螺桿鉆具.doc

1摘要：螺桿鉆具是一種井下動(dòng)力鉆具，它是由高壓泥漿驅(qū)動(dòng)的容積式馬達(dá)，把液壓能轉(zhuǎn)化為鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)所需的動(dòng)能。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、過(guò)載性能好、在小井眼和轉(zhuǎn)盤不易加扭矩時(shí)也能得到大的扭矩和功率，鉆進(jìn)快，已廣泛應(yīng)用于垂直鉆井、定向鉆井、水平鉆井、直井和修井作業(yè)中。隨著鉆井工程的快速發(fā)展，螺桿鉆具也有了長(zhǎng)足的發(fā)展，目前國(guó)產(chǎn)螺桿鉆具在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)已基本上占有主導(dǎo)地位，已較好地滿足了我國(guó)鉆井工程的需要，但還存在許多不足之處。在對(duì)螺桿鉆具的基本原理和結(jié)構(gòu)功能分析之后，并對(duì)改進(jìn)措施和今后的發(fā)展提出了自己的一點(diǎn)看法。關(guān)鍵詞：螺桿鉆具；基本原理；鉆具失效；鉆具改善2目錄1緒論.31.1研究的目的和意義.31.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況及趨勢(shì).32螺桿鉆具的基本原理.42.1螺桿鉆具的基本原理與結(jié)構(gòu)特征.42.1.1工作原理.42.1.2螺桿鉆具結(jié)構(gòu).52.2螺桿鉆具的性能特點(diǎn)與工作特性.72.2.1螺桿鉆具的性能特點(diǎn).72.2.2螺桿鉆具的工作特性.83螺桿鉆具的失效分析.93.1螺桿鉆具失效主要原因.93.1.1失效的結(jié)構(gòu)因素.93.1.2失效的工藝因素.103.1.3失效的使用因素.103.2螺桿鉆具技術(shù)改進(jìn)措施.113.2.1殼體防脫.113.2.2殼體防斷.113.2.3傳動(dòng)軸防斷防掉.124螺桿鉆具的參數(shù)計(jì)算及設(shè)計(jì)要點(diǎn).124.1螺桿馬達(dá)的工作原理的進(jìn)一步介紹.124.2螺桿鉆具的設(shè)計(jì)要點(diǎn).134.2.1螺桿鉆具的總體設(shè)計(jì).135結(jié)論.1431緒論1.1研究的目的和意義螺桿鉆具又稱定排量馬達(dá)，是一種容積式井下動(dòng)力鉆具，是目前最廣泛使用的一種井下動(dòng)力鉆具，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側(cè)鉆作業(yè)中。螺桿鉆具具有功率大、轉(zhuǎn)速低、扭矩大、壓降小、容易啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，目前被油田廣泛應(yīng)用。認(rèn)知和研究螺桿鉆具讓更多的人了解螺桿鉆具的基本原理、結(jié)構(gòu)、失效形式、以及改進(jìn)方法。1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況及趨勢(shì)美國(guó)50年代中期開(kāi)始研制螺桿鉆具，美國(guó)史密斯公司在年就為直井鉆井研制一單頭單螺們鉆具，不過(guò)，由于當(dāng)時(shí)鉆頭及其本身橡膠元件的工作壽命過(guò)短而沒(méi)有顯示其優(yōu)越性。1962年用于生產(chǎn)，不同廠家生產(chǎn)的有迪納鉆具(Smith公司)、納維鉆具(Christensen公司)和波斯鉆具，其基本原理都是基于容積式馬達(dá)，只是內(nèi)部結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)略有不同。六十年代中期，由于螺桿鉆具制造工藝的改進(jìn)以及能適應(yīng)較高轉(zhuǎn)速的金剛石鉆頭的出現(xiàn)，使單頭螺桿鉆具得到了明顯發(fā)展。這個(gè)時(shí)期，單頭螺桿鉆具主要用來(lái)鉆定向井、叢式井、小眼井以及其它特種作業(yè)的鉆進(jìn)，真正用來(lái)鉆直井和長(zhǎng)井段鉆進(jìn)則是七十年代的事。至80年代中期,美國(guó)的迪納鉆具已發(fā)展成兩個(gè)系列10種規(guī)格，納維鉆具有兩個(gè)系列14種規(guī)格。隨著配套部件質(zhì)量的提高，螺桿鉆具工作壽命從原來(lái)的3040h，提高到100h以上，1980年在美國(guó)俄克拉荷馬州創(chuàng)造了連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)429h的新記錄。各項(xiàng)鉆井技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)每英尺鉆井成本、機(jī)械鉆速、防斜打直等都優(yōu)于轉(zhuǎn)盤鉆井，與其它井下動(dòng)力鉆具相比（渦倫鉆具或電動(dòng)鉆具），在某些方面也占有一定優(yōu)勢(shì)，因此引起工業(yè)界廣泛重視。前蘇聯(lián)1966年開(kāi)始研制螺桿鉆具，到年螺桿鉆具累計(jì)進(jìn)尺達(dá)1500km,1991年螺桿鉆具鉆進(jìn)量占全蘇工作量的7.5。近年來(lái),隨著水平井、徑向井、分支水平井的大量涌現(xiàn)，螺桿鉆具的發(fā)展也產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。在美國(guó)和西歐，幾乎90的大、中曲率半徑水平井的定向造斜和水平井段都是由螺桿鉆具鉆成，導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)已成了定向井中公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)化專用工具，出現(xiàn)了許多新型的專用螺桿鉆具。我國(guó)在20世紀(jì)70年代末開(kāi)始研制多頭螺桿鉆具。1978年，石油部勘探開(kāi)發(fā)科學(xué)研究院承擔(dān)了部級(jí)重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目“LZ61/2螺桿鉆具研制，并于1982年推出了我國(guó)第一臺(tái)3頭螺桿鉆具。現(xiàn)在，我國(guó)已有多家廠家生產(chǎn)螺桿鉆具，而且隨著我國(guó)適用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，已由起初的定向井、大位移斜井、水平井及一般直井，發(fā)展到近些年的大規(guī)模推廣的直井復(fù)合鉆井及河流穿越工程等領(lǐng)域，國(guó)產(chǎn)螺桿鉆具已成為主要的鉆井工具。螺桿鉆具技術(shù)得到較大的發(fā)展，主要表現(xiàn)在：尺寸規(guī)格更加系列化，尺寸由直徑54mm擴(kuò)至直徑286mm；性能參數(shù)更加細(xì)化，同一種規(guī)格有多種不同性能參數(shù)鉆具適應(yīng)不同鉆井參數(shù)的需要；在結(jié)構(gòu)上，不同結(jié)構(gòu)適應(yīng)不同的鉆井方式；在鉆井的壽命方面，優(yōu)化后的鉆具方案可滿足不同工況的鉆井需要等。隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)形勢(shì)的發(fā)展，鉆井技術(shù)在不斷發(fā)展，推動(dòng)著螺桿鉆具技術(shù)水平也在不斷逐步進(jìn)步和提高。綜觀其發(fā)展過(guò)程和發(fā)展趨勢(shì)，其方向可基本概括為：長(zhǎng)壽命，大扭矩，高轉(zhuǎn)速，多功能。41）長(zhǎng)壽命延長(zhǎng)螺桿鉆具的工作壽命，使其在井下能長(zhǎng)時(shí)間可靠的工作，一直是螺桿鉆具不斷發(fā)展的主要技術(shù)方向。具體的表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：萬(wàn)向軸結(jié)構(gòu)類型與質(zhì)量的改進(jìn)，傳動(dòng)軸軸承結(jié)構(gòu)及軸承質(zhì)量的改進(jìn)，這一部分一直是為追求螺桿鉆具長(zhǎng)壽命指標(biāo)進(jìn)行研究改進(jìn)的重點(diǎn)。從提高推動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)承載能力，到改進(jìn)軸承組的結(jié)構(gòu)形式，到換用硬質(zhì)合金軸承（TC），以及采用PDC軸承等等。上述幾個(gè)方面的改進(jìn)研究已使研究?jī)?yōu)質(zhì)螺桿鉆具工作壽命達(dá)200h以上，更好的可達(dá)300400h。2）大扭矩增大螺桿馬達(dá)的輸出扭矩，以適應(yīng)鉆井的需要，一直是螺桿鉆具研究中的重要課題。從單頭螺桿馬達(dá)發(fā)展到多頭螺桿馬達(dá)就是有力的證明。一方面需要降低螺桿鉆具的輸出轉(zhuǎn)速以匹配牙輪鉆頭，另一方面要提高扭矩以滿足鉆井需要，于是產(chǎn)生了多頭螺桿鉆具。螺桿的頭數(shù)越多，其低速大扭矩特性越好，Mn指標(biāo)越高。隨著金剛石鉆頭和PDC鉆頭技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，以及海洋大位移井迫切需要提高機(jī)械鉆速以降低成本，保持較高鉆速同時(shí)具備大扭矩，就成了螺桿鉆具的又一次改進(jìn)，于是單頭螺桿再度引起人們的關(guān)注。3）高轉(zhuǎn)速其實(shí)上述已談及螺桿馬達(dá)是高轉(zhuǎn)速問(wèn)題。從本質(zhì)上講，一般鉆頭轉(zhuǎn)速越高，機(jī)械鉆速越快。于是單頭馬達(dá)或頭數(shù)越少的串聯(lián)馬達(dá)及加長(zhǎng)馬達(dá)，配用優(yōu)質(zhì)牙輪、金剛石或鉆頭，達(dá)到大扭矩條件下的較高轉(zhuǎn)速，已充分引起鉆井工作者的注意。4）多功能開(kāi)發(fā)不同結(jié)構(gòu)特征和工作特性的螺桿鉆具，形成多功能的不同鉆具品種，是幾十年以來(lái)，也將是今后螺桿鉆具技術(shù)發(fā)展的重要方向。其中包括有：彎螺桿，可調(diào)彎螺桿，地質(zhì)導(dǎo)向側(cè)鉆馬達(dá)，中空螺桿馬達(dá)，短半徑造斜馬達(dá)，螺桿渦輪串聯(lián)馬達(dá)，高溫型螺桿鉆具。2螺桿鉆具的基本原理2.1螺桿鉆具的基本原理與結(jié)構(gòu)特征2.1.1工作原理螺桿鉆具是以鉆井液為動(dòng)力的一種井下動(dòng)力鉆具。泥漿泵泵出的鉆井液流經(jīng)旁通閥