螺杆钻具课件

螺杆钻具螺杆钻具1螺杆钻具：根据诺依莫（ReneMoineau）原理制造的，容积式井下动力机械，。作用：把钻井液的水力能转化为机械能供给钻头。应用领域：主要用于定向井、水平井的定向造斜及扭方位施工，也用于直井反扣或侧钻作业中，是目前使用最广泛的一种井下动力钻具。生产商：Smith公司：迪纳钻具（Dyna系列）；Christensen公司：纳维钻具（Navi系列）；北京石油机械厂、大港中成石油机械厂、天津立林公司。螺杆钻具螺杆钻具：根据诺依莫（ReneMoineau）原理制造的2由四部分组成，从上至下依次为：旁通阀总成；马达总成；万向轴总成；传动轴总成。1、基本结构由四部分组成，从上至下依次为：1、基本结构3作用：停泵时使钻柱内空间与环空沟通，避免起下钻和接单根时钻柱内钻井液溢出污染钻台，影响正常工作。A、旁通阀总成旁通阀是螺杆钻具的辅助部件。结构：由阀体、阀芯、弹簧、筛板等组成。§6-2螺杆钻作用：停泵时使钻柱内空间与环空沟通，避免起下钻和接单根时钻柱4A、旁通阀总成工作原理：a.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（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。b.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。A、旁通阀总成工作原理：a.开泵时，钻井液压力迫使阀芯向下5作用：把钻井液的水力能转化为机械能。B、马达总成结构：由转子和定子两部分组成。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。马达是螺杆钻具的动力部件。作用：把钻井液的水力能转化为机械能。B、马达总成结构：由转6工作原理：万向轴约束了转子的轴向运动，所以高压钻井液在流过马达副时，不平衡的水压力驱动转子作平面行星运动，转子的自转转速和力矩经万向轴传给传动轴和钻头。B、马达总成工作原理：万向轴约束了转子的轴向运动，所以高压钻井液在流过7作用：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和钻头。C、万向轴总成结构及工作原理：壳体和万向轴。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带有结构弯角。万向轴有几种不同的结构形式，普遍采用瓣型连接轴和挠性连接轴。作用：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8作用：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。D、传动轴总成结构及工作原理：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它辅助零件总装组成。上、下推力轴承用来承受钻具在各种工况下产生的轴向力。径向扶正轴承组用于对传动轴进行扶正，保证其正常工作位置。作用：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9D、传动轴总成结构及工作原理：

传动轴总成的推力轴承是螺杆钻具最易损坏的部位（上部推力轴承）。常规螺杆钻具的传动轴外壳上不带稳定器（水平井用的螺杆钻具除外）。对干中曲率造斜用的螺杆钻具，为了保证有足够的造斜率，要求压缩万向轴壳体弯点至钻头的距离，需要设计轴向尺寸较小的传动轴总成。D、传动轴总成结构及工作原理：102、工作原理当高压流体从钻柱内孔进入螺杆钻具时，液体迫使旁通阀活塞下行并密封旁通阀筛孔，整个钻具变形成了一个高压密封系统；当液体通过转子和定子间组成的连续密封腔时推动转子转动，经万向轴的转换把行星转动变为轴心转动，带动钻头旋转，即把钻井液的液力能通过螺杆转换成机械能。2、工作原理当高压流体从钻柱内孔进入螺杆钻具时，液体迫使旁通113、分类方法以“5LZ165—7.0B”为例：5—马达转子为5头；LZ—螺杆钻具；165—外径为165mm（61/2in）；7.0—许用的最大钻头水眼压降为7.0MPa；B—第二次改进（为中空转子）。3、分类方法以“5LZ165—7.0B”为例：5—马达转子为123、分类方法(1)按螺杆马达的结构特征分类按螺杆马达转子端面线型的“头数”N（Lobe，又称波瓣数），可分为单头钻具（N=1）和多头钻具（N

2）。单头马达具有高转速、小扭矩特性。多头马达具有低转速、大扭矩特性。按马达转子与定子头数的关系进行分类。原理上讲，只要二者头数相差1均可构成螺杆马达，可分为N/（N+1）型N/（N－1）型两种。目前油气井作业中普遍采用N/（N+1）型螺杆钻具。按马达“级数”进行分类。螺杆马达的定子－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倍数，称为螺杆马达的级数（Stage）。实际用于钻井作业的螺杆钻具马达，单头的多在3级以上，多头的多在2级以上。级数越多，马达可输出的工作力矩值越大。根据螺杆马达的结构特征及其结构参数进行分类。3、分类方法(1)按螺杆马达的结构特征分类根据螺杆马达的结构133、分类方法(2)按螺杆钻具（马达）的公称外径分类便于使用者根据所钻井眼尺寸来选择相应直径的螺杆钻具，或生产者根据井眼尺寸系列来开发螺杆钻具的系列与规格。Φ216mm井眼：Φ165mm、Φ172mm；Φ244mm～Φ311mm井眼：Φ197mm、Φ203mm；Φ311mm以上井眼：Φ244mm。Φ152mm以下井眼（小井眼）：Φ120mm、Φ100mm、Φ95mm、Φ89mm、Φ54mm等。多用于套管开窗侧钻和修井作业，及地质勘探和其他地下工程的钻小孔作业。3、分类方法(2)按螺杆钻具（马达）的公称外径分类143、分类方法(3)按螺杆钻具万向轴壳体结构特征分类根据万向轴壳体是否带有结构弯角，将螺杆钻具划分为常规的直螺杆钻具（无结构弯角）和弯壳体螺杆钻具（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。随着钻井技术发展及弯壳体螺杆钻具品种规格的增加，弯壳体螺杆钻具的应用更加普遍。3、分类方法(3)按螺杆钻具万向轴壳体结构特征分类15导向螺杆钻具结构特点：弯壳体＋稳定器＋中空转子类型：单弯、同向双弯、异向双弯用途：配合PDC钻头（或牙轮钻头）组成导向钻具组合，完成定向造斜，在不更换钻具组合情况下实现稳斜段及水平井段的钻井。单弯、同向双弯钻具造斜率高、造斜效果好，是水平井钻井必备工具之一；异向双弯钻具常用于水平段钻进，有微增、降斜的功能，稳斜、稳平效果好，可配合旋转方式钻进，控制轨迹方便。技术关键：各弯点的选择及弯角加工精度的控制导向螺杆钻具结构特点：弯壳体＋稳定器＋中空转子164、工作特性（外特性）(1)理论工作特性：包括理论工作特性和实际工作特性螺杆钻具为容积式马达，马达的输入流量和作用于两端的压力降差决定了钻具的基本性能。4、工作特性（外特性）(1)理论工作特性：包括理论工作特性和17（1）理论工作特性（1）理论工作特性18(2)实际工作特性螺杆钻具的转子与定子之间存在摩擦阻力和密封腔间的漏失，其它部分也存在机械和水力损失（如传动轴的轴承节），造成实际工作特性与理论工作特性差异很大。(2)实际工作特性螺杆钻具的转子与定子之间存在摩擦阻力和密封19(2)实际工作特性(2)实际工作特性20(2)实际工作特性(2)实际工作特性21(2)实际工作特性(2)实际工作特性22(2)实际工作特性制动工况对螺杆钻具危害甚大，应予避免

！在操作时应缓慢施加钻压，一旦发生制动工况（泵压表数值突增），应立即将钻具提离井底循环钻井液，待泵压表的数值下降后再下放钻具缓慢施加钻压。

(2)实际工作特性制动工况对螺杆钻具危害甚大，应予避免！在23(3)额定工作参数的确定定义负荷效率最大的工况为螺杆钻具的工作点，与此对应的工作参数应是螺杆钻具的最优工作参数。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。应尽量使螺杆钻具工作在其工作点附近。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的。(3)额定工作参数的确定定义负荷效率最大的工况为螺杆钻具的工245、导向螺杆钻具的选型原则根据图示的思路和方法，具体确定导向螺杆钻具的结构与工作参数，再从产品目录中选定所需的型号和规格。5、导向螺杆钻具的选型原则根据图示的思路和方法，具体确定导向255、导向螺杆钻具的选型原则(1)根据井眼尺寸确定钻具的公称尺寸上述对应关系主要是为了保证工具外径和井壁间留有一定的环隙，约25.4mm（1in）左右，以防止井下遇卡和出现事故时进行打捞作业。5、导向螺杆钻具的选型原则(1)根据井眼尺寸确定钻具的公称尺26(2)根据设计造斜率确定工具造斜率(2)根据设计造斜率确定工具造斜率27(3)根据钻头水眼压降确定传动轴类型型号说明中，“许用钻头水眼压降”与传动轴类型对应。选型时，要根据设计的钻头水眼核算其压降值，再确定相应的传动轴类型级别。现有产品分为3.5MPa（Δ500psi）、7.0MPa（Δ1000psi）和14.0MPa（Δ2000psi）等三种。该值越大，说明传动轴的承力承压性能越好，成本就越高。(3)根据钻头水眼压降确定传动轴类型型号说明中，“许用钻头水28(4)根据排量需求选择转子类型由干螺杆钻具的转速与工作排量成正比，增大排量必然增大转子、万向轴、传动轴的转速和万向轴的载荷循环频率，故排量的大幅度增长必将会导致螺杆钻具的非正常工作，容易造成破坏。在钻井过程中，尤其是大井眼水平井中，为了携带岩屑需要，要求有较高的钻井液返速，即要求有较大的工作排量。而这一排量会成倍高于螺杆钻具的额定排量或最高排量。在这种情况下，应该选择带有中空转子马达的螺杆钻具。中空转子就是马达转子的中心钻有通孔，通孔上端装有一个固定喷嘴。流入马达的钻井液排量Q将分成两部分，Q1进入转子中孔旁路，Q2进入转子与定子间使钻具马达产生旋转。(4)根据排量需求选择转子类型由干螺杆钻具的转速与工作排量成296、现场使用(1)现场使用注意事项根据井眼尺寸和地层硬度合理选择螺杆动力钻具。考虑反扭角时，要注意上部钻具的刚性及装置角与高边的关系。使用刚性小的钻杆，如铝合金钻杆，反扭角就大些；使用刚性强的钻具，如钻铤数量多或者使用了加重钻杆等，反扭角就会小些。钻进排量要符合生产厂家推荐的数值范围，以免造成螺杆钻具的先期损坏。控制好钻井液的含砂量。钻井液的含砂量高，会加速动力钻具的定子、转子、轴承及万向轴节的磨损，造成钻具提前大修或报废。6、现场使用(1)现场使用注意事项30(1)现场使用注意事项§6-2螺杆钻具注意钻井液中不要有铁屑。考虑井下温度不要超过动力钻具允许使用的温度极限。普通定子（额定温度为95℃-120℃）；耐高温定子（额定温度135℃-150℃）。钻头压降要求控制在钻具性能规范的范围以内，以免造成钻具的轴承严重磨损或烧毁。加钻压时要考虑井斜产生的摩阻力的影响。可以通过上下活动钻具求出摩擦阻力的大小——指重表显示钻压减去摩擦阻力就是实际钻压。可以通过控制动力钻具压差（压力降）的形式进行钻进。(1)现场使用注意事项§6-2螺杆钻具注意钻井液中不要有31(2)下钻§6-2螺杆钻具检查旁通阀活塞是否上下活动灵活。检查轴向间隙是否超过标准。接方钻杆试运转。下钻过程中严禁猛冲猛砸，在通过防喷器、套管鞋和裸眼井段时，注意下钻速度防止突然迂阻而损坏钻具。下钻至到底1～2m时，开泵记录钻具空转泵压。上下大幅度(7～9m)活动钻具数次，消除钻具扭矩，确保定向准确。(2)下钻§6-2螺杆钻具检查旁通阀活塞是否上下活动灵活32如何检查螺杆钻具的轴向间隙？§6-2螺杆钻具检查步骤：先将动力钻具立在转盘面上(方钻杆接在上面)，测量驱动短节和轴承壳体的间隙D2；然后提起动力钻具，再测量驱动短节和轴承壳体的间隙D1；D1-D2要小于厂家推荐最大轴承间隙值。如何检查螺杆钻具的轴向间隙？§6-2螺杆钻具检查步骤：33(3)钻进§6-2螺杆钻具离井底1～2m时，开泵启动螺杆钻具。当排量达到正常排量时，纪录立管泵压。慢慢加压钻进，立管压力不断升高，立管压力升高值不能大于螺杆钻具推荐最大压差。如果压力升高太大应提起钻具，待压力恢复后再慢慢加压钻进。钻进过程中注意选择进尺较快的钻压。螺杆钻具在钻进过程中的故障判断及处理方法见下表。(3)钻进§6-2螺杆钻具离井底1～2m时，开泵启动螺杆34螺杆钻具在钻进过程中的故障判断及处理方法§6-2螺杆钻具故障类型发生原因解决方法泵压突然升高马达压死上提钻具，重新启动（重新开泵）并降低钻压马达轴承卡死提起钻具重新启动。若启动无效，可采用转盘启动（加压30～50kN，慢慢转动转盘，使卡死轴承活动开）。若上述办法均无效，则起钻更换马达。马达堵塞起钻更换马达泵压慢慢增加钻头磨损小心钻进，如果机械钻速太慢，起钻更换钻头地层变硬改变钻进参数钻进泵压慢慢降低循环漏失检查钻井液总量钻柱刺坏起钻检查钻具旁通阀损坏起钻更换无进尺钻头严重磨损起钻更换钻头地层变化改变钻进参数。若无效则起钻，改变钻头型号，以适宜地层情况。钻具卡死处理办法同上无压差马达严重磨损或万向节短，起钻更换螺杆钻具在钻进过程中的故障判断及处理方法§6-2螺杆钻35(4)起钻在决定起钻后，不能和涡轮钻具一样压死循环泥浆。起钻过程中严禁转盘卸扣。再一次测量D1和D2，决定该钻具是否能够继续使用。使用转盘排出钻具内钻井液，旁通阀注入润滑油。(4)起钻在决定起钻后，不能和涡轮钻具一样压死循环泥浆。367、新型螺杆钻具及其应用(1)串联多级马达（DPS－PDM）：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。设计与制造材料方面的改进，使串联马达具有极好的耐用性，在南得克萨斯、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两倍。7、新型螺杆