螺桿鉆具工作原理

Screw drilling tool

luogan zuanju

1、鉆井液要求：螺桿鉆具對于各種泥漿都能有效地工作，包括油基泥漿、乳化泥漿和粘土泥漿，甚至清水等。泥漿粘度和比重對鉆具的影響很小，但對整個系統(tǒng)的壓力有直接影響，如果推薦排量下的壓力大于額定泵壓值，就得減少泥漿排量，或者有必要降低通過鉆具和鉆頭的壓力降。泥漿中的砂粒等雜質會影響鉆具性能，加速軸承和馬達定子的磨損，因此泥漿中含砂量必須控制在1%以下。每種型號的鉆具都有自身的輸入流量范圍，只有在此范圍內鉆具才能有較高的效率，一般應取輸入流量范圍的中間值為最佳輸入流量值。

2、泥漿壓力要求： 鉆具懸空時，排量不變，則通過鉆具的泥漿壓力降也不變，隨著鉆頭 接觸井底鉆壓增加時，泥漿循環(huán)壓力增加，泵壓也增加，司鉆可用以下公式來控制操作： 打鉆泵壓=循環(huán)泵壓 鉆具負載壓降 循環(huán)泵壓就是鉆具沒有接觸井底時泵壓，也叫離底泵壓，鉆具加大扭矩，泵壓就要上升，這時壓力表的讀數(shù)就叫打鉆泵壓。離底泵壓不是一個常數(shù)，它隨井深和泥漿的特性變化而變化，但實際操作中，無必要隨時測取循環(huán)泵壓的精度值，一般取每次接單根后的離底泵壓為近似值，這樣做完全可以滿足公式的精度要求。鉆具在工作中，打鉆泵壓達到最大推薦壓力時，鉆具產(chǎn)生最佳扭矩繼續(xù)增加鉆壓將增加泵壓，當超過最大設計壓力時，馬達可能會制動，此時應立即降低鉆壓，以防鉆具內部損壞。

螺桿鉆具主要由旁通閥、液馬達、萬向軸和傳動軸等四大總成組成。螺桿馬達是鉆具的主要部件，很多實踐和理論分析結果表明，如欲使馬達正常有效地工作，每級馬達所能承受的壓降以不超過0.8Mpa為宜,否則馬達就有漏失。轉速很快降低，嚴重時則完全停止轉動，馬達損壞。（馬達的一個導程為一級） 現(xiàn)場使用的泥漿流量應在推薦的使用范圍內，否則將影響馬達效率，甚至加大磨損。螺桿馬達的性能參數(shù)是螺桿鉆具的主要性能參數(shù)。馬達的理論輸出扭矩和馬達壓降成正比，輸出轉數(shù)與輸入泥漿流量成正比，隨著負荷的增加鉆具轉數(shù)降低，所以只要控制地面上的壓力表的讀數(shù)和泵的流量，就能控制井下鉆具的扭矩和轉速。

螺桿鉆具旁通閥部分

旁通閥由閥體、閥套、閥芯及彈簧等部件組成，在壓力作用下閥芯在閥套中滑動，閥芯的運動改變了液體的流向，使得旁通閥有旁通和關閉兩個狀態(tài)：在起、下鉆作業(yè)過程中，閥套與閥體通孔未閉和，旁通閥處于旁通狀態(tài)，使鉆柱中泥漿繞過馬達進入環(huán)空；當泥漿流量和壓力達到標準設定值時，閥芯下移，關閉旁通閥孔，此時泥漿流經(jīng)馬達，把壓力能轉變成機械能。當泥漿流量值過小或停泵時，彈簧把閥芯頂起，旁通閥孔處于開啟位置--處于旁通狀態(tài)。

螺桿鉆具馬達介紹

馬達由定子、轉子組成。定子是在鋼管內壁上壓注橡膠襯套而成，其內孔是具有一定幾何參數(shù)的螺旋；轉子是一根有硬層的螺桿。轉子與定子相互嚙合，用兩者的導程差而形成螺旋密封腔，以完成能量轉換。馬達轉子的螺旋線有單頭和多頭之分。轉子的頭數(shù)越少，轉速越高，扭矩越小；頭數(shù)越多，轉速越低，扭矩越大。

螺桿鉆具萬向軸簡介

萬向軸的作用是將馬達的行星運動轉變?yōu)閭鲃虞S的定軸轉動，將馬達產(chǎn)生的扭矩及轉速傳遞給傳動軸至鉆頭。萬向軸多采用撓軸式。

螺桿鉆具轉動軸

傳動軸的作用是將馬達的旋轉動力傳遞給鉆頭，同時承受鉆壓所產(chǎn)生的軸向和徑向負荷。我公司制造的鉆具傳動軸結構已申請國家專利，具有壽命更長、承載能力更高等諸多優(yōu)點。

螺桿鉆具在出廠前，各部件之間的連接螺紋均已涂厭氧膠，并按規(guī)定力矩上緊，使用前不需要重新緊扣。

1、下井前地面檢查： 用提升短節(jié)將鉆具提起，入轉盤卡瓦內，使旁通閥位于轉盤之上，裝上安全卡瓦，卸去提升短節(jié)，檢查旁通閥的靈活性，方法是用木棒壓下閥芯，然后松開，閥芯在彈簧力的作用下，恢復正常，反復壓下3-5次，閥芯無卡阻，運動靈活，接著將鉆具旁通孔部位下到鉆盤以下開泵，旁通孔封閉，馬達啟動，驅動接頭旋轉，停泵后，閥芯復位，泥漿從旁通孔瀉出，鉆具正常。

2、鉆具下入井內 (1)鉆具下井時，嚴格控制下放速度，以防過快時馬達倒轉，使內部連接絲扣脫扣，同時防止在通過砂橋、套管鞋等處撞壞鉆具。(2)當下入深井段或遇到高溫井段時，以及經(jīng)過流砂層井段時，應定期循環(huán)泥漿冷卻鉆具，保護定子橡膠，防止砂堵。(3)鉆具接近井底時要放慢速度，提前循環(huán)后再繼續(xù)下鉆，循環(huán)先小排量，待井口返出泥漿后，再加大排量。(4)不允許頓鉆或將鉆具座在井底。

3、鉆具鉆進 (1)鉆具鉆進前應充分清洗井底，并測循環(huán)泵壓。(2)開始鉆進時應緩慢加鉆壓，待正常鉆進時，司鉆可用下列公式控制操作： 打鉆泵壓=循環(huán)泵壓 鉆具負載壓降 (3)開始鉆進，鉆進速度不宜太快，此時鉆具和鉆頭都很緊，井底尚未 清洗，易產(chǎn)生鉆頭泥包。(4)鉆具產(chǎn)生的扭矩與馬達的壓力降成正比，因此增大鉆壓就能增大扭矩。(5)均勻送鉆能保證井段的曲線光滑和定向精度。

4、從井眼中起出并檢查鉆具 (1)用清水沖洗旁通閥，用木棒上、下活動閥芯，使其能關閉靈活為止。(2)用管鉗咬住鉆具，用鏈鉗順時針轉動驅動接頭，從旁通閥上部注入清水清洗鉆具內部，最后向馬達內注入少量礦物油。(3)起鉆應注意起鉆速度，以防卡鉆損壞鉆具。(4)測量鉆具的軸承間隙,如軸承間隙超過最大允差，應對鉆具進行維修，更換新軸承(對于修井鉆則應調整軸承的軸向間隙)。

螺桿鉆具下井前的地面檢查

螺桿鉆具下井前的地面檢查

1.螺桿鉆具除了提升短節(jié)與旁通閥連接外，其他部分的殼體連接均涂鎖緊劑。

2.用螺桿鉆頭裝卸器把螺桿鉆頭裝上，只許用鏈鉗轉動螺桿鉆具傳動軸頭，而且只能逆時針旋轉（俯視旋向，下同），以防止內部螺紋松扣。

3.吊起提升短節(jié)，把螺桿鉆具放入轉盤中，把旁通閥置于轉盤中易于觀察的位置。用卡瓦把螺桿鉆具卡牢，卸去提升短節(jié)。

4.檢查旁通閥：用錘柄或木棒向下壓旁通閥芯，從上部向旁通閥注滿水，此時旁通閥應不漏，水面無明顯下降，然后挪走木棒，閥芯應被彈簧彈起復位，所注水應從側面各孔均勻流出，即可認為正常。

5.下放后，使旁通閥位于鉆桿下方便于觀察的地方，開動鉆井泵，逐漸提高排量直到旁通閥關閉，上提螺桿鉆具，看螺桿鉆頭是否轉動，此時旁通閥處于“關閉”位置。不應有鉆井液從旁通孔流出。停泵后注意觀察旁通閥是否再次打開，使鉆井液從旁通孔排出。泵未完全停止之前，不要把旁通閥提到轉盤以上，防止污染井臺。

6.按設計的螺桿鉆具組合，分別把彎接頭、無磁鉆鋌、穩(wěn)定器等接好。

把螺桿鉆具下到井眼

鉆下放螺桿鉆具時，需控制下放速度，否則易被井眼中的沙橋、井眼臺肩、套管鞋所損壞。如遇到這樣的井段，往往需開動鉆井泵，慢慢地擴大井眼再通過。

如果用彎接頭或彎殼體，螺桿鉆頭側面就更易碰上井壁的硬巖層和套管鞋等，要周期性的轉動螺桿鉆具，以消除側鉆的影響。

對于深井和高溫井，下放螺桿鉆具時建議周期性地進行中途循環(huán)，這樣可以防止螺桿鉆頭堵塞，或因高溫造成螺桿鉆具定子損壞。

在井內，鉆井液若不能迅速通過旁通閥閥口，應減慢下井速度，或不時停下來充灌泥漿，下鉆時，注意不可墩鉆或將螺桿鉆具直接放進井底。

開動螺桿鉆具：

如果螺桿鉆具處于井底，必須提起0.3-0.4m，開動鉆井泵，此時記下立桿壓力表讀數(shù)，與計算的壓力值對比一下，如果超過水力計算的壓力數(shù)值也是正常的，這是螺桿鉆頭側鉆引起的。

清理井底：尤其是打斜井，井底必須足夠“干凈”，因為井底堆積或沉淀的巖屑影響轉速或造斜。最好用正常的鉆井液循環(huán)清理，清理時也可慢慢轉動螺桿鉆具或螺桿鉆具分次轉動（每次轉動30o-40o），依次地把堆在井底的物體清理干凈。清理干凈后，再把螺桿鉆具上提0.3-0.4m，校對壓力值，記錄下來。

重新下入井底并逐步加鉆壓，馬達扭矩增加，立桿壓力表壓值升高，這個升高的壓力值應符合各型號螺桿鉆具規(guī)定的馬達壓降值，此壓力表增大的數(shù)值反映了馬達的負載是否正常，也反映鉆壓加的是否合適，因此保持馬達轉速基本穩(wěn)定，鉆壓基本穩(wěn)定，只要把立桿壓力表讀數(shù)限制在所選螺桿鉆具推薦范圍內就可以了。它能使司鉆及時了解螺桿鉆具工作情況。

螺桿鉆頭不在井底時，如果循環(huán)壓力高，則可能是螺桿鉆頭水眼被堵或傳動軸被卡死。

起鉆：

起鉆時，旁通閥處于旁通狀態(tài)，允許鉆柱中的鉆井液瀉入環(huán)空，但是螺桿鉆具本身不能排出鉆井液，通常在起鉆前在鉆柱上部注入一段加重鉆井液順利排出。

1.在螺桿鉆具提出到旁通閥位置后，卸下旁通閥口上各部件，用清水從旁通閥頂部進行沖洗，然后使用木棒或錘柄等將閥芯按下、松開使其移動無阻。清洗完畢，擰上提升短節(jié)，提出螺桿鉆具。

應用

旁通閥的應用。當前的情況就是螺桿鉆具的旁通閥結構一直沿用的是過去的技術，并沒有將現(xiàn)在的先進理念運用到其中，在根本上就是屬于落后的方式，其中包含著對閥體的設計、閥芯的安裝以及閥套和密封圈的材料抉擇，這些都是影響施工工藝的重要零件，因此，必須提高鉆井工藝的施工成本，對舊的零件進行更換，使用先進的技術，保障螺桿鉆具的正常運行。

工作原理和結構組成

它是由閥體、閥芯、閥套和彈簧四個部分的組件結合而成，其中每一個的安裝部位都影響著下一步的安裝，例如螺桿鉆具旁通閥的關鍵部分是閥體，它連接著鉆具的桿和馬達，是中間的連接桿，對于閥芯和閥套，主要存在于內部的中空閥體中，最后再將彈簧的組件安裝在閥芯和閥套上，其最基本的工作原理就是在進行井下的鉆井工作時，閥芯的上面與下面的受壓能力是相等的，閥體受彈簧的影響導致閥芯處于上端，當旁通閥處于打開的狀態(tài)時，柱內的空間會與筒環(huán)形的空間進行融合，讓鉆井中所產(chǎn)生的液體通過旁通閥流到鉆桿中，在進行鉆井的過程中，受其中液壓的影響，導致閥芯周圍的彈簧四處竄動，進而縮小，導致旁通閥的通道關閉，對于這一過程，鉆井中液體的流行能夠形成循環(huán)的模式，成為馬達的原動力，開始進行鉆時，就會排除液壓的影響，讓彈簧恢復如初，閥芯向上移動，重新打開旁通閥，讓鉆桿中的液體能夠順利的流到井壁的環(huán)形通道內。

故障分析

（1）旁通閥通道中進入的污染物質。在開始進行鉆井時，螺桿鉆具旁通閥的主要功能是將鉆柱和井筒的環(huán)形空間進行連接溝通，讓其中的泥漿能在鉆井過程中順利通過旁通閥的管道進入到井筒環(huán)形的空間里，避免污染物質到達井臺。而對于鉆井過程中，周邊的液壓就會消失，讓彈簧恢復原狀，將閥芯進行位移，導致閥門打開，使柱與井筒形成竄連的形式，將內部的泥漿排出，由于這些污染物質的形狀各異，極其容易形成堆積，導致彈簧的功效無法正常的發(fā)揮，從而造成螺桿鉆具不能正常的使用，進而造成工序失敗，并損失了大量的資金。

（2）旁通閥的操作性能不靈敏。在進行旁通閥的最初制作時，由于流量開啟的數(shù)據(jù)不明確，導致彈簧所需要承受的收縮系數(shù)難以確定，所以會造成彈簧收縮較緊，導致操作失誤。而對于流量較小的螺桿鉆具旁通閥，卻是因為閥芯兩端之間的抗壓能力較差，不能抵抗彈簧的收縮，導致能源的流失，因此不能進行低速的小流量鉆井工作，所以在進行螺桿鉆具旁通閥的設計時，必須結合多種因素進行合理的構思，保證彈簧上下的接觸問題，進而解決操作性能不靈敏的問題。

結構優(yōu)化

第一，在閥套的固定方式上，將過去的孔用彈性擋圈替換成新型的定位銷方式，在旁通閥的基礎設備安裝結束后，分別在它上面分布四個定位銷，并保持間距位置一致，銷的下面還需要扁平設計，加大它與閥套的接觸范圍，這樣便可加強抗壓能力，增加螺桿鉆具旁通閥的穩(wěn)定性 ；第二，在進行其中孔洞安裝時，需要安裝過濾型旁通絲，以免污染物體流入旁通閥，導致彈簧難以發(fā)揮作用。而過濾型旁通絲則需要固定在通道中的孔洞內，并且保證每個大小一致，位置一致，讓鉆井產(chǎn)生的液體順利的流出，過濾掉其中所存在的殘渣，以免造成旁通閥故障，進而縮短使用年限。

本標準規(guī)定螺桿鉆具轉子電鍍鉻的要求，包括類型、工藝、檢驗規(guī)則、檢驗方法和儀器。 本標準適用于鉆井、修井作業(yè)及特殊作業(yè)用的井下螺桿鉆具轉子鍍鉻。

《螺桿泵與井下螺桿鉆具》側重于螺桿泵的實際應用，根據(jù)螺標泵在使用中的需要，系統(tǒng)講解了螺桿泵的基本原理、分類、設計參數(shù)、應用準則、安裝實例和故障維修?！堵輻U泵與井下螺桿鉆具》適合螺桿泵的設計、使用人員，高校相關專業(yè)的師生使用。