（石油与天然气工程专业论文）提高螺杆钻具使用寿命研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 提高螺杆钻具使用寿命研究 石油与天然气 张连涛( 签名) 李天太( 签名) 陈湖滨( 签名) 摘要 螺杆钻具作为一种重要的新型井下动力钻具，在油气钻井、地质勘探和地下工程施 工中得到广泛应用，特别是应用于油气钻井中的定向、造斜、扭方位、侧钻及套管开窗 等作业，对于确保各种特殊工艺井的顺利施工，降低钻井作业成本，提高综合经济效益 发挥了巨大作用。 本文在广泛调研分析螺杆钻具的发展状况及其结构原理的基础上，找出了国内外产 品的主要技术差距；并总结归纳了影响螺杆钻具使用寿命的要素，包括“硬件 因素和 “软件”因素，即螺杆钻具本身设计制造技术水平和钻具综合应用技术水平。 实践证明，万向轴与传动轴总成是导致螺杆钻具失效的薄弱环节，而定转子( 马达) 磨损是导致螺杆钻具工作性能下降的主要原因。因此，优化万向轴、传动轴及马达的结 构设计是提高螺杆钻具使用寿命的关键环节。本文针对5 l z l 7 2 一i 型螺杆钻具结构设计 上存在的问题，进行了相应技术改进，研制了5 l z l 7 2 i i 型螺杆钻具。同时，配合螺杆 钻具的设计改进和生产加工，专门研制了螺杆钻具整机性能测试系统，对不同使用时期 的螺杆钻具进行性能测试、评价，针对性地提出钻具分级使用要求，并制定了螺杆钻具 检修和使用技术规程及钻具井下事故预防措施。 现场使用证明，改进了的螺杆钻具性能良好，推行钻具综合应用技术效果明显，迸 一步提高了螺杆钻具总体使用寿命，降低了钻井作业成本，取得了良好的技术经济效益。 关键词：螺杆钻具，使用寿命，设计改进，综合应用技术 论文类型：应用基础 英文摘要 s u b j e c t ：s t u d yo he x t e n d i n gw o r k i n g l i f eo fp d m s p e c i a l t y ： p e t r o l e u ma n dn a t u r a lg a se n g i n e e r i n g n a m e ： z h a n g l i a n i n s t r u c t o r ：l it i a n t a i ( c h e nh u b a b s t r a c t p o s i t i v ed i s p l a c e m e n tm u dm o t o r ( p d m ) ，an e wt y p eo f d o w n h o l em o t o r ，h a sb e e n w i d e l ya p p l i e dt oo i la n dg a sw e l ld r i l l i n g ，e x p l o r a t i o na n ds u b s u r f a c ee n g i n e e r i n g ， e s p e c i a l l yt od i r e c t i o n a ld r i l l i n g ， s u c ha so r i e n t a t i n g ，k i c k i n g o f f , d i r e c t i o nc o r r e c t i n g ， s i d e t r a c t i n g ，a n dk i c k i n g - o f fi n s i d ec a s i n g i t i sp l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei ne n s u r i n g s u c c e s s f u lo p e r a t i o no ft e c h n i c a l l ys p e c i a lw e l l sa n di nr e d u c i n gd r i l l i n gc o s ta n di n c r e a s i n g o v e r a l le c o n o m i c s t h ep a p e rg a v eat h o u g h t f u li n v e s t i g a t i o no nt h eh i s t o r yo fp d ma n di t sm e c h a n i s m ， a n dp o i n t e do u tm a j o rt e c h n i c a ld i f f e r e n c e sb e t w e e nd o m e s t i cp d ma n di m p o r t e do n e t h e f a c t o r sa f f e c t i n go nt h ep d mw o r k i n gl i f ei n c l u d e “h a r d w a r e ，a n d “s o f t w a r e ，i e ，t h e d e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo fp d m a n di t so v e r a l la p p l i c a t i o nt e c h n i q u e i th a sb e e np r o v e nt h a tu n i v e r s a lj o i n ta n dd r i v e ns h a f ta r et h ek e yf a c t o r sa t t r i b u t i n gt h e p r e m a t u r ef a i l u r eo fp d m h o w e v e r ，r o t o ra n ds t a t o ra b r a s i o ni st h em a i nr e a s o nf o rp o o r o p e r a t i o no f p d m t h e r e f o r e ，l o n g e rw o r k i n gl i f eo f p d mc a nb eo b t a i n e db yo p t i m i z i n gt h e s t r u c t u r ed e s i g no f u n i v e r s a lj o i n t ，d r i v e ns h a f t ，a n dm u dm o t o ri t s e l fm o d i f i e do nt h eb a s i s o ft h em o d e lo f5 l z17 2 一i ，an e wm o d e lo f5 l z17 2 一1 1w a sd e v e l o p e d i nc o n j u n c t i o nw i t ht h e t e c h n i c a li n n o v a t i o na n dm a n u f a c t u r eo f p d m ，a no v e r a l lp d m p e r f o r m a n c et e s t i n gs y s t e m w a sd e s i g n e d t h et e s t i n gs y s t e mi sa b l et ot e s ta n de v a l u a t ep d mu s e di nd i f f e r e n tt i m e ，a n d c l a s s i f yt h e ma c c o r d i n g l y t h ep d mm a i n t e n a n c e ，i n s p e c t i o na n do p e r a t i o np r o c e d u r e s ，a n d p r e c a u t i o u sm e a s u r e sf o rd o w n h o l ep r o b l e m sw e r ea l s op r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h ef i e l da p p l i c a t i o nh a sp r o v e dt h a tt h em o d i f i e dp d mi sw o r k i n gs a t i s f a c t o r i l y ，t h u s p r o m o t i n gt e c h n i c a la p p l i c a t i o n ，i n c r e a s i n gp d mw o r k i n gl i f e ，a n dr e d u c i n gd r i l l i n gc o s t ， a c h i e v i n gs i g n i f i c a n tt e c h n i c a la n de c o n o m i cb e n e f i t s k e y w o r d s ：p d m ，w o r k i n g l i f e ，m o d i f i c a t i o n ，o v e r a l la p p l i c a t i o nt e c h n i q u e t h e s i s ：a p p l i c a t i o n ss t u d y 1 1 1 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：弓援盔功日期：竖：垒! 塑 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：蟛 导师签名： 日期：曙协亏夕 日期： 9g f 玑 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究目的及意义 螺杆钻具是二十世纪五、六十年代中期发展起来的一种新型井底动力钻具，主要用 于定向、造斜、扭方位、侧钻、套管开窗等钻井作业，也可以用于垂直钻井、取芯钻井 和扩孔等钻井作业。随着钻井技术的发展，螺杆钻具在定向井、水平井、多底井、大位 移井及其它特殊钻井作业中的应用越来越广，发展潜力越来越大。 近几年来，胜利油田每年钻井工作量都在1 0 0 0 口以上，其中定向井、水平井所占比 例在5 0 以上，每年都要消耗大量的螺杆钻具，并且随着近几年定向井与水平井优快钻 井技术的推广应用，螺杆钻具已由原先单纯用于定向和扭方位作业，发展成用于增斜段、 稳斜段及水平段的长井段、长时间钻进施工，螺杆钻具钻进进尺在定向井和水平井总进 尺中所占比例越来越大，由此暴露出的螺杆钻具使用寿命偏短、难以满足施工要求的问 题日益严重：尤其是高难度定向井和水平井逐年增加，普遍推广应用了螺杆钻具+ 转盘 复合钻井技术，在大幅度提高机械钻速、减少起下钻频次的同时，亦造成了螺杆钻具不 达设计寿命而先期损坏，并且不时发生钻具井下事故，给钻井生产带来了很大经济损失 n l 。显而易见，目前国内的螺杆钻具制造技术水平与钻井技术的快速发展已相互脱节， 严重制约了钻井技术的发展和经济效益的提高。因此，结合胜利油田的钻井实际，设计 改进现有螺杆钻具结构，提高钻具“硬件”质量技术水平；同时，加强螺杆钻具综合应 用技术研究，确保螺杆钻具修复质量，正确合理地使用钻具，减少钻具井下事故的发生， 对于进一步延长螺杆钻具使用寿命，降低胜利油田的钻井成本，提高综合经济效益具有 重大的现实意义。 螺杆钻具质量问题是当前制约高难度定向井和水平井钻井速度进一步提高的瓶颈， 这已是不争的事实。如何大幅度提高国产螺杆钻具的使用寿命，完全满足钻井技术不断 发展的需要，既是一个非常复杂的系统工程，也是一项长期而艰巨的任务，有待于国内 产品设计制造技术水平的重大突破，有待于其它新兴配套工具技术的成功应用。本文试 图在国内现有螺杆钻具设计制造技术的基础上，结合钻井应用实际，对进一步提高螺杆 钻具使用寿命作一些有益的探讨。 1 2 论文研究内容 螺杆钻具综合应用技术水平高低是影响钻具使用寿命的“软件 因素，它包括螺杆 钻具性能检测技术、钻具修复及现场使用技术。在“硬件”因素即螺杆钻具结构设计因 素确定的情况下，钻具综合应用技术研究有利于螺杆钻具的质量控制，并可适当延长其 使用寿命。 其主要研究内容包括： 西安石油大学硕士学位论文 l 、大功率螺杆钻具整机性能测试系统研制。 2 、提高螺杆钻具修复质量。 3 、螺杆钻具的正确合理使用。 4 、螺杆钻具井下事故预防。 2 第二章螺杆钻具技术发展状况 第二章螺杆钻具技术发展状况 螺杆钻具诞生和发展的历史要迟于涡轮钻具。在螺杆钻具问世以前，钻井行业普遍 采用的钻井方式是用涡轮钻具钻进和转盘钻进，其中前苏联8 0 以上的油井是用涡轮钻 进的，而美、英等西方国家的绝大部分油井是用转盘钻成的。由于涡轮钻具的小扭矩和 高转速而无法与牙轮钻头匹配，人们迫切希望寻找新的具有低转速和大扭矩特性的钻井 工具的技术需求，导致了螺杆钻具的诞生。 1 9 5 5 年，美国迪纳公司( d y n a ) 在单螺杆泵的基础上研制开发了世界上第一根单螺杆 钻具d y n a d r i l l ，于1 9 6 8 年起开始出售商品，一时占领全球市场。美国不同厂家生产的 迪纳钻具、纳维钻具及波斯钻具，其基本原理都是基于容积式马达，只是内部结构和技 术参数有所不同。至2 0 世纪8 0 年代中期，美国的迪纳钻具已发展成两个系列l o 种规格， 纳维钻具有两个系列1 4 种规格。随着配套部件质量的提高，螺杆钻具工作寿命从原来的 3 0 4 0 h 提高到1 0 0 h 以上。 1 9 6 6 年，前苏联的全苏钻井科学技术研究院及其比尔姆分院开始研制“且”型多头 螺杆钻具。这种钻具的低转速大扭矩特性进一步改善了单头d y n ad r i l l 转速偏高、扭矩 偏小、仍不太适合牙轮钻头的不足，扩大了螺杆钻具在定向井中的推广应用。至1 9 8 4 年，全苏螺杆钻具累计进尺达1 5 1 0 6 m ，1 9 9 1 年螺杆钻具钻进量占全苏工作量的7 5 。 近1 0 多年来，随着水平井、径向井、分支井的大量涌现，螺杆钻具的发展也产生了 质的飞跃，其工作寿命成倍提高，各种多功能螺杆钻具纷纷登场。在美国和西欧国家， 几乎9 0 的大、中曲率半径水平井的定向造斜和水平井段都是由螺杆钻具钻成，导向钻 井系统已成了定向井中公认的标准化专用工具，各种新型的专用螺杆钻具得到了广泛的 应用。 我国是在2 0 世纪7 0 年代末期开始研制多头螺杆钻具。1 9 7 8 年，石油部石油勘探开 发科学研究院承担了部级重点攻关项目“l z 61 2 螺杆钻具研制”，并于1 9 8 2 年推出了我 国的第一台3 头螺杆钻具。现在，我国已有十余家工厂可以生产螺杆钻具，常规螺杆钻 具已形成规格化、系列化，而且随着我国定向井技术的普及和推广，国产螺杆钻具已成 为主要的钻井工具。 2 1 螺杆钻具与涡轮钻具的性能差异 螺杆钻具与涡轮钻具是井下动力钻具家族中的两个最重要的成员，它们都是利用高 压钻井液作工作动力的井下液动钻具，两种钻具在油气钻井技术发展的不同时期均得到 了普遍的应用【2 i 3 1 。与转盘钻井相比，采用螺杆钻具与涡轮钻具钻井的主要优点是：由 于不需要通过钻杆柱传递功率，有可能显著地增加钻头在井底的比机械功率，即将能量 集中在井底驱动钻头旋转以破碎岩石，因此机械钻速较高：由于钻井时钻杆柱不转动， 大大减少了钻杆的磨损、疲劳和断裂事故，延长了钻杆的使用寿命，特别适合于打定向 3 西安石油大学硕士学位论文 井、丛式井以及进行修井、侧钻等特殊作业。 然而，涡轮钻具仍存在扭矩小、转速高而无法与牙轮钻头匹配等不足，限制了其在 钻井现场的应用。螺杆钻具实际上综合了涡轮钻具和转盘钻的一些优点，具有更好的综 合工作性能，使其目前得到了最为广泛的应用。 由于螺杆钻具与涡轮钻具在工作原理上有很大的不同，所以在结构、工作特性、设 计方法、使用方法、发展趋势等方面都表现出很大的差异。 螺杆钻具结构简单，工作较可靠，特别是多头单螺杆钻具能给出和转盘钻相近的 m n 值，保证在高钻压下工作稳定；能利用水力喷射式钻头，充分发挥钻头水力功率对 井底破碎岩石的作用；能作成小尺寸钻具，适用于小井径钻井；能通过螺杆衬套副几何 尺寸的变化，大幅度地改变输出特性参数，以适应不同钻头和不同地层条件的要求；能 按照地面钻井泵排出压力和流量的变化来控制钻井技术参数等等，这些优点是涡轮钻具 所不具备的。 ( 1 ) 工作原理不同 螺杆钻具是一种容积式( 液压式) 机械，其理论基础是液压传动的帕斯卡原理；而 涡轮钻具是一种透平式( 液力式) 机械，其物理基础是液力传动的欧拉方程式。例如， 涡轮钻具的扭矩与钻井液的排量、密度及转速参数有关，螺杆钻具的扭矩只与马达的进 出口压降有关，而与钻井液的排量、密度及转速无关。 ( 2 ) 结构差异 涡轮钻具比螺杆钻具结构复杂，装配要求精度高，并且在钻具外径和扭矩相近的条 件下，涡轮钻具的长度明显大于( 甚至成倍于) 螺杆钻具的长度。长度过大对造斜作业 不利，将显著降低了工具的造斜能力和在弯曲井眼中的通过能力。 不同外径的涡轮钻具其扭矩值大小相差悬殊，而螺杆钻具的工作扭矩随其外径大小 变化相对较小。因此，对涡轮钻具宜发展大直径产品( 过小尺寸会使扭矩太小) ，其直径 范围般为q 8 9 q ) 3 2 0 m m ；对小直径动力钻具可主要发展螺杆钻具，其产品的直径范围一 般为q 0 4 5 q ) 2 4 4 m m 。 ( 3 ) 工作特性的区别 螺杆钻具有硬的机械特性，过载能力强：而涡轮钻具有软的机械特性，过载能力差， 随着钻压增大导致切削阻力矩增大时，会引起转速迅速下降，易被“压死”而造成制动。 从这方面来看，螺杆钻具更适用于钻井作业。 ( 4 ) 转速差异 涡轮钻具的转速明显高于螺杆钻具。一般涡轮钻具的工作转速( 即空载转速的一半) 大多在1 0 0 0 r m i n 以上，改进后的低速涡轮钻具一般仍继续在中等转速( 4 0 0 6 0 0 r m i n ) 范围。而单头螺杆钻具的转速一般在4 0 0r m i n 左右，多头螺杆钻具的转速般可达1 0 0 r m i n 左右，更适于与牙轮钻头相匹配。 ( 5 ) 压降差异 4 第二章螺杆钻具技术发展状况 在一定的工作排量下，涡轮产生的压力降变化很小；而螺杆钻具的压降是一个随钻 压和扭矩变化的量。在钻具外径相近、工况参数( 钻井液的排量、密度) 相同的条件下， 涡轮钻具的压降远远大于螺杆钻具的压降。例如q ，1 6 5m m 的多头螺杆钻具，其额定工作 压降p 一般为3 2 m p a ( 空载起动压降一般小于i m p a ) ，而尺寸相近的涡轮钻具，其压降 一般可达5 t m p a 。 ( 6 ) 耐温性能差异 螺杆钻具的定子衬里是耐油丁晴橡胶，过高的工作温度会使定子橡胶脆化而造成先 期破坏。一般螺杆钻具的工作温度不超过1 2 5 c ，可在3 5 0 0 m 以内的井中工作。工作温 度的限制是目前螺杆钻具的一大问题。而涡轮钻具内部的橡胶件很少( 如橡胶金属止推 扶正轴承衬里) ，并且随着技术的发展完全不受高温的限制。这是涡轮钻具的一大优势之 一a ( 7 ) 横振差异 螺杆钻具的转子在定子型腔内作平面行星运动，产生离心惯性力，从而造成钻具的 横向振动。而涡轮钻具的转子作定轴转动，不会引起离心惯性力和横向振动。 2 2 国内外螺杆钻具技术的主要差距 目前，国内螺杆钻具专业生产厂家较多，生产规模较大的有北京石油机械厂、大港 中成公司、德州石油机械厂等几家。国内厂家基本沿袭了上世纪八十年代引进的迪纳和 纳维钻具制造技术，在此期间，根据钻井技术发展的需要，做了一些相应的技术改进， 基本可满足普通定向井、大斜度定向井及水平井的生产需要，但在螺杆钻具使用寿命上 没有实质性突破，与国外同类产品相比差距甚远，并且在各种特殊机种的螺杆钻具的研 制方面也处于滞后状态。国内外产品的技术差距主要表现为： ( 1 ) 螺杆钻具的连续使用寿命相差悬殊，具体表现为各主要部件的工作寿命差异很 大( 见表1 ) 。目前，国外螺杆钻具的使用寿命最长可达上千小时，一般钻具也可达到 2 0 0 3 0 0 h ，而国产螺杆钻具使用寿命普遍在8 0 1 0 0 h ，有的甚至更低，并且工作性能往 往不够稳定，因此已远不能满足国内钻井技术快速发展的需要。 表1 国内外螺杆钻具各主要部件工作寿命对比表 项目旁通阀马达万向轴传动轴 国内2 0 0 h1 5 m 也0 0 h1 0 0 1 2 0 h8 0 l o o h 国外 2 0 0 h 3 0 0 h 以上2 0 0 h 以上2 0 m 0 0 0 h ( 2 ) 对复合钻进的适应能力差别明显。受原材料及热处理等基础工业技术水平的限 制，国产螺杆钻具传动轴的强度与进口钻具相比有很大差距，在复合钻进过程中易发生 断轴事故。 ( 3 ) 地面可调弯角螺杆钻具、铰接式螺杆钻具国内只有个别生产厂家在做尝试，而 5 西安石油大学硕士学位论文 国外已大面积推广。 ( 4 ) 井底可调弯角螺杆钻具、地质导向测传马达等高科技产品，国内尚属空白。 2 3 螺杆钻具技术发展趋势 随着油气勘探开发形势的发展，钻井技术在不断发展，推动着螺杆钻具技术水平也 在不断进步和提高，纵观其发展过程和发展趋势，其方向可基本概括为：长寿命、大扭 矩、高转速、多功能【2 1 1 4 1 。 ( 1 ) 长寿命 延长螺杆钻具的工作寿命，使其在井下能长寿命可靠地工作，一直是螺杆钻具不断 发展的主要技术方向。具体表现为以下几个方面： a 马达定子橡胶材料和硫化工艺的改进。 b 万向轴结构类型与质量的改进。 c 传动轴轴承节结构及轴承质量的改进。 这一部分一直是为追求螺杆钻具长寿命指标进行研究改进的重点。从提高推力轴承 的结构承载能力，到改进轴承组的结构形式，到换成用硬质合金轴承( t c ) ，以及采用p d c 轴承等等。 上述几个方面的改进研究已使优质螺杆钻具连续工作寿命达到2 0 0 h 以上，更好的可 达3 0 0 1 0 0 0 h 。 ( 2 ) 大扭矩 增大螺杆马达的输出扭矩，以适应钻井的需要，一直是螺杆钻具研究中的重要课题。 从单头螺杆马达发展到多头螺杆马达就是有力的证明。一方面需要降低螺杆钻具的输出 转速以匹配牙轮钻头，另一方面要提高扭矩以满足钻井需要，于是生产了多头螺杆钻具。 螺杆马达头数越多，其低速大扭矩特性越好，m n 指标越高。 随着金刚石钻头和p d c 钻头技术的不断发展与完善，以及海洋大位移井迫切需要提 高机械钻速以降低钻井成本，保持较高转速同时具有大扭矩，就成了螺杆钻具的又一次 改进，于是单头螺杆钻具再度引起人们的注意。在单头或多头马达基础上又开发出串联 马达以及加长马达。 串联马达的动力段总成增加了节动力段，中间用一钛合金挠轴相连，使马达的扭 矩和功率增加，但其需要的驱动排量、转速与单一动力段是一样的。而加长马达就是把 动力段加长，使马达的输出扭矩增加。加长马达装备有改进的加强轴承组合，设计时用 有限元分析法评估了各部件的性能，从而能满足输出大扭矩、高负载的需要。 ( 3 ) 高转速 从本质上讲，一般情况下，钻头转速越高，机械钻速越快。于是单头马达或头数较 少的串联马达及加长马达，配用优质牙轮、金刚石或p d c 钻头，达到大扭矩条件下的较 6 第二章螺杆钻具技术发展状况 高转速，已充分引起钻井工作者的注意。从某种意义上说，螺杆钻具和涡轮钻具正相互“靠 拢”，以求更适合钻井的需要。 ( 4 ) 多功能 开发不同结构特征和工作特性的螺杆钻具，形成多功能的不同钻具品种，是几十年 以来，也将是今后螺杆钻具技术发展的重要方向。例如已由普通直螺杆钻具发展起来的 新机种有： a 弯螺杆。在螺杆钻具的万向轴壳体上增设结构弯角，以适应不同曲率造斜的需要。 这种弯螺杆钻具有：固定式弯壳体、同向双弯壳体( f a b ) 、反向双弯壳体( d m 、同体双 弯壳体( d k o ) 螺杆钻具。 b 可调弯螺杆。为增加弯钻具对不同造斜率的要求，研制开发了可调弯壳体螺杆钻 具，包括：地面可调弯壳体，遥控式井下可调弯壳体和用于井下闭环自控可调弯壳体螺 杆钻具，以满足几何导向钻井的需要。 c 地质导向测传马达。为了实现地质导向钻井的需求，在螺杆马达下部加上经特殊 设计的近钻头传感短节，内装电阻率传感器、伽马传感器、井斜传感器及其它传感器， 可在钻井过程中直接测量近钻头地层的多种信息：再经无线短传方式向螺杆马达上方的 m w d 仪器发送，并进一步经m w d 传至地面。这种测传马达系统使钻井技术和随钻测 井技术有机结合，实现了地质导向。 d 中空螺杆马达。为适应水平井大排量携屑的需要，同时又不使螺杆钻具在大排量 下工作而导致转速过高，研制开发了带有固定喷嘴的中空转子螺杆钻具；为了克服这种 空转子螺杆的软机械特性和额外的高水力损失，又进一步研制开发了带有稳流阀的中空 转子螺杆钻具。 e 铰接式螺杆钻具。这种钻具主要用于老井侧钻或钻短半径水平井，它能在3 0 m 长 度内使井眼由垂直变为水平，造斜率达3 0 4 0 m 。该钻具的显著特点是有两个铰接体， 它们可以在5 0 范围内弯曲活动，其中一个铰接体连接了两段螺杆马达；在内部结构中， 两转子之间采用高强度万向节连杆。 f 螺杆一涡轮串联马达。这种串联马达是在涡轮钻具的上部串联一个螺杆钻具，以 降低涡轮钻具的转速。 g 高温型螺杆钻具。为了提高螺杆钻具定子橡胶的抗高温能力，以满足高地温梯度 地区以及深井、超深井井下高温条件下的钻进需要，研制开发了高温马达。这种高温马 达定子采用特殊品种胶料，可把马达耐温提高至1 6 0 以上。 7 西安石油大学硕士学位论文 第三章螺杆钻具结构原理及其外特性分析 3 1 螺杆钻具工作原理及主要结构 3 1 1 基本工作原理 螺杆钻具是一种咀钻井液为动力液的井下动力钻具，它是一种容积式马达。泥浆泵 泵出的钻井披通过钻柱进入螺杆钻具的液力马达在马达的进出口形成一定的压力差， 这个压力差驱动马达转子旋转，并将扭矩和转速通过万向轴和传动轴传递给钻头。 螺杆钻具把钻井液的水力能转化为钻头的机械能，从而破岩钻进。 3 1 2 主要结构及其功用 螺杆钻具主要由四大部件组成：旁通阀总成、马达总成、万向轴总成及传动轴总成， 如图3 - 1 所示。其外部由旁通阕接头、马达壳体、万向轴壳体及传动轴壳体通过锥管螺 纹依次相连，内部连接顺序是：马达转子的下端与万向轴相接，万向轴的下端与传动轴 相接。 图 1 螺杆钻具总成 图3 0 旁通阀总成 3 1 0 1 旁通阀总成 旁通阀总成采用筒式闸阀结构，由阀体、阀芯、阀套、弹簧等零件组成，如图3 - 2 所示。 第三章蠕杆钻具结构原理厦其外特性分析 阀芯有两个位置：开启位置和关闭位置，旁进阔的开启和关闭由钻井液的流量和压 力来控制 在起下钻过程中泥浆泵停泵，旁通阀在弹簧作用下自动开启，将钻柱内孔与环空 相通。起钻时钻柱内的泥浆经阀口流入环空，以免溢于井台上：下钻时，环空内的泥 浆经阀口进入钻柱减少钻柱内外的压差。 在正常钻进时泥浆泵泵出的泥浆流经旁通阀时，流动泥浆产生的推力将阀芯压下， 旁通阀关闭，此时泥浆全部流经马达，把泥浆的压力能转换成机械能，马达转子开始转 动。 3 1 工。马运总成 马达总成是螺杆钻具的核心机构，也是螺杆钻具的动力源。马选由转子和定于两个 部件组成，如图3 - 3 所示，转子是用台金材料经过特殊加工，井镀有耐磨抗腐蚀层的左 旋螺杆，其上端是自由端，下端与万向轴相连。定子的壳体是厚壁无缝铜管，内村有左 旋螺旋型腔的丁晴橡胶这种橡胶具耐磨和抗碳氢化合物性能。 图3 - 3 马选总成 转子和定子具有特殊的啮合关系，其线型是一对摆线类共轭曲线副。因此，绕轴线 的左旋螺轩上有一系列的啮合点，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。当具有一定液压能的钻井液进入这些密封腔，从马达的一端漉到另 一端时，推动转子在定于中转动，将液压能转换为机械能 转子在定子容腔里的运动是行星运动，即除转子本身旋转外，其轴线同时目绕定子 轴线运动。 西安石油大学硕士学位论文 常用的马达转子若为n 头( n 一般为趴l 9 的正整数) 摆线线型，则定子必为n + 1 头摆线线型：转子和定子曲面的螺距相同，导程之比为n ( n + 1 ) 。螺杆钻具的转子头 数越多，转速越低，扭矩越大；头数越少转速越高，扭矩越小。 马达定转子线型是决定其工作性能的主要因素之，目前国际上主要采用两种线型， 一种是短幅内摆线外等距曲线，另一种是短幅外摆线内等距曲线。 螺杆钻具以马达中一个定子导程组成一个密封腔为一级，即马达若是三级的在其 轴向上就存在三个连续而互不相通的密封腔。通常情况下为了使马达正常有效地工作， 马达每级所能承受的压力降以不超过08 m p a 为宜；否则，马选就要漏损，转数降低， 严重时则完全停止转动，而将马达损坏。 为了保证马达密封腔的密封，使其能承受要求的压降，所以定转子问的配合尺寸需 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。 螺杆钻具的性能特点是由其动力部件螺杆马达决定的。这种容积式马达有两个 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。以上特点使螺杆钻具在实际应用中具有很好的过载性能和硬机械特性。 3 1 2 3 万向轴总成 万向轴总成由两个元件组成：壳体和万向轴。壳体通过上、下锥管螺纹分别与马达 定子壳体下端及传动轴壳体上端相连接。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则是一个带有结构弯角的弯壳体。万向轴有几种不同的形式， 其中应用最普遍的是瓣型连接轴( 见图3 4 ) 和挠性连接轴( 有一定柔度、上下两端为 连接螺纹的光轴) 。万向轴的上端和马达转子下端相连接，而下端则和传动轴上端的导水 帽相连。 谰 图3 4 万向轴总成 万向轴的作用是把转于的偏心运动转化成传动轴的定轴转动，同时把马达产生的扭 矩和转速传递给传动轴和钻头。因此，要求万向轴具有较好的挠性功能。 第三章螺杆钻具结构原理及其外特性分析 由于万向轴受载复杂、工况恶劣，因此，从螺杆钻具整体寿命的角度上来看，万向 轴总成是导致螺杆钻具失效的薄弱环节之一。 3 1 2 4 传动轴总成 传动轴总成是支撑钻具和输出功率的部件其作用是将马达产生的扭矩与转速传递 给钻头，同时要承受钻进时地层作用于钻头的轴向力与径向力。它由壳体、轴体、一组 ( 或上下两组) 推力轴承和上下两组径向轴承及其它辅助零件总装组成( 见图3 - 5 ) 。推 力轴承是用来承受钻具在各种工况下产生的轴向载荷：径向轴承则用于承受钻进时产生 的径向载荷，井对轴体进行扶正，保证其正常工作位置。 母孓s 传动轴总成 上径向轴承叉称限流器。流经万向轴壳体的钻井液从导承帽进入轴体的中间流道， 同时也有一小部分钻井液( 约7 以内) 通过上径向轴承，流经轴承组件进行润滑和冷 却，然后从传动轴壳体下部排向环空。 传动轴总成的推力轴承是螺杆钻具最易损坏的部位。由于螺杆钻具在井底的工况非 常恶劣，轴承组负荷相当重，且为大幅度的交变载荷，很容易造成滚珠、滚道磨损，甚 至碎裂。对于上下两组式推力轴承，由于一般情况下上推力轴承的受载与工况比下推力 轴承恶化，故以上情况通常发生在上轴承位置。推力轴承的工作寿命偏低，致使传动轴 总成成为螺杆钻具总体寿命的最薄弱环节。因此，对轴承组结构与材质的改进一直是螺 杆钻具设计研究的重点。 目前，传动轴总成的轴承组合可分成推力轴承+ 橡胶轴承、串轴承- 仃c 轴承、推力 轴承+ 蝶簧+ 1 轴承及密封油润滑轴承、金剐石轴承等几种，其中后两种由于改善了轴 承的服役条件或提高了轴承的耐磨性，从而可有效延长轴承组台的工作寿命。 常规直螺杆钻具的传动轴外壳上不带稳定器，而弯壳体螺杆钻具的传动轴壳体一般 带有稳定器，以增强工具造斜效果。稳定器的常见型式有直条均布式、直条偏心式、螺 旋式及可换扶正套式等几种。 西安石油大学硕士学位论文 3 2 螺杆钻具的外特性分析 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。其工作特性 可由相应的特性曲线体现。特性曲线是表示输出参数( 主轴转矩m 、主轴转速n ) 、输入 参数( 钻具压力降p 、钻具流量q ) 以及主轴功率n 和钻具效率1 1 间的关系曲线。一 般是当q = 常数时，以m 、n 、n 、r l = f ( p ) 的曲线形式给出3 l 【5 1 。 3 2 1 螺杆钻具的理论工作特性 单螺杆马达是典型的容积式机械，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( m a rt ) 应等于单螺杆马达输入的水力能( a p q ) ，则有 m t t n t = a p q ( 3 - 1 ) 根据容积式机械的转速关系，有 nt：60q(3-2) g 由以上两式及t = ! 坠可得出 3 0 1 m r _ 圭a p q ( 3 - 3 ) 厶万 和 n t = a p q ( 3 - 4 ) 式中m r 马达理论转矩； 研一钻头理论角速度； n 广钻头理论转速，即马达输出的自转转速； p 一马达进、出口的压力降； q - 马达每转排量，它是一个结构参数，仅与线型和几何尺寸有关： q 一流经马达的流量，即排量； n 广理论功率。 分析式( 3 2 ) 和式( 3 3 ) 可得出如下重要结论： ( 1 ) 螺杆钻具的转速只与排量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a 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 ) 螺杆钻具具有硬转速特性( 不因负载m 增大而降低转速) 和良好的过载能力 ( a p 增大可导致工作转矩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( m t 和 钻压p b ) 。 1 2 第三章螺杆钻具结构原理及其外特性分析 ( 6 ) 转速1 1 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m t 与转速n t 均与结构( q ) 有关，增大马达的每转排量，可获得适 合于钻井作业的低速大扭矩特性。螺杆钻具( 单螺杆马达) 的理论工作特性曲线见图3 - 6 。 l _ 7 5 ； 衢 0 图3 - 6 螺杆钻具理论工作特性曲线 a 见k 删 0l o 3 0 硼 a 马k g ，c m z 图孓7 莱螺杆钻具由实验台架做出的实际工作特性曲线 3 2 2 螺杆钻具的实际工作特性 螺杆钻具的总效率t 1 取决于其机械效率t 1 。和水力效率t 1 、，的大小，即 i i = r l m 。 r l v 其实际转矩m 、钻头实际转速1 1 和实际输出功率n 0 为 m - m _ 去p q r l m = 历1 _ _ a p 2 q c n _ n h v = 里t 1 v g n o = n h = p ( 撕 式中c 一马达的转矩系数。 ( 3 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) 西安石油大学硕士学位论文 c 州l + 筹舯簧( 3 - 9 ) 图3 7 是某螺杆钻具由实验台架做出的实际工作特性曲线，其a p l 为马达起动压降， 一般为0 5 1 m p a 左右，视转子和定子间的配合松紧程度而定；a p 2 为负荷压降，又称 工作压降；a p 为总压降。三者之间的关系为 a p = a p 2 + a p l( 3 - 1 0 ) 或 a p 2 = a p - a p l( 3 1 1 ) a p 为加上钻压钻进时的泵压值，a p i 为当把螺杆钻具提离井底循环钻井液时的压 力值，两者之差即为a p 2 。 图3 7 中的m 曲线称为负荷效率曲线。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( a p 2 q ) 间比值关系的一种计算效率。 札= 玎_ a p ( 3 1 2 ) 由式( 3 6 ) 、式( 3 - 9 ) 和式( 3 1 2 ) 还可导出 r l l = c r l v( 3 1 3 ) 对比图3 - 6 和图3 7 ，可发现螺杆钻具实际特性与理论特性间的差异：由于容积效率 t 1 v 的影响，导致实际转速n 随a p 的增大而降低，n = n t n 是由于马达定子橡胶衬套 在a p 作用下的变形和漏失所引起的：同时，转矩m 仍与a p 成线性关系，m 随a 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；当钻压p b 变大时，导致钻 头阻力矩增加，此时马达压降a 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。f l a p 逐渐增大达到临界值a p 。时，1 1 = 0 ，钻头转速为零，出现制 动，此时转矩m 达到m 。，称为制动力矩。当钻具出现制动时，进入马达的钻井液排 量q 全部由转子和变形了的定子橡胶衬里间的缝隙漏失，t 1 v = o ，转子停转，总效率1 1 = 0 。 制动工况使钻具的转子、万向轴和传动轴承受最大扭矩m m 。，密封线承受最大压差a p 。， 对工具危害甚大，因此应予避免。在操作时应缓慢施加钻压，如果一旦发生制动工况( 此 时钻台上泵压表数值突增) ，应立即将钻具提离井底循环钻井液，待泵压表上的压力值下 降后，再下放钻具缓慢施加钻压。 由上述分析可知，螺杆钻具的实际转速特性与a p 有关，而变得比理论特性要“软”。 但是，转速曲线n a p 的前面部分相对平缓，下降速率相对较小，所对应的负荷效率吼 值较大。定义负荷效率最大的工况为螺杆钻具的工作点，工作点对应的工作参数应是螺 杆钻具工作的最优参数，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。在现场使用螺杆钻具过程中应尽量使其在工作点附近工作，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之处。 1 4 第三章螺杆钻具结构原理及其外特性分析 3 3 螺杆钻具的分类 螺杆钻具的分类方法有许多种，但在实际研究及应用中最常用的是根据螺杆马达的 结构特征参数和螺杆钻具外径大小及万向轴壳体结构特征进行分类。随着螺杆钻具的技 术发展，其品种规格也在不断增加。 3 3 1 按螺杆马达的结构特征分类 ( 1 ) 按螺杆马达转子端面线型的“头”数分类 马达转子端面线型的“头”数一般可取n = i 一9 ( 整数) ，按此方法可把螺杆钻具分为 单头钻具( n = 1 ) 和多头钻具( n 2 ) 。通常马达转定子的头数比为n ( n + 1 ) ，即马达 的瓣比为l 尼、2 3 、3 4 、4 5 、5 6 、6 7 、7 8 、8 9 、9 1 0 等。 ( 2 ) 按马达的“级”数进行分类。 螺杆马达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 含的定子导程的整数倍，称为螺杆马达的级数。级数s i 才能构成可应用的马达。级数 越高，马达可输出的工作扭矩越大。一般单头钻具多在3 级以上，多头钻具多在2 级以 上。目前常用的多头钻具大多为4 级马达，也有少部分6 级加长马达。 ( 3 ) 按马达的结构及功用分类 马达定转子的结构与材质差异，使其功能不同，适用于各种不同的工况。 a 常规马达 b 中空分流马达 为了增加钻头上的水马力和泥浆上返速度，同时又不使螺杆钻具在大排量下工作而 导致转速过高，将转子加工成为带喷嘴的中空转子。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。 c 高温马达 马达定子衬里采用特殊品种胶料，可进一步提高螺杆钻具的耐温性能，满足其在深 井和超深井的使用要求。 d 铰接马达 马达采用特制的铰接肘链式结构，增强其柔性，可满足钻短半径水平井需要。 e 适合泡沫泥浆马达 常规螺杆钻具的使用介质均为液相，而采用泡沫泥浆马达，可满足快速钻进和井下 情况特殊需要。 3 3 2 按螺杆钻具的规格分类 根据不同井眼尺寸对螺杆钻具的使用要求，把钻具分成多种规格系列。这种分类方 法便于钻井现场根据具体井眼大小来选择相应直径的螺杆钻具，同时也便于钻具设计制 造部门按照井眼尺寸系列来开发生产螺杆钻具的系列与规格。 西安石油大学硕士学位论文 常见的适用于大、中井眼尺寸的螺杆钻具有q 0 2 4 4 ( 用于q 3 l l m m 以上井眼) ，q f l 9 7 、 q 0 2 0 3 ( 用于q 0 2 4 4 0 3 l l m m 井眼) ，q ，1 6 5 、q 0 1 7 2 ( 用于q 0 2 1 6 m m 井眼) ；适用于小井眼尺 寸( q f l 5 2 m m 以下) 的螺杆钻具有q 0 1 2 0 、q o l 0 0 、q 0 9 5 、q 0 8 9 、q 5 4 等。 3 3 3 按万向轴壳体结构特征分类 根据螺杆钻具的万向轴壳体是否带有结构弯角及其可调方式，可将螺杆钻具划分为 以下几类： ( 1 ) 直螺杆钻具 直螺杆钻具的万向轴壳体上无结构弯角，可用于钻直井或在其上方加配弯接头主要 用于钻常规定向井。 ( 2 ) 单弯螺杆钻具 单弯螺杆钻具的万向轴壳体上存在一个结构弯角( 弯角大小一般为1 03 。) ，主要用 于钻水平井、大位移井及多分支井等特殊工艺井。 ( 3 ) 异向双弯螺杆钻具( d t u ) d t u 组合是在螺杆钻具的万向轴部分装有反向双弯的壳体。由于是反向双弯，故钻 头的偏移距较小，这种钻具可以开动转盘( 低速) 实现稳斜