螺杆钻具中文使用手册

中成－钻具

使用手册

大港油田集团中成机械制造有限公司Dagang Oilfield Group Zhongcheng Machinery Manufacturing Co.,Ltd.

2004.10

第一章、序言

中成－螺杆钻具是靠泥浆提供动力的井下动力钻具，它与传统转盘带动钻杆钻进方法比较,有很多优点：

1．增加钻头的转速。

2．增加钻头扭矩的功率，因而增加进尺率。

3．井底直接提供动力，因而减少钻杆的磨损和损坏。

4．可准确地造斜、定向、纠偏。

5．可钻水平井、从式井，显著提高钻井的经济效益。

6．寿命长，也能进行周期较长的延伸井段和直井钻进。

就是这些优点才促使螺杆钻具得到了迅速发展。

我公司在1985年全套引进美国史密斯公司—Smith DYNA-DRILL三条生产线，即包括生产制造与整机装配生产线、热处理可控气氛生产线，以及定子橡胶生产线。可生产DYNA-DRILL D500、D1000、F2000三个系列螺杆钻具，在经历了引进、消化和吸收的发展过程后，今天的大港油田集团中成制造有限公司已经能够独立生产和开发适用于各种用途的各种规格系列的螺杆钻具。在质量体系保障上，是国内螺杆钻具生产厂家最先通过GB/T1900-1994-ISO9001：1994标准的企业，也是通过中国计量局ISO10012计量检测体系认证的企业。

本手册主要介绍我厂螺杆钻具的工作原理、性能、使用要求及注意事项，为用户更好地使用我厂钻具，提供了依据。

第二章操作计划和考虑

一螺杆钻具的工作原理

螺杆钻具是以油基泥浆、浮化泥浆及粘土泥浆等作动力液，是一种把液体压力能转换为机械能的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，从而实现钻井作业。

二中成—螺杆钻具的组成及工作

原理

中成－钻具主要由四部分组成：（见

图1）

·旁通阀总成

·马达总成

·万向轴总成

·传动轴总成

（旁通阀总成上部的提升短节，未按

部件计算，订货时可由用户提出。提升短

节的作用仅供提升钻具用，没有其他用

途。）

1.旁通阀总成：

它的部

图1

件主要由阀

体、阀芯、阀套、弹簧、阀口总

成组成，它的作用是在下钻时，

允许环空（钻杆与井壁的环形空

间）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。使起、下钻时不

致使泥浆溢于井台上，以及保护图2

马达的作用。

旁通阀总成的工作原理是在泥浆流量达到说明书推荐最小流量以前的某个流量时该流量经阀芯内孔，在孔两端产生压力差，上端压力大于下端压力，此压力差克服弹簧力把阀芯压下，旁通孔被关闭。此时泥浆流经马达，把压力能转换为机械能。地面停泵或流值过小，压力差不足以按住阀芯，弹簧把阀芯顶起，旁通孔导通（参考图2）。总之，正常情况下旁通阀的启闭完全由流量大小决定的。

3.2.马达总成：

它由转子和定子两部分组成（参考图3）。转子是一根经过加工并有耐磨抗腐蚀镀层的左旋螺杆。定子是在经过机械加工的钢管上有用特制的压胶芯轴压铸并粘牢的丁腈橡胶，它耐磨并抗碳氢化合物。定子的头数比转子多一个，在转子装入定子后，任意截取一个垂直于轴线的截面，两者均是共轭啮合的。因此，绕轴线的左旋螺杆上有一系列啮合点，这些啮合点封闭起来的容腔组成一个密封腔，而且此容腔体积是一定的。随着螺杆在定子中的运动，密封腔逐步沿轴线移动，把完成能量转换的泥浆由低压腔排出马达。这就是螺杆马达的基本工作原理。

根据设计，不同马达的头数有不同的配合。总的来说，马达的头数越少，转速越高，扭矩越小；马达的头数越多，转速越低，扭矩越高。各种螺杆马达头数配合的截面轮廓如图4。

图3 图4

螺杆钻具以马达中一个定子导程组成密封腔为一级，也

就是说，马达如果是三级的，在轴向上存在三个连续而互不相通的密封腔，在工作中，如欲使马达正常有效地工作，马达每级所能承受的压降以不超过8bar为宜，如以三级马达为例，则其马达压降不超过25bar最好。否则，马达就要漏损，转数降低。严重时则完全停止转动，致使马达损坏。这一点现场操作时用户应非常注意。

为了保证马达密封腔的密封，以确保能承受的压降，所以定转子间的配合尺寸都需经过选配测试，使其不宜过紧或过松，让马达发挥最大的效率。另外，定子的容腔是由橡胶形成的，因此定子内腔的尺寸是受到井底温度影响的，用户可根据实际的井温情况要求厂家选配适合的马达配合，如地层井温较高，可选配较松的马达；如地层较浅或使用的环境温度较低，可选配较紧的马达等。

现场使用的泥浆流量希望在推荐的范围内，否则将影响马达效率，甚至使磨损加大。

螺杆马达的性能参数是螺杆钻具的主要性能参数，螺杆输出扭矩与马达压降成正比；输出转数与输入泥浆流量成正比，随着负荷的增加，螺杆输出转数降低很少，地面控制容易。所以，通过控制地面上的压力表的读数及泵的流量就控制住了井下螺杆的扭矩及转速。

为了增加钻头的水马力和泥浆的上返速度，将转子加工成带喷嘴的中空转子。此时马达的总流量应等于流经马达密封容腔的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。如果超过最大流量值，转子可能超速旋转，定子和转子会出现提前损坏。如果输入流量小于最小流量值，马达的输出转速和扭矩就会降低，从而影响其使用效果。因此，在选择转子喷嘴尺寸时，应确保马达密封容腔的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。在泥浆密度、喷嘴尺寸和马达总流量给定时，流经转子喷嘴的流量和流经马达密封腔的流量总是在变化中的。当钻头离开井底，螺杆马达无负荷，此时流经转子喷嘴流量最小，而此时的流经马达密封腔的流量最大。钻头开始进尺工作，螺杆马达部分的压差不断增加，使流经转子喷嘴流量增加，而此时流经马达密封容腔流量减少。

流经转子喷嘴水眼所产生压力差ΔP的计算公式：

ΔP＝ΔP1＋ΔP2

＝

0v P

1.6

6697

ρL

其中ΔP：马达两端压力差（PSI）

ΔP1：转子喷嘴所消耗的压力降（PSI）

ΔP2：转子长孔所消耗的压力降（PSI）

ρ：泥浆密度（lb/gal）

Q。：流经转子水眼的流量（gal/min）

D：转子长孔直径（in）

d：喷嘴直径（in）

Pν：泥浆粘度（cp）

L：转子长孔长度（ft）

在上述计算公式中，ΔP、ΔP1、ΔP2、ρ、D、P

、L在给定井况和螺杆钻具规格后都是定值，因此，只要改变d,就可以得到一个相应的Q。值。再根据相应井况的总流量和螺杆钻具马达推荐的最大流量和最小流量值，最终确定Q。值和d 值。

10 10/32 7.94 20 20/32 15.88

11 11/32 8.74 22 22/32 17.48

12 12/32 9.53 24 24/32 19.05

13 13/32 10.31 28 28/32 22.23

14 14/32 11.11 30 30/32 23.8

32 32/32 25.4

3.3.万向轴总成

它位于转子下端，其作用是把马达产生的扭矩和转速传递到传动轴上。它所起到的作用要求它具有较好的挠性功能，才能实现把转子的偏心运动转换成传动轴的定轴转动。因此，一般万向轴采用万向瓣形和柔性轴形式，如图5。

从整个螺杆钻具寿命的角度上来看，万向轴总成部分寿命相对是最短的，在螺杆使用后，应及时拆卸修理和检查。

图5 运动原理

3.4.传动轴总成

它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。大港-螺杆钻具的传动轴总成的结构型式共有五种。

按钻头承受水眼压降分类：

a.水眼压降为35bar，该结构上、下轴承是推力球轴承，径

向轴承有两组硬质合金轴承或两组橡胶轴承两种。

b.水眼压降为70bar，该结构上、下轴承有多组向心推力球

轴承或多列推力球轴承两种，径向轴承是上、下各多组硬

质合金轴承。