现代钻井机械概论ch5.ppt

1,第五章钻井井下动力钻具,参考书：苏义脑螺杆钻具研究及应用石油工业出版社2001,2,井下动力钻具是指能把钻井液的能量转化为钻井破岩动力的井底钻具,由于井下动力钻具(井底马达)具有高转速,可以显著提高机械钻速,特别是与PDC钻头配合使用将大大地提高钻井速度。井下动力钻具接在钻杆下端，随钻杆一起下入井底，直接驱动钻头旋转破碎岩石进行钻井。,3,利用井下动力钻具钻井的优点：1）钻杆不转，只承受钻井的反扭矩。改善钻柱的受力状况，减少钻柱和套管的磨损和破坏；2）增加破碎岩石的有效功率，提高机械钻速，增加单只钻头进尺，减少钻井成本；3）实现井身轨迹的定向控制和快速准确中靶井下动力钻具可分为液力驱动和电驱动两类，概括起来主要有电动钻具、涡轮钻具和螺杆钻具。,4,1、电动钻具1）输出转速为1200r/min以上，多级减速器结构复杂，可靠性差；2）井下电动机的绝缘性和密封性能要求严格，电枢绕组失效后修复困难；3）三牙轮钻头的纵向振动厉害，电动钻具的工况恶劣，使用寿命仅有3040h。20世纪40年代末，电动钻具随着涡轮钻具的发展而逐渐被淘汰。,5,2、涡轮钻具靠高压液流通过涡轮，把液体能转变为中心轴上的机械能，带动钻头破碎岩石。由成百对串联地装在外壳内的涡轮定子和转子以及轴承、中心轴等组成。涡轮定子和转子的叶片呈反向弯曲，高压泥浆沿定子叶片的偏斜方向流动,有力地冲击转子叶片,使转子带动中心轴旋转。与电动钻具相比有明显的优点：输出性能柔和，转速稍低（约800r/min左右），无特殊的绝缘和密封要求，制造精度容易保证，使用操作相对简单。,6,涡轮钻具也有致命弱点：1）输出转速高，超过了牙轮钻头的最佳额定工作转速范围（100270r/min）；2）压降耗能大，降低了钻头的水马力，影响了井底清洗和钻头破岩效果；3）整机尺寸过长，不能满足定向井、大斜度井的钻井工艺要求；4）功率低。这些不足限制了涡轮钻具在新的钻井技术中的推广和应用。,7,3、螺杆钻具（定排量容积式马达PDM）其工作原理与螺杆泵相反，是把钻井液的液压能转换为机械能。靠高压泥浆通过定、转子通道，驱动转子在定子螺线形通道中旋转，产生扭矩，带动钻头破碎岩石。由装在外壳内的螺线形转子及带螺线形通道的橡胶定子衬套以及转轴、轴承等组成。其输出转速与泵排量成正比，扭矩与泵压、钻压成正比，通过泵压可间接指示钻压。因转速较低，使用牙轮钻头钻进比较有利。克服了涡轮钻具的某些弱点。,8,性能上，具有低速大扭矩特征，压力降5.0MPa以下，单头螺杆钻具的输出钻速低于400r/min，多头螺杆钻具的输出转速为90150r/min，适合与牙轮钻头配套钻井。结构上，零部件少，装配简单，维修工作量小，小尺寸规格的钻具也容易制造。在相同功率下螺杆钻具的长度短，且启动功率小，整机长度约48m，比较适合于定向井和水平井的钻井工艺要求。,9,一、国外螺杆钻具发展概况20世纪30年代，法国工程师R.莫依若根据对阿基米德螺旋泵的研究成果设计了单螺杆泵。1955年，美国戴纳公司在单螺杆泵的基础上研制开发单螺杆钻具，名为“戴纳钻”于1968年起开始生产出售，一时占领了世界市场。到80年代中期，美国的迪纳钻具已发展成两个系列10种规格，纳维钻具有两个系列14种规格。,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,10,前苏联1966年开始研制螺杆钻具，90年代型螺杆钻具在苏联得到发展，已将制造许可证转让给法国和英国公司（取名Drilex）。美国和西欧几乎90%的大、中曲率半径水平井的定向造斜和水平段都是由螺杆钻具完成的。,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,11,1、国外主要生产公司目前国外螺杆钻具的生产厂家主要集中在美国和加拿大。BakerHughse公司、Telco（美国）、DERCO（加拿大）、ANADRILL（美国），NationalOilwellInc（美国）、Nryrfor-WeirLtd（法英跨国联营）、Simth公司以及DANA-DRILL公司、DRILLMOTORSERVICES公司。另外还有许多研究机构像苏联VNIIBT、彼尔姆分院、法国石油研究院（IFP）。,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,12,2、主要产品及性能国外螺杆钻具寿命一般都在200h-300h以上，主要以美国的产品为代表，著名的品牌有Dyna-Drill、Navi-Drill、PowerPark、Speey-sun。1）Anadrill螺杆钻具Anadrill公司的螺杆钻具自1991年问世以来，采用了先进技术，是当今最好的螺杆钻具，螺杆钻具的外径从73mm287.5mm可选。,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,13,2）迪纳螺杆钻具（DynaDrill）迪纳钻具在原单瓣螺杆钻具的基础上做了很大的改动，向多瓣和多级马达发展，使产品进一步现代化，出现了了500、1000、F2000型三大系列产品，规格从44.5mm到304.8mm十多种规格，特点是采用碟簧式传动轴、花瓣式万向轴，有可调角度钻具，钻具弯角地面可调。,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,14,3）纳维螺杆钻具（Navi-Drill）纳维钻具到90年代初形成了Mach、Mach、Mach三种系列。Mach是多头螺杆钻具，主要用于定向、直井钻进和取辛钻进作业。Mach是单头螺杆钻具，主要用于直井钻进。Mach主要用于定向作业。后经过克里斯顿、贝克等等公司的改进，在结构和性能上都有很大的改变和提高。,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,15,二、国内螺杆钻具的发展情况国内螺杆钻具的研制起步较晚，从20世纪80年代中后期形成一定规模到目前常规螺杆钻具已规格化、系列化，各主要生产厂家中大港、北京、德州等厂家产品已覆盖国内绝大部分市场。目前国内可提供用于长中半径水平井钻井工艺的各种单弯、双弯钻具及导向马达的设计和制造，可提供不同弯角和造斜率的弯壳体螺具，而且能够生产可调角度的双弯导向马达，并配备各种形状的扶正器和弯接头。,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,16,目前，空气螺杆钻具等新兴钻井技术配套螺杆钻具的研制已经取得一定的成果，国产螺杆钻具的使用寿命能达到150h以上甚至更高。国内油田除进口少数国外钻具外，主要靠国产螺杆来完成定向井和水平井钻井任务。在工作寿命、易损件耐磨性、特种螺杆的设计制造等方面与国外有一定的差距。国内马达数一般为4级，不能完全满足水平井等一些特殊工艺的需要，短半径水平井钻井作业的钻具在国内尚属空白，作为短半径水平井的铰接马达，国内也只处于研究阶段。,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,17,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,1、主要生产厂家目前国内生产螺杆钻具的厂家有十多个，主要有大港油田中成公司、北京石油机械厂、德州石油机械厂、贵州高峰机械厂、天津立林石油机械有限公司及山东潍坊等，研究机构有中国石油大学（华东）、中国科学技术研究院、北京石油勘探开发研究院、西南石油大学等。,18,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,2、产品性能特点1）国内螺杆钻具寿命一般都在100h200h之间，也已形成规格化、系列化。螺杆钻具从60mm-244mm各种规格，配有可调弯壳体（AKO）、可换扶正器，基本能够满足国内各种钻井、修井作业。2）高温钻具的橡胶定子可以在150以上的深井作业中，具有转子中空分流装置的大排量钻具不仅有利于随钻测量仪器工作，而且在复杂地层也能可靠携带岩屑，清洗井底效果好。,19,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,3）转子与传动轴之间采用挠性轴连接，避开了进口钻具采用瓣型万向节质量不过关的问题，提高了钻具的可靠性，延长了钻具工作寿命。4）国产钻具采用头数比为3:4的多头马达，对转子和定子线型进行了优化设计，增大了马达的过流面积，使钻具在性能上具有低转速、大扭矩的特点，非常适合国内油田使用牙轮钻头的工艺要求。5）传动轴总成结构简单，采用开式润滑结构，装配和维修简单，不需要专门的培训。,20,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,6）作为螺杆钻具关键部件马达橡胶定子各项性能指标有了较大提高，定子脱胶、掉块等问题基本得到了解决，定子使用寿命从最初的2040h提高到80h以上。,21,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,3、国内主要产品1）大港油田中成机械制造有限公司螺杆钻具中成机械制造有限公司螺杆钻具制造厂是中国石油天然气集团公司确认的顶点生产厂。采用从美国史密斯公司引进的整套设计制造技术和专用设备，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，具有国际当代先进水平。,22,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,已生产出60244mm，12种规格，3.5MPa、7MPa、14MPa三种水眼压降系列，单头与多头，单弯与双弯，配合各种形式扶正器约400多个品种的螺杆钻具。自行研制开发了老井在套管里开窗侧钻，钻小曲率半径，打水平井需要的小直径螺杆钻具、适应打超深井的耐高温钻具（120150）；大功率，长寿命，可调弯壳体螺杆钻具。产品已销往国内20多个油田及美国、印度、泰国、菲律宾、伊朗、卡塔尔、委内瑞拉等国家和地区，国内市场覆盖率98%左右，市场占有率达到48%。,23,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,2）北京石油机械厂LZ系列螺杆钻具20世纪80年代以来北京石油机械厂先后引进美国Dyna公司的D500、D1000和F2000三个系类螺杆钻具的先进技术进过几十年的消化和吸收，同时结合国情及与各油田钻井公司和科研院所合作，设计制造了多种型号的常规螺杆钻具和导向螺杆钻具。30多种型号，主要规格包括：23/8、27/8、31/2、33/4、43/4、5、61/2、63/4、73/4、8、95/8。中空马达、短马达、加长马达、耐高温马达,24,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,3）贵州高峰机械厂螺杆钻具钻头水眼压降为7.0MPa的螺杆钻具，特点是大扭矩、大功率、钻进快。4）天津立林石油机械有限公司螺杆钻具多种规格，7MPa、14MPa水眼压降钻具分单弯、双弯和直钻具、双弯钻具分同向和异向。弯钻具的弯度可从0度到3度，并可在地面调节。,25,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,5）德州石油机械厂长城钻具分厂螺杆钻具产品有适合101.6438.2mm井眼的各种规格螺杆钻具，主要规格有11种(按外径分为73、89、95、102、165、172、197、203、215、244mm)。各种规格均有直体、单弯、双弯、井口可调角度等结构形式；可提供耐热温度为120、150两种。近年来不断开发出适合油田新产品，如进口可调角度螺杆钻具，可换套扶正器螺杆钻具、大功率钻具，复合钻井用螺杆钻具等,26,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,三、螺杆钻具研发进展随着螺杆钻具研发技术水平的提高，加之新材料、新工艺的不断涌现，螺杆钻具的泵体技术发展较快，出现了以下几类能够解决专项问题、满足不同需要的螺杆钻具。1、长寿命螺杆钻具Dyna-Drill公司成功研制出硬对硬的PDC止推轴承用于F2000型螺杆钻具，使传动轴总成的寿命得到很大的提高，使用寿命可达200300h。,27,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,2、低速大扭矩螺杆钻具这种螺杆钻具的低速大扭矩特性将很好地配合牙轮钻头和PDC钻头的改进、能够有效地延长钻头的使用寿命和增加机械钻速。可通过多种结构来实现，其中典型的结构有3种：加长马达也称多级马达。就是把动力段加长，使马达的输出扭矩增加。贝克休斯公司生产的XL系列加长马达在许多国家和地区得到应用。,28,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,串联多级马达（DPS-PDM）串联马达的动力段总成增加了一节动力段，中间用一钛挠性轴相连，使马达输出的扭矩和功率增加，但其需要的驱动排量、转速与单一动力段马达是一样的。具有极好的耐用性，在南德克萨斯、北海、加拿大和阿拉斯加很快得到推广。在加拿大的一口水平井中，用126h钻进了618m的井段，平均钻速4.9m/h，是单一动力段马达的2倍。,29,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,多头螺杆螺杆马达的头数越多，其低速大扭矩的特性越突出，但是这种结构的效率较低，1/2头马达效率可达85%，常规5/6头马达效率为70%，而9/10头马达的效率仅为55%。加拿大的DRECO公司TRGDRILL型螺杆钻具由单头螺杆与行星齿轮减速器和支撑节组成，在保持高的马达效率的同时，实现低速大扭矩。,30,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,3、中空转子马达大斜度井和水平井需要大排量洗井以利于清砂，实心转子马达额定排量小，中空转子的额定排量可以提高20%以上。北京石油勘探开发研究院研制出一种带稳流阀的中空螺杆，这一特别设计的稳流阀改善了普通中空螺杆钻具过载时严重丢转的问题，提高了钻具的抗过载能力和水功率利用率。,31,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,4、等壁厚螺杆钻具橡胶衬套厚薄不均，螺杆钻具定子在工作时，容易导致定子过早失效，从而缩短了螺杆钻具的使用寿命，通过合理改变定子壳体的形状，使定子橡胶层薄且均匀，以克服常规螺杆钻具定子技术的不足，能有效地改善螺杆钻具的工作环境，提高其使用寿命。与常规螺杆钻具相比，等壁厚螺杆钻具的泵体短、扭矩小、易于洗井。该型钻具具有以下优点：散热效率提高、橡胶溶胀、热胀均匀、适应范围更广、结构更加优化、整体质量更轻。,32,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,5、铰链式螺杆钻具铰链式螺杆钻具主要用于老井侧钻或钻短半径水平井。通过可在5范围内弯曲活动的铰链体连接两个螺杆马达，两转子内部靠高强度的万向节传递动力，能在30m长度内将井眼由垂直变为水平，造斜率可达34/m。贝克休斯公司曾用此种钻具钻了一个曲率半径为1218m的造斜段，德国Preussag公司用同样方法钻了一个半径为3046m的弯曲段。,33,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,国内北京石油勘探开发研究院研究成功JLZ系列铰链马达，大港油田中成公司生产了5LZ95X7Y铰链式马达，德州探矿机械厂业生产了带两个3柔性短节的铰链马达。,34,5.1国内外螺杆钻具的发展概况及趋势,6、导向钻井系统用螺杆钻具导向钻井系统所用井下马达主要有带衬垫的弯外壳螺杆钻具、双倾万向螺杆（DTU）等，这些马达与随钻测量系统（MWD）、聚晶金刚石钻头配合在一起，进行长时间地钻井并实时收集井下情况，保证井眼沿设计轨道钻到目的层。井口可调弯壳体螺杆钻具两种：一种是靠螺纹联接定位的无级可调弯壳体，另一种是靠牙嵌定位的有级可调螺弯壳体。,35,5.1国内外螺杆钻具的发展概况及趋势,目前国外大的螺具生产厂家都能生产可调弯度螺杆钻具，我国几大螺杆钻具生产厂家也能生产。Anadrill公司研制的地面可调弯壳体螺杆钻具，由定子接头、花键轴、可调环和偏置壳体组成，弯角在03内可调，采用花键心轴和可调环，工具结构简单，同时保证弯角可靠，下井后始终保持弯角不变，可满足各种定向井中增斜要求，寿命长达1000h。,36,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,7、开环/闭环系统中用定向螺杆钻具国外出现了井下可调螺杆钻具，井下可调螺杆钻具的应用分两种类型，一是地面遥控可调角度型，另一种是井下自动调整系统。贝克休斯公司成功开发的AutoTrak旋转闭环钻井系统采用在井下马达上安装导向肋与近钻头MWD相配合实现导向功能，与可调弯壳体配套出现了可换扶正器的螺杆钻具，使扶正器的形状、尺寸可以根据钻井需要在井口改变，目前还出现了在井下可调尺寸的扶正器。,37,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,8、直井钻进用螺杆钻具贝克休斯INTEQ公司开发的VeriTrak直井钻井装置成功的将直井用高能螺杆钻具与垂直倾角精确到0.1的近钻头MWD组合在一起，已在地中海地区、意大利、南美洲和墨西哥深水区等世界许多地区得到应用。PDC钻头+直螺杆钻井技术在我国也得到推广应用，这种专门用于直井钻进的螺杆钻具在提高钻进速度的同时能够很好的纠斜和避免井下事故的发生。,38,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,9、取芯用螺杆钻具螺杆钻具专门用于地质勘探钻井的取芯作业。德国已研制出螺杆钻具取芯系统（KIBM）。我国也很早就研制出取芯专用螺杆钻具。大港油田中成公司生产的螺杆钻具在中国大陆科钻1井中应用于“绳索取芯+螺杆马达+液动锤三合一”取芯技术中，取得了良好的效果。,39,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,10、空气螺杆钻具空气螺杆钻具是专为空气钻井设计的一种马达。国外主要是贝克休斯公司有能力生产空气螺杆钻具。国内中国石油勘探开发研究院钻井所、北京石油机械厂2002年共同研制了K7LZ1207.0空气螺杆钻具样机。当年7月在河北遂州成功进行了空气螺杆钻具的模拟钻井试验，结果表明试验样机完全符合设计要求。,40,四、国内螺杆钻具研发建议我国对螺杆钻具的研制起步较晚，螺杆钻具应用仍处于初级阶段。近年来，通过国外技术的引进，许多油田和厂家正致力于螺杆钻具的研究并开始现场应用和试验。,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,41,螺杆钻具的研究工作主要可从以下几个方面来进行：1、螺杆钻具结构参数优化结构参数的好坏会影响钻具的压力和密封性能，也会影响定子衬套的工作寿命。1）螺杆钻具定子在不同压力、转速、流量等条件下的受力状态和变形规律，以及材料对变形规律、使用寿命的影响；2）螺杆钻具转子在不同压力、转速、流量等条件下的受力状态和变形规律，以及材料对变形规律、使用寿命的影响；,5.1国内外螺杆钻具的发展概况及趋势,42,3）使定、转子具有良好的力学性能及较好的工作性能。2、衬套与转子合理配合过盈量1）研究螺杆钻具在不同扬程、不同钻井液粘度下最优工作状态时定、转子的合理过盈量；2）研究定、转子摩擦产生的温度场对定、转子线型及过盈量的影响；3）根据不同的橡胶材料、不同的工作环境条件，选择不同的配合过盈量。,5.1国内外螺杆钻具的发展概况及趋势,43,3、扩大螺杆钻具应用范围研制非油气井用螺杆钻具具有重要的意义，如煤层气井抗腐蚀螺杆、地热井抗高温螺杆等。非油气井的井下工作环境更加恶劣，值得进一步研究和探讨。,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,44,4、螺杆钻具的标准化、系列化国内外生产螺杆钻具的厂家较多，目前螺杆钻具制造和质量检测没有统一的标准，各制造厂的螺杆钻具结构参数和工作参数不相同，产品的互换性相当差，造成现场使用和维修相当不便，严重影响了螺杆钻具技术优势的发挥。因此，有必要实现标准化和系列化，从而提出螺杆钻具生产制造、质量检测标准，提供螺杆钻具定子材料以及特殊材质标准、型号等。,5.1国内外螺杆钻具的发展概况,45,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,一、螺杆钻具的基本结构与工作原理1、螺杆钻具组成旁通阀、螺杆马达总成、万向轴总成、传动轴总成等。,46,马达只有两个元件，转子和定子。转子是一根表面镀有耐磨蚀材料的钢制螺杆，定子则是一根在内壁硫化有橡胶衬套的钢管。旁通阀安装在马达的上端，其作用是在起下钻（停泵）时，由旁通口提供钻柱内外钻井液的通道。当钻具正常钻进或循环钻井液时，旁通口关闭，压力钻井液全部进入马达。,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,47,2、工作原理马达定子固定，转子在压力钻井液的驱动下绕定子的轴线作行星运动，万向轴则把转子行星运动中的自转部分传递给传动轴，使传动轴作定轴转动，从而驱动装在它下端的钻头，进行破岩钻进。,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,48,二、螺杆钻具的外特性分析1、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应该等于输入单螺杆马达的水力能，即根据容积式机械的转速关系，所以，,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,49,式中，q流经马达的流量；V马达的排量；MT马达的理论转矩；nT马达输出的自转转速，即钻头的理论转速；结论：1）转速和扭矩是两个各自独立的参数螺杆钻具的转速只与流量q和结构有关，而与工况（扭矩、钻压）无关。工作扭矩与压降和结构有关，而与转速无关。,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,50,2）螺杆钻具具有硬转速特性（即转速不会因负载增大而降低）和良好的过载能力（压降增大可导致工作扭矩变大）。3）泵压表可作为井底工况的监视器，由压降的变化来判断和显示井下工况（MT和钻压pB）。4）转速随流量成线性变化，因此可以通过调节流量很容易地进行转速调节。5）工作扭矩和转速均与结构有关，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。,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,51,2、实际工作特性实际上，螺杆马达的转子与定子之间存在摩擦阻力，而且密封腔之间存在漏失，其它部分也存在机械损失和水力损失，因此螺杆钻具存在机械效率和容积效率，总效率为则实际扭矩M为,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,52,其中，C为马达的扭矩系数p1为马达的起动压降，一般为0.5-1MPa，视转子和定子间的配合松紧程度而定;p2为负荷压降，又称工作压降，p为总压降，p=p1+p2钻头实际转速n和实际输出功率分别为,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,53,3、理论工作特性与实际工作特性的比较1）由于容积效率的影响，导致实际转速随压降p的增大而降低，n=nT-n是由于马达定子橡胶衬套在p的作用下的变形和漏失所引起的。所以螺杆钻具的实际转速特性变得比理论特性要“软”。2）实际扭矩M仍与p成线性关系，表明螺杆钻具实际上仍有良好的过载能力。3）钻压pB变大时，导致钻头阻力矩增加，此时马达压降增大导致马达实际扭矩增大，以克服阻力矩，但同时引起相应的转速降低.,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,54,4）制动工况当p逐渐增大到临界值pc时，n=0，钻头转速为零，出现制动。此时马达转矩M达到Mmax（称为制动力矩）。当钻具出现制动时，进入马达的钻井液流量q全部由转子和变形了的定子橡胶衬里间的缝隙漏失，容积效率等于零，转子停转，总效率也等于零。制动工况使钻具的转子、万向轴和传动轴承受最大扭矩Mmax，密封线承受最大压差pc，对工具危害很大，因此应予以避免。在操作时应缓慢施加钻压，一旦发生制动工况（钻台上钻压表数值突增），应立即将钻具提离井底，循环钻井液，待泵压表上的压力下降后再下放钻具缓慢施加钻压。,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,55,三、螺杆钻具的参数计算1、每转排量V计算在井下动力钻具中，钻井液总是自上而下流经马达的，而钻头的工作旋向又总是顺时针旋转，因此单螺杆马达的转子与定子的旋向应是左旋的（头数比iN/N+1）。钻头的转动来自转子的自转，转子自转角度密封线下降z，所以可以求出转子自转一周密封线的下移距离H=N（N+1）h，或,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,56,其中，N转子头数；Ts定子导程；Tr转子导程；h-转子与定子的螺距；若以As表示定子线型所包容的面积，Ar表示转子线型所包容的面积，则过流面积AG=As-Ar，这样就可以得出螺杆马达每转排量为结论：每转排量纯粹是一个几何量，它与马达的线型、头数和定子导程有关。,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,57,例：单头螺杆马达，N=1，则Ts=(N+1)h=2hAr=R2As=R2+4eDrAG=As-Ar=4eDr=8eRV=16eRh=8eDrhR转子半径；e转子和定子的偏心量；,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,58,2、理论扭矩和转速计算若设钻头的输出扭矩为M，马达入口与出口的钻井液压力差为p，忽略马达及钻具传动轴等部件的摩擦，那么，由马达吸收的水马力与其输出功率相等，即则很容易由每转排量V和输入的体积流量q求出在没有水力损失条件下的理论转速,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,59,3、转子轴向力计算4、马达最小长度计算5、万向轴内交变应力的循环频率计算（了解内容）,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,60,四、螺杆钻具的设计计算1、总体设计根据钻井工艺要求，确定待设计的螺杆钻具的主要力能特性参数和主要外形结构型式及尺寸。1）根据井眼（钻头）尺寸确定螺杆钻具的公称直径D0螺杆钻具的公称外径主要依据安全标准来选定。安全标准是指螺杆钻具在保证打捞作业及环空钻井液返速冲刷所允许选择的最大外径，或井壁与马达外径间所许用的安全间隙。通常，保证螺杆钻具外径与井壁间约有1in（25.4mm）的径向间隙。,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,61,2）根据破岩力矩选择螺杆钻具额定转矩MT井下马达、钻井液、钻头和地层组成破岩系统。钻头在破岩时应有最优的转速和钻压，也应有满足基本破岩要求的最低临界破岩力矩。考虑到其他诸多因素都可能对破岩效果产生影响，并且从工程角度考虑问题，螺杆马达的额定工作力矩应明显大于最低临界破岩力矩，再加上螺杆马达的机械硬特性，因此可满足钻进要求。3）根据钻头类型确定螺杆马达的转速n配用牙轮钻头，一般马达转速要求不高于250r/min；配用金刚石钻头，一般马达转速可选在400-500r/min范围内。,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,62,4）根据造斜率要求选择螺杆钻具总长度和结构类型螺杆钻具的总长度在一定程度上影响螺杆钻具组合的造斜能力，特别是对上方加弯接头的直螺杆钻具。在同样的弯接头弯角条件下，螺杆钻具总长越短（弯角位置离钻头越近），其造斜率越高。当然，螺杆钻具总长受到各部件结构长度限制。在初步确定总长度后，要对各部件进行详细设计并进行适当的长度调整，最后才能确定实际总长度。,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,63,5）根据钻具组合外壳强度及结构要求确定各段的壳体厚度确定螺杆马达定子壳体、万向轴总成壳体、传动轴总成壳体的厚度，其主要依据是强度准则，另一依据是结构因素。由于螺杆钻具外壳受到弯矩、扭矩等主要载荷，而且具体的钻具组合种类与工况不同，弯矩、扭矩的大小也会发生变化。所以应对螺杆钻具外壳各部分的载荷及应力作出分析计算，然后按强度准则确定壁厚的最小值min，再从结构、工艺方面加以考虑，从而确定各部分壳体的厚度。,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,64,2、螺杆马达具体设计包括线型、材料、参数和结构等方面的确定或计算。1）按工作温度要求选定马达定子橡胶材料在设计马达时，应先确定其温度类型和相应的胶料。现有的螺杆马达分为常温型和高温型两类，其差别在于马达定子衬里橡胶材料的不同。常温型橡胶（丁腈橡胶）定子的最高工作环境温度为125C；高温型橡胶定子的最高工作环境温度可达160C以上，但材料价格比常温型高，可高上一个数量级。,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,65,2）按流量和转速确定马达的每转排量每转排量是螺杆马达的一个非常重要的结构参数，可由下式计算：对公称外径相同，螺距相同的多头（含单头）螺杆马达，其头数N越多，则V越大，相同流量下转速就越低。,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,66,3）线型设计线型设计是螺杆马达设计中最重要的部分。只有确定了线型、才能确定定子线型面积As、转子线型面积Ar及头数N，而且只有选择合适的线型，才能保证螺杆马达具备较好的力能特性。4）定子线型最大外廓尺寸Ds的确定定子线型最大外廓尺寸Ds可表示为其中，D0马达外径；min定子衬里的最薄厚度；s定子外筒壁厚min的确定要考虑在制做定子橡胶衬里时的硫化工艺要求，不可太薄，应适当选取。,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,67,5）根据扭矩M确定总压降p和涡轮钻具相比，螺杆钻具的消耗压降要低得多，因此一般不按照水力系统的承载能力来选择p，而是根据工作力矩来选择，并进一步确定工作压降p2。,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,68,6）根据马达总压降p确定马达级数从理论上讲，只要马达的实际长度L大于马达的最小长度Lmin，即可构成螺杆马达。但实际的螺杆马达一般不止一级。考虑到马达转子和定子间密封线的承压能力，为了防止密封线间泄漏以降低容积效率，一般规定每级间的承压值pk0.8MPa，并假设马达每级的承压是平均分配的，由此就可以根据总的压降p求出马达的总级数K为例如，某螺杆马达的总压降p=3.2MPa，其级数至少为4级。,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,69,7）确定马达副的有效工作长度Lem8）确定马达的螺距hN头马达的转子和定子分别相当于螺距为h的N头和（N+1）头螺杆。关于螺距的确定，从理论上牵涉到空间共轭副的接触、密封、摩擦及克服自锁的问题，比较复杂，但实际设计中确定h比较简单。从产品分析中可知，凡公称外径相近的螺杆马达，其转子导程基本接近，由此可反求h值。,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,70,3、万向轴总成设计1）壳体设计壳体一般分为三种：一般直壳体、固定弯壳体、可调弯壳体。万向轴壳体设计要解决两个问题：强度问题确定壁厚尺寸空间问题确定壳体内径（壳体内径应能保持万向轴运动和钻井液过流）一般情况下，这两个问题可以归结为一点：确定壳体的壁厚（或内径），因为外径确定之后（如无特殊需要，可以按螺杆马达外径选择），只要确定壁厚或内径中的一个，另一个也就确定了，但要进行校核。,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,71,如果校核不能满足，则需要调整万向轴的尺寸或增大万向轴壳体外径。a.按强度要求确定万向轴壳体的壁厚w因为在钻具组合的弹性变形中，万向轴壳体上作用有较大数值的弯曲应力，所以万向轴壳体主要承受弯矩作用。一般情况下，在定向钻进（滑动钻进）中，万向轴壳体不承受扭矩；在导向钻进且传动轴壳体上装有稳定器时，万向轴壳体上会承受有稳定器产生的摩擦力矩，但量值较小。因此选取壁厚可以以弯曲问题作为主要因素。,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,72,根据参考书所讲的井下动力钻具组合的受力变形分析程序就可以确定钻具组合在任意轴向截面上的弯矩值和挠度值，因而也就确定了万向轴壳体的弯曲载荷，从而可以进一步确定万向轴壳体的弯曲应力和壁厚值。,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,73,b.按万向轴运动空间选择壳体内径直壳体壳体内径dwz必须大于万向轴上端轴体在运动过程中所扫过的空间外径，而且必须留出一定的间隙值C。而万向轴在运动的过程中其轴线的轨迹是一个以下铰链定位球心为顶点，以偏心矩e为半径的倒立圆锥面，所以不难写出直壳体内径的计算式e马达偏心距；C间隙（35mm）；Rw上端轴体半径,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,74,固定弯壳体由于弯壳体具有弯角，会造成万向轴两球心位置的偏移和轴体转动空间的偏移。这种偏移量大小与钻具结构尺寸、弯壳体的类型、弯点位置及弯角大小有关。若不考虑这种偏移量，则容易造成弯壳体内部空间不足，万向轴在转动中与壳体内壁冲撞，致使钻具无法工作，造成破坏。因此偏移量的计算是设计弯壳体内径的基础。,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,75,表51各种弯壳体的偏移量计算式a(或b)弯点到相应球心的距离；表示相应的弯角e马达偏心距；Lz两球心距离；,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,76,按表中所列关系式计算的偏移量没有考虑瓣齿啮合高度h的影响，实际上啮合高度对偏移量是有一定影响的，由啮合高度h所造成的偏移量可表示为所以总的偏移量为这样对于固定弯壳体，其壳体内径可以表示为考虑间隙C值中主要是为万向轴壳体内径设计留有余地。理论上C0就可以避免干涉，但随着瓣型万向轴两端定位球的磨损，在离心惯性力的作用下会加大万向轴的运动空间，因此要预留一定的间隙值。但对弯壳体C值不能太大，否则会引起弯壳体内径和外径加大，实际设计也不允许。,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,77,2）万向轴设计对于应用最多的三瓣式LTC万向轴来说，其设计要点主要包含两个方面：瓣齿方程和瓣齿强度计算。4、传动轴总成设计传动轴总成设计要参考传动轴总成的实际结构进行。传动轴总成由壳体、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；径向扶正轴承则用于对传动轴进行扶正，保证其正常工作位置。,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,78,所以说轴承是传动轴设计中最为关注的对象。而推力轴承特别是上部推力轴承是影响螺杆钻具寿命的薄弱环节。改进设计的途径有三条：1）改进轴承节的总体设计，把上、下推力轴承和并为一组特制的向心推力轴承；2）改进轴承材料，如硬质合金轴承、PDC轴承等；3）改进传动轴的有关结构参数，尽量减少上轴承的负载。,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,79,增大钻头水眼直径有利于减少活塞力，也可改善上轴承载荷。但钻头选型和水眼选择首先要满足工艺要求，不是传动轴设计所能限定的。只能给现场技术人员提供一条原则：在满足钻井工艺条件下，宜采用大钻头水眼以保护螺杆钻具。,5.2螺杆钻具的工作理论与设计计算,80,单螺杆马达一根转子和一根定子组成。注意与单头螺杆马达概念上的区别。一、线型理论基础及研究方法单螺杆马达是螺杆钻具的动力部件，虽然只有转子和定子两个元件，却兼有容积式动力机和一齿差行星减速两种功能。单螺杆马达的定子转子运动副满足两个条件：密封条件转子和定子曲面构成空间密封共轭，形成多个封闭密封共轭腔来容纳工作介质，即钻井液；连续下移条件转子的连续运动导致共轭密封腔连续沿轴向下移，以保证工作介质循序向下推进。,5.3单螺杆马达线型理论,81,转子与定子的端面曲线简称线型。转子和定子的线型是一对头数差1的共轭线型，它们满足隔离条件和消失条件，在一定工况下，螺杆钻具的动力特性取决于马达的线型及其参数组合。,5.3单螺杆马达线型理论,82,线型分析主要解决四个方面的问题：1）从几何方面和运动方面研究单螺杆马达的构成原理2）寻求可构成马达共轭曲线副的各种线型，进行分析和综合，揭示各种线型间的内在联系3）寻求线型几何量的计算方法和公式4）分析线型几何参数对马达性能和钻具性能的影响，为马达和钻具的设计提供理论指导和优化信息,5.3单螺杆马达线型理论,83,1、单螺杆马达线型理论研究中的几个重要结论结论1：若任意两个旋向相同的螺旋曲面S1和S2的导程T1和T2不等，且在无限长中S2被S1无隙包容，则S2必可作行星运动而不侵入S1。行星运动的规律为换句话说，若以S1为定子曲面，S2为转子曲面，则转子在定子中可作行星运动，而且其轴向位移被万向轴约束后，只能作平面行星运动。,5.3单螺杆马达线型理论,84,结论2：转子线型和定子线型应是头数差1的共轭线型。包含了转子与定子头数比为iN/N1和iN/N1的两种结构。结论3：由端面线型为共轭曲线的等螺距、同旋向的转子定子副组成的空间共轭副，为了使钻头顺时针转动，在iN/N1型螺杆钻具中，应为左旋；而对于iN/N1型螺杆钻具，则应为右旋。结论4：单螺杆马达的线型共轭副通常是摆线共轭副。结论5：头数差1的两个等螺距同旋向螺旋面所组成的空间共轭副满足连续下移条件。结论6：两个等螺距同旋向螺旋曲面副的空间共轭问题，可化为其平面共轭曲线副的相对运动问题。,5.3单螺杆马达线型理论,85,2、线型研究方法逆解法,5.3单螺杆马达线型理论,86,二、螺杆马达线型分析目前用于螺杆钻具的螺杆马达都是iN/N1型式的转子定子共轭副。线型分析涉及到目前的有普通内摆线等距线型、普通外摆线等距线型、内外摆线法线型、短幅内摆线等距线型和短幅外摆线等距线型。,5.3单螺杆马达线型理论,87,1、普通内摆线线型骨线共轭副为使问题简化，先对单位摆线进行分析。1）转子骨线方程设滚圆半径R2=1，其无包心导圆半径为N，以表示导圆滚角，在图示的初始位置下，可写出滚圆上动点M的轨迹，也就是转子骨线的复矢量方程,5.3单螺杆马达线型理论,88,2）转子骨线运动方程和定子骨线方程令转子骨线按内滚法作行星运动，即令的包心法导圆N作动瞬心圆，携带沿定瞬心圆（nN+1）作纯滚动。相当于两个运动的叠加：一是发生线绕自身形心O作自转，自转角为，方向为顺时针；一是O绕定子中