螺杆钻具发展现状及钻塞技术

螺杆钻具发展现状及钻塞技术作业一分公司2009年10月目录螺杆钻具发展现状螺杆钻具结构与工作原理螺杆钻具选择及使用注意事项几个现场应用问题的探讨现场应用及经验总结1、国外发展现状。螺杆钻具是目前最广泛使用的一种井下动力钻具,主要用于定向井、水平井的造斜及扭方位施工,一部分也用于直井反扣或侧钻作业中。美国50年代中期开始研制螺杆钻具,1962年用于生产,不同厂家生产的有迪纳钻具（Smith公司）、纳维钻具（Chrisenten公司）和波斯钻具,其基本原理都是基于容积式马达,只是内部结构和技术参数略有不同。至80年代中期,美国的迪纳钻具已发展成两个系列10种规格,纳维钻具有两个系列14种规格。随着配套部件质量的提高,螺杆钻具工作寿命从原来的30-40h,提高到以上100h,1980年在美国俄克拉荷马州创造了连续运转429h的新记录。前苏联1966年开始研制螺杆钻具,到1984年螺杆钻具累计进尺达150*104m,1994年螺杆钻具钻进量占全苏工作量的7.5%。一、螺杆钻具发展现状2、国内发展现状。我国的螺杆钻具生产在80年代中后期才形成一定规模,目前,常规螺杆钻具已规格化系列化,各主要厂家如大港、北京、德州、潍坊的产品已覆盖国内绝大部分市场。某些厂家也已着手研制小径螺杆、铰接螺杆、中空螺杆等一些专用产品,并取得一定的成果,但在工作寿命、易损件耐磨性、特种螺杆的设计制造等方面与国外有一定的差距。在吐哈油田常使用螺杆钻钻水泥塞、对落物鱼头进行整修、用螺杆钻对套管内壁整修（包括磨铣水泥环以及套管壁上的沉积胶结物等）、用螺杆钻磨桥塞（包括磨普通桥塞和注水泥桥塞）、磨铣其它类井下落物。一、螺杆钻具发展现状二、螺杆钻具结构及工作原理1、螺杆钻具的组成。螺杆钻具是典型的容积式马达,它由四大部分组成,即旁通阀、动力段总成转子与定子、万向轴总成、传动轴总成。万向轴总成传动轴总成旁通阀总成2、螺杆钻具的原理1）螺杆钻具液力马达是多级模诺泵的逆用，是一种容积式井下动力钻具。2）将液体压力能转化成机械能。当高压液流从管柱内进入螺杆钻具时，液体迫使旁通阀内的钢球下行并密封旁通阀体筛孔。此时整个管柱便形成高压密封系统,当液体通过转子和定子间组成的连续密封腔时，迫使转子在定子中转动（定子和转子组成了马达）。由于连续不断的泵入液体使转子产生连续的不同心的转动，转子的偏心转矩通过万向联轴节传递给驱动轴，从而带动钻头在井底平稳的工作,实现钻进、磨铣作业。二、螺杆钻具结构及工作原理3、螺杆钻具四大部分的作用二、螺杆钻具结构及工作原理1）旁通阀总成的作用：旁通阀由阀体、阀套、阀芯及弹簧组成，是起下钻作业时井液进出的通道，不循环时，弹簧使阀芯向上，处于开启位置，阀孔打开，循环液可以旁路通过。当泵入循环液后，循环液迫使阀芯向下，关闭阀孔，这种情况下所有循环液流经马达。停泵后，弹簧推动阀芯恢复到原来的位置。旁通阀的闭合与开启控制马达的启动与停止。旁通阀总成二、螺杆钻具结构及工作原理2）马达总成的作用：马达由定子、转子组成。定子是在钢管内壁上压注橡胶衬套而成，其内孔是具有一定几何参数的螺旋；转子是一根有硬层的螺杆，转子与定子相互啮合，用两者的导程差而形成螺旋密封腔，转子在压力液体的驱动下，绕定子轴线旋转完成液体压力能向机械能的转化，为钻头提供动力。马达总成二、螺杆钻具结构及工作原理3）万向轴总成的作用：万向轴的作用是将马达的行星运动转变为传动轴的定轴转动，将马达产生的扭矩及转速传递给传动轴。4）传动轴总成的作用：传动轴的作用是将马达产生的扭矩和转速传递给钻头，同时承受钻压所产生的轴向和径向负荷。二、螺杆钻具结构及工作原理二、螺杆钻具结构及工作原理5）螺杆钻具装配它是通过液体挤压转子与定子之间的密封腔,推动转子自转,经万向轴的转换,把行星转动变为轴心转动,带动钻头旋转,即把液体的液力能通过螺杆转换成机械能。螺杆钻具其转速与液体排量成正比,扭矩与钻压成正比，在排量一定的情况下,钻压增加,扭矩增大,螺杆钻具的压力也随着增加；而未达到临界钻压前,其螺杆转速只是稍有下降。当钻压达到临界钻压时,螺杆钻具制动（转速为零）,泵压大幅度上升。二、螺杆钻具结构及工作原理所处状态下最佳选择的型号井眼尺寸选用的钻具型号追求强度追求最大造斜率综合指标最佳LZ89LZ9551/2″套管(Ф118)LZ105LZ89LZ95LZ1057″套管LZ120LZ10561/8″套管LZ120LZ165LZ17281/2″套管LZ197所处状态下最佳选择的型号井眼尺寸选用的钻具型号追求强度追求最大造斜率综合指标最佳LZ172LZ19795/8″套管LZ203LZ197LZ203LZ210121/4″套管LZ244LZ210171/2″套管LZ244（一）螺杆钻具型号的选择1、常规井眼选择范围（最佳选择）三、螺杆钻具的选择及使用注意事项2、选择的原则1）安全性的原则：在同一井眼其他条件不变的情况下，以钻具刚性强度最大为优选条件，即做到大马拉小车的原则，以确保安全性。如51/2″套管中，可供选择的钻具有LZ89、LZ95、LZ105，其中LZ105为最差选择。2）输出扭矩最大的原则：在同一井眼其他条件不变的情况下，钻具的输出扭矩越大为优选条件，以确保提供足够的滑动钻进的扭矩。3）排量合适的原则：螺杆钻具为容积式马达，其输出转速与排量成正比，在同一排量下，应选择排量合适的钻具，以确保所要求的转速，将马达发挥至最佳状态。三、螺杆钻具的选择及使用注意事项螺杆钻具为容积式马达，其输出转速与排量成正比，在钻进过程中，应根据进尺来优选泵压和钻压，从而获得满意的机械钻速，在钻除过程中应选择中档排量400-500L/min为佳。型号外径mm井眼尺寸mm(in）推荐流量L/s钻头转速r/m水眼压降MPa马达压降MPa工作扭矩N·m最大扭矩kN·m2推荐钻压kN最大钻压kN5LZ9595118-1527－1680-2007.02.4780－1150171025505LZ105105118-1527－1680-2007.02.4780－1150171025505LZ120120149-20010－1680-1607.03.21215－181725606880三、螺杆钻具的选择及使用注意事项(4)考虑适合钻井施工工艺的原则：1）以追求最大造效率为目的，以小钻具为优选。如51/2″套管中为追求最大造斜率，以确保钻具顺利下入套管中，以小尺寸为优选条件。2）以入井安全性和井中环空以及适应合适打捞工具的原则。(5)提高钻具使用寿命的原则：即钻具在使用过程中，应始终处于本身的最佳使用状态的工程中，而不能超负荷运转。三、螺杆钻具的选择及使用注意事项（二）合理配用钻头及水眼◆配用的钻头◆钻头的水眼注意：在井口测试螺杆时,如果没有接钻头,测试时间以不超过一分钟为宜,以免轴承得不到良好润滑而提前损坏。1、钻头与螺杆钻完全匹配2、牙轮钻头也可使用，此时牙轮钻头齿部硬度可比用一般传统钻头、磨鞋选硬一个等级1、过大：螺杆承受钻压的能力下降轴承得不到良好的润滑与冷却2、过小：达到额定泵压时，排量可能过小，马达不易发挥出最大效能。达到额定排量时，系统压力增高，影响轴承寿命三、螺杆钻具的选择及使用注意事项(三)、平衡水力推力与钻压：螺杆钻具工作时轴向存在如下各力：负载状态分析：FΔPm：马达两端压降产生的轴向液压推力FΔPb：钻头水眼压降所产生的轴向力W：钻压F：转子、万向轴、传动轴及钻头重量设向下作用力：C＝F＋FΔPm＋FΔPb则推力轴承负载：Lb＝C－WCW坐井底推力轴承受载CW离井底推力轴承受载C=W轴承不受载（平衡点）轴承不受载时传动轴总成寿命最长。三、螺杆钻具的选择及使用注意事项三、螺杆钻具的选择及使用注意事项(四)、现场使用方法：1、地面检查（1）螺杆钻具在下井前必须进行地面试验，地面试验的时间要尽可能短，只要证实一下钻具是否转动即可，任何必要的延长试验都可能损坏钻具的部件。（2）开泵逐渐提高排量直到旁通阀关闭，看钻头是否转动，此时旁通阀处于“关闭”位置。不应有循环液从旁通孔流出。停泵后注意观察旁通阀是否再次打开，循环液会从旁通孔排出，因此停泵时应注意。2、钻具下入（1）下井前必须探明井底是否有落物，如有落物必须进行打捞，否则无法进行钻进。（2）司钻下钻时，应小心地控制下放速度，以防损坏钻具，如中途遇阻，则应开泵循环或慢慢划眼通过。（3）当下钻相当深时或井温较高时，应周期性地进行中途循环，以防钻具堵塞，或因高温造成定子胶损坏。（4）不可顿钻或将钻具坐在井底。（5）井口必须安装自封封井器，以防井下落物，造成卡钻事故。三、螺杆钻具的选择及使用注意事项3、钻具启动（1）钻具探至塞面后，上提1-2米，可以开泵，由于钻头侧向力的影响，循环压力可能超过计算值。（2）钻塞前应以该钻规定的最小排量充分清洗井底，以消除循环不彻底对扭力的影响。（3）钻头下到井底开始钻进时，应逐步增加压力值和排量，限制该压力增值和排量在所选工具的推荐值范围内，并考虑多种因素的影响，钻具就可以达到最佳的工作状态。（4）控制适当的钻压可以达到最快的钻速。开泵时，钻头应离开井底，待循环畅通后，再慢慢下放加压，不可猛放，钻压过大钻头就会制动，这时应立即提起钻具，重新下放，加上适当的钻压，在操作时应注意避免加过大的钻压，以防损坏马达。三、螺杆钻具的选择及使用注意事项4、钻具钻进（1）螺杆钻具转速高，比起转盘钻，钻头的磨损也较快，通常螺杆钻可以获得与转盘钻相同的进尺。（2）螺杆钻具的使用寿命取决于工作环境，下列情况会缩短寿命，必须加以控制：A、循环系统中的研磨性固相磨屑。B、低闪点液体。C、高温。D、钻头压力降过大。E、排量过大。F、钻压过大。（3）接单根，因岩屑在水中沉降较快，在接单根停泵之前，应适当循环一段时间，建议循环时间应不少于这次停泵到下次开泵的时间，完井后应冲净井内全部杂质。（4）整个钻具工作期间，为了保证扭矩不变，应保持泵压为一常数。5、井内故障排除注意观察泵压的变化，可发现钻进过程中出现的问题。（1）钻具提离井底A、循环压力低于计算值：这种情况通常是由于旁通阀关不上或定子刺坏。B、循环压力高于计算值：这种现象的原因，通常是由于钻具或钻头堵塞，轴承总成卡住，由于小井眼或斜井段钻头侧向力过大，典型情况有：a、无循环，起钻检查。b、部分循环，可能是马达以下部件出现问题。c、完全循环，一般认为钻具负载过大，工作扭矩大于该钻具的推荐值，采取措施：少许提钻，减少压力；改变循环排量。（2）钻具坐在井底A、循环压力低于计算值：这种情况可能是旁通阀打开，油管断裂、井漏等造成，也可能是马达中转子和定子间的密封不良，后一种情况可以通过仔细观察马达的制动点而发现，可遵循下列步骤：a、将钻具提离井底0.3-0.5米并开泵，记录下泵压。b、慢慢将钻具放到井底并逐渐加压。c、泵压达到推荐值时，钻具达到最佳功率值。随着钻压继续增加，钻头处产生的扭矩相应增加，以至超过钻具能提供的功率，使钻具制动。此时无论再增加多少钻压，压力表值亦不再发生变化。d、大部分钻具制动点压力约为正常工作压力的2倍，如果压力尚未能达到钻具离开井底时表压值就轻易制动，一般是马达损坏，应予以更换。B、循环压力高于计算值:通常是钻具或钻头堵塞，轴承卡住，钻头压力太大引起的，可采取如下措施。a、减少钻压。b、将钻头提离井底，若压力仍未下降，说明钻具和钻头被堵塞。四、现场应用几个问题的探讨（一）螺杆钻具的制动扭矩制动扭矩是最大钻压负荷能力的一种表现。了解一种螺杆的制动扭矩,对现场施工相当重要。达到制动扭矩时,钻进不但无进尺,而且泵压大幅度上升,往往会产生憋泵现象,造成机械设备损坏。司钻操作不当,加压不均,经常性地螺杆制动,对螺杆寿命有较大影响,螺杆钻具最薄弱处容易断裂而提前失效。理论上讲,一种螺杆钻具在相同的钻压下,不管排量多大,其输出扭矩是不变的，现场技术人员有时觉得螺杆能力小,进尺慢,加压大又制动,往往提高排量以增加螺杆钻进能力。由于排量提高,螺杆转速随之增大,钻进速度有所提高,但究其主要原因,并不是扭矩产生的效果。由于压降