螺桿鉆具(PDM)工作機理及高性能長壽命的整機系統(tǒng)研究

1、螺桿鉆具（螺桿鉆具（PDM）工作機理）工作機理及高性能長壽命的整機系統(tǒng)研究及高性能長壽命的整機系統(tǒng)研究高性能長壽命螺桿鉆具（高性能長壽命螺桿鉆具（PDM）關(guān)鍵部件及整機裝配研究關(guān)鍵部件及整機裝配研究螺桿鉆具（螺桿鉆具（PDM）概述）概述1螺桿鉆具失效形式及失效機理2高性能長壽命螺桿鉆具研制關(guān)鍵技術(shù)3一些建議和研究4螺桿鉆具（螺桿鉆具（PDM）概述）概述11.1螺桿鉆具工作原理與組成1.2螺桿鉆具特點1.3螺桿鉆具選擇與注意事項螺桿鉆具（螺桿鉆具（PDM）概述）概述11.1螺桿鉆具工作原理與組成螺桿鉆具是以泥漿為動力的一種井下工具，其由傳動軸總成、馬達總成、萬向軸總成、防掉總成和旁通閥總成五大部

2、分組成 。1.1.1螺桿鉆具工作原理12泥漿泵輸出的泥漿，流經(jīng)旁通閥進入馬達.在馬達進出口形成一定壓差推動馬達的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),并將扭矩和轉(zhuǎn)速通過萬向軸和傳動軸傳遞給鉆頭。螺桿鉆具的性能主要取決于馬達總成。 將泥漿液體壓力能轉(zhuǎn)化成機械能。高壓泥漿流經(jīng)旁通閥進入馬達，驅(qū)動轉(zhuǎn)子繞定子軸線旋轉(zhuǎn)，馬達產(chǎn)生的扭矩和轉(zhuǎn)速通過萬向軸和傳動軸傳遞給鉆頭，從而實現(xiàn)鉆井作業(yè)。12莫锘原理的容積式井下動力鉆具。1.1.2螺桿鉆具組成1 1）、旁通閥總成）、旁通閥總成2 2）、防掉總成）、防掉總成3 3）、）、馬達總成馬達總成4 4）、萬向軸總成）、萬向軸總成5 5）、）、傳動軸總成傳動軸總成 其由旁通閥總成、防掉總成、馬

3、達總成、萬向軸總成和傳動軸總成五大部分組成 。1 1）、旁通閥總成）、旁通閥總成作用：旁通閥的閉合與開啟控制馬達的啟動與停止。主要由閥體、閥芯、閥套、彈簧、篩板、密封件、孔用擋圈組成。ab閥芯閥套篩板閥體隔板隔板密封件彈簧擋圈擋圈旁通閥總成：它有旁通和關(guān)閉兩個位置，在起下鉆作業(yè)過程中處于旁通位置，使鉆柱中泥漿循環(huán)繞過不經(jīng)過馬達進入環(huán)空，這樣起下鉆時泥漿不溢于井臺上。 泥漿泥漿泥漿泥漿泥漿當泥漿流量和壓力達到標準設(shè)定值時，閥芯下移，關(guān)閉旁通閥孔，此時泥漿流經(jīng)馬達，使其轉(zhuǎn)變成機械能。 當泥漿流量值過小或停泵時，所產(chǎn)生的壓力不足以克服彈簧力和靜摩擦力時，彈簧把閥芯頂起，旁通閥孔又處于開啟位置。abc

4、旁通閥總成旁通閥總成裝配防掉接頭防掉總成的組成：作用是由于異常原因造成殼體斷裂或脫扣時防止落井并同時使泵壓升高使地面及時發(fā)現(xiàn)問題避免造成事故。防掉鎖母防掉連桿2 2）、防掉總成）、防掉總成防掉接頭防掉鎖母防掉連桿泥漿泥漿作用是由于異常原因造成殼體斷裂或脫扣時防止落井并同時使泵壓升高使地面及時發(fā)現(xiàn)問題避免造成事故。由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子是在鋼管內(nèi)壁上壓注橡膠襯套而成。橡膠內(nèi)孔是具有一定幾何參數(shù)的螺旋。轉(zhuǎn)子是一根有鍍鉻硬層的螺桿。 定子轉(zhuǎn)子橡膠襯套定子殼體3 3）、）、馬達總成馬達總成abcd馬達總成 定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子與定子相互嚙合，是用兩者的導(dǎo)程差而形成的螺旋密封線，同時形成密封腔。隨著轉(zhuǎn)子在定子中

5、的轉(zhuǎn)動，密封腔沿著軸向移動，不斷的生成與消失，完成其能量轉(zhuǎn)換，這就是螺桿馬達的基本工作原理。密封艙 馬達定子一個導(dǎo)程組成一個密封腔，也稱為一級。每級額定工作壓降為0.8Mpa,最大壓降為額定工作壓力的1.3倍，如四級馬達，額定壓降應(yīng)為3.2Mpa,最大壓降為4.2Mpa。壓降超過此值馬達就會產(chǎn)生泄漏，轉(zhuǎn)速很快下降，嚴重時會完全停止轉(zhuǎn)動，甚至造成馬達損壞，用戶應(yīng)特別注意。 為了確保馬達的密封效果，轉(zhuǎn)子與定子之間的配合尺寸與不同井深的溫度有關(guān),因此在選擇鉆具時應(yīng)盡可能準確地提供給廠家鉆具應(yīng)用場所的井溫情況，以便推薦使用松緊配合狀態(tài)適合的馬達?，F(xiàn)場使用的泥漿流量應(yīng)在推薦的范圍之內(nèi),否則將影響馬達效率

6、，甚至馬達磨損加快。 馬達的輸出扭矩與馬達的壓降成正比，輸出轉(zhuǎn)速與輸入泥漿量成正比，隨著負載的增加，鉆具的轉(zhuǎn)速有所降低，因此在地面只要根據(jù)壓力表控制壓力，根據(jù)流量計控制泵的流量，就可以控制井下鉆具的扭矩和轉(zhuǎn)速。定子轉(zhuǎn)子密封艙馬達轉(zhuǎn)子的螺旋線有單頭和多頭之分（定子的螺旋線頭數(shù)比轉(zhuǎn)子多1）。轉(zhuǎn)子的頭數(shù)越少，轉(zhuǎn)速越高，扭矩越小; 頭數(shù)越多，轉(zhuǎn)速越低，扭矩越大。下圖是幾種典型馬達配合的截面輪廊： 1:23:45:67:89:10abc 此馬達的總流量應(yīng)等于流經(jīng)馬達密封腔流量和流經(jīng)轉(zhuǎn)子噴嘴流量的總和，每種規(guī)格的馬達都有其推薦的最大和最小流量值。如果流量過大，轉(zhuǎn)子會超速運轉(zhuǎn)，定子和轉(zhuǎn)子會出現(xiàn)提前損壞，如果

7、流量過小，馬達將停止轉(zhuǎn)動。因此在選擇轉(zhuǎn)子噴嘴尺寸時，應(yīng)確保馬達密封腔流量始終保持或高于最小推薦流量值，這樣才能使馬達正常運轉(zhuǎn)。 在泥漿密度、 噴嘴尺寸和馬達流量為定量時，流經(jīng)轉(zhuǎn)子噴嘴的流量和流經(jīng)馬達密封腔的流量總是隨負載變化而變化的。鉆頭離開井底，馬達負載近似為零，此時流經(jīng)轉(zhuǎn)子噴嘴流量最小，而流經(jīng)馬達密封腔的流量最大。鉆頭鉆進，使馬達壓差不斷增加，使流經(jīng)轉(zhuǎn)子噴嘴流量增加，而此時流經(jīng)馬達密封腔流量減少。中空轉(zhuǎn)子中空轉(zhuǎn)子馬達 ：為了增加鉆頭的水馬力和泥漿的上返速度，將轉(zhuǎn)子加工成為帶噴嘴的中空轉(zhuǎn)子。 中空噴嘴的計算 ： 流經(jīng)馬達密封腔的流量為Qm，通過馬達噴嘴的流量Qz即：總流量Q=Qm+Qz設(shè)定馬

8、達轉(zhuǎn)速n 值計算Qm 值容積效率v 取 0.90 Qz = Q Qm (L/s)噴嘴直徑Qm-馬達密封腔流量 (L/s)Qz-轉(zhuǎn)子噴嘴的流量 (L/s)Q-中空轉(zhuǎn)子馬達的總流量 (L/s)v -容積效率馬達壓降P = Pst + PopPst馬達啟動壓降(MPa)Pop馬達工作壓降(MPa)泥漿比重(kg/L)計算公式中q為中空轉(zhuǎn)子馬達的每轉(zhuǎn)排量 (L/r)其數(shù)值參見下表。)/(60sLnqQM)(89842mmPpdQz 按計算公式，可以根據(jù)使用需要隨時更換不同直徑的噴嘴，從而達到理想的效果。 馬達總成馬達總成裝配 萬向軸的作用是將馬達的行星運動轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲃虞S的定軸轉(zhuǎn)動，將馬達產(chǎn)生的扭矩及轉(zhuǎn)速

9、傳遞給傳動軸至鉆頭。萬向軸大多采用瓣形，也有采用撓軸形式的。 立林鉆具的瓣型萬向軸采用數(shù)控切割技術(shù)制成，切口平行度高，粗糙度可達 6.3且不破壞金屬化學(xué)成分，因此使用壽命高、機械損失小。 球傳動萬向軸采用球、桿、絞連接方式傳遞扭矩，用高溫潤滑脂潤滑摩擦副，橡膠套密封鋼球運動部分，隔離含磨礪性鉆井液，球傳動萬向軸工作面均進行特殊表面處理，使其表面硬度、抗高溫性相對提高；因此耐磨性、可靠性得到進一步提高，工作壽命相應(yīng)延長?；ò晷腿f向軸總成球傳動萬向軸總成4 4）、萬向軸總成）、萬向軸總成球傳動萬向軸總成的組成： 傳動球承壓球球座鎖緊套連桿活絞密封套可調(diào)彎殼體的組成: 上殼體下殼體定位套彎接頭可調(diào)彎

10、殼體：可調(diào)角度范圍有 0-2、0-3 、0-4.可調(diào)彎殼體1.50上殼體下殼體定位套萬向軸總成將轉(zhuǎn)子的偏心運動轉(zhuǎn)化成傳動軸的定軸運動。 傳動軸的作用是將馬達的旋轉(zhuǎn)動力傳遞給鉆頭，同時承受鉆壓所產(chǎn)生的軸向和徑向負荷。以下為兩種形式： 一、鉆頭水眼壓降為7.0Mpa，采用硬質(zhì)合金徑向軸承和中間有一組推力軸承的傳動軸總成（如下圖）： 二、鉆頭水眼壓降為14.0Mpa，采用硬質(zhì)合金徑向軸承和金剛石復(fù)合片（PDC）的平面止推軸承，其壽命更長、承載能力更高。7.0MPa傳動軸總成14.0MPa傳動軸總成5 5）、）、傳動軸總成傳動軸總成 傳動軸總成的組成 ： 殼體下TC動套下TC靜套鎖母上TC靜套上TC動

11、套串軸承隔套水帽傳動軸鍵傳動軸總成的組裝 ： 傳動軸總成裝配徑向軸承徑向軸承離井底推力軸承坐井底推力軸承螺桿鉆具整機（1）、常規(guī)螺桿鉆具（2）、中空防掉、可調(diào)、可換扶正器螺桿鉆具 為了適應(yīng)鉆井的需要，螺桿鉆具的傳動軸總成的外殼上配有不同種類的穩(wěn)定器，有固定式的和可換套式的，穩(wěn)定器的扶正條形式多種多樣。直棱穩(wěn)定器三瓣偏心穩(wěn)定器三瓣、五瓣螺旋穩(wěn)定器三瓣、五瓣球型穩(wěn)定器可換套式的穩(wěn)定器可換穩(wěn)定器套筒殼體本體中空防掉、可調(diào)、可換扶正器螺桿鉆具BHA used in the 9 1/2motor example.Notice the 8.5 m(27.9 ft)separation between mo

12、tor and dynamics sub.BHA for the 4?”example.Dynamics Sub is placed at the top of the motor1.2螺桿鉆具特點12井下動力鉆具：接在鉆桿下端，隨鉆桿一起下入井底的動力機。主要有渦輪鉆具、螺桿鉆具、電動鉆具等。 靠高壓泥漿通過定、轉(zhuǎn)子通道，驅(qū)動轉(zhuǎn)子在定子螺線形通道中旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生扭矩，帶動鉆頭破碎巖石。是一種容積式井下動力鉆具，其轉(zhuǎn)速與泵排量成正比，扭矩與泵壓、鉆壓成正比，通過泵壓可間接指示鉆壓。因轉(zhuǎn)速較低相對于渦輪鉆具低。 將沖洗液的動能轉(zhuǎn)換成機械能的一種孔底動力機。它的回轉(zhuǎn)不象螺桿鉆那樣靠液體的壓力而是由液體

13、的流速來驅(qū)動。 鉆探時鉆桿不轉(zhuǎn)動，鉆桿工作條件可以得到明顯改善。渦輪鉆可以配合牙輪鉆頭、金剛石鉆頭鉆垂直孔、定向孔和多底鉆孔，缺點是轉(zhuǎn)速高、扭矩小、軸承壽命短、易損件多、鉆頭壽命較短。 1.2.1螺桿鉆具與渦輪鉆具比較螺桿鉆具渦輪鉆具1.2.2螺桿鉆具與螺桿鉆具與轉(zhuǎn)盤鉆井轉(zhuǎn)盤鉆井或頂驅(qū)鉆井比較或頂驅(qū)鉆井比較（1）提高鉆速，縮短周期，降低成本。（2）減少鉆桿磨損和動力傳遞損耗。（3）準確造斜、定向、糾偏，提高工程質(zhì)量。（4）用于水平井、叢式井，提高鉆井的經(jīng)濟效益。（5）復(fù)合直井鉆進，減少起下鉆次數(shù)。（6）縮短鉆井周期，抑制對油氣層的污染。螺桿鉆具型號的選擇：(1)、安全性的原則：(2) 、輸出扭

14、矩最大的原則：(3) 、排量合適的原則：(4)、考慮適合鉆井施工工藝的原則：1.3螺桿鉆具選擇與注意事項abc對泥漿的要求：合理配用鉆頭及水眼：均勻混合堵漏材料（LCM）：確定井底溫度：de控制泥漿排量和輸出轉(zhuǎn)速：平衡水力推力與鉆壓：優(yōu)選泵壓和鉆壓：下鉆注意事項；導(dǎo)向鉆進注意事項rghij高性能長壽命螺桿鉆具（高性能長壽命螺桿鉆具（PDM）關(guān)鍵部件及整機裝配研究關(guān)鍵部件及整機裝配研究螺桿鉆具（PDM）概述1螺桿鉆具失效形式及失效機理螺桿鉆具失效形式及失效機理2高性能長壽命螺桿鉆具研制關(guān)鍵技術(shù)3一些建議和研究4螺桿鉆具失效形式及失效機理螺桿鉆具失效形式及失效機理22.1螺桿鉆具失效形式2.2螺桿

15、鉆具失效機理螺桿鉆具失效形式及失效機理螺桿鉆具失效形式及失效機理22.1螺桿鉆具失效形式常見失效形式：常見失效形式：1）使用方式，2）鉆井液性能，3）井身軌跡，4）地層因素，5）鉆進參數(shù)，6）操作因素1）、扶正器磨損2）、傳動軸的斷裂3）、萬向軸斷裂4）、砂卡5）、橡膠掉塊6）、殼體斷裂7）、脫扣影響因素：影響因素：撓性軸常見失效情況1）、傳動軸強度不高2）、萬向軸壽命低3）、馬達壽命低4）、旁通閥不耐沖蝕導(dǎo)致螺桿鉆具壽命低！導(dǎo)致螺桿鉆具壽命低！根本原因根本原因目前螺桿鉆具水平目前螺桿鉆具水平部件壽命（h）優(yōu)勢扶正器300可換扶正器TC軸承500高品質(zhì)硬質(zhì)合金軸桿800高韌性鋼材、取消螺紋、消

16、除應(yīng)力集中串軸承300耐磨性強油密封傳動軸300可更換密封件傳動軸萬向軸部件壽命（h)優(yōu)勢萬向軸300以上球式萬向軸、鈦合金萬向軸馬達總成部件壽命（h)優(yōu)勢橡膠800高耐磨橡膠定子管800使用高韌性鋼材可重復(fù)利用3次、螺紋噴丸處理2.2螺桿鉆具失效機理定子失效機理：定子失效機理： 以關(guān)鍵件和易耗件展開失效機理分析，進而從系統(tǒng)出發(fā)，分析整機失效機理 僅以馬達定子失效機理為例：1）、機械失效2）、疲勞失效 3）、熱失效和滯后失效（橡膠使一部分扭曲能量轉(zhuǎn)化為滯后熱量） 4）、化學(xué)失效定轉(zhuǎn)子配合與壽命的關(guān)系曲線高性能長壽命螺桿鉆具（高性能長壽命螺桿鉆具（PDM）關(guān)鍵部件及整機裝配研究關(guān)鍵部件及整機裝配

17、研究螺桿鉆具（PDM）概述1螺桿鉆具失效形式及失效機理2高性能長壽命螺桿鉆具研制關(guān)鍵技術(shù)高性能長壽命螺桿鉆具研制關(guān)鍵技術(shù)3一些建議和研究4高性能長壽命螺桿鉆具研制關(guān)鍵技術(shù)高性能長壽命螺桿鉆具研制關(guān)鍵技術(shù)33.1橡膠3.2等壁厚定子3.3推力軸承3.4螺紋3.4其余關(guān)鍵部件3.5整機裝配和實驗系統(tǒng)高性能長壽命螺桿鉆具研制關(guān)鍵技術(shù)高性能長壽命螺桿鉆具研制關(guān)鍵技術(shù)33.1橡膠 目前國內(nèi)外用于螺桿泵定子的橡膠類型主要有：傳統(tǒng)的有丁腈橡膠(NBR)，新的膠種有羧基丁腈橡膠(XN 2BR)、丁腈橡膠與聚氯乙烯(NBR PV C)或羧基丁腈橡膠與聚氯乙烯(XNBR PVC)共混膠；還有氫化高飽和丁腈橡膠(H

18、NBR)。 橡膠種類橡膠種類 XNBR橡膠耐熱油、耐磨；水溶脹小，壓縮永久變形小,彈性高,抗撕裂強度高，易擠出，有利于注壓成形,動態(tài)性能較好。abcNBR PV C或XNBR PV C共混膠比NBR有更好的擠出性能,更好的耐油、耐化學(xué)藥品和耐溶劑性,更好的耐水性和耐磨性,而且尺寸穩(wěn)定性好。HNBR橡膠能長期耐150高溫,具有良好的耐油性、耐H2S介質(zhì)、耐磨,是一種有較好力學(xué)性能的新型橡膠。 目前國內(nèi)解決螺桿鉆具橡膠性能。主要依靠改變膠料填充物的比例來獲得超常規(guī)的物理性能指標。對其動態(tài)性能研究甚少。往往造成定子橡膠的物理性能指標有所提高。但使用的螺桿鉆具性能并不理想。3.2等壁厚定子 等壁厚定子

19、是螺桿鉆具產(chǎn)品中近幾年開發(fā)的最新技術(shù)，該技術(shù)的特點是在定子注膠之前，在定子殼體中預(yù)先加工出定子的螺旋形狀，然后再實施注膠技術(shù)。該技術(shù)提高了每一級的密封壓力，由原來的每級0.8 M Ps提高了50%一100%，在同等扭矩下定子長度最短，壽命也有所提高。等壁厚橡膠定子管定子失效機理：定子失效機理：1）、機械失效2）、疲勞失效 3）、熱失效和滯后失效（橡膠使一部分扭曲能量轉(zhuǎn)化為滯后熱量） 4）、化學(xué)失效Comparison of conventional stator geometry(a)with new high performance PDM stator design(b)3.3推力軸承推力

20、軸承設(shè)計要點：1）、接觸角2）、溝道半徑3）、擋邊直徑4）、軸承材料5）、軸承游隙 試驗表明，國產(chǎn)的推力軸承可代替進口軸承，滿足螺桿鉆具的需要。從發(fā)展來看，由于惡劣的工作條件，即使通過設(shè)計提高了軸承的壽命，但再從軸承本身(材料、設(shè)計)尋求突破已潛力不大，只有充油密封技術(shù)取得突破，使軸承的工作條件得以改善，才能從根本上解決軸承壽命問題。軸承游隙3.4螺紋 吐哈油田先后發(fā)生了兩起螺桿鉆具與鉆鋌連接的鉆柱轉(zhuǎn)換接頭斷裂失效事故。螺桿鉆具表3鉆具規(guī)格和連接螺紋中，現(xiàn)場較常用的螺桿鉆具上端連接螺紋的彎曲強度比，大部分不符合SY/T 5369-94中5.28的要求。大邑二井螺桿鉆具事故圖片ab對螺桿鉆具表3

21、鉆具規(guī)格和連接螺紋中現(xiàn)場較常用的螺桿鉆具上端連接螺紋進行修改，使其彎曲強度比符合SY/T 5369-94中5.28的要求，是復(fù)合鉆井過程中減少鉆具失效事故的措施之一。3.4其余關(guān)鍵部件部件壽命（h）優(yōu)勢扶正器300可換扶正器TC軸承500高品質(zhì)硬質(zhì)合金軸桿800高韌性鋼材、取消螺紋、消除應(yīng)力集中串軸承300耐磨性強油密封傳動軸300可更換密封件傳動軸萬向軸部件壽命（h)優(yōu)勢萬向軸300以上球式萬向軸、鈦合金萬向軸馬達總成部件壽命（h)優(yōu)勢橡膠*800高耐磨橡膠定子管*800使用高韌性鋼材可重復(fù)利用3次、螺紋噴丸處理3.5整機裝配和實驗系統(tǒng)整機裝配對系統(tǒng)綜合性能和整體壽命影響至關(guān)重要。ab實驗系統(tǒng)是高性能長壽命螺桿鉆具的保證。高性能長壽命螺桿鉆具（高性能長壽命螺桿鉆具（