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(shè)計(jì)與應(yīng)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?dāng)?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(shè)計(jì)和應(yīng)用。

螺桿鉆具；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

螺桿鉆具，又稱定排量馬達(dá)，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(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，所以自20世紀(jì)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(yīng)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(jìn)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(yīng)用螺桿鉆具進(jìn)行井眼軌道控制作業(yè)，如造斜、糾斜、扭方位，采用導(dǎo)向螺桿鉆具還可以進(jìn)行穩(wěn)斜鉆進(jìn)。

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(jìn)入螺桿鉆具旁通閥總成后，使閥芯關(guān)閉，然后進(jìn)入螺桿鉆具馬達(dá)總成，在馬達(dá)進(jìn)出口處形成一定壓差推動馬達(dá)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(dá)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(dá)總成、萬向軸總成和傳動軸總成五大部分組成。（見下圖）

3　設(shè)計(jì)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(yīng)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(shí)間難以統(tǒng)計(jì)，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(duì)現(xiàn)場普遍存在的問題，我們從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到各個(gè)部件的選擇都進(jìn)行了相關(guān)的改進(jìn)。

4　設(shè)計(jì)開發(fā)的主要內(nèi)容

（1）旁通閥的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，重新校核旁通閥彈簧的預(yù)緊力和變形力。

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

（3）馬達(dá)是鉆具的最關(guān)鍵部位，結(jié)合現(xiàn)場使用，目前需要馬達(dá)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(dá)最大的使用壽命，重新對馬達(dá)轉(zhuǎn)子進(jìn)行線性的設(shè)計(jì)，使線性更合理；滿足轉(zhuǎn)速的情況下增加馬達(dá)頭數(shù)，增大馬達(dá)輸出扭矩；并根據(jù)不同的泥漿體系，對轉(zhuǎn)子分別進(jìn)行不同的表面處理；對定子橡膠材料和硫化工藝的改進(jìn)，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(shè)計(jì)改進(jìn)：在固定角度彎殼體的基礎(chǔ)上，開發(fā)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jìn)過程中復(fù)合鉆進(jìn)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(shí)，也提高了造斜率。

（5）傳動軸總成的設(shè)計(jì)改進(jìn)：結(jié)合TC軸承易磨損，為方便更換，改進(jìn)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(shè)計(jì)開發(fā)了可換扶正套的殼體。鉆具使用時(shí)間不能準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)，我們公司在扶正器部位設(shè)計(jì)開發(fā)了時(shí)間統(tǒng)計(jì)模塊，每當(dāng)鉆具提離井底后，由我公司的專業(yè)工程師上井服務(wù)的同時(shí)，只要把模塊取出，連接數(shù)據(jù)線就能準(zhǔn)確讀出鉆具的工作時(shí)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(shí)用新型兩項(xiàng)專利。根據(jù)時(shí)間能更好的對鉆具進(jìn)行維修保養(yǎng)，準(zhǔn)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(shè)計(jì)計(jì)算

（1）螺桿鉆具的公稱直徑D 據(jù)安全標(biāo)準(zhǔn)來選定螺桿鉆具的最大公稱直徑，安全標(biāo)準(zhǔn)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(dá)外徑間所許用的安全間隙。

（2）螺桿馬達(dá)的設(shè)計(jì)：確定排量、扭矩、鉆速 螺桿馬達(dá)的額定工作力矩應(yīng)明顯大于臨界破巖力矩，再加上螺桿馬達(dá)的機(jī)械硬特性，因此可滿足鉆進(jìn)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(shè)計(jì)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(xì)設(shè)計(jì)并進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整后，才能確定實(shí)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(diǎn)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(shè)計(jì)要素。

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

確定螺桿馬達(dá)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(qiáng)度原則，另一個(gè)依據(jù)是結(jié)構(gòu)因素。根據(jù)其受力情況分析計(jì)算，按強(qiáng)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(duì)現(xiàn)場普遍存在的問題，我們對螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、各個(gè)部件的選擇都進(jìn)行了相關(guān)的改進(jìn)。希望通過本文的介紹，對于推進(jìn)螺桿鉆具的進(jìn)一步改進(jìn)有所啟發(fā)。

［1］蘇義腦.螺桿鉆具的研究與應(yīng)用［M］.北京工業(yè)出版社，2001.

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