英文簡(jiǎn)稱(chēng)

Screw drilling tool

拼音

螺桿鉆具

簡(jiǎn)介

一種漸進(jìn)空腔型容積式孔底動(dòng)力機，簡(jiǎn)稱(chēng)螺桿鉆。以泥漿、清水為動(dòng)力介質(zhì)，通過(guò)鉆桿中心孔輸送到孔底的螺桿鉆，實(shí)質(zhì)上是把液體壓力能轉換為機械能的一種能量轉換裝置。鉆探時(shí)，螺桿鉆直接帶動(dòng)連接在其孔底傳動(dòng)軸上的巖心管和鉆頭回轉，整個(gè)鉆桿柱僅作為輸送高壓工作介質(zhì)的通道和支撐鉆頭反扭矩的桿件，不作回轉運動(dòng)。采用螺桿鉆鉆探與常規鉆探相比有許多優(yōu)點(diǎn)，如鉆桿磨損大幅度下降，鉆速高。它是打定向孔的主要器具，在鉆探領(lǐng)域已發(fā)揮作用。

1955年，美國克利斯坦森礦山鉆探制品公司根據莫因諾原理開(kāi)始研究，于1964年首先取得成功，定名為“戴納鉆”;蘇聯(lián)于70年代初研究成功“凸”型螺桿鉆；中國地礦部勘探技術(shù)研究所于80年代初研制螺桿鉆成功。至今生產(chǎn)螺桿鉆的國家有美國、俄羅斯、中國、德國等。

螺桿鉆最早是用來(lái)打垂直孔，主要用來(lái)打各種定向孔和特種工程孔（如礦井凍結孔）。最大鉆孔深度達9023米。目前世界上螺桿鉆最小直徑為44.5毫米，最大直徑為304.8毫米。利用螺桿鉆進(jìn)行巖心鉆探時(shí)，應在驅動(dòng)軸與鉆頭間加上巖心管采取巖心。

螺桿鉆由旁通閥、螺桿馬達（轉子和定子）、萬(wàn)向節、軸承和驅動(dòng)軸幾部分組成，其核心是螺桿馬達。在螺桿馬達轉子、定子傳動(dòng)副中，定子齒數Z1比轉子齒數Z2多一個(gè)：即Z1= Z2+1。它們的齒數比通常稱(chēng)為傳動(dòng)比，設計時(shí)，可任意選擇(1:2,2:3,...,9:10)。設計高轉速的螺桿鉆應采用小齒數比螺桿馬達，而設計低速大扭矩的螺桿鉆應采用大齒數比螺桿馬達。隨著(zhù)轉子定子齒數比的增大，其效率逐漸趨于下降；螺桿鉆的輸出扭矩取決于通過(guò)馬達的工作壓力降，輸出轉速取決于通過(guò)螺桿馬達工作介質(zhì)的流量。

鉆探時(shí)，仍然需要鉆探機、泥漿泵、鉆桿和鉆塔等常規鉆探裝備。施工定向鉆孔時(shí)，要借助定向儀給造斜工具定向。與螺桿鉆配套使用的造斜工具有彎接頭、彎外管和偏心塊等。采用螺桿鉆施工定向孔能提高鉆孔質(zhì)量，提供精確地質(zhì)資料，節約進(jìn)尺，降低成本，解決許多無(wú)法施工的工程難題，因此，它是鉆探工程的一種特種工具。

螺桿鉆的使用壽命一般為150～200小時(shí)，其薄弱環(huán)節是定子橡膠耐高溫程度低，軸承易損壞。加緊研制與開(kāi)發(fā)用于制造定子的抗磨損耐高溫的彈性材料與可靠的軸承系統，從而使螺桿鉆的工作壽命得到顯著(zhù)提高。并研制低速大扭矩螺桿以適用于鉆深孔和超深孔。

螺桿鉆具

組成

螺桿鉆具主要由旁通閥、液馬達、萬(wàn)向軸和傳動(dòng)軸等四大總成組成。螺桿馬達是鉆具的主要部件，很多實(shí)踐和理論分析結果表明，如欲使馬達正常有效地工作，每級馬達所能承受的壓降以不超過(guò)0.8Mpa為宜，否則馬達就有漏失。轉速很快降低，嚴重時(shí)則完全停止轉動(dòng)，馬達損壞。（馬達的一個(gè)導程為一級）現場(chǎng)使用的泥漿流量應在推薦的使用范圍內，否則將影響馬達效率，甚至加大磨損。螺桿馬達的性能參數是螺桿鉆具的主要性能參數。馬達的理論輸出扭矩和馬達壓降成正比，輸出轉數與輸入泥漿流量成正比，隨著(zhù)負荷的增加鉆具轉數降低，所以只要控制地面上的壓力表的讀數和泵的流量，就能控制井下鉆具的扭矩和轉速。

旁通閥由閥體、閥套、閥芯及彈簧等部件組成，在壓力作用下閥芯在閥套中滑動(dòng)，閥芯的運動(dòng)改變了液體的流向，使得旁通閥有旁通和關(guān)閉兩個(gè)狀態(tài)：在起、下鉆作業(yè)過(guò)程中，閥套與閥體通孔未閉和，旁通閥處于旁通狀態(tài)，使鉆柱中泥漿繞過(guò)馬達進(jìn)入環(huán)空；當泥漿流量和壓力達到標準設定值時(shí)，閥芯下移，關(guān)閉旁通閥孔，此時(shí)泥漿流經(jīng)馬達，把壓力能轉變成機械能。當泥漿流量值過(guò)小或停泵時(shí)，彈簧把閥芯頂起，旁通閥孔處于開(kāi)啟位置--處于旁通狀態(tài)。

馬達由定子、轉子組成。定子是在鋼管內壁上壓注橡膠襯套而成，其內孔是具有一定幾何參數的螺旋；轉子是一根有硬層的螺桿。轉子與定子相互嚙合，用兩者的導程差而形成螺旋密封腔，以完成能量轉換。馬達轉子的螺旋線(xiàn)有單頭和多頭之分。轉子的頭數越少，轉速越高，扭矩越??；頭數越多，轉速越低，扭矩越大。

萬(wàn)向軸的作用是將馬達的行星運動(dòng)轉變?yōu)閭鲃?dòng)軸的定軸轉動(dòng)，將馬達產(chǎn)生的扭矩及轉速傳遞給傳動(dòng)軸至鉆頭。萬(wàn)向軸多采用撓軸式。

傳動(dòng)軸的作用是將馬達的旋轉動(dòng)力傳遞給鉆頭，同時(shí)承受鉆壓所產(chǎn)生的軸向和徑向負荷。我公司制造的鉆具傳動(dòng)軸結構(如圖7所示)已申請國家專(zhuān)利，具有壽命更長(cháng)、承載能力更高等諸多優(yōu)點(diǎn)。

使用要求

1、鉆井液要求：螺桿鉆具對于各種泥漿都能有效地工作，包括油基泥漿、乳化泥漿和粘土泥漿，甚至清水等。泥漿粘度和比重對鉆具的影響很小，但對整個(gè)系統的壓力有直接影響，如果推薦排量下的壓力大于額定泵壓值，就得減少泥漿排量，或者有必要降低通過(guò)鉆具和鉆頭的壓力降。泥漿中的砂粒等雜質(zhì)會(huì )影響鉆具性能，加速軸承和馬達定子的磨損，因此泥漿中含砂量必須控制在1%以下。每種型號的鉆具都有自身的輸入流量范圍，只有在此范圍內鉆具才能有較高的效率，一般應取輸入流量范圍的中間值為最佳輸入流量值。

2、泥漿壓力要求：鉆具懸空時(shí)，排量不變，則通過(guò)鉆具的泥漿壓力降也不變，隨著(zhù)鉆頭 接觸井底鉆壓增加時(shí)，泥漿循環(huán)壓力增加，泵壓也增加，司鉆可用以下公式來(lái)控制操作：打鉆泵壓=循環(huán)泵壓+鉆具負載壓降 循環(huán)泵壓就是鉆具沒(méi)有接觸井底時(shí)泵壓，也叫離底泵壓，鉆具加大扭矩，泵壓就要上升，這時(shí)壓力表的讀數就叫打鉆泵壓。離底泵壓不是一個(gè)常數，它隨井深和泥漿的特性變化而變化，但實(shí)際操作中，無(wú)必要隨時(shí)測取循環(huán)泵壓的精度值，一般取每次接單根后的離底泵壓為近似值，這樣做完全可以滿(mǎn)足公式的精度要求。鉆具在工作中，打鉆泵壓達到最大推薦壓力時(shí)，鉆具產(chǎn)生最佳扭矩繼續增加鉆壓將增加泵壓，當超過(guò)最大設計壓力時(shí)，馬達可能會(huì )制動(dòng)，此時(shí)應立即降低鉆壓，以防鉆具內部損壞。

使用方法

螺桿鉆具在出廠(chǎng)前，各部件之間的連接螺紋均已涂厭氧膠，并按規定力矩上緊，使用前不需要重新緊扣。

1、下井前地面檢查：用提升短節將鉆具提起，入轉盤(pán)卡瓦內，使旁通閥位于轉盤(pán)之上，裝上安全卡瓦，卸去提升短節，檢查旁通閥的靈活性，方法是用木棒壓下閥芯，然后松開(kāi)，閥芯在彈簧力的作用下，恢復正常，反復壓下3-5次，閥芯無(wú)卡阻，運動(dòng)靈活，接著(zhù)將鉆具旁通孔部位下到鉆盤(pán)以下開(kāi)泵，旁通孔封閉，馬達啟動(dòng)，驅動(dòng)接頭旋轉，停泵后，閥芯復位，泥漿從旁通孔瀉出，鉆具正常。

2、鉆具下入井內 (1)鉆具下井時(shí)，嚴格控制下放速度，以防過(guò)快時(shí)馬達倒轉，使內部連接絲扣脫扣，同時(shí)防止在通過(guò)砂橋、套管鞋等處撞壞鉆具。(2)當下入深井段或遇到高溫井段時(shí)，以及經(jīng)過(guò)流砂層井段時(shí)，應定期循環(huán)泥漿冷卻鉆具，保護定子橡膠，防止砂堵。(3)鉆具接近井底時(shí)要放慢速度，提前循環(huán)后再繼續下鉆，循環(huán)先小排量，待井口返出泥漿后，再加大排量。(4)不允許頓鉆或將鉆具座在井底。

3、鉆具鉆進(jìn) (1)鉆具鉆進(jìn)前應充分清洗井底，并測循環(huán)泵壓。(2)開(kāi)始鉆進(jìn)時(shí)應緩慢加鉆壓，待正常鉆進(jìn)時(shí)，司鉆可用下列公式控制操作：打鉆泵壓=循環(huán)泵壓+鉆具負載壓降 (3)開(kāi)始鉆進(jìn)，鉆進(jìn)速度不宜太快，此時(shí)鉆具和鉆頭都很緊，井底尚未 清洗，易產(chǎn)生鉆頭泥包。(4)鉆具產(chǎn)生的扭矩與馬達的壓力降成正比，因此增大鉆壓就能增大扭矩。(5)均勻送鉆能保證井段的曲線(xiàn)光滑和定向精度。

4、從井眼中起出并檢查鉆具 (1)用清水沖洗旁通閥，用木棒上、下活動(dòng)閥芯，使其能關(guān)閉靈活為止。(2)用管鉗咬住鉆具，用鏈鉗順時(shí)針轉動(dòng)驅動(dòng)接頭，從旁通閥上部注入清水清洗鉆具內部，最后向馬達內注入少量礦物油。(3)起鉆應注意起鉆速度，以防卡鉆損壞鉆具。(4)測量鉆具的軸承間隙，如軸承間隙超過(guò)最大允差，應對鉆具進(jìn)行維修，更換新軸承(對于修井鉆則應調整軸承的軸向間隙)。

螺桿鉆具下井前的地面檢查

螺桿鉆具下井前的地面檢查

1.螺桿鉆具除了提升短節與旁通閥連接外，其他部分的殼體連接均涂鎖緊劑。

2.用螺桿鉆頭裝卸器把螺桿鉆頭裝上，只許用鏈鉗轉動(dòng)螺桿鉆具傳動(dòng)軸頭，而且只能逆時(shí)針旋轉（俯視旋向，下同），以防止內部螺紋松扣。

3.吊起提升短節，把螺桿鉆具放入轉盤(pán)中，把旁通閥置于轉盤(pán)中易于觀(guān)察的位置。用卡瓦把螺桿鉆具卡牢，卸去提升短節。

4.檢查旁通閥：用錘柄或木棒向下壓旁通閥芯，從上部向旁通閥注滿(mǎn)水，此時(shí)旁通閥應不漏，水面無(wú)明顯下降，然后挪走木棒，閥芯應被彈簧彈起復位，所注水應從側面各孔均勻流出，即可認為正常。

5.下放后，使旁通閥位于鉆桿下方便于觀(guān)察的地方，開(kāi)動(dòng)鉆井泵，逐漸提高排量直到旁通閥關(guān)閉，上提螺桿鉆具，看螺桿鉆頭是否轉動(dòng)，此時(shí)旁通閥處于“關(guān)閉”位置。不應有鉆井液從旁通孔流出。停泵后注意觀(guān)察旁通閥是否再次打開(kāi)，使鉆井液從旁通孔排出。泵未完全停止之前，不要把旁通閥提到轉盤(pán)以上，防止污染井臺。

6.按設計的螺桿鉆具組合，分別把彎接頭、無(wú)磁鉆鋌、穩定器等接好。

把螺桿鉆具下到井眼

鉆下放螺桿鉆具時(shí)，需控制下放速度，否則易被井眼中的沙橋、井眼臺肩、套管鞋所損壞。如遇到這樣的井段，往往需開(kāi)動(dòng)鉆井泵，慢慢地擴大井眼再通過(guò)。

如果用彎接頭或彎殼體，螺桿鉆頭側面就更易碰上井壁的硬巖層和套管鞋等，要周期性的轉動(dòng)螺桿鉆具，以消除側鉆的影響。

對于深井和高溫井，下放螺桿鉆具時(shí)建議周期性地進(jìn)行中途循環(huán)，這樣可以防止螺桿鉆頭堵塞，或因高溫造成螺桿鉆具定子損壞。

在井內，鉆井液若不能迅速通過(guò)旁通閥閥口，應減慢下井速度，或不時(shí)停下來(lái)充灌泥漿，下鉆時(shí)，注意不可墩鉆或將螺桿鉆具直接放進(jìn)井底。

開(kāi)動(dòng)螺桿鉆具：

如果螺桿鉆具處于井底，必須提起0.3-0.4m，開(kāi)動(dòng)鉆井泵，此時(shí)記下立桿壓力表讀數，與計算的壓力值對比一下，如果超過(guò)水力計算的壓力數值也是正常的，這是螺桿鉆頭側鉆引起的。

清理井底：尤其是打斜井，井底必須足夠“干凈”，因為井底堆積或沉淀的巖屑影響轉速或造斜。最好用正常的鉆井液循環(huán)清理，清理時(shí)也可慢慢轉動(dòng)螺桿鉆具或螺桿鉆具分次轉動(dòng)（每次轉動(dòng)30o-40o），依次地把堆在井底的物體清理干凈。清理干凈后，再把螺桿鉆具上提0.3-0.4m，校對壓力值，記錄下來(lái)。

重新下入井底并逐步加鉆壓，馬達扭矩增加，立桿壓力表壓值升高，這個(gè)升高的壓力值應符合各型號螺桿鉆具規定的馬達壓降值，此壓力表增大的數值反映了馬達的負載是否正常，也反映鉆壓加的是否合適，因此保持馬達轉速基本穩定，鉆壓基本穩定，只要把立桿壓力表讀數限制在所選螺桿鉆具推薦范圍內就可以了。它能使司鉆及時(shí)了解螺桿鉆具工作情況。

螺桿鉆頭不在井底時(shí)，如果循環(huán)壓力高，則可能是螺桿鉆頭水眼被堵或傳動(dòng)軸被卡死。

起鉆：

起鉆時(shí)，旁通閥處于旁通狀態(tài)，允許鉆柱中的鉆井液瀉入環(huán)空，但是螺桿鉆具本身不能排出鉆井液，通常在起鉆前在鉆柱上部注入一段加重鉆井液順利排出。

1.在螺桿鉆具提出到旁通閥位置后，卸下旁通閥口上各部件，用清水從旁通閥頂部進(jìn)行沖洗，然后使用木棒或錘柄等將閥芯按下、松開(kāi)使其移動(dòng)無(wú)阻。清洗完畢，擰上提升短節，提出螺桿鉆具。