石油钻井设备与工具-王镇全 第二节 螺杆钻具

第二节 螺杆钻具,前言,1、井下动力钻具简介 将动力发动机置于井底直接与钻头相联驱动钻头破碎岩石进行钻井的井下动力装置，称为井下动力钻具。这种钻井方式称为井下动力钻具钻井。,其特点总结如下： 1）用井下动力钻井，钻杆不转，只承受钻井的反扭矩，可改善钻柱的受力状况，减少钻柱和套管的磨损和破坏； 2）井下动力钻具与转盘钻井相比，转速快，有利于提高机械钻速； 3）实现井身轨迹的定向控制。 4）可与转盘复合，实现复合钻井。不仅可以实现旋转或滑动钻井，还可提高钻头转速，提高钻井速度。,2、井下动力钻具的发展概况,世界上第一项井下动力钻具的专利注册于1873年的美国，比转盘钻井的提出还早11年；但真正应用是在20世纪20、30年代的前苏联。作为全球主要应用涡轮钻井的国家，在50年代中期以前，前苏联80%以上的油井是用涡轮钻进的。 20世纪30年代，法国工程师根据对阿基米德螺旋泵的研究成果设计了单螺杆泵。1955年，美国戴纳公司(Dyna)在单螺杆泵的基础上研制开发单螺杆钻具，于1968年起开始出售商品，一时占领世界市场。1966年，前苏联的全苏钻井科学技术研究院开始研制多头螺杆钻具。,随着定向井数目的增加，20世纪70年代，人们对螺杆钻具的兴趣与日俱增。多头螺杆钻具逐步取代单头螺杆钻具而成为主导产品。更多的国外钻井设备公司，特别是斯伦贝谢、贝克(Baker)和克里斯坦森等公司，都开始制造自己的多头螺杆钻具。 井下动力钻具经过40年的探索和研究，已成为当今世界石油钻井中定向井、丛式井、大斜度井、水平井等钻井作业必不可少的重要工具。 我国是在20世纪70年代末期开始研制涡轮钻具和多头螺杆钻具，在80年代初曾推广使用涡轮钻具，但由于其转速高与牙轮钻头不配套，加之当时的固相处理技术不过关，限制了涡轮钻具的应用。20世纪80年代引进美国戴纳公司(Dyna)螺杆钻具技术后，螺杆钻具发展迅速，得到普遍应用。现在，我国已有十余家工厂可以生产螺杆钻具，国产螺杆钻具已成为主要的钻井工具。,近年来，随着导向钻井技术的发展和钻头质量的改进， 井下动力钻具应用空间逐步拓展，从直井到定向井、大斜度井、水平井，从井下动力钻具钻井到复合钻井，都与井下动力钻具密切相关。因此，了解和掌握井下动力钻具的作用、工作原理、基本结构及其特点，对于从事石油工程的专业人员是十分重要的。,2、井下动力钻具分类及特点,本课程主要讲解螺杆钻具和涡轮钻具。,一、概述,1、 螺杆钻具简介 螺杆钻具，又称定排量马达(devoplacement Motor，简写为PDM)，是一种以钻井液为动力液的井下动力钻具，是一种容积式马达。 其工作过程为：泥浆泵泵出的钻井液从钻柱进入螺杆钻具的马达，在马达的两端形成一定压力差，推动马达的转子旋转，并将扭矩和转速通过万向轴和传动轴传递给钻头。,2、 螺杆钻具的结构简介,螺杆钻具的组成部分： 1）旁通阀总成； 2）马达总成； 3）万向轴总成； 4）传动轴总成。,扶正器,单弯螺杆,3 、螺杆钻具分类,螺杆钻具的分类方式有多种：,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N，可把螺杆钻具分为单头钻具和多头钻具。一般可取N=19。N=1为单头马达(钻具)，N2为多头马达(钻具)。多头马达具有高转速、小扭矩特性，多头马达具有低转速、大扭矩特性。,2）按螺杆钻具(马达)的公称外径分类,这种分类方法主要是便于钻井工作者根据所钻的井眼尺寸来选择相应直径的螺杆钻具。 常见的螺杆钻具有： 75、95 (用于118mm以下尺寸井眼)； 120 (用于152mm、165mm 井眼)； 165，172(用于215mm井眼)； 197、203(用于241、311mm井眼)； 244(用于 311mm以上井眼)。,3）按螺杆钻具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，可将螺杆钻具划分为： 常规的直螺杆钻具 (无结构弯角)； 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直井或常规定向井。弯壳体螺杆钻具主要用于钻水平井、大位移井、多分支井等，而且随着钻井技术发展及螺杆钻具弯壳体品种规格的增加，弯壳体螺杆钻具的应用更加普遍。,螺杆钻具的分类方法有多种，但实际上应用中最常用的是根据螺杆钻具外径及万向轴壳体结构进行分类。,二、螺杆钻具的典型结构与工作原理,一）旁通阀总成 1、作用： 旁通阀是螺杆钻具的辅助部件，它的作用是在停泵时使钻柱内空间与环空沟通，以避免起下钻和接换单根时钻柱内钻井液溢出污染钻台，影响正常工作。,结构示意图,2、结构,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。,3、工作原理,在开泵时，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(一般有5个沿圆周均匀分布的通道孔，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。当停泵时，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。 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。,特殊说明,旁通阀不是螺杆钻具工作时的必须部件。在水平钻井中，为了防止停泵时环空钻井液内的岩屑从旁通阀的筛板进人马达，往往不装旁通阀，或把旁通阀的弹簧取出来使旁通阀呈常闭状态，而在直井段的钻柱上安装一个钻柱旁通阀，来代替钻具旁通阀的作用。,二、马达的结构及工作原理,1、马达的组成及结构简介 马达是螺杆钻具的动力部件，马达总成实际上是由转子和定子两个基本部分组成的单螺杆容积式动力机械。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。,转子线型和定子线型是一对摆线类共轭曲线副，常用的马达转子若为N头摆线线型，则定子必为N+1头摆线线型；转子和定子曲面的螺距相同。转子和定子的端面曲线即线型有一定要求外，还要求转子与定子的长度须不小于最小限度，即最小长度要大于螺距。 转子轴线和定子轴线间有一距离，称为偏心距，一般以e 表示。,2 、工作原理,螺杆钻具是一种容积式(液压式)机械，其理论基础基于帕斯卡原理.。,转子和定子具有特殊的啮合结构，啮合点沿轴向经大于一个螺距的距离后形成螺旋密封线，形成一个一个的密封空腔。 当具有一定能量的压力液进入转、定子形成的密封腔，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。,3、螺杆马达的机械特性分析,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应等于单螺杆马达输入的水力能，则有：,根据容积式机械的转速关系，有,根据角速度与转速的关系，有,马达理论扭矩：,马达理论功率：,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。, 马达理论转矩, 钻头理论角速度, 钻头理论转速，即马达输出的自转转速,马达进、出口的压力降,Q 流经马达的流量，即排量,理论功率,分析公式可看出：,(1)螺杆钻具的转速只与排量和结构有关，而与工况(钻压、扭矩等)无关。 (2)工作扭矩与压降和结构有关，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(不因负载增大而降低转速)和良好的过载能力(压降增加可导致工作转矩M变大)。 (5)泵压表可作为井底工况的监视器，由泵压变化来判断和显示井下工况(扭矩和钻压)。 (6)转速随排量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)工作扭矩与转速均与结构有关，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。,三） 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、下锥螺纹分别和马达定子壳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结构形式，例如应用最普遍的为瓣型连接轴和挠性连接轴(有一定柔度、上下两端为连接螺纹的光轴）以及其他形式的万向轴。万向轴的上端和马达转子下端相连，而下端则和传动轴上端的导帽相连。,万向轴的作用是把马达转子的平面行星运动转化为传动轴的定轴转动，同时把马的工作转矩传递给传动轴和钻头。 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。,四）传动轴总成,传动轴总成的结构如图。它由壳体、传动轴、上部推力轴承、下部推力轴承，径向扶正轴承组及其他辅助零件总装组成。 上、下推力轴承分别用来承受钻具在各种工况下产生的轴向力。径向扶正轴承组则用于对传动轴进行扶正，保证其正常工作位置。 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。,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。,三、导向螺杆钻具的主要结构,导向螺杆钻具（弯螺杆钻具）是为大斜率定向井和水平井钻井而设计、制造的井下动力钻具，通常是指配有不同弯壳体和稳定器的螺杆钻具。 导向螺杆钻具用于配合牙轮钻头或金刚石钻头，以及弯接头、无磁钻铤、稳定器和随钻测量系统等组成不同的钻具组合，用于大斜率井的造斜、稳斜和水平井段的钻井作业。,1、导向螺杆钻具类型,1）单弯螺杆钻具：螺杆钻具的上部带有弯接头或万向轴壳体为单弯壳体，对于同样的角度，采用下部弯点时，钻头的偏移距小，造斜率高。 2）双弯螺杆钻具的万向轴壳体具有方向相同的两个角度。 3）异向双弯螺杆钻具（DTU）的万向轴壳体具有方向相反的两个角度，通常下部弯角的度数是上部弯角度数的两倍。这种结构具有弯角大而偏移距小的特点。,2、弯角与造斜率的关系,弯角越大，造斜率越高，但在旋转钻井时转速受到限制。,弯角角度,造斜率,3、 稳定器结构,导向螺杆钻具与常规螺杆钻具的另一个不同之处在于导向螺杆钻具的传动轴壳体上带有不同形式的稳定器。常用的稳定器形式包括： 1）螺旋稳定器（三条翼片、五条翼片）； 2）对称直条稳定器（一般为五条翼片均匀分布） 3）非对称直条稳定器 稳定器的形式和外径尺寸对造斜或稳斜的效果影响较大，在选用导向螺杆钻具时，应对此予以重视。,为了满足钻井使用要求，有些产品配备可换稳定器，可以在井场根据钻井情况随时更换适宜的稳定器。,4、可调弯壳体,导向螺杆钻具可以选配地面可调弯壳体（单弯壳体），角度调整范围为03，可根据钻井需要在现场改变弯壳体的角度，具有较大的灵活性。,六、螺杆钻具的使用,螺杆钻具的使用效果和使用时间，与现场工况和操作人员的使用密切相关。因此，操作人员有必要了解以下有关事项。 1、 工作条件 1.1 钻井液 螺杆钻具主要适用于以水基或油基钻井液为工作介质的石油钻井或修井作业。为了提高一次下井连续工作时间，应当对钻井液进行有效的分离净化，使其具有尽可能低的固相含量。一般要求钻井液比重不大于1.5，含砂量不大于0.5%。钻井液中固相含量过高，会影响马达的使用时间。 钻井液中的化学剂，对螺杆钻具的定子使用时间有不同程度的影响。如果钻井液中含有大量芳香烃类轻质组分，或者其他对橡胶有害的化学剂，对螺杆钻具使用时间仍有影响。 钻井液的PH值应当在410之间，PH值过高或过低都会对螺杆钻具的零件产生破坏作用，缩短螺杆钻具的使用寿命。,1.2 井底温度 螺杆钻具产品对工作温度比较敏感，过高的工作温度，会缩短马达的使用时间。井底温度包括循环温度和静止温度。螺杆钻具在井温较高的条件下使用，应注意保持钻井液的循环，使循环温度尽可能降低。 常规螺杆钻具产品的最高工作温度为120。当需要在井底温度（静止温度）高于120的条件下使用时，应使用耐高温钻具。,2 、技术参数,2.1 马达流量 杆钻具工作时，钻头的转速与通过马达的流量成正比。流量太大会导致螺杆钻具的转速过高，减少连续使用的时间。流量太小会导致螺杆钻具的转速下降，输出功率不够，甚至螺杆钻具因旁通阀不能关闭而不工作。因此，需要将钻井泵的流量控制在一定范围内。 为了增大泥浆循环，可以使用中空转子螺杆钻具。此时，一部分泥浆通过转子的通孔分流，使流量增加。需要注意的是，如果使用了中空转子螺杆钻具，必须保证钻井泵的流量符合规定要求。如果流量偏低，将导致马达输出扭矩的急剧下降。 应当根据规定的马达流量和钻井作业的要求，调整钻井泵的参数（缸径、冲数等）。,2.2马达压降 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。这种现象即为螺杆钻具在井下工作经常出现的马达失速。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。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1.52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。,2.3 扭矩 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。,2.4 钻压 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。,2.5 钻头水眼压降 与螺杆钻具配合使用的钻头，通常装有喷嘴，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。在使用螺杆钻具时，应根据泵的承受力适当加大或变换钻头喷嘴的直径，以保证钻具的正常工作。,3、 操作注意事项,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,3.1 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。,3.2 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,3.3 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，观察钻头是否转动。此时旁通阀处于“关闭”位置，不应有泥浆从旁通孔流出。操作过程中应避免钻头与井口防喷器、井口管线的接触。确认钻头正常旋转后，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，记录螺杆钻具的启动压力。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。,3.4 下钻