螺杆马达部分

1、煤炭科学研究总院西安研究院煤炭科学研究总院西安研究院培训提纲培训提纲3 螺杆马达结构原理螺杆马达结构原理 4 螺杆马达定向成孔工艺螺杆马达定向成孔工艺5 螺杆马达定向钻进试验螺杆马达定向钻进试验1 国内研究应用现状国内研究应用现状2 螺杆马达与稳定组合钻具优缺点对比螺杆马达与稳定组合钻具优缺点对比6 螺杆马达使用注意事项螺杆马达使用注意事项7 螺杆马达故障分析螺杆马达故障分析 煤科院西安研究院率先用螺杆马达组合进行煤矿井下近水平定向孔施工，在大同局四台矿用于探测地质异常体，孔深达302.5m 亚美大宁、寺河、白芨沟等矿先后引进澳大利亚VLD定向钻机和螺杆马达配套机具，在国外专家指导下，于200

2、5年和2007年分别施工超过1000m主孔的定向孔两个，孔深为1005m和1023m，并在主孔中进行多个分支钻孔施工 煤科院西安研究院承担国家级两大井下定向钻进项目，2008年5月现场试验阶段应用螺杆马达配套机具和随钻测量系统，完成了目前为止国内最深的1046m近水平受控定向钻孔，并侧钻进行多个定向分支孔，真正实现了国产近水平钻进技术和设备机具的配套 先后引进9套千米钻机和螺杆马达配套机具用于井下近水平孔定向施工，最深钻孔仅432.15m，孔径96mm 90年代中期年代中期90年代初期年代初期 2003年起年起 2005年起年起90年代中期年代中期1 国内研究应用现状国内研究应用现状 （ 1

3、1 ） 上上 仰仰 组组 合合 钻钻 具具 结结 构构 图图 （ 2 2 ） 保保 直直 组组 合合 钻钻 具具 结结 构构 图图 （ 3 ） 下下 斜斜 组组 合合 钻钻 具具 结结 构构 图图 2 螺杆马达与稳定组合钻具优缺点对比螺杆马达与稳定组合钻具优缺点对比 测斜仪无磁钻杆旁通阀马达万向轴传动轴钻头名名 称称稳定组合钻具稳定组合钻具螺杆马达螺杆马达优优 点点成本低、结构简单、易于操作、对冲洗液性能要求较低对倾角、方位角均能调节、实时随钻测量精确高、定向效果好、对设备能力要求较低缺缺 点点不能控制钻孔方位角，倾角只能在一定范围内调节，对设备机具能力要求较高、钻工劳动强度相对较大结构较为复

4、杂、价格相对昂贵、对钻工整体素质要求较高应用范畴应用范畴定向精度要求不高的较稳定地层较大口径长钻孔定向精度较高的较稳定地层瓦斯抽采长钻孔、地质异常条件探测钻孔3 螺杆马达结构原理螺杆马达结构原理 螺杆马达分类螺杆马达分类 3.1 3.2 螺杆马达结构组成螺杆马达结构组成 3.3 螺杆马达特性分析螺杆马达特性分析 3.4螺杆马达工作原理螺杆马达工作原理 螺杆马达性能测试螺杆马达性能测试 3.53.1 3.1 螺杆马达分类螺杆马达分类按按结结构构特特征征分分类类3.1 3.1 螺杆马达分类螺杆马达分类33 2 2 按公称直径分类按公称直径分类 按万向轴壳体结构分类按万向轴壳体结构分类 外径外径mm

5、钻头钻头尺寸尺寸mm头数头数级数级数长度长度m排量排量lpm转速转速rpm上紧上紧扭矩扭矩Nm输出输出扭矩扭矩Nm最大过最大过载拉力载拉力kN最大最大钻压钻压kN7382-1145:633.2113-350 140 -375162025789273.1 3.1 螺杆马达分类螺杆马达分类 3.2 3.2 螺杆马达工作原理螺杆马达工作原理3.3 3.3 螺杆马达结构组成螺杆马达结构组成 3.3.1 3.3.1 旁通阀总成旁通阀总成3.3.1 3.3.1 旁通阀总成旁通阀总成3.3.2 3.3.2 防掉总成防掉总成3.3.2 3.3.2 防掉总成防掉总成3.3.3 3.3.3 马达总成马达总成3.3

6、.3 3.3.3 马达总成马达总成3.3.3 3.3.3 马达总成马达总成3.3.3 3.3.3 马达总成马达总成3.3.4 3.3.4 万向轴总成万向轴总成3.3.5 3.3.5 传动轴总成传动轴总成例：例：5LZ737.0- 表示螺杆马达转子头数与定子头数比表示螺杆马达转子头数与定子头数比56、外径、外径73mm，钻头水眼压降，钻头水眼压降7.0Mpa，为第二次改进产品。，为第二次改进产品。可知：理论转矩可知：理论转矩M与马达进出口间的压差与马达进出口间的压差P成正比；成正比； 理论转速理论转速n与通过的流量与通过的流量Q成正比而与钻压无关。成正比而与钻压无关。 3.4 3.4 螺杆马达特

7、性分析螺杆马达特性分析 0NpnM,M,n,N可知：通过控制泥浆泵的排量可知：通过控制泥浆泵的排量Q和泵压和泵压P 可控制螺杆马达的输出转速可控制螺杆马达的输出转速n和扭矩和扭矩M 3.4 3.4 螺杆马达特性分析螺杆马达特性分析 n0pN,M,n,NM3.53.5 螺杆马达性能测试螺杆马达性能测试水 便钻 机钻 杆螺 杆 钻 具测 功 议泥 浆 泵水 池带 孔 接 头万 向 节测 试 仪测 控 室隔 水 器3.5 3.5 螺杆马达性能测试螺杆马达性能测试 3.5 3.5 螺杆马达性能测试螺杆马达性能测试 类型类型优优 点点缺缺 点点国产国产73mm螺杆马达螺杆马达低转速、大扭矩，适应于较深孔

8、和相对复杂地层定向钻孔施工启动泵量、泵压较高，马达发热较为严重进口进口73mm螺杆马达螺杆马达启动泵量、泵压较低，工作性能稳定，便于操作掌控，适用于一般定向钻孔施工排量范围较小、转速较高、输出扭矩较低，较深钻孔时钻具性能可能会受限3.5 3.5 螺杆马达性能测试螺杆马达性能测试4 螺杆马达定向成孔工艺螺杆马达定向成孔工艺 主孔成孔工艺主孔成孔工艺 4.1 分支孔成孔工艺分支孔成孔工艺 4.24.1 4.1 主孔成孔工艺主孔成孔工艺 主主 孔孔成成孔孔工工艺艺 成孔工艺原理成孔工艺原理 定向方法定向方法 工艺流程工艺流程 钻进工艺参数钻进工艺参数 定向成孔工艺原理：定向成孔工艺原理：用螺杆马达进

9、行煤矿井下近水平定向钻进时，通过选用或调节用螺杆马达进行煤矿井下近水平定向钻进时，通过选用或调节0-3不同的定向弯外管，可达到不同的定向效果。根据设计钻孔不同的定向弯外管，可达到不同的定向效果。根据设计钻孔轨迹，在钻孔施工过程中，通过随钻测斜数据来调整弯外管的工具轨迹，在钻孔施工过程中，通过随钻测斜数据来调整弯外管的工具面向角，从而使钻孔的倾角和方位基本达到预定目标。面向角，从而使钻孔的倾角和方位基本达到预定目标。螺杆马达能够定向钻进基于三个缘由：螺杆马达能够定向钻进基于三个缘由： 1）钻头回转碎岩而钻杆柱不回转；）钻头回转碎岩而钻杆柱不回转； 2）可连接不同定向弯外管；）可连接不同定向弯外管

10、； 3）可随钻进行倾角和方位角测量。）可随钻进行倾角和方位角测量。定向方法：定向方法：1）人工定向：利用全液压坑道钻机卡盘、夹持器的联动功）人工定向：利用全液压坑道钻机卡盘、夹持器的联动功能进行人工定向能进行人工定向 2）随钻测量系统定向：根据设计钻孔的轨迹状况，如用可）随钻测量系统定向：根据设计钻孔的轨迹状况，如用可调弯外管的螺杆马达，先在孔口调整弯外管度数，使其弯头朝上，调弯外管的螺杆马达，先在孔口调整弯外管度数，使其弯头朝上，规定为规定为0。当使用随钻测斜仪时，为避免磁场干扰，应在螺杆。当使用随钻测斜仪时，为避免磁场干扰，应在螺杆马达后面分别连接下无磁钻杆、测斜仪（其外管也为无磁钻杆）、

11、马达后面分别连接下无磁钻杆、测斜仪（其外管也为无磁钻杆）、上无磁钻杆。钻进过程中，根据钻孔轨迹与设计轨迹的偏斜状况，上无磁钻杆。钻进过程中，根据钻孔轨迹与设计轨迹的偏斜状况，采用调整工具面向角进行控制，而不用起下钻变更钻具组合。采用调整工具面向角进行控制，而不用起下钻变更钻具组合。 工具面向角对钻孔轨迹的影响：工具面向角对钻孔轨迹的影响： 工具面向角对钻孔轨迹的影响：工具面向角对钻孔轨迹的影响：工艺流程：工艺流程：Y螺杆马达测试螺杆马达测试安装螺杆马达安装螺杆马达设计定向钻孔设计定向钻孔定向钻进定向钻进是否偏是否偏离离设计轨设计轨迹迹准备配套机具准备配套机具调整工具面向角调整工具面向角终终 孔

12、孔定向钻进定向钻进调整弯外管弯角调整弯外管弯角N钻孔测量钻孔测量 钻进工艺参数：钻进工艺参数： 主要包括泵量和泵压。通过调节泵量可控制主要包括泵量和泵压。通过调节泵量可控制钻头的转速；泵压可作为孔底工况的监视器，来钻头的转速；泵压可作为孔底工况的监视器，来反映扭矩的大小，即钻压的相对大小。反映扭矩的大小，即钻压的相对大小。4.2 4.2 分支孔成孔工艺分支孔成孔工艺分支孔分支孔 重入技术重入技术 侧钻开侧钻开 分支孔技术分支孔技术 侧钻开分支孔技术：侧钻开分支孔技术：根据开分支孔的发展过程可分为：根据开分支孔的发展过程可分为： 1）打水泥塞侧钻）打水泥塞侧钻 2）可回收式裸眼封隔器）可回收式裸

13、眼封隔器/斜向器侧钻斜向器侧钻 3）悬空侧钻）悬空侧钻打水泥塞侧钻：打水泥塞侧钻： 施工工艺为：在钻每一个分支孔前，在主水平孔相应位置施工工艺为：在钻每一个分支孔前，在主水平孔相应位置打一个一定长度（一般大于打一个一定长度（一般大于10m）的水泥塞，候凝）的水泥塞，候凝48小时；修小时；修塞，将水泥塞顶面修至侧钻点；下入由带单弯外管螺杆组成的塞，将水泥塞顶面修至侧钻点；下入由带单弯外管螺杆组成的导向钻具进行定向钻进，直到开出新的分支孔；钻完一个分支导向钻具进行定向钻进，直到开出新的分支孔；钻完一个分支后，将水泥塞钻掉；重复上述步骤，钻另一分支孔。后，将水泥塞钻掉；重复上述步骤，钻另一分支孔。

14、采用此技术，由于分支孔侧钻时需多次在主孔中进行打塞采用此技术，由于分支孔侧钻时需多次在主孔中进行打塞和钻塞施工作业，施工程序十分复杂，如今已有被逐渐取代的和钻塞施工作业，施工程序十分复杂，如今已有被逐渐取代的趋势。趋势。可回收式裸眼封隔器可回收式裸眼封隔器/ /斜向器侧钻：斜向器侧钻： 此种方法此种方法成功成功率较高，但施工程率较高，但施工程序较多，需要特殊序较多，需要特殊的工具。根据煤矿的工具。根据煤矿钻孔施工特点，目钻孔施工特点，目前井下分支钻孔施前井下分支钻孔施工一般不采用此项工一般不采用此项技术。技术。悬空侧钻：悬空侧钻： 悬空侧钻施工工序最为简单，直接将由单弯螺杆钻具悬空侧钻施工工序

15、最为简单，直接将由单弯螺杆钻具组合组成的导向钻具下至预开分支点以上组合组成的导向钻具下至预开分支点以上3m处，根据要处，根据要求调整好工具面向角，以滑动方式缓慢钻进，直到开出新求调整好工具面向角，以滑动方式缓慢钻进，直到开出新的分支孔。采用此技术进行侧钻开各分支孔，施工工艺简的分支孔。采用此技术进行侧钻开各分支孔，施工工艺简单，易于实现，是目前最为常用的开分支孔方法。单，易于实现，是目前最为常用的开分支孔方法。 分支孔重入技术：分支孔重入技术：目的：目的：携带分支孔岩粉，提高瓦斯抽放量和抽放效率。携带分支孔岩粉，提高瓦斯抽放量和抽放效率。方法：方法：利用侧钻点位置固定的特点，先下螺杆马达至欲利

16、用侧钻点位置固定的特点，先下螺杆马达至欲下入的侧钻点处，调整好工具面向角，缓慢钻进并下入的侧钻点处，调整好工具面向角，缓慢钻进并随钻测量，直至下入分支孔。随钻测量，直至下入分支孔。 室内模拟试验室内模拟试验 5.1 现场工业性试验现场工业性试验 5.2 定向效果分析定向效果分析 5.35 螺杆马达定向钻进试验螺杆马达定向钻进试验5.1 5.1 室内模拟试验室内模拟试验螺杆钻具螺杆钻具和钻头和钻头下无磁下无磁钻杆钻杆送水器送水器上无磁钻杆上无磁钻杆通缆式钻杆通缆式钻杆测量测量探管探管 监视器监视器高压送水胶管高压送水胶管通讯电缆通讯电缆 5.1 5.1 室内模拟试验室内模拟试验 5.1 5.1

17、室内模拟试验室内模拟试验钻压(kN)泵量（L/min）泵压(MPa)0-2.42301-3.5 5.1 5.1 室内模拟试验室内模拟试验5.2 5.2 现场工业性试验现场工业性试验40104 工作面运输联络巷40104 工作面回风联络巷消防材料库（1）1#401采区辅运大巷401采区胶带大巷401采区回风大巷2#3#4#分支孔第一次现场试验第一次现场试验5.2 5.2 现场工业性试验现场工业性试验东翼轨道巷113工作面二号联络巷东翼回风巷东翼胶带巷113回风顺槽运料道113运输顺槽113回风顺槽113工作面一号联络巷1-3分支孔1-1分支孔1#主孔2#主孔2-1分支孔1-2分支孔第二次现场试验

18、第二次现场试验5.3 5.3 螺杆马达定向效果分析螺杆马达定向效果分析1）带弯角螺杆马达钻孔轨迹是空间弯曲的变化过程，总体趋于一条不规）带弯角螺杆马达钻孔轨迹是空间弯曲的变化过程，总体趋于一条不规则的螺旋弯曲曲线；则的螺旋弯曲曲线；2）相同弯角螺杆马达参数基本相同状况下，钻孔降斜趋势比增斜趋势快；）相同弯角螺杆马达参数基本相同状况下，钻孔降斜趋势比增斜趋势快；当钻孔倾角小于当钻孔倾角小于-3左右时，用左右时，用0.62以下弯角螺杆马达无法实现以下弯角螺杆马达无法实现增斜钻进效果；增斜钻进效果；3）定向钻进过程中反扭矩力导致工具面向角有左偏趋势，随着孔深增加、）定向钻进过程中反扭矩力导致工具面向

19、角有左偏趋势，随着孔深增加、钻孔曲率增大，工具面左偏趋势增强；钻孔曲率增大，工具面左偏趋势增强；4）煤层和顶板岩层中定向时，）煤层和顶板岩层中定向时，0.93以下弯角轨迹变化较缓，但向上以下弯角轨迹变化较缓，但向上纠斜不太理想；纠斜不太理想；1.25以上弯角轨迹变化太快，不适于沿煤层较深以上弯角轨迹变化太快，不适于沿煤层较深施工；主孔侧钻开分支时，用施工；主孔侧钻开分支时，用1.25弯角效果较好。弯角效果较好。6 螺杆马达使用注意事项螺杆马达使用注意事项1）钻孔施工前，要认真学习螺杆马达使用说明书，对其结构和性能特点进行）钻孔施工前，要认真学习螺杆马达使用说明书，对其结构和性能特点进行仔细研究

20、。仔细研究。2）下钻前，要对螺杆马达进行孔口检查，查看螺杆的运转灵活程度、工具面）下钻前，要对螺杆马达进行孔口检查，查看螺杆的运转灵活程度、工具面向角的方向等。向角的方向等。3）用于定向钻进时，按设计的定向要求选择调整适宜的螺杆马达组合，特别）用于定向钻进时，按设计的定向要求选择调整适宜的螺杆马达组合，特别是合理的定向弯外管弯角。是合理的定向弯外管弯角。4）孔底钻具组合连接十分重要。装配时丝扣连接部位要牢固，必要部位须加）孔底钻具组合连接十分重要。装配时丝扣连接部位要牢固，必要部位须加丝扣紧固胶，以免工作时松脱。钻杆之间的连接丝扣应有良好的密封，避免丝扣紧固胶，以免工作时松脱。钻杆之间的连接丝

21、扣应有良好的密封，避免丝扣泄漏冲洗液，影响螺杆马达的流量输入以及钻孔测量信号。丝扣泄漏冲洗液，影响螺杆马达的流量输入以及钻孔测量信号。5）钻孔过程中尽量用清水作为冲洗液，冲洗液中含砂量（指大于）钻孔过程中尽量用清水作为冲洗液，冲洗液中含砂量（指大于0.074mm的的固相颗粒）应控制在固相颗粒）应控制在1%以下，有利于提高螺杆马达的工作寿命。以下，有利于提高螺杆马达的工作寿命。6）钻孔时压力降和流量应控制在螺杆马达合理的工作规范范围内，同时起下）钻孔时压力降和流量应控制在螺杆马达合理的工作规范范围内，同时起下钻具要平稳。加钻压时小心控制，避免马达憋死，造成螺杆提前损坏。钻具要平稳。加钻压时小心控

22、制，避免马达憋死，造成螺杆提前损坏。7 螺杆马达故障分析螺杆马达故障分析 注意细心观察泥浆泵压力变化，可以及早发现和注意细心观察泥浆泵压力变化，可以及早发现和判断钻进过程中孔内众多问题，参见下表正确分析和判断钻进过程中孔内众多问题，参见下表正确分析和采取适当的措施，避免机具损坏或孔内事故，造成人采取适当的措施，避免机具损坏或孔内事故，造成人力物力浪费。力物力浪费。异常现象异常现象可能原因可能原因判断及处理方法判断及处理方法压力表压力突然升高压力表压力突然升高马达失速马达失速把钻具上升把钻具上升0.3-0.6 m，核对循环压力，逐步加钻压，压力表随之逐步升高，均正常，核对循环压力，逐步加钻压，压力表随之逐步升高，均正常，可确认是失速。可确认是失速。马达传动轴卡死，马达传动轴卡死，钻头水眼被堵钻头水眼被堵把钻头提离孔底，压力表读数仍很高，只能提出钻具检查或更换钻头。把钻头提离孔底，压力表读数仍很高，只能提出钻具检查或更换钻头。压力表慢慢增高（不压力表慢慢增高（不指随钻孔深度