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1、大港中成螺杆钻具技术介绍大港中成螺杆钻具技术介绍中国石油集团渤海石油装备制造有限公司中国石油集团渤海石油装备制造有限公司大港中成机械制造有限公司大港中成机械制造有限公司2008年年5月月28日日大港中成螺杆钻具技术大港中成螺杆钻具技术大港中成螺杆钻具技术大港中成螺杆钻具技术为钻井工业提供强劲动力为钻井工业提供强劲动力报报 告告 提提 纲纲螺杆钻具结构与工作原理螺杆钻具结构与工作原理螺杆钻具防掉设计特点螺杆钻具防掉设计特点螺杆钻具技术研发特点螺杆钻具技术研发特点螺杆钻具选型与注意事项螺杆钻具选型与注意事项螺杆钻具下一步发展方向螺杆钻具下一步发展方向一一、中成、中成-螺杆钻具螺杆钻具的的结构与工作
2、原理结构与工作原理 1、中成中成-螺杆钻具的螺杆钻具的工作工作原理：原理：莫莫锘原理的容积式井下动力钻具。锘原理的容积式井下动力钻具。将泥浆液体压力能转化成机械能。将泥浆液体压力能转化成机械能。高压泥浆流高压泥浆流经旁通阀进入马达经旁通阀进入马达，驱动转驱动转子绕定子轴线旋转，马达产生的扭矩和子绕定子轴线旋转，马达产生的扭矩和转速通过万向轴和传动轴传递给钻头转速通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业。从而实现钻井作业。2、螺杆钻具的发展情况：、螺杆钻具的发展情况：19851985年，国内首家引进美国年，国内首家引进美国DynaDyna钻具技术钻具技术和装备；和装备；20032003年，
3、投资年，投资38003800万元资金进行技术改造，万元资金进行技术改造，力争达到钻具使用寿命稳定在力争达到钻具使用寿命稳定在200200小时以上；小时以上；20052005年，技改投资项目顺利完成；年，技改投资项目顺利完成；20062006年，集团公司又投资年，集团公司又投资30003000多万进行二多万进行二期改造扩大产能，到期改造扩大产能，到20072007年底实现年底实现3 3个亿的个亿的年生产能力。年生产能力。3、使用螺杆钻具的优点：、使用螺杆钻具的优点：提高钻速，缩短周期，降低成本。提高钻速，缩短周期，降低成本。减少钻杆磨损和动力传递损耗。减少钻杆磨损和动力传递损耗。准确造斜、定向、
4、纠偏，提高工程质量。准确造斜、定向、纠偏，提高工程质量。用于水平井、丛式井，提高钻井的经济用于水平井、丛式井，提高钻井的经济 效益。效益。复合直井钻进，减少起下钻次数。复合直井钻进，减少起下钻次数。缩短钻井周期，抑制对油气层的污染。缩短钻井周期，抑制对油气层的污染。4、中成中成-螺杆钻具螺杆钻具的结构：的结构：(1)(1)、旁通阀总成、旁通阀总成作用：通过旁通阀的闭合与作用：通过旁通阀的闭合与开启，控制马达的启动与开启，控制马达的启动与停止以及下钻时使钻杆内停止以及下钻时使钻杆内填充泥浆，起钻时泄漏泥填充泥浆，起钻时泄漏泥浆，防止污染井台。浆，防止污染井台。中空马达可不用旁通中空马达可不用旁通
5、 阀总成，用过渡接头代替。阀总成，用过渡接头代替。旁通阀总成组装演示旁通阀总成组装演示(2)(2)(2)(2)、马达总成、马达总成、马达总成、马达总成作用作用:转子在压力泥浆的驱动下，绕转子在压力泥浆的驱动下，绕定子轴线旋转，完成液体压力能向机定子轴线旋转，完成液体压力能向机械能的转化，为钻头提供动力。械能的转化，为钻头提供动力。马达达总成附成附带有防掉有防掉结构，用于构，用于防止因定子及以下部分断裂造成的落防止因定子及以下部分断裂造成的落井事故。井事故。马达达总成包括成包括定子定子和和转子子，定，定转子是子是马达达总成的核心部件。成的核心部件。为了适了适应不同不同钻井工况，开井工况，开发了各
6、种了各种规格及性能的格及性能的马达达总成，成，目前的目前的规格型号涵盖了从格型号涵盖了从73286各种各种规格尺寸，并且每种格尺寸，并且每种规格又包括不同扭矩和格又包括不同扭矩和转速的型号。速的型号。根据井温要求：定子橡胶分根据井温要求：定子橡胶分普通定子普通定子和和高温定子高温定子两种。两种。适适应排量要求：排量要求：转子分子分实心心转子子和和中空中空转子子两种。两种。根据根据钻井泥井泥浆液要求：液要求：对转子表面子表面镀铬处理理，适用于，适用于水基泥水基泥浆和油基泥和油基泥浆；对转子表面子表面碳化碳化钨超音速超音速喷涂涂，适用于适用于饱和和盐水泥水泥浆。马达总成组装演示马达总成组装演示(3
7、)(3)、万向轴总成、万向轴总成作用作用:将转子的偏心运动转化将转子的偏心运动转化 成传动轴的成传动轴的 定轴运动。定轴运动。万向万向轴常用的除常用的除花瓣式万向花瓣式万向轴外，外，还有有挠性性轴、密封球密封球铰接式万向接式万向轴；万向；万向轴壳体分壳体分为直壳体直壳体、固定角度弯壳体固定角度弯壳体和和可可调弯壳体弯壳体。可可调弯壳体弯角具有可在弯壳体弯角具有可在钻井平台井口井平台井口调整弯度的整弯度的优点，既可作直螺杆使用又点，既可作直螺杆使用又可作弯螺杆使用。可可作弯螺杆使用。可调弯壳体主要配弯壳体主要配挠性性轴使用。使用。常规花瓣式常规花瓣式球铰接式球铰接式挠性轴挠性轴万向轴分类：万向轴
8、分类：花瓣式万向轴总成组装演示花瓣式万向轴总成组装演示 万向轴壳体分类：万向轴壳体分类：直壳体直壳体固定角度弯壳体固定角度弯壳体 *单弯壳体单弯壳体 *双弯壳体：同向双弯、异向双弯双弯壳体：同向双弯、异向双弯可调角度弯壳体可调角度弯壳体(配合配合挠性性轴使用使用)角度调整步骤角度调整步骤 可调角度弯壳体调整弯度步骤：可调角度弯壳体调整弯度步骤：步骤一步骤一:分别卡住分别卡住上壳体与调整滑套，上壳体与调整滑套，转动上壳体，施加转动上壳体，施加扭矩松开连接，松扭矩松开连接，松扣最多一圈。扣最多一圈。步骤二步骤二:分别卡住分别卡住调整滑套与下壳体，调整滑套与下壳体，逆时针转动下壳体逆时针转动下壳体至
9、所要求的角度刻至所要求的角度刻度线与调整滑套上度线与调整滑套上刻度线对正。刻度线对正。步骤三步骤三:分别卡住分别卡住调整滑套与上壳体，调整滑套与上壳体，转动上壳体，施加转动上壳体，施加扭矩上紧连接。扭矩上紧连接。步骤四步骤四:分别卡住分别卡住调整滑套与下壳体，调整滑套与下壳体，并施加并施加100的额的额定扭矩上紧，调整定扭矩上紧，调整弯度完毕。弯度完毕。(4)(4)、传动轴总成、传动轴总成作用作用:传动轴总成的作用是将马达的旋转动力传递传动轴总成的作用是将马达的旋转动力传递给钻头，同时承受钻压所产生的轴向和径向负荷。给钻头，同时承受钻压所产生的轴向和径向负荷。组成：组成：基本上由基本上由串轴承
10、串轴承、径向轴承径向轴承、传动轴传动轴、壳壳体体及及其它零部件其它零部件组成。组成。串轴承为多列向心推力球轴承，在钻头悬离串轴承为多列向心推力球轴承，在钻头悬离井底空转时，主要承受整个液柱的向下推力和转井底空转时，主要承受整个液柱的向下推力和转子、万向轴、传动轴及钻头的重量；在钻头座于子、万向轴、传动轴及钻头的重量；在钻头座于井底时承受工作状态所施加的钻压合力。井底时承受工作状态所施加的钻压合力。径向轴承为滑动轴承，上、下各有一组，主径向轴承为滑动轴承，上、下各有一组，主要用来承受转子作行星运动引起的弯曲载荷和钻要用来承受转子作行星运动引起的弯曲载荷和钻头的侧向力。头的侧向力。(4)(4)、传
11、动轴总成传动轴总成-油密封式传动轴总成油密封式传动轴总成作用作用:改善轴承工作环境，减少了各改善轴承工作环境，减少了各轴承的磨损，大大提高了传动轴总轴承的磨损，大大提高了传动轴总成寿命。成寿命。已已经销经销往印度等国家并成功使用，往印度等国家并成功使用，其中其中172螺杆的使用螺杆的使用时间时间超超过过150h，203和和244螺杆使用寿命超螺杆使用寿命超过过200h。传传动动轴轴总总成成组组装装演演示示5、中成中成-螺杆钻具螺杆钻具整体组装演示整体组装演示：二、中成二、中成-螺杆钻具的防掉设计特点螺杆钻具的防掉设计特点1、防掉短节拉杆防掉螺母：、防掉短节拉杆防掉螺母：原理：如防掉短节以下螺纹
12、连接原理：如防掉短节以下螺纹连接处脱扣或外处脱扣或外部件部件断裂时钻具整体断裂时钻具整体下移，防掉螺母挂在防掉短节的下移，防掉螺母挂在防掉短节的挡盘上，防止发生钻具落井事故。挡盘上，防止发生钻具落井事故。2、传动轴防掉：、传动轴防掉：1）通过半环或销钉防掉）通过半环或销钉防掉原理原理:如果传动轴上部水帽螺纹连如果传动轴上部水帽螺纹连接处脱扣或断裂时接处脱扣或断裂时一种结构是防掉半环下移挂在一种结构是防掉半环下移挂在下短节内部台阶上，防止传动轴下短节内部台阶上，防止传动轴落井。落井。另一种结构是下短节上安排有另一种结构是下短节上安排有销钉孔，由四个防掉销钉挂在传销钉孔，由四个防掉销钉挂在传动轴凹
13、槽里，防止传动轴脱落。动轴凹槽里，防止传动轴脱落。2、传动轴防掉：、传动轴防掉：2）反扣锁紧套锁紧）反扣锁紧套锁紧原理原理:采用反扣螺纹防止传动轴下短采用反扣螺纹防止传动轴下短节脱扣，同时增加锁紧套，反向锁节脱扣，同时增加锁紧套，反向锁紧。这样有效防止下短节脱落造成紧。这样有效防止下短节脱落造成的传动轴内部零件脱落；另外水帽的传动轴内部零件脱落；另外水帽尺寸大于传动轴壳体内径尺寸也起尺寸大于传动轴壳体内径尺寸也起到双重作用。到双重作用。2、传动轴防掉：、传动轴防掉：3）传动轴下端轴头处优化设计）传动轴下端轴头处优化设计改进了传动轴下端结构，增加了改进了传动轴下端结构，增加了强度，消除了应力集中
14、，防止传强度，消除了应力集中，防止传动轴下端轴头断裂落井。动轴下端轴头断裂落井。原原型型传动轴改改进型型传动轴新传动轴结构的特点：新传动轴结构的特点：1 1、去掉偏心套，改成光轴，减少应力集中。、去掉偏心套，改成光轴，减少应力集中。2 2、加大传动轴轴径，提高抗剪切强度。、加大传动轴轴径，提高抗剪切强度。3 3、改用圆柱销防止下、改用圆柱销防止下TCTC动套打转，避免传动轴磨损。动套打转，避免传动轴磨损。123传动轴新结构传动轴新结构传动轴原结构传动轴原结构3、加强螺杆钻具两端加强螺杆钻具两端API扣型加工质量管理，确保扣型加工质量管理，确保互换性、连接稳固有效。互换性、连接稳固有效。三、中成
15、三、中成-螺杆钻具的技术研发特点螺杆钻具的技术研发特点（一）、先进的设计技术（一）、先进的设计技术:1 1、中成马达线型设计软件、中成马达线型设计软件（一）、先进的设计技术（一）、先进的设计技术:2 2、定转子模拟设计软件、定转子模拟设计软件（一）、先进的设计技术（一）、先进的设计技术:3 3、定转子模拟加工软件、定转子模拟加工软件（一）、先进的设计技术（一）、先进的设计技术:4 4、可逆向转子测量软件、可逆向转子测量软件（一）、先进的设计技术（一）、先进的设计技术:5 5、螺杆钻具动力学和现代、螺杆钻具动力学和现代CAECAE研究研究 开展螺杆钻具等井下钻具的结构安全性评价和最优开展螺杆钻具
16、等井下钻具的结构安全性评价和最优使用参数评价是预防井下安全事故的重要技术手段。使用参数评价是预防井下安全事故的重要技术手段。特别是在深井、超深井和大位移井中，螺杆钻具的特别是在深井、超深井和大位移井中，螺杆钻具的综合评价对井下安全作业尤为重要。综合评价对井下安全作业尤为重要。立足立足三维井眼全井钻柱系统动力学三维井眼全井钻柱系统动力学，结合不同井型，结合不同井型（直井、水平井、大位移井、开窗侧钻井等），开展了（直井、水平井、大位移井、开窗侧钻井等），开展了钻井参数、井身结构、钻具组合等对螺杆钻具输出性能钻井参数、井身结构、钻具组合等对螺杆钻具输出性能及相关钻井技术指标的影响研究。及相关钻井技术
17、指标的影响研究。钻柱动力学的部分模型和输出图例钻柱动力学的部分模型和输出图例 应用多项先进的应用多项先进的ANSYSANSYS软件技术，软件技术，如如静力有限元分析静力有限元分析、振动分析振动分析、流体流体动力学分析动力学分析、疲劳寿命预测疲劳寿命预测等技术，等技术，开展了螺杆钻具的零部件力学分析和开展了螺杆钻具的零部件力学分析和结构优化，形成了较为完整的螺杆钻结构优化，形成了较为完整的螺杆钻具设计与分析体系，为新型螺杆钻具具设计与分析体系，为新型螺杆钻具开发提供了强有力的理论支撑。开发提供了强有力的理论支撑。（一）、先进的设计技术（一）、先进的设计技术:有限元分析的部分输出图例有限元分析的部
18、分输出图例（二）、先进的加工设备（二）、先进的加工设备:奥地利数控转子铣床奥地利数控转子铣床 奥地利数控转子抛光机奥地利数控转子抛光机 德国德国DESMA注胶机注胶机 美国美国SWFSWF电加热硫化罐电加热硫化罐 美国美国15U数控车床数控车床 美国美国15VC数控铣床数控铣床（三）、可靠的质量保证（三）、可靠的质量保证:1 1、定子橡胶加工检测、定子橡胶加工检测橡胶DIN磨耗机橡胶ASTMD2632垂直弹性试验机1L双转子实验室密炼机炭黑分散仪2 2、定子橡胶内窥镜、定子橡胶内窥镜3 3、金属探伤仪、金属探伤仪4 4、马达、整机试验台架、马达、整机试验台架四、中成四、中成-螺杆钻具的选型与注
19、意事项螺杆钻具的选型与注意事项1、螺杆钻具规格型号、螺杆钻具规格型号选择原则选择原则：作业安全原则：在满足井眼环空要求的前提下尽量作业安全原则：在满足井眼环空要求的前提下尽量选用大规格螺杆钻具，以增加其强度和提供足够大选用大规格螺杆钻具，以增加其强度和提供足够大的扭矩。的扭矩。排量合适原则：每种马达都有一个合适的工作排量排量合适原则：每种马达都有一个合适的工作排量范围，应根据实际的泥浆排量来优选螺杆马达，使范围，应根据实际的泥浆排量来优选螺杆马达，使马达发挥最佳状态。如果排量超过推荐范围，应采马达发挥最佳状态。如果排量超过推荐范围，应采用中空马达分流。用中空马达分流。2、对井底温度的要求：、对
20、井底温度的要求：对于深井和超深井，井底温度较高，会对常温马达总成对于深井和超深井，井底温度较高，会对常温马达总成产生不利影响。首先高温会使定子常温橡胶膨胀，导致产生不利影响。首先高温会使定子常温橡胶膨胀，导致定定/转子过盈量增大，定子磨损加快；其次高温会导致定转子过盈量增大，定子磨损加快；其次高温会导致定子常温橡胶强度下降，马达承受压降降低、输出扭矩减子常温橡胶强度下降，马达承受压降降低、输出扭矩减小。小。中成公司提供的最高工作温度为中成公司提供的最高工作温度为150150的高温定子，同时的高温定子，同时通过设计特殊配合的马达来满足高温井钻井作业的要求。通过设计特殊配合的马达来满足高温井钻井作
21、业的要求。常温井应使用常温马达常温井应使用常温马达,使用高温马达的效果并不是很好。使用高温马达的效果并不是很好。3、对使用泥浆的要求：、对使用泥浆的要求：中成螺杆钻具在油基泥浆和水基泥浆中均可有效使用中成螺杆钻具在油基泥浆和水基泥浆中均可有效使用由于油有引起定子橡胶溶胀的趋势，因此，油基泥浆的苯由于油有引起定子橡胶溶胀的趋势，因此，油基泥浆的苯胺点和井底的循环温度必须考虑。低等级的柴油基泥浆应胺点和井底的循环温度必须考虑。低等级的柴油基泥浆应该避免。推荐使用低芳香烃、低毒的油基泥浆。该避免。推荐使用低芳香烃、低毒的油基泥浆。泥浆中氯化物的含量应当控制，以减少其对转子及钻具配泥浆中氯化物的含量应
22、当控制，以减少其对转子及钻具配件的腐蚀。件的腐蚀。严格四级净化，控制泥浆中的含沙量，推荐不超过严格四级净化，控制泥浆中的含沙量，推荐不超过0.3%0.3%。控制泥浆性能的稳定，保持适当粘切，增强泥浆携砂能力。控制泥浆性能的稳定，保持适当粘切，增强泥浆携砂能力。避免使用粗劣的堵漏材料，防止堵塞或破坏螺杆钻具。避免使用粗劣的堵漏材料，防止堵塞或破坏螺杆钻具。4、控制输入泥浆排量和输出转速：、控制输入泥浆排量和输出转速：螺杆输出转速与输入泥浆排量成正比。每种规格的马达都螺杆输出转速与输入泥浆排量成正比。每种规格的马达都有其推荐的最大和最小排量值。有其推荐的最大和最小排量值。螺杆的最佳使用排量是其最大
23、允许使用排量的螺杆的最佳使用排量是其最大允许使用排量的70%70%左右，既左右，既能获得足够的扭矩和转速，也可以获得较长的使用寿命。能获得足够的扭矩和转速，也可以获得较长的使用寿命。当使用的排量接近或超过最大排量时，转子会超速旋转，当使用的排量接近或超过最大排量时，转子会超速旋转，定子的负载频率会增加，这些都会导致马达提前损坏。定子的负载频率会增加，这些都会导致马达提前损坏。使用中空马达分流，可以突破推荐排量上限，提高泥浆在使用中空马达分流，可以突破推荐排量上限，提高泥浆在环空的返速，以便于迅速清除被钻头破碎的岩屑。环空的返速，以便于迅速清除被钻头破碎的岩屑。当使用中空马达时，应根据实际排量、
24、泥浆密度等参数，当使用中空马达时，应根据实际排量、泥浆密度等参数，选用配带有合适分流水眼的中空转子。选用配带有合适分流水眼的中空转子。5、对、对泵压泵压和和钻压钻压的要求：的要求：每种规格的螺杆钻具都给出了其所能承受的马达负载压力每种规格的螺杆钻具都给出了其所能承受的马达负载压力降与钻压的范围，在钻进过程中，应根据进尺来优选泵压降与钻压的范围，在钻进过程中，应根据进尺来优选泵压和钻压，从而获得满意的机械钻速。和钻压，从而获得满意的机械钻速。螺杆钻具在一定的排量前提下，钻压加到钻头，马达产生螺杆钻具在一定的排量前提下，钻压加到钻头，马达产生一定范围的压差，从而作为判断螺杆是否正常工作的重要一定范
25、围的压差，从而作为判断螺杆是否正常工作的重要依据之一。依据之一。钻压的大小影响螺杆钻具工作的压差。加到螺杆上的钻压钻压的大小影响螺杆钻具工作的压差。加到螺杆上的钻压越大，马达压差就越大，过大的压差会造成马达滞动，甚越大，马达压差就越大，过大的压差会造成马达滞动，甚至损坏螺杆内部结构；钻压过小，钻时变慢，不能充分发至损坏螺杆内部结构；钻压过小，钻时变慢，不能充分发挥马达效率。挥马达效率。6、合理配用钻头及水眼：、合理配用钻头及水眼：中成中成-螺杆钻具与螺杆钻具与PDCPDC钻头完全匹配，特别适用于周期较长钻头完全匹配，特别适用于周期较长的直井作业，可大幅提高机械钻速，减少起下钻时间和钻的直井作业
26、，可大幅提高机械钻速，减少起下钻时间和钻具套管的磨损，降低钻井成本，获得显著的经济效益。具套管的磨损，降低钻井成本，获得显著的经济效益。中成中成-螺杆钻具也可与牙轮钻头配合使用，考虑到螺杆的转螺杆钻具也可与牙轮钻头配合使用，考虑到螺杆的转速相对较高，应选择高硬度级别的牙轮钻头。速相对较高，应选择高硬度级别的牙轮钻头。中成中成-螺杆钻具的轴承润滑和冷却主要依赖于钻井液，而流螺杆钻具的轴承润滑和冷却主要依赖于钻井液，而流经轴承的泥浆大小取决于钻头水眼压降。因此，为了保证经轴承的泥浆大小取决于钻头水眼压降。因此，为了保证轴承的寿命，钻头水眼压降应控制在给定的范围内。轴承的寿命，钻头水眼压降应控制在给
27、定的范围内。合理匹配钻头水眼，形成充分的井底不对称流场，增强泥合理匹配钻头水眼，形成充分的井底不对称流场，增强泥浆对井底及钻头的清洁、冲洗作用，有利于提高机械钻速。浆对井底及钻头的清洁、冲洗作用，有利于提高机械钻速。7、下钻时注意事项：、下钻时注意事项：在高温井或压力上升井段下钻时，要低速泵入泥在高温井或压力上升井段下钻时，要低速泵入泥浆灌满钻柱并间断进行循环以防止钻头喷嘴堵塞浆灌满钻柱并间断进行循环以防止钻头喷嘴堵塞或防止高温造成定子的损坏。或防止高温造成定子的损坏。当钻头下放至预定深度开始延伸钻进前，先上提当钻头下放至预定深度开始延伸钻进前，先上提钻杆或缓慢转动以防止损坏套管或划出新眼。钻
28、杆或缓慢转动以防止损坏套管或划出新眼。8、使用螺杆钻具时注意事项：、使用螺杆钻具时注意事项：当导向钻进时，转盘（或顶驱）的转速不得超过当导向钻进时，转盘（或顶驱）的转速不得超过75rpm75rpm（转（转/分）。分）。当螺杆钻具弯壳体角度在当螺杆钻具弯壳体角度在1 13030以上时，严禁转以上时，严禁转盘（或顶驱）转动。盘（或顶驱）转动。避免顿钻或将螺杆直接座入井底。避免顿钻或将螺杆直接座入井底。施加钻压要均匀，不顿不溜，也不能太猛。施加钻压要均匀，不顿不溜，也不能太猛。严禁异物进入马达。严禁异物进入马达。尽可能避免马达发生频繁制动。尽可能避免马达发生频繁制动。五、中成五、中成-螺杆钻具的下一步发展方向螺杆钻具的下一步发展方向1、适用于空气与泡沫介质的螺杆钻具研制：、适用于空气与泡沫介质的螺杆钻具研制：2、螺杆钻具马达定子高性能橡胶配方的研究：、螺杆钻具马达定子高性能橡胶配方的研究：3、螺杆钻具硬质合金表面涂层转子的研究：、螺杆钻具硬质合金表面涂层转子的研究：硬质合金耐磨涂层4、小尺寸螺杆钻具、小尺寸螺杆钻具的的研制：研制：5、等壁厚定子的螺杆钻具研制：、等壁厚定子的螺杆钻具研制：等壁厚定子常规定子橡胶橡胶