的起下钻和由此造成的损失。

1、检查螺杆钻具下井前应确认其为新螺杆钻具或使用后经过正常维修的螺杆钻具。

使用过的螺杆钻具，如果未经拆检和维护保养，可能蕴藏极大的事故隐患，给钻井作业带来不必要的损失。

如果确实需要旧的螺杆钻具再次下井，应仔细检查螺纹部位是否有松动的迹象，螺杆钻具的壳体是否有影响安全的腐蚀或划伤。

新螺杆钻具壳体螺纹在出厂时均已旋紧并涂以锁紧剂，在钻台上不得旋动任何螺纹部位。

2、安装钻头用钻头装卸器安装钻头，应当用链钳转动螺杆钻具传动轴的轴头，而且只能反时针旋转(俯视时旋向)，以防止内部螺纹松扣。

3、检查旁通阀的开启和关闭吊起提升短节，把螺杆钻具放入转盘中，把旁通阀置于转盘以上容易观察的位置。

用卡瓦卡牢螺杆钻具，卸去提升短节。

用锤把或木棒压下旁通阀的阀芯，同时向旁通阀注满水，此时旁通阀的阀口应不漏水。

然后撤走木棒，阀芯应被弹簧弹起复位，所注的水应从侧面各孔均匀流出，即可认为正常。

4、试运转接上方钻杆，用方钻杆将螺杆钻具下放到转盘以下，使旁通阀处于转盘以下便于观察的位置。

开动泥浆泵进行泥浆循环，确认旁通阀关闭后，缓慢上提螺杆钻具，观察传动轴的轴头是否转动（注意：试运转时使用小排量,正常情况下应有3~7%的泥浆从轴头处漏出）。

此时旁通阀处于“关闭”位置，不应有泥浆从旁通孔流出。

确认传动轴的轴头正常旋转后，下放钻具使旁痛阀位于转盘以下，停泵，观察旁通阀是否再次打开，使泥浆从旁通阀孔排出。

泵未完全停止以前，不要把旁通阀提到转盘以上，防止污染井台。

试验过程注意观察泵压变化，记录螺杆钻具的在不同排量下的循环压力。

首次使用的新螺杆钻具，如果放置时间较长且保存条件不好，可能会出现启动压力很高的现象。

此时应当用大钳将传动轴的轴头盘动几圈，然后再次启动。

完成上述检查后，卸下方钻杆，按设计的钻具组合进行连接。

钻头距井底0.5m左右开动泥浆泵，记下立管的压力表读数（即循环压力）。

逐步加钻压，马达扭矩开始增加，立管压力表压力值升高。

这个升高的压力值应小于各型号螺杆钻具规定的马达压降。

换句话说，压力表增大的数值（即马达压降）反映了马达的负荷是否正常，也就是钻压的大小是否合适。

因此要维持扭矩基本稳定，钻压基本稳定，只要控制立管压力使其稳定在一定范围内就可以了。

它能使司钻及时了解螺杆钻具在井底的工作情况。

起钻时应注意以下事项：为防止螺杆钻具砂卡，应适当控制下钻速度。

螺杆钻具提出井口后，装好钻头装卸器，卡牢钻具外壳，反转钻头(俯视为逆时针)，把马达密封型腔中存留的泥浆从旁通阀排出(此时马达相当于一个泵)。

将螺杆钻具提出直到旁通阀露出转盘，把螺杆钻具卡牢在转盘上，先用清水从旁通阀顶部进行冲洗。

然后使用木棒或锤把等将阀芯反复按下、松开多次，使其能自由地移动为止。

最后拧上提升短节，提出钻具，将螺杆钻具提出转盘，并卸下钻头。

螺杆钻具卸下后，应平稳地送下钻台，及时送管子站检修。

三、螺杆钻具的维护与保养螺杆钻具下井使用后，应立即送维修中心进行拆检和维护保养，以免残留的钻井液对金属零件造成进一步的腐蚀，以及钻井液板结后造成马达等运动零件不应有的损伤。

未经拆检的螺杆钻具不应再次下井使用，除非上次使用时间很短，工况较好，并能确认没有影响再次下井安全的腐蚀、划伤、磨损等缺陷。

使用过的旧螺杆钻具如果未经正常的维修和更换易损件，很可能在反复使用中引起事故，造成不必要的起下钻，甚至因得不到及时维修，而造成整个钻具的报废。

螺杆钻具的拆检和维护保养，应当在有条件的维修车间内进行。

拆装人员应对螺杆钻具产品的原理、结构和使用比较了解。

维修时，应检查壳体的划伤、裂纹等缺陷，必要时应予探伤。

壳体表面严重划伤或产生裂纹，应予更换，不得再次使用。

维修时，应当检查螺纹表面状况，并在组装时注意紧密距变化情况。

螺纹损伤或紧密距变化较大时，应予更换。

拆卸螺杆钻具时，应当用氧乙炔火焰烘烤螺纹部位（不得超过250℃），使螺纹粘结剂失效。

过度烘烤会降低螺纹连接强度。

螺杆钻具的拆检顺序如下：卸下旁通阀总成。

将旁通阀解体，拆检阀芯、阀套、弹簧、阀口等零件；如果螺杆钻具带有防掉机构，应卸下定子上端的防掉总成；松开传动轴总成与万向轴壳体的连接螺纹，卸下传动轴总成。

传动轴总成随后应解体拆检全部零件；拉出万向轴的轴体总成，将其从转子螺纹上卸下。

拆检万向轴轴体总成；拉出转子，清洗定子内腔和转子。

维修时应更换腐蚀或磨损的零件。

其中包括：旁通阀总成的磨损零件；万向轴总成的轴体总成；传动轴总成的推力轴承组、径向轴承组、水帽等零件；有磨损的壳体类零件。

螺杆钻具组装时，全部螺纹应按规定涂锁紧剂（Y-680）和润滑脂，用动力大钳旋紧。

四、螺杆钻具的常见故障螺杆钻具产品在井下工作过程中，可能遇到各种不正常情况。

这里将可能出现的异常情况及其影响因素归纳为表1，供参考。

螺杆钻具故障分析表表1五、常用螺杆技术参数（一）、螺杆钻具型号表示方法（以北石厂为例）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、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（直径,mm）“7.0”表示：允许使用的钻头水眼压降（MPa）“II”表示：允许改进次数“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℃）（一）、常用螺杆技术参数常用螺杆技术参数表（北京石油机械厂---京石牌）六、操作技术要点1、要丈量螺杆各部尺寸、画出草图。