【正文】 G: 高溫定子 T: 可調(diào)彎殼體 M: 油密封傳動(dòng)軸總成 AD: 空氣 /泡沫螺桿鉆具 PCS: 預(yù)輪廓定子 0: 中空轉(zhuǎn)子 3: 單彎殼體 4: 雙彎殼體或彎接頭 5: 扶正器 6: 扶正器加單彎接頭 7: 扶正器加雙彎接頭或彎接頭 Ⅰ ,Ⅱ ,Ⅲ ,Ⅳ ,Ⅴ ,Ⅵ ,Ⅶ : 改進(jìn)型 C: 徑向軸承是船用橡膠軸承 Y: 徑向軸承是硬質(zhì)合金軸承 . J: 徑向軸承是 CC 合金軸承 鉆頭最大水眼壓降 (bar) 鉆具公稱直徑 (mm) 螺桿鉆具標(biāo)志 馬達(dá)轉(zhuǎn)子頭數(shù)（單 頭省略） 7 四 、螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)與工作原理 螺桿鉆具是以油基泥漿、浮化泥漿及粘土泥漿等作動(dòng)力液，是一種把液體壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的容積式井下動(dòng)力鉆具。 中成 － 螺桿鉆具 主要由四部分組成： 馬達(dá)總成 傳動(dòng)軸總成 它的部件主要由閥體、閥芯、閥套、彈簧、閥口總成組成，它的作用是在下鉆時(shí)，允許環(huán)空（鉆桿與井壁的環(huán)形空間）的泥漿由旁通閥閥體側(cè)面的閥口孔流向鉆桿內(nèi)孔，起鉆時(shí)使鉆桿內(nèi)孔的泥漿從閥體側(cè)面的閥口流入環(huán)空。 旁通閥總成的工作原理是在泥漿流量達(dá)到說(shuō)明書(shū)推薦最小流量以前的某個(gè)流量時(shí)該流量經(jīng)閥芯內(nèi)孔，在孔兩端產(chǎn)生壓力差，上端壓力大于下端壓力，此壓力差克服彈簧力把閥芯壓下，旁通孔被關(guān)閉。地面停泵或流值過(guò)小，壓力差 不足以按住閥芯，彈簧把閥芯頂起，旁通孔導(dǎo)通（參考圖 1）。 它由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成（參考圖 2）。定子是在經(jīng)過(guò)機(jī)械加工的鋼管上有用特制的壓膠芯軸壓鑄并粘牢的丁晴橡膠，它耐磨并抗碳?xì)浠衔?。因此，繞軸線的左旋螺桿上有一系列嚙合點(diǎn)，這些嚙合 點(diǎn)封閉起來(lái)的容腔組成一個(gè)密封腔，而且此容腔體積是 一定的。這就是螺桿馬達(dá)的基本工作原理?？偟膩?lái)說(shuō)，馬達(dá)的頭數(shù)越少，轉(zhuǎn)速越高，扭矩越小；馬達(dá)的頭數(shù)越多，轉(zhuǎn)速越低，扭矩越高。 螺桿鉆具以馬達(dá)中一個(gè)定子導(dǎo)程組成密封腔為一級(jí)，也就是說(shuō)，馬達(dá)如果是三級(jí)的，在軸向上存在三個(gè)連續(xù)而互不相通的密封腔，在工作中，如欲使馬達(dá)正常有效地工作，馬達(dá)每級(jí)所能承受的壓降以不超 過(guò) (8bar)為宜，如以三級(jí)馬達(dá)為例，則其馬達(dá)壓降不超過(guò) 最好。嚴(yán)重時(shí)則完全停止轉(zhuǎn)動(dòng)，致使馬達(dá)損壞。 為了保證馬達(dá)密封腔的密封，以確保能承受的壓降，所以定轉(zhuǎn)子間的配合尺寸都需經(jīng)過(guò)選配測(cè)試，使其不宜過(guò)緊或過(guò)松，讓馬達(dá)發(fā)揮最大的效率。 現(xiàn)場(chǎng)使用的泥漿流量希望在推薦的范圍內(nèi)，否則將影響馬達(dá)效率，甚至使磨損加大。所以，通過(guò)控制地面上的壓力表的讀數(shù)及泵的流量就控制住了井下螺桿的扭矩及轉(zhuǎn)速。此時(shí)馬達(dá)的總流量應(yīng)等于流經(jīng)馬達(dá)密封容腔的流量和流經(jīng)轉(zhuǎn)子噴嘴流量的總和。如果超過(guò)最大流量值，轉(zhuǎn)子可能超速旋轉(zhuǎn)，定子和轉(zhuǎn)子會(huì)出現(xiàn)提前損壞。因此，在選擇轉(zhuǎn)子噴嘴尺寸時(shí)，應(yīng)確保馬達(dá)密封容腔的流量始終保持或高于最小推薦流量值，這樣，才能使馬達(dá)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)鉆頭離開(kāi)井底，螺桿馬達(dá)無(wú)負(fù)荷，此時(shí)流經(jīng)轉(zhuǎn)子噴嘴流量最小，而此時(shí)的流經(jīng)馬達(dá)密封腔的流量最大。 圖 2 圖 3 9 流經(jīng)轉(zhuǎn)子噴嘴水眼所產(chǎn)生壓力差Δ P 的計(jì)算公式： Δ P＝Δ P1＋Δ P2＝ 20420 vPD10 Q ?????????? ?????? ??? Ld 其中 Δ P：馬達(dá)兩端壓力差（ PSI） Δ P1：轉(zhuǎn)子噴嘴所消耗的壓力降（ PSI） Δ P2：轉(zhuǎn)子長(zhǎng)孔所消耗的壓力降（ PSI） ρ ：泥漿密度（ lb/gal） Q。值。值和 d 值。它所起到的作用要求它具有較好的撓性功能，才能實(shí)現(xiàn)把轉(zhuǎn)子的偏心運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成傳動(dòng)軸的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。 它的作用是將馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力傳遞給鉆頭，同時(shí)承受鉆壓所產(chǎn)生的軸向和徑向負(fù)荷。由于結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，其具有最短的彎點(diǎn)到鉆頭的距離。 b、油密封傳動(dòng)軸總成： 該總成采用密封組件將串軸承和部分徑向軸承進(jìn)行密封并注入高溫潤(rùn)滑油進(jìn)行潤(rùn)滑。 按鉆頭承受水眼壓降分類，分為、 7Y、 14J 三種： a、水眼壓降為 ，該結(jié)構(gòu)上、下軸承是推力球軸承，徑向軸承有兩組硬質(zhì)合金軸承或兩組橡膠軸承兩種。 c、水眼壓降為 14Mpa，該結(jié)構(gòu)上、下軸承有多組鑲嵌 PDC 復(fù)合片的平面推力摩擦軸承，徑向軸承是上、下各一組 CC 合金軸承。 b、徑向軸承 徑向軸承為滑動(dòng)軸承 ，上、下各有一組。對(duì)于泥漿潤(rùn)滑的傳動(dòng)軸總成來(lái)說(shuō)，上徑向軸承又稱限流器，它允許馬達(dá)流出的部分泥漿（在最大水眼壓降作用下，約 5～ 10%）通過(guò)軸承組件，起著冷卻和潤(rùn)滑軸承的作用。扶正器的扶正條形式多種多樣，可以起到較好的穩(wěn)定效果。這種鉆具是為使有效機(jī)械鉆速最大化，并且提高造斜能力而設(shè)計(jì)的。預(yù)輪廓馬達(dá)所具有的巨大的功率和扭矩，使之能夠更有效地將動(dòng)力傳遞給鉆頭。 功率和扭矩得到了極大的提高，歸因于內(nèi)部整體加工的定子輪廓具有均勻的橡膠壁厚。這種定子 的特點(diǎn)是具有優(yōu)良的耐用性和承受能力，最好地發(fā)揮出等壁厚技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。這樣不但提高了馬達(dá)的 定向能力 ，而且由于傳感器位置距離鉆頭更近，也提高了 MWD 和 LWD 等 隨鉆測(cè)井儀 器 的測(cè)量精度。 組合類型 螺桿鉆具是一種發(fā)展較快的井下動(dòng)力鉆具，隨著鉆井和定向井 、水平井 市場(chǎng)的需要，我公司由原只生產(chǎn)直型鉆具和帶彎接頭的導(dǎo)向螺桿，發(fā)展到今天可生產(chǎn)各種組合的導(dǎo)向螺桿。由于是反向雙彎，故鉆頭的偏移距較小，這種組合可以開(kāi)動(dòng)轉(zhuǎn)盤（低速）實(shí)現(xiàn)穩(wěn)斜及水平段鉆進(jìn)?！?10176。它由 MWD、 DTU 馬達(dá)及高效鉆頭組成導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的硬件部分，可以實(shí)現(xiàn)井眼軌跡的連續(xù)控制。 圖9 圖 6 DTU 組合 12 b、 DKO 組合是在螺桿鉆具的萬(wàn)向軸部分裝有同向雙彎外殼，這種組 合的功能基本與DTU 相同，但由于雙彎同向鉆頭偏移距稍大，可以有較大的造斜能力。 c、 FAB 組合是在螺桿鉆具馬達(dá)的上部及下部（萬(wàn)向軸部分）各裝有一單彎外殼，由于這種組合的鉆頭偏移距很大， 因此 有很強(qiáng)的造斜能力，是一種強(qiáng)造斜組合，正因?yàn)殂@頭偏移距很大，不能開(kāi)動(dòng)轉(zhuǎn)盤鉆井，故不能用 FAB 馬達(dá)組成導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。 可調(diào)角度螺桿鉆具（ AKO） 我廠部分型號(hào)導(dǎo)向螺桿鉆具可以選配地面可調(diào)角度彎殼體（單彎殼體），方便顧客根據(jù)鉆井需要在現(xiàn)場(chǎng)改變彎殼體角度，具有較大的靈活性。 可調(diào)彎殼體 的角度調(diào)整范圍為 0～ 3176。 扶正器結(jié)構(gòu) 導(dǎo)向螺桿鉆具與常規(guī)螺桿鉆具的另一個(gè)不同之處在于導(dǎo)向螺桿鉆具的傳動(dòng)軸殼體上帶有不同形式的扶正器。 可換扶正器 為了滿足鉆井使用要求，有些規(guī)格的產(chǎn)品可以配備可換扶正器，顧客可以在井場(chǎng)根據(jù)情況隨時(shí)更換適宜的扶正器。因此在螺桿鉆具使用前，井場(chǎng)技術(shù)人員和司鉆應(yīng)該首先了解螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)原理和使用參數(shù)，并按使用手冊(cè)的要求合理使用螺桿鉆具。 泥漿 螺桿鉆具是正容積式馬達(dá)，決定鉆具性能的因素是馬達(dá)的輸入流量和作用于兩端的壓力降，而不是鉆井液的類型，因而，使用各種類型的泥漿一般均能有效的工作。 s（ 50 厘泊）。 使用油基泥漿或柴油基泥漿時(shí)，考慮到油基泥漿中芳香烴對(duì)定子橡膠的溶脹和氣蝕，應(yīng)該控制芳香烴的含量，同時(shí)提高油基泥漿的苯胺點(diǎn)。普通情況油基泥漿的苯胺點(diǎn)應(yīng)高于70℃，井底溫度較高時(shí)苯胺點(diǎn)應(yīng)高于 93℃或更高。如果螺桿已在高氯化物含量泥漿中使用，在起出后應(yīng)盡可能在井口沖洗，防止螺桿的腐蝕。 空氣 /泡沫鉆具的突出優(yōu)勢(shì)在于它可以在較低轉(zhuǎn)速的條件下進(jìn)行高扭矩輸出。而且，由于在空氣中含有大量的氧氣，因此必須采取措施防止各個(gè)部件的氧化腐蝕。在這種形態(tài)下，鉆井液的氣相體積含量我們可以用泡沫特征值來(lái)衡量。 在空氣或泡沫鉆具的使用過(guò)程中，定子橡膠的應(yīng)變生熱而失效往往是造成鉆具報(bào)廢的關(guān)鍵因素。當(dāng)熱量積聚到一定程度時(shí)，橡膠的力學(xué)性能無(wú)法滿足鉆進(jìn)的需要，那么就會(huì)發(fā)生諸如撕裂，掉塊等現(xiàn)象，從而使鉆具失效。 鉆頭的選擇，尤其是與 螺桿鉆具一起使用的鉆頭的選擇是個(gè)十分重要的問(wèn)題。希望能引起現(xiàn)場(chǎng)使用人員的重視。 b．針對(duì)地層需用什么樣的刃部構(gòu)造。 d．預(yù)先計(jì)劃的機(jī)械鉆速。 f．鉆頭水眼壓降的設(shè)計(jì)。這里僅就使用螺桿鉆具完成各種鉆井作業(yè)，對(duì)鉆頭的選擇作些說(shuō)明。尤其當(dāng)鉆頭水眼壓降已達(dá)鉆具型號(hào)規(guī)定的壓降值，更應(yīng)注意。同時(shí)并能保證巖屑及時(shí)排出及鉆頭冷卻問(wèn)題。注意使用螺桿鉆 具作業(yè)時(shí)，一般鉆頭轉(zhuǎn)數(shù)提高 2～ 3 倍，因此鉆頭軸承壽命要因之而縮短。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，由于轉(zhuǎn)數(shù)提高 2～ 3 倍，牙輪鉆頭齒部可比用一般傳統(tǒng)轉(zhuǎn)盤鉆選硬一個(gè)等級(jí)。用螺桿鉆具為防止鉆頭側(cè)面的過(guò)速磨損，可在牙輪鉆頭側(cè)面外徑堆焊硬質(zhì)合金予以保護(hù)。在較長(zhǎng)周期鉆井作業(yè)中，最重要的因素就是鉆頭與鉆具作為一個(gè)整體，不要由于其中哪一部 分出了問(wèn)題，而造成不必要的起下鉆。金剛石鉆頭與 7Y 型鉆具匹配是完全合適的。 當(dāng)然孤立地只著眼于鉆頭與螺桿是有些局限性，它終歸不是決定壽命和鉆井進(jìn)尺的唯一因素。但無(wú)論如何應(yīng)該了解：合理的金剛石尺寸、金剛石布置的方 位、每塊金 剛 石的鉆壓負(fù)荷這三者與井下鉆具轉(zhuǎn)數(shù)高和所要求的鉆壓小兩者是應(yīng)該考慮合理匹配的。 鉆頭水眼的大小將會(huì)影響到螺桿鉆具傳動(dòng)軸總成的使用壽命。如果水眼太小，泵壓達(dá)到額定值時(shí)，排量可能相對(duì)過(guò)小，此時(shí)馬達(dá)不易發(fā)揮出最大效能。對(duì)于油密封傳動(dòng)軸總成，水眼過(guò)小，會(huì)使密封軸承的內(nèi)外壓差過(guò)大，從而損壞密封。使用油基泥漿，井底溫度低于 95℃，馬達(dá)可進(jìn)行正常工作。 為使螺 桿在較高溫度的油基泥漿下正常工作，可以采用分段下鉆，間歇循環(huán)，使用帶分流孔的空心轉(zhuǎn)子，以加速泥漿循環(huán)或改善泥漿散熱性及其它性能的方法，保證實(shí)際定子工作溫度低于極限值。一種是耐溫 120℃的常規(guī)定子，其額定工作溫度 95℃，最高工作溫度 120℃ 。 第三種 是耐溫 165℃的耐高溫定子，其額定工作溫度 150℃，最高工作溫度165℃。每一種鉆具都有一 定的有效工作流量范圍。如果輸入泥漿流量小于最小流量值，馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩就會(huì)降低，從而影響其使用效果。 螺桿鉆具進(jìn)行空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，若保持泥漿流量不變，螺桿鉆具與鉆頭產(chǎn)生的壓降為一常數(shù)值，該值隨螺桿 型號(hào) 和規(guī)格的不同而有所不同。當(dāng)達(dá)到最大推薦工作壓力降時(shí)，產(chǎn)生最佳扭矩。正常工作時(shí)，表壓隨鉆壓的增減而升降。此時(shí)馬達(dá)定子與轉(zhuǎn)子間密封被沖開(kāi)，泥漿通過(guò)不轉(zhuǎn)的馬達(dá)從鉆頭水眼流出。當(dāng)鉆頭因故障遇卡時(shí)，鉆井液在螺桿制動(dòng)情況下仍可以繼續(xù)循環(huán)流過(guò)螺桿。 另外，要使鉆具獲得最佳工作效率和工作壽命，應(yīng)將螺桿兩端壓差控制在推薦參數(shù)范圍內(nèi)。 實(shí)驗(yàn)表明，螺桿從空載狀態(tài)到最大有效工作載荷區(qū)，速度降低一般不超過(guò) 10%。反扭矩隨鉆壓增加而增加，當(dāng)螺桿制動(dòng)時(shí)，其值達(dá) 到最大值。 圖 12 17 負(fù)載分析狀態(tài)： CW 離井底推力軸承受載 C=W 軸承不受載（平衡點(diǎn)） CW 坐井底推力軸承受載 現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常有這樣的情況，螺桿使用后，尚未回收經(jīng)過(guò)維修中心修復(fù)或現(xiàn)場(chǎng)使用認(rèn)為時(shí)間不長(zhǎng)，想再次使用。 螺桿在使用之后，將它放在鉆臺(tái)上，進(jìn)行下列工作。 第二步：將鉆具座在鉆臺(tái)上，用鉆具自身重量壓縮軸承總成，再次測(cè)量并記錄下短節(jié)和驅(qū)動(dòng)接頭之間的間隙尺寸 D2。 表 3 軸承間隙 鉆具規(guī)格（外徑） 間隙 D1D2 80（ 31/8″） 3mm 89（ 31/2″） 3mm 95（ 33/4″） 3mm 102（ 4″） 3mm 105（ 41/4″） 3mm 120（ 43/4″） 159（ 61/4″） 4mm 165（ 61/2″） 4mm 172（ 63/4″） 4mm 185（ 71/4″） 4mm 197（ 73/4″） 4mm 203（ 8″） 4mm 210（ 81/4″） 216（ 81/2″） 244（ 95/8″） 286（ 111/4″） 5mm 18 六 、螺桿鉆具的使用