螺杆钻具DM工作机理及高性能长寿命的整机系统

螺杆钻具（PDM）工作机理及高性能长寿命的整机系统研究高性能长寿命螺杆钻具（PDM）

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（PDM）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（PDM）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分组成。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。旁通阀总成马达总成万向轴总成传动轴总成防掉总成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）、旁通阀总成2）、防掉总成3）、马达总成4）、万向轴总成5）、传动轴总成

其由旁通阀总成、防掉总成、马达总成、万向轴总成和传动轴总成五大部分组成。旁通阀总成马达总成万向轴总成传动轴总成防掉总成1）、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）、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于异常原因因造成壳体体断裂或脱脱扣时防止止落井并同同时使泵压压升高使地地面及时发发现问题避避免造成事事故。由定子和转转子组成。。定子是在钢钢管内壁上上压注橡胶胶衬套而成成。橡胶内孔是是具有一定定几何参数数的螺旋。。转子是一根根有镀铬硬硬层的螺杆杆。定子转子橡胶衬套定子壳体3）、马达总成abcd马达总成定子转子转子与定子子相互啮合合，是用两两者的导程程差而形成成的螺旋密密封线，同同时形成密密封腔。随随着转子在在定子中的的转动，密密封腔沿着着轴向移动动，不断的的生成与消消失，完成成其能量转转换，这就就是螺杆马马达的基本本工作原理理。密封舱马达定子一一个导程组组成一个密密封腔，也也称为一级级。每级额额定工作压压降为0.8Mpa,最大压降为为额定工作作压力的1.3倍，如四级级马达，额额定压降应应为3.2Mpa,最大压降为为4.2Mpa。压降超过过此值马达达就会产生生泄漏，转转速很快下下降，严重重时会完全全停止转动动，甚至造造成马达损损坏，用户户应特别注注意。为了确保马马达的密封封效果，转转子与定子子之间的配配合尺寸与与不同井深深的温度有有关,因此在选择择钻具时应应尽可能准准确地提供供给厂家钻钻具应用场场所的井温温情况，以以便推荐使使用松紧配配合状态适适合的马达达。现场使使用的泥浆浆流量应在在推荐的范范围之内,否则将影响响马达效率率，甚至马马达磨损加加快。马达的输出出扭矩与马马达的压降降成正比，，输出转速速与输入泥泥浆量成正正比，随着负载的的增加，钻钻具的转速速有所降低低，因此在在地面只要要根据压力力表控制压压力，根据据流量计控控制泵的流流量，就可可以控制井井下钻具的的扭矩和转转速。定子转子密封舱马达转子的的螺旋线有有单头和多多头之分（（定子的螺螺旋线头数数比转子多多1）。转子的头数数越少，转转速越高，，扭矩越小小;头数越多，，转速越低低，扭矩越越大。下图是几种种典型马达达配合的截截面轮廊：：1:23:45:67:89:10abc此马达的总总流量应等等于流经马马达密封腔腔流量和流流经转子喷喷嘴流量的的总和，每每种规格的的马达都有有其推荐的的最大和最最小流量值值。如果流流量过大，，转子会超超速运转，，定子和转转子会出现现提前损坏坏，如果流流量过小，，马达将停停止转动。。因此在选选择转子喷喷嘴尺寸时时，应确保保马达密封封腔流量始始终保持或或高于最小小推荐流量量值，这样样才能使马马达正常运运转。在泥浆密度度、喷嘴嘴尺寸和马马达流量为为定量时，，流经转子子喷嘴的流流量和流经经马达密封封腔的流量量总是随负负载变化而而变化的。。钻头离开开井底，马马达负载近近似为零，，此时流经经转子喷嘴嘴流量最小小，而流经经马达密封封腔的流量量最大。钻钻头钻进，，使马达压压差不断增增加，使流流经转子喷喷嘴流量增增加，而此此时流经马马达密封腔腔流量减少少。中空转子中空转子马马达：为了增加钻钻头的水马马力和泥浆浆的上返速速度，将转转子加工成成为带喷嘴嘴的中空转转子。中空喷嘴的的计算：：流经马达密密封腔的流流量为Qm，通过马达达喷嘴的流流量Qz即：总流量量Q=Qm+Qz设定马达转转速n值计算Qm值容积效率v取0.90∴Qz=Q–Qm(L/s)喷嘴直径Qm---马达密封腔腔流量(L/s)Qz---转子喷嘴的的流量(L/s)Q----中空转子马马达的总流流量(L/s)v---容积效率马达压降P=Pst+Pop∆Pst———马达启动压压降(MPa)∆Pop———马达工作压压降(MPa)ρ——泥浆比重(kg/L)计算公式中中q为中空转子子马达的每每转排量(L/r)其数值参见见下表。按计计算算公公式式，，可可以以根根据据使使用用需需要要随随时时更更换换不不同同直直径径的的喷喷嘴嘴，，从从而而达达到到理理想想的的效效果果。。马达达总总成成马达达总总成成装装配配万向向轴轴的的作作用用是是将将马马达达的的行行星星运运动动转转变变为为传传动动轴轴的的定定轴轴转转动动，，将将马马达达产产生生的的扭扭矩矩及及转转速速传传递递给给传传动动轴轴至至钻钻头头。。万万向向轴轴大大多多采采用用瓣瓣形形，，也也有有采采用用挠挠轴轴形形式式的的。。立林林钻钻具具的的瓣瓣型型万万向向轴轴采采用用数数控控切切割割技技术术制制成成，，切切口口平平行行度度高高，，粗粗糙糙度度可可达达6.3且不不破破坏坏金金属属化化学学成成分分，，因因此此使使用用寿寿命命高高、、机机械械损损失失小小。。球传传动动万万向向轴轴采采用用球球、、杆杆、、绞绞连连接接方方式式传传递递扭扭矩矩，，用用高高温温润润滑滑脂脂润润滑滑摩摩擦擦副副，，橡橡胶胶套套密密封封钢钢球球运运动动部部分分，，隔隔离离含含磨磨砺砺性性钻钻井井液液，，球球传传动动万万向向轴轴工工作作面面均均进进行行特特殊殊表表面面处处理理，，使使其其表表面面硬硬度度、、抗抗高高温温性性相相对对提提高高；；因因此此耐耐磨磨性性、、可可靠靠性性得得到到进进一一步步提提高高，，工工作作寿寿命命相相应应延延长长。。花瓣瓣型型万万向向轴轴总总成成球传传动动万万向向轴轴总总成成4）、、万万向向轴轴总总成成球传传动动万万向向轴轴总总成成的的组组成成：：传动动球球承压压球球球座座锁紧紧套套连杆杆活绞绞密封封套套可调调弯弯壳壳体体的的组组成成:上壳壳体体下壳壳体体定位位套套弯接接头头可调调弯弯壳壳体体：：可可调调角角度度范范围围有有0°°-2°°、0°°-3°°、0°°-4°°.可调调弯弯壳壳体体1.5°°0°°上壳壳体体下壳壳体体定位位套套万向向轴轴总总成成将转转子子的的偏偏心心运运动动转转化化成成传传动动轴轴的的定定轴轴运运动动。。传动动轴轴的的作作用用是是将将马马达达的的旋旋转转动动力力传传递递给给钻钻头头，，同同时时承承受受钻钻压压所所产产生生的的轴轴向向和和径径向向负负荷荷。。以以下下为为两两种种形形式式：：一、、钻钻头头水水眼眼压压降降为为7.0Mpa，采采用用硬硬质质合合金金径径向向轴轴承承和和中中间间有有一一组组推推力力轴轴承承的的传传动动轴轴总总成成（（如如下下图图））：：二、、钻钻头头水水眼眼压压降降为为14.0Mpa，采采用用硬硬质质合合金金径径向向轴轴承承和和金金刚刚石石复复合合片片（（PDC）的的平平面面止止推推轴轴承承，，其其寿寿命命更更长长、、承承载载能能力力更更高高。。7.0MPa传动动轴轴总总成成14.0MPa传动动轴轴总总成成5）、、传动动轴轴总总成成传动动轴轴总总成成的的组组成成：：壳体体下TC动套套下TC静套套锁母母上TC静套套上TC动套套串轴轴承承隔套套水帽帽传动动轴轴键传动动轴轴总总成成的的组组装装：：传动动轴轴总总成成装装配配径向向轴轴承承径向向轴轴承承离井井底底推力力轴轴承承坐井井底底推力力轴轴承承螺杆杆钻钻具具整整机机（1）、、常常规规螺螺杆杆钻钻具具（2）、、中中空空防防掉掉、、可可调调、、可可换换扶扶正正器器螺螺杆杆钻钻具具为了了适适应应钻钻井井的的需需要要，，螺螺杆杆钻钻具具的的传传动动轴轴总总成成的的外外壳壳上上配配有有不不同同种种类类的的稳稳定定器器，，有有固固定定式式的的和和可可换换套套式式的的，，稳稳定定器器的的扶扶正正条条形形式式多多种种多多样样。。直棱棱稳稳定定器器三瓣瓣偏偏心心稳稳定定器器三瓣瓣、、五五瓣瓣螺螺旋旋稳稳定定器器三瓣瓣、、五五瓣瓣球球型型稳稳定定器器可换换套套式式的的稳稳定定器器可换换稳稳定定器器套套筒筒壳体体本本体体中空空防防掉掉、、可可调调、、可可换换扶扶正正器器螺螺杆杆钻钻具具BHAusedinthe91/2"motorexample.Noticethe8.5m(27.9ft)separationbetweenmotoranddynamicssub.BHAforthe4?””example.DynamicsSubisplacedatthetopofthemotor1.2螺杆钻具特点12井下下动动力力钻钻具具：：接接在在钻钻杆杆下下端端，，随随钻钻杆杆一一起起下下入入井井底底的的动动力力机机。。主要有涡轮钻具具、螺杆杆钻具、、电动钻钻具等。靠高压泥泥浆通过过定、转转子通道道，驱动动转子在在定子螺螺线形通通道中旋旋转，产产生扭矩矩，带动动钻头破破碎岩石石。是一种容容积式井井下动力力钻具，，其转速速与泵排排量成正正比，扭扭矩与泵泵压、钻钻压成正正比，通过泵泵压可间间接指示示钻压。。因转速较较低相对对于涡轮轮钻具低低。将冲洗液液的动能能转换成成机械能能的一种种孔底动动力机。。它的回转转不象螺螺杆钻那那样靠液液体的压压力而是是由液体体的流速速来驱动动。钻探时钻钻杆不转转动，钻钻杆工作作条件可可以得到到明显改改善。涡轮钻可可以配合合牙轮钻钻头、金金刚石钻钻头钻垂垂直孔、、定向孔孔和多底底钻孔，，缺点是是转速高高、扭矩矩小、轴轴承寿命命短、易易损件多多、钻头头寿命较较短。1.2.1螺杆钻具具与涡轮轮钻具比比较螺杆钻具具涡轮钻具具1.2.2螺杆钻具具与转盘钻井井或顶驱钻钻井比较较（1）提高钻钻速，缩缩短周期期，降低低成本。。（2）减少钻钻杆磨损损和动力力传递损损耗。（3）准确造造斜、定定向、纠纠偏，提提高工程程质量。。（4）用于水水平井、、丛式井井，提高高钻井的的经济效效益。（5）复合直直井钻进进，减少少起下钻钻次数。。（6）缩短钻钻井周期期，抑制制对油气气层的污污染。螺杆钻具具型号的的选择：：(1)、安全性性的原则则：(2)、输出扭扭矩最大大的原则则：(3)、排量合合适的原原则：(4)、考虑适适合钻井井施工工工艺的原原则：1.3螺杆钻具选择与注意事项abc对泥浆的的要求：：合理配用用钻头及及水眼：：均匀混合合堵漏材材料（LCM））：确定井底底温度：：de控制泥浆浆排量和和输出转转速：平衡水力力推力与与钻压：：优选泵压压和钻压压：下钻注意意事项；导向钻进进注意事事项……rghij高性能长长寿命螺螺杆钻具具（PDM）

关键键部件及及整机装装配研究究螺杆钻具（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3一些建议和研究4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螺杆钻具失效机理螺杆钻具具失效形形式及失失效机理理22.1螺杆钻具失效形式常见失效效形式：：1）使用方方式，2）钻井液液性能，，3）井身轨轨迹，4）地层因因素，5）钻进参参数，6）操作因因素1）、扶正正器磨损损2）、传动动轴的断断裂3）、万向向轴断裂裂4）、砂卡卡5）、橡胶胶掉块6）、壳体体断裂7）、脱扣扣影响因素素：挠性轴常常见失效效情况1）、传动动轴强度度不高2）、万向向轴寿命命低3）、马达达寿命低低4）、旁通通阀不耐耐冲蚀导致螺杆杆钻具寿寿命低！！根本原因因目前螺杆杆钻具水水平部件寿命（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……定子失效效机理：：以关键件件和易耗耗件展开开失效机机理分析析，进而而从系统统出发，，分析整整机失效效机理……仅以马达达定子失失效机理理为例：：1）、机械械失效2）、疲劳劳失效3）、热失失效和滞滞后失效效（橡胶胶使一部部分扭曲曲能量转转化为滞滞后热量量）4）、化学学失效定转子配配合与寿寿命的关关系曲线线高性能长长寿命螺螺杆钻具具（PDM）

关键键部件及及整机装装配研究究螺杆钻具（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3一些建议和研究4高性能长长寿命螺螺杆钻具具研制关关键技术术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长寿命螺螺杆钻具具研制关关键技术术33.1橡胶目前国内内外用于于螺杆泵泵定子的的橡胶类类型主要要有：传传统的有有丁腈橡橡胶(NBR)，新的胶胶种有羧羧基丁腈腈橡胶(XN2BR)、丁腈橡橡胶与聚聚氯乙烯烯(NBRPVC)或羧基丁丁腈橡胶胶与聚氯氯乙烯(XNBRPVC)共混胶；；还有氢氢化高饱饱和丁腈腈橡胶(HNBR)。橡胶种类类XNBR橡胶耐热热油、耐耐磨；水水溶胀小小，压缩缩永久变变形小,弹性高,抗撕裂强强度高，，易挤出出，有利利于注压压成形,动态性能能较好。。abcNBRPVC或XNBRPVC共混胶胶比NBR有更好好的挤挤出性性能,更好的的耐油油、耐耐化学学药品品和耐耐溶剂剂性,更好的的耐水水性和和耐磨磨性,而且尺尺寸稳稳定性性好。。HNBR橡胶能能长期期耐150℃高温,具有良良好的的耐油油性、、耐H2S介质、、耐磨磨,是一种种有较较好力力学性性能的的新型型橡胶胶。目前国国内解解决螺螺杆钻钻具橡橡胶性性能。。主要要依靠靠改变变胶料料填充充物的的比例例来获获得超超常规规的物物理性性能指指标。。对其其动态态性能能研究究甚少少。往往往造造成定定子橡橡胶的的物理理性能能指标标有所所提高高。但但使用用的螺螺杆钻钻具性性能并并不理理想。。3.2等壁厚定子等壁厚厚定子子是螺螺杆钻钻具产产品中中近几几年开开发的的最新新技术术，该该技术术的特特点是是在定定子注注胶之之前，，在定定子壳壳体中中预先先加工工出定定子的的螺旋旋形状状，然然后再再实施施注胶胶技术术。该该技术术提高高了每每一级级的密密封压压力，，由原原来的的每级级0.8MPs提高了了50%一100%，在同同等扭扭矩下下定子子长度度最短短，寿寿命也也有所所提高高。等壁厚厚橡胶胶定子子管定子失失效机机理：：1）、机机械失失效2）、疲疲劳失失效3）、热热失效效和滞滞后失失效（（橡胶胶使一一部分分扭曲曲能量量转化化为滞滞后热热量））4）、化化学失失效Comparisonofconventionalstatorgeometry(a)withnewhighperformancePDMstatordesign(b)3.3推力轴承推力轴轴承设设计要要点：：1）、接接触角角2）、沟沟道半半径3）、挡挡边直直径4）、轴轴承材材料5）、轴轴承游游隙试验表表明，，国产产的推推力轴轴承可可代替替进口口轴承承，满满足螺螺杆钻钻具的的需要要。从从发展展来看看，由由于恶恶劣的的工作作条件件，即即使通通过设设计提提高了了轴承承的寿寿命，，但再再从轴轴承本本身(材料、、设计计)寻求突突破已已潜力力不大大，只有充充油密密封技技术取取得突突破，，使轴轴承的的工作作条件件得以以改善善，才能从从根本本上解解决轴轴承寿寿命问问题。。轴承游游隙3.4螺纹吐哈油油田先先后发发生了了两起起螺杆杆钻具具与钻钻铤连连接的的钻柱柱转换换接头头断裂裂失效效事故故。《螺杆钻钻具》表3钻具规规格和和连接接螺纹纹中，，现场场较常常用的的螺杆杆钻具具上端端连接接螺纹纹的弯弯曲强强度比比，大大部分分不符符合SY/T5369-94中5.28的要求求。大邑二二井螺螺杆钻钻具事事故图图片ab对《螺杆钻钻具》表3钻具规规格和和连接接螺纹纹中现现场较较常用用的螺螺杆钻钻具上上端连连接螺螺纹进进行修修改，，使其其弯曲曲强度度比符符合SY/T5369-94中5.28的要求求，是是复合合钻井井过程程中减减少钻钻具失失效事事故的的措施施之一一。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轴万向轴轴部件寿命（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装配对系统统综合合性能能和整整体寿寿命影影响至至关重重要。。ab实验系系统是高性性能长长寿命命螺杆