【修井】钻修螺杆钻具的工作原理及操作保养
用 途
螺杆钻具以液体压力为动力，驱动井下钻具旋转的工具，可用来进行钻进、磨铣、侧钻等作业。
螺杆钻具的工作原理
螺杆钻具是一种以钻井液为动力，把液压能量转为机械能的一种容积式井下动力钻具。当泥浆泵泵出的压力泥浆流经旁通阀，流压使旁通阀关闭，进而流进马达，在马达的进出口形成一定的压力差，推动转子绕定子轴线公转和自转，并将转速和扭矩通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井、修井作业。
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。
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。
②液力马达总成
它是由单螺杆转子和定子组成。转子是一根经过机械加工，表面镀有抗腐耐磨镀层的Ｘ头螺杆。定子外壳是合金钢内腔壁压注粘牢的Ｘ＋１头的内螺旋橡胶衬套组成的。转子和定子的形状和尺寸应保证啮合关系，这些啮合点沿轴向导程形成马达的密封空腔，随着转子在定子中螺旋转动。当具有一定能量的钻井液通过时，空腔沿着轴向下移。
上部入口不断产生、下部出口逐步消失，完成其能量转换，从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。
螺杆马达的性能参数是螺杆钻具的主要性能参数。马达的理论输出扭矩和马达压降成正比，输出转速与输入泥浆流量成正比，随着负荷的增加钻具转速降低，所以只有控制地面上的压力表的读数和泵的流量，就能控制井下钻具的扭矩和转速。
③万向轴总成
它是由花瓣套、中间接头、钢球等零件组成，上连接转子，下接传动轴。它的作用是将马达的行星运动的机械性能传递给传动轴的一种专用连接件。
钻具使用后，应立即拆卸，检查万向轴的磨损情况，如超过维修标准要求，则应更换相关零件，否则会因万向轴的使用过度导致断裂使钻具无法正常工作。
④传动轴总成
传动轴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而设置的部件，钻具传动轴总成有两种：
A、钻头水眼压降为3.5Mpa，传动轴总成两端采用滚针轴承定向，中间推力球轴承承压的结构。
B、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。
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。
螺杆钻具的型号说明
例：5LZ165×7.0表示为转子头数与定子头数为5：6的，外径为Φ165mm的螺杆钻具，钻头水眼压降为7.0Mpa。
钻具的主要性能参数
使用须知
1）井场修井、钻井技术人员和司钻必须了解钻具的结构原理和使用参数。按使用说明书的要求合理使用钻具。
2）对钻井液要求：螺杆钻具的马达为容积式，决定钻具性能的因数是马达的输入流量和作用于两端的压力降，而不是钻井液的类型。钻井液的物理化学性能除个别有损钻具的寿命外，一般不影响钻具的性能。但钻井液所含的各种硬颗粒必须予以限制，因为它会加速轴承、定子马达的磨损，而降低钻具的使用寿命。因此泥浆中含砂量必须控制在0.5%以下。
泥浆粘度和比重对钻具的影响很小，但对整个系统的压力有直接影响，如果推荐排量下的压力大于额定泵压值，就得减少泥浆排量，或者有必要降低通过钻具和钻头的压力降。每种型号的钻具都有自身的输入流量范围，只有在此范围内钻具才能有较高的效率，一般应取输入流量范围的中间值为最佳输入流量值。
3）泥浆压力要求：
钻具悬空时，排量不变，则通过钻具的泥浆压力降也不变，随着钻头接触井底钻压增加时，泥浆循环压力增加，泵压也增加，司钻可用以下公式来控制操作：
打钻泵压＝循环泵压＋钻具负载压降
循环泵压就是钻具没有接触井底时泵压，也叫离底泵压，钻具加大扭矩，泵压就要上升，这时压力表的读数就叫打钻泵压。离底泵压不是一个常数，它随井深和泥浆的特性变化而变化，但实际操作中，无必要随时测取循环泵压的精度值，一般取每次接触后的离底泵压为近似值，这样做完全可以满足公式的精度要求。
钻具在工作中，打钻泵压达到最大推荐压力时，钻具产生最佳扭矩。继续增加钻压，当超过最大设计压力时，马达可能会制动，此时应立即降低钻压，以防钻具内部损坏。
4）扭矩：
钻具的扭矩与泥浆流经马达产生的压力降成正比，转速与输入排量成正比。排量一定时，扭矩增加而转速基本保持不变，钻具从空载到满载速度降低一般不超过10%左右。
使用方法
在选择钻具及其组合方案时，应制定修井、钻井的作业计划，充分考虑井眼轨迹、钻头类型、规格、地层结构和水力计算等细节。螺杆钻具在出厂前，各部件之间的螺纹均已涂厌氧胶，并按规定力矩上紧，使用前不需要重新紧扣。
1）钻具下井前的地面检查：
①钻具除提升短节与旁通阀连接外，其它部分的壳体均涂以厌氧胶。
②用钻头装卸器把钻头装上，只允许用链钳转动钻具的传动轴头，而且只能逆时针旋转以防内部螺纹松扣。
③吊起提升短节，将钻具放入转盘卡瓦内，使旁通阀位于转盘之上，装上安全卡瓦，卸去提升短节。
④检查旁通阀的灵活性：用木棒压下阀芯，然后松开，阀芯在弹簧力的作用下，恢复正常，反复压下3-5次，阀芯无卡阻，运动灵活，接着将钻具旁通孔部位下到转盘以下开泵，旁通孔封闭，马达启动，驱动接头旋转；停泵后阀芯复位，泥浆从旁通阀孔泻出，钻具正常。
2）钻具下放入井内：
①钻具下井时，严格控制下放速度，以防过快时马达倒转，使内部连接丝扣脱扣，同时防止在通过砂桥、套管鞋等处撞坏钻具。防止操作中移扣，装卸过程中应牢记：钻头接头相对于壳体的旋向为逆时针方向。违反此项规定，如反向转动转盘或用转盘旋紧马达以上的扣等，就会造成钻具内部零件的松扣或脱扣，请用户注意。
②当下入深井段或遇到高温井段时，以及经过砂层井段时，应定期循环泥浆冷却钻具，保护定子橡胶，防止砂堵。
③钻具接近井底时要放慢速度，提前循环后再继续下钻，循环先小排量，待井口返出泥浆后，再加大排量。
④不允许顿钻或将钻具坐在井底。
3）钻具开动：
①如果处于井底必须提起0.3-0.6m，开动钻井泵。此时应记下压力表读数，与计算的压力值对比一下，如果超过水力计算的压力数值也是正常的，这是钻头侧钻引起的。
②清理井底，井底必须足够的“干净”，因为井底堆积或沉淀的岩屑影响转速。
4）钻具的钻进：
①钻具钻进前应充分清洗井底，并测循环泵压。
②开始钻进时应缓慢加钻压，待正常钻进时，司钻可用下列公式控制操作：
打钻泵压＝循环泵压＋钻具负载压降
③开始钻进，钻进速度不宜太快，此时钻具和钻头都很紧，井底尚未清洗，易产生钻头泥包。
④钻具产生的扭矩与马达的压力降成正比，因此增大钻压就能增大扭矩。
⑤均匀送钻能保证井段的曲线光滑和定向经度。
5）从井眼中起钻并检查钻具：
①起钻时，旁通阀处于打开位置，允许钻柱中的钻井液泻入环空，但是钻具本身不能排除井液，通常在起吊钻前在钻柱上部注入一段加重钻井液，使其顺利排出。
②起钻应注意起钻速度，以防卡钻损坏钻具。
③钻具提到旁通阀位置后，卸下旁通阀口上的各部件，先用清水冲洗旁通阀顶部，再用木棒或锤柄将阀芯按下、松开、使上、下活动无卡阻。清洗完毕，拧上提升短节，提出钻具。
④测量钻具的轴承间隙，如轴承间隙超过最大允差，应对钻具进行维修，更换新轴承（对于修井钻则应调整轴承的轴向间隙）。
⑤卸下钻具，从传动轴孔中冲洗钻头，将传动轴水帽及轴承清洗干净，然后平放钻具，正常维护保养待用。
若暂停使用或长时间搁置不用，建议向钻具内注入少量矿物油防锈（不能加入柴油）。
钻具的故障分析
如上所述，钻井液循环压力变化反映在立杆压力表上，它可以帮助现场人员辨别井底发生情况和问题。事实证明：正确的判断可以节省大量起下钻所耗费的时间和成本。综合钻具使用过程中的各种因素，归纳为下表，供用户参考。
钻具故障分析表：
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异常现象 |
可能原因 |
判断及处理方法 |
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压力表压力突然升高 |
马达失速 |
钻具上提0.5m左右，核对循环压力，逐步加钻压，压力表逐步升高，均正常，说明马达曾有失速。 |
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马达、传动轴卡死，钻头水眼被堵 |
钻具提离井底，压力表读数仍很高，应起出钻具检查或更换钻头。 |
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压力表压力慢慢地增高（不是随井深或井温正常增加的正常压降） |
钻头水眼被堵 |
钻具提离井底，检查压力，如果压力仍然高于正常循环压力，可试着改变循环流量或上下移动钻杆，如无效，只能起出钻具检查、维修。 |
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钻头磨损 |
可以继续钻进，细心观察，仍无进尺，只能取出更换。 |
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地层变化 |
把钻具稍稍提起，如果压力与循环压力相同，则可继续工作。 |
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压力表压力缓慢降低 |
循环压力损失变化 |
检查泥浆（井液）流量 |
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钻杆损坏 |
稍提钻具，压力表读数低于循环压力，适当加大泵压后，仍无效果，起出井眼检查。 |
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没有进尺 |
马达失效 |
压力表读数增高，钻具提离井底，检查循环压力，由小钻压逐步增大钻压。 |
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旁通阀处于“开位” |
压力表读数偏低，稍提钻具，启、停泥浆泵两次仍无效，则需检查或更换旁通阀。 |
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万向节损坏 |
常伴有压力波动，稍提起钻具，压力波动范围小些，起出钻具，检查更换。 |
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钻头磨损 |
重新更换新钻头。 |
钻具的维修保养
钻具的使用寿命，除决定于精心设计、精密制造等因素外，正确的使用，加强维修保养也是一个很重要的环节。对于每用完一次井的钻具都应进行认真的井口保养，对于轴承间隙超过最大公差的，应送回维修站拆检。
1）钻具拆卸
①使用后，经技术人员确定钻具发生故障，不能下井使用，送维修站应立即拆检维修。
②拆检时应先熟悉钻具结构，按顺序和要求拆卸。
③钻具的拆装，分壳体与内部传动联接两部分。因万向轴壳体和马达传动轴壳体螺纹联接处、万向轴和转子、传动轴水帽螺纹处，均涂有厌氧胶，拆卸时，不可随意加大扭矩卸扣，应把联接处用喷灯加热至250-300℃后，迅速卸开，并用钢丝刷及时清除螺纹处的残余粘接剂。
④拆卸前，除准备好所用工具外，一定要做好记录，内容包括：钻具编号、使用单位、进尺数、运转时间、使用井深、井温、轴向间隙、送修原因等。
2）旁通阀总成的维修保养：
①清洗检查每一个零部件，零件出现沟槽、咬伤、镀层剥落等应更换零件，更换所有“O”型密封圈。
②筛网孔出现冲蚀现象应更换旁通阀。
③弹簧使用100小时后应更换。
④装配零件表面应涂上黄油，装配后应活动阀芯数次，不得有卡阻现象。
3）马达部件的维修保养：
①拆出转子、清洗定子内腔及螺纹表面。
②检查定子橡胶是否有脱胶、剥离等现象，若发现定子橡胶脱胶产生剥落并有较多沟槽时，应更换定子。
③检查转子表面镀层是否有剥落、生锈、起波、沟槽等现象，如发现应予更换。
④清洗检查后，应在转子表面涂上黄油，并装入定子内，将马达部件倾斜30°进行漏失量及转矩的试验，确定该马达是否需重新选配。
4）传动轴部件的维修保养：
①经测量如轴承间隙超过规定值或滚道出现明显沟槽、麻点、边缘剥落或任何一排钢球碎裂，应更换整套多列推力向心球轴承组。
②严禁新旧钢球混用和使用未经筛选的钢球组。
③检查上、下径向轴承的内外圈，表面如有焊层产生剥落，合金块严重损坏或直径磨小1mm以上，应更换新的径向轴承。
④检查传动轴，如发现表面有沟槽、裂纹现象，应更换新的传动轴。
5）钻具的组装：
将检修后的旁通阀、马达、万向轴、传动轴四大部件分别装配后，按顺序把外壳和内部传动件联接，再清洗螺纹、涂厌氧胶，保证传动轴间隙等工序完成后，再按规定扭矩旋紧。
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