1、螺桿鉆具工作特性分析螺桿鉆具的工作特性，即外特性，包括理論工作特性和實(shí)際工作特性。螺桿鉆具的工作特性是表示其輸出參數(shù)（輸出扭矩T和輸出轉(zhuǎn)速N）、輸入?yún)?shù)（鉆具壓降、鉆具中流量或鉆井液流量Q以及主軸功率和鉆具效率之間的關(guān)系。了解和掌握螺桿鉆具的外特性，對(duì)于正確選擇和使用螺桿鉆具至關(guān)重要30。而螺桿鉆具具有兩種工作特性：理論工作特性和螺桿鉆具的實(shí)際工作特性。3.1.1 螺桿鉆具的理論鉆具分析螺桿鉆具最基本的工作原理就是把鉆井液的水力能轉(zhuǎn)化為鉆頭的機(jī)械能，從而破巖鉆進(jìn)。螺桿鉆具的性能特點(diǎn)是由其動(dòng)力部件-螺桿鉆具決定的。這種容積式馬達(dá)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有兩個(gè)基本元件定子和轉(zhuǎn)子，但卻有以下兩個(gè)突出特點(diǎn):1

2、. 理論轉(zhuǎn)矩與馬達(dá)進(jìn)出口間的壓差成正比；2. 理論轉(zhuǎn)速與通過(guò)的流量有關(guān)而與鉆壓無(wú)關(guān)。這兩個(gè)特點(diǎn)對(duì)于鉆井的的意義：（1） 螺桿鉆具的輸出扭矩與螺桿鉆具所消耗的鉆井液壓降基本成正比，所以可通過(guò)鉆臺(tái)上的立管壓力表數(shù)據(jù)變化來(lái)反應(yīng)井下螺桿鉆具的扭矩情況；當(dāng)鉆壓增大時(shí)鉆井液壓降相應(yīng)增大，導(dǎo)致扭矩增加，以利于增大井底切削力矩；當(dāng)井口立管壓力突然增大時(shí)，表明井下切削力矩突然變大，可適時(shí)減小鉆壓以減小切削力矩，防鉆具超載。（2） 螺桿鉆具的轉(zhuǎn)速基本上只與鉆井液流量有關(guān)而受鉆壓影響很小，而鉆進(jìn)過(guò)程中流進(jìn)鉆具的鉆井液排量是固定的，因此，螺桿鉆具的輸出轉(zhuǎn)速基本不變，不因加大鉆壓而造成鉆頭轉(zhuǎn)速明顯下降。這說(shuō)明螺桿鉆具具

3、有良好的過(guò)載性能和硬機(jī)械特性。螺桿鉆具是典型的容積式機(jī)械，下面簡(jiǎn)要分析螺桿鉆具的理論工作特性。在不計(jì)損失時(shí)，根據(jù)容積式機(jī)械工作過(guò)程中的能量守恒，在單位時(shí)間內(nèi)鉆頭輸出的機(jī)械能（）應(yīng)等于螺桿鉆具輸入的水力能，則有:= （3-1）根據(jù)容積式機(jī)械的轉(zhuǎn)速關(guān)系，有 （3-2）由以上兩式及可得出： （3-3） （3-4）式子中：螺桿馬達(dá)理論轉(zhuǎn)矩，N.m；鉆頭理論角速度，rad/s；鉆頭理論轉(zhuǎn)速，即馬達(dá)輸出的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，r/min；螺桿馬達(dá)進(jìn)、出口的壓力降，Pa；q螺桿馬達(dá)每轉(zhuǎn)排量，是一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，僅與線型、幾何尺寸有關(guān)，；Q1流經(jīng)螺桿馬達(dá)的流量，即排量m3/s；P1螺桿馬達(dá)的理論功率，w。由以上（3-3）、（

4、3-4）式子可得以下結(jié)論：螺桿鉆具的轉(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(wú)關(guān)；工作扭矩與螺桿馬達(dá)壓降和結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)；螺桿鉆具的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩是兩個(gè)各自獨(dú)立的參數(shù)；螺桿鉆具具有硬轉(zhuǎn)速特性（不因負(fù)載T增大而降低轉(zhuǎn)速）和良好的過(guò)載能力（增大可導(dǎo)致工作扭矩T變大）。泵壓表可作為井底工況的監(jiān)視器，由變化來(lái)判斷和顯示井下工況。轉(zhuǎn)速N隨排量Q的變化而線性變化，因此可通過(guò)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T與轉(zhuǎn)速N，均與結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，增大螺桿馬達(dá)的每轉(zhuǎn)排量q，可獲得適合于鉆井作業(yè)的低速大扭矩特性。螺桿鉆具（單螺桿馬達(dá)）的理論工作特性曲線見(jiàn)圖圖3-1 螺桿鉆具（單螺桿馬達(dá)）的理論工

5、作特性曲線3.1.2 螺桿鉆具的實(shí)際鉆具分析螺桿鉆具的實(shí)際輸出特性：事實(shí)上，螺桿馬達(dá)存在襯套副的摩擦阻力和密封腔間的漏失。其它部件（如傳動(dòng)軸的軸承節(jié)）也存在機(jī)械損失和水力損失，因此，螺桿鉆具存在機(jī)械效率和容積效率，其總效率為: （3-5）則螺桿鉆具的實(shí)際輸出扭矩T、鉆頭實(shí)際轉(zhuǎn)速N和實(shí)際輸出功率Po為: （3-6） （3-7） （3-8）式子中：C-螺桿馬達(dá)的扭轉(zhuǎn)系數(shù)，可用下式子計(jì)算： （3-9），-其意義將在下面介紹圖3-2是某螺桿鉆具由試驗(yàn)臺(tái)架做出的實(shí)際工作特性曲線。圖中稱為螺桿馬達(dá)啟動(dòng)壓降，一般為0.5一 1MPa左右，視轉(zhuǎn)子和定子間的配合松緊程度而定； 稱為負(fù)荷壓降，又稱為工作壓降；稱為

6、總壓降。三者之間的關(guān)系為:，當(dāng)把螺桿鉆具提離井底循環(huán)鉆井液時(shí)，與加上鉆壓鉆進(jìn)時(shí)地面泵壓表的差值就是負(fù)荷壓降。圖 3-2 實(shí)際螺桿鉆具工作曲線圖中的曲線稱為負(fù)荷效率曲線。負(fù)荷效率是不計(jì)馬達(dá)起動(dòng)階段的壓降和有關(guān)損失，只計(jì)工作階段輸出機(jī)械能與有用水力能（）間比值關(guān)系的一種計(jì)算效率，有: （3-10）對(duì)比圖（3-1）和圖（3-2），可發(fā)現(xiàn)螺桿鉆具實(shí)際工作特性與理論工作特性之間的差異：（1） 由于容積效率的影響，導(dǎo)致了實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速N隨的增大而降低，是由于馬達(dá)定子橡膠襯套在的作用下的變形和漏失所引起的；（2） 螺桿馬達(dá)的輸出扭矩T仍與螺桿馬達(dá)的壓降成線形關(guān)系，T隨的增大而線形增加，表明螺桿鉆具實(shí)際上仍有良好的過(guò)載能力；當(dāng)鉆壓增大時(shí)，導(dǎo)致鉆頭阻力矩增加，此時(shí)馬達(dá)壓降增大導(dǎo)致螺桿馬達(dá)輸出扭矩T增大，以克服摩阻扭矩，但同時(shí)引起相應(yīng)的轉(zhuǎn)速降低。當(dāng)逐漸增大到臨界值時(shí)N=0，即鉆頭轉(zhuǎn)速為零出現(xiàn)制動(dòng)，此時(shí)螺桿馬達(dá)輸出扭矩T達(dá)到Tmax，稱為制動(dòng)扭矩。當(dāng)鉆具出現(xiàn)制動(dòng)時(shí)，進(jìn)入馬達(dá)的鉆井液流量Q全部由轉(zhuǎn)子和變形的定子橡膠襯里間的縫隙漏失，轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)，總效率。制動(dòng)工況使鉆具的轉(zhuǎn)子、萬(wàn)向軸和傳動(dòng)軸承受最大扭矩Tmax，密封線承受最大壓差，對(duì)工具危害甚大。（3） 桿鉆具的實(shí)際轉(zhuǎn)速特性與有關(guān)，但是，轉(zhuǎn)速曲線N一的前面部分相對(duì)平緩，下降速率相對(duì)較小，所對(duì)應(yīng)的負(fù)荷效率的值較大。負(fù)荷效率最大的工