螺桿鉆具課件

螺桿鉆具螺桿鉆具1螺桿鉆具：根據(jù)諾依莫（ReneMoineau）原理制造的，容積式井下動力機械，。作用：把鉆井液的水力能轉(zhuǎn)化為機械能供給鉆頭。應(yīng)用領(lǐng)域：主要用于定向井、水平井的定向造斜及扭方位施工，也用于直井反扣或側(cè)鉆作業(yè)中，是目前使用最廣泛的一種井下動力鉆具。生產(chǎn)商：Smith公司：迪納鉆具（Dyna系列）；Christensen公司：納維鉆具（Navi系列）；北京石油機械廠、大港中成石油機械廠、天津立林公司。螺桿鉆具螺桿鉆具：根據(jù)諾依莫（ReneMoineau）原理制造的2由四部分組成，從上至下依次為：旁通閥總成；馬達總成；萬向軸總成；傳動軸總成。1、基本結(jié)構(gòu)由四部分組成，從上至下依次為：1、基本結(jié)構(gòu)3作用：停泵時使鉆柱內(nèi)空間與環(huán)空溝通，避免起下鉆和接單根時鉆柱內(nèi)鉆井液溢出污染鉆臺，影響正常工作。A、旁通閥總成旁通閥是螺桿鉆具的輔助部件。結(jié)構(gòu)：由閥體、閥芯、彈簧、篩板等組成?！?-2螺桿鉆作用：停泵時使鉆柱內(nèi)空間與環(huán)空溝通，避免起下鉆和接單根時鉆柱4A、旁通閥總成工作原理：a.開泵時，鉆井液壓力迫使閥芯向下運動，造成彈簧壓縮并關(guān)閉閥體上的通道（內(nèi)裝篩板過濾異物），此時螺桿鉆具可循環(huán)鉆井液或正常鉆進。b.停泵時，鉆井液壓力消失，被壓縮的彈簧上舉閥芯，旁通閥開啟，使鉆柱內(nèi)空間與環(huán)空溝通。A、旁通閥總成工作原理：a.開泵時，鉆井液壓力迫使閥芯向下5作用：把鉆井液的水力能轉(zhuǎn)化為機械能。B、馬達總成結(jié)構(gòu)：由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成。轉(zhuǎn)子是一根表面鍍有耐磨材料的鋼制螺桿，其上端是自由端，下端與萬向軸相連。定子包括鋼制外筒和硫化在外筒內(nèi)壁的橡膠襯套，橡膠襯套內(nèi)孔為一個螺旋曲面的型腔。馬達是螺桿鉆具的動力部件。作用：把鉆井液的水力能轉(zhuǎn)化為機械能。B、馬達總成結(jié)構(gòu)：由轉(zhuǎn)6工作原理：萬向軸約束了轉(zhuǎn)子的軸向運動，所以高壓鉆井液在流過馬達副時，不平衡的水壓力驅(qū)動轉(zhuǎn)子作平面行星運動，轉(zhuǎn)子的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和力矩經(jīng)萬向軸傳給傳動軸和鉆頭。B、馬達總成工作原理：萬向軸約束了轉(zhuǎn)子的軸向運動，所以高壓鉆井液在流過7作用：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)速傳遞給傳動軸和鉆頭。C、萬向軸總成結(jié)構(gòu)及工作原理：殼體和萬向軸。直螺桿鉆具的萬向軸殼體無結(jié)構(gòu)彎角，而彎殼體螺桿鉆具的萬向軸殼體帶有結(jié)構(gòu)彎角。萬向軸有幾種不同的結(jié)構(gòu)形式，普遍采用瓣型連接軸和撓性連接軸。作用：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8作用：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(fù)荷。D、傳動軸總成結(jié)構(gòu)及工作原理：由殼體、傳動軸、上部推力軸承、下部推力軸承、徑向扶正軸承組及其它輔助零件總裝組成。上、下推力軸承用來承受鉆具在各種工況下產(chǎn)生的軸向力。徑向扶正軸承組用于對傳動軸進行扶正，保證其正常工作位置。作用：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9D、傳動軸總成結(jié)構(gòu)及工作原理：

傳動軸總成的推力軸承是螺桿鉆具最易損壞的部位（上部推力軸承）。常規(guī)螺桿鉆具的傳動軸外殼上不帶穩(wěn)定器（水平井用的螺桿鉆具除外）。對干中曲率造斜用的螺桿鉆具，為了保證有足夠的造斜率，要求壓縮萬向軸殼體彎點至鉆頭的距離，需要設(shè)計軸向尺寸較小的傳動軸總成。D、傳動軸總成結(jié)構(gòu)及工作原理：102、工作原理當(dāng)高壓流體從鉆柱內(nèi)孔進入螺桿鉆具時，液體迫使旁通閥活塞下行并密封旁通閥篩孔，整個鉆具變形成了一個高壓密封系統(tǒng)；當(dāng)液體通過轉(zhuǎn)子和定子間組成的連續(xù)密封腔時推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，經(jīng)萬向軸的轉(zhuǎn)換把行星轉(zhuǎn)動變?yōu)檩S心轉(zhuǎn)動，帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，即把鉆井液的液力能通過螺桿轉(zhuǎn)換成機械能。2、工作原理當(dāng)高壓流體從鉆柱內(nèi)孔進入螺桿鉆具時，液體迫使旁通113、分類方法以“5LZ165—7.0B”為例：5—馬達轉(zhuǎn)子為5頭；LZ—螺桿鉆具；165—外徑為165mm（61/2in）；7.0—許用的最大鉆頭水眼壓降為7.0MPa；B—第二次改進（為中空轉(zhuǎn)子）。3、分類方法以“5LZ165—7.0B”為例：5—馬達轉(zhuǎn)子為123、分類方法(1)按螺桿馬達的結(jié)構(gòu)特征分類按螺桿馬達轉(zhuǎn)子端面線型的“頭數(shù)”N（Lobe，又稱波瓣數(shù)），可分為單頭鉆具（N=1）和多頭鉆具（N

2）。單頭馬達具有高轉(zhuǎn)速、小扭矩特性。多頭馬達具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩特性。按馬達轉(zhuǎn)子與定子頭數(shù)的關(guān)系進行分類。原理上講，只要二者頭數(shù)相差1均可構(gòu)成螺桿馬達，可分為N/（N+1）型N/（N－1）型兩種。目前油氣井作業(yè)中普遍采用N/（N+1）型螺桿鉆具。按馬達“級數(shù)”進行分類。螺桿馬達的定子－轉(zhuǎn)子運動副的長度與定子導(dǎo)程長度的比值，即定子－轉(zhuǎn)子運動副所包含的定子導(dǎo)程的整倍數(shù)，稱為螺桿馬達的級數(shù)（Stage）。實際用于鉆井作業(yè)的螺桿鉆具馬達，單頭的多在3級以上，多頭的多在2級以上。級數(shù)越多，馬達可輸出的工作力矩值越大。根據(jù)螺桿馬達的結(jié)構(gòu)特征及其結(jié)構(gòu)參數(shù)進行分類。3、分類方法(1)按螺桿馬達的結(jié)構(gòu)特征分類根據(jù)螺桿馬達的結(jié)構(gòu)133、分類方法(2)按螺桿鉆具（馬達）的公稱外徑分類便于使用者根據(jù)所鉆井眼尺寸來選擇相應(yīng)直徑的螺桿鉆具，或生產(chǎn)者根據(jù)井眼尺寸系列來開發(fā)螺桿鉆具的系列與規(guī)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。多用于套管開窗側(cè)鉆和修井作業(yè)，及地質(zhì)勘探和其他地下工程的鉆小孔作業(yè)。3、分類方法(2)按螺桿鉆具（馬達）的公稱外徑分類143、分類方法(3)按螺桿鉆具萬向軸殼體結(jié)構(gòu)特征分類根據(jù)萬向軸殼體是否帶有結(jié)構(gòu)彎角，將螺桿鉆具劃分為常規(guī)的直螺桿鉆具（無結(jié)構(gòu)彎角）和彎殼體螺桿鉆具（帶結(jié)構(gòu)彎角）。直螺桿鉆具上方加配彎接頭主要用于鉆常規(guī)定向井。彎殼體螺桿鉆具主要用于鉆水平井、大位移井、多分支井等。隨著鉆井技術(shù)發(fā)展及彎殼體螺桿鉆具品種規(guī)格的增加，彎殼體螺桿鉆具的應(yīng)用更加普遍。3、分類方法(3)按螺桿鉆具萬向軸殼體結(jié)構(gòu)特征分類15導(dǎo)向螺桿鉆具結(jié)構(gòu)特點：彎殼體＋穩(wěn)定器＋中空轉(zhuǎn)子類型：單彎、同向雙彎、異向雙彎用途：配合PDC鉆頭（或牙輪鉆頭）組成導(dǎo)向鉆具組合，完成定向造斜，在不更換鉆具組合情況下實現(xiàn)穩(wěn)斜段及水平井段的鉆井。單彎、同向雙彎鉆具造斜率高、造斜效果好，是水平井鉆井必備工具之一；異向雙彎鉆具常用于水平段鉆進，有微增、降斜的功能，穩(wěn)斜、穩(wěn)平效果好，可配合旋轉(zhuǎn)方式鉆進，控制軌跡方便。技術(shù)關(guān)鍵：各彎點的選擇及彎角加工精度的控制導(dǎo)向螺桿鉆具結(jié)構(gòu)特點：彎殼體＋穩(wěn)定器＋中空轉(zhuǎn)子164、工作特性（外特性）(1)理論工作特性：包括理論工作特性和實際工作特性螺桿鉆具為容積式馬達，馬達的輸入流量和作用于兩端的壓力降差決定了鉆具的基本性能。4、工作特性（外特性）(1)理論工作特性：包括理論工作特性和17（1）理論工作特性（1）理論工作特性18(2)實際工作特性螺桿鉆具的轉(zhuǎn)子與定子之間存在摩擦阻力和密封腔間的漏失，其它部分也存在機械和水力損失（如傳動軸的軸承節(jié)），造成實際工作特性與理論工作特性差異很大。(2)實際工作特性螺桿鉆具的轉(zhuǎn)子與定子之間存在摩擦阻力和密封19(2)實際工作特性(2)實際工作特性20(2)實際工作特性(2)實際工作特性21(2)實際工作特性(2)實際工作特性22(2)實際工作特性制動工況對螺桿鉆具危害甚大，應(yīng)予避免

！在操作時應(yīng)緩慢施加鉆壓，一旦發(fā)生制動工況（泵壓表數(shù)值突增），應(yīng)立即將鉆具提離井底循環(huán)鉆井液，待泵壓表的數(shù)值下降后再下放鉆具緩慢施加鉆壓。

(2)實際工作特性制動工況對螺桿鉆具危害甚大，應(yīng)予避免！在23(3)額定工作參數(shù)的確定定義負(fù)荷效率最大的工況為螺桿鉆具的工作點，與此對應(yīng)的工作參數(shù)應(yīng)是螺桿鉆具的最優(yōu)工作參數(shù)。如產(chǎn)品說明書上推薦的額定排量、額定鉆壓、額定扭矩、額定轉(zhuǎn)速和額定功率。應(yīng)盡量使螺桿鉆具工作在其工作點附近。在這一范圍內(nèi)，螺桿鉆具仍具有很強的轉(zhuǎn)速硬特性，這是渦輪鉆具與之無法相比的。(3)額定工作參數(shù)的確定定義負(fù)荷效率最大的工況為螺桿鉆具的工245、導(dǎo)向螺桿鉆具的選型原則根據(jù)圖示的思路和方法，具體確定導(dǎo)向螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)，再從產(chǎn)品目錄中選定所需的型號和規(guī)格。5、導(dǎo)向螺桿鉆具的選型原則根據(jù)圖示的思路和方法，具體確定導(dǎo)向255、導(dǎo)向螺桿鉆具的選型原則(1)根據(jù)井眼尺寸確定鉆具的公稱尺寸上述對應(yīng)關(guān)系主要是為了保證工具外徑和井壁間留有一定的環(huán)隙，約25.4mm（1in）左右，以防止井下遇卡和出現(xiàn)事故時進行打撈作業(yè)。5、導(dǎo)向螺桿鉆具的選型原則(1)根據(jù)井眼尺寸確定鉆具的公稱尺26(2)根據(jù)設(shè)計造斜率確定工具造斜率(2)根據(jù)設(shè)計造斜率確定工具造斜率27(3)根據(jù)鉆頭水眼壓降確定傳動軸類型型號說明中，“許用鉆頭水眼壓降”與傳動軸類型對應(yīng)。選型時，要根據(jù)設(shè)計的鉆頭水眼核算其壓降值，再確定相應(yīng)的傳動軸類型級別?，F(xiàn)有產(chǎn)品分為3.5MPa（Δ500psi）、7.0MPa（Δ1000psi）和14.0MPa（Δ2000psi）等三種。該值越大，說明傳動軸的承力承壓性能越好，成本就越高。(3)根據(jù)鉆頭水眼壓降確定傳動軸類型型號說明中，“許用鉆頭水28(4)根據(jù)排量需求選擇轉(zhuǎn)子類型由干螺桿鉆具的轉(zhuǎn)速與工作排量成正比，增大排量必然增大轉(zhuǎn)子、萬向軸、傳動軸的轉(zhuǎn)速和萬向軸的載荷循環(huán)頻率，故排量的大幅度增長必將會導(dǎo)致螺桿鉆具的非正常工作，容易造成破壞。在鉆井過程中，尤其是大井眼水平井中，為了攜帶巖屑需要，要求有較高的鉆井液返速，即要求有較大的工作排量。而這一排量會成倍高于螺桿鉆具的額定排量或最高排量。在這種情況下，應(yīng)該選擇帶有中空轉(zhuǎn)子馬達的螺桿鉆具。中空轉(zhuǎn)子就是馬達轉(zhuǎn)子的中心鉆有通孔，通孔上端裝有一個固定噴嘴。流入馬達的鉆井液排量Q將分成兩部分，Q1進入轉(zhuǎn)子中孔旁路，Q2進入轉(zhuǎn)子與定子間使鉆具馬達產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。(4)根據(jù)排量需求選擇轉(zhuǎn)子類型由干螺桿鉆具的轉(zhuǎn)速與工作排量成296、現(xiàn)場使用(1)現(xiàn)場使用注意事項根據(jù)井眼尺寸和地層硬度合理選擇螺桿動力鉆具?？紤]反扭角時，要注意上部鉆具的剛性及裝置角與高邊的關(guān)系。使用剛性小的鉆桿，如鋁合金鉆桿，反扭角就大些；使用剛性強的鉆具，如鉆鋌數(shù)量多或者使用了加重鉆桿等，反扭角就會小些。鉆進排量要符合生產(chǎn)廠家推薦的數(shù)值范圍，以免造成螺桿鉆具的先期損壞。控制好鉆井液的含砂量。鉆井液的含砂量高，會加速動力鉆具的定子、轉(zhuǎn)子、軸承及萬向軸節(jié)的磨損，造成鉆具提前大修或報廢。6、現(xiàn)場使用(1)現(xiàn)場使用注意事項30(1)現(xiàn)場使用注意事項§6-2螺桿鉆具注意鉆井液中不要有鐵屑。考慮井下溫度不要超過動力鉆具允許使用的溫度極限。普通定子（額定溫度為95℃-120℃）；耐高溫定子（額定溫度135℃-150℃）。鉆頭壓降要求控制在鉆具性能規(guī)范的范圍以內(nèi)，以免造成鉆具的軸承嚴(yán)重磨損或燒毀。加鉆壓時要考慮井斜產(chǎn)生的摩阻力的影響?？梢酝ㄟ^上下活動鉆具求出摩擦阻力的大小——指重表顯示鉆壓減去摩擦阻力就是實際鉆壓?？梢酝ㄟ^控制動力鉆具壓差（壓力降）的形式進行鉆進。(1)現(xiàn)場使用注意事項§6-2螺桿鉆具注意鉆井液中不要有31(2)下鉆§6-2螺桿鉆具檢查旁通閥活塞是否上下活動靈活。檢查軸向間隙是否超過標(biāo)準(zhǔn)。接方鉆桿試運轉(zhuǎn)。下鉆過程中嚴(yán)禁猛沖猛砸，在通過防噴器、套管鞋和裸眼井段時，注意下鉆速度防止突然迂阻而損壞鉆具。下鉆至到底1～2m時，開泵記錄鉆具空轉(zhuǎn)泵壓。上下大幅度(7～9m)活動鉆具數(shù)次，消除鉆具扭矩，確保定向準(zhǔn)確。(2)下鉆§6-2螺桿鉆具檢查旁通閥活塞是否上下活動靈活32如何檢查螺桿鉆具的軸向間隙？§6-2螺桿鉆具檢查步驟：先將動力鉆具立在轉(zhuǎn)盤面上(方鉆桿接在上面)，測量驅(qū)動短節(jié)和軸承殼體的間隙D2；然后提起動力鉆具，再測量驅(qū)動短節(jié)和軸承殼體的間隙D1；D1-D2要小于廠家推薦最大軸承間隙值。如何檢查螺桿鉆具的軸向間隙？§6-2螺桿鉆具檢查步驟：33(3)鉆進§6-2螺桿鉆具離井底1～2m時，開泵啟動螺桿鉆具。當(dāng)排量達到正常排量時，紀(jì)錄立管泵壓。慢慢加壓鉆進，立管壓力不斷升高，立管壓力升高值不能大于螺桿鉆具推薦最大壓差。如果壓力升高太大應(yīng)提起鉆具，待壓力恢復(fù)后再慢慢加壓鉆進。鉆進過程中注意選擇進尺較快的鉆壓。螺桿鉆具在鉆進過程中的故障判斷及處理方法見下表。(3)鉆進§6-2螺桿鉆具離井底1～2m時，開泵啟動螺桿34螺桿鉆具在鉆進過程中的故障判斷及處理方法§6-2螺桿鉆具故障類型發(fā)生原因解決方法泵壓突然升高馬達壓死上提鉆具，重新啟動（重新開泵）并降低鉆壓馬達軸承卡死提起鉆具重新啟動。若啟動無效，可采用轉(zhuǎn)盤啟動（加壓30～50kN，慢慢轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤，使卡死軸承活動開）。若上述辦法均無效，則起鉆更換馬達。馬達堵塞起鉆更換馬達泵壓慢慢增加鉆頭磨損小心鉆進，如果機械鉆速太慢，起鉆更換鉆頭地層變硬改變鉆進參數(shù)鉆進泵壓慢慢降低循環(huán)漏失檢查鉆井液總量鉆柱刺壞起鉆檢查鉆具旁通閥損壞起鉆更換無進尺鉆頭嚴(yán)重磨損起鉆更換鉆頭地層變化改變鉆進參數(shù)。若無效則起鉆，改變鉆頭型號，以適宜地層情況。鉆具卡死處理辦法同上無壓差馬達嚴(yán)重磨損或萬向節(jié)短，起鉆更換螺桿鉆具在鉆進過程中的故障判斷及處理方法§6-2螺桿鉆35(4)起鉆在決定起鉆后，不能和渦輪鉆具一樣壓死循環(huán)泥漿。起鉆過程中嚴(yán)禁轉(zhuǎn)盤卸扣。再一次測量D1和D2，決定該鉆具是否能夠繼續(xù)使用。使用轉(zhuǎn)盤排出鉆具內(nèi)鉆井液，旁通閥注入潤滑油。(4)起鉆在決定起鉆后，不能和渦輪鉆具一樣壓死循環(huán)泥漿。367、新型螺桿鉆具及其應(yīng)用(1)串聯(lián)多級馬達（DPS－PDM）：動力段總成增加了一節(jié)動力段，中間用一鈦撓性軸相連，使馬達輸出的扭矩和功率增加，但其需要的驅(qū)動排量、轉(zhuǎn)速與單一動力段馬達是一樣的。設(shè)計與制造材料方面的改進，使串聯(lián)馬達具有極好的耐用性，在南得克薩斯、北海加拿大和阿拉斯加很快得到推廣。在加拿大的一口水平井中，用126h鉆進了618m的井段，平均鉆速4.9m/h，是單一動力段馬達的兩倍。7、新型螺桿