斯伦贝谢的马达手册.docx

1、斯伦贝谢的马达手册 Anadrill PowerPak Steerable Motor Handbook1.0 介绍1.1 钻井马达的发展1.2 PowerPak马达的设计和测试1.3 应用2.0 PowerPak马达描述2.1 顶部接头2.2 动力部分2.3 传动部分2.4 轴承部分和驱动轴2.5 弯壳部分和连接扣型3.0 作业3.1 常用参数3.2 狗腿严重度限制3.3 工作准备3.4 马达的现场操作3.5 空气钻井3.6 短半径钻井3.7 打捞马达4.0 地质导向系统5.0 操作参数6.0 司钻手册1。2 PowerPak 的设计和测试 PowerPak 马达是根据DD的要求而设计的，特

2、别需要强调的是，粗糙，朴素，已证明的技术已经转变为了在工作现场占优势的，可信赖的作业。 Anadrill 遵循使井底系统接近最小的噪音对MWD测量数据的干扰，以及确保PowerPak 马达不会限制排量和其它的钻井作业的原则。为期18个月的系统分析和部件测试计划开始于1990年。这项综合计划包括全尺寸的的功率计和钻机操作测试，利用位于Texas Sugar Land 的Anadrill的先进的测试设备。已设计一项工程维修计划，包括时间表和部件跟踪。 从早在1992年的采用开始，PowerPak马达已经连续地达到或接近设计目标，为了它的可靠性，操作和维修成本，而且，对于改进效率和降低钻井成本，已经

3、建立了一个新的标准。PowerPak马达特性 PowerPak 导向马达设计有标准组件，以使它们能够在对MWD干扰最小的情况下适应更广泛的定向井作业。可以通过马达部件的选择，优化其在任何一种钻井条件下的作业。 PowerPak 马达的泥浆润滑轴承特性适合恶劣的钻井环境。 多种多样的定转子形状允许PowerPak 马达可用于低速高扭和高速低扭这两种情况。 地面可调节弯壳体（SAB）改进了效率，增加了在现场的钻井控制能力。 锻钢驱动轴提高了马达的强度。 密封的传动组合阻止泥浆损害，从而提高了马达寿命。 轴承部分更紧凑，可以放置接近钻头的弯壳体，从而进一步提高了定向作业能力。 碳化钨镀层的径向轴承和

4、多层轴向轴承组成了一体化的轴承部分。 为了优选旋转钻井参数和最小的钻头磨损，PowerPak 轴承可以装置在钻台上可换的套筒式稳定器，或者整体的翼式稳定器。1。3 应用 多种多样的PowerPak 马达使它们成为直井钻井和定向钻井的理想马达，它们同样在取心，划眼，磨铣，底盘钻井和其它的作业。直井钻井 在直井钻井中，PowerPak 马达起到了一种直井钻井工具的作用，用于提高机械钻速和减小由于钻柱旋转造成的套管磨损。定向钻井 结构紧密的设计和高扭矩的输出使PowerPak 马达对常规定向钻井和导向钻井而言都是非常理想的，对常规定向钻井，可以使油井轨迹沿着设计线钻进;对地质导向钻井而言，油井或泄油

5、孔被导向钻进，随着地质的，流体的，以及构造边界的判断，非常完美地钻达理想油层。 对常规定向钻井而言，在位于传动部分的可调弯壳体和位于轴承部分的稳定器允许PowerPak 马达既可以定向钻井（滑动），也可以旋转钻井。在旋转钻井方式下，钻头和钻柱同时转动，钻柱的转动抵消了弯壳体的影响，钻头可以钻出一条与弯壳体之上的钻柱的轴向平行的直线轨迹。 在滑动钻井方式下，只有钻头转动，马达使油井轨迹沿着弯壳体的方向钻进，而钻柱沿着钻头的方向向下滑动。在这种方式下，马达就如同常规定向钻井一样，利用它来造斜或纠方位。 PowerPak 马达使用一种钻具组合来完成整个井眼的钻井成为可能，且可以获得多种井眼尺寸组合和

6、造斜率。 在以上提到的应用中，PowerPak 马达的可调弯壳体能够在钻台快速地组装，弯壳体的角度在02度和3度的范围。PowerPak 特别的弯曲马达拥有04度的地面调节结构。 PowerPak 马达由以下三部分组成： 动力部分：由定子和转子组成，其将水力能转换为机械的旋转能量 传动部分：将由动力部分提供的旋转传输给由轴承部分和可调弯壳体组成的一体化部分。 轴承部分：在钻进时，支撑来自径向的和轴向的负荷，并通过驱动轴将旋转驱动传输给钻头。2。0 PowerPak 马达描述 2。1 顶部接头 PowerPak 马达的顶部接头可以是一个转换接头，旁通阀，浮阀或柔性接头，过去，PowerPak 马

7、达使用旁通阀作为顶部接头，然而，在大多数情况下，没必要使用旁通阀，虽然PowerPak 的旁通阀是可靠的，但是，如果没有要求，不推荐使用旁通阀，而使用转换接头。转换接头 对PowerPak 马达而言，转换接头是一个有常规母扣和与定子相连的非标的公扣的接头，对大多数作业而言，转换接头被用于作为马达的顶部接头，而旁通阀，浮阀接头，柔性接头只有在必须的时候才使用。旁通阀 旁通阀位于马达动力部分的顶部，在下钻时，旁通阀允许泥浆通过它而使钻杆灌满泥浆，起钻时，泄出泥浆。PowerPak 马达的旁通阀同样担当了转换接头的作用，与定子的母扣相连，形成一个标准API扣。 当循环排量较低或没有循环时，弹簧在向上

8、的位置阻止了活塞，保持阀孔打开，可使泥浆进出钻柱。对马达来说，当入口处的排量大于最小排量时，活塞向下移动，关闭阀孔，泥浆直接通过马达。当循环停止，活塞释放，阀孔重新打开。浮阀接头 PowerPak 马达的浮阀接头与浮阀是一体化的，它同时充当常规API扣Anadril 扣之间的转换接头。柔性接头 对恶劣的钻井条件而言，柔性接头被用来作为PowerPak 马达的顶部接头，同时起转换接头的作用，有可能包括浮阀。在下列情况下，柔性接头接头被用到： 频繁的马达失速（制动） “摆动”钻具组合以利于钻具滑动 倒划眼 较高的狗腿严重度（大于12/100ft）2。2 动力部分 动力部分将来自泥浆的液力能转换为机

9、械能去转动钻头。这是Moineau泵原理的相反应用。泥浆被泵入马达的动力部分，形成压力，压力导致在定子里的转子的转动，这个转动力，通过传动轴和驱动轴到达钻头。 PowerPak 马达的转子由防腐不锈钢制成，有一层0.010in(0.254mm)的镀铬层，以减小磨损和摩擦。碳化钨镀层对于磨损和腐蚀损害也是有效的，PowerPak 马达转子是中孔的，安装水眼用于更高的排量。 定子是由钢管和通过浇铸而挂在其内部的橡胶组成的，内挂的橡胶特别地设计用于抵抗磨损和由于烃基感应而老化。 定子和转子具有相同的螺旋状剖面，但是，转子比定子少一个螺旋，或瓣。这样组合形成的动力部分，定子和转子在它们的接触点上，沿着

10、一条直线形成了连续的密封，这样产生了数个独立的空穴。当流体（水，泥浆或空气）受力通过这些渐进的空穴时，引起转子在定子内连续松脱转动，转子在定子内的转动叫做变异，对每一次转子转动形成的变异，转子转动/松脱一瓣宽的距离。转子完成了每一瓣的松脱便完成了钻头的一周转动。一个有7：8瓣定子和转子的马达，具有100转/分钟（rpm）的转速，既，转子具有700次/分钟的变异。 井底马达的动力部分是通过它的定子和转子瓣头的组合而设计的，例如，4：5的动力部分具有四头的转子和五头的定子。一般来说，数量较高头数的马达会输出较高的扭矩和较低的速度。PowerPak 马达有1：2，3：4，4：5，5：6和7：8头的组

11、合。输出扭矩也取决于头数（一头既一条完整的定子螺旋曲线）。PowerPak 马达具有标准的动力部分长度，或加长的加强动力（XP）的动力部分。XP动力部分具有更多的头数，在不降低转速的情况下提供更大的扭矩。转子和定子瓣数的比例 转子和定子的瓣数关系就象一个轴承箱，对一个确定的马达，它们的数量增加，马达的输出扭矩一般会增加，输出的速度一般会降低。图2-3表示了动力部分的速度和扭矩及瓣数之间的一般关系。由于功率等于速度乘以扭矩，马达内更多数量的瓣数不会产生更多的功率。事实上，由于瓣数的增加，转子和定子之间密封面积的增加，降低了马达的效率。 马达的机械功率按下式计算： HP = Trpm / 5252

12、 HP = 马达的额定功率（马力） rpm = 输出转速（转/分钟） T = 输出扭矩（英尺磅）转子和定子的装配公差 转子的平均直径（瓣的最低处到最高处）和定子的最小直径（最高处到最高处）之差被定义为转子和定子的装配公差。 马达经常由比定子稍大的转子和定子装配而成，这样产生一个强的正的过盈密封，称之为正配合。根据井底的情况，转子平均直径比定子的最小直径大0.022in（0.5588mm)组装的马达非常有力（产生较大压降的能力），但是，由于过早的大块产生，一般情况会降低马达的寿命。 如果预计的井底温度要增加，在马达装配时，应减小正配合的值，以允许定子内挂胶的膨胀。一个过尺寸的定子，在200（ ）

13、以上，一般需要获得正确的过盈值。如果预计的井底循环温度在225（ ）以上，则装配公差一定的是负配合，在车间装配时，转子的平均直径要等于或小于定子的最小直径。螺旋节的长度 一节定子的长度被定义为：在定子里，一瓣沿着自己的螺旋剖面转360所需要的轴的长度。然而，一节转子的长度并不等于和它一体的定子的长度，转子的长度短于定子的长度。下列等式表达了转子级数和定子级数的关系： 转子级数 = （n+1)/n 定子级数 n = 转子的头数 转子级数 = 转子的级数（转360） 定子级数 = 在定子内的级数（转360 ） 例如，对于A675型号的PowerPak 马达，具有4:5头，4.8级动力部分，动力部分

14、和定子分别有4.8级。然而，转子却大于4.8级，其级数是： 转子级数 = (n+1)/n) 定子级数，即 = （4+1）/4）4.8 = 6 因此，对4:5头，4.8级动力部分的转子，实际上一瓣有6级在转动。图2-5表示了转子一节的长度。动力部分的级数可以通过简单地数一下转子的级数，然后反算过来即可。 级的长度取决于螺旋线的倾斜角度，当倾斜角度增加时，螺旋线比较紧，级的长度较短，这样，分到转子径向上的垂直矢量分力和定子内的空穴的容积就会减小，结果是输出扭矩减小，马达转速增加。相反，减小螺旋线的倾斜角度，级的长度增加，结果是输出扭矩增加，马达转速减小。 长级马达一般比短级马达输出较高的扭矩和较低

15、的转速。就如前面提到的，长级马达的缺点是：随着级数的增加，沿着转子和定子的接触面的密封长度在增加，密封的效率和马达的转速都在降低。最初的长级马达是为空气钻井设计的。级数 使用多级马达是提高马达功率的唯一有效方法。增加XP马达动力部分的级数能够增加更高的扭矩或者扩大在马达上的负荷，并以比较低的压降运转每一级马达。比较低的压降运转马达可以延长马达的寿命。 XP多级马达也被用在极高温度的井中。在高温油井中，最初的宽的允许定子膨胀的装配公差意味着正规长度动力部分的马达在第一次下井时，由于没有时间去膨胀，以至功率太小而不能钻进。一个XP加长动力部分可以以足够宽的公差组装转子和定子，直到能产生足够的功率来

16、钻井。然而，当使用XP马达时，马达的总长和部件的成本会增加。每级压降 每级马达设计的最大压降是瓣的剖面和挂胶硬度的功能的一部分。改变挂胶的硬度不仅影响压降，同时影响挂胶弹力和寿命。 失效方式和预防 动力部分内的挂胶经常是最先失效的的部件。导致挂胶效的原因有：掉块，脱胶（粘胶失效），和金属落物损伤。 掉块既定子内的橡胶明显地撕裂下来。当转子和定子之间的摩擦力超过定子挂胶的强度时就会发生掉块。 转子和定子之间的摩擦力的大小受泥浆的润滑，装配公差，变异速度和压降的影响。 多种原因导致的掉块造成大多数马达的失效。 两种粘胶使用在定子中。一种粘接到钢管上，另一种粘接到橡胶上，然后两种粘胶粘接到一块。脱胶

17、（粘胶失效）取决于任何一种，两种或三种粘胶失效： 钢管对粘接剂 粘接剂对粘接剂 粘接剂对合成橡胶由于粘胶失效导致的定子失效，典型的是松弛的大块橡胶脱落，这些橡胶大块一般有平滑的背面，这一背面正是定子被浇铸到钢管上的这面。 PowerPak 马达由于粘胶失效导致的马达失效非常少。 落物损害是由于将落物泵入了马达而导致的。定子将沿其螺旋轨迹遭受锋利的切削，转子也可能沿着同样的轨迹遭到损害。 脱胶（粘胶）失效的预防是很困难的，但幸运的是很少。采用一些措施可以预防掉块和落物损害，最明显的预防落物损害的技术是确保没有落物进入泥浆系统或钻柱。如果保证泥浆里没有金属落物颗粒或碎片，肯定不会损害马达。掉块预防

18、是一个综合技术，包括转子和定子装配公差，井底温度，泥浆选择，堵漏材料，中孔转子，合理操作，狗腿严重度和定子寿命跟踪技术。转子和定子的装配公差 转子和定子的装配公差是影响马达运行和定子橡胶的关键所在。有太紧公差的马达（转子比定子要更大一些），运转时会产生高压差，但是，在运转仅几个循环以后（大约68小时）就会过早的产生掉块。掉块有可能沿其螺旋轨迹形成并脱落。 转子和定子的装配公差如果太松，则输出功率太小，马达将会在低压差下失速（制动）。马达失速既需要转动钻头必须的扭矩大于马达输出的扭矩。 当马达失速时，转子被推到一边，泥浆穿过与转子相对的密封面。由于液体流过密封面，定子的螺旋剖面肯定会变形。这样，

19、流速非常高的流体穿过变形的螺旋切面的顶部，导致马达掉块。当定向钻进（没有地面转盘转动）时，由马达失速导致的掉块沿着定子的内壁会有一个直线轨迹的掉块，当全面钻进时，由马达失速导致的掉块可能是螺旋轨迹的掉块。 对于掉块，根据相关的井底温度来选择近似的装配公差可以预防。泥浆温度 在装配转子和定子时，循环温度指示了装配公差值的范围。预计的循环温度越高，转子和定子之间要求的压缩就越小。在马达组装时，减小装配公差以补偿由于循环温度和泥浆特性所造成的定子挂胶在井底的膨胀。作业时，如果有较大的装配公差，定子将有一个较大的剪切应力，结果导致疲劳破坏，疲劳破坏导致早期的掉块损害。 为补偿由于井下高温造成的定子挂胶

20、膨胀而使马达出现故障是马达失效的主要原因。钻井液 PowerPak 马达的设计，能有效地用于所有的油基泥浆和水基泥浆，如同用于混油泥浆（oil-emulsion），高粘和高密度的泥浆，空气，雾和泡沫钻井液。钻井液中含有多种添加剂，其中的一些对定子的橡胶和不锈钢/镀铬转子具有有害的影响。 众所周知，油基泥浆（OBM）一般情况下会导致定子膨胀。如果使用了油基泥浆，考虑井底循环温度和苯胺点对马达定子的影响是重要的，因为定子是由丁腈橡胶制成的。诸如苯胺一类的芳香族材料，能够膨胀，而且使丁腈橡胶老化。苯胺点是使同等容积的新鲜的蒸馏苯胺和油充分混合的最低温度。某种油基泥浆的苯胺点与泥浆的循环温度相比，越低

21、，对橡胶部件的损坏就越严重。因此，当使用油基泥浆时，推荐使用低芳香，低毒的泥浆（即苯胺点在200以上的），而且井底温度和苯胺点应该记录下来。 很多管材防腐剂的环烷基可造成定子挂胶的过度膨胀。特别是加重泥浆的时候，泥浆中的物质集中作用与挂胶。 泥浆中的氯根可以严重地腐蚀定子的镀层，在定子表面造成粗糙的磨损，定子的磨损降低了定子和转子的密封性，并造成了马达在较低的压差下失速。 对于过饱和的OBM和盐水泥浆，推荐使用碳化钨涂层转子。压差：理解马达操作曲线 钻进压力和循环压力的差值被定义为压差。压差是由马达中转子和定子部分产生的，压差越大，马达的输出扭矩就越高，输出转速就越低。 用太高的压差运转马达，

22、将会出现早期的掉块（在6小时的循环时间内），并以类似的方式对定子产生影响，这样使得转子和定子过紧的接触。定子将沿着螺旋轨迹形成掉块。以马达的最大压差或接近值运转马达会严重地缩短马达的寿命。 在第五章的PowerPak 马达操作曲线，“操作参数”，对优选Anadrill马达的压差和排量提供了一个有用的指南。然而，在任何一条曲线上，并没有一个最佳的点，马达可以在此点上运转。对PowerPak 马达，输出扭矩直线和马达转速曲线的交会点并不表明是马达运转的优选点。为了提高马达的寿命，对任一种给定的排量，推荐使用不超过其最大的输出功率的90，排量应该保持低于最大排量的90。以任何一种参数（泵冲，钻压，马

23、达压差，转盘转速）的最大值运转马达将降低马达的寿命，特别是定子的寿命。如果这些操作限制使马达的效率达不到预期水平，应考虑使用马达和中孔转子马达。堵漏材料（）当堵漏材料通过马达时可引起两个问题，有可能堵塞在马达的内部，如果使用了旁通阀，一般会堵在此，或者在输出轴的顶部，或径向轴承的顶部，引起定子的磨损。然而，如果确切遵循下列预防措施，可以用在PowerPak 马达中。均匀地加入，避免泵入大颗粒的材料尽可能少地使用硬的，锋利的材料，如硬果壳，粗云母，碳酸钙，因为这些材料导致定子的磨损。虽然这些指南有助于最小地减少与有关的堵塞问题，但不能完全消去可能的马达或轴承部分的堵塞。中孔转子PowerPak

24、马达的转子设计是中孔的，这样部分流量可以通过水眼，以提高马达的能力，并拓宽了马达适应其它水力或井底情况的灵活性。通过的流量取决于水眼，在动力部分产生的压降和流体的密度。对大井眼井段钻井，增加中孔水眼可增加排量，以净化井眼并携带岩屑。在特殊的应用中，如开钻，扩眼或大井眼的裸眼井段，增加中孔转子在高排量下可以降低钻头的转速。下列简单的水力计算可用来决定中孔转子的尺寸：总的过流面积（水眼尺寸，平方英寸）通过中空水眼的排量（每分钟加仑）泥浆密度（每加仑磅）预计的钻井压差摩擦压力（每平方英寸帕），对及以上的马达摩擦压力是，对及以下的马达摩擦压力是。表列出了常用水眼的总的过流面积，表给出了常用泥浆密度在不

25、同的水眼下的排量。表中孔水眼尺寸和总的过流面积水眼尺寸（英寸）总的过流面积（平方英寸）水眼尺寸（英寸）总的过流面积（平方英寸） 当提离井底时，中孔转子马达一般是过量泵入的，流过转子的流量主要取决于动力部分产生的压降，当提离井底时，这个压降只有100150PSI，然而，计算水眼时，要假定动力部分的压降是300500PSI。 当提离井底循环时，中孔转子马达不应该用比正常排量（不装水眼的马达）高的排量去工作。狗腿 在狗腿较大的井段转动马达有可能损坏马达，井眼轨迹会导致马达弯曲，特别是马达带有弯壳体时。因为定子外壳是马达中最弱的部分，弯曲的最厉害，当定子外壳弯曲时，挂胶推动转子并弯曲它，这样引起定子过

26、度的挤压，然后导致掉块。2。3 传动部分 传动部分连接在转子的下边，将由动力部分产生的转速和扭矩传动到轴承和驱动轴上。它也能补偿转子的偏心运动并吸收向下的推力。 转动是通过传动轴传输的，在传动轴两端安装了万向节，以吸收转子产生的偏心运动。两个万向节都用润滑油密封以延长它们的寿命。 PowerPak 马达传动部分还包含Anadrill的地面可调弯壳体（SAB）， 大多数马达的传动部分允许的地面可调弯壳体的角度是03。然而，对XP马达允许的最大弯角是1.83，是因为高扭矩要求需要大直径的传动轴，使在传动部分的弯曲间隙变小。若设置大于1.83的弯壳，将引起XP马达的传动部分摩擦地面可调弯壳体的内径。

27、2。4轴承部分和驱动轴 轴承部分将钻进的下推力和来自传动轴的旋转动力传输到钻头。轴承部分由轴向和径向轴承支撑的锻钢驱动轴组成。由于井底马达的轴承部分是接触井底恶劣条件的主要部件，PowerPak 马达设计时通过考虑下列因素，如泥浆性能，钻压，侧向负荷，转速和流过钻头的压降等，来保证最大的工作效率。 根据定向的要求，轴承外壳可以安装现场可换式套筒稳定器或整体翼式稳定器，多种多样的稳定器可满足不同需要。 稳定器翼片的形状和表面硬度可根据要求调整。表2-3 优选稳定器马达马达直径（in）整体式稳定器可换式套筒稳定器套筒本体外径(in)A4755 7/866 1/46 3/86 1/2YesNoNoN

28、oNoYesYes YesYesYes5 3/85 3/85 3/85 3/85 3/8A6758 1/48 3/49 1/29 3/4YesYesNoNoYesYes Yes Yes7 1/27 1/27 1/27 1/2A8009 3/412 1/814 5/816 7/8YesNoNoNoNoYesYes YesNot applicable9 3/89 7/89 5/8A962 &A112512 1/813 3/814 5/815 3/415 7/817 1/417 3/821 7/825 3/427 3/4YesNoNoNoNoNoNoNoNoNoYesYesYesYesYesYesY

29、esYesYesYes10 5/811 1/211 7/811 7/811 7/811 7/811 7/8141414 轴向轴承由多级泥浆润滑滚珠组成，当钻井时支撑钻压，循环时，欠平衡钻进时，倒划眼时支撑向下的水力推力。 碳化钨径向滑动轴承安装在轴向轴承的上下，起到双重的目的： 当钻进时抵消加在钻头上的侧向力 限制通过轴承部分的流量，这样，只有少量的泥浆被用于润滑 轴承（径向和轴向） 通过轴承的泥浆流量取决于由钻头水眼产生的钻头压降和径向轴承的间隙，为了冷却轴承，钻头压降应在2501500PSI。如果水力要求钻头压降低于250PSI，则，马达应安装一个特别的低钻头压降径向滑动轴承。轴承故障类型

30、和预防钻压（WOB） PDC钻头进取的性质排斥高钻压，然而，牙轮钻头一般要求高钻压，而这加速了轴向轴承的支撑面和滚珠的磨损。 泥浆润滑轴向轴承的支撑面是预先硬化的，它们的磨损并不呈线状，一旦磨损量增加了，它们已磨过了硬化面，正是由于这个原因，经过长时间的运转后，马达虽然只有很小的磨损，但并不意味着轴承有能力继续钻同样的时间。 马达额定的最大钻压（WOB）列在第五章的“操作参数”中。XP动力部分的马达不具有比常规马达高的额定最大钻压，XP马达增加的输出扭矩不允许以高钻压运转马达。因为以最大钻压或接近最大钻压运转PowerPak 马达会缩短轴向轴承的寿命，推荐使用80%的最大钻压运转马达以延长马达的寿命。钻头压降 钻头压降是一种