1、2、井下動力鉆具發(fā)展概況l 世界上第一臺單級渦輪的專利于1873年的美國，比轉(zhuǎn)盤鉆井的提出還早11年。但真正應(yīng)用是在世紀(jì)20、30年代的前。作為全球80%以上的油井在螺桿鉆具問主要應(yīng)用渦輪鉆井的，在50年代中期以前，前是用渦輪鉆進(jìn)的。與前不同的是，美、英等西方世前，絕大部分的油井是用轉(zhuǎn)盤鉆鉆成的。l 由于渦輪鉆具的小扭矩和高轉(zhuǎn)速而無法與牙輪鉆頭匹配，人們迫切希望尋找新的具有低轉(zhuǎn)速和大扭矩特性的鉆井工具的技術(shù)需求，導(dǎo)致了螺桿鉆具的誕生。l 20世紀(jì)30年代，法國工程師根據(jù)對阿基米德螺旋泵的研究成果設(shè)計了單螺桿泵。1955年，美國戴納公司(Dyna)在單螺桿泵的基礎(chǔ)上研制開發(fā)單螺桿鉆具，于1968

2、年起開始出售商品，一時占領(lǐng)世界市場。1966年，前的全蘇鉆井科學(xué)技術(shù)開始研制多頭螺桿鉆具。這種鉆具的低轉(zhuǎn)速大扭矩特性進(jìn)一步了單頭螺桿轉(zhuǎn)速偏高、扭矩偏小、仍不太適合牙輪鉆頭的不足，擴(kuò)大了螺桿鉆具在定向井中的推廣應(yīng)用。3-1 井下動力鉆具簡介2、井下動力鉆具發(fā)展概況l 隨著定向井?dāng)?shù)目的增加，20世紀(jì)70年代，人們對螺桿鉆具的與日俱增。多頭螺桿鉆具逐步取代單頭螺桿鉆具而成為主導(dǎo)。的國外鉆井設(shè)備公司，特別是斯倫貝謝、貝克(Baker)和克里斯坦森等公司，都開始制造的多頭螺桿鉆具。l 井下動力鉆具在美、英、法、德和原等，經(jīng)過40年的探索和研究，其制造工藝及其應(yīng)用技術(shù)不斷發(fā)展和完善，已成為世界石油鉆井中定

3、向井、叢式井、大斜度井、水平井等鉆井作業(yè)必不可少的重要工具。l 我國是在20世紀(jì)70年代末期開始研制渦輪鉆具和多頭螺桿鉆具，在80 年代初曾推廣使用渦輪鉆具，但由于其轉(zhuǎn)速高與牙輪鉆頭不配套，加之當(dāng)時的固相處理技術(shù)不過關(guān)，限制了渦輪鉆具的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代引進(jìn)美國戴納公司(Dyna)螺桿鉆具技術(shù)后，螺桿鉆具發(fā)展迅速，得到普遍應(yīng)用?，F(xiàn)在，我國已有十余家工廠可以生產(chǎn)螺桿鉆具，國產(chǎn)螺桿鉆具已成為主要的鉆井工具。3-1 井下動力鉆具簡介3、井下動力鉆具分類螺桿鉆具液力驅(qū)動渦輪鉆具電驅(qū)動電動鉆具 本節(jié)主要講解螺桿鉆具和渦輪鉆具 3-1 井下動力鉆具簡介井下動力鉆具3-2 螺桿鉆具l 螺桿鉆具：根據(jù)莫依

4、諾（Rene Moineau ）原理制造的，容積式井下動力機械， 。l 作用：把鉆井液的水力能轉(zhuǎn)化為機械能供給鉆頭。l 應(yīng)用領(lǐng)域：主要用于定向井、水平井的定向造斜及扭方位 施工，也用于直井反扣或側(cè)鉆作業(yè)中，是目前使用最廣泛 的一種井下動力鉆具。l 生產(chǎn)商： Smith公司：迪納鉆具（Dyna系列）； Christensen公司：納維鉆具（Navi系列）； 北京石油機械廠、大港中成石油機械廠、立林公司。1、基本結(jié)構(gòu)l 由四部分組成，從上至下依次為：旁通閥總成； 馬達(dá)總成； 萬向軸總成；傳動軸總成。3-2 螺桿鉆具旁通閥是螺桿鉆具的輔助部件。A、旁通閥總成 作用：停泵時使鉆柱內(nèi)空間與環(huán)空，避免起下

5、鉆和接單根時鉆柱內(nèi)鉆井液溢出污染鉆臺， 影響正常工作。 結(jié)構(gòu)：由閥體、閥芯、彈簧、篩板等組成。3-2 螺桿鉆具1、基本結(jié)構(gòu)A、旁通閥總成l 工作原理：a. 開泵時，鉆井力迫使閥芯向下運動，造成彈簧壓縮并關(guān)閉閥體上的通道（內(nèi)裝篩板過濾異物）， 此時螺桿鉆具可循環(huán)鉆井液或正常鉆進(jìn)。b. 停泵時，鉆井力消失，被壓縮的彈簧上舉閥芯，旁通閥開啟，使鉆柱內(nèi)空間與環(huán)空。3-2 螺桿鉆具1、基本結(jié)構(gòu)馬達(dá)是螺桿鉆具的動力部件。B、馬達(dá)總成l 作用：把鉆井液的水力能轉(zhuǎn)化為機械能。l 結(jié)構(gòu)：由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成。ü 轉(zhuǎn)子是一根表面鍍有耐磨材料的鋼制螺桿，其上端是自由 端，下端與萬向軸相連。ü

6、定子包括鋼制外筒和硫化在外筒內(nèi)壁的橡膠襯套，橡膠襯套內(nèi)孔為一個螺旋曲面的型腔。3-2 螺桿鉆具1、基本結(jié)構(gòu)B、馬達(dá)總成 工作原理：萬向軸約束了轉(zhuǎn)子的軸向運動，所以高壓鉆井液在流過馬達(dá)副時，不平衡的水驅(qū)動轉(zhuǎn)子作平面行星運動，轉(zhuǎn)子的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和力矩經(jīng)萬向軸傳給傳動軸和鉆頭。3-2 螺桿鉆具1、基本結(jié)構(gòu)C、萬向軸總成l 作用：將馬達(dá)的行星運動轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲃虞S的定軸轉(zhuǎn)動， 將馬達(dá)產(chǎn)生的扭矩及轉(zhuǎn)速傳遞給傳動軸和鉆頭。l 結(jié)構(gòu)及工作原理：殼體和萬向軸。a) 直螺桿鉆具的萬向軸殼體無彎角，而彎殼體螺桿鉆具的萬向軸殼體帶有彎角。b) 萬向軸有幾種不同的結(jié)構(gòu)形式，普遍采用瓣型連接軸和撓性連接軸。3-2 螺桿鉆具1、基

7、本結(jié)構(gòu)D、傳動軸總成l 作用：將馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)動力傳遞給鉆頭，同時承受鉆壓所產(chǎn)生的軸向和徑向負(fù)荷。l 結(jié)構(gòu)及工作原理：a) 由殼體、傳動軸、上部推力軸承、下部推力軸承、徑向扶正軸承組及其它輔助零件總裝組成。b) 上、下推力軸承用來承受鉆具在各種工況下產(chǎn)生的軸向力。徑向扶正軸承組用于對傳動軸進(jìn)行扶正，保證其正常工作位置。31-2 螺桿鉆具、基本結(jié)構(gòu)D、傳動軸總成l 結(jié)構(gòu)及工作原理：c) 傳動軸總成的推力軸承是螺桿鉆具最易損壞的部位（上部推力軸承）。d) 常規(guī)螺桿鉆具的傳動軸外殼上不帶穩(wěn)定器（水平井用的螺桿鉆具除外）。e) 對干中曲率造斜用的螺桿鉆具，為了保證有足夠的造斜率，要求壓縮萬向軸殼體彎點至鉆

8、頭的距離，需要設(shè)計軸向較小的傳動軸總成。31-2 螺桿鉆具、基本結(jié)構(gòu)2、工作原理l 當(dāng)高壓流體從鉆柱內(nèi)孔進(jìn)入螺桿鉆具時，液體迫使旁通閥活塞下行并密封旁通閥篩孔， 整個鉆具變形成了一個高壓密封系統(tǒng)；l 當(dāng)液體通過轉(zhuǎn)子和定子間組成的連續(xù)密封腔時推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，經(jīng)萬向軸的轉(zhuǎn)換把行星轉(zhuǎn) 動變?yōu)檩S心轉(zhuǎn)動，帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，即把鉆井液的液力能通過螺桿轉(zhuǎn)換成機械能。3-2 螺桿鉆具3、分類方法以“5LZ1657.0B”為例：5馬達(dá)轉(zhuǎn)子為5頭；LZ螺桿鉆具；165外徑為165mm（6-1/2in）；7.0許用的最大鉆頭水眼壓降為7.0MPa；B第二次改進(jìn)（為中空轉(zhuǎn)子） 。 LZ × 軸承結(jié)構(gòu)形式最大鉆頭水

9、眼壓降(MPa)鉆具直徑(mm)轉(zhuǎn)子瓣數(shù)(單頭省略) C：船用橡膠軸承Y：硬質(zhì)合金軸承J：石軸承0：轉(zhuǎn)子中空1：改進(jìn)型2：撓性軸3：彎殼體4：雙彎殼體5：穩(wěn)定器6：穩(wěn)定器彎殼體7：穩(wěn)定器雙彎殼體3-2 螺桿鉆具根據(jù)螺桿馬達(dá)的結(jié)構(gòu)特征及其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分類。3、分類方法(1) 按螺桿馬達(dá)的結(jié)構(gòu)特征分類a) 按螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子端面線型的“頭數(shù)”N（Lobe，又稱波瓣數(shù)）， 可分為單頭鉆具（N=1）和多頭鉆具（N³2）。單頭馬達(dá)具有高轉(zhuǎn)速、小扭矩特性。多頭馬達(dá)具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩特性。b) 按馬達(dá)轉(zhuǎn)子與定的關(guān)系進(jìn)行子頭數(shù)分類。原理上講，只要二者頭數(shù)相差1均可螺桿馬達(dá)，可分為N/（N+1）型N/（N

10、1）型兩種。 目前油氣井作業(yè)中普遍采用N/（N+1）型螺桿鉆具。c) 按馬達(dá)“級數(shù)”進(jìn)行分類。螺桿馬達(dá)的定子轉(zhuǎn)子運動副的長度與定子導(dǎo)程長度的比值，即定子轉(zhuǎn)子運動副所包含的定子導(dǎo)程的整倍數(shù)，稱為螺桿馬達(dá)的級數(shù)（Stage）。實際用于鉆井作業(yè)的螺桿鉆具馬達(dá)，單頭的多在3級以上，多頭的多在2級以數(shù)越多，馬達(dá)可輸出的工作力矩值越大。3-2 螺桿鉆具3、分類方法(2) 按螺桿鉆具（馬達(dá)）的公稱外徑分類便于使用者根據(jù)所鉆井眼來選擇相應(yīng)直徑的螺桿鉆具，或生產(chǎn)者根據(jù)井眼系列來開發(fā)螺桿鉆具的系列與規(guī)格。ü 216mm井眼：165mm、172mm；ü 244mm311mm井眼：197mm、20

11、3mm；ü 311mm以上井眼：244mm。ü 152mm以下井眼（小井眼）：120mm、100mm、95mm、89mm、54mm等。多用于套管開窗側(cè)鉆和修井作業(yè)，及地質(zhì)勘探和其他工程的鉆小孔作業(yè)。3-2 螺桿鉆具3、分類方法隨著鉆井技術(shù)發(fā)展及彎殼體螺桿鉆具品種規(guī)格的增加，彎殼體螺桿鉆具的應(yīng)用更加普遍。(3) 按螺桿鉆具萬向軸殼體結(jié)構(gòu)特征分類根據(jù)萬向軸殼體是否帶有結(jié)構(gòu)彎角，將螺桿鉆具劃分為常規(guī)的直 螺桿鉆具（無結(jié)構(gòu)彎角）和彎殼體螺桿鉆具（帶結(jié)構(gòu)彎角）。l 直螺桿鉆具上方加配彎接頭主要用于鉆常規(guī)定向井。l 彎殼體螺桿鉆具主要用于鉆水平井、大位移井、多分支井等。3-2 螺桿鉆具

12、導(dǎo)向螺桿鉆具l 結(jié)構(gòu)特點：彎殼體穩(wěn)定器中空轉(zhuǎn)子l 類型：單彎、同向雙彎、異向雙彎l 用途：配合PDC鉆頭（或牙輪鉆頭）組成導(dǎo)向鉆具組合，完成定向 造斜，在不更換鉆具組合情況下實現(xiàn)穩(wěn)斜段及水平井段的鉆井。 單彎、同向雙彎：造斜率高、造斜效果好，水平井必備工具； 異向雙彎鉆具：水平段鉆進(jìn)，有微增、降斜功能，穩(wěn)斜、穩(wěn)平效果好，可配合旋轉(zhuǎn)方式鉆進(jìn)，軌跡方便。l 技術(shù)關(guān)鍵：各彎點的選擇及彎角精度的3-2 螺桿鉆具包括理論工作特性和實際工作特性4、工作特性（外特性）(1)理論工作特性：MT × wT = Dp × QMT 、 NT馬達(dá)理論扭矩、功率；nT= 60wT鉆頭理論角速度；1M

13、T= 2p Dp × qnT鉆頭理論轉(zhuǎn)速，即馬達(dá)輸出的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速；Dp 馬達(dá)的降；= Dp × QNTQ 流經(jīng)馬達(dá)的流量，即“排量”；q 馬達(dá)每轉(zhuǎn)排量，是一個結(jié)構(gòu)參數(shù)，僅與線型和幾何有關(guān)。螺桿鉆具為容積式馬達(dá)，馬達(dá)的輸入流量和作用于兩端的降差決定了鉆具的基本性能。3-2 螺桿鉆具（1）理論工作特性轉(zhuǎn)速只與排量 Q 和結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與工況（鉆壓、扭矩等）無關(guān)； 工作扭矩與壓降DP 和結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與轉(zhuǎn)速無關(guān)；轉(zhuǎn)速和力矩是各自的兩個參數(shù)；具有硬轉(zhuǎn)速特性（不因負(fù)載 M 增大而降低轉(zhuǎn)速）和良好的過載能力（ Dp 增大可導(dǎo)致工作轉(zhuǎn)矩 M 變大）；泵壓表可作為井底工況的監(jiān)視器，由DP 變化來

14、和顯示井下工況（MT 和鉆壓 PB）；轉(zhuǎn)速 n 隨排量 Q 的變化而線性變化，因此可通過調(diào)節(jié)排量 Q 很容易地進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)； 工作扭矩 MT 與轉(zhuǎn)速 nT 均與結(jié)構(gòu)（q）有關(guān)，增大馬達(dá)的每轉(zhuǎn)排量，可獲得適合于鉆井作業(yè)時的低速大扭矩特性。34-2 螺桿鉆具、工作特性(外特性)(2)實際工作特性l 螺桿鉆具的轉(zhuǎn)子與定子之間存在摩擦阻力和密封腔間的漏失，其它部分也存在機械和水力損失（如傳動軸的軸 承節(jié)），造成實際工作特性與理論工作特性差異很大。螺桿鉆具存在機械效率h m 和水力效率hv ；其總效率為：h = hm ×hv34-2 螺桿鉆具、工作特性(外特性)(2)實際工作特性M 馬達(dá)實際轉(zhuǎn)

15、矩；n 鉆頭實際轉(zhuǎn)速；N0 馬達(dá)實際輸出功率；Dp 馬達(dá)總壓降， Dp = Dp2 + Dp1Dp1 馬達(dá)起動壓降（約 0.51MPa）；Dp2 馬達(dá)負(fù)荷壓降，也稱為工作壓降。C馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)， C = h× æ1 + Dp1 ö = hDpmçDp÷m Dpè2 ø2Mn=1 Dp × q ×h2pm=1 Dp × q × C2p2= 60Q ×hqvN 0 = Dp × Q ×h34-2 螺桿鉆具、工作特性(外特性)(2)實際工作特性由于馬達(dá)定子橡膠襯

16、套在壓降Dp 作用下產(chǎn)生變形和漏失，導(dǎo)致實際轉(zhuǎn)速 n 隨壓降Dp 的增大而降低；轉(zhuǎn)矩 M 仍隨壓降Dp 的增大而線性增加，表明螺桿鉆具實際上仍有良好的過載能力。34-2 螺桿鉆具、工作特性(外特性)(2)實際工作特性負(fù)荷效率：不計馬達(dá)起動階段的壓降和有關(guān)損失，只計工作階段輸出機械能與有用水力能（ Dp2 × Q ）間比值關(guān)系的一種計算效率。h L 曲線負(fù)荷效率曲線h= h Dp2LDp34-2 螺桿鉆具、工作特性(外特性)(2)實際工作特性制動工況對螺桿鉆具危害甚大，應(yīng)予避免！在操作時應(yīng)緩慢施加鉆壓，一旦發(fā)生制動工況（泵壓表數(shù)值突增），應(yīng)立即將鉆具提離井底循環(huán)鉆井液，待泵壓表的數(shù)值下

17、降后再下放鉆具緩慢施加鉆壓。螺桿鉆具的制動現(xiàn)象：當(dāng)鉆壓PB 變大時，導(dǎo)致鉆頭阻力矩增加，此時馬達(dá)壓降Dp 增大導(dǎo)致馬達(dá)轉(zhuǎn)矩 M 增大以克服阻力矩，但同時引起相應(yīng)的轉(zhuǎn)速降低。當(dāng)壓降Dp 逐漸增大到臨界值Dpc 時鉆頭轉(zhuǎn)速為零而出現(xiàn)制動，此時轉(zhuǎn)矩M 達(dá)到M max ，稱為制動力矩。34-2 螺桿鉆具、工作特性(外特性)(3)額定工作參數(shù)的確定。l 負(fù)荷效率最大的工況為螺桿鉆具的工作點，與此對應(yīng)的工作參 數(shù)應(yīng)是螺桿鉆具的最優(yōu)工作參數(shù)。如 說明書上推薦的額定排量、額定鉆壓、額定扭矩、額定轉(zhuǎn)速和額定功率。l 應(yīng)盡量使螺桿鉆具工作在其工作點附近。在這一范圍內(nèi)，螺桿 鉆具仍具有很強的轉(zhuǎn)速硬特性，這是渦輪鉆具

18、與之無法相比的34-2 螺桿鉆具、工作特性(外特性)5、導(dǎo)向螺桿鉆具的選型原則l 根據(jù)圖示的思路和方法，具體確定導(dǎo)向螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)，再從目錄中選定所需的型號和規(guī)格。3-2 螺桿鉆具5、導(dǎo)向螺桿鉆具的選型原則(1)根據(jù)井眼確定鉆具的公稱上述對應(yīng)關(guān)系主要是為了保證工具外徑和井壁間留有一定的環(huán)隙，約25.4mm （1in）左右，以防止井下遇卡和出現(xiàn)事故時進(jìn)行打撈作業(yè)。3-2 螺桿鉆具(2)根據(jù)設(shè)計造斜率確定工具造斜率“造斜率原則”：所選工具的造斜率（或稱造斜能力）應(yīng)滿足定向井、水平井鉆井要求，這是導(dǎo)向鉆具的首選原則。導(dǎo)向鉆具的造斜率 KTa 應(yīng)比設(shè)計造斜率 K 高 1020，以便有足夠余地

19、應(yīng)付鉆井過程中意外出現(xiàn)的造斜率不足問題。= (1.1 1.2)KKTa說明書中推薦的據(jù)螺桿鉆具造斜能力值確定規(guī)格。若說明書中缺少造斜能力值這一指標(biāo)，可用 Kc 算法（極限曲率法）計算。35-2 螺桿鉆具、導(dǎo)向螺桿鉆具的選型原則(3)根據(jù)鉆頭水眼壓降確定傳動軸類型l 型號說明中，“許用鉆頭水眼壓降”與傳動軸類型對應(yīng)。l 先根據(jù)設(shè)計的鉆頭水眼核算其壓降值，再確定相應(yīng)的傳 動軸類型級別。l 現(xiàn)有分3.5MP a（500psi）、7.0MPa（1000psi）和14.0MPa（2000psi）三種。該值越大，說明傳動軸的承力承壓性能越好，成本就越高。35-2 螺桿鉆具、導(dǎo)向螺桿鉆具的選型原則(4)根據(jù)

20、排量需求選擇轉(zhuǎn)子類型l 螺桿鉆具的轉(zhuǎn)速與工作排量成正比，增大排量必然增大轉(zhuǎn)子、萬向軸、 傳動軸的轉(zhuǎn)速和萬向軸的載荷循環(huán)頻率，故排量的大幅度增長必將會 導(dǎo)致螺桿鉆具的工作，容易造成破壞。l 水平井鉆井過程中，要求有較高的鉆井液返速來滿足攜帶巖屑需要，要求有較大的工作排量，可能會成倍高于螺桿鉆具的額定排量。l 在這種情況下，應(yīng)該選擇帶有中空轉(zhuǎn)子馬達(dá)的螺桿鉆具馬達(dá)轉(zhuǎn)子 的中心鉆有通孔，通孔上端裝有一個固定噴嘴。流入馬達(dá)的鉆井液排 量將分成兩部分，一部分進(jìn)入轉(zhuǎn)子中孔旁路，另一部分進(jìn)入轉(zhuǎn)子與定 子間使鉆具馬達(dá)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。35-2 螺桿鉆具、導(dǎo)向螺桿鉆具的選型原則6、現(xiàn)場使用方法(1)現(xiàn)場使用注意事項(2)

21、下鉆：下鉆前檢查(3) 鉆進(jìn)：故障檢查及排除(4) 起鉆3-2 螺桿鉆具(1)現(xiàn)場使用注意事項 根據(jù)井眼和地層硬度合理選擇螺桿動力鉆具。 井下溫度不要超過動力鉆具使用的溫度極限。ü 普通定子：額定溫度為95-120；ü 耐高溫定子：額定溫度135-150。 鉆頭壓降要求在鉆具性能規(guī)范的范圍以內(nèi)，以免造成鉆具的軸承 嚴(yán)重磨損或燒毀。 鉆進(jìn)排量要符合生產(chǎn)廠家推薦的數(shù)值范圍，以免造成螺桿鉆具的先期損壞。36-2 螺桿鉆具、現(xiàn)場使用方法(1)現(xiàn)場使用注意事項考慮反扭角時，要注意上部鉆具的剛性及裝置角與高邊的關(guān)系。 使用剛性小的鉆桿，如鋁合金鉆桿 ，反扭角就大些；使用剛性強的鉆具，如

22、鉆鋌數(shù)量多或者使用了加重鉆桿等，反扭角就會小些。好鉆井液的含砂量。鉆井液的含砂量高，會動力鉆具的定子、轉(zhuǎn)子、軸承及萬向軸節(jié)的磨損，造成鉆具提前大修或報廢。含砂量應(yīng)在0.3%-0.5%以下。 注意鉆井液中不要有鐵屑。定子內(nèi)的橡膠對金屬鐵屑特別敏感，應(yīng)在方鉆桿以下加鉆桿濾清器，以防止下井鉆具內(nèi)的鐵銹結(jié)塊及殘存的鐵屑進(jìn)入工具內(nèi)。36-2 螺桿鉆具、現(xiàn)場使用方法(1)現(xiàn)場使用注意事項 加鉆壓時要考慮井斜產(chǎn)生的摩阻力的影響。ü 可以通過上下活動鉆具求出摩擦阻力的大小指重表顯示鉆 壓減去摩擦阻力就是實際鉆壓。ü 可以通過動力鉆具壓差（降）的形式進(jìn)行鉆進(jìn)。36-2 螺桿鉆具、現(xiàn)場使用方法

23、(2)下鉆檢查旁通閥活塞是否上下活動靈活。檢查軸向間隙是否超過標(biāo)準(zhǔn)。接牙輪鉆頭、方鉆桿，開泵試運轉(zhuǎn)。（嚴(yán)禁接PDC鉆頭試運轉(zhuǎn)）下鉆過程中嚴(yán)禁猛沖猛砸，在通過防噴器、套管鞋和 眼井段時，注意下鉆速度防止突然迂阻而損壞鉆具。距離到底12m時，開泵鉆具空轉(zhuǎn)泵壓。上下大幅度活動鉆具數(shù)次，消除鉆具扭矩，確保定向準(zhǔn)確。36-2 螺桿鉆具、現(xiàn)場使用方法如何檢查螺桿鉆具的軸向間隙？工具外徑最大間隙D1D2inmmin4 3/46 1/46 3/489 1/2466880.1570.2360.2360.3150.315檢查步驟： 先將動力鉆具立在轉(zhuǎn)盤面上，測量驅(qū)動短節(jié)和軸承殼體的間隙D2； 然后提起動力鉆具，測

24、量驅(qū)動短節(jié)和軸承殼體的間隙D1； D1-D2要小于廠家推薦最大軸承間隙值。(3)鉆進(jìn) 上提鉆具，鉆頭離井底12m時，開泵啟動螺桿鉆具。當(dāng)排量達(dá)到正常排量時，立管泵壓。 慢慢加壓鉆進(jìn)，立管不斷升高，該升高值不能大于 螺桿鉆具推薦最大壓差。如果升高太大應(yīng)提起鉆具， 待恢復(fù)后再慢慢加壓鉆進(jìn)。 鉆進(jìn)過程中注意選擇進(jìn)尺較快的鉆壓。 螺桿鉆具在鉆進(jìn)過程中的故障及處理方法見下表。36-2 螺桿鉆具、現(xiàn)場使用方法螺桿鉆具在鉆進(jìn)過程中的故障及處理方法故障類型發(fā)生解決方法泵壓突然升高馬達(dá)壓死上提鉆具，重新啟動（重新開泵）并降低鉆壓馬達(dá)軸承卡死提起鉆具重新啟動。若啟動無效，可采用轉(zhuǎn)盤啟動（加壓3050kN，慢慢轉(zhuǎn)動

25、轉(zhuǎn)盤，使卡死軸承活動開）。若上述辦法均無效，則起鉆更換馬達(dá)。馬達(dá)堵塞起鉆更換馬達(dá)泵壓慢慢增加鉆頭磨損鉆進(jìn)，如果機械鉆速太慢，起鉆更換鉆頭地層變硬改變鉆進(jìn)參數(shù)鉆進(jìn)泵壓慢慢降低循環(huán)漏查鉆井液總量鉆柱刺壞起鉆檢查鉆具旁通閥損壞起鉆更換無進(jìn)尺鉆頭嚴(yán)重磨損起鉆更換鉆頭地層變化改變鉆進(jìn)參數(shù)。若無效則起鉆，改變鉆頭型號，以適宜地層情況。鉆具卡死處理辦法同上無壓差馬達(dá)嚴(yán)重磨損或萬向節(jié)斷，起鉆更換36-2 螺桿鉆具、現(xiàn)場使用方法(4)起鉆 在決定起鉆后，不能和渦輪鉆具一樣壓死循環(huán)泥漿。 起鉆過程中嚴(yán)禁轉(zhuǎn)盤卸扣。 再一次測量D1和D2，決定該鉆具是否能夠繼續(xù)使用。 使用轉(zhuǎn)盤排出鉆具內(nèi)鉆井液，旁通閥注入潤滑油。36

26、-2 螺桿鉆具、現(xiàn)場使用方法7、新型螺桿鉆具及其應(yīng)用(1)串聯(lián)多級馬達(dá)（DPSPDM） ： 動力段總成增加了一節(jié)動力段，中間用一鈦撓性軸相連， 使馬達(dá)輸出的扭矩和功率增加，但其需要的驅(qū)動排量、轉(zhuǎn) 速與單一動力段馬達(dá)是一樣的。 設(shè)計與制造材料方面的改進(jìn)，使串聯(lián)馬達(dá)具有極好的耐用 性，在南得克薩斯、北海和阿拉斯加很快得到推廣。 在的一口水平井中，用 126 h鉆進(jìn)了 618 m的井段， 平均鉆速 4.9m/h，是單一動力段馬達(dá)的兩倍。3-2 螺桿鉆具(2)加長馬達(dá) 把動力段加長，使馬達(dá)的輸出扭矩增加。加長馬達(dá)裝備有改進(jìn)的加強的軸承組合，設(shè)計時用有限元分析法評估 了各部件的性能，能滿足輸出大扭矩、高

27、負(fù)載的需要。 貝克·休斯公司：在奧斯汀白云巖的一口雙分支水平井中， 使用120.65 mm WP/ XL馬達(dá)，累計循環(huán)時間383h，鉆 速達(dá)9.9m/h，與常規(guī)馬達(dá)相比，工作和機械鉆速都 有大幅提高。37-2 螺桿鉆具、新型螺桿鉆具及其應(yīng)用(3)中空轉(zhuǎn)子馬達(dá) 大斜度井和水平井需要大排量洗井以利于清砂，實心轉(zhuǎn)子馬達(dá)額定排量小，中空轉(zhuǎn)子的額定排量可以提高20以上。 中石油勘探開發(fā)研制出一種帶穩(wěn)流閥的中空螺桿，這 一特別設(shè)計的穩(wěn)流閥了普通中空螺桿鉆具過載時嚴(yán)重丟 轉(zhuǎn)的間題，提高了鉆具的抗過載能力和水功率利用率?，F(xiàn)場 試驗證實，這種的機械鉆速比普通中空螺桿提高了40。37-2 螺桿鉆具、新型

28、螺桿鉆具及其應(yīng)用(4)鉸接式螺桿鉆具 主要用于老井側(cè)鉆或鉆短半徑水平井，它能在 30 m長度內(nèi)將井眼由垂直變?yōu)樗?，造斜率達(dá)3 o4om。 顯著特點是有兩個鉸接體，鉸接體可以在5º范圍內(nèi)彎曲活動，其中一個鉸接體連接了兩段螺桿馬達(dá)；在內(nèi)部結(jié) 構(gòu)中，兩轉(zhuǎn)子之間采用高強度萬向節(jié)連桿。 Bake Hllghes Inteq公司曾用此種鉆具鉆了一個曲率半徑為 1218 m的造斜段。37-2 螺桿鉆具、新型螺桿鉆具及其應(yīng)用3-3 渦輪鉆具1.渦輪鉆具發(fā)展史：轉(zhuǎn)子+定子。1、渦輪鉆具發(fā)展史l 渦輪原理在幾百年前已存在(如風(fēng)車), 現(xiàn)在也廣泛應(yīng)用于航空器和發(fā)電廠等領(lǐng)域l 1873年美國就公布了用井下

29、螺桿給鉆頭提供動力的技術(shù) 專利，這個專利比旋轉(zhuǎn)鉆井專利早11年。l 19世紀(jì)20年代后期渦輪鉆具在俄羅斯開始開發(fā)，在1924年將渦輪鉆具應(yīng)用到鉆井中。l 1956年法國Neyrpic（目前Sii-Neyrfor公司的前身）公司最先取得俄羅斯工具的生產(chǎn),首次在西方鉆井中使用。3-3 渦輪鉆具1、渦輪鉆具發(fā)展史l Neyrfor、Preussag、Dresser、Christensen和其他的一些公司開始生產(chǎn)渦輪鉆具，但是Neyrfor公司一直占據(jù)市場的主導(dǎo)地位。目前除俄羅斯外，Sii-Neyrfor生產(chǎn)的渦輪鉆具占世界銷售市場的90以上。l 1982年Neyrfor公司首次在油田定向井中推廣使用

30、定向鉆井系統(tǒng)，大大減少了起下鉆次數(shù)，降低了成本。l 1992年先進(jìn)的PDC軸承、平衡轂和彎筒技術(shù)引進(jìn)到渦輪鉆具中，PDC軸承的使用使渦輪鉆具適應(yīng)超高溫的鉆井環(huán)境，大大提高了渦輪的效率，導(dǎo)向技術(shù)大大提高了鉆井定向的能力。l 2002年低速、大扭矩渦輪系統(tǒng)的開發(fā)大大擴(kuò)展了渦輪鉆具的應(yīng)用優(yōu)勢。3-3 渦輪鉆具3-3 渦輪鉆具1.渦輪鉆具發(fā)展史渦輪鉆具的基本特征飛機機翼的基本原理空氣 舉升力（比如功率）是通過壓差產(chǎn)生的，機 翼下面的較高，機翼上部的較低。3-3 渦輪鉆具2.結(jié)構(gòu)性能介紹3-3 渦輪鉆具2.結(jié)構(gòu)性能介紹渦輪鉆具的基本特征液體動力流態(tài)圖（如 流量×）軸向推力旋轉(zhuǎn)渦輪鉆具的基本特征

31、功率空轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)速度轉(zhuǎn)速扭矩/速度/功率關(guān)系圖3-3 渦輪鉆具2.結(jié)構(gòu)性能介紹扭矩功率憋停渦輪鉆具的標(biāo)準(zhǔn)組件常規(guī)的T3（三級動力單元）渦輪鉆具圖工具全長達(dá)70英尺（21.3m)（精確長度根據(jù)不同工具（外徑）來定）3-3 渦輪鉆具2.結(jié)構(gòu)性能介紹渦輪鉆具的標(biāo)準(zhǔn)組件轉(zhuǎn)子葉片盤定子葉片盤定子葉片盤轉(zhuǎn)子葉片盤泥漿流動力部分渦輪本體組配的單級動力渦輪驅(qū)動軸渦輪葉片盤排列圖3-3 渦輪鉆具2.結(jié)構(gòu)性能介紹渦輪鉆具的標(biāo)準(zhǔn)組件移動盤移動盤止推軸承迷宮環(huán)墊環(huán)前軸承撓性軸固定盤可調(diào)彎筒前軸承穩(wěn)定器鉆頭母扣穩(wěn)定器渦輪彈性軸承排列圖3-3 渦輪鉆具2.結(jié)構(gòu)性能介紹渦輪鉆具的標(biāo)準(zhǔn)組件HNBR型橡膠下徑向軸承中間徑向軸承渦輪

32、徑向軸承排列圖3-3 渦輪鉆具2.結(jié)構(gòu)性能介紹渦輪鉆具的標(biāo)準(zhǔn)組件±95流體口軸承部分驅(qū)動軸下部流態(tài)圖3-3 渦輪鉆具2.結(jié)構(gòu)性能介紹渦輪鉆具葉片的設(shè)計原理定子(上)和轉(zhuǎn)子(下) 尾流狀態(tài)圖ü MK 1是恒壓降型,不管驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速有多快,葉片產(chǎn)生的壓降不變, 這是三種葉片中效率最高的,主要應(yīng)用在直井鉆井中ü MK 2是壓降變化型,地面隨著驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速的降低而減小,它的工作效率比MK1稍低,但是給司鉆的提供了的鉆頭運轉(zhuǎn)狀況的反饋信息,主要應(yīng)用在定向井鉆井中ü MK 3和MK 2同屬于壓降變化型,但是比MK2結(jié)構(gòu)性能加強了,從而可以用在高壓、大排量的環(huán)境中等同于

33、飛機機翼的原理, 利用渦流在葉片兩面產(chǎn)生的壓差來使轉(zhuǎn)子發(fā)生轉(zhuǎn)動,壓差的大小和葉 片的形狀和渦流進(jìn)入葉片的角度相關(guān)3-3 渦輪鉆具3.渦輪鉆具的改進(jìn)（ Neyrfor公司）渦輪鉆具葉片的分布圖標(biāo)準(zhǔn)渦輪壓降鉆井范圍鉆頭轉(zhuǎn)速3-3 渦輪鉆具3.渦輪鉆具的改進(jìn)（ Neyrfor公司）扭矩渦輪鉆具軸承座圈圖l PDC止推軸承具有較高的耐研磨能力，可以在超高溫（目前最高溫度233 ）下進(jìn)行作業(yè)，并能夠承受較大的軸向載荷l PDC材質(zhì)具有較小的摩擦系數(shù)，不受鉆井中存在的天然的或者泥漿里的化學(xué)物質(zhì)的影響l 軸承的承載能力和低摩擦系數(shù)從而使其高效、結(jié)構(gòu)緊湊，因此也大大縮短了鉆具長度。3-3 渦輪鉆具3.渦輪鉆具

34、的改進(jìn)（ Neyrfor公司）軸向受力和承受載荷圖用標(biāo)準(zhǔn)的9-1/2T3(MK1)渦輪鉆具泵排量 750gpm（3410L/m）渦輪葉片上的垂向力推力110,000lbs（50t)水平力水平力鉆壓±30,000lbs（14t)鉆壓反作用力鉆壓80000lbs（36t)軸向軸承軸向軸承止推軸止推軸止推軸止推軸止推軸止推軸3-3 渦輪鉆具3.渦輪鉆具的改進(jìn)（ Neyrfor公司）渦輪平衡轂圖流進(jìn)渦輪鉆具的主泥漿流大約3的液體流到環(huán)空（TSB型）或從中空的驅(qū)動軸向下通過軸內(nèi)腔流進(jìn)軸承段，流到鉆頭（TSH型）平衡轂襯套驅(qū)動軸3-3 渦輪鉆具3.渦輪鉆具的改進(jìn)（ Neyrfor公司）渦輪平衡轂

35、（TSB型）圖（TSB型是指由單級動力單元組成的渦輪鉆具，旁通閥是直接通到環(huán)空的）液流葉片等的受推力面平衡轂的受推力面推力推力平衡轂直徑 渦輪葉片液流直徑推力的影響效果：6-5/8: 推力降低了509-1/2: 推力降低了70的受推力面Dd注意： 對于4-3/4或者更小的工具，平衡轂不需要使用， 因為推力是非常小的，而且也可以被鉆壓平衡掉3-3 渦輪鉆具3.渦輪鉆具的改進(jìn)（ Neyrfor公司）渦輪平衡轂（TSH型）圖中空的驅(qū)動軸到鉆頭）TSH型利用中空驅(qū)動軸流向旁通3-3 渦輪鉆具3.渦輪鉆具的改進(jìn)（ Neyrfor公司）（TSH型是指由單級動力單元組成的渦輪鉆具，旁通閥是通過TSH型平衡轂

36、的驅(qū)動軸內(nèi)部是中空的，該型平衡轂的襯套裝有現(xiàn)場可更換的噴嘴，便于選擇流入旁通的流量的百分比，該噴嘴也可以完全堵塞（平衡流體流過驅(qū)動軸）流向環(huán)空？ TSB型： 是TSH型： 不是金屬徑向軸承圖 碳化壁襯里（軸襯）激光碳化表面（套筒）下徑向軸承注意： 已經(jīng)地在超過260的高溫環(huán)境中操作過3-3 渦輪鉆具3.渦輪鉆具的改進(jìn)（ Neyrfor公司）FBS渦輪鉆具的典型結(jié)構(gòu)圖FBS是指由固定的或可調(diào)節(jié)的彎筒組成的定向軸承式的渦輪鉆具止推平衡轂渦輪單級動力單元可調(diào)穩(wěn)定器彎筒下軸承穩(wěn)定器鈦金屬撓性驅(qū)動軸PDC止推軸承下徑向軸承末端公扣型驅(qū)動軸帶一體式渦輪套筒的母扣型鉆頭3-3 渦輪鉆具3.渦輪鉆具的改進(jìn)（

37、Neyrfor公司）目前FBS型渦輪鉆具的鉆具2-7/83-3/84-3/456-5/87-1/49-1/2井眼3.25-4.0 3.75-5.375 5.625-6.75 6.0-6.75 7.625-9.875 8.375-9.875 12.0-17.5 3-3 渦輪鉆具3.渦輪鉆具的改進(jìn)（ Neyrfor公司）穩(wěn)定性在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，不同的可調(diào)式“中間”穩(wěn)定器的大小用于精確定向可調(diào)彎筒下軸承穩(wěn)定器（一般為比鉆頭小1/16-1/8）長保徑母扣型鉆頭注意：渦輪鉆具頂部鉆柱穩(wěn)定器的 大小也可對整個鉆具的穩(wěn)定性實現(xiàn)“微調(diào)”3-3 渦輪鉆具4.渦輪鉆具定向性撓性鈦驅(qū)動軸可調(diào)彎筒（帶開口環(huán)）可調(diào)彎筒（不

38、帶開口環(huán)）可調(diào)彎筒的調(diào)節(jié)范圍為0.85°-1.5°,相應(yīng)的狗腿范圍在2°-12°/100英尺（詳細(xì)準(zhǔn)確的參數(shù)查閱性能參數(shù)表）。彎筒角度的調(diào)節(jié)是通過旋轉(zhuǎn)開口環(huán)兩側(cè)的半筒來實現(xiàn)的。3-3 渦輪鉆具4.渦輪鉆具定向性反扭矩容積式液動螺桿渦輪鉆具3-3 渦輪鉆具4.渦輪鉆具定向性定向能力（井斜大于15°的斜度）可調(diào)渦輪鉆具的可調(diào)彎筒的角度狗腿范圍（ 度 /100英尺）9 1/20.851.00456 5/80.751.001.254684 3/41.001.251.50810123 3/81.2517狗腿程度的大小是根據(jù)井眼、地層類型和鉆頭類型的不同而

39、變化3-3 渦輪鉆具4.渦輪鉆具定向性容積式螺桿和渦輪鉆具對比用容積式螺桿時的顫動性用渦輪鉆具時的顫動性3-3 渦輪鉆具5.渦輪鉆具振動性渦輪的優(yōu)點不受高溫限制葉片類型和數(shù)量適應(yīng)泥漿比重和適應(yīng)地面低轉(zhuǎn)速要求限制使用孕鑲石鉆頭不需要“平衡”過去的10年中，在高溫（140以上）高壓下鉆尺超過300,000米3-3 渦輪鉆具6.渦輪鉆具耐高溫高壓流體靜壓頭對塑性頁巖的影響3-3 渦輪鉆具6.渦輪鉆具耐高溫高壓它是確定井眼質(zhì)量的主要因素另外： 能確保鉆壓的順暢傳遞降低扭矩，減小阻力有助于大大降低鉆柱的卡鉆事故容易下入測井工具提供較好的測井質(zhì)量數(shù)據(jù)（使用貼井壁工具時）容易下入套管/襯管/取芯筒容易下入完

40、井設(shè)備基本上在全過程鉆井中提供了較高的效率3-3 渦輪鉆具6.井眼質(zhì)量不穩(wěn)定性和穩(wěn)定性對比不穩(wěn)定的容積式螺桿能夠使鉆頭產(chǎn)生過多的橫向運動，從而導(dǎo)致井眼質(zhì)量非常差，出現(xiàn)螺旋形井眼穩(wěn)定的渦輪鉆具帶有長保徑的母扣鉆頭，這極大地減少了鉆頭的橫向運動， 從而獲得了高質(zhì)量的井眼，同時也極大地降低了出現(xiàn)螺旋形井眼的風(fēng)險。3-3 渦輪鉆具6.井眼質(zhì)量鉆具的改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖近鉆頭穩(wěn)定器末端母扣連接的驅(qū)動軸底軸承穩(wěn)定器長保徑公扣連接底軸承穩(wěn)定器末端母扣連接的驅(qū)動軸短保徑鉆頭母扣連接公扣連接 穩(wěn)定器底軸承穩(wěn)定器長保徑上母扣鉆頭底軸承穩(wěn)定器3-3 渦輪鉆具6.井眼質(zhì)量長保徑 公扣連接 螺旋形井眼超聲波井徑儀測井曲線圖螺旋井

41、眼中井底鉆具機械狀態(tài)圖結(jié)果：在井底鉆具旋轉(zhuǎn)時，就會出現(xiàn)大扭矩、阻力大現(xiàn)象，并可能損壞井底鉆具；或者會出現(xiàn)持續(xù)的“鉆柱懸空”現(xiàn)象3-3 渦輪鉆具6.井眼質(zhì)量 螺旋形井眼渦輪鉆具，帶鉆頭母扣連接的穩(wěn)定器渦輪鉆具，帶頂端母扣連接鉆頭， 防止井眼螺旋形的最佳解決方案3-3 渦輪鉆具6.井眼質(zhì)量欠平衡鉆井中為什么使用渦輪鉆具？鉆井效率：高可靠性在欠平衡鉆井中已經(jīng)獲得了單趟鉆柱運轉(zhuǎn)308小時的單趟鉆柱完成造斜或側(cè)鉆，然后鉆到井底的為高機械鉆速提供高動力方位的：靠穩(wěn)定工具提供優(yōu)質(zhì)井眼連續(xù)穩(wěn)定的工具界面較好的隨鉆測量信號3-3 渦輪鉆具7.欠平衡鉆井配合先進(jìn)的欠平衡鉆井的配合MK3型葉片：分散型比標(biāo)準(zhǔn)動力單元

42、承受復(fù)合材質(zhì)高抗腐蝕性和抗侵蝕性高40以上FBS型定向軸承部分（帶先進(jìn)PDC軸承）：高流量較好的抗液流推力能力耐高溫、抗氣侵實用的加長動力部分：超長5英尺以上比標(biāo)準(zhǔn)動力單元多50以上承受的比標(biāo)準(zhǔn)動力高50以上金屬徑向軸承：100的消除減壓影響耐高溫3-3 渦輪鉆具7.欠平衡鉆井配合先進(jìn)的欠平衡鉆井的配合在北海地區(qū)：在北海南部，殼牌公司已經(jīng)完成20多口欠平衡鉆井這些井中，很多是多層結(jié)構(gòu)這些井中，所有油藏都是用渦輪鉆具鉆穿的其中幾口井涉及到眼側(cè)鉆，這些也都是用渦輪鉆具完成的阿爾及利亞、阿根廷、尼西亞、英國和委內(nèi)瑞拉：進(jìn)尺超過100,000英尺（30480m） 工作時間超過8,000小時44為定向進(jìn)

43、尺最長下入深度為6478英尺（1974.5m） 單趟鉆柱循環(huán)時間超過300小時鉆過3-7/8 10-5/8的井眼氣體比高達(dá)88 油基泥漿氮氣 水基泥漿氮氣 天然氣液體介質(zhì)單相和兩相流體：3-3 渦輪鉆具7.欠平衡鉆井配合1.動力鉆具性能分析1.工作特性的區(qū)別l 下圖分別給出了渦輪鉆具和螺桿鉆具的理論特性。由此可對比出二者在工作特性上的區(qū)別，從而直觀認(rèn)識二者在工作原理上的差異。l 從對比中可以得出，螺桿鉆具有硬的機械特性，過載能力強；而渦輪鉆具有軟的機械特性，過載能力差，隨著鉆壓增大導(dǎo)致切削阻力矩增大時，會引起轉(zhuǎn)速下降，易被“壓死”而造成制動。從這方面來看， 螺桿鉆具用于鉆井作業(yè)更為適用。l 另

44、一方面,螺桿鉆具的壓降隨著扭矩的變化而變化,因而可通過泵壓的變化檢測螺桿鉆具的工作情況。而渦輪鉆具的壓降不因載荷的變化而變化，對其在井底的工作狀況無法在地表直接檢測。3-4 動力鉆具選用1. 工作特性的區(qū)別3-4 動力鉆具選用1.動力鉆具性能分析2.轉(zhuǎn)速的差異渦輪鉆具的轉(zhuǎn)速明顯高于螺桿鉆具。一般渦輪鉆具的空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速多在1200rpm以上，其工作轉(zhuǎn)速(即空載轉(zhuǎn)速的一半)也多在600rpm以上，而單頭螺桿鉆具的轉(zhuǎn)速一般在 400rpm左右，多頭螺桿鉆具轉(zhuǎn)速一般100rpm左右。3-4 動力鉆具選用1.動力鉆具性能分析3. 壓降差異對比外徑相近、工況參數(shù)(排量、鉆井液密度)相同的這兩種鉆具的壓降可以發(fā)現(xiàn)，渦