螺杆钻具工作原理及结构

第三节螺杆钻具工作原理及结构

螺杆钻具的工作原理

螺杆钻具是一种把液体的压力能转换为机械能的能量转换装置。当高压液体进入钻具时，迫使转子在定子中滚动，马达产生的扭矩和转速通过万向轴传递到传动轴和钻头上，达到钻井的目的。

螺杆钻具作为井底动力钻具，有许多突出的优点：

1．增加了钻头扭矩和功率，因而提高了进尺率。

2．减少了钻杆和套管的磨损和损坏。

3．可准确地进行定向、造斜、纠偏。

4．在水平井、丛式井及修井作业中，可显著提高钻井经济效益。

5．由于结构的先进，提高了钻具的寿命，可用于延深钻井或直井钻进。

螺杆钻具的结构及其作用

DT螺杆钻具主要由以下几部分组成：

※旁通阀总成

※马达总成

※万向轴总成

※传动轴总成

※导向总成（导向钻具专有部件）

1．旁通阀总成（见图1）

旁通阀设置在马达的上部，它由阀体、阀芯、阀座、弹簧、滤套等组成，其功用如下：a．下钻时，井眼中的钻井液由旁通阀引入钻杆柱内，减小下钻过程的阻力，平衡钻杆内外液柱压力。

b．起钻时，钻井液由钻杆柱内经旁通阀侧孔流入环空，不致使钻井液溢于井台。

c．钻具工作时，高压钻井液流经旁通阀，推动阀芯，压缩弹簧，关闭旁通阀侧孔，所有钻井液流经马达，把压力能转换为机械能。

正常情况下，旁通阀的开关由钻井液流量及压力大小来控制。

2．马达总成（见图2、图3）

马达是由转子和定子两部分组成的，图3为钻具马达截面轮廓。

转子是一根经过特殊加工和处理，具有抗腐蚀、耐磨损的左旋螺杆。

定子是一根内衬橡胶的钢管，定子内孔也呈螺旋形，转子与定子组装好后沿着它们的接触点形成一系列连续的、共轭的、啮合密封腔，在具有压力能的液体作用下，随着密封腔的形成、变化和消失，迫使转子在定子中作连续运动。

每套螺杆钻具的马达为多级，马达中的一个定子导程组成的密封腔为一级，每一级的许用压降一般不超过0.8MPa，否则，马达就要产生漏损，降低转速。为保证马达密封腔的密封，以承受一定的压降，转、定子都需经过选配测试以确保为轻微过盈配合，同时，由于井温对定子橡胶的影响，用户可根据实际的井温向厂家反映，以达到合适的马达配合要求，从而使马达发挥最大的功率和效率。

每种马达都对应一定范围的额定排量，不按此排量使用，将加速钻具的磨损，也不能有效的工作。

此外，5LZ165×7II—F型马达转子为中空，可根据钻井工艺要求选择喷嘴，以调节钻井液排量，更好的满足钻井工艺的需要。

3．万向轴总成（见图4、图5）

万向轴总成的作用是将马达的偏心运动变换为传动轴的定轴旋转，同时传递扭矩给传动轴，以达到钻井的目的。

我厂生产的螺杆钻具有挠式万向轴（见图4）和花瓣万向轴（见图5）两种结构。

挠式万向轴是专为超短型钻具而设置，该型钻具特点是：长度短、运转平稳、利于造斜。由于本厂独特的结构型式，从而使钻具具有较高的寿命。花瓣万向轴更适于配中空可调排量转子以满足大流量钻井液钻井的需要。

4．传动轴总成（见图6）

传动轴总成的作用是将马达的旋转扭矩传递给钻头，同时承受钻压所产生的轴向和径向负荷。传动轴总成的设计既要考虑到转动的灵活和平稳，同时根据钻压、钻井液的性质及钻头的侧面载荷、转速、钻头水眼压降来设计，因此设计为组合推力轴承和径向滑动轴承共同作用的型式。

a．组合推力轴承：

用以承受工作状态时的钻压，马达、钻头水眼压降产生的轴向力及转子、万向轴、传动轴、钻头重量等各轴向力的合力。

b．径向滑动轴承：

它分为上、下两组，主要作用是承受转子作行星运动引起的弯曲载荷和钻头转动时产生的侧向力，上径向轴承对钻井液起限流作用，它允许马达流出钻井液的5～10 ％通过轴承组件，起着冷却和润滑轴承的作用。

旁通阀上端内螺纹和传动轴下端内螺纹均符合API规范。用户若有特殊要求，可订货时提出。

5．导向总成（见图7）

导向钻具有单弯钻具和双弯钻具两种。

导向单弯钻具，是在马达下部设置一带角度的短节，从而使弯曲点尽可能靠近钻头，提高造斜率。

导向双弯钻具，是在单弯钻具的基础上增加一弯接头，以提高造斜性能，根据其弯曲方向、度数及联接部位可有多种组合方式。

同时，我厂也可根据用户需要生产地面可调角度导向钻具。

由于我厂导向单弯钻具采用了独特的结构型式，提高了钻具寿命和造斜性能，因此，更适于定向井及水平井钻井作业。

DT钻具规格及技术参数（附录四）

DT钻具标牌说明

例：（1）外径165mm、5/6瓣比液马达、钻头水眼压力降7MPa、经过第三次改进的直型螺杆钻具应表示为：5LZ165 ×7Ⅲ。

（2）外径172mm、5/6瓣比液马达、大偏移同向双弯、弯点下带稳定器、钻具允许最

高工作温度150℃、钻头水眼压力降7MPa的弯壳体螺杆钻具应表示为：5LZ172×7—PWG。

六、大港—钻具的使用方法

大港一钻具除提升短节和旁通阀外，其他部分的壳体联接均涂以锁紧剂，并按API标准紧扣扭矩上紧。

在选择钻具及其组合方案时，应制订钻井作业计划，充分考虑井眼孔径、井眼轨道、钻头类型、规格、地层结构和水力计算等细节。

1.地面检查

钻具下井前，应在钻台上按下述方法进行试验。

a.用提升短节将钻具提起坐入转盘卡瓦内，装上安全卡瓦卸去提升短节。

b.检查旁通阀：用木棒下压旁通阀阀芯，从上部注满水，此时旁通阀应不漏，水面无明显下降。然后松开阀芯，阀芯复位，所注水应从旁通阀口均匀流出。

c.接上方钻杆，卸去安全卡瓦，提出卡瓦，下放钻具使旁通阀阀口处于转盘下易于观察的位置。

d.开泵：逐渐提高排量直到旁通阀关闭、马达起动为止（记下该排量值）。不停泵上提钻具至能看见转动的驱动接头为止。在此过程中可能有部分泥浆经轴承组流出，观察钻具运转情况。停泵前应再下放钻具，让旁通阀阀口位于转盘以下，检查停泵时是否泥浆经旁通阀阀口顺利流出。

e.地面检查结束后，用吊钳卡住扭动摇头，用钻头盒把钻头和钻具接上（大钳只可咬在旋转传动轮驱动接头上），紧扣扭矩见附录6。（注：应保证传动轮驱动接头相对于上面的