螺杆马达部分 PPT课件

1 井下千米定向钻进装备与工艺螺杆马达部分 煤炭科学研究总院西安研究院研发中心2020年4月12日 煤炭科学研究总院西安研究院 2 培训提纲 3螺杆马达结构原理 4螺杆马达定向成孔工艺 5螺杆马达定向钻进试验 1国内研究应用现状 2螺杆马达与稳定组合钻具优缺点对比 6螺杆马达使用注意事项 7螺杆马达故障分析 3 1国内研究应用现状 4 稳定组合钻具结构示意图 2螺杆马达与稳定组合钻具优缺点对比 主要由钻杆 普通钻杆 细钻杆 加重钻杆 钻头 造斜钻头 稳斜钻头 阶梯钻头 和稳定器组成 5 不同定向效果的稳定器结构 6 螺杆马达组合结构示意图 7 优缺点对比 8 3螺杆马达结构原理 9 3 1螺杆马达分类 10 3 1螺杆马达分类 此分类方法便于设计制造部门和使用者根据钻孔外径要求选择相应直径的螺杆马达 煤矿井下常用的小口径螺杆马达主要有 95 33 4 89 31 2 73 27 8 和 54 21 8 等 按公称直径分类 按万向轴壳体结构分类 可分为直螺杆马达 无结构弯角 和弯壳体螺杆马达 带结构弯角 直螺杆马达上方加配弯接头主要用于常规定向钻孔 弯壳体螺杆马达主要用于近水平孔 多分支孔 大位移孔等施工 11 进口 73螺杆钻具按不同分类方式的主要技术参数表 3 1螺杆马达分类 12 螺杆马达是一种把液体的压力能转换为机械能的能量容积式正排量动力转换装置 主要由旁通阀总成 螺杆马达 定子 转子 总成 万向轴总成 传动轴总成四大部分组成 采用螺杆马达进行钻进 不需要钻杆旋转 泥浆泵输出冲洗液经旁通阀 或代用接头 进入螺杆马达 在马达进出口形成一定压差 推动马达转子旋转 通过万向轴和传动轴将转速和扭矩传递给钻头 从而达到碎岩的目的 3 2螺杆马达工作原理 13 3 3螺杆马达结构组成 螺杆马达结构特征示意图 14 旁通阀在马达的上端 是螺杆马达的辅助部分 有旁通和关闭两个位置 其作用是在起下钻 停泵 时处于旁通位置 由旁通口提供钻柱内外冲洗液的通道 使钻柱中冲洗液不经过马达直接流入环空 当冲洗液流量和压力达到标准设定值时 阀芯下移 旁通口关闭 压力冲洗液全部进入马达 把压力能转化为机械能而正常工作 煤矿井下近水平钻进时 常用代用接头代替旁通阀 冲洗液 冲洗液 3 3 1旁通阀总成 15 它主要由阀体 阀芯 阀套 弹簧 筛板 密封件 孔用挡圈组成 阀芯 阀套 筛板 阀体 隔板 隔板 密封件 弹簧 挡圈 挡圈 3 3 1旁通阀总成 16 防掉接头 防掉锁母 防掉连杆 泥浆 泥浆 它的作用是防止螺杆由于异常原因造成壳体断裂或脱扣避免落井事故 同时使泵压升高 使地面发现问题及时起钻 3 3 2防掉总成 17 防掉接头 防掉锁母 防掉连杆 3 3 2防掉总成 18 由定子和转子组成 定子是在钢管内壁上压注橡胶衬套而成 橡胶内孔是具有一定几何参数的螺旋 转子是一根有镀铬硬层的螺杆 定子 3 3 3马达总成 19 螺杆马达的基本工作原理 转子与定子相互啮合 是用两者的导程差而形成的螺旋密封线 同时形成密封腔 随着转子在定子中的转动 密封腔沿着轴向移动 不断的生成与消失 完成其能量转换 3 3 3马达总成 20 马达定子一个导程组成一个密封腔 也称为一级 每级额定工作压降为0 8Mpa 最大压降为额定工作压力的1 13倍 如四级马达 额定压降应为3 2Mpa 最大压降为4 52Mpa 压降超过此值马达就会产生泄漏 转速很快下降 严重时会完全停止转动 甚至造成马达损坏 用户应特别注意 马达的输出扭矩M与马达的压降 P成正比 输出转速n与输入泥浆量Q成正比 随着负载的增加 钻具的转速有所降低 因此在孔口只要根据压力表控制压力 根据表盘控制泵的流量 就可以控制孔内钻具的扭矩M和转速n 3 3 3马达总成 21 马达转子的螺旋线有单头和多头之分 定子头数比转子多一头 转子的头数越少 转速越高 扭矩越小 头数越多 转速越低 扭矩越大 常用的转子头数与定子头数比为3 4 5 6 7 8的马达 其马达配合的截面轮廊为 3 3 3马达总成 22 万向轴的作用是将马达的行星运动转变为传动轴的定轴转动 将马达产生的扭矩及转速传递给传动轴 万向轴大多采用瓣形和球形 瓣型万向轴采用数控切割技术制成 切口平行度高 粗糙度可达6 3且不破坏金属化学成分 因此使用寿命高 机械损失小 球传动万向轴采用球 杆 绞连接方式 工作面均进行特殊表面处理并用橡胶套密封钢球运动部分 内部注入润滑脂来润滑摩擦副 因此耐磨性 可靠性得到进一步提高 工作寿命相应延长 3 3 4万向轴总成 23 球传动万向轴总成的组成 传动球 承压球 球座 锁紧套 连杆 活绞 密封套 24 可调弯壳体的组成 上壳体 下壳体 定位套 弯接头 25 煤矿用可调弯壳体可调角度范围一般为0 3 可调弯壳体 1 5 0 上壳体 下壳体 定位套 可调弯壳体的调整 26 传动轴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 较小口径定向钻进常采用硬质合金径向轴承和中间有一组推力轴承的传动轴总成 传动轴总成 3 3 5传动轴总成 27 传动轴总成的组成 壳体 下TC动套 下TC静套 锁母 上TC静套 上TC动套 串轴承 隔套 水帽 传动轴 键 28 传动轴总成的组装 29 螺杆马达型号说明 例 5LZ73 7 0 表示螺杆马达转子头数与定子头数比5 6 外径73mm 钻头水眼压降7 0Mpa 为第二次改进产品 30 理论特性曲线示意图 可知 理论转矩M与马达进出口间的压差 P成正比 理论转速n与通过的流量Q成正比而与钻压无关 3 4螺杆马达特性分析 31 实际特性曲线示意图 可知 通过控制泥浆泵的排量Q和泵压P可控制螺杆马达的输出转速n和扭矩M 3 4螺杆马达特性分析 32 3 5螺杆马达性能测试 测试试验机具连接布置示意图 33 3 5螺杆马达性能测试 测试试验现场 34 进口73mm螺杆马达转速 泵压与扭矩变化趋势图 3 5螺杆马达性能测试 35 两种类型螺杆马达性能对比 3 5螺杆马达性能测试 36 4螺杆马达定向成孔工艺 37 4 1主孔成孔工艺 38 定向成孔工艺原理 用螺杆马达进行煤矿井下近水平定向钻进时 通过选用或调节0 3 不同的定向弯外管 可达到不同的定向效果 根据设计钻孔轨迹 在钻孔施工过程中 通过随钻测斜数据来调整弯外管的工具面向角 从而使钻孔的倾角和方位基本达到预定目标 螺杆马达能够定向钻进基于三个缘由 1 钻头回转碎岩而钻杆柱不回转 2 可连接不同定向弯外管 3 可随钻进行倾角和方位角测量 39 定向方法 1 人工定向 利用全液压坑道钻机卡盘 夹持器的联动功能进行人工定向2 随钻测量系统定向 根据设计钻孔的轨迹状况 如用可调弯外管的螺杆马达 先在孔口调整弯外管度数 使其弯头朝上 规定为0 当使用随钻测斜仪时 为避免磁场干扰 应在螺杆马达后面分别连接下无磁钻杆 测斜仪 其外管也为无磁钻杆 上无磁钻杆 钻进过程中 根据钻孔轨迹与设计轨迹的偏斜状况 采用调整工具面向角进行控制 而不用起下钻变更钻具组合 40 工具面向角对倾角的影响 工具面向角对钻孔轨迹的影响 41 工具面向角对方位的影响 工具面向角对钻孔轨迹的影响 42 工艺流程 螺杆马达定向钻进工艺流程 43 钻进工艺参数 主要包括泵量和泵压 通过调节泵量可控制钻头的转速 泵压可作为孔底工况的监视器 来反映扭矩的大小 即钻压的相对大小 44 4 2分支孔成孔工艺 45 侧钻开分支孔技术 根据开分支孔的发展过程可分为 1 打水泥塞侧钻2 可回收式裸眼封隔器 斜向器侧钻3 悬空侧钻 46 打水泥塞侧钻 施工工艺为 在钻每一个分支孔前 在主水平孔相应位置打一个一定长度 一般大于10m 的水泥塞 候凝48小时 修塞 将水泥塞顶面修至侧钻点 下入由带单弯外管螺杆组成的导向钻具进行定向钻进 直到开出新的分支孔 钻完一个分支后 将水泥塞钻掉 重复上述步骤 钻另一分支孔 采用此技术 由于分支孔侧钻时需多次在主孔中进行打塞和钻塞施工作业 施工程序十分复杂 如今已有被逐渐取代的趋势 47 可回收式裸眼封隔器 斜向器侧钻 此种方法成功率较高 但施工程序较多 需要特殊的工具 根据煤矿钻孔施工特点 目前井下分支钻孔施工一般不采用此项技术 48 悬空侧钻 悬空侧钻施工工序最为简单 直接将由单弯螺杆钻具组合组成的导向钻具下至预开分支点以上3m处 根据要求调整好工具面向角 以滑动方式缓慢钻进 直到开出新的分支孔 采用此技术进行侧钻开各分支孔 施工工艺简单 易于实现 是目前最为常用的开分支孔方法 49 分支孔重入技术 目的 携带分支孔岩粉 提高瓦斯抽放量和抽放效率 方法 利用侧钻点位置固定的特点 先下螺杆马达至欲下入的侧钻点处 调整好工具面向角 缓慢钻进并随钻测量 直至下入分支孔 50 5螺杆马达定向钻进试验 51 5 1室内模拟试验 室内模拟试验 52 模拟试验随钻测量系统连接示意图 5 1室内模拟试验 53 模拟试验螺杆马达开孔状况 5 1室内模拟试验 54 钻进工艺参数 螺杆马达工作期间表盘显示泵压参数 5 1室内模拟试验 55 5 2现场工业性试验 大佛寺矿40104工作面钻场及实钻钻孔示意图 第一次现场试验 56 5 2现场工业性试验 第二次现场试验 亭南矿113工作面钻场及实钻钻孔示意图 57 5 3螺杆马达定向效果分析 1 带弯角螺杆马达钻孔轨迹是空间弯曲的变化过程 总体趋于一条不规则的螺旋弯曲曲线 2 相同弯角螺杆马达参数基本相同状况下 钻孔降斜趋势比增斜趋势快 当钻孔倾角小于 3 左右时 用0 62 以下弯角螺杆马达无法实现增斜钻进效果 3 定向钻进过程中反扭矩力导致工具面向角有左偏趋势 随着孔深增加 钻孔曲率增大 工具面左偏趋势增强 4 煤层和顶板岩层中定向时 0 93 以下弯角轨迹变化较缓 但向上纠斜不太理想 1 25 以上弯角轨迹变化太快 不适于沿煤层较深施工 主孔侧钻开分支时 用1 25 弯角效果较好 58 6螺杆马达使用注意事项 1 钻孔施工前 要认真学习螺杆马达使用说明书 对其结构和性能特点进行仔细研究 2 下钻前 要对螺杆马达进行孔口检查 查看螺杆的运转灵活程度 工具面向角的方向等 3 用于定向钻进时 按设计的定向要求选择调整适宜的螺杆马达组合 特别是合理的定向弯外管弯角 4 孔底钻具组合连接十分重要 装配时丝扣连接部位要牢固 必要部位须加丝扣紧固胶 以免工作时松脱 钻杆之间的连接丝扣应有良好的密封 避免丝扣泄漏冲洗液 影响螺杆马达的流量输入以及钻孔测