螺杆钻具.doc

1摘要：螺杆钻具是一种井下动力钻具，它是由高压泥浆驱动的容积式马达，把液压能转化为钻头转动所需的动能。它具有结构简单、过载性能好、在小井眼和转盘不易加扭矩时也能得到大的扭矩和功率，钻进快，已广泛应用于垂直钻井、定向钻井、水平钻井、直井和修井作业中。随着钻井工程的快速发展，螺杆钻具也有了长足的发展，目前国产螺杆钻具在国内市场已基本上占有主导地位，已较好地满足了我国钻井工程的需要，但还存在许多不足之处。在对螺杆钻具的基本原理和结构功能分析之后，并对改进措施和今后的发展提出了自己的一点看法。关键词：螺杆钻具；基本原理；钻具失效；钻具改善2目录1绪论.31.1研究的目的和意义.31.2国内外发展概况及趋势.32螺杆钻具的基本原理.42.1螺杆钻具的基本原理与结构特征.42.1.1工作原理.42.1.2螺杆钻具结构.52.2螺杆钻具的性能特点与工作特性.72.2.1螺杆钻具的性能特点.72.2.2螺杆钻具的工作特性.83螺杆钻具的失效分析.93.1螺杆钻具失效主要原因.93.1.1失效的结构因素.93.1.2失效的工艺因素.103.1.3失效的使用因素.103.2螺杆钻具技术改进措施.113.2.1壳体防脱.113.2.2壳体防断.113.2.3传动轴防断防掉.124螺杆钻具的参数计算及设计要点.124.1螺杆马达的工作原理的进一步介绍.124.2螺杆钻具的设计要点.134.2.1螺杆钻具的总体设计.135结论.1431绪论1.1研究的目的和意义螺杆钻具又称定排量马达，是一种容积式井下动力钻具，是目前最广泛使用的一种井下动力钻具，主要用于定向井、水平井的造斜及扭方位施工，一部分也用于直井反扣或侧钻作业中。螺杆钻具具有功率大、转速低、扭矩大、压降小、容易启动等优点，目前被油田广泛应用。认知和研究螺杆钻具让更多的人了解螺杆钻具的基本原理、结构、失效形式、以及改进方法。1.2国内外发展概况及趋势美国50年代中期开始研制螺杆钻具，美国史密斯公司在年就为直井钻井研制一单头单螺们钻具，不过，由于当时钻头及其本身橡胶元件的工作寿命过短而没有显示其优越性。1962年用于生产，不同厂家生产的有迪纳钻具(Smith公司)、纳维钻具(Christensen公司)和波斯钻具，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略有不同。六十年代中期，由于螺杆钻具制造工艺的改进以及能适应较高转速的金刚石钻头的出现，使单头螺杆钻具得到了明显发展。这个时期，单头螺杆钻具主要用来钻定向井、丛式井、小眼井以及其它特种作业的钻进，真正用来钻直井和长井段钻进则是七十年代的事。至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。随着配套部件质量的提高，螺杆钻具工作寿命从原来的3040h，提高到100h以上，1980年在美国俄克拉荷马州创造了连续运转429h的新记录。各项钻井技术经济指标每英尺钻井成本、机械钻速、防斜打直等都优于转盘钻井，与其它井下动力钻具相比（涡伦钻具或电动钻具），在某些方面也占有一定优势，因此引起工业界广泛重视。前苏联1966年开始研制螺杆钻具，到年螺杆钻具累计进尺达1500km,1991年螺杆钻具钻进量占全苏工作量的7.5。近年来,随着水平井、径向井、分支水平井的大量涌现，螺杆钻具的发展也产生了质的飞跃。在美国和西欧，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，出现了许多新型的专用螺杆钻具。我国在20世纪70年代末开始研制多头螺杆钻具。1978年，石油部勘探开发科学研究院承担了部级重点攻关项目“LZ61/2螺杆钻具研制，并于1982年推出了我国第一台3头螺杆钻具。现在，我国已有多家厂家生产螺杆钻具，而且随着我国适用领域不断扩大，已由起初的定向井、大位移斜井、水平井及一般直井，发展到近些年的大规模推广的直井复合钻井及河流穿越工程等领域，国产螺杆钻具已成为主要的钻井工具。螺杆钻具技术得到较大的发展，主要表现在：尺寸规格更加系列化，尺寸由直径54mm扩至直径286mm；性能参数更加细化，同一种规格有多种不同性能参数钻具适应不同钻井参数的需要；在结构上，不同结构适应不同的钻井方式；在钻井的寿命方面，优化后的钻具方案可满足不同工况的钻井需要等。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逐步进步和提高。综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。41）长寿命延长螺杆钻具的工作寿命，使其在井下能长时间可靠的工作，一直是螺杆钻具不断发展的主要技术方向。具体的表现为以下几个方面：万向轴结构类型与质量的改进，传动轴轴承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。从提高推动轴承的结构承载能力，到改进轴承组的结构形式，到换用硬质合金轴承（TC），以及采用PDC轴承等等。上述几个方面的改进研究已使研究优质螺杆钻具工作寿命达200h以上，更好的可达300400h。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，于是产生了多头螺杆钻具。螺杆的头数越多，其低速大扭矩特性越好，Mn指标越高。随着金刚石钻头和PDC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成本，保持较高钻速同时具备大扭矩，就成了螺杆钻具的又一次改进，于是单头螺杆再度引起人们的关注。3）高转速其实上述已谈及螺杆马达是高转速问题。从本质上讲，一般钻头转速越高，机械钻速越快。于是单头马达或头数越少的串联马达及加长马达，配用优质牙轮、金刚石或钻头，达到大扭矩条件下的较高转速，已充分引起钻井工作者的注意。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。其中包括有：弯螺杆，可调弯螺杆，地质导向侧钻马达，中空螺杆马达，短半径造斜马达，螺杆涡轮串联马达，高温型螺杆钻具。2螺杆钻具的基本原理2.1螺杆钻具的基本原理与结构特征2.1.1工作原理螺杆钻具是以钻井液为动力的一种井下动力钻具。泥浆泵泵出的钻井液流经旁通阀