大港中成螺杆钻具使用手册中文中成马达.docx

1、大港中成螺杆钻具使用手册中文中成马达 中成钻具使 用 手 册大港油田集团中成机械制造有限公司Dagang Oilfield Group Zhongcheng Machinery Manufacturing Co.,Ltd.2004.10 一序言 （3） 二产品型号规格说明（4） 三螺杆钻具的结构与工作原理（5） 3.1.旁通阀总成 （5） 3.2.马达总成 （5） 3.3.万向轴总成 （8） 3.4.传动轴总成 （9）3.5.导向螺杆钻具的主要结构 （10） 四螺杆钻具的工作条件与参数 （13） 4.1.钻井作业计划 （13）4.2.钻井液 （13）4.3.钻头及其水眼 （13）4.4.井底温

2、度 （15）4.5.泥浆流量 （15）4.6.泥浆压力与钻压 （15）4.7.扭矩 （16）4.8.水力推力与钻压平衡 （16）4.9.轴承间隙 （17） 五、螺杆钻具的使用 （18）5.1.地面检查 （18）5.2.螺杆下井 （18）5.3.启动 （19）5.4.钻进 （19）5.5.起钻 （19）六、导向螺杆钻具的使用 （20）6.1.导向螺杆钻具的造斜率 （21）6.2.进尺问题 （21）6.3.导向钻进 （22）七、螺杆钻具的维护与保养 （23）八、常用故障分析与排除 （25）8.1.钻具离井底情况 （25）8.2.钻具坐井底情况 （25）九、定货信息 （27） 一、序 言 中成螺杆钻

3、具是根据莫锘原理设计的容积式井下动力钻具，并靠泥浆提供动力。它具有很多优点：1井底直接提供动力，减少了井下钻具的磨损和损坏。2增加钻头的转速和扭矩，提高了进尺率。 3可准确地定向、造斜、纠偏。 4可用于水平井、开窗侧钻、扩眼、取芯等作业，显著提高钻井的经济效益。 5与转盘同时使用用于直井全面钻进，大幅提高机械钻速。 正是这些优点使得螺杆钻具在近几十年内得到了迅速发展。 我公司在1985年全套引进美国史密斯公司Smith DYNADRILL生产线的基础上，经过近20年的引进、消化、吸收和发展，目前已经能够独立生产和开发适用于各种用途的各种规格系列的螺杆钻具。公司先后通过ISO9001质量管理体系

4、认证、ISO10012计量检测体系认证及API认证，为提高产品质量提供了保证。 本手册主要介绍我厂螺杆钻具的工作原理、性能、使用要求及注意事项，为用户更好地使用我厂钻具，提供了依据。二、产品型号规格说明本手册列举了我公司生产制造的所有规格的螺杆钻具。用户如有特殊要求，我公司可为用户单独设计您所需要的特殊用途的异型螺杆钻具。本手册提供的参数，是保证您正确使用好该工具的重要依据，请用户在工作中认真对待。大港-螺杆钻具标牌说明：LZ H:代表可换扶正器传动轴总成 G:代表高温定子 T:代表可调角度弯壳体 C:长寿螺杆钻具 M:代表油密封传动轴总成 0:代表中空转子 3:代表单弯壳体 4:代表双弯壳体

5、或弯接头 5:代表扶正器 6:代表扶正器加单弯接头 7:代表扶正器加双弯壳体或弯接头 :代表改进型 C:径向轴承是船用橡胶轴承 Y:径向轴承是硬质合金轴承 J:径向轴承是CC合金轴承 钻头最大水眼压降（Mpa） 钻具外径规格（mm） 螺杆钻具标志 马达转子头数（单头省略）三、螺杆钻具的结构与工作原理 螺杆钻具是以油基泥浆、浮化泥浆及粘土泥浆等作动力液，是一种把液体压力能转换为机械能的容积式井下动力钻具。当泥浆泵产生的高压泥浆流经旁通阀进入马达时，转子在压力泥浆的驱动下绕定子的轴线旋转，马达产生的扭矩和转速通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业。 大港钻具主要由四部分组成： 旁通阀总成

6、马达总成 万向轴总成 传动轴总成3.1.旁通阀总成： 它的部件主要由阀体、阀芯、阀套、弹簧、阀口总成组成，它的作用是在下钻时，允许环空（钻杆与井壁的环形空间）的泥浆由旁通阀阀体侧面的阀口孔流向钻杆内孔，起钻时使钻杆内孔的泥浆从阀体侧面的阀口流入环空。使起、下钻时不致使泥浆溢于井台上，以及保护马达的作用。 图1 旁通阀总成的工作原理是在 泥浆流量达到说明书推荐最小流量以前的某个流量时该流量经阀芯内孔，在孔两端产生压力差，上端压力大于下端压力，此压力差克服弹簧力把阀芯压下，旁通孔被关闭。此时泥浆流经马达，把压力能转换为机械能。地面停泵或流值过小，压力差不足以按住阀芯，弹簧把阀芯顶起，旁通孔导通（参

7、考图1）。总之，正常情况下旁通阀的启闭完全由流量大小决定的。 3.2.马达总成： 它由转子和定子两部分组成（参考图2）。转子是一根经过加工并有耐磨抗腐蚀镀层的左旋螺杆。定子是在经过机械加工的钢管上有用特制的压胶芯轴压铸并粘牢的丁晴橡胶，它耐磨并抗碳氢化合物。定子的头数比转子多一个，在转子装入定子后，任意截取一个垂直于轴线的截面，两者均是共轭啮合的。因此，绕轴线的左旋螺杆上有一系列啮合点，这些啮合点封闭起来的容腔组成一个密封腔，而且此容腔体积是一定的。随着螺杆在定子中的运动，密封腔逐步沿轴线移动，把完成能量转换的泥浆由低压腔排出马达。这就是螺杆马达的基本工作原理。根据设计，不同马达的头数有不同的

8、配合。总的来说，马达的头数越少，转速越高，扭矩越小；马达的头数越多，转速越低，扭矩越高。各种螺杆马达头数配合的截面轮廓如图3。 图2 图3螺杆钻具以马达中一个定子导程组成密封腔为一级，也就是说，马达如果是三级的，在轴向上存在三个连续而互不相通的密封腔，在工作中，如欲使马达正常有效地工作，马达每级所能承受的压降以不超过0.8Mpa(8bar)为宜，如以三级马达为例，则其马达压降不超过2.4Mpa最好。否则，马达就要漏损，转数降低。严重时则完全停止转动，致使马达损坏。这一点现场操作时用户应非常注意。 为了保证马达密封腔的密封，以确保能承受的压降，所以定转子间的配合尺寸都需经过选配测试，使其不宜过紧

9、或过松，让马达发挥最大的效率。另外，定子的容腔是由橡胶形成的，因此定子内腔的尺寸是受到井底温度影响的，用户可根据实际的井温情况要求厂家选配适合的马达配合，如地层井温较高，可选配较松的马达；如地层较浅或使用的环境温度较低，可选配较紧的马达等。 现场使用的泥浆流量希望在推荐的范围内，否则将影响马达效率，甚至使磨损加大。 螺杆马达的性能参数是螺杆钻具的主要性能参数，螺杆输出扭矩与马达压降成正比；输出转数与输入泥浆流量成正比，随着负荷的增加，螺杆输出转数降低很少，地面控制容易。所以，通过控制地面上的压力表的读数及泵的流量就控制住了井下螺杆的扭矩及转速。 为了增加钻头的水马力和泥浆的上返速度，将转子加工

10、成带喷嘴的中空转子。此时马达的总流量应等于流经马达密封容腔的流量和流经转子喷嘴流量的总和。每种规格的马达都有其推荐的最大和最小流量值。如果超过最大流量值，转子可能超速旋转，定子和转子会出现提前损坏。如果输入流量小于最小流量值，马达的输出转速和扭矩就会降低，从而影响其使用效果。因此，在选择转子喷嘴尺寸时，应确保马达密封容腔的流量始终保持或高于最小推荐流量值，这样，才能使马达正常运转。在泥浆密度、喷嘴尺寸和马达总流量给定时，流经转子喷嘴的流量和流经马达密封腔的流量总是在变化中的。当钻头离开井底，螺杆马达无负荷，此时流经转子喷嘴流量最小，而此时的流经马达密封腔的流量最大。钻头开始进尺工作，螺杆马达部

11、分的压差不断增加，使流经转子喷嘴流量增加，而此时流经马达密封容腔流量减少。流经转子喷嘴水眼所产生压力差P的计算公式：PP1P2 其中 P：马达两端压力差（PSI） P1：转子喷嘴所消耗的压力降（PSI） P2：转子长孔所消耗的压力降（PSI） ：泥浆密度（lb/gal） Q。：流经转子水眼的流量（gal/min） D：转子长孔直径（in） d：喷嘴直径（in） P：泥浆粘度（cp） L：转子长孔长度（ft）在上述计算公式中，P、P1、P2、D、P、L在给定井况和螺杆钻具规格后都是定值，因此，只要改变d,就可以得到一个相应的Q。值。再根据相应井况的总流量和螺杆钻具马达推荐的最大流量和最小流量值，

12、最终确定Q。值和d 值。表1喷嘴直径(in)泥浆密度(ppg)马达两端压降(PSI)100200300400流经转子水眼流量(GPM)12/328.344056698010.003651637312.003347586614.003143536218/328.349012715517910.008211614216412.007510612915014.006998120138表2 中空转子所配的喷嘴尺寸喷嘴号喷嘴直径喷嘴号喷嘴直经InMmInMm077/325.561515/3211.91088/326.351616/3212.70099/327.141818/3214.271010/327

13、.942020/3215.881111/328.742222/3217.481212/329.532424/3219.051313/3210.312828/3222.231414/3211.113030/3223.83232/3225.4 3.3.万向轴总成 它位于转子下端，其作用是把马达产生的扭矩和转速传递到传动轴上。它所起到的作用要求它具有较好的挠性功能，才能实现把转子的偏心运动转换成传动轴的定轴转动。因此，一般万向轴采用万向瓣形和柔性轴形式，如图4。 从整个螺杆钻具寿命的角度上来看，万向轴总成部分寿命相对是最短的，在螺杆使用后，应及时拆卸修理和检查。 图4 运动原理3.4.传动轴总成它的

14、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。3.4.1按润滑方式分类，分为泥浆润滑传动轴总成和油密封传动轴总成两种：a、泥浆润滑传动轴总成：该总成采用钻井泥浆作为润滑液，对传动轴总成中的串轴承和径向轴承进行润滑和冷却。由于结构比较简单，其具有最短的弯点到钻头的距离。同时，该结构中的上径向轴承又称限流器，对流经轴承组件的泥浆流量进行限制。b、油密封传动轴总成：该总成采用密封组件将串轴承和部分径向轴承进行密封并注入高温润滑油进行润滑。由于降低了轴承的磨损，大大延长了轴承的寿命。3.4.2按钻头承受水眼压降分类，分为3.5C、7Y、14J三种：a、水眼压降为3.5Mpa，该

15、结构上、下轴承是推力球轴承，径向轴承有两组硬质合金轴承或两组橡胶轴承两种。b、水眼压降为7Mpa，该结构上、下轴承有多组向心推力球轴承或多列推力球轴承两种，径向轴承是上、下各多组硬质合金轴承。c、水眼压降为14Mpa，该结构上、下轴承有多组镶嵌PDC复合片的平面推力摩擦轴承，径向轴承是上、下各一组CC合金轴承。3.4.3传动轴总成中的轴承按所承受的负载形式分类，分为串轴承和径向轴承两种： 图9a、串轴承串轴承为多列向心推力球轴承，在钻头悬离井底空转时，该轴承主要承受整个液柱的向下推力和转子、万向轴、传动轴及钻头的重量；钻头座井底时承受工作状态为所施加的钻压。b、径向轴承径向轴承为滑动轴承，上、

16、下各有一组。主要用来承受转子作行星运动引起的弯曲载荷和钻头的侧向力。对于泥浆润滑的传动轴总成来说，上径向轴承又称限流器，它允许马达流出的部分泥浆（在最大水眼压降作用下，约510%）通过轴承组件，起着冷却和润滑轴承的作用。 此外，螺杆钻具传动轴总成还包括各种常规扶正器和可换扶正器。扶正器的扶正条形式多种多样，可以起到较好的稳定效果。3.5.导向螺杆钻具的主要结构3.5.1组合类型螺杆钻具是一种发展较快的井下动力钻具，随着钻井和定向井市场的需要，我公司由原只生产直型钻具和带弯接头的导向螺杆，发展到今天可生产各种组合的导向螺杆。不仅满足了钻井打普通定向井的需要，而且，适合打各类中、长、短水平井的需要

17、，并伴随开发了DTU、DKO、FAB三种类型的螺杆组合，这些螺杆组合的特点：a、DTU组合是在螺杆钻具的万向轴部分装有反向双弯的外壳。由于是反向双弯，故钻头的偏移距较小，这种组合可以开动转盘（低速）实现稳斜及水平段钻进。这种组合既可用来打长曲率半径的造斜段，也可用来打610/30m造斜率的中曲率半径的造斜段，还可用来打稳斜段及水平段。它由MWD、DTU马达及高效钻头组成导向钻井系统的硬件部分，可以实现井眼轨迹的连续控制。如图5。图5 DTU组合b、DKO组合是在螺杆钻具的万向轴部分装有同向双弯外壳，这种组合的功能基本与DTU相同，但由于双弯同向钻头偏移距稍大，可以有较大的造斜能力。如图6。图6

18、 DKO组合c、FAB组合是在螺杆钻具马达的上部及下部（万向轴部分）各装有一单弯外壳，由于这种组合的钻头偏移距很大，故有很强的造斜能力，是一种强造斜组合，正因为钻头偏移距很大，不能开动转盘钻井，故不能用FAB马达组成导向钻井系统。如图7。图7 FAB组合3.5.2可调角度螺杆钻具（AKO）我厂部分型号导向螺杆钻具可以选配地面可调角度弯壳体（单弯壳体），方便顾客根据钻井需要在现场改变弯壳体角度，具有较大的灵活性。可调弯壳体的角度调整范围为03。（详见附录5）。图8 可调角度螺杆钻具3.5.3扶正器结构导向螺杆钻具与常规螺杆钻具的另一个不同之处在于导向螺杆钻具的传动轴壳体上带有不同形式的扶正器。常

19、用的扶正器形式包括：a、螺旋型扶正器（三翼筋、四翼筋、五翼筋）；b、对称直筋型扶正器（五翼筋、六翼筋、七翼筋均布）；c、非对称直筋型扶正器（三筋巴掌式）d、单翼型扶正器图9 传动轴壳体上的扶正器形式扶正器的形式和外径尺寸对造斜或稳斜的效果影响较大，用户在选用导向螺杆钻具时应对此予以重视。3.5.4可换扶正器为了满足钻井使用要求，有些规格的产品可以配备可换扶正器，顾客可以在井场根据情况随时更换适宜的扶正器。a、 护套b、螺旋型c、对称直筋型d、非对称直筋图10 可换扶正器的形式四、螺杆钻具的工作条件和参数螺杆钻具的使用效果和使用时间，与螺杆钻具的选型、现场工况以及操作人员的使用密切相关。因此在螺

20、杆钻具使用前，井场技术人员和司钻应该首先了解螺杆钻具的结构原理和使用参数，并按使用手册的要求合理使用螺杆钻具。4.1.钻井作业计划根据整个井眼的钻井作业计划，制定一个符合螺杆钻具使用要求的详细具体的钻井作业计划，即由钻井工程师根据任务结合地层结构、井眼孔径、深度、机械钻速确定所用钻头和螺杆型号，并设计一个适合的钻具组合。4.2.钻井液螺杆钻具是正容积式马达，决定钻具性能的因素是马达的输入流量和作用于两端的压力降，而不是钻井液的类型，因而，使用各种类型的泥浆一般均能有效的工作。泥浆比重和粘度对钻具性能的影响甚微，但对整个压力有直接影响，推荐泥浆最大塑性粘度不应超过0.05Pas（50厘泊）。泥浆

21、中所含的各种硬颗粒必须予以限制，推荐钻井液中的含砂量应低于1%，若含砂量高于5%，钻具的寿命将大大缩短。使用油基泥浆或柴油基泥浆时，考虑到油基泥浆中芳香烃对定子橡胶的溶胀和气蚀，应该控制芳香烃的含量，同时提高油基泥浆的苯胺点。苯胺点指的是油基泥浆中均匀混合的油和苯胺在冷却时分离成两相的温度。普通情况油基泥浆的苯胺点应高于70，井底温度较高时苯胺点应高于93或更高。泥浆中氯化物高时会因为腐蚀缩短马达的寿命，这一点在井底温度高时显得更突出。如果螺杆已在高氯化物含量泥浆中使用，在起出后应尽可能在井口冲洗，防止螺杆的腐蚀。4.3.钻头及其水眼 钻头的选择，尤其是与螺杆钻具一起使用的钻头的选择是个十分重

22、要的问题。这本是钻井工程师工作内容的一部分，这里所以强调一下是因为螺杆钻具是否能成功的发挥作用的几个因素中，钻头与钻具的匹配是最重要的了。希望能引起现场使用人员的重视。选择钻头与螺杆钻具配套使用的因素应是： a钻井作业方案及计划。 b针对地层需用什么样的刃部构造。 c. 钻井液流通通道的结构。 d预先计划的机械钻速。 e使用该钻头，钻井运转时间的估计。 f钻头水眼压降的设计。什么地层结构、地层软硬使用哪类钻头，用什么样的刃部设计，请参考有关钻头的专业书籍。这里仅就使用螺杆钻具完成各种钻井作业，对钻头的选择作些说明。除钻头水眼造成的压降外，希望泥浆流经钻头底部时别再形成其他较大的压力损失，因为这

23、对传动轴组件中的限流器十分不利。尤其当钻头水眼压降已达钻具型号规定的压降值，更应注意。这对牙轮钻头一般不必担心，但金钢石钻头端部液体通道的设计，就必须考虑通道过流面积是否可能造成额外过多的压力损失问题。同时并能保证岩屑及时排出及钻头冷却问题。 牙轮钻头一般适用于钻井周期不长的作业，如定向造斜、侧钻等。注意使用螺杆钻具作业时，一般钻头转数提高23倍，因此钻头轴承寿命要因之而缩短。这也提醒我们用牙轮钻头时，钻压不宜用很大，以维持牙轮钻头的寿命。根据经验，由于转数提高23倍，牙轮钻头齿部可比用一般传统转盘钻选硬一个等级。例如转盘钻时用“中硬”级钻头，而用螺杆钻具时，就选“硬”级钻头。用螺杆钻具为防止

24、钻头侧面的过速磨损，可在牙轮钻头侧面外径堆焊硬质合金予以保护。 金刚石钻头不仅适用于定向造斜等，更适用于钻井周期较长的作业，如打直井等。在较长周期钻井作业中，最重要的因素就是钻头与钻具作为一个整体，不要由于其中哪一部分出了问题，而造成不必要的起下钻。大家已熟知：金刚石钻头较牙轮钻头寿命长，而且结构是整体的，具有很多优点。金刚石钻头与7Y型钻具匹配是完全合适的。 进一步就是针对各种作业要求，合理选用什么样的钻头冠部形状、冠部表面的设计和布置、金刚石的尺寸大小和质量以及金刚石钻头端部泥浆通道系统的设计。当然孤立地只着眼于钻头与螺杆是有些局限性，它终归不是决定寿命和钻井进尺的唯一因素。其他如改善传动

25、轴的稳定性，例如加稳定器对提高钻具寿命发挥钻头性能都是很有帮助的。但无论如何应该了解：合理的金刚石尺寸、金刚石布置的方位、每块金钢石的钻压负荷这三者与井下钻具转数高和所要求的钻压小两者是应该考虑合理匹配的。总之，使用螺杆钻具不对所匹配的钻头进行认真选择，要想取得满意的结果是困难的，更有甚者，可能使螺杆钻具过早地损坏。钻头水眼的大小将会影响到螺杆钻具传动轴总成的使用寿命。选择钻头水眼大小要适宜，不能过大或过小。如果水眼太小，泵压达到额定值时，排量可能相对过小，此时马达不易发挥出最大效能。对于泥浆润滑的传动轴总成，水眼过小，而排量达到额定值时，系统压力增高，即造成轴承上、下液流压力过高，这将影响串

26、轴承和径向轴承寿命，外观反映为钻具悬空时，钻具壳体下端与驱动接头间隙增大（也就是驱动接头向外窜出）；水眼过大，钻具承受钻压能力降低，轴承得不到良好的润滑。对于油密封传动轴总成，水眼过小，会使密封轴承的内外压差过大，从而损坏密封。4.4.井底温度温度过高对螺杆马达性能十分不利，会使所有不利影响因素加剧作用。使用油基泥浆，井底温度低于95，马达可进行正常工作。若温度达到95150时，苯胺点及其它不利因素均逐渐达到临界危害点，而当温度超过150时，即使使用最佳的油基泥浆，甚至使用水基泥浆，马达定子寿命都会大幅度的缩短。为使螺杆在较高温度的油基泥浆下正常工作，可以采用分段下钻，间歇循环，使用带分流孔的

27、空心转子，以加速泥浆循环或改善泥浆散热性及其它性能的方法，保证实际定子工作温度低于极限值。我公司生产两种类型的定子。一种是耐温120的常规定子，其额定工作温度95，最高工作温度120。另一种是耐温150的耐高温定子，其额定工作温度135，最高工作温度150。4.5.泥浆流量螺杆钻具特性之一，输出转速与输入泥浆流量成正比。每一种钻具都有一定的有效工作流量范围。当输入泥浆流量超过最大流量值，转子就会超速旋转，定子的疲劳负载就会大大增加，导致定子提前损坏。如果输入泥浆流量小于最小流量值，马达的输出转速和扭矩就会降低，从而影响其使用效果。因此建议按推荐参数进行操作，当实际使用的泥浆排量超过推荐的最大流

28、量时，可使用中空转子以延长马达的使用寿命。4.6.泥浆压力与钻压螺杆钻具进行空运转时，若保持泥浆流量不变，螺杆钻具与钻头产生的压降为一常数值，该值随螺杆形式和规格的不同而有所不同。马达工作时，随着钻压逐渐增加，泥浆的循环压力逐渐上升，该压力的增量与钻压或钻进所需的扭矩的增量成正比。当达到最大推荐工作压力降时，产生最佳扭矩。继续增加钻压，当循环泥浆在马达两端产生的压降超过最大设计值时，螺杆将发生制动。正常工作时，表压随钻压的增减而升降。如果泵压表突然增加了几兆帕，继续增加钻压，泵压不再增加这说明螺杆发生了制动。此时马达定子与转子间密封被冲开，泥浆通过不转的马达从钻头水眼流出。这是螺杆的紧急过载保

29、护功能。当钻头因故障遇卡时，钻井液在螺杆制动情况下仍可以继续循环流过螺杆。但一旦螺杆发生制动，应迅速将其提离井底降低钻压，因为泥浆长时间流过不转的马达会使螺杆严重损坏。另外，要使钻具获得最佳工作效率和工作寿命，应将螺杆两端压差控制在推荐参数范围内。4.7.扭矩螺杆的输出扭矩与泥浆流过马达产生的压力降成正比，但对螺杆输出转速的变化几乎不产生影响。实验表明，螺杆从空载状态到最大有效工作载荷区，速度降低一般不超过10%。螺杆进入工作状态，转子驱动钻头作顺时针转动，同时在钻具壳体上产生一反作用扭矩，该扭矩向上传递到整个钻柱上，会引起螺杆以上各联接丝扣紧扣或引起螺杆定子壳体以下联接丝扣松扣。反扭矩随钻压增加而增