螺桿鉆具的設計與應用

趙志剛 馮婷婷 邱煥龍 王春秀（山東陸海石油裝備有限公司， 山東 德州 253500 ）

螺桿鉆具的設計與應用

趙志剛 馮婷婷 邱煥龍 王春秀（山東陸海石油裝備有限公司， 山東 德州 253500 ）

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，定向井數(shù)量的增加，對螺桿鉆具的性能要求越來越高，低速、大扭矩、長壽命成為發(fā)展方向。本文探究了螺桿鉆具的工作原理、結(jié)構(gòu)以及設計和應用。

螺桿鉆具；設計；應用

螺桿鉆具，又稱定排量馬達，是一種容積式井下動力鉆具。由于其本身結(jié)構(gòu)和性能方面的一系列特點和優(yōu)點，所以自20世紀50年代中期問世，特別是近30年以來，在石油鉆井和修井方面獲得了廣泛應用，并被用于地質(zhì)勘探、煤層氣開采、建筑管道施工和國防工程等方面的鉆進作業(yè)。

在油氣鉆井中，螺桿鉆具主要被用于鉆特殊工藝井，也可用來鉆直井。所謂特殊工藝井，是指常規(guī)直井以外的所有其他井型，如定向井、大斜度井、水平井、大位移井、多分支井、叢式井等。在這些特殊工藝井中，通常應用螺桿鉆具進行井眼軌道控制作業(yè)，如造斜、糾斜、扭方位，采用導向螺桿鉆具還可以進行穩(wěn)斜鉆進。

1　螺桿鉆具工作原理

螺桿鉆具是一種以鉆井液（或壓縮氣體）為動力的容積式井下動力鉆具，鉆井液（或壓縮氣體）由鉆桿進入螺桿鉆具旁通閥總成后，使閥芯關(guān)閉，然后進入螺桿鉆具馬達總成，在馬達進出口處形成一定壓差推動馬達的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生扭矩和轉(zhuǎn)速，通過萬向軸總成和傳動軸總成傳遞到鉆頭上，達到鉆井的目的。

2　螺桿鉆具結(jié)構(gòu)

螺桿鉆具主要由旁通閥總成、防掉總成、馬達總成、萬向軸總成和傳動軸總成五大部分組成。（見下圖）

3　設計基礎(chǔ)

隨著石油鉆井工業(yè)的不斷發(fā)展，尤其是對螺桿鉆具在直井、定向井中應用數(shù)量的不斷增加，對螺桿鉆具的性能要求也越來越高，如對鉆具的要求已逐漸向大扭矩、大功率、長壽命的方向發(fā)展。另外，各大油田為了節(jié)省鉆井成本，均開始出現(xiàn)螺桿鉆具以租代購的經(jīng)營模式，對鉆具的整體性能要求也更高，租賃出現(xiàn)的時間難以統(tǒng)計，對結(jié)算和鉆具維修保養(yǎng)都帶來了一定的困難。針對油田井隊現(xiàn)場普遍存在的問題，我們從結(jié)構(gòu)設計到各個部件的選擇都進行了相關(guān)的改進。

4　設計開發(fā)的主要內(nèi)容

（1）旁通閥的設計與改進，重新校核旁通閥彈簧的預緊力和變形力。

（2）防掉部分設計由原來的單獨防掉改成防掉與馬達的定子殼體合二為一，減少了一級螺紋連接。

（3）馬達是鉆具的最關(guān)鍵部位，結(jié)合現(xiàn)場使用，目前需要馬達具有大扭矩、長壽命，所以我們充分考慮具體使用條件，在滿足使用的條件下，保證馬達最大的使用壽命，重新對馬達轉(zhuǎn)子進行線性的設計，使線性更合理；滿足轉(zhuǎn)速的情況下增加馬達頭數(shù)，增大馬達輸出扭矩；并根據(jù)不同的泥漿體系，對轉(zhuǎn)子分別進行不同的表面處理；對定子橡膠材料和硫化工藝的改進，使橡膠壽命更長，針對高溫井有耐高溫的橡膠定子。

（4）萬向軸總成部分的設計改進：在固定角度彎殼體的基礎(chǔ)上，開發(fā)設計了各規(guī)格可調(diào)角度的螺桿鉆具；萬向軸形式在花瓣式的基礎(chǔ)上，設計開發(fā)了球式和撓軸式，在各大油田現(xiàn)場使用效果普遍反映球式和撓軸式比花瓣式的更好，壽命更長。彎殼體部分由于鉆進過程中復合鉆進比較普遍，易造成彎殼體的偏磨，所以在彎殼體易磨損部位加焊耐磨帶，增加了耐磨性的同時，也提高了造斜率。

（5）傳動軸總成的設計改進：結(jié)合TC軸承易磨損，為方便更換，改進了TC結(jié)構(gòu)形式；殼體扶正器尺寸與鉆頭之間有一定的關(guān)系，為了滿足與不同的鉆頭之間的適用，設計開發(fā)了可換扶正套的殼體。鉆具使用時間不能準確統(tǒng)計，我們公司在扶正器部位設計開發(fā)了時間統(tǒng)計模塊，每當鉆具提離井底后，由我公司的專業(yè)工程師上井服務的同時，只要把模塊取出，連接數(shù)據(jù)線就能準確讀出鉆具的工作時間，取出和安裝方便，數(shù)據(jù)讀取方便快捷，對于鉆具租賃市場具有很大的可操作性，該技術(shù)已經(jīng)取得發(fā)明和實用新型兩項專利。根據(jù)時間能更好的對鉆具進行維修保養(yǎng)，準確的判定零部件的更換，既降低了維修成本又較好的保證了維修后鉆具的使用壽命。

5　螺桿鉆具總體設計計算

（1）螺桿鉆具的公稱直徑D 據(jù)安全標準來選定螺桿鉆具的最大公稱直徑，安全標準指的是螺桿鉆具在保證打撈作業(yè)及環(huán)空鉆井液沖刷所允許的最大直徑，或井壁與馬達外徑間所許用的安全間隙。

（2）螺桿馬達的設計：確定排量、扭矩、鉆速 螺桿馬達的額定工作力矩應明顯大于臨界破巖力矩，再加上螺桿馬達的機械硬特性，因此可滿足鉆進要求。

綜合諸多因素對破巖效果的影響及工程角度來選擇設計額定力矩。

螺桿鉆具的轉(zhuǎn)速是由鉆頭的類型決定的，配合牙輪鉆頭和金剛石鉆頭有不同的推薦轉(zhuǎn)速。

（3）螺桿鉆具的總長度和結(jié)構(gòu)類型 先初步確定總長后，對各部件詳細設計并進行適當?shù)恼{(diào)整后，才能確定實際總長度。

從螺桿鉆具的造斜能力方面來講，彎角位置離鉆頭越近，其造斜率越高，也就是通常所說的彎點長度L1（L1一般在1400～1500mm）。

結(jié)構(gòu)：選擇單彎，彎角范圍0～3°；可調(diào)角度，范圍0～3°；綜合萬向軸外殼及偏心距等設計要素。

（4）根據(jù)鉆具組合外殼強度及結(jié)構(gòu)要求確定各段的殼體壁厚δ。

確定螺桿馬達定子殼體、萬向軸總成外殼體和傳動軸總成殼體的厚度，其主要依據(jù)是強度原則，另一個依據(jù)是結(jié)構(gòu)因素。根據(jù)其受力情況分析計算，按強度原則確定壁厚δ的最小值，再從結(jié)構(gòu)、工藝方面加以考慮，從而確定各部分課題的壁厚δ。

6　結(jié)語

針對油田井隊現(xiàn)場普遍存在的問題，我們對螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)設計、各個部件的選擇都進行了相關(guān)的改進。希望通過本文的介紹，對于推進螺桿鉆具的進一步改進有所啟發(fā)。

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①趙志剛（1977- ），男，漢族，大學，1999年畢業(yè)于河北科技大學（塑性成形工藝及設備專業(yè)）；研究方向：機械設計與制造；②馮婷婷（1989- ），女，回族，大學，2011年畢業(yè)于大連民族學院（機械設計制造及其自動化專業(yè)）；研究方向：機械設計與制造；③邱煥龍（1986- ），男，漢族，大學，2005年畢業(yè)于天津職業(yè)技術(shù)師范大學（機械維修及檢測技術(shù)教育專業(yè)）；研究方向：機械設計與制造；④王春秀（1975- ），女，漢族，大學，1999年畢業(yè)于中國石油大學（石油工程專業(yè)）；研究方向：機械設計與制造。