螺杆钻具使用泥浆过滤器

⑴ 使用螺杆钻具注意事项

使用中的注意事项：
1 、螺杆入井前的检查：（参照使用说明书）
● 串轴承轴向间隙的检测。（主要针对维修螺杆）
● 开泵检查旁通阀是否能够完全关闭。
● 开泵检查螺杆马达是否正常抖动。
● 井之前要做井口试验，记下马达压降。
● 传动轴总成为泥浆润滑，传动轴轴头漏泥浆为正常现象。
2 、使用螺杆的泥浆要求：
● 为了防止螺杆发生偏磨应尽量提高泥浆润滑性 ;
● 必须严格使用固控设备，固相含量不高于 13% ，含沙量低于 0.5%;
● 堵漏材料对螺杆有很大影响，螺杆使用后必须返厂大修。
3 、使用中的注意事项：
● 决定使用螺杆钻进前，建议将螺杆钻具以外的全部钻具螺纹按照规定上紧，以防反扭矩造成倒扣发生。
● 最初加压要缓慢，使钻头与螺杆轻缓的磨合，直到建立起钻井模。
● 排量、钻压要按照使用手册的推荐范围使用；如需要大排量时，可使用中空马达。
● 使用螺杆时要时刻观察泵压变化。
● 钻进时，应尽可能保持恒定的输出流量，使螺杆输出扭矩稳定，便于观察泵压变化。
● 加钻压时要平稳加压，避免螺杆马达频繁憋死，造成螺杆提前损坏，严重时会造成井下事故。
● 螺杆钻 ≤ 压施加原则，一般结合机械钻速，泵压上涨 1-2 兆帕为宜，软地层不能按照此原则施压。（钻进前充分循环泥浆，确认空载泵压）
● 寻找钻压和钻时的最佳结合点，即在一定钻压下钻时较理想，泵压较平稳，钻压表回落较快点。
● 在进行复合钻进时，应严格控制钻盘（顶驱）转速，如转速过快，会使马达和传动轴机构的离心力增大，使寿命缩短。螺杆外壳本体的高速转动还容易造成壳体断裂。

⑵ 如何正确使用螺杆钻具

螺杆钻具的使用方法与故障分析

螺杆钻具是油水井修井中常用的一种钻铣工具，它是以液体压力为动力，驱动井下钻具旋转的工具，可以用来进行钻进、磨铣、侧钻等作业。，由于它一方面对洗井液的要求比较高，另一方面我们在现场施工时，由于操作不当很容易造成螺杆钻具的损坏，这样既影响施工进度，又增加作业费用。为了提高螺杆钻具的使用率，就其原理、操作方法及故障分析做一简单阐述。
一、螺杆钻具的结构
螺杆钻主要由上接头、旁通阀、定子、转子、过水接头、轴承总成及下接头组成。
1、旁通阀的结构与作用
（1）结构：旁通阀主要由本体、阀套、阀芯、弹簧、弹簧挡圈、丝堵、筛板等组成。
（2）作用：a、防止下钻或接单根时因环形空间液体密度较大，液体倒流到钻具内，造成转子倒转及松扣现象。b、防止含钻屑的洗井液进入定子腔内卡死钻具。c、防止钻具内的意外井喷。d、起钻时可泄出钻柱内的洗井液。
2、马达总成的结构与作用
（1）结构：马达总成由定子和转子组成。定子是经过精加工的钢筒内硫化一层具有双头或多头螺旋腔的刚体橡胶套。转子是一根单头或多头螺旋钢轴，用合金钢加工成形后，表面镀一层有利于防腐和耐磨的硬铬，并通过镀铬来控制定子和转子的配合间隙。
（2）作用：以泥浆泵泵入的修井液的液压能驱动转子转动，为钻头破碎岩石提供旋转机械能。马达总成是螺杆钻具的动力源。
3、传动轴总成
传动轴总成是螺杆钻具的重要部件之一，它的寿命决定了螺杆钻具总体寿命。传动轴总成用于传递钻压、扭矩和修井液。
二、螺杆钻具的工作原理
螺杆钻具通过转子和定子将高压液体的能量转变成机械能。当高压液体通过钻具内孔进入钻具后，阀球被推动下移，关闭旁通阀，从而进入转子与定子形成的各个密封腔。液体在各腔中的压力差推动转子沿定子的螺旋通道滚动。转子在沿自身的轴线转动的同时，还绕与转子轴线平行，并与之有一偏差心距e的定子中心线公转。这就是所谓的螺杆钻具的行星传动原理。由于转子和定子都采用螺旋线，因而转子绕定子轴线作逆时针转动，并以自身轴线作顺时针转动去带动钻具旋转。
三、螺杆钻具的使用方法
1、钻具配合
在套管内钻塞时自上而下钻具配合为：钻塞工具+螺杆钻具+提升短节+缓冲短节+井下过滤器+提升短节+油管钻柱
2、井眼及钻具的准备
（1）井眼畅通，保证螺杆钻具顺利下入井底。
（2）处理好洗井液。洗井液要求用清水或无固相（低固相）液体。机械杂质含量不大于0.5﹪，颗粒直径不大于0.3mm。
（3）用油管通井规对所用油管进形通径，防止钻具水眼中的杂物堵塞螺杆钻具或钻头水眼；
3、入井检查
（1）检查螺杆钻旁通阀活塞是否灵活；
（2）开泵。先小排量，然后逐渐增大到正常排量检查旁通阀是否关闭，芯轴转动是否灵活。
（3）上提钻具检查旁通阀关闭情况，一切正常后，方可下钻。
（4）下钻过程中要平稳操作，要控制下放速度，一般10m/min为宜，以防止倒抽赃物堵死钻头和螺杆钻具。下钻途中可适当开泵顶通水眼，但时间不宜过长，或每下500米向钻柱内灌注清洁洗井液一次。
4、钻进操作
（1）下钻至水泥塞面5m开泵，记录循环正常之后的泵压，随后逐渐加压钻进。使用100型螺杆钻具时，钻压应以5-15KN为宜，洗井排量以500-600L/min为宜，最大不得超过1200L/min,待循环正常，转子启动后，缓慢下放钻具至塞面，进行正常钻进。
（2）排量必须保持设计值。
（3）钻进允许最大泵压等于悬空循环泵压与马达压降之和。
（4）在排量一定的条件下，工作压差和钻头扭矩随钻压增大而增加。所以，在钻进过程中可以通过立管压力的变化判断马达和钻头的工作情况。
（5）钻进中要认真掌握钻压和泵压的变化，防止钻压过大而压死钻具。若压死钻具应立即上提钻具，然后减压钻进。
（6）严禁压死循环，以防缩短工具寿命。
（7）每钻完一个单根后，要上提下放划眼两次并循环洗井一周。
4、使用过程中因注意的问题
（1）不得长时间悬空循环，不得压死循环。
（2）钻头遇卡时不得转动管柱，防止螺杆水帽倒扣，芯轴落井。
（3）井口应安装自封封井器，防止小件物品落井。
（4）上水池和回水沉淀池要分开使用，返出的洗井液应沉淀后方可使用。
（5）接单根前及完钻后应充分洗井，使井内无钻屑。
（6）钻进中泵压下降，排除地面因素之外，可能是钻具刺漏、旁通阀孔刺坏或螺杆壳体倒扣，应立即起钻。
（7）钻进中泵压突然升高，可能马达、传动轴卡死或钻头水眼堵，此时不能反洗井，应立即起钻。
四、螺杆钻具使用中的故障与排除方法
异常现象 可能愿因 处理方法

压力表压力突然升高
马达失速
上提钻具0.3-0.6m，核对循环压力，逐步加钻压，压力随之逐步升高，其它参数均正常，可确认是失速问题。
马达、传动轴卡死，钻头水眼堵 钻头提离井底，若压力表读数仍很高，只能提出钻具检查或更换。

压力表压力慢慢升高

钻头水眼被堵
钻头提离井底，检查压力，若压力仍燃高与正常循环压力，可试着改变循环流量或上下移动钻具，若无效，起出修理或更换。
钻头磨损 可继续钻进，细心观察，若仍无进尺，则起出更换。

地层变化
钻具稍稍提起，如果压力与循环压力相同，则起出检查
压力表压力缓慢降低 循环压力损失变化 检查液体流量
管柱损坏 稍提钻具，若压力表读数低于循环压力，则起出检查

没有进尺

地层变化 适当改变钻压和循环率
马达失速 压力表读书增高，钻具提离井底，检查循环压力，小幅增加钻压
旁通阀处于“开”位 压力表读数偏低，稍提钻具，启、停泵车两次仍无效时，则需起出检查旁通阀
钻头损坏 起出换新钻头

⑶ 螺杆钻具的工作原理是什么

螺杆钻具的组成
螺杆钻具主要由旁通阀、液马达、万向轴和传动轴等四大总成组成. 螺杆马达是钻具的主要部件，很多实践和理论分析结果表明，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,否则马达就有漏失。转速很快降低，严重时则完全停止转动，马达损坏。（马达的一个导程为一级） 现场使用的泥浆流量应在推荐的使用范围内，否则将影响马达效率，甚至加大磨损。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，输出转数与输入泥浆流量成正比，随着负荷的增加钻具转数降低，所以只要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。
螺杆钻具的工作原理
螺杆钻具是一种以钻井液为动力，把液体压力能转为机械能的容积式井下动力钻具。当泥浆泵泵出的泥浆流经旁通阀进科马达，在马达的进、出口形成一定的压力差，推动转子绕定子的轴线旋转，并将转速和扭矩通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业。

资料来源：中国石油工具网

⑷ 螺杆钻具技术方案研究

3.1.1 超深井螺杆钻具性能参数优化方案研究

常规螺杆钻具的性能参数对钻进至关重要。同样，超深井螺杆钻具的性能参数关系到超深井的钻井成本甚至超深井的钻井成败。借鉴常规螺杆钻具的性能参数方程，得到超深井条件下的超深井螺杆钻具的性能参数方程如下：

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）

以上式中：A_G为过流面积，mm²；q为每转排量，mm³/r；M为螺杆马达的理论输出扭矩，N·m；n为螺杆马达输出转速，r/s；G为转子所产生的轴向合力，N；F_g为转子转动时产生的离心力，N；v_max为转子与定子间的最大滑动速度，mm/s；L_s为定转子密封线总长度，mm；N为转子头数；E为转子偏心距，mm；r_u为等距半径，mm；T_s为定子导程，mm；h为定转子螺距，mm；k为螺杆马达级数，一般3～6级；ΔP为螺杆马达推荐的每级工作压力，一般取0.6～0.8MPa，在超深井工况下，虽然是高压力情况，但是对于压力降可以保持不变；Q为流经钻具动力系统的液体流量，mm³/s；μ为轴向力系数，其值由实验确定，设计时取1.0～1.1；ρ为转子质量密度，kg/cm³。

从上面的式子中，得出它们是多变量的参数方程。由于相互关系复杂，不是简单的线型关系，中间还涉及诸多的限制条件，要想对涉及上面式子的问题进行参数优化必须采用系统的方法才能解决问题。为此，专门研究一套超深井螺杆钻具的参数优化的方法是有必要的。

超深井螺杆钻具参数优化过程就是一个数学建模，并求解的过程。这个数学模型是限定条件下的多目标函数的极值问题。多目标优化问题必须转化为单目标优化才能解决，这里利用层次分析法将多目标优化问题转换成单目标优化问题。思路是，根据各单目标函数在所构造的总体目标函数中所占的权重，构造一个单目标函数，将多目标函数优化问题转换成单目标函数优化问题。从而最终解决工程实际问题。将上面的方法归纳总结成图3.1。

图3.1 超深井螺杆钻具性能参数优化流程图

利用层次分析法解决超深井螺杆钻具参数优化问题，具体步骤如下：

第一步，建立螺杆钻具参数优化层次结构模型，如图3.2所示。

图3.2 螺杆钻具参数优化层次结构模型

第二步，构造判断矩阵。各方案的评价指标如表3.1所示。

表3.1 螺杆钻具参数优选各方案的评价指标

根据结构模型，建立C层各元素相对O层的比较矩阵：

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）

P层各元素相对C层的成对比较矩阵为：

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）

第三步，我们应用matlab软件求解矩阵A的特征值。具体计算过程略。矩阵A的最大特征值λ_max=5.1561，对应的列向量为，将其归一化：得到对应的归一化特征向量。接下来计算B1，B2，B3，B4，B5的最大特征值，及其对应的归一化特征向量。

B1，B2，B3，B4，B5的最大特征值及其相应的列向量分别为

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）

将其归一化（采用规范列平均法），得：

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）

第四步，我们对其进行一致性检验。

n=4，RI=0.90，代入数值，得到下面的结果：

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）

上述指标具有满意的一致性。

根据层次分析法列表3.2如下：

表3.2 层次分析法螺杆钻具参数优选各参数权重

由上表我们知道，P1，P2，P3，P4分别占权重26.1163%，15.5163%，32.8938%，25.4735%。

下面将利用lingo优化软件，对螺杆马达的相关参数进行优化。

首先将超深井螺杆钻具的参数优化问题建立一个数学模型。超深井螺杆钻具的性能主要和超深井螺杆马达的性能密切相关。为此，只要使螺杆马达的性能达到最优，那么螺杆钻具的性能自然也达到了优化的目的。超深井螺杆马达的性能参数主要是自转转速和输出扭矩。对于过流面积，当马达结构确定之后，过流面积就确定了。根据lingo解题的一般步骤。建立数学模型如下：

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）

约束条件过多，相互之间也可能会出现矛盾；约束条件过少，也可能解不出正确解。为此我们必须合理选择约束条件。具体的解题过程略。

螺杆钻具转子头数与输出扭矩和输出转速之间的关系。通过得到的数据，如表3.3所示。

表3.3 螺杆钻具的输出扭矩及输出转速与螺杆马达转子头数间的关系

为了更加直观的得出马达转子头数与马达输出扭矩和马达转速的关系，制作折线图3.3。由图3.3可以清晰地看出，马达的转子头数越多，马达输出扭矩越大，马达的输出转速越小。

优化后得到的结果是，转子头数为5。经分析，转子头数不是主要因素，转子头数选择多少都是可以的，实际情况是，转子头数从少到多，都有现成的产品应用于钻井现场。充分说明了转子头数不是螺杆马达参数优化的主要因素。这里选用马达转子头数取5的结果。剩下的三个参数，马达偏心距取2.5819mm，等距半径取4.008579mm，转子螺距取46.47916mm，此时得到的马达的输出扭矩为100N·m，马达的输出转速为5.7296r/s。

图3.3 螺杆钻具的输出扭矩及输出转速与螺杆马达转子头数间的关系

转子产生的轴向力为7045.6N，转子离心力离心力为27.6333N，转子与定子间最大滑动速度为1073.8mm/s，定转子副密封线总长度为2011.3mm。得到的值比文献中的优化结果绝大部分都要好。

超深井螺杆钻具的参数优化的结果，得到了符合实际需求的超深井螺杆钻具的结构参数。超深井螺杆钻具的结构参数主要表现形式就是超深井螺杆马达的线型。下面我们将采取生动形象的形式对超深井螺杆马达线型进行系统深入的研究。

超深井螺杆钻具的性能参数优化，涉及超深井螺杆钻具的工作原理、以及实际钻井作业的工况，要解决这个系统的问题，需要的是系统的方法。本章从已有的螺杆钻具的性能参数方程出发，利用层次分析法计算出各目标函数在总目标中所占的权重，构成一个容易解决的单目标函数优化问题，从而利用目标优化软件，得出了最后的结果。并将结果与实际值进行对比，发现，得到的优化结果比较理想。从侧面证明了这种超深井螺杆钻具的性能参数优化方法是切实可行的。

本方法也存在一些不足，层次分析法，需要有丰富的现场工作经验才能准确把握目标函数间的相对作用大小；其次，本优化方法中使用了好几种软件，对操作人员计算机有一定要求。

3.1.2 超深井螺杆马达线型可视化研究

超深井螺杆马达是超深井螺杆钻具的动力机构。超深井螺杆钻具的性能优劣主要取决于动力机构的性能。超深井螺杆马达，由定子和转子组成。如果排除材料及加工工艺对超深井螺杆马达的性能造成的影响，剩下决定超深井螺杆马达优劣的因素主要就是超深井螺杆马达的线型。超深井螺杆马达的线型研究，主要内容是推导出适合超深井钻井作业使用的超深井螺杆马达采用的线型。常规的线型研究方法的思路如图3.4所示：

图3.4 马达线型研究一般方法

这种研究马达线型的方法也成为逆解法。它的精髓在于先找出符合条件的马达线型，通过计算对比，逐步优选，最终找到合适的马达线型。

常规的马达线型，是以动圆在定圆内外滚动形成的骨线，然后将此骨线做等距线。为了使马达线型的生成过程直观形象。利用尺规作图软件几何画板，对各种马达线型进行动态生成。主要是对常规的内摆线马达线型、长幅内摆线线型、短幅内摆线线型以及相应的等距线型和普通外摆线线型、长幅外摆线线型、短幅外摆线线型以及相应的等距线型进行动画演示。从直观上首先判断一下各种线型的优劣。然后将其量化，由定性分析到定量分析，最后得到符合实际使用要求的最合理的马达线型。

普通内摆线等距线型是一种较早应用于实践的线型。普通内摆线等距线型就是在普通内摆线的基础上再作等距线。等距线的作法是，在骨线的基础上任意选择一个点，以该点为圆心，以制定的长度为半径作无数个圆，这些圆的外包络线就是普通内摆线等距线。普通内摆线的骨线方程，可以用参数形式表示如下：

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）

式中：R为导圆半径；r为滚圆半径；θ为导圆滚角。

为了能够得到封闭的具有周期性规律的内摆线，导圆半径和滚圆半径之间必须满足一定的要求。这个要求就是导圆半径必须是滚圆半径的整数倍。为了研究问题的方便，令滚圆半径为1，令导圆半径为N。当N从2取到4的时候，得到的普通内摆线如图3.5所示。

图3.5 各种头数的普通内摆线线型

几何画板是一个基于尺规作图的软件。理论上所有的欧式几何图形都能利用几何画板绘制。几何画板的动画、追踪等功能，为我们更好地理解并把握图形生成过程中元素间的几何关系提供了强有力的手段。

从上图可以看出，上面所有的普通的内摆线都不能作为马达的转子（或定子）的线型，因为在尖角处不够圆滑。为了解决这个问题，我们采用等距线型如图3.6～图3.8所示。我们采用半径为0.5的等距线（等距半径具体取多少，需要经过专门的计算）。

图3.6 内摆线等距线型

图3.7 内摆线等距线型

图3.8 内摆线等距线型

由上面一系列图我们看到，普通内摆线的部分拐点处曲率过大，曲率过大不利于转子在定子中运动时的密封，当把对普通内摆线做等距线之后，明显改善了拐点处的曲率。即，等距线型是螺杆马达线型中非常重要的一种线型。

当我们确定了转子的线型之后，根据马达线型的基本要求，转子和定子线型相互共轭，只要给定转子的行星运动参数，那么就能唯一地确定定子的线型。以普通内摆线作为转子的线型。当给定转子的运动参数之后，对转子的轨迹进行追踪，得到的蓝色曲面的外轮廓线即为该转子对应的共轭定子线型，如图3.9所示。

图3.9 转子做行星运动时跟踪转子轨迹得到的定子线型

图3.10 利用几何画板生成短幅内摆线的动画截图

图3.11 利用几何画板生成长幅内摆线的动画截图

图3.12 利用几何画板生成长幅内摆线等距线的动画截图

通过对内摆线的生成动画化（图3.10～图3.12），我们得出了显而易见的结论，内摆线中能作为马达线型的是普通内摆线等距线型和短幅内摆线等距线型。长幅内摆线及其等距线不能作为马达的线型的候选线型。

外摆线和内摆线形成方式相似，区别在于外摆线滚圆在导圆的外部。外摆线的各种形式如图3.13所示。

图3.13 长幅外摆线型（a）、长幅外摆线等距线型（b）、短幅外摆线型（c）、短幅外摆线等距线型（d）

内摆线和外摆线都有各自的优点，也都有各自的缺点。为了兼有两者的优点，我们采取将二者结合的一种曲线，称为内外摆线法线型。内外摆线法线型是一种分段函数。函数图像是两种曲线的叠加。函数方程是两个方程的叠加。

通过对超深井螺杆马达线型的可视化，当我们选用超深井螺杆马达线型的时候，首先从视觉上就能进行初步的排除，对那些局部打结，存在结构尖角，曲线不连续，不够圆滑的超深井螺杆马达线型首先进行排除。

另外我们可以对所有能够绘制的超深井螺杆马达线型，通过方程驱动，从而在诸如matlab数值软件中得到所有的超深井马达线型曲线的一定密度的数据点。根据这些数据点在cad软件中，绘制出相对精确的超深井螺杆马达线型曲线。或者利用这些数据点在有限元分析软件ansys中建立超深井螺杆马达的平面模型，通过其他操作，拉升，扭转，最终得到符合实际的超深井螺杆马达模型，然后通过设置高温高压的钻井工况，给定钻进参数，对超深井螺杆钻具的核心部件超深井螺杆马达进行超深井钻井模拟。这个工作，是在现实试验条件受限的情况下对超深井螺杆钻具进行系统研究的切实可行的手段。

超深井螺杆钻具和普通螺杆钻具的区别就是高温高压。制约普通螺杆钻具应用于超深井的最主要的因素就是高温。下面章节将着重研究高温条件下螺杆钻具的性能及使用寿命问题。

超深井螺杆马达线型研究是超深井螺杆钻具研究中的重要组成部分。超深井螺杆马达的可视化研究为超深井螺杆马达线型研究提供了形象直观的图像。

首先给出了线型研究的一般方法，超深井螺杆马达的线型研究也遵循此法。接着对各种常见的超深井马达线型进行可视化实现，摆线就是当滚圆在定圆内（或者外）做纯滚动，滚圆上（或者内或者外）一点在这个滚动过程中所形成的轨迹。在实现的过程中，从摆线的形成机理出发，绘制出了所有类型的摆线。通过绘制结果，直观得到线型的优劣，为线型选择提供依据，同时可以看出某些摆线由于打结不能用于制作超深井螺杆马达的线型。

3.1.3 应用于高温高压环境下螺杆钻具的技术措施

（1）预轮廓定子螺杆钻具

预轮廓定子的核心技术是在定子钢体上加工出预轮廓定子线型，使定子橡胶接近等壁厚形状（如图3.14所示），橡胶在拥有刚体骨架后改变了其螺杆钻具的输出性能。

图3.14 常规定子与预轮廓定子图

通常，预轮廓定子螺杆钻具的承压能力比常规螺杆钻具提高50%～100%，表3.4给出相同头数、相同导程且过盈量分别为0.5mm和0.2mm下马达压降台架试验的数值对比。从表3.4数据可以看出，预轮廓定子螺杆钻具承压值远高于普通螺杆钻具，表明他转化压力能为机械能的能力比普通螺杆钻具大得多。

表3.4 相同设计参数的螺杆钻具加压值对比

台架试验表明，在相同设计、同等长度下，预轮廓定子螺杆钻具的输出扭矩比常规螺杆钻具增大约1倍。同时，螺杆钻具的效率也得到了提高。

预轮廓螺杆钻具有利于减少迟滞热的聚集，防止局部升温。螺杆钻具橡胶属于黏弹性材料，在吸收高温泥浆热量的同时，将压力能转化为机械能的变形过程中还不断地产生热量，热量集中在瓣型根部形成迟滞热，迟滞热如果不能及时散去会造成局部升温，进而造成局部橡胶老化，预轮廓橡胶螺杆钻具由于其壁厚相等，散热均匀，所以不容易形成迟滞热。图3.15为预轮廓定子和常规定子温升试验对比图，表明预轮廓定子相对薄的橡胶层产生热更少，热量散失更快，减少了迟滞热生成和定子掉块几率，使螺杆钻具能够工作在更高温度下。

图3.15 常规马达与预轮廓马达定子温升对比图

（2）耐高温定子橡胶

在研制耐高温的定子橡胶配方方面，北京石油机械厂已经取得了重大突破。北京石油机械厂已经成功研制出耐温210 ℃且其他性能未受影响的橡胶配方，并在基础上成功研制出C5LZ172×7.0 Ⅱ-G型耐高温长寿命螺杆钻具，目前该螺杆钻具已经成功应用于6000m深井中，在130 ℃环境下连续工作155h。

超深井螺杆钻具，要求的耐温上限更高。必须寻找耐温值更高的橡胶配方。首先我们从常见的橡胶中选取耐高温橡胶。常用橡胶的物理力学性能如表3.5所示。

表3.5 常用橡胶的种类及性能

从表3.5我们看出，最高使用温度为170℃的丁腈橡胶和丁基橡胶可以首先考虑，井下井况复杂，深井钻进过程中，起下钻具是一件非常浪费时间的事情，为了减小起下钻具的次数，也为了提高经济效益，我们希望井下的螺杆钻具的寿命能够越长越好，这样螺杆钻具中高温情况下使用的瓶颈的橡胶材料就不只是能耐多高温度的问题，而应该详细叙述为长时间工况下耐多少度的高温问题。寻着这个思路出发，发现满足这种要求的是丁基橡胶，它在常用时能够抵抗150℃的高温。将这个温度对应到合适地层，应该是5000m左右。也就是说对于5000m左右的深井我们采用丁基橡胶可以解决这个深度钻井问题。

对于5000～7000m，如果仅仅只是采用丁基橡胶，显然是不能解决问题。目前有一种，增大螺杆钻具的过流面积，采用钻井液降低井底温度新的中空螺杆马达可能是一个比较好的选择。将螺杆马达衬里材料换成丁基橡胶并将螺杆马达的转子制作成中空的形式。可以解决6000m左右的螺杆钻具钻井问题。

氟橡胶具有优异的耐高温、耐氧化、耐油和耐化学药品性，是适合于现代航空航天、导弹、火箭等尖端科技领域及其他工业的特种弹性体。从表3.6可以看出，采用氟橡胶可以进一步提高螺杆钻具的就用井深，但对于12000m的孔深仍有一定差距。

表3.6 氟橡胶主要性能

（3）陶瓷轴承

陶瓷轴承在传动轴的应用。陶瓷球轴承针对国防工业中恶劣环境下的调整、重载、低温、无润滑工况而开发，是新材料、新工艺、新结构的完美结合。将其转化为民用技术，陶瓷轴承可以完全覆盖现在的精密、中速以上全钢轴承的所有应用领域。陶瓷轴承的性能价格比远远优于全钢轴承，寿命可比现在使用的轴承寿命提高3倍以上。与轴承钢性能比较，自重是轴承钢的30%～40%，可减少因离心力产生的动体载荷的增加和打滑。因耐磨，转速是轴承钢的1.3～1.5倍，可减少因高速旋转产生的沟道表面损伤。弹性模量高于轴承钢的1.5倍，受力弹性小，可减少因载荷高所产生的变形。硬度是轴承钢的1倍，可减少磨损。抗压是轴承钢的5～7倍。热膨胀系数小于轴承钢20%。摩擦系数小于轴承钢的30%，可减少因摩擦产生的热量，可减少因高温引起的轴承提前剥落失效。抗拉、抗弯与金属同等。

由于陶瓷轴承具有耐高温、耐寒、耐磨、耐腐蚀、抗磁电、绝缘、无油自润滑、高转速等特性，所以将其应用于螺杆钻具会大幅提高传动轴性能及使用寿命。万向轴与马达定子、转子也是螺杆钻具容易坏的部件，由于转子目前都采用钢材料，钻井时转子大部分重量都压到万向轴及定子塑胶部分，这就使得万向轴、定子塑胶承受压力过大，更容易磨损，转子和万向轴都浸泡在泥浆里，转子也容易被腐蚀。

（4）铝合金转子

铝合金是指以铝为基的总称。主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、钛、铬、锂等。铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。一些铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能、物理性能和抗腐蚀性能。不同牌号的铝合金有不同的用途，根据螺杆钻具的型号及应用情况选择合适的铝合金材料作为马达转子（表面采用镀铬处理），可以有效减轻转子重量，减轻对定子塑胶及万向轴的压力，同时提高转子的耐腐蚀性能，从而提高螺杆钻具马达及万向轴的使用寿命。

（5）高强度连接螺纹

以往设计的螺杆钻具一般首选API螺纹，不同的只是改变螺纹的锥度，但随着钻井深度的增加，钻具的安全性的上扣扭矩越来越大，原来螺纹的上扣扭矩、密封性及采用的材料不能适应新的需要，必须重新考虑螺纹及材料的设计和选型。超深井螺杆钻具螺纹脱扣最容易发生子在螺杆钻具输出最大扭矩的时候，为了避免超深井螺杆钻具脱扣事故的发生，要求司钻平稳送钻，密切关注井底压力变化，始终保持超深井螺杆钻具钻进过程平稳，使超深井螺杆钻具转动时产生的反转扭矩小于螺纹脱扣扭矩的最小值。

⑸ 螺杆钻具的使用方法

螺杆钻具在出厂前，各部件之间的连接螺纹均已涂厌氧胶，并按规定力矩上紧，使用前不需要重新紧扣。
1、下井前地面检查： 用提升短节将钻具提起，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，检查旁通阀的灵活性，方法是用木棒压下阀芯，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钻盘以下开泵，旁通孔封闭，马达启动，驱动接头旋转，停泵后，阀芯复位，泥浆从旁通孔泻出，钻具正常。
2、钻具下入井内 (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。(2)当下入深井段或遇到高温井段时，以及经过流砂层井段时，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座在井底。
3、钻具钻进 (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精度。
4、从井眼中起出并检查钻具 (1)用清水冲洗旁通阀，用木棒上、下活动阀芯，使其能关闭灵活为止。(2)用管钳咬住钻具，用链钳顺时针转动驱动接头，从旁通阀上部注入清水清洗钻具内部，最后向马达内注入少量矿物油。(3)起钻应注意起钻速度，以防卡钻损坏钻具。(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)。
螺杆钻具下井前的地面检查
螺杆钻具下井前的地面检查
1.螺杆钻具除了提升短节与旁通阀连接外，其他部分的壳体连接均涂锁紧剂。
2.用螺杆钻头装卸器把螺杆钻头装上，只许用链钳转动螺杆钻具传动轴头，而且只能逆时针旋转（俯视旋向，下同），以防止内部螺纹松扣。
3.吊起提升短节，把螺杆钻具放入转盘中，把旁通阀置于转盘中易于观察的位置。用卡瓦把螺杆钻具卡牢，卸去提升短节。
4.检查旁通阀：用锤柄或木棒向下压旁通阀芯，从上部向旁通阀注满水，此时旁通阀应不漏，水面无明显下降，然后挪走木棒，阀芯应被弹簧弹起复位，所注水应从侧面各孔均匀流出，即可认为正常。
5.下放后，使旁通阀位于钻杆下方便于观察的地方，开动钻井泵，逐渐提高排量直到旁通阀关闭，上提螺杆钻具，看螺杆钻头是否转动，此时旁通阀处于“关闭”位置。不应有钻井液从旁通孔流出。停泵后注意观察旁通阀是否再次打开，使钻井液从旁通孔排出。泵未完全停止之前，不要把旁通阀提到转盘以上，防止污染井台。
6.按设计的螺杆钻具组合，分别把弯接头、无磁钻铤、稳定器等接好。
把螺杆钻具下到井眼
钻下放螺杆钻具时，需控制下放速度，否则易被井眼中的沙桥、井眼台肩、套管鞋所损坏。如遇到这样的井段，往往需开动钻井泵，慢慢地扩大井眼再通过。
如果用弯接头或弯壳体，螺杆钻头侧面就更易碰上井壁的硬岩层和套管鞋等，要周期性的转动螺杆钻具，以消除侧钻的影响。
对于深井和高温井，下放螺杆钻具时建议周期性地进行中途循环，这样可以防止螺杆钻头堵塞，或因高温造成螺杆钻具定子损坏。
在井内，钻井液若不能迅速通过旁通阀阀口，应减慢下井速度，或不时停下来充灌泥浆，下钻时，注意不可墩钻或将螺杆钻具直接放进井底。
开动螺杆钻具：
如果螺杆钻具处于井底，必须提起0.3-0.4m，开动钻井泵，此时记下立杆压力表读数，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，这是螺杆钻头侧钻引起的。
清理井底：尤其是打斜井，井底必须足够“干净”，因为井底堆积或沉淀的岩屑影响转速或造斜。最好用正常的钻井液循环清理，清理时也可慢慢转动螺杆钻具或螺杆钻具分次转动（每次转动30o-40o），依次地把堆在井底的物体清理干净。清理干净后，再把螺杆钻具上提0.3-0.4m，校对压力值，记录下来。
重新下入井底并逐步加钻压，马达扭矩增加，立杆压力表压值升高，这个升高的压力值应符合各型号螺杆钻具规定的马达压降值，此压力表增大的数值反映了马达的负载是否正常，也反映钻压加的是否合适，因此保持马达转速基本稳定，钻压基本稳定，只要把立杆压力表读数限制在所选螺杆钻具推荐范围内就可以了。它能使司钻及时了解螺杆钻具工作情况。
螺杆钻头不在井底时，如果循环压力高，则可能是螺杆钻头水眼被堵或传动轴被卡死。
起钻：
起钻时，旁通阀处于旁通状态，允许钻柱中的钻井液泻入环空，但是螺杆钻具本身不能排出钻井液，通常在起钻前在钻柱上部注入一段加重钻井液顺利排出。
1.在螺杆钻具提出到旁通阀位置后，卸下旁通阀口上各部件，用清水从旁通阀顶部进行冲洗，然后使用木棒或锤柄等将阀芯按下、松开使其移动无阻。清洗完毕，拧上提升短节，提出螺杆钻具。

⑹ 螺杆钻具的介绍

一、螺杆钻具的介绍 螺旋钻具是一种渐进空腔型容积式孔底动力机，简称螺杆钻。以泥浆、清水为动力介质，通过钻杆中心孔输送到孔底的螺杆钻，实质上是把液体压力能转换为机械能的一种能量转换装置。钻探时，螺杆钻直接带动连接在其孔底传动轴上的岩心管和钻头回转，整个钻杆柱仅作为输送高压工作介质的通道和支撑钻头反扭矩的杆件，不作回转运动。 采用螺杆钻钻探与常规钻探相比有许多优点，如钻杆磨损大幅度下降，钻速高。它是打定向孔的主要器具，在钻探领域已发挥作用。 1955年，美国克利斯坦森矿山钻探制品公司根据莫因诺原理开始研究,于1964年首先取得成功,定名为“戴纳钻”;苏联于70年代初研究成功“凸”型螺杆钻;中国地矿部勘探技术研究所于80年代初研制螺杆钻成功。至今生产螺杆钻的国家有美国、俄罗斯、中国、德国等。 螺杆钻最早是用来打垂直孔，现在主要用来打各种定向孔和特种工程孔（如矿井冻结孔）。最大钻孔深度达9023米。目前世界上螺杆钻最小直径为44.5毫米，最大直径为304.8毫米。利用螺杆钻进行岩心钻探时,应在驱动轴与钻头间加上岩心管采取岩心。
二、螺杆钻具的组成 螺杆钻由旁通阀、螺杆马达（转子和定子）、万向节、轴承和驱动轴几部分组成，其核心是螺杆马达。在螺杆马达转子、定子传动副中,定子齿数Z1比转子齿数Z2多一个:即Z1=Z2+1。它们的齿数比通常称为传动比,设计时,可任意选择(1:2,2:3,...,9:10)。设计高转速的螺杆钻应采用小齿数比螺杆马达，而设计低速大扭矩的螺杆钻应采用大齿数比螺杆马达。随着转子定子齿数比的增大,其效率逐渐趋于下降；螺杆钻的输出扭矩取决于通过马达的工作压力降，输出转速取决于通过螺杆马达工作介质的流量。 钻探时，仍然需要钻探机、泥浆泵、钻杆和钻塔等常规钻探装备。施工定向钻孔时，要借助定向仪给造斜工具定向。与螺杆钻配套使用的造斜工具有弯接头、弯外管和偏心块等。采用螺杆钻施工定向孔能提高钻孔质量，提供精确地质资料节约进尺，降低成本，解决许多无法施工的工程难题，因此它是钻探工程的一种特种工具。 螺杆钻的使用寿命一般为150～200小时，其薄弱环节是定子橡胶耐高温程度低，轴承易损坏。目前正加紧研制与开发用于制造定子的抗磨损耐高温的弹性材料与可靠的轴承系统，从而使螺杆钻的工作寿命得到显著提高。并研制低速大扭矩螺杆以适用于钻深孔和超深孔。 二、螺杆钻具的组成 螺杆钻具主要由旁通阀、液马达、万向轴和传动轴等四大总成组成。 螺杆马达是钻具的主要部件，很多实践和理论分析结果表明，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,否则马达就有漏失。转速很快降低，严重时则完全停止转动，马达损坏。（马达的一个导程为一级） 现场使用的泥浆流量应在推荐的使用范围内，否则将影响马达效率，甚至加大磨损。
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，输出转数与输入泥浆流量成正比，随着负荷的增加钻具转数降低，所以只要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。
三、螺杆钻具的工作原理
螺杆钻具是一种以钻井液为动力，把液体压力能转为机械能的容积式井下动力钻具。 当泥浆泵泵出的泥浆流经旁通阀进入马达，在马达的进出口形成一定的压力差，推动转子绕定子的轴线旋转，并将转速和扭矩通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业。
四、螺杆钻具的使用
螺杆钻具在出厂前，各部件之间的连接螺纹均已涂厌氧胶，并按规定力矩上紧，使用前不需要重新紧扣。
1、下井前地面检查 用提升短节将钻具提起，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，检查旁通阀的灵活性，方法是用木棒压下阀芯，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钻盘以下开泵，旁通孔封闭，马达启动，驱动接头旋转，停泵后，阀芯复位，泥浆从旁通孔泻出，钻具正常。
2、钻具下入井内 (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精度。 4、从井眼中起出并检查钻具
(1)用清水冲洗旁通阀，用木棒上、下活动阀芯，使其能关闭灵活为止。 (2)用管钳咬住钻具，用链钳顺时针转动驱动接头，从旁通阀上部注入清水清洗钻具内部，最后向马达内注入少量矿物油。 (3)起钻应注意起钻速度，以防卡钻损坏钻具。 (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)。
五、螺杆钻具的优缺点
1、优点
①冲击和剪切双重作用破岩，既有牙齿的冲击又有滑动引起的剪切，破岩效率高。 ②适应地层范围广，适合在所有地层中钻进。③钻头自洗效果好，不容易泥包。④钻头成本较低。
2、缺点： ①由于轴承的寿命和牙齿耐磨性的限制，钻头寿命相对较低；②由于存在薄弱环节（如轴承密封与锁紧部位），经常会造成牙轮脱落，造成钻井事故；③由于轴承在高转速下寿命较低，因此牙轮钻头不适合高转速，一般适合在200转/分以下。④在高温条件下，钻头密封和润滑系统容易损坏，因而不适合高温地层。 ⑤在小井眼中由于牙轮尺寸受到限制，寿命很低，因此不适合小井眼钻井。 ⑥所需钻压相对较高，不适合在易斜地层使用。

⑺ 请问螺杆泵与螺杆钻具是相同的概念吗或者两者是否指同一东西

可以说两个相反的概念，更不可能是同一样东西首先螺杆泵螺杆钻具的原理。螺杆泵的工作原理是：螺杆泵工作时，液体被吸入后就进入螺纹与泵壳所围的密封空间，当主动螺杆旋转时，螺杆泵密封容积在螺牙的挤压下提高螺杆泵压力，并沿轴向移动。由于螺杆是等速旋转，所以液体出流流量也是均匀的。
螺杆钻具是一种渐进空腔型容积式孔底动力机（PDM），简称螺杆钻，以泥浆、清水为动力介质，把液体压力能转为机械能的容积式井下动力钻具。当泥浆泵泵出的泥浆流经旁通阀进入马达，在马达的进出口形成一定的压力差，推动转子绕定子的轴线旋转，并将转速和扭矩通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业。

⑻ 螺杆钻具的简介

一种渐进空腔型容积式孔底动力机，简称螺杆钻。以泥浆、清水为动力介质，通过钻杆中心孔输送到孔底的螺杆钻，实质上是把液体压力能转换为机械能的一种能量转换装置。钻探时，螺杆钻直接带动连接在其孔底传动轴上的岩心管和钻头回转，整个钻杆柱仅作为输送高压工作介质的通道和支撑钻头反扭矩的杆件，不作回转运动。采用螺杆钻钻探与常规钻探相比有许多优点，如钻杆磨损大幅度下降，钻速高。它是打定向孔的主要器具，在钻探领域已发挥作用。
1955年，美国克利斯坦森矿山钻探制品公司根据莫因诺原理开始研究,于1964年首先取得成功,定名为“戴纳钻”;苏联于70年代初研究成功“凸”型螺杆钻;中国地矿部勘探技术研究所于80年代初研制螺杆钻成功。至今生产螺杆钻的国家有美国、俄罗斯、中国、德国等。
螺杆钻最早是用来打垂直孔，主要用来打各种定向孔和特种工程孔（如矿井冻结孔）。最大钻孔深度达9023米。目前世界上螺杆钻最小直径为44.5毫米，最大直径为304.8毫米。利用螺杆钻进行岩心钻探时,应在驱动轴与钻头间加上岩心管采取岩心。
螺杆钻由旁通阀、螺杆马达（转子和定子）、万向节、轴承和驱动轴几部分组成，其核心是螺杆马达。在螺杆马达转子、定子传动副中,定子齿数Z1比转子齿数Z2多一个:即Z1= Z2+1。它们的齿数比通常称为传动比,设计时,可任意选择(1:2,2:3,...,9:10)。设计高转速的螺杆钻应采用小齿数比螺杆马达，而设计低速大扭矩的螺杆钻应采用大齿数比螺杆马达。随着转子定子齿数比的增大,其效率逐渐趋于下降；螺杆钻的输出扭矩取决于通过马达的工作压力降，输出转速取决于通过螺杆马达工作介质的流量。
钻探时，仍然需要钻探机、泥浆泵、钻杆和钻塔等常规钻探装备。施工定向钻孔时，要借助定向仪给造斜工具定向。与螺杆钻配套使用的造斜工具有弯接头、弯外管和偏心块等。采用螺杆钻施工定向孔能提高钻孔质量，提供精确地质资料，节约进尺，降低成本，解决许多无法施工的工程难题，因此，它是钻探工程的一种特种工具。
螺杆钻的使用寿命一般为150～200小时，其薄弱环节是定子橡胶耐高温程度低，轴承易损坏。加紧研制与开发用于制造定子的抗磨损耐高温的弹性材料与可靠的轴承系统，从而使螺杆钻的工作寿命得到显著提高。并研制低速大扭矩螺杆以适用于钻深孔和超深孔。

⑼ 螺杆钻具的使用要求

1、钻井液要求：螺杆钻具对于各种泥浆都能有效地工作，包括油基泥浆、乳化泥浆和粘土泥浆，甚至清水等。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。泥浆中的砂粒等杂质会影响钻具性能，加速轴承和马达定子的磨损，因此泥浆中含砂量必须控制在1%以下。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。
2、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，一般取每次接单根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将增加泵压，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。

⑽ 螺杆钻具所用钻井液含沙量不大于多少

一般类型的钻井液 不大于0.2%就可以