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最新螺杆钻具工作原理及结构

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螺杆钻具工作原理及结构

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2 / 24 第三节螺杆钻具工作原理及结构

螺杆钻具的工作原理

螺杆钻具是一种把液体的压力能转换为机械能的能量转换装置。当高压液体进入钻具时,迫使转子在定子中滚动，马达产生的扭矩和转速通过万向轴传递到传动轴和钻头上,达到钻井的目的。

螺杆钻具作为井底动力钻具,有许多突出的优点：

1．增加了钻头扭矩和功率,因而提高了进尺率。

2.减少了钻杆和套管的磨损和损坏。

3．可准确地进行定向、造斜、纠偏。

4.在水平井、丛式井及修井作业中,可显著提高钻井经济效益。

5．由于结构的先进,提高了钻具的寿命,可用于延深钻井或直井钻进。

螺杆钻具的结构及其作用

DT螺杆钻具主要由以下几部分组成：

※旁通阀总成

※马达总成

※万向轴总成

※传动轴总成

※导向总成(导向钻具专有部件)

1．旁通阀总成（见图1)

旁通阀设置在马达的上部，它由阀体、阀芯、阀座、弹簧、滤套等组成，其功用如下：

a.下钻时，井眼中的钻井液由旁通阀引入钻杆柱内,减小下钻过程的阻力，平衡钻杆内外液柱压力.

ｂ．起钻时,钻井液由钻杆柱内经旁通阀侧孔流入环空，不致使钻井液溢于井台.

c.钻具工作时,高压钻井液流经旁通阀,推动阀芯，压缩弹簧，关闭旁通阀侧孔,所有钻井液流经马达，把压力能转换为机械能。 ……………………………………………………………最新资料推荐…………………………………………………

3 / 24 正常情况下，旁通阀的开关由钻井液流量及压力大小来控制．

２．马达总成（见图２、图３）

马达是由转子和定子两部分组成的，图3为钻具马达截面轮廓。

转子是一根经过特殊加工和处理,具有抗腐蚀、耐磨损的左旋螺杆。

定子是一根内衬橡胶的钢管，定子内孔也呈螺旋形，转子与定子组装好后沿着它们的接触点形成一系列连续的、共轭的、啮合密封腔,在具有压力能的液体作用下，随着密封腔的形成、变化和消失,迫使转子在定子中作连续运动。

每套螺杆钻具的马达为多级,马达中的一个定子导程组成的密封腔为一级，每一级的许用压降一般不超过0．8ＭＰａ,否则，马达就要产生漏损,降低转速.为保证马达密封腔的密封，以承受一定的压降，转、定子都需经过选配测试以确保为轻微过盈配合,同时，由于井温对定子橡胶的影响,用户可根据实际的井温向厂家反映，以达到合适的马达配合要求,从而使马达发挥最大的功率和效率。 ……………………………………………………………最新资料推荐…………………………………………………

4 / 24 每种马达都对应一定范围的额定排量，不按此排量使用，将加速钻具的磨损,也不能有效的工作．

此外，5LZ1６５×7II—F型马达转子为中空,可根据钻井工艺要求选择喷嘴,以调节钻井液排量,更好的满足钻井工艺的需要.

3．万向轴总成（见图4、图5)

万向轴总成的作用是将马达的偏心运动变换为传动轴的定轴旋转，同时传递扭矩给传动轴，以达到钻井的目的。

我厂生产的螺杆钻具有挠式万向轴(见图4）和花瓣万向轴(见图5)两种结构。

挠式万向轴是专为超短型钻具而设置,该型钻具特点是:长度短、运转平稳、利于造斜．由于本厂独特的结构型式,从而使钻具具有较高的寿命.花瓣万向轴更适于配中空可调排量转子以满足大流量钻井液钻井的需要。

4．传动轴总成(见图６）

传动轴总成的作用是将马达的旋转扭矩传递给钻头,同时承受钻压所产生的轴向和径向负荷。传动轴总成的设计既要考虑到转动的灵活和平稳,同时根据钻压、钻井液的性质及钻头的侧面载荷、转……………………………………………………………最新资料推荐…………………………………………………

5 / 24 速、钻头水眼压降来设计,因此设计为组合推力轴承和径向滑动轴承共同作用的型式。

a．组合推力轴承:

用以承受工作状态时的钻压，马达、钻头水眼压降产生的轴向力及转子、万向轴、传动轴、钻头重量等各轴向力的合力。

b.径向滑动轴承：

它分为上、下两组,主要作用是承受转子作行星运动引起的弯曲载荷和钻头转动时产生的侧向力，上径向轴承对钻井液起限流作用，它允许马达流出钻井液的５~10 %通过轴承组件,起着冷却和润滑轴承的作用．

旁通阀上端内螺纹和传动轴下端内螺纹均符合AＰI规范。用户若有特殊要求，可订货时提出。

５.导向总成(见图7)

导向钻具有单弯钻具和双弯钻具两种。

导向单弯钻具,是在马达下部设置一带角度的短节,从而使弯曲点尽可能靠近钻头,提高造斜率。

导向双弯钻具，是在单弯钻具的基础上增加一弯接头,以提高造斜性能,根据其弯曲方向、度数及联接部位可有多种组合方式。 ……………………………………………………………最新资料推荐…………………………………………………

6 / 24 同时,我厂也可根据用户需要生产地面可调角度导向钻具。

由于我厂导向单弯钻具采用了独特的结构型式，提高了钻具寿命和造斜性能,因此，更适于定向井及水平井钻井作业。

DT钻具规格及技术参数（附录四)

DＴ钻具标牌说明

例：(１）外径165mm、５／6瓣比液马达、钻头水眼压力降7ＭPａ、经过第三次改进的直型螺杆钻具应表示为:5ＬZ16５ ×７Ⅲ．

（2)外径172mm、５/6瓣比液马达、大偏移同向双弯、弯点下带稳定器、钻具允许最高工作温度150℃、钻头水眼压力降7MPａ的弯壳体螺杆钻具应表示为：5LＺ17２×7－ PWＧ。

六、大港—钻具的使用方法

大港一钻具除提升短节和旁通阀外,其他部分的壳体联接均涂以锁紧剂，并按API标准紧扣扭矩上紧.

在选择钻具及其组合方案时，应制订钻井作业计划，充分考虑井眼孔径、井眼轨道、钻头类型、规格、地层结构和水力计算等细节。

１.地面检查

钻具下井前,应在钻台上按下述方法进行试验。

a.用提升短节将钻具提起坐入转盘卡瓦内，装上安全卡瓦卸去提升短节。

b.检查旁通阀:用木棒下压旁通阀阀芯,从上部注满水,此时旁通阀应不漏，水面无明显下降。然后松开阀芯，阀芯复位，所注水应从旁通阀口均匀流出。 ……………………………………………………………最新资料推荐…………………………………………………

7 / 24 c。接上方钻杆，卸去安全卡瓦，提出卡瓦,下放钻具使旁通阀阀口处于转盘下易于观察的位置.

d．开泵:逐渐提高排量直到旁通阀关闭、马达起动为止(记下该排量值)。不停泵上提钻具至能看见转动的驱动接头为止.在此过程中可能有部分泥浆经轴承组流出,观察钻具运转情况.停泵前应再下放钻具，让旁通阀阀口位于转盘以下，检查停泵时是否泥浆经旁通阀阀口顺利流出。

e.地面检查结束后,用吊钳卡住扭动摇头,用钻头盒把钻头和钻具接上(大钳只可咬在旋转传动轮驱动接头上），紧扣扭矩见附录６．(注：应保证传动轮驱动接头相对于上面的壳体反时针转动,以防止内部螺纹松扣。)

使用弯摇头时，定向装置带的转盘套和定位键必须和工具面对正,如果要用回压凡尔,可直接安装在旁通阀上方。如果在驱动接头和钻头之间还要加转换接头,建议不应超过 250mm长，以免产生过多的方位变化,以及会降低轴承寿命或损坏传动轴。

２。钻具下井：

a。下放钻具及其组合应小心地控制下放速度,以防撞到沙林、井壁台肩和套管鞋上使钻具损坏。下钻遇阻，应开泵循环,慢慢划眼通过.若带有弯接头或弯壳体的钻具遇阻时应周期性地转动钻具组合，慢慢通过,以防止划出新井眼。

ｂ．对于深升和高温升,下放钻具建议周期性地进行中途循环,这样可防止钻具堵塞，或因高温造成的钻具定子损坏．

ｃ.在井内,泥浆若不能迅速通过旁通阀阀口流进钻柱中，应减慢下钻速度或不时停下来充灌泥浆.下钻时,注意不可顿钻或将钻具直接坐入井底.

3.启动

ａ。钻具达到预先计划的井深位置,可以开采循环,由于钻头侧向力的影响,压力值可能超过计算值。

b。定向前应充分清洗井底,清除井底岩屑沉淀或堆积,消除循环不彻底对定向的影响。具体方法是以正常的泥浆循环慢慢转动钻具(每次转3０°-4５°）依次把堆积井底岩屑和沉砂清出,清理干净后,上提钻具0.3－0.6ｍ循环并记录,校对压力值。

4.钻进

a.钻具悬离井底进行空循环时,立管压力在所显示的是整个系统的空载循环泵压，也称离井底泵压。

容积式马达特性之一,马达所产生的扭矩与两端所产生的压力降成正比，和整个系统压力变化成正比。钻头钻进时,随着钻压升高，工作扭矩的加大，马达两端的压力降也成正比例增加。循环系统的……………………………………………………………最新资料推荐…………………………………………………

8 / 24 压力表反应出该压力的的增值。通过监视地面立管压力表,便可以判断钻具压力和扭矩的变化（钻杆与井壁的磨擦可能会影响判断精度）。在充分考虑钻头水眼压降和钻压的关系后,把表压增值限制在所选钻具推荐值范围内就会产生最佳效能。

工作打钻泵压＝离井底泵压+钻具负载压力降

离井底泵压不是一个常数,它随井深和泥浆的变化而变化，在实际操作中,一般取每次单根后的离井底泵压为近似值，这样做完全可以满足要求,当泵压处于最佳工作状态时，停止增加钻压,泵压会产生波动稳定下降,直到再次调整钻压。

b.施加钻压不要太猛,钻压不是监视钻具工作的指标，只是作为参考指标,判断钻具工作情况的主要依据应该是泵压。判断钻具工作情况的主要依据应该是泵压。对于发生较大磨损的马达,还应以进尺速度为依据。

５．起钻

钻具起钻过程类似常规钻机起钻操作。起钻时,旁通阀处于开位，允许钻柱中的泥浆汇入环空。但钻具本身不能快速地排除泥浆，通常在起钻前柱上部注入一段加重泥浆,使钻杆内的泥浆顺利排出。

6.现场维护保养

a。卸下旁通阀以上各件,用清水冲洗旁通阀，同时上、下移动阀芯调整使其移动无阻,清洗完毕,拧上提升短节．

b.将钻头座入钻头盒中,用大钳夹紧钻具,反时针旋转钻头,空出钻具中剩余泥浆(泥浆由旁通阀阀口流出),然后卸去钻头。

c。从传动轴驱动接头中冲洗钻具,将转动轴上部水帽及轴承清洗干净，然后平放钻具，正常维护保养后待用。若暂停使用或长时间搁置不用，建议向钻具内注入少量的矿物油防锈蚀（注意，不允许加入柴油）。

七、故障分析与排除

注意观察泥浆压力的变化,可发现和判断钻进过程中出现的许多问题.正确分析和采取适当的措施,往往可节省起、下钻所耗费的时间和费用。列举以下几种情况,供大家参考。

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螺杆钻具推力轴承工作力学分析及结构改进_童华

螺杆钻具推力轴承工作力学分析及结构改进_童华

󰀁设计计算󰀁螺杆钻具推力轴承工作力学分析及结构改进*童󰀁华1󰀁祝效华1,2󰀁石昌帅1(1󰀁西南石油大学机电工程学院󰀁2󰀁西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室)󰀁󰀁摘要󰀁针对螺杆钻具向心推力球轴承寿命短的问题,分析了其载荷特性和服役情况,依据Hertz接触理论,利用有限元数值模拟技术建立了球轴承接触模型,计算了球轴承的应力情况。对承受轴向载荷的圆柱滚子轴承进行了有限元分析,结果表明,在同等条件下圆柱滚子轴承比球轴承的工作应力大幅降低。为此,建议组合使用球轴承和圆柱滚子轴承,以延长螺杆钻具推力轴承的使用寿命;建议螺杆钻具配套使用减振工具或优化BHA及钻井参数,通过减少轴向负载的波动量,延长轴承的疲劳寿命。󰀁󰀁关键词󰀁螺杆钻具󰀁球轴承󰀁圆柱轴承󰀁工作力学󰀁接触分析󰀁结构改进0󰀁引󰀁言自20世纪80年代以来,螺杆钻具在我国有了长足的发展。国产钻具经历了从无到有、从弱到强的过程,在国内市场上占有主导地位,并广泛应用于定向井、水平井和位移井的定向造斜与导向钻进以及直井段的防斜打快钻进中。国产螺杆钻具较好地满足了国内钻井工程的需要,同时近年来有大量出口,并已成为部分国外市场的主流产品。但我国的螺杆钻具整机寿命不长,稳定性也不够高,其中向心推力球轴承是其薄弱环节之一,工作时轴承受几十至几百千牛的轴向载荷,并伴随着强大的冲击力,轴承的工作环境非常恶劣。轴承滚球与滚道往往发生快速磨损,导致轴承失去承载能力,从而影响整机寿命与钻进速度。因此,有必要深入探讨螺杆钻具轴承的工作力学性能并提出相应的改进措施。1󰀁推力轴承的载荷特性和服役情况螺杆钻具向心推力球轴承组有多层,每一层均由内、外圈滚道和滚球组成,外圈与壳体相连,内圈与传动轴相连。工作时,推力轴承主要承受轴向载荷(波动钻压),以常用的󰀁172mm规格螺杆钻具为例,其钻压推荐范围为60~150kN(静钻压)。由于钻具振动,近钻头处实际钻压波动值通常为静钻压的25%~50%[1],在某些时刻,峰值钻压可以达到静钻压的3󰀁5倍以上[1];螺杆钻具推力轴承基本不承受侧向载荷(主要由上、下TC轴承承受),承受小幅值的摩擦扭矩。波动钻压作用于轴承内、外圈,内、外圈上下错动剪切滚球,内、外圈相对转动,滚球在滚道内做纯滚动。推力轴承使用钻井液冷却,钻井液中的化学物质和未过滤掉的岩屑颗粒对轴承产生一定的腐蚀、冲蚀和磨料磨损作用。在剪切、腐蚀、冲蚀和磨料的耦合作用下,推力轴承因接触疲劳产生过量磨损(滚道与滚球的临界磨损值分别是1和0󰀁25mm[2])而丧失工作性能,服役后的螺杆钻具向心推力球轴承如图1所示。图1󰀁服役后的螺杆钻具向心推力球轴承󰀁34󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁石󰀁油󰀁机󰀁械CHINAPETROLEUMMACHINERY󰀁󰀁2010年󰀁第38卷󰀁第4期

螺杆钻具推力轴承工作力学分析及结构改进

螺杆钻具推力轴承工作力学分析及结构改进

．．——３４－－——　石　油机械　ＣＨＩＮＡ　ＰＥＴＲＯＬＥＵＭ　ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ　２０１０年　第３８卷第４期　

●设计计算　

螺杆钻具推力轴承工作力学分析及结构改进　

童　华　祝效华　石昌帅　

（１．西南石油大学机电工程学院２．西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室）　

摘要　针对螺杆钻具向心推力球轴承寿命短的问题，分析了其载荷特性和服役情况，依据Ｈｅｒｔｚ　接触理论，利用有限元数值模拟技术建立了球轴承接触模型，计算了球轴承的应力情况。对承受轴　

向载荷的圆柱滚子轴承进行了有限元分析，结果表明，在同等条件下圆柱滚子轴承比球轴承的工作　

应力大幅降低。为此，建议组合使用球轴承和圆柱滚子轴承，以延长螺杆钻具推力轴承的使用寿命；　建议螺杆钻具配套使用减振工具或优化ＢＨＡ及钻井参数，通过减少轴向负载的波动量，延长轴承的　

疲劳寿命。　

关键词　螺杆钻具　球轴承　圆柱轴承　工作力学　接触分析　结构改进　

０　引　言　

自２０世纪８０年代以来，螺杆钻具在我国有了　

长足的发展。国产钻具经历了从无到有、从弱到强　的过程，在国内市场上占有主导地位，并广泛应用　

于定向井、水平井和位移井的定向造斜与导向钻进　

以及直井段的防斜打快钻进中。国产螺杆钻具较好　地满足了国内钻井工程的需要，同时近年来有大量　

出口，并已成为部分国外市场的主流产品。但我国　的螺杆钻具整机寿命不长，稳定性也不够高，其中　

向心推力球轴承是其薄弱环节之一，工作时轴承受　

几十至几百千牛的轴向载荷，并伴随着强大的冲击　力，轴承的工作环境非常恶劣。轴承滚球与滚道往　

往发生快速磨损，导致轴承失去承载能力，从而影　响整机寿命与钻进速度。因此，有必要深入探讨螺　

杆钻具轴承的工作力学性能并提出相应的改进措施。　

１　推力轴承的载荷特性和服役情况　

螺杆钻具向心推力球轴承组有多层，每一层均　

由内、外圈滚道和滚球组成，外圈与壳体相连，内　圈与传动轴相连。工作时，推力轴承主要承受轴向　

螺杆式压缩机的结构以及工作原理解析

螺杆式压缩机的结构以及工作原理解析

螺杆式压缩机的结构以及工作原理解析

时间：2009-08-07 来源：互联网 发布评论 进入论坛

螺杆冷水机组主要由螺杆压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀及电控系统组成。水冷单螺杆冷水机组制冷原图如下：

一、双螺杆制冷压缩机(twin screw compressor)

双螺杆制冷压缩机是一种能量可调式喷油压缩机。它的吸气、压缩、排气三个连续过程是靠机体内的一对相互啮合的阴阳转子旋转时产生周期性的容积变化来实现。一般阳转子为主动转子，阴转子为从动转子。

主要部件：双转子、机体、主轴承、轴封、平衡活塞及能量调节装置。

容量15～100%无级调节或二、三段式调节，采取油压活塞增减载方式。常规采用：

径向和轴向均为滚动轴承；开启式设有油分离器、储油箱和油泵；封闭式为差压供油进行润滑、喷油、冷却和驱动滑阀容量调节之活塞移动。 双螺杆结构图：

压缩原理：

吸气过程：气体经吸气口分别进入阴阳转子的齿间容积。

压缩过程：转子旋转时，阴阳转子齿间容积连通（V型空间），由于齿的 互相啮合，容积逐步缩小，气体得到压缩。

排气过程：压缩气体移到排气口，完成一个工作循环。

二、单螺杆制冷压缩机（single screw compressor）

利用一个主动转子和两个星轮的啮合产生压缩。它的吸气、压缩、排气三个连续过程是靠转子、星轮旋转时产生周期性的容积变化来实现的。

转子齿数为六，星轮为十一齿。

主要部件为一个转子、两个星轮、机体、主轴承、能量调节装置。

容量可以从10%-100%无级调节及三或四段式调节。

单螺杆结构图：

压缩原理：

吸气过程：气体通过吸气口进入转子齿槽。随着转子的旋转，星轮依次进入与转子齿槽啮合的状态，气体进入压缩腔（转子齿槽曲面、机壳内腔和星轮齿面 所形成的密闭空间）。

压缩过程：随着转子旋转，压缩腔容积不断减小，气体随压缩直至压缩腔前沿转至排气口。

螺杆钻具简介2005-07-11

螺杆钻具简介2005-07-11

螺杆钻具简介

螺杆钻具是将液体压力能转换为机械能的一种容积式井下动力钻具，当泥浆泵产生的高压泥浆流经旁通阀进入马达时，转子在压力泥浆的驱动下绕定子的轴线旋转，马达产生的扭矩和转速，通过万向轴和传动轴传递给钻头，与牙轮钻头、金刚石钻头以及其他特殊钻头配合使用，从而实现钻井作业。

一、常规螺杆钻具的主要结构与工作原理

螺杆钻具主要由旁通阀、马达、万向轴和传动轴等四个部件组成。

1、旁通阀总成

旁通阀总成由阀芯、阀套、弹簧、阀口等零件组成。阀芯有两个位置：开启位置和关闭位置。旁通阀的开启与关闭由钻井液的流量控制。在起下钻作业过程中，泥浆泵停泵或流量较小，旁通阀自动开启，将钻柱内孔与环空连通。起钻时钻柱内的泥浆经阀口流入环空。下钻时环空内的泥浆经阀口进入钻柱，减少钻柱内外的压力差。正常钻进时，旁通阀关闭。此时泥浆流经马达，把压力能转换为机械能。

2、马达总成

螺杆钻具的马达由定子和转子两个零件组成。定子是在钢管内壁上压注并粘结牢固的橡胶衬套。橡胶内孔具有螺旋面的几何形状。转子是一根经过机械加工并经高硬度表面处理的螺杆。

转子和定子具有特殊的啮合关系。这些啮合点沿轴向形成螺旋密封线，形成一个一个的密封空腔（一个密封腔，也称为一级，每级所能承受的工作压力降应小于等于 0.8mMpa。如四级马达，压降应为 3.2Mpa。压降超过此值就要泄漏，转速很快下降，严重时会完全停止转动，级数越多、功率越大）。当具有一定能量的压力液进入这些密封腔，并从马达的一端流到另一端时，推动转子在定子中转动，将液压能转换为机械能，这就是螺杆马达的基本工作原理。

螺杆钻具马达的转子具有不同的头数。头数越多,马达转速越低、功率越大。

转子的转速与马达的输入流量成正比，控制输入流量，就可以控制螺杆钻具的输出转速。为了增加马达的流量而又避免转速的升高，有的螺杆钻具的转子被做成中空形式，并在转子上安装喷嘴，使马达具有中空分流。这种结构的优点是可以增加螺杆钻具的流量，缺点是会使马达特性变软，即钻头的转速将随钻压的增加而减小（非线性），用户在选用和操作时，应当注意。螺杆钻具的马达，将钻井液的液压能转换为钻头旋转的机械能。马达两端有足够的压降，才能产生所需要的输出扭矩。泵压太低或钻柱循环阻力太大，不能保证马达工作所需要的马达压降，螺杆钻具不会正常工作。泵压足够时，马达压降随着所施加的钻压加大而升高，当钻压进一步加大时，马达压降也急剧增加。由于马达本身结构的限制，马达压降达到一定程度后，破坏了定转子间密封空腔的密封性能，马达被“击穿”，转速急剧下降甚至停车（制动或滞动），地面可以观察到泵压升高，进尺减小或没有进尺，继续增加钻压，泵压不再增加，这种现象即为螺杆钻具在井下工作经常出现的马达失速。钻井液通过破坏的马达密封腔从钻头水眼中流出，当因故障卡钻时，钻井液在钻头制动情况下，仍可以继续循环。失速现象在螺杆钻具使用过程中是不允许发生的。遇有这种情况必须及时提起钻具使钻头脱离井底。因为钻井液长时间流过不转的马达会使钻具严重损坏。如果地面压力表读数恢复正常，则可确认是钻压过大引起失速。处理后如无异常，可以继续钻进。严重失速的压力约为规定的马达压降的1.5～2倍。如果没达到上述压力而轻易失速时，应当考虑该钻具定转子配合过松或已磨损严重，需要更换钻具。