螺杆钻具课件.pptx

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1、第二第二节节 螺杆螺杆钻钻具具目目 录录一、一、概概 述述1.1.井下井下动动力力钻钻具具简简介介2.2.井下井下动动力力钻钻具具发发展概述展概述3.3.井下井下动动力力钻钻具分具分类类二、螺杆二、螺杆钻钻具具简简介、介、结结构及分构及分类类1.1.螺杆螺杆钻钻具具简简介介2.2.螺杆螺杆钻钻具具结结构构3.3.螺杆螺杆钻钻具分具分类类三、螺杆三、螺杆钻钻具各部分的工作原理具各部分的工作原理1.1.旁通旁通阀总阀总成成2.2.螺杆螺杆钻钻具具马马达部分达部分3.3.万向万向轴总轴总成成4.4.传动轴总传动轴总成成一、一、概概 述述1.1.井下井下动动力力钻钻具具简简介介将将动动力力发动发动机置

2、于井底直接与机置于井底直接与钻头钻头相相联驱动钻头联驱动钻头破碎岩石破碎岩石进进行行钻钻井井 的井下的井下动动力装置，称力装置，称为为井下井下动动力力钻钻具。具。这这种种钻钻井方式称井方式称为为井下井下动动力力钻钻具具 钻钻井井。特点：特点：1)1)井下井下动动力力钻钻具具钻钻井井时时，钻钻杆不杆不转转，只承受只承受钻头钻头的反扭矩的反扭矩，这样这样可可 改善改善钻钻柱的受力状况，减少柱的受力状况，减少钻钻柱与套管之柱与套管之间间的磨的磨损损；2)2)井下井下动动力力钻钻具与具与转盘钻转盘钻井相比，井相比，转转速快，有利于提高机械速快，有利于提高机械钻钻速；速；3)3)可可实现实现井身井身轨轨

3、迹的定向控制。迹的定向控制。4)4)可与可与转盘转盘复合，复合，实现实现复合复合钻钻井。不井。不仅仅可以可以实现实现旋旋转转或滑或滑动钻动钻井，井，还还可提高可提高钻头转钻头转速速提高提高钻钻井速井速度度。2.2.井下井下动动力力钻钻具具发发展概况展概况世界上第一个世界上第一个井下井下动动力力钻钻具的具的专专利利18731873年注册年注册于于美美国国比比转盘钻转盘钻井的提出井的提出还还早早1111年；但其真正年；但其真正应应用是在用是在2020世世纪纪2020、3030年代年代的的前前苏苏联联。前前 苏联苏联作作为为全球全球主要主要应应用用涡轮涡轮钻钻具具钻钻井井的的国国家，家，在在2020

4、世世纪纪5 50 0年代中期年代中期以以前前，前前苏联苏联80%80%以上的油井是用以上的油井是用涡轮钻涡轮钻具具钻钻成的。成的。2020世世纪纪3030年代年代，法国工程法国工程师师根据根据对对阿基米德螺旋阿基米德螺旋泵泵的研究成果的研究成果设计设计 了了单单螺杆螺杆泵泵。19551955年年，美国戴美国戴纳纳公司公司(Dyna)(Dyna)在在单单螺杆螺杆泵泵的基的基础础上研制开上研制开 发发单单螺杆螺杆钻钻具具，于于19581958年年起开始出售商品，一起开始出售商品，一时时占占领领世界市世界市场场。19661966年，年，前前苏联苏联的的全全苏钻苏钻井科学技井科学技术术研究院研究院VN

5、IIBTVNIIBT开始研制多开始研制多头头螺螺杆杆钻钻具具。2.2.井下井下动动力力钻钻具具发发展概况展概况随着定向井数目的增加，随着定向井数目的增加，2020世世纪纪7070年代年代，人，人们对们对螺杆螺杆钻钻具的具的兴兴趣与日俱趣与日俱增。多增。多头头螺杆螺杆钻钻具逐步取代具逐步取代单头单头螺杆螺杆钻钻具而成具而成为为主主导产导产品。更多的国品。更多的国外外油油气井工具气井工具与与设设备备公司，特公司，特别别是是斯斯伦贝谢伦贝谢、贝贝克克(Baker)(Baker)和克里斯坦森和克里斯坦森等等公司，都开始制造自己公司，都开始制造自己的的多多头头螺杆螺杆钻钻具具。井下井下动动力力钻钻具具经

6、过经过4040多年多年的探索和研究，已成的探索和研究，已成为为当今世界石油当今世界石油钻钻井中井中定定 向井、向井、丛丛式井、大斜度井、水平井式井、大斜度井、水平井等等钻钻井作井作业业必不可少的重要工具。必不可少的重要工具。我国是在我国是在2020世世纪纪7070年代末期开始研制年代末期开始研制涡轮钻涡轮钻具和多具和多头头螺杆螺杆钻钻具具，在，在8080年年 代初曾推广使用代初曾推广使用涡轮钻涡轮钻具，但由于其具，但由于其转转速高、与牙速高、与牙轮钻头轮钻头不配套，加之当不配套，加之当时时 的固相的固相处处理技理技术术不不过过关，限制了关，限制了涡轮钻涡轮钻具的具的应应用。用。2020世世纪纪

7、8080年代引年代引进进美国美国 DynaDyna螺螺杆杆钻钻具具技技术术后，螺杆后，螺杆钻钻具具发发展迅速，得到普遍展迅速，得到普遍应应用。用。现现在，我国已有在，我国已有 十余家工厂十余家工厂可可以生以生产产螺杆螺杆钻钻具具，国国产产螺杆螺杆钻钻具具已成已成为为主要的主要的钻钻井工具。井工具。2.2.井下井下动动力力钻钻具具发发展概况展概况近年来近年来，随，随着着导导向向钻钻井技井技术术的的发发展和展和钻头质钻头质量的改量的改进进，井下井下动动力力钻钻具的具的应应用空用空间间逐步拓展，逐步拓展，从从直井直井到到定向定向井、大斜度井、水平井井、大斜度井、水平井，从，从井下井下动动力力钻钻具具

8、钻钻井井到到复合复合钻钻井井，都与井下都与井下动动力力钻钻具密切相具密切相关关。因此，了解和掌握。因此，了解和掌握井下井下动动力力钻钻具具 的作用、工作原理、基本的作用、工作原理、基本结结构及其特点构及其特点，对对于从事石油工程于从事石油工程 的的专业专业人人员员是十分重要的。是十分重要的。3.3.井下井下动动力力钻钻具分具分类类螺杆螺杆钻钻具具液力液力驱动驱动涡轮钻涡轮钻具具井井下下动动力力钻钻具具电驱动电驱动电动钻电动钻具具本章主要介本章主要介绍绍螺杆螺杆钻钻具和具和涡轮钻涡轮钻具具。二、二、螺杆螺杆钻钻具具简简介、介、结结构及分构及分类类1.1.螺杆螺杆钻钻具具简简介介螺杆螺杆钻钻具，又

9、称具，又称定排定排量量马马达，是一种以达，是一种以钻钻井液井液为动为动力力 液的井下液的井下动动力力钻钻具，具，为为容容积积式式马马达达。工作原理：工作原理：泥泥浆浆泵泵泵泵出出的的钻钻井井液液从从钻钻柱柱进进入入螺螺杆杆钻钻具具的的马马达达，在在马马 达达的的两两端端形形成成一一定定压压力力差差 推推动动马马达达的的转转子子旋旋转转 并并将将扭扭矩矩 和和转转速通速通过过万向万向轴轴和和传动轴传递给钻头传动轴传递给钻头。2.2.螺杆螺杆钻钻具具结结构构螺杆螺杆钻钻具的具的组组成部分成部分：1)1)旁通旁通阀总阀总成成；2)2)马马达达总总成成；3)3)万向万向轴总轴总成成；4)4)传动轴总传

10、动轴总成成。扶正器扶正器旁通阀马达万向轴总成传动轴总成螺杆螺杆钻钻具具单单弯弯导导向螺杆向螺杆钻钻具具弯 角 角 度造斜率造斜率导导向螺杆向螺杆钻钻具弯角角度与造斜率的关系具弯角角度与造斜率的关系3.3.螺杆螺杆钻钻具分具分类类螺杆螺杆钻钻具的分具的分类类方式有多种方式有多种：1)1)按螺按螺杆杆马马达的达的结结构特征构特征分分类类(单头单头、多、多头头)2)2)按螺按螺杆杆马马达的公称外径达的公称外径分分类类(75(75、9595、120mm120mm)3)3)按螺按螺杆杆万向万向轴轴壳体壳体结结构特征构特征分分类类(直螺杆直螺杆、弯螺杆弯螺杆)1)1)按螺杆按螺杆马马达的达的结结构特征构特

11、征分分类类“”按螺杆按螺杆马马达达转转子端面子端面线线型型的的 头头数数N N，可把螺杆可把螺杆钻钻具分具分为为 单单头钻头钻具和具和多多头钻头钻具具。一般可取。一般可取N=1N=19 9。N=1N=1为单头马为单头马达达(钻钻具具)，N2N2为为多多头马头马达达(钻钻具具)。单头马单头马 达具有高达具有高转转速、小扭矩特性速、小扭矩特性；多多头马头马达具有低达具有低转转速、大扭矩特性速、大扭矩特性。2)2)按螺杆按螺杆马马达的公称外径达的公称外径分分类类这这种分种分类类方法主要是便于方法主要是便于钻钻井工作者根据所井工作者根据所钻钻井眼尺井眼尺 寸来寸来选择选择相相应应直径的螺杆直径的螺杆钻

12、钻具具。常常见见的螺杆的螺杆钻钻具有：具有：75、95(用于用于118mm以下尺寸井眼以下尺寸井眼)；120(用于用于152mm、165mm 井眼井眼)；165，172(用于用于215mm井井眼眼)；197、203(用于用于241、311mm井井眼眼)；244(用用于于 311mm及以上尺寸井眼及以上尺寸井眼)。3)3)按螺杆按螺杆万向万向轴轴壳体壳体结结构特征构特征分分类类根据螺杆根据螺杆钻钻具的具的万向万向轴轴壳体壳体是否是否带带有有结结构弯角构弯角，可将，可将 螺杆螺杆钻钻具划分具划分为为：直螺杆直螺杆钻钻具具(无无结结构弯角构弯角)；弯壳体螺杆弯壳体螺杆钻钻具具(带结带结构弯角构弯角)

13、。直直螺螺杆杆钻钻具具主主要要用用于于钻钻直直井井，弯弯壳壳体体螺螺杆杆钻钻具具主主要要用用 于于钻钻水水平平井井、大大位位移移井井、多多分分支支井井等等，而而且且随随着着钻钻井井技技术术 发发展展及及螺螺杆杆钻钻具具弯弯壳壳体体品品种种规规格格的的增增加加 弯弯壳壳体体螺螺杆杆钻钻具具 的的应应用日益普遍。用日益普遍。螺螺杆杆钻钻具具的的分分类类方方法法有有多多种种 但但实实际际 上上应应用用中中最最常常用用的的是是根根据据螺螺杆杆钻钻具具外外径径及及 万向万向轴轴壳体壳体结结构构进进行分行分类类。三、螺杆三、螺杆钻钻具各部分的具各部分的工作原理工作原理1.1.旁通旁通阀总阀总成成1)1)作

14、用：作用：旁旁通通阀阀是是螺螺杆杆钻钻具具的的辅辅助助部部件件，它它的的作作用用是是在在停停泵泵时时 使使钻钻柱柱内内空空间间与与环环空空沟沟通通，以以避避免免起起下下钻钻和和接接换换单单根根时时钻钻 柱内柱内钻钻井液溢出井液溢出污污染染钻钻台，影响正常工作。台，影响正常工作。2)2)组组成成:旁通旁通阀总阀总成成由由阀阀芯、芯、阀阀套、套、弹弹簧、簧、阀阀口等零件口等零件组组成成。阀阀芯有两个位置：芯有两个位置：开启位置和关开启位置和关闭闭位置位置。旁通旁通阀阀的开启与关的开启与关闭闭由由钻钻井液的流量控制井液的流量控制。旁通旁通阀阀结构示意图3)3)工作原理工作原理在开在开泵时泵时，钻钻井

15、液井液压压力迫使力迫使阀阀芯芯向下运向下运动动，造成，造成弹弹簧簧压缩压缩并关并关闭阀闭阀体上的通道体上的通道(一般有一般有5 5个个沿沿圆圆周均匀分布的周均匀分布的 通孔，内通孔，内装装筛筛板板过滤过滤异物异物)，此此时时螺杆螺杆钻钻具可循具可循环钻环钻井液井液 或正常或正常钻进钻进。当停。当停泵时泵时，钻钻井液井液压压力消失，被力消失，被压缩压缩的的弹弹簧簧 上上举阀举阀芯芯，旁通旁通阀阀开启开启，使，使钻钻柱内空柱内空间间与与环环空沟通。空沟通。正常正常钻进时钻进时，旁通，旁通阀阀关关闭闭。此此时时泥泥浆浆流流经马经马达把达把压压力力 能能转换为转换为机械机械能能。特殊特殊说说明明旁旁通

16、通阀阀不不是是螺螺杆杆钻钻具具工工作作时时的的必必须须部部件件。在在 水水平平钻钻井井中中，为为了了防防止止停停泵泵时时环环空空钻钻井井液液内内的的岩岩 屑屑从从旁旁通通阀阀的的筛筛板板进进入入马马达达，往往往往不不装装旁旁通通阀阀；或或把把旁旁通通阀阀的的弹弹簧簧取取出出来来使使旁旁通通阀阀呈呈常常闭闭状状态态，而而在在直直井井段段的的钻钻柱柱上上安安装装一一个个钻钻柱柱旁旁通通阀阀，来来代代 替螺杆替螺杆钻钻具旁通具旁通阀阀的作用的作用。2.2.螺杆螺杆钻钻具具马马达部分达部分1)1)马马达的达的组组成及成及结结构构简简介介马马达是螺杆达是螺杆钻钻具的具的动动力部件，力部件，马马达达总总成

17、成实际实际上是由上是由 转转子和定子子和定子两个基本部分两个基本部分组组成的成的单单螺杆容螺杆容积积式式动动力机力机 械。械。转转子是一根表面子是一根表面镀镀有耐磨材有耐磨材料料Cr的的钢钢制螺杆，其制螺杆，其 上端是上端是自由自由端端下端与万向下端与万向轴轴相相连连。定子包括定子包括钢钢制外制外 筒和筒和硫化硫化在外筒内壁的在外筒内壁的橡胶橡胶衬衬套套，橡胶，橡胶衬衬套内孔套内孔为为一一 个个螺旋曲面的型腔螺旋曲面的型腔。壳体壳体定子定子转转子子螺杆螺杆钻钻具具马马达达转转子子线线型和定子型和定子线线型是一型是一对对摆线类摆线类共共轭轭曲曲线线 副副，常用的，常用的马马达达转转子若子若为为N

18、 N头头摆线线摆线线型，型，则则定子必定子必 为为N+N+摆线线摆线线型；型；转转子和定子曲面的螺距相同子和定子曲面的螺距相同。除除对转对转子和定子的端面曲子和定子的端面曲线线即即线线型有一定要求外，型有一定要求外，还还要求要求转转子与定子的子与定子的长长度度须须大于螺距。大于螺距。转转子子轴线轴线和定子和定子轴线间轴线间有一距离，称有一距离，称为为偏心偏心 距，一般以距，一般以e e 表示表示。RoSt2)2)工作原理工作原理螺杆螺杆钻钻具是一种具是一种容容积积式式(液液压压式式)机械，其理机械，其理论论基基础础基于基于 帕斯卡原帕斯卡原理理。P1P2P1P2 液压能机械能定子定子转转子子转

19、转子子和和定定子子具具有有特特殊殊的的啮啮 合合结结构构，啮啮合合点点沿沿轴轴向向经经大大 于于一一个个螺螺距距的的距距离离后后形形成成螺螺 旋旋密密封封线线，形形成成一一个个又又一一个个 的密封空的密封空腔腔。当具有一定能量的当具有一定能量的压压力力转动转动 方向方向液流液流液液进进入入转转、定定子子形形成成的的密密封封 腔腔 并并从从马马达达的的一一端端流流到到另另 一端一端时时，便推，便推动转动转子在定子子在定子中中转动转动，将将液液压压能能转换为转换为机机械能械能，这这就就是是螺杆螺杆马马达的基达的基万向万向节节本工作原本工作原理理。3)3)螺杆螺杆钻钻具的特性分析具的特性分析在不在不

20、计计能量能量损损失失时时，根据，根据容容积积式机式机械械工作工作过过程中程中的的能量守恒定能量守恒定律律，在在单单位位时间时间内内钻头输钻头输出的出的机械机械能能应应等于螺杆等于螺杆马马达达输输入入的的水力水力能能，则则有有：MTT pQq60Q根据容根据容积积式机械的式机械的转转速关系，速关系，有有n T n T30T根据角速度与根据角速度与转转速的关系，速的关系，有有马马达理达理论论扭矩：扭矩：TM 1pq2马马达理达理论论功率功率：NT pQM T 马达理论转矩 钻头理论角速度 钻头理论转速，即马达输出的自转转速TnT p马达进、出口的压力降q 马马达每达每转转排量，它是一个排量，它是一

21、个结结构参数，构参数，仅仅与与线线型和几何尺寸有型和几何尺寸有关关。Q 流流经马经马达的流量，即排量达的流量，即排量N T 理论功率螺杆螺杆钻钻具的理具的理论论特性曲特性曲线线分析公式可以看出分析公式可以看出：(1)(1)螺杆螺杆钻钻具的具的转转速只与排量和速只与排量和结结构有关构有关，而与工况而与工况(钻压钻压、扭矩等、扭矩等)无关。无关。(2)(2)工作扭矩与工作扭矩与压压降和降和结结构有关构有关，而与而与转转速无关速无关。(3)(3)转转速和速和工作扭矩工作扭矩是各自独立的两个参数。是各自独立的两个参数。(4)(4)螺杆螺杆钻钻具具有硬具具有硬转转速特性速特性(不因不因负载负载增增大而降

22、低大而降低转转速速)和良好的和良好的过载过载能力能力 (压压降增加可降增加可导导致工作扭矩致工作扭矩变变大大)。(5)(5)泵压泵压表可作表可作为为井底工况井底工况监视监视器，由器，由泵压泵压变变化判断和化判断和显显示井下工况示井下工况(扭矩扭矩 和和钻压钻压)。(6)(6)转转速随排量速随排量Q Q的的变变化而化而线线性性变变化，因化，因此此可通可通过调节过调节排量排量Q Q很容易地很容易地进进行行转转 速速调节调节。(7)(7)工作扭矩与工作扭矩与转转速均与速均与结结构有关，增构有关，增大大马马达的每达的每转转排量，可排量，可获获得适合于得适合于 钻钻井作井作业业的低速大扭矩特性。螺杆的低

23、速大扭矩特性。螺杆钻钻具的具的头头数越多，每数越多，每转转排量越大，排量越大，马马达达 的的转转速越低，扭矩越大（如速越低，扭矩越大（如图图）。）。螺杆螺杆钻钻具具头头数与扭矩和数与扭矩和转转速特性速特性间间的关系曲的关系曲线线螺杆螺杆钻钻具的理具的理论论特性曲特性曲线线螺杆螺杆钻钻具具实际实际工作工作转转速与速与压压降的关系降的关系3.3.万向万向轴总轴总成成1)1)作用作用把把马马达达转转子子的的平平面面行行星星运运动动 转转化化为为传传动动轴轴的的定定轴轴转转动动，同同时时把把马马达达的的工工作作转转矩矩传传递递 给传动轴给传动轴和和钻钻头头。2)2)结结构构万向万向轴轴有不同的有不同的

24、结结、构形式，构形式，例如例如应应用最普用最普 遍的遍的为为瓣型瓣型连连接接轴轴和和挠挠 性性连连接接轴轴(有一定柔度有一定柔度 上下两端上下两端为连为连接螺接螺纹纹的的 光光轴轴）以及其他形式的以及其他形式的 万向万向轴轴。万向万向轴轴的上端的上端 和和马马达达转转子下端相子下端相连连，而而下端下端则则和和传动轴传动轴上端上端的的导导帽相帽相连连。万向万向轴总轴总成成结结构和工作原理构和工作原理4.4.传动轴总传动轴总成成1)组组成成传动轴传动轴由由壳体、壳体、轴轴、推力、推力轴轴承、径向承、径向轴轴承及其他承及其他辅辅助零件助零件总总装装组组 成成。推力推力轴轴承承承受承受钻钻具在各种工况

25、下具在各种工况下产产生的生的轴轴向力向力，径向径向轴轴承承则则用于用于 对传动轴进对传动轴进行扶正，保行扶正，保证证其正常工作位置其正常工作位置。常常规规螺杆螺杆钻钻具的具的传动轴总传动轴总成成:上、下径向上、下径向轴轴承承为为硬硬质质合金合金轴轴承承（TCTC轴轴承承），中中间间装装有有一一组组角角接接触触推推力力球球轴轴承承，具具有有较较高高的的承承载载能能力力 和和使使用用寿寿命命。螺螺杆杆钻钻具具工工作作时时，少少量量泥泥浆浆从从轴轴承承间间隙隙处处通通过过，使使轴轴承承 得到得到润润滑和冷却。滑和冷却。泥浆流入泥浆泄漏传动轴传动轴总传动轴总成的成的结结构构2)作用作用作用：作用：将将

26、马马达的扭矩和达的扭矩和转转速速传递给钻头传递给钻头，同，同时时要承受要承受钻进钻进 时时地地层层作用于作用于钻头钻头的的轴轴向向和和径径向向。止推止推轴轴承承TC轴轴承承泥浆流入泥浆泄漏传动轴序号序号专专 利利 名名 称称专专利利类类型型专专 利利 号号 1井下井下动动力力钻钻具具储储油密封油密封补偿结补偿结构构实用新型ZL00239161.92充油密封充油密封润润滑滑动动力力钻钻具行星具行星齿轮齿轮减速器减速器实用新型ZL00234226.X3动动力力钻钻具金属端面密封具金属端面密封结结构构实用新型ZL00234224.34具有金属橡胶止推具有金属橡胶止推轴轴承和承和滚动轴滚动轴承的井下承

27、的井下动动力力钻钻具具传动轴传动轴实用新型ZL02232766.55具有金具有金刚刚石止推石止推轴轴承的井下承的井下动动力力钻钻具具传动轴传动轴实用新型ZL02237850.26积积木式木式组组合合涡轮节涡轮节实用新型ZL02246686.X7组组合式减速合式减速涡轮钻涡轮钻具具实用新型ZL02256778.X8具有具有圆圆柱柱滚滚子推力子推力轴轴承的承的储储油油补偿补偿橡胶密封橡胶密封传动轴传动轴实用新型ZL02237851.09具有推力具有推力圆锥滚圆锥滚子子轴轴承的承的储储油油补偿补偿橡胶密封橡胶密封传动轴传动轴实用新型ZL02235691.610具有多列推力球具有多列推力球轴轴承的承的

28、储储油油补偿简补偿简易密封易密封传动轴传动轴实用新型ZL02240121.011具有金具有金刚刚石止推石止推轴轴承的承的涡轮钻涡轮钻具中具中间间支承支承节节实用新型ZL02246311.912具有推力球具有推力球轴轴承的承的涡轮钻涡轮钻具中具中间间支承支承节节实用新型ZL02246314.313具有具有储储油油补偿补偿器的橡胶密封器的橡胶密封涡轮钻涡轮钻具中具中间间支承支承节节实用新型ZL02246310.014具有四点角接触推力球具有四点角接触推力球轴轴承的承的动动力力钻钻具具传动轴传动轴实用新型ZL02246313.515具有推力具有推力圆锥滚圆锥滚子子轴轴承的承的储储油油补偿补偿橡胶密封橡胶密封传动轴传动轴发明专利ZL02121100.016积积木式木式组组合合涡轮节涡轮节发明专利ZL02129474.717具有金属橡胶止推具有金属橡胶止推轴轴承和承和滚动轴滚动轴承的井下承的井下动动力力钻钻具具传动轴传动轴发明专利ZL02149095.318具有具有圆圆柱柱滚滚子推力子推力轴轴承的承的储储油油补偿补偿橡胶密封橡胶密封传动轴传动轴发明专利ZL02149094.519具有金具有金刚刚石止推石止推轴轴承的承的涡轮钻涡轮钻具中具中间间支承支承节节发明专利ZL02149093.7谭谭春春飞飞近期近期获获得授得授权权的中国国家的中国国家专专利清利清单单祝同学祝同学们们学学习进习进步步！