螺杆钻具失效分析

1、西安石油大学硕士学位论文螺杆钻具失效分析姓名：何文涛申请学位级别：硕士专业：机械工程指导教师：屈文涛;王潜龙20081008中文摘要论文题目：螺杆钻具失效分析专业：机械工程硕士生：何文涛（签名）指导教师：屈文涛（签名）壬潜龙（签名）摘要随着我国油田开发的不断深入，各种定向井、水平井及特殊工艺井数量日益增多，施工难度不断增大，因此对螺杆钻具的使用寿命及适用工况提出了更高要求。由于目前国内螺杆钻具制造技术水平及大量使用修复钻具等因素的影响，螺杆钻具井下事故时有发生，从而造成不同程度的经济损失。本文的主要目的就是对螺杆钻具的失效进行研究与分析。本文的主要研究内容：（）通过对公开发表资料的搜集和用户、

2、生产厂家等现场调研，完成国内外螺杆钻具类型、组成地域适用性评价；（）建立螺杆钻具力学分析模型，结合钻进过程实际工况，完成系统力学分析和计算；（）螺杆钻具失效树模型的建立，结合长庆油田螺杆钻具的实际使用情况及失效样本数据统计，分析出主要的失效特征。从而建立螺杆钻具失效树的模型框图。（）基于的螺杆钻具的失效数据的统计与处理。本文的主要创新点：（）失效树的建立，对来自长庆油田五个项目部的失效样本数据从井深、失效类型和失效部件进行分析，从而明确油田钻井中螺杆钻具的主要失效情况。（）基于的螺杆钻具的失效数据库软件的建立，以此来记录和存储分析过程中的大量数据，为研究失效分析提供了便利。关键词：螺杆钻具；样

3、本数据；失效树；数据库论文类型：应用基础英文摘要：（，。，：（）（），（），（）：（），（）：；：学位论文创新性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。论文作者签名：学位论文使用授权的说明本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校

4、攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。论文作者签名：导师签名：日期：毫，口注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出（含解密年限等）。第一章绪论第一章绪论研究意义螺杆钻具又称定排量马达（简写为），它由四大部分组成，即旁通阀、马达总成（转子与定子）、万向轴总成、传动轴总成，它是以泥浆为动力的一种井下动力钻具，其工作原理是：泥浆泵出

5、的泥浆液流经旁通阀进入马达，在马达进出口处形成一定压差推动马达的转子旋转，并将扭矩和转速通过万向轴和传动轴传递给钻头，它是将流体能（，）转变成机械能蛆，），其本质是单螺杆泵的逆用，在性能上具有低速、大扭矩的特征，压降在以下，单头螺杆钻具的输出转速低于，多头螺杆钻具的输出转速为，适合与牙轮钻头配套钻井，在结构上，具有零件少、装配简单、维修工作量小的特点，整机长度一，比较适合钻定向井和丛式井的工艺要求。能大大提高钻井的速度和经济效益。然而螺杆钻具在油田钻井的过程中不断地发生失效事故，因螺杆钻具失效而导致的钻井事故在国内外都非常普遍。国内各油气田每年至少发生螺杆钻具失效事故起年四川川东地区就发生了起

6、螺杆钻具断裂事故；年中原油田在陕北富县探区钻井发生螺杆钻具失效起；大庆油田某区块在年间钻井发生螺杆钻具失效事故起。所有这些螺杆钻具失效事故的发生，降低了钻井速度，延长了钻井周期，增加了钻井成本，极大地阻碍了钻井技术的发展，需要找出一整套方案来解决螺杆钻具的失效问题。目前，就螺杆钻具的失效问题，好多专家都从不同的角度进行了分析。例如章发明通过统计长庆石油勘探局钻井二处所属油田硬地层螺杆钻具使用的失效情况：推力轴承损坏占，钻具转动部分损坏占（其中万向轴断裂和挠轴断裂占转动部分断裂钻具的），定子脱胶占，传动轴壳体裂纹占，其它原因失效占。张东海对目前国内外螺杆钻具的发展现状进行了系统调研，并对现场使用

7、中的几个实际问题，例如正确掌握钻具的制动扭矩、钻头水眼压降与钻压的合理匹配以及旁通阀在运转中容易出现的几个问题等都进行了较深入的表述和分析。姜维寨在分析复合钻井工艺钻进特点的基础上，提出如何结合地质资料及时发现复合钻井过程中的参数异常，介绍了判断钻头和螺杆故障的方法，从而提高在复合钻井中事故预报准确率。除此之外，还有好多种不同种类的失效分析。而本文的研究目的在于通过建立失效树的方法，然后找到其具体的失效特征，使其提高钻井现场查找失效特征的效率，从而及时预防避免失效事故的发生。因为螺杆钻具失效而导致的钻井事故频繁发生，严重影响了钻井速度的提高，而处西安石油大学硕士学位论文理这些事故耗费了大量的人

8、力、物力和财力，造成了巨大的经济损失。所以进行大量的螺杆钻具失效调研和进行相关的分析研究，弄清楚螺杆钻具失效的主要原因和机理，从而采取相应的措施，提高螺杆钻具使用寿命，解决和预防井下钻具失效，提高钻井速度，进而提高整体钻进效率和技术水平，最大限度地减少钻井成本，对提高钻探效益，进一步扩大勘探开发规模，增强钻井国际竞争力，开拓国际市场也具有十分重要的意义。螺杆钻具失效国内外发展现状年，法国工程师根据对阿基米德螺旋泵的研究成果设计了单螺杆泵。年，美国生产迪纳钻具（公司）、纳维钻具（公司）和波斯钻具公司在单螺杆泵的基础上研制开发了单螺杆钻具，其基本原理都是基于容积式马达，只是内部结构和技术参数略有不

9、同。至世纪年代中期，美国的迪纳钻具已发展成两个系列种规格，纳维钻具有两个系列种规格。随着配套部件质量的提高，螺杆钻具工作寿命从原来的，提高到以上，年在美国俄克拉荷马州创造了连续运转的新记录嘲。年，前苏联的全苏钻井科学技术研究院及其比尔姆分院开始研制“且”型多头螺杆钻具。这种钻具的低转速大扭矩特性进一步改善了单头转速偏高、扭矩偏小、仍不太适合牙轮钻头的不足，己扩大了螺杆钻具在定向井中的推广应用。到年螺杆钻具累计进尺达×，年螺杆钻具钻进量占全苏工作量的。而有关螺杆钻具失效方面的研究，早在世纪年代就已开始，但兴盛时期却开始于世纪年代。在这个时期无论是外部条件（如相关学科的发展、测量手段的完

10、善等）还是内部条件（如钻井界本身的需要）都已基本成熟，都为螺杆钻具失效的研究提供了一个很好的环境。同时，因为螺杆钻具在实际工况中经常发生失效，所以国外油田对下井工具的检验非常重视，并且有许多专业的检测服务公司从事此项工作。在现场对正在使用的钻具定期检验已是世界各国钻井作业中的一项重要的安全措施，因为在基地检验合格的钻具在井下工作一段时间后可能由于一些原因导致降级或有损伤，若没有及时发现并更换，有可能导致钻具失效造成井下事故。相比之下，国内在这方面存在不小的差距，基本上都是在钻具回收后自行检测，有能力做钻具全程检测的油田也不多，还没有树立第三方检测的意识。钻具失效的类型多种多样，其失效原因各不相

11、同，为了提高钻具的使用寿命，须从钻具的检验、合理使用、管理等全过程的每一个环节抓起，采取多种手段，推广提高钻具使用寿命的新工艺、新技术，进行综合治理。我国油田钻井在经历这么多年螺杆钻具的使用以后，不但找到了造成其失效的部分原因，也找到了些属于自己的解决办法以及预防措施，例如在分析复合钻井工艺钻进第一章绪论特点的基础上，提出如何结合地质资料及时发现复合钻井过程中的参数异常和判断钻头和螺杆故障的方法，从而提高在复合钻井中事故预报准确率。指出螺杆马达失速会导致螺杆钻具异常，此外由于螺杆钻具马达的定子是在钢壁内壁上压注并粘结橡胶，混有气体的钻井液在钻具中压力变化造成的气蚀、钻井液中所含的各种硬颗粒（如

12、塑料小球）超过限定量（一般为）和异常高地温度易损坏橡胶。在国内，许多的专家和学者都从螺杆钻具失效方面进行了分析和研究，例如对长庆油田的现场失效统计数据进行的分析：旁通阀总成失效特征主要体现在阀芯、阀套、阀体相关表面的严重腐蚀，导致阀芯运动受阻或卡死，无法复位；马达总成失效特征为马达转子表面严重腐蚀或转子轴向弯曲变形，定子内表面脱胶或掉块；万向轴总成失效特征主要体现在万向轴断裂（都是花瓣根部）和万向轴严重磨损：传动轴总成失效特征为传动轴断裂、轴承部件损坏和小短节松扣。现场调查表明，马达砂卡事故的螺杆钻具数量约占总修理量的，其主要原因是钻具下放速度过快，井眼环空中的流体迫使螺杆钻具马达反转，尤其当

13、螺杆钻具通过复杂地层、过砂桥等井段时，井眼中的沉砂随流体“倒灌”进螺杆钻具内各容腔。而且国内外的学者都对定子的橡胶工艺进行了分析，希望在对定子的材料进行改进之后，能够减小定子的失效几率。在这一点上，国外比国内做的好，国外主要从主要配料丁腈橡胶槲，上进行改进从而大大提高定子的质量。而国内因为水平有限，仅仅对其辅助的材料进行了改进，所以不能从根本上提高定子的质量。除此之外，国内的专家们还分析了影响螺杆钻具工作寿命的现场使用因素¨：使用方式、钻井液性能、井身轨迹、地层因素、钻进参数和操作因素。影响螺杆钻具工作寿命的现场使用因素错综复杂，目前有些因素还不能完全控制，但通过采取合理的针对性技术

14、措施，可有效延长其使用寿命，进一步提高钻井生产效率。总体来说，螺杆钻具已经发展成为国内外最重要的一种井下动力钻具，特别是在国内，人们对它的认识已经非常熟悉，并且掌握了一定的技术，而且随着油气勘探开发形势的发展，钻井技术在不断发展，推动着螺杆钻具技术水平也在不断地进步和提高。由普通直螺杆发展起来的新型螺杆有：弯外壳螺杆，如固定式单弯壳体、同向双弯壳体、反向双弯壳体、同体双弯壳体螺杆钻具；可调弯螺杆：铰接式螺杆钻具；导向钻井系统用螺杆钻具；特殊用螺杆钻具，如煤层气井抗腐蚀螺杆、地热井抗高温螺杆：小井眼水平并中的小尺寸螺杆；满足高地温剃度地区以及深井、超深井井下高温条件下钻井需要的高温马达；发展取心

15、用井下动力钻具等。综观其发展过程和发展趋势，其方向可基本概括为：长寿命，大扭矩，高转速，多功能。西安石油大学硕士学位论文本文的研究内容与创新考虑到螺杆钻具的钻井事故，主要归咎其钻具的失效，虽然已经有了对失效原因的研究，但是往往实际工况中的失效类型不能被人们所预期，所以通过实际的失效统计对其进行失效分析是很有必要的。而且在上述的国内外发展现状里面已经给出了经常发生钻具失效的原因，基于上述的研究现状，我们现在主要从实际提供的数据直接入手进行分析。本文的主要研究内容：（）通过对公开发表资料的搜集和用户、生产厂家等现场调研，完成国内外螺杆钻具类型、组成地域适用性评价：（）建立螺杆钻具力学分析模型，结合

16、钻进过程实际工况，完成系统力学分析和计算；（）螺杆钻具失效树模型的建立，首先通过螺杆钻具的主要组成部分：旁通阀、马达、万向轴和传动轴的主要工作特点，然后结合长庆油田螺杆钻具的实际使用情况及失效情况统计，分析出主要的失效特征。从而建立螺杆钻具失效树的模型框图。（）基于的螺杆钻具的失效数据的统计与处理，利用的界面设计以及相应的功能完成对螺杆钻具失效数据的掌握，为以后进一步更快捷、方便的统计分析提供依据。本文的主要创新点：（）失效树的建立，对来自长庆油田五个项目部的失效样本数据从井深、失效类型和失效部件进行分析，从而明确油田钻井中螺杆钻具的主要失效情况。（）基于的螺杆钻具的失效数据库软件的建立，按照

17、井号、年份、区块和失效类型进行任意的录入、修改、查询和输出，来记录和存储分析过程中的大量数据，为研究失效分析提供了便利。第二章螺杆钻具力学分析模型第二章螺杆钻具力学分析模型螺杆钻具整体扭矩分析由于螺杆马达转子和定子间存在着偏心距，转子和定子曲面是头数之比为（）、螺距相同、旋向相同的共轭曲面，从而形成一系列相互隔离的密封腔。当高压钻井液从上端入口流入马达时，不平衡的水压力产生驱使转子相对于定子转动的力矩，即驱动转矩。转子扭矩分布为了保证螺杆马达的连续工作，现用的马达级数都是大于。为简化分析，假设每级间的钻井液压相等，一般可认为沿转子和定子的配合工作长度上每单位的转矩值相等（即转矩分布集度为定值）

18、，因此扭矩沿转子长度从上至下均匀增加，即呈三角载荷形式线性增加。在转子下端，其转矩极值为马达动力矩值，如图（）、（）所示。转动部件扭矩分析内部自上而下是：转子（卜万向轴（卜础动轴（卜钻头（），内部转矩传递给传动轴和钻头。力矩方向从上往下看顺时针为正，反之为负。分析螺杆钻具各部分的扭矩分布，可把组合简化为如图）所示的模型。该模型动件在钻井液压力驱动下发生转动，输出转子的自转运动转速以，同时万向轴把马达转（）（）（）图螺杆钻具转动部件扭矩分析图应该注意，螺杆马达产生有效转矩的前提条件应是钻头上作用有阻力距，这是容积式机械“负载决定压力一的体现，否则转子上即无有效转矩。在做简化分析时，可不计传动轴轴

19、承的效率和阻力距，此时马达转矩与钻头切削阻力距。相等（反向），其扭矩示意图如图（）（）所示。若作详细分析而计轴承组的阻力距，则驱动扭矩应略大子钻头阻力距。，在传动轴段扭矩值自上而下略有降低。同时上述内部转动部分各连西安石油大学硕士学位论文接螺纹、均为正螺纹（右旋螺纹），转子的自转运动是正转（即从上向下看作顺时针转动），在工作过程中转矩起上扣的作用。从以上扭矩分析来看，考虑到螺杆钻具的具体结构，驱动扭矩对转子和传动轴均无问题，而万向轴则是薄弱环节，尤其是小尺寸螺杆钻具瓣型万向轴的瓣齿。壳体部分扭矩分析根据作用与反作用原理，视为固定的马达定子通过高压钻井液对转子施加正向转矩的同时，转子也对定子施加

20、一个等值反向的转矩，通常称为定子的“反转力矩”。反转力矩将引起钻柱串的反向扭转，是导致螺杆钻具定向时的“反扭角一的主要原因。反转力矩的分布与转子驱动力矩一样，沿定子长度均匀分布，其扭矩相反，由马达定子下端至上端线性增加。同时钻具组合与井壁接触部分作用有阻碍钻柱扭矩的阻力距，即钻柱在该处的井壁支反力产生的摩擦力矩。这些接触部分包括钻具传动轴上的下稳定器，旁通阀上方的上稳定，上切点以上躺在井壁上的钻铤等。对壳体和钻柱串而言，马达定子的反转力矩即为主动力矩，其余各处阻力距的绝对值均不会大于反转力矩值。在上切点以上部分，摩擦力矩自下而上逐步增大，相应截面的扭矩值逐渐减小；在某一位置其扭矩值为零，即该截

21、面以下摩擦力矩与定子反转力矩平衡，该位置以上的钻柱将不受扭矩和扭转。上述理论分析为壳体扭转计算、强度分析、反扭角确定提供了依据。根据摩擦阻力矩值小于马达定子反转力矩这一理论，壳体设计一般不存在强度不足问题，可不必考虑。口睢嘞（蓟图螺杆钻具壳体部分扭矩分析图）图（、（）、（）给出了壳体及钻柱各部分沿轴向的力矩、扭矩分布图，分为两种情况，钻具组合带有上、下稳定器【见图（、心）】和不带稳定器【见图（”】，由于壳体和钻柱串上各连接螺纹均为正螺纹，凡扭矩图上为正扭矩处的螺纹均有松扣趋向。马达的理论扭矩计算在井下动力钻具中，钻井液总是自上而下流经马达的，而转头的工作旋向又总是顺第二章螺杆钻具力学分析模型时

22、针旋转，因此，单螺杆马达的转子与定子的旋向应是左旋的。钻头的转动来自的自转，转子自转丙南万，密封线下移“由此可求出转子自转一周密封线的下移距离：考鲁（）。可求得：（）或（）以（）若以表示定子线型所包容的面积，表示转子线型所包容的面积，则过流面（）积如为：如，一彳，（）螺杆马达的每转排量（当钻头旋转一周，流过马达的液体量）为：如将式（）、（）代入上式，得也，似，）帜可见每转排量纯粹是个几何量，它与马达线型、头数和定子导程（或螺距）有关。上式是一个通式，其中：（），积（）（）积积如积（）可得出：（）（）砌，传动轴等部件的摩擦，那么，由马达吸收的水马力与其输出功率相等，即：则或若设钻头的输出转矩为，

23、马达入口与出口的钻井液压力差为，忽略马达及钻具卸万（）（）：笔（一彳，）心万玄铆（）西安石油大学硕士学位论文螺杆钻具的转子轴向力当马达的转子在定子中工作时，受到高压钻井液和定子橡胶衬套施加的作用力。这些作用力的轴向分量之和，就是转子所受的轴向力：一斗其中。是单螺距马达高压腔液体向低压腔内漏失时作用于转子轴向的力；（）是转子和衬套间摩擦接触（局部为半干或摩擦）时有按其螺旋面沿轴向运动趋势而产生的部分轴向力；是高压口和低压口间因液体压力降卸所造成的那部分轴向力（包括定子反力的轴向分量在内）。现利用虚位移原理求的值。假设液体与螺杆、衬套与螺杆之间是绝对光滑的，并且不存在内漏失，这样、均为，忽略转子质

24、量。如图所示，是所求的轴向力，是万向轴施予转子的反力的轴向分量。如不考虑转子可能发生的轴向窜动，则由轴向平衡条件可得图螺杆马达转子轴向力分析示意图上图中为万向轴施予转子的阻力矩。（）第一步，把液体视为刚化的固体，它和定子衬套一起对转子构成理想约束的螺母配合。由向看去，使螺杆按逆时针方向转动硼角。因系左旋副，螺杆向下移动段距第二章螺杆钻具力学分析模型离昆，则彪罢（）螺杆的下移使液体由低压端排出，高压端有液体进入补充，作正功川，则媚（么，）此时作负功哦：一（）（）力矩作为正功矾，其值为：鹏（）第二步，使马达在钻具工作状态（即按转子一定子副考虑）在液压卸作用下发生一个一阳转角，即由向看去的顺时针转动

25、。设每转理论排量为，则高压液体所作的正功为矾，阻力矩作负功：矾卸（蚤姒嘻）矾捌诸力和力矩的虚功之和为，即（。）（）经以上两步运动复合后转子转回原来的角度，仅有轴向转动。依虚位移原理，以上（卸）昆一卸（雾）一肘韶。（）解得（，争（）将及式（）、（），式（）代入上式，得卸（号）（）或卸【彳，（）如】及（）西安石油大学硕士学位论文，批】（爿，、如）有关。在钻井过程中，钻头阻力矩及对于（）的单螺杆马达均成立。（）由上式可见，由液压压降所产生的转子轴向力与成正比，同时与结构参数增压，导致轴向力上升，上式由内漏失引起的轴向力，其方向由高压端指向低压端，即与同向；其值取决于马达内部密封腔的密封质量，应由实验

26、确定。但一般。比，小。由内摩擦引起的轴向力，对扛（）的单螺杆马达，其方向与相反。其值，取决于马达螺杆副的润滑情况、配合盈隙状况，并与转速有关，仅作理论分析不易确定，但一般比，小的多。实际上，在钻具工作过程中，随着螺杆副的磨损，其配合盈隙、密封质量要发生变化，因此、。都是变量，确定它们的准确值是困难的，也无多大意义。根据上述分析，可把轴向力值表达为鹏轴和选用钻具轴承时，一般可取。（）其中称为轴向力系数，大小要由实验确定，一般接近于。在进行理论计、设计万向上述转子轴向力是针对多头马达求出的通式，只须令，代入相应的彳，、如的值，可得：却（积）（）第三章螺杆钻具失效树建立第三章螺杆钻具失效树建立螺杆钻

27、具的失效已经是实际工况中不可避免的问题，在其使用过程中也许是操作的问题或者是本身的质量问题，亦或者是环境的问题，都有可能是造成螺杆钻具失效的原因，而且其失效难以预料，所以现在我们就要对其主要的失效原因进行分析，从而提高螺杆钻具在使用过程中的寿命。下面主要以长庆油田为实例进行分析。基于的理论失效树分析法（：）是在系统设计过程中，通过对造成系统失效的各种可能因素（包括硬件、软件、环境、人为因素）进行分析，画出失效树逻辑框图，从而确定系统失效原因的各种可能组合方式及其发生的逻辑关系：根据失效树中系统失效原因的各种组合及其发生概率，可以计算出整个系统的失效概率。失效树建立的目标事件被称为顶事件：将引起

28、顶事件发生的最根本原因这些事件称为底事件：而位于顶事件与底事件之间的其它事件称为中间事件：建立失效树的过程即在顶事件、中间事件和底事件之间确定逻辑关系。而建立失效树的意义即在于沿着失效树图可以探索系统的内在联系，查明失效源，找出薄弱环节，提高系统设计和故障诊断效率。法的用途也相当广泛，它能被用于各种工程问题的失效分析，由于现实工作环境中各种失效因素并不是完全确定的，存在随机性和模糊性，很难掌握发生失效的概率，然而利用法逐级排查，就可以找到故障产生的原因，便于维修、管理和进一步改良设计。般来说，是以倒立树状图表示出来的分析方法，本文通过对来自长庆油田生产现场的调查和现场数据的统计分析，依次获得螺

29、杆钻具的失效规律，将这些失效规律作为失效事件建立失效树。最终，对于失效分析，法的作用是以下几点：（）采用法排查重要环节的故障和失效形式，为系统设计和故障诊断提供了一定的参考依据：（）根据法分析出的主要失效形式，对系统的设计可以进行改进，并且可以有效地减少故障发生频率，从而避免了失效后果的扩大（）法可以利用现场的因素，预测出可能发生的失效类型，从而针对其采取相应的措施。螺杆钻具失效特征的分析螺杆钻具是一种把液体的压力能转换为机械能的能量转换装置，它由旁通阀、马达、轴承、推力轴承、万向轴、传动轴和防掉装置等组成，如图。而它的失效与它的西安石油大学硕士学位论文组成部件息息相关国螺扦钻具结构示意图从来

30、自年长庆油田的部分失效统计，我们可毗看到螺杆钻县的一些失效原因，像马达、旁通阀、传动轴以及泵压的不稳给螺杆钻具造成的失效，其实这些失效的原因并没有在人们的意料之外，现在主要是对其失效的原因进行分析，从而得到解决的办洼和措施。通过分析，我们可以知道螺杆钻具的失效主要发生在旁通阀、马选、万向轴和传动轴四个部位，当然还有一些其它的部位，不过这四个部位是最常发生失效的部位，下面我们将介绍它们的失效特征，旁通阀总成失效特征旁通阀（又叫溢流阀、放空阀）的部件主要由阀体、阀芯、阀套、弹簧、弹簧挡圈、形密封圈、丝堵、筛扳等零件组成。它的作用是在起下钻时，使钻柱和环空联通，泥浆不污染井台。正常打钻时，又流体压差

31、所产生的推力克服阀芯、阀套间的弹簧力和静摩擦力，阀芯被压下，阀体的侧孔被关闭，此时泥浆流经马达，把压力能转换为机械能。停泵或流量较小时，弹簧将阀芯顶起，旁通阀处于开位。总之正常情况下，旁通阀的启闭完全由流量大小决定。旁通闽不是螺杆钻具工作时的必须部件，在水平钻井中，为了防止停泵时环空钻井液内的岩屑从旁通阀的筛板进入马达，往往不装旁通阁，或把旁通阎的弹簧取出来使其呈常闭状态；而在直井段的钻桂上安装个钻柱旁通阀，来代替钻具旁通阀的作用。旁通阀总成的作用是它的闭合与开启控制马达的启动与停止。图为旁通阀总成结构示意图。近年来旁通阀总成结构未有大的发展，基本上是维持了阀体、阀心、阀套、弹簧及密封圈的结构

32、。问题是：旁通阍总成本身经常开启，易造成阀心、阀套及阀体内侧过渡冲蚀，增加易损件更换颇次。主要体现在阀芯、阀体、阀套相关表面的严重腐蚀导致阀芯运动受阻或卡死，无法复位。失效原因是某些厂家表面工艺处理欠佳，直接影响了零件的防腐能力。图旁通阑总成结构示意囝第三章螺杆钻具失效树建立工马达总成失效特征螺杆马达总成是由定子和转子两部分组成定于是在钢管内壁上压注椒胶村套而成，转子是一根表面镀有硬铬层的左旋螺杆，定子头数比转子多。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眦。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，而且此窖腔体积是一定的。随着螺杆

33、在定于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。这就是螺扦马达的基本工作原理。马达总成的作用是转子在压力泥浆的驱动下，绕定子轴线旋转，完成液体压力能向机械能的转化，为钻头提供动力。因此，螺杆马达实际上是一种容积式液力马达。图、为马选总成结构示意圈。田马选总成结构示意图现马达的线壁基本理论上还是延续万邦熟教授的理论蝎，线型还是保持圆弧和原摆线的线型旧，虽有应用圆弧和短副内摆线的线型，但应用厂家很少；在马达的型号上，各制造厂都有很大的发展，主要表现在规格及头敷更加齐全，由原来引进时的单头发展到今天的头等；适用范围更广，由原来的仅适用于液态钻井液介质发展到空气及泡沫介质州；

34、定子橡胶性能，由原来的常温和高温定子种发展成多配方的发展局面“，其中，橡胶应用的思想理念的发展，是近年来定子橡胶应用寿命不断攀开的重要原因。转子表面处理基本上还是采用电镀处理，仅有少数厂家在尝试采用喷涂硬质合金对转子表面进行处理。马达的主要失效形式有：（）马达转子表面严重腐蚀或转子轴向弯曲变形修理时发现某些厂家的转子表面都有不同程度的腐蚀，其中最严重的转子表面。腐蚀点直径在蛇，深。最大腐蚀点处直径中，撵砌。围，马进甚成结构示意田西安石油大学硕士学位论文腐蚀点的面积占整个转子表面的以上。分析表明，主要存在原困是转子表面处理工艺不当以及原材料缺陷。此外，不论是马达转子严重腐蚀还是转子轴向变形，都会

35、使马达运动副工作受阻，甚至卡死。（）马达定子内表面脱胶或掉块造成原因除了厂家制造因素外（如挂胶质量、定子壳体内表面设计），用户使用过程中泥浆净化不彻底，混杂了金属等硬物件；定子脱胶或严重掉块都会导致钻具输出扭矩过小，甚至无输出扭矩。轻微的掉块，虽然不至于引起钻具失效，但也会不同程度降低钻具的输出性能。（）马达砂卡螺杆钻具马选砂卡通常发生在钻具下井作业，现场调查表明，钻井作业人员均按操作规程使用螺杆钻具。而且对钻井液所含的硬颗粒物进行泥浆净化处理（）。拆检失效螺杆钻具，发现传动轴水眼和万向轴、马达、旁通阀总成容腔内均积有不规则的砂积物，尤其在旁通阀与马达联接处容腔内积聚有大量沉砂直径最大有。这些

36、砂积物甚至充满了马达定转子容腔。由上述螺杆钻具结构原理脚知，螺杆马达是容积式液压马达，只有当定量流体通过液压马达容腔时，螺杆钻具才能正常工作。因此马迭容腔内的砂积物是造成螺杆钻具不能正常工作的主要原园。从发生马达砂卡造成螺杆钻具失效的使用时间上看，螺杆钻具内部积砂是在钻具下井过程中产生的。其主要原因是钻具下放速度过快，井瞩环空中的流体迫使螺杆钻具马选反转，尤其当螺杆钻具通过复杂地层、过砂桥等井段时，井眼中的沉砂伴随流体“倒灌”进螺杆钻具内部各个窖腔。这是螵杆钻具内部积砂的主要原因。万向轴总戚失效特征万向轴位于转子的下端，万向轴总成的作用是将转子的偏心运动转化成传动轴的定轴运动。因此，一般万向轴

37、采用万向瓣形和柔性轴形式，万向瓣形总成由万向轴、橡胶套等组成；柔性轴结构为单杆式挠性连接轴叫。图为万向轴总成结构示意图。圄万向轴总成结构示嚣图国内主要运行结构整体花瓣式万向轴总成吲，由于结构简单，易于加工，寿命较长：十字形万向轴总成结构借鉴了汽车万向轴的结掏原理仁，由于寿命的原因，这种结构仅部分应用于小尺寸的螺杆钻具中；球铰接式万向轴总成是国内借鉴国外流行较广的一种万向轴总成其结构复杂，加工难度较大，理论上寿命较长，但由于国内加工精度的问题寿命并没有得到跨越式提高：柔性轴式万向轴总成是国内近几年发展晟快的一种长寿命万向轴总成，也是一种最适应于可调弯壳体钻具的万向轴总成¨】，寿命一般为

38、或更多，其特点是利用轴选用的材料本身特有的物理性能来实现万向作用。第三章蠕枰钻具失效树建立另井万向轴壳体也有一定的发展，由起初的直壳体扩展为固定角度弯壳体，并发展为可调角度弯壳体衄。可调角度弯壳体的出现极大地提高了钻具的适应牲为钻具出口及国内钻井队出国打井提供了技术支撑。这种可调角度弯壳体按其结构可分为无级式和有级式（或称镶嵌式），无缎式的特点是调节的自由度大，但不易拽正有级式的特点是调节准确但范围小。万向轴总成的主要失效形式有：（）万向轴断裂万向轴作为螺杆钻具其中间传动部件一方面要把马达转子的偏心运动转化为传动轴的同心运动；另方面又要传递马达的转速和扭矩。因此它是易损件。修理时发现一些厂家的

39、万向轴断裂都是在万向轴花瓣的根部折断的鲫。主要原因是过载、原材料缺陷、热处理等因囊（）万向轴严重磨损对万向轴磨损掇限，不嗣厂家有不同规定。超过厂家规定的范围，就可能导致万向轴失去功能，髟响到相关部件的使用寿命。图为万向轴断裂、磨损示意图。图万向辅断裂、磨损示意朋传动轴息成失效特征传动轴总成的作用主要是将马达产生的扭矩与转矩传递给钻头图是传动轴总成结构示意图田传动懈成瞎恂示童圈各油田现场用的传动轴机械结构形式为迪纳型船用轴承式传动轴总成，其结构采用两端为肆止椎轴承，中阃采用船用径向扶正轴承的形式，结构简单寿命短【约）而迪纳壁蠕簧式传动轴总成是国内应用时问较长的一种传动轴总成形式，特点是抗冲击减掘

40、效果好，寿命较长（疆结构采用套上下径向轴承组，中间含组轴向球式止推轴承组，其中组承受向上的钻井载荷，组承受向下的轴向载荷。这西安石油大学硕士学位论文种结构复杂不易维修；分体串轴承式传动轴总成也是一种应用较广的传动轴成形式，特点是结构简单寿命较长（），结构采用套上下径向轴承组，中间含组球铰接式轴承组，这种结构易于维修。传动轴的主要失效形式有脚】：（）传动轴断裂断裂部位分布在与水帽连接螺纹、螺纹退刀槽及轴承动圈处，断裂面外观比较平整，造成断裂的原因是材料缺陷或应力集中引起的疲劳破坏。如图所示。（）轴承部件损坏钢球、轴承盘严重变形或破裂，造成传动轴运转受阻甚至卡死，造成原因除了轴承制造厂家的质量因素

41、外，用户使用也是个重要因素，由于使用者本身的钻井作业误操作如钻压控制过大或过猛引起冲击载荷）也会造成轴承的非正常损坏。囝传动轴外壳体断裂图万向节壳体与传动轴壳体连接处脱扣第三章螺杆钻其失效树建立舶定子壳体断爱国轴承壳体新裂靠轩钴具失效的主要环境影响因素地层因素”浅井中发生钻具失效很少深井中钻具失效多一些，主要是浅井岩石硬度小，造成的振动应力小，不超过疲劳极限，故不发生疲劳破坏。随着井深的增加，岩石硬度增大，振动应力逐淅增大，在一定条件下可能超过疲劳极限，也就存在疲劳破坏的可能，说明地层性质是造成钻具失效的重要原因之一。（）硬地层：牙轮钻头冲击破碎岩石，岩石硬度越大，牙齿吃入越少，则冲击时间越短

42、，冲击载荷越大钻头工作时产生的冲击载荷有利于岩石破碎但也会使钻头轴承过早损坏，使牙齿崩碎，而且应力渡作用于钻柱上，引发钻柱的纵向振动，钻头的冲击载荷是钻拄纵向振动的激振载荷（）砾岩地层：砾岩地层由于中间比周围岩石的硬度大进尺慢，在井底形成突起，使得并底形成高低不平的形状，钻头旋转钻进时，引发并加劂纵向振动，同时使钻头产生较大的弯矩。加剧稳定器刮孵井壁，钻出的井眼不规则。当稳定器旋转通过时，可能瞬间卡住，造成瞬间高扭矩，并引发扭转振动。井眼因素（）井径不规则：由于各种原因造成井径扩大事较大，造成较大的钻柱弯矩，加剧钻柱的疲劳破坏（）缩径：由于地层泥页岩暖水膨胀造成局部的缩径，稳定器通过时会产生较

43、高的扭矩置温度（）由于环境温度过低，材料的冲击力值严重下降，易引起冷脆断裂。（）随着并下沮度升高，腐蚀建度将加快，另外某些泥浆赴理剂在高温下会分解，产生凰、和仉等，加快了对钻柱的腐蚀。（）在井下高温下螺纹密封脂的性能下降，尤其是低温和减磨金属台量少的密封脂，将导致丝扣和台阶性能下降。“）低温状态下钻具按规定的上扣扭矩，在井底高温环境下金属膨胀造成丝扣根西安石油大学硕士学位论文部应力集中。风沙沙漠钻井中风沙的影响也不容忽视。一般为石英砂，其维氏硬度为，而钻杆接头的维氏硬度为左右，接头丝扣和密封台阶涂有密封脂极易粘附沙粒，在上卸扣时产生磨料磨损，接头丝扣的连接和台阶密封将受到影响。螺杆钻具失效树的

44、建立失效数据统计分析在油田钻井的过程中，频繁发生的钻具失效事故与钻井的外部条件和内部条件有着密不可分的联系，并且不同的外部条件和内部条件影响程度各异，若要分析其根本的失效原因，从根本上讲离不开现场资料的收集。本次研究的大部分资料和数据来源于长庆油田，从其入手找到钻具失效的根本原因，研制出相应的对策，预防钻具失效。其中这些数据都是经过了现场操作和管理人员的检验与整理而存档的资料数据，详细的钻具失效资料数据见附录（表、表、表、表、表）。它们分别反映了年月至月螺杆钻具第一项目部到第五项目部的失效统计。这些数据具有较高的可靠性和实用性。现在我们就要对收集到的所有数据进行统计，找出螺杆钻具失效的规律。本

45、文进行分析的钻井过程中螺杆钻具的失效内容有：（）螺杆钻具的井深失效规律，结合不同井段的失效比例，找出高频率的失效井段；（）螺杆钻具的失效类型，结合失效的所有类型，指出螺杆钻具失效的具体类型；（）螺杆钻具的失效部件，找出钻具具体的失效部件。井深分布规律因为失效井深分布相对较散，这里采用作为一个深度段，统计五个项目部每一个深度段中发生螺杆钻具失效的次数，并计算其所占各深度区段发生钻具失效总次数的比例，比例的大小说明该深度区间发生钻具失效的严重程度，也是钻具在该井深区间发生失效的几率。钻具失效井深分布规律如表所示。表钻具失效井深分布统计井深（）四五失效次数（次）似所占比例似氍第三章螺杆钻具失效树建立

46、从表中可以直观的看出，在钻井的过程中，第一项目部钻具发生失效主要集中在这一井深段，在该深度段发生钻具失效占整个失效的比例为，次之，而在井深的时候，螺杆钻具在此段的失效事故也就相对很少。第二项目部的井深失效分布规律，其中和一部一样，井深的失效比例最高，的失效比例次之。与一部不同的是，二部的并深也是失效比例较高的井段，占，看来在二部主要发生失效的井段在以内，所占比例总共为。第三项目部，井深的失效频率较高，达到，与一、二部不同，一、二部在井段时的失效频率比较高。第四项目部的井深失效比例没有太大的差距，、的失效比例都占到了将近三分之一，而一、二部失效主要集中在井段，三部失效集中在井段，不同的是，四部井

47、深失效分布比较平均。第五项目部的失效率主要集中在以内，与三部相同，而在整个井段发生失效的频率也比较平均。失效类型分布规律总结失效类型有多种多样，其中在以下的数据统计当中，我们就能了解到长庆油田的主要失效类型。如表所示钻具失效类型分布统计。表钻具失效类型分布统计失效类型、断裂磨损动力不足无进尺测斜时自锁脱落失效次数（次）卡死泵压高刺漏滞动轴向间隙增大钻速低旁通阀打不开其它所占比例断裂磨损动力不足无迸尺测斜时自锁四五西安石油大学硕士学位论文脱落卡死泵压高刺漏滞动轴向间隙增大钻速低旁通阀打不开其它乃乞从表中知道，除去失效类型中的其它类型之外，第一项目部动力不足所占的比重比较大，其次是无进尺和磨损，磨损的部件比较多，其中扶正器磨损的几率最大且最严重。然后就是断裂，主要就是传动轴的断裂。经过分析，部主要的失效