螺杆钻具(PDM)工作机理及高性能长寿命的整机系统研究

1、螺杆钻具（螺杆钻具（PDM）工作机理）工作机理及高性能长寿命的整机系统研究及高性能长寿命的整机系统研究高性能长寿命螺杆钻具（高性能长寿命螺杆钻具（PDM）关键部件及整机装配研究关键部件及整机装配研究螺杆钻具（螺杆钻具（PDM）概述）概述1螺杆钻具失效形式及失效机理2高性能长寿命螺杆钻具研制关键技术3一些建议和研究4螺杆钻具（螺杆钻具（PDM）概述）概述11.1螺杆钻具工作原理与组成1.2螺杆钻具特点1.3螺杆钻具选择与注意事项螺杆钻具（螺杆钻具（PDM）概述）概述11.1螺杆钻具工作原理与组成螺杆钻具是以泥浆为动力的一种井下工具，其由传动轴总成、马达总成、万向轴总成、防掉总成和旁通阀总成五大部

2、分组成 。1.1.1螺杆钻具工作原理12泥浆泵输出的泥浆，流经旁通阀进入马达.在马达进出口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。螺杆钻具的性能主要取决于马达总成。 将泥浆液体压力能转化成机械能。高压泥浆流经旁通阀进入马达，驱动转子绕定子轴线旋转，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。12莫锘原理的容积式井下动力钻具。1.1.2螺杆钻具组成1 1）、旁通阀总成）、旁通阀总成2 2）、防掉总成）、防掉总成3 3）、）、马达总成马达总成4 4）、万向轴总成）、万向轴总成5 5）、）、传动轴总成传动轴总成 其由旁通阀总成、防掉总成、马

3、达总成、万向轴总成和传动轴总成五大部分组成 。1 1）、旁通阀总成）、旁通阀总成作用：旁通阀的闭合与开启控制马达的启动与停止。主要由阀体、阀芯、阀套、弹簧、筛板、密封件、孔用挡圈组成。ab阀芯阀套筛板阀体隔板隔板密封件弹簧挡圈挡圈旁通阀总成：它有旁通和关闭两个位置，在起下钻作业过程中处于旁通位置，使钻柱中泥浆循环绕过不经过马达进入环空，这样起下钻时泥浆不溢于井台上。 泥浆泥浆泥浆泥浆泥浆当泥浆流量和压力达到标准设定值时，阀芯下移，关闭旁通阀孔，此时泥浆流经马达，使其转变成机械能。 当泥浆流量值过小或停泵时，所产生的压力不足以克服弹簧力和静摩擦力时，弹簧把阀芯顶起，旁通阀孔又处于开启位置。abc

4、旁通阀总成旁通阀总成装配防掉接头防掉总成的组成：作用是由于异常原因造成壳体断裂或脱扣时防止落井并同时使泵压升高使地面及时发现问题避免造成事故。防掉锁母防掉连杆2 2）、防掉总成）、防掉总成防掉接头防掉锁母防掉连杆泥浆泥浆作用是由于异常原因造成壳体断裂或脱扣时防止落井并同时使泵压升高使地面及时发现问题避免造成事故。由定子和转子组成。定子是在钢管内壁上压注橡胶衬套而成。橡胶内孔是具有一定几何参数的螺旋。转子是一根有镀铬硬层的螺杆。 定子转子橡胶衬套定子壳体3 3）、）、马达总成马达总成abcd马达总成 定子转子转子与定子相互啮合，是用两者的导程差而形成的螺旋密封线，同时形成密封腔。随着转子在定子中

5、的转动，密封腔沿着轴向移动，不断的生成与消失，完成其能量转换，这就是螺杆马达的基本工作原理。密封舱 马达定子一个导程组成一个密封腔，也称为一级。每级额定工作压降为0.8Mpa,最大压降为额定工作压力的1.3倍，如四级马达，额定压降应为3.2Mpa,最大压降为4.2Mpa。压降超过此值马达就会产生泄漏，转速很快下降，严重时会完全停止转动，甚至造成马达损坏，用户应特别注意。 为了确保马达的密封效果，转子与定子之间的配合尺寸与不同井深的温度有关,因此在选择钻具时应尽可能准确地提供给厂家钻具应用场所的井温情况，以便推荐使用松紧配合状态适合的马达。现场使用的泥浆流量应在推荐的范围之内,否则将影响马达效率

6、，甚至马达磨损加快。 马达的输出扭矩与马达的压降成正比，输出转速与输入泥浆量成正比，随着负载的增加，钻具的转速有所降低，因此在地面只要根据压力表控制压力，根据流量计控制泵的流量，就可以控制井下钻具的扭矩和转速。定子转子密封舱马达转子的螺旋线有单头和多头之分（定子的螺旋线头数比转子多1）。转子的头数越少，转速越高，扭矩越小; 头数越多，转速越低，扭矩越大。下图是几种典型马达配合的截面轮廊： 1:23:45:67:89:10abc 此马达的总流量应等于流经马达密封腔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。如果流量过大，转子会超速运转，定子和转子会出现提前损坏，如果

7、流量过小，马达将停止转动。因此在选择转子喷嘴尺寸时，应确保马达密封腔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、 喷嘴尺寸和马达流量为定量时，流经转子喷嘴的流量和流经马达密封腔的流量总是随负载变化而变化的。钻头离开井底，马达负载近似为零，此时流经转子喷嘴流量最小，而流经马达密封腔的流量最大。钻头钻进，使马达压差不断增加，使流经转子喷嘴流量增加，而此时流经马达密封腔流量减少。中空转子中空转子马达 ：为了增加钻头的水马力和泥浆的上返速度，将转子加工成为带喷嘴的中空转子。 中空喷嘴的计算 ： 流经马达密封腔的流量为Qm，通过马达喷嘴的流量Qz即：总流量Q=Qm+Qz设定马

8、达转速n 值计算Qm 值容积效率v 取 0.90 Qz = Q Qm (L/s)喷嘴直径Qm-马达密封腔流量 (L/s)Qz-转子喷嘴的流量 (L/s)Q-中空转子马达的总流量 (L/s)v -容积效率马达压降P = Pst + PopPst马达启动压降(MPa)Pop马达工作压降(MPa)泥浆比重(kg/L)计算公式中q为中空转子马达的每转排量 (L/r)其数值参见下表。)/(60sLnqQM)(89842mmPpdQz 按计算公式，可以根据使用需要随时更换不同直径的喷嘴，从而达到理想的效果。 马达总成马达总成装配 万向轴的作用是将马达的行星运动转变为传动轴的定轴转动，将马达产生的扭矩及转速

9、传递给传动轴至钻头。万向轴大多采用瓣形，也有采用挠轴形式的。 立林钻具的瓣型万向轴采用数控切割技术制成，切口平行度高，粗糙度可达 6.3且不破坏金属化学成分，因此使用寿命高、机械损失小。 球传动万向轴采用球、杆、绞连接方式传递扭矩，用高温润滑脂润滑摩擦副，橡胶套密封钢球运动部分，隔离含磨砺性钻井液，球传动万向轴工作面均进行特殊表面处理，使其表面硬度、抗高温性相对提高；因此耐磨性、可靠性得到进一步提高，工作寿命相应延长。花瓣型万向轴总成球传动万向轴总成4 4）、万向轴总成）、万向轴总成球传动万向轴总成的组成： 传动球承压球球座锁紧套连杆活绞密封套可调弯壳体的组成: 上壳体下壳体定位套弯接头可调弯

10、壳体：可调角度范围有 0-2、0-3 、0-4.可调弯壳体1.50上壳体下壳体定位套万向轴总成将转子的偏心运动转化成传动轴的定轴运动。 传动轴的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。以下为两种形式： 一、钻头水眼压降为7.0Mpa，采用硬质合金径向轴承和中间有一组推力轴承的传动轴总成（如下图）： 二、钻头水眼压降为14.0Mpa，采用硬质合金径向轴承和金刚石复合片（PDC）的平面止推轴承，其寿命更长、承载能力更高。7.0MPa传动轴总成14.0MPa传动轴总成5 5）、）、传动轴总成传动轴总成 传动轴总成的组成 ： 壳体下TC动套下TC静套锁母上TC静套上TC动

11、套串轴承隔套水帽传动轴键传动轴总成的组装 ： 传动轴总成装配径向轴承径向轴承离井底推力轴承坐井底推力轴承螺杆钻具整机（1）、常规螺杆钻具（2）、中空防掉、可调、可换扶正器螺杆钻具 为了适应钻井的需要，螺杆钻具的传动轴总成的外壳上配有不同种类的稳定器，有固定式的和可换套式的，稳定器的扶正条形式多种多样。直棱稳定器三瓣偏心稳定器三瓣、五瓣螺旋稳定器三瓣、五瓣球型稳定器可换套式的稳定器可换稳定器套筒壳体本体中空防掉、可调、可换扶正器螺杆钻具BHA used in the 9 1/2motor example.Notice the 8.5 m(27.9 ft)separation between mo

12、tor and dynamics sub.BHA for the 4?”example.Dynamics Sub is placed at the top of the motor1.2螺杆钻具特点12井下动力钻具：接在钻杆下端，随钻杆一起下入井底的动力机。主要有涡轮钻具、螺杆钻具、电动钻具等。 靠高压泥浆通过定、转子通道，驱动转子在定子螺线形通道中旋转，产生扭矩，带动钻头破碎岩石。是一种容积式井下动力钻具，其转速与泵排量成正比，扭矩与泵压、钻压成正比，通过泵压可间接指示钻压。因转速较低相对于涡轮钻具低。 将冲洗液的动能转换成机械能的一种孔底动力机。它的回转不象螺杆钻那样靠液体的压力而是由液体

13、的流速来驱动。 钻探时钻杆不转动，钻杆工作条件可以得到明显改善。涡轮钻可以配合牙轮钻头、金刚石钻头钻垂直孔、定向孔和多底钻孔，缺点是转速高、扭矩小、轴承寿命短、易损件多、钻头寿命较短。 1.2.1螺杆钻具与涡轮钻具比较螺杆钻具涡轮钻具1.2.2螺杆钻具与螺杆钻具与转盘钻井转盘钻井或顶驱钻井比较或顶驱钻井比较（1）提高钻速，缩短周期，降低成本。（2）减少钻杆磨损和动力传递损耗。（3）准确造斜、定向、纠偏，提高工程质量。（4）用于水平井、丛式井，提高钻井的经济效益。（5）复合直井钻进，减少起下钻次数。（6）缩短钻井周期，抑制对油气层的污染。螺杆钻具型号的选择：(1)、安全性的原则：(2) 、输出扭

14、矩最大的原则：(3) 、排量合适的原则：(4)、考虑适合钻井施工工艺的原则：1.3螺杆钻具选择与注意事项abc对泥浆的要求：合理配用钻头及水眼：均匀混合堵漏材料（LCM）：确定井底温度：de控制泥浆排量和输出转速：平衡水力推力与钻压：优选泵压和钻压：下钻注意事项；导向钻进注意事项rghij高性能长寿命螺杆钻具（高性能长寿命螺杆钻具（PDM）关键部件及整机装配研究关键部件及整机装配研究螺杆钻具（PDM）概述1螺杆钻具失效形式及失效机理螺杆钻具失效形式及失效机理2高性能长寿命螺杆钻具研制关键技术3一些建议和研究4螺杆钻具失效形式及失效机理螺杆钻具失效形式及失效机理22.1螺杆钻具失效形式2.2螺杆

15、钻具失效机理螺杆钻具失效形式及失效机理螺杆钻具失效形式及失效机理22.1螺杆钻具失效形式常见失效形式：常见失效形式：1）使用方式，2）钻井液性能，3）井身轨迹，4）地层因素，5）钻进参数，6）操作因素1）、扶正器磨损2）、传动轴的断裂3）、万向轴断裂4）、砂卡5）、橡胶掉块6）、壳体断裂7）、脱扣影响因素：影响因素：挠性轴常见失效情况1）、传动轴强度不高2）、万向轴寿命低3）、马达寿命低4）、旁通阀不耐冲蚀导致螺杆钻具寿命低！导致螺杆钻具寿命低！根本原因根本原因目前螺杆钻具水平目前螺杆钻具水平部件寿命（h）优势扶正器300可换扶正器TC轴承500高品质硬质合金轴杆800高韧性钢材、取消螺纹、消

16、除应力集中串轴承300耐磨性强油密封传动轴300可更换密封件传动轴万向轴部件寿命（h)优势万向轴300以上球式万向轴、钛合金万向轴马达总成部件寿命（h)优势橡胶800高耐磨橡胶定子管800使用高韧性钢材可重复利用3次、螺纹喷丸处理2.2螺杆钻具失效机理定子失效机理：定子失效机理： 以关键件和易耗件展开失效机理分析，进而从系统出发，分析整机失效机理 仅以马达定子失效机理为例：1）、机械失效2）、疲劳失效 3）、热失效和滞后失效（橡胶使一部分扭曲能量转化为滞后热量） 4）、化学失效定转子配合与寿命的关系曲线高性能长寿命螺杆钻具（高性能长寿命螺杆钻具（PDM）关键部件及整机装配研究关键部件及整机装配

17、研究螺杆钻具（PDM）概述1螺杆钻具失效形式及失效机理2高性能长寿命螺杆钻具研制关键技术高性能长寿命螺杆钻具研制关键技术3一些建议和研究4高性能长寿命螺杆钻具研制关键技术高性能长寿命螺杆钻具研制关键技术33.1橡胶3.2等壁厚定子3.3推力轴承3.4螺纹3.4其余关键部件3.5整机装配和实验系统高性能长寿命螺杆钻具研制关键技术高性能长寿命螺杆钻具研制关键技术33.1橡胶 目前国内外用于螺杆泵定子的橡胶类型主要有：传统的有丁腈橡胶(NBR)，新的胶种有羧基丁腈橡胶(XN 2BR)、丁腈橡胶与聚氯乙烯(NBR PV C)或羧基丁腈橡胶与聚氯乙烯(XNBR PVC)共混胶；还有氢化高饱和丁腈橡胶(H

18、NBR)。 橡胶种类橡胶种类 XNBR橡胶耐热油、耐磨；水溶胀小，压缩永久变形小,弹性高,抗撕裂强度高，易挤出，有利于注压成形,动态性能较好。abcNBR PV C或XNBR PV C共混胶比NBR有更好的挤出性能,更好的耐油、耐化学药品和耐溶剂性,更好的耐水性和耐磨性,而且尺寸稳定性好。HNBR橡胶能长期耐150高温,具有良好的耐油性、耐H2S介质、耐磨,是一种有较好力学性能的新型橡胶。 目前国内解决螺杆钻具橡胶性能。主要依靠改变胶料填充物的比例来获得超常规的物理性能指标。对其动态性能研究甚少。往往造成定子橡胶的物理性能指标有所提高。但使用的螺杆钻具性能并不理想。3.2等壁厚定子 等壁厚定子

19、是螺杆钻具产品中近几年开发的最新技术，该技术的特点是在定子注胶之前，在定子壳体中预先加工出定子的螺旋形状，然后再实施注胶技术。该技术提高了每一级的密封压力，由原来的每级0.8 M Ps提高了50%一100%，在同等扭矩下定子长度最短，寿命也有所提高。等壁厚橡胶定子管定子失效机理：定子失效机理：1）、机械失效2）、疲劳失效 3）、热失效和滞后失效（橡胶使一部分扭曲能量转化为滞后热量） 4）、化学失效Comparison of conventional stator geometry(a)with new high performance PDM stator design(b)3.3推力轴承推力

20、轴承设计要点：1）、接触角2）、沟道半径3）、挡边直径4）、轴承材料5）、轴承游隙 试验表明，国产的推力轴承可代替进口轴承，满足螺杆钻具的需要。从发展来看，由于恶劣的工作条件，即使通过设计提高了轴承的寿命，但再从轴承本身(材料、设计)寻求突破已潜力不大，只有充油密封技术取得突破，使轴承的工作条件得以改善，才能从根本上解决轴承寿命问题。轴承游隙3.4螺纹 吐哈油田先后发生了两起螺杆钻具与钻铤连接的钻柱转换接头断裂失效事故。螺杆钻具表3钻具规格和连接螺纹中，现场较常用的螺杆钻具上端连接螺纹的弯曲强度比，大部分不符合SY/T 5369-94中5.28的要求。大邑二井螺杆钻具事故图片ab对螺杆钻具表3

21、钻具规格和连接螺纹中现场较常用的螺杆钻具上端连接螺纹进行修改，使其弯曲强度比符合SY/T 5369-94中5.28的要求，是复合钻井过程中减少钻具失效事故的措施之一。3.4其余关键部件部件寿命（h）优势扶正器300可换扶正器TC轴承500高品质硬质合金轴杆800高韧性钢材、取消螺纹、消除应力集中串轴承300耐磨性强油密封传动轴300可更换密封件传动轴万向轴部件寿命（h)优势万向轴300以上球式万向轴、钛合金万向轴马达总成部件寿命（h)优势橡胶*800高耐磨橡胶定子管*800使用高韧性钢材可重复利用3次、螺纹喷丸处理3.5整机装配和实验系统整机装配对系统综合性能和整体寿命影响至关重要。ab实验系统是高性能长寿命螺杆钻具的保证。高性能长寿命螺杆钻具（高性能长寿命螺杆钻具（