井下工具方向教案螺杆钻具
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石油钻井设备与工具-王镇全 第二节 螺杆钻具
定子
转子 转动 方向
封线，形成一Байду номын сангаас一个的密封空
腔。 当具有一定能量的压力液
进入转、定子形成的密封腔，
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。
液流
万向节
3、螺杆马达的机械特性分析
在不计损失时，根据容积式机械工作过程中的能量守恒，在单
1.2 井底温度
型有一定要求外，还要求转子与定子的长度须不小于最小
限度，即最小长度要大于螺距。 转子轴线和定子轴线间有一距离，称为偏心距，一般 以e 表示。
2 、工作原理
螺杆钻具是一种容积式(液压式)机械，其理论基础基于帕斯卡原 理.。
P1>P2
P2
P1
转子和定子具有特殊的啮
合结构，啮合点沿轴向经大于 一个螺距的距离后形成螺旋密
能转换为机械能。
特殊说明
旁通阀不是螺杆钻具工作时的必须部件。在
水平钻井中，为了防止停泵时环空钻井液内的岩 屑从旁通阀的筛板进人马达，往往不装旁通阀， 或把旁通阀的弹簧取出来使旁通阀呈常闭状态， 而在直井段的钻柱上安装一个钻柱旁通阀，来代 替钻具旁通阀的作用。
二、马达的结构及工作原理
1、马达的组成及结构简介
速大扭矩特性。
三） 万向轴总成
万向轴总成由两个元件组成：壳体和万 向轴。壳体通过上、下锥螺纹分别和马达 定子壳下端及传动轴壳体上端相连接。
直螺杆钻具的万向轴壳体无结构弯角， 而弯壳体螺杆钻具万向轴壳体则是一个带 有结构弯角的弯壳体。
万向轴有几种不同的结构形式， 例如应用最普遍的为瓣型连接轴和挠 性连接轴(有一定柔度、上下两端为 连接螺纹的光轴）以及其他形式的万 向轴。万向轴的上端和马达转子下端 相连，而下端则和传动轴上端的导帽 相连。
定向井螺杆钻具的使用手册
定向井螺杆钻具的使用手册定向井螺杆钻具的使用手册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、钻具类型、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。
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能阀阀口顺利流出。
e、地面检查结束后，用吊钳卡住驱动接头，用钻头盒把钻头和钻具接上（大钳只可咬在旋转传动轴驱动接头上），（注：应保证传动轴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。
）使用弯接头时，定向装置带的转盘套和定位健必须和工具面对正，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、下放钻具以其组合应小心地控制下放速度，以防撞到沙桥、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、对于深井和高温井，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，可以开泵循环，由于钻头侧向力的影响，压力值可能超过计算值。
螺杆钻具的使用(技术员培训)
在泥浆密度、 喷嘴尺寸和马达流量为定量时，流经转子喷嘴的流量和流 经马达密封腔的流量总是随负载变化而变化的。钻头离开井底，马达负载近 似为零，此时流经转子喷嘴流量最小，而流经马达密封腔的流量最大。钻头 钻进，使马达压差不断增加，使流经转子喷嘴流量增加，而此时流经马达密 封腔流量减少。 中空 转子
万向轴总成 ： 万向轴的作用是将马达的行星运动转变为传动轴的定轴转动，将马达 产生的扭矩及转速传递给传动轴至钻头。万向轴大多采用瓣形，也有采用 挠轴形式的。 立林钻具的瓣型万向轴采用数控切割技术制成，切口平行度高，粗糙 度可达 6.3且不破坏金属化学成分，因此使用寿命高、机械损失小。 球传动万向轴采用球、杆、绞连接方式传递扭矩，用高温润滑脂润滑 摩擦副，橡胶套密封钢球运动部分，隔离含磨砺性钻井液，球传动万向轴 工作面均进行特殊表面处理，使其表面硬度、抗高温性相对提高；因此耐 磨性、可靠性得到进一步提高，工作寿命相应延长。
转子
马达总成： 转子与定子相互啮合，是用两者的导程差而形成的螺旋密封线，
同时形成密封腔。随着转子在定子中的转动，密封腔沿着轴向移动， 不断的生成与消失，完成其能量转换，这就是螺杆马达的基本工作原
理。(转子和定子可以有不同的头数，一般来说转子头数为一的马达（单头马达）转速高、扭矩小；而
转子头数大于1的马达（多头马达）转速低、扭矩大。为了只增加马达的流量而避免转速升的太高，有的 螺杆钻具的转子做成中空形式，是马达达到中空分流能力。这种结构的优点是可增加螺杆钻具的流量， 缺点是：会使马达特性变软，即在流量不变的前提下钻头的钻速将随钻压的增加而减小。螺杆钻具的马 达可以具有不同的长度（不同的级数），以满足不同的使用要求。例如，加长马达具有很大的输出扭矩 和功率，可以满足在长直井段快速钻进的需要；短马达使螺杆钻具整机长度缩短，可以满足提高造斜率 的要求。)
螺杆钻具的使用(技术员培训).
万向轴总成
防掉总成
传动轴总成
马达总成
旁通阀总成
旁通阀总成：
它主要由阀体、阀芯、阀套、弹簧、筛板、密封件、孔用挡圈组成。
弹 簧 密封件 隔 板 筛 板 隔 板 挡 圈
挡 圈
阀 体 阀 套 阀 芯
旁通阀总成：
它有旁通和关闭两个位置，在起下钻作业过程中处于旁通位置，使钻柱中泥 浆循环绕过不经过马达进入环空，这样起下钻时泥浆不溢于井台上。下钻时，
在泥浆密度、 喷嘴尺寸和马达流量为定量时，流经转子喷嘴的流量和流 经马达密封腔的流量总是随负载变化而变化的。钻头离开井底，马达负载近 似为零，此时流经转子喷嘴流量最小，而流经马达密封腔的流量最大。钻头 钻进，使马达压差不断增加，使流经转子喷嘴流量增加，而此时流经马达密 封腔流量减少。 中空 转子
万向轴总成 ： 万向轴的作用是将马达的行星运动转变为传动轴的定轴转动，将马达 产生的扭矩及转速传递给传动轴至钻头。万向轴大多采用瓣形，也有采用 挠轴形式的。 立林钻具的瓣型万向轴采用数控切割技术制成，切口平行度高，粗糙 度可达 6.3且不破坏金属化学成分，因此使用寿命高、机械损失小。 球传动万向轴采用球、杆、绞连接方式传递扭矩，用高温润滑脂润滑 摩擦副，橡胶套密封钢球运动部分，隔离含磨砺性钻井液，球传动万向轴 工作面均进行特殊表面处理，使其表面硬度、抗高温性相对提高；因此耐 磨性、可靠性得到进一步提高，工作寿命相应延长。
螺杆钻具的认识和使用
中原西南钻井分公司技术发展中心 Technology Development Centre ( EOTDC).Southwest.Drilling company of Zhongyuan Petroleum Engineering Co.Ltd Sinopec
螺杆钻具
第二节第节螺杆钻具(中国石油大学谭春飞主讲)目录一、概述1.井下动力钻具简介2.井下动力钻具发展概述3.井下动力钻具分类3井下动力钻具分类二、螺杆钻具简介、结构及分类1.螺杆钻具简介1螺杆钻具简介2.螺杆钻具结构3螺杆钻具分类3.螺杆钻具分类三、螺杆钻具各部分的工作原理1.旁通阀总成1旁通阀总成2.螺杆钻具马达部分万向轴总成3.万向轴总成4.传动轴总成一、概述1.井下动力钻具简介将动力发动机置于井底直接与钻头相联驱动钻头破碎岩石进行钻井的井下动力装置，称为井下动力钻具。
这种钻井方式称为井下动力钻具钻井。
特点：1)井下动力钻具钻井时，钻杆不转，只承受钻头的反扭矩，这样可1)井下动力钻具钻井时钻杆不转只承受钻头的反扭矩这样可改善钻柱的受力状况，减少钻柱与套管之间的磨损；2)井下动力钻具与转盘钻井相比，转速快，有利于提高机械钻速；3)可实现井身轨迹的定向控制。
4)可与转盘复合，实现复合钻井。
不仅可以实现旋转或滑动钻井，还可提高钻头转速，提高钻井速度。
还可提高钻头转速提高钻井速度2.井下动力钻具发展概况井下动力钻具发展概况世界上第个井下动力钻具的专利于1873年注册于美国，比转盘钻世界上第一个比转盘钻井的提出还早11年；但其真正应用是在20世纪20、30年代的前苏联。
前苏联作为全球主要应用涡轮钻具钻井的国家，在20世纪50年代中期以前，作为全球主应涡轮钻钻井的家在纪年代中期前前苏联80%以上的油井是用涡轮钻具钻成的。
20世纪30年代，法国工程师根据对阿基米德螺旋泵的研究成果设计了单螺杆泵。
1955年，美国戴纳公司(Dyna)在单螺杆泵的基础上研制开发单螺杆钻具，于1958年起开始出售商品，一时占领世界市场。
1966年，前苏联的苏井科学技研究院开始研制多头螺具全苏钻井科学技术研究院VNIIBT开始研制多头螺杆钻具。
井下动力钻具发展概况2.井下动力钻具发展概况随着定向井数目的增加，20世纪70年代，人们对螺杆钻具的兴趣与日俱增。
螺杆钻具
稳平效果好，可配合旋转方式钻进，控制轨迹方便。
技术关键：各弯点的选择及弯角加工精度的控制
4、工作特性（外特性）
(1)理论工作特性：
M T 、 N T —马达理论扭矩、功率；
包括理论工作 特性和实际工 作特性
MT T p Q nT 60Q / q
MT 1 p q 2
现有产品分为3.5MP a（Δ500psi）、7.0MPa
（Δ1000psi）和14.0MPa（Δ2000psi）等三种。该值 越大，说明传动轴的承力承压性能越好，成本就越高。
(4)根据排量需求选择转子类型
由干螺杆钻具的转速与工作排量成正比，增大排量必然增大转子、万 向轴、传动轴的转速和万向轴的载荷循环频率，故排量的大幅度增长 必将会导致螺杆钻具的非正常工作，容易造成破坏。 在钻井过程中，尤其是大井眼水平井中，为了携带岩屑需要，要求有 较高的钻井液返速，即要求有较大的工作排量。而这一排量会成倍高 于螺杆钻具的额定排量或最高排量。在这种情况下，应该选择带有中 空转子马达的螺杆钻具。 中空转子就是马达转子的中心钻有通孔，通孔上端装有一个固定喷嘴。 流入马达的钻井液排量Q将分成两部分，Q1进入转子中孔旁路，Q2
N 0 p Q
(2)实际工作特性
由于马达定子橡胶衬套在压降 p 作用下产生变形和漏失，导致 实际转速 n 随压降 p 的增大而降低； 转矩 M 仍随压降 p 的增大 而线性增加，表明螺杆钻具实际上仍有良好的过载能力。
(2)实际工作特性
L 曲线—负荷效率曲线
p 2 L p
D、传动轴总成
作用：传动轴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。
结构及工作原理：
浅谈螺杆钻具在钻井作业中的作用及使用方法
2015年17期 175浅谈螺杆钻具在钻井作业中的作用及使用方法丁 毅西部钻探青海钻井公司，甘肃 敦煌 736202摘要：螺杆钻具是如今钻井作业中十分重要的工具。
在石油勘探和油田开发过程中钻井一向十分重要，因为钻井工作是勘探和开发过程中最重要的一个环节，而螺杆钻具就是钻井工作中不可或缺的器具，本文就对螺杆钻具的作用进行了讨论，也就螺杆钻具的使用进行了讨论分析。
关键词：螺杆钻具；钻井；开采；机械设备 中图分类号：TE921 文献标识码：A 文章编号：1671-5799(2015)17-0175-011 前言螺杆钻具在钻井作业中有着良好的应用，其钻速高且钻杆的磨损小，使用寿命较传统钻探工具优势明显，在如今工程钻探中却是能够发挥重要的作用。
螺杆钻具如今的使用越来越广泛，并且在未来工程钻井，原油开采等方面都有着十分良好的前景，对其作用和使用方法进行探讨也有着相当的必要性。
2 螺杆钻具作用概述螺杆钻具（PDM drill ）其本身就是一种以钻井液为动力的现代钻井工具，利用钻井液的压力能到钻具机械能的转换来实现高效的钻井作业。
而钻井液的压力能就来自于钻井液在马达进出口的压力差。
楼尴钻具作为一种渐进空腔型容积式孔底动力机，一般能够通过泥浆和清水作为动力介质的钻井液，实现能量转换，通过螺杆钻直接带动连接在其孔底传动轴上的岩心管和钻头回转，整个钻杆柱仅作为输送高压工作介质的通道和支撑钻头反扭矩的杆件，不作回转运动。
通过实践研究和工程领域的实际应用发现螺杆钻具确实相对从前一些传统的钻探工具有明显的优势，钻杆的磨损小且钻速高就能够提高定向打孔的工作效率，并一定程度上减小成本。
一般来说在使用螺杆钻具时必须要逐渐的增加钻压，逐渐使其马达压力逐渐下降到标准规定的中上线才能够最大限度的发挥钻具的作用，有效的发挥出最大限度的扭矩作用。
但是一定确保钻压不能够无限制的提升，一定确保钻压控制在推荐的最大钻压范围以内才能够尽可能的保护钻具，因为过大的钻压不仅不会更多的带来效率反而会导致传动轴的损坏和设备滞动，进而导致马达的严重损坏，造成损失。
井下工具方向教案螺杆钻具
2、 螺杆钻具的基本原理与结构特征
工作原理：螺杆钻具是一种以液体为动力，把 液体的压力能转化为机械能的井下动力工具。当动 力液进入液压马达，迫使转子在定子中转动，在液 压马达的进出口生产一定的压差，推动液压马达的 转子绕定子轴线作行星运动，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。
随着定向井数目的增加，20世纪70年代，人 们对螺杆钻具的兴趣与日俱增。多头螺杆钻具逐 步取代单头螺杆钻具成为主导产品。更多的国外 钻井设备公司，特别是斯伦贝谢、贝克和克里斯 坦森等公司，都开始制造自己的多头螺杆钻具。
我国是在20世纪70年代末期开始开始研制多头 螺杆钻具。现在，我国已有十余家工厂可以生产螺 杆钻具，而且随着我国定向井技术的普及和推广， 国产螺杆钻具已成为主要的钻井工具。
（3）、整机尺寸过长，单式涡轮钻具的力矩
太小，不能产生足够的钻井动力， （4）、单位长度产生的能量与钻具直径成5
次幂关系，随着井眼直径的减小，小尺寸涡轮钻 具发出的功率急剧降低。
（5）、复式涡轮钻具的装配和调整麻烦，辅 助工作时间长。
近年来石油大学、江汉石油学院在涡轮钻具的 研究和试验方面作了大量工作,研制了几种新型涡 轮钻具，使涡轮钻具的结构性能、使用寿命有了较 大提高，我国研制的涡轮钻具技术的特点是：
优点：直流电动钻具具调速范围宽，过载 能力强，功率利用率高，井下信息的通讯容量 大，井眼轨迹控制精度高，可适应在重钻井液 条件下工作。
缺点：电动钻具的输出转速在1200r/min 以上，多级减速器结构复杂，可靠性差，井下 电动机的绝缘和密封性能要求高。电枢绕组失 效后，修复困难。
4）、螺杆钻具的发展概况及趋势 螺杆钻具的诞生和发展的历史要迟于涡轮钻具。 在50年代中期以前，前苏联80%以上的油井是用涡 轮钻进的。美、英等西方国家在螺杆钻具问世前，绝大 部分的油井是用钻盘钻成的。 20世纪30年代，法国工程师根据阿基米德螺旋泵的 研究成果设计了单螺杆泵。1955年，美国戴纳公司在单 螺杆泵的基础上研制开发单螺杆钻具，于1968年起开始 出售产品。
浅谈螺杆钻具在钻井作业中的作用及使用方法
浅谈螺杆钻具在钻井作业中的作用及使用方法作者：王敏来源：《中国石油和化工标准与质量》2013年第11期【摘要】在石油勘探和油田开发的各项任务重，钻井起着十分重要的作用，钻井是勘探与开发石油及天然气资源的一个重要环节，是勘探和开发石油的重要手段。
本文着重讲解在钻井过程中螺杆钻具的使用方法。
【关键词】钻井作业钻压螺杆钻具在钻井作业过程中，应当通过逐渐增加钻压，使螺杆钻具的马达压降尽量达到规定值的中上限，以保证螺杆钻具的马达最大限度地提供输出扭矩以满足钻头破岩的需要。
同时，应当把钻压控制在推荐的最大钻压以内，过大的钻压不但会损坏传动轴推力轴承，还会使马达压降过高而发生滞动现象，如果滞动时间过长（半小时），会使马达严重损坏。
钻压平衡螺杆钻具工作时存在以下各种力：F—转子、万向轴、传动轴及钻头重量的和，方向向下。
F△pm—马达压力降产生的轴向力，方向向下。
F△pb—钻头水眼压降产生的轴向力，方向向下。
W—钻压，方向向上。
上述各力的合力由推力轴承来承受，并将合力传递给螺杆钻具壳体，当合力为零时为理想状态，此时推力轴承寿命最长。
合适的钻压能够改善推力轴承的受力状态，作业时可参考附录中螺杆钻具技术参数表。
1 旁通阀检查用提升短节将螺杆钻具提起座入转盘卡瓦内，使旁通阀体位于转盘上方，以便于观察，装上安全卡瓦，卸去提升短节。
用木棒把旁通阀体的阀芯压到下死点，从上部注满水，旁通阀体应无泄露，松开阀芯，阀芯能复位，则旁通阀体正常。
2 螺杆钻具地面检查接上方钻杆，卸去安全卡瓦，下放螺杆钻具，使旁通阀体位于转盘下易观察的高度，启动泥浆泵，此时应有泥浆从旁通阀体旁通孔射出，逐渐加大流量直到旁通阀阀芯关闭、马达启动，在不停泵上提螺杆钻具能观察到主轴接头扣处为止，观察螺杆钻具是否正常转动。
地面检查完成后，接上钻头，按钻柱设计组合联结各件。
3 螺杆钻具下井（1）以可控制的速度下放钻具，以防止因撞到沙桥、井壁台阶、套管鞋而损坏钻具。
油田钻修井系列螺杆钻具
3.4.2钻头水眼压降为7.0Mpa，传动轴总成两端采用硬质合金的径向轴承定向，中间采用连串轴承组承压，提高了传动轴总成的耐磨性及承载能力，延长其使用寿命。
3.5防掉装置：
为避免由于异常因素导致的钻具壳体断裂或脱扣时防止部件落井，在钻具螺杆上端旁通阀下部加装防掉短节。短节壳体在螺杆马达上部不易损坏，短节中间有圆形大螺母和与螺杆相联的吊杆。正常工作时防掉装置不起作用（有点搅拌损失），一旦防掉短节以下壳体断、脱，带螺杆、吊杆下移，则短节中间大螺母落在短节壳体缩径上，即吊住螺杆等部件，又堵住泥浆通道，引起泥浆泵压升高，使地面及时发现问题，采取措施，避免扩大损失。
上部入口不断产生、下部出口逐步消失，完成其能量转换，而推动转子沿定子螺旋内壁作偏心公转和自转，完成马达的作用。这就是螺杆马达的基本工作原理。马达转子的螺旋线有单头和多头之分（定子螺旋头数比转子多１个）。转子的头数越少，转速越高，扭矩越小；头数越多，转速越低，扭矩越大。
螺杆马达是钻具的重要部件，很多实践和理论分析，在现有条件下，如欲使马达正常有效地工作，每级马达所能承受的压降以不超过0.8Mpa为宜，（马达的一个导程为一级）最大压降为额定工作压力的1.3倍，如压降值超过此值则马达就有漏失，转速加快，磨损严重甚至发热胀死，造成马达损坏。用户应特别注意，现场使用的泥浆流量应在推荐的使用范围内，否则会加大定子的磨损，将影响马达的使用效率和寿命。
三、螺杆钻具的组成：
螺杆钻具主要由：旁通阀、液力马达、万向轴和传动轴等四大总成组成。在马达上部和传动轴下部还装有防掉装置等辅助设施。
万向轴总成 防掉总成
传动轴总成 马达总成
3.1旁通阀总成：
它是由：阀体、阀套、阀芯、弹簧、Ｏ形密封圈、挡圈等零件组成。它的作用是起下钻时，使钻柱和环空联通，泥浆不污染井台，当泥浆流量和压力达到标准设定值时，阀芯下移，关闭旁通阀孔，此时泥浆流量经马达，把压力能转变为机械能。当泥浆流量压力过小或停泵时，所产生液体压力小于弹簧的弹力时，弹簧将阀芯顶起，旁通阀孔处于开启位置，钻柱与环空联通。
3.5防掉装置：
为避免由于异常因素导致的钻具壳体断裂或脱扣时防止部件落井，在钻具螺杆上端旁通阀下部加装防掉短节。短节壳体在螺杆马达上部不易损坏，短节中间有圆形大螺母和与螺杆相联的吊杆。正常工作时防掉装置不起作用（有点搅拌损失），一旦防掉短节以下壳体断、脱，带螺杆、吊杆下移，则短节中间大螺母落在短节壳体缩径上，即吊住螺杆等部件，又堵住泥浆通道，引起泥浆泵压升高，使地面及时发现问题，采取措施，避免扩大损失。
上部入口不断产生、下部出口逐步消失，完成其能量转换，而推动转子沿定子螺旋内壁作偏心公转和自转，完成马达的作用。这就是螺杆马达的基本工作原理。马达转子的螺旋线有单头和多头之分（定子螺旋头数比转子多１个）。转子的头数越少，转速越高，扭矩越小；头数越多，转速越低，扭矩越大。
螺杆马达是钻具的重要部件，很多实践和理论分析，在现有条件下，如欲使马达正常有效地工作，每级马达所能承受的压降以不超过0.8Mpa为宜，（马达的一个导程为一级）最大压降为额定工作压力的1.3倍，如压降值超过此值则马达就有漏失，转速加快，磨损严重甚至发热胀死，造成马达损坏。用户应特别注意，现场使用的泥浆流量应在推荐的使用范围内，否则会加大定子的磨损，将影响马达的使用效率和寿命。
三、螺杆钻具的组成：
螺杆钻具主要由：旁通阀、液力马达、万向轴和传动轴等四大总成组成。在马达上部和传动轴下部还装有防掉装置等辅助设施。
万向轴总成 防掉总成
传动轴总成 马达总成
3.1旁通阀总成：
它是由：阀体、阀套、阀芯、弹簧、Ｏ形密封圈、挡圈等零件组成。它的作用是起下钻时，使钻柱和环空联通，泥浆不污染井台，当泥浆流量和压力达到标准设定值时，阀芯下移，关闭旁通阀孔，此时泥浆流量经马达，把压力能转变为机械能。当泥浆流量压力过小或停泵时，所产生液体压力小于弹簧的弹力时，弹簧将阀芯顶起，旁通阀孔处于开启位置，钻柱与环空联通。
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（3）、整机尺寸过长，单式涡轮钻具的力矩
太小，不能产生足够的钻井动力， （4）、单位长度产生的能量与钻具直径成5
次幂关系，随着井眼直径的减小，小尺寸涡轮钻 具发出的功率急剧降低。
（5）、复式涡轮钻具的装配和调整麻烦，辅 助工作时间长。
近年来石油大学、江汉石油学院在涡轮钻具的 研究和试验方面作了大量工作,研制了几种新型涡 轮钻具，使涡轮钻具的结构性能、使用寿命有了较 大提高，我国研制的涡轮钻具技术的特点是：
2、 螺杆钻具的基本原理与结构特征
工作原理：螺杆钻具是一种以液体为动力，把 液体的压力能转化为机械能的井下动力工具。当动 力液进入液压马达，迫使转子在定子中转动，在液 压马达的进出口生产一定的压差，推动液压马达的 转子绕定子轴线作行星运动，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。
(2)、马达总成 马达是螺杆钻具的动力部件，马达是由定子和转子 两个基本部分组成的单螺杆容积式动力机械。
马达转子的螺旋线有单头（N=1）和多头（ N≥2）之分。转子的头数越少，转速越高，扭 矩越小；头数越多，转速越低，扭矩越大。
根据马达线型理论研究结论可知，转子线型和 定子线型是一对摆线类共轭曲线副，常用的马达转 子若为N头摆线线型，则定子为N+1摆线线型；转子 和定子曲面的螺距相同，导程之比为N/（N+1）。
1）、螺杆马达的工作原理的进一步介绍
螺杆马达的转子实际上是一个螺旋外齿轮， 而定子则是一个螺旋内齿轮。马达横截面上的共 轭曲线副。马达的轴向长度远大于截面尺寸，所 以称转子为一个螺旋杆，定子为一个有螺旋型腔 的套筒更为形象化。
1）、理论特性
单螺杆马达是典型的容积式机械，在不计损 失时，根据容积式机械工作过程中的能量守恒， 在单位时间内钻头输出的机械能（MTωT ）应等于 单螺杆马达输入的水力能（△pQ ），则有：
MTωT = △pQ
（6）
根据容积式机械的转速关系，有
（7）
由以上两式及
可得出；
（8）
和
（9）
式中： MT—马达理论转矩；
2)、螺杆钻具结构 螺杆钻具由四个部件组成，从上至下依次是： (1)旁通阀总成；(2)马达总成；(3)万向轴总成； (4)传动轴总成。
(1)、旁通阀总成 旁通阀的作用是在停泵时使钻柱内空间与环空沟 通，以避免起下钻和接换单根时钻柱内钻井液溢出污染 钻台，影响正常工作。 旁通阀由阀体、阀套、阀芯及弹簧等部件组成。
● 井下马达工作时向右旋转。 ● 施加在钻头的扭矩越大，马达越会向左旋 转。 ● 钻具起钻过程类似常规钻具起钻操作。 ● 起出井下马达后应认真检查旁通阀总成， 并把钻具内的钻井液徘净，尽可能冲洗清洁，正常 维护保养后待用。
3）故障分析与排除
6、 螺杆钻具的外特性分析 螺杆的工作特性，即外特性，包括理论工作特性 和实际工作特性。了解和掌握螺杆钻具的外特性，对 于正确选择和使用螺杆钻具至关重要。
我国的螺杆钻具生产在80年代中后期才形成一 定规模，目前，常规螺杆钻具已规格化系列化，各 主要厂家如大港、北京、德州、潍坊的产品已覆盖 国内绝大部分市场。
2）、涡轮钻具
涡轮钻具与电动钻具相比，输出性能柔和，转速稍 低(约800r/min)，无特殊的绝缘和密封要求，制造精度 容易保证，使用操作相对简单，因而受到油田井队的欢 迎。特别是复式涡轮钻具的出现，以及后来的带独立支 承节涡轮钻具定型产品的推广，使机械钻速和每米钻井 成本等技术经济指标大大超过了电动钻具。
4、螺杆钻具的表达方式
5、螺杆钻具的应用 1）影响螺杆粘具性能的主要因素 ● 钻井液 ● 钻井液流量 ● 钻井液压力降与钻压 ● 扭矩 ● 钻头水眼
2）使用方法及其注意事项 ● 根据钻修井条件选用合适的钻具类型和合理 的技术参数，以提高螺杆钻具的工作效率。 ● 下井前应认真检查两端连接丝扣和台肩及外 壳体有无变化，旁通阀是否灵敏好用。
一、螺杆钻具 1、概述 1）螺杆钻具
螺杆钻具又称定排量马达， 使一种容积式井下动力钻具（如图）， 是目前最广泛使用的一种井下动力 钻具，主要用于定向井、水平井 的造斜及扭方位施工，一部分也 用于直井反扣或侧钻作业中。
美国50年代中期开始研制螺杆钻具，1962年 用于生产，主要生产的有迪纳钻具(Smith公司)、 纳维钻具( Christensen公司)和波斯钻具，其基本原 理都是基于容积式马达，只是内部结构和技术参数 略有不同。
随着油气勘探开发形势的发展，钻井技术在不 断发展，推动着螺杆钻具技术水平也在不断逐步进 步和提高。综观其发展过程和发展趋势，其方向可 基本概括为：长寿命，高转速，多功能。
（1） 、长寿命 延长螺杆钻具的工作寿命，使其在井下能长 时间可靠地工作。具体表现为以下几个方面： ● 马达定子橡胶材料和硫化工艺的改进。 ● 万向轴结构类型与质量的改进。 ● 传动轴轴承节结构及轴承质量的改进。
60 q
v
（12）
N0 NT pQ （13）
式中 C—马达的转矩系数。
C
m (1
p1 p2
)
m
p p2
（14）
7、 螺杆钻具的参数计算 在简要分析螺杆马达工作原理的基础上，推证 螺杆钻具一些参数的计算公式。 螺杆马达的每转排量q、扭矩M、转子轴向力G、 马达最小长度L、万向轴内载荷循环频率等，以作为 讨论螺杆钻具设计要点的基础。
但是，随着密封牙轮钻头的发展和喷射钻井技术水 平的提高，涡轮钻具暴露出了如下四大致命弱点：
（1）、输出转速高，超过了牙轮钻头的最佳额定 工作转速范围(100~270r/min)。
（2）、压力降消耗大(为6.0~8.0MPa)，降低了钻 头的水马力，影响了井底清洗和钻头破岩效率，无法保 证牙轮钻头喷射钻井所需的水力功率。
T —钻头理论角速度；
nT —钻头理论转速，即马达输出的自转转速；
p —马达进、出口的压力降；
q —马达每转排量，它是一个结构参数，仅与线
型和几何尺寸有关； Q—流经马达的流量，即排量；
NT —理论功率
分析式（7）式（8）式可得如下重要结论： ● 螺杆钻具的转速只与排量Q和结构有关，而与工况无关。 ● 工作扭矩与压降和结构有关，而与转速无关。 ● 转速和力矩是各自独立的两个参数。 ● 螺杆钻具具有硬转速特性和良好的过载能力。 ● 泵压表可作为井底工矿的监视器。 ● 转速随排量的变化而线性变化，因此可通过调节排量很容 易地进行转速调节。 ● 工作扭矩与转速均与结构有关，增大马达的每转排量，可 获得适合于钻井作业的低速大扭矩特性。
（2）、大扭矩
● 降低螺杆钻具的输出转速以匹配牙轮钻头；Байду номын сангаас● 提高扭矩以满足钻井需要，于是产生了多头螺杆 钻具。
（3）、高转速 一般钻头转速越高，机械钻速越 ，单头马达或头 数较少的串联马达及加长马达，配用优质牙轮、金刚石
或PDC钻头、达到大扭矩条件下的较高转速 。
（4）、多动能 开发不同结构特征和工作特性的螺杆钻具，形成多功能的 不同钻具品种。 ● 弯螺杆 ● 可调弯螺杆 ● 地质导向测传马达 ● 短半径造斜马达 ● 中空螺杆马达 ● 螺杆—涡轮串联马达 ● 高温型螺杆钻具
① 系统研究了涡轮钻具叶片优化设计，基本 形成了以低压降、大扭矩为特点的涡轮钻具的设计 体系；
② 采用无橡胶件的TC扶正轴承，以适应涡轮 钻具在高温井底条件下的钻井；
③ 改善了轴承受力条件并提高轴承寿命，现 有轴承寿命超过100h；
④ 设计了带齿轮减速器的涡轮钻具，消除了 常规涡轮钻具的低扭矩、高转速等不利因素。
马达中转子与定子相互啮合，用两者的导程差 而形成螺旋密封腔，以完成能量转换。为了确保密 封效果，转子与定子之间的配合尺寸与不同井深、 井温有关，在选择钻具时应按不同井况选用不同型 号马达。
(3)、万向轴总成 万向轴的作用是将马达的行星运动转变为传动轴 的定轴转动，同时把马达产生的工作扭矩及转速传递 给传动轴和钻头。
§5、 井下动力钻具
井下动力钻具在提高机械钻速、增加单只钻头 进尺、减少每米钻井成本、实现井身轨迹定向控 制和快速准确中靶以及确保井身质量和钻井安全 性等方面，与传统的转盘钻井相比，具有极大的 优越性。
目前，国内外开发和利用的井下动力钻具主 要有三种，一是容积式螺杆钻具，二是叶片 式涡轮钻具，三是电动钻具。
随着定向井数目的增加，20世纪70年代，人 们对螺杆钻具的兴趣与日俱增。多头螺杆钻具逐 步取代单头螺杆钻具成为主导产品。更多的国外 钻井设备公司，特别是斯伦贝谢、贝克和克里斯 坦森等公司，都开始制造自己的多头螺杆钻具。
我国是在20世纪70年代末期开始开始研制多头 螺杆钻具。现在，我国已有十余家工厂可以生产螺 杆钻具，而且随着我国定向井技术的普及和推广， 国产螺杆钻具已成为主要的钻井工具。
万向轴总成由两个元件组成：壳体和万向轴。壳 体通过上、下锥螺纹分别和马达定子壳体下端及传动 轴壳体上端相连接。
直螺杆钻具的万向轴壳体无结构弯角，而弯壳体 螺杆钻具的万向轴壳体则是一个带有结构弯角的弯壳 体。
(4)、传动轴总成 传动轴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。 它由壳体、传动轴、 上部推力轴承、下部推 力轴承、径向扶正轴承 组及其他辅助零件总装 组成。
优点：直流电动钻具具调速范围宽，过载 能力强，功率利用率高，井下信息的通讯容量 大，井眼轨迹控制精度高，可适应在重钻井液 条件下工作。
缺点：电动钻具的输出转速在1200r/min 以上，多级减速器结构复杂，可靠性差，井下 电动机的绝缘和密封性能要求高。电枢绕组失 效后，修复困难。
4）、螺杆钻具的发展概况及趋势 螺杆钻具的诞生和发展的历史要迟于涡轮钻具。 在50年代中期以前，前苏联80%以上的油井是用涡 轮钻进的。美、英等西方国家在螺杆钻具问世前，绝大 部分的油井是用钻盘钻成的。 20世纪30年代，法国工程师根据阿基米德螺旋泵的 研究成果设计了单螺杆泵。1955年，美国戴纳公司在单 螺杆泵的基础上研制开发单螺杆钻具，于1968年起开始 出售产品。