螺桿鑽具

Screw drilling tool

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一種漸進空腔型容積式孔底動力機，簡稱螺桿鑽。以泥漿、清水為動力介質，通過鑽桿中心孔輸送到孔底的螺桿鑽，實質上是把液體壓力能轉換為機械能的一種能量轉換裝置。鑽探時，螺桿鑽直接帶動連接在其孔底傳動軸上的岩心管和鑽頭迴轉，整個鑽桿柱僅作為輸送高壓工作介質的通道和支撐鑽頭反扭矩的桿件，不作迴轉運動。採用螺桿鑽鑽探與常規鑽探相比有許多優點，如鑽桿磨損大幅度下降，鑽速高。它是打定向孔的主要器具，在鑽探領域已發揮作用。

1955年，美國克利斯坦森礦山鑽探製品公司根據莫因諾原理開始研究，於1964年首先取得成功，定名為“戴納鑽”;蘇聯於70年代初研究成功“凸”型螺桿鑽；中國地礦部勘探技術研究所於80年代初研製螺桿鑽成功。至今生產螺桿鑽的國家有美國、俄羅斯、中國、德國等。

螺桿鑽最早是用來打垂直孔，主要用來打各種定向孔和特種工程孔（如礦井凍結孔）。最大鑽孔深度達9023米。目前世界上螺桿鑽最小直徑為44.5毫米，最大直徑為304.8毫米。利用螺桿鑽進行岩心鑽探時，應在驅動軸與鑽頭間加上岩心管採取岩心。

螺桿鑽由旁通閥、螺桿馬達（轉子和定子）、萬向節、軸承和驅動軸幾部分組成，其核心是螺桿馬達。在螺桿馬達轉子、定子傳動副中，定子齒數Z1比轉子齒數Z2多一個：即Z1= Z2+1。它們的齒數比通常稱為傳動比，設計時，可任意選擇(1:2,2:3,...,9:10)。設計高轉速的螺桿鑽應採用小齒數比螺桿馬達，而設計低速大扭矩的螺桿鑽應採用大齒數比螺桿馬達。隨著轉子定子齒數比的增大，其效率逐漸趨於下降；螺桿鑽的輸出扭矩取決於通過馬達的工作壓力降，輸出轉速取決於通過螺桿馬達工作介質的流量。

鑽探時，仍然需要鑽探機、泥漿泵、鑽桿和鑽塔等常規鑽探裝備。施工定向鑽孔時，要藉助定向儀給造斜工具定向。與螺桿鑽配套使用的造斜工具有彎接頭、彎外管和偏心塊等。採用螺桿鑽施工定向孔能提高鑽孔質量，提供精確地質資料，節約進尺，降低成本，解決許多無法施工的工程難題，因此，它是鑽探工程的一種特種工具。

螺桿鑽的使用壽命一般為150～200小時，其薄弱環節是定子橡膠耐高溫程度低，軸承易損壞。加緊研製與開發用於製造定子的抗磨損耐高溫的彈性材料與可靠的軸承系統，從而使螺桿鑽的工作壽命得到顯著提高。並研製低速大扭矩螺桿以適用於鑽深孔和超深孔。

螺桿鑽具主要由旁通閥、液馬達、萬向軸和傳動軸等四大總成組成。螺桿馬達是鑽具的主要部件，很多實踐和理論分析結果表明，如欲使馬達正常有效地工作，每級馬達所能承受的壓降以不超過0.8Mpa為宜，否則馬達就有漏失。轉速很快降低，嚴重時則完全停止轉動，馬達損壞。（馬達的一個導程為一級）現場使用的泥漿流量應在推薦的使用範圍內，否則將影響馬達效率，甚至加大磨損。螺桿馬達的性能參數是螺桿鑽具的主要性能參數。馬達的理論輸出扭矩和馬達壓降成正比，輸出轉數與輸入泥漿流量成正比，隨著負荷的增加鑽具轉數降低，所以只要控制地面上的壓力表的讀數和泵的流量，就能控制井下鑽具的扭矩和轉速。

旁通閥由閥體、閥套、閥芯及彈簧等部件組成，在壓力作用下閥芯在閥套中滑動，閥芯的運動改變了液體的流向，使得旁通閥有旁通和關閉兩個狀態：在起、下鑽作業過程中，閥套與閥體通孔未閉和，旁通閥處於旁通狀態，使鑽柱中泥漿繞過馬達進入環空；當泥漿流量和壓力達到標準設定值時，閥芯下移，關閉旁通閥孔，此時泥漿流經馬達，把壓力能轉變成機械能。當泥漿流量值過小或停泵時，彈簧把閥芯頂起，旁通閥孔處於開啟位置--處於旁通狀態。

馬達由定子、轉子組成。定子是在鋼管內壁上壓注橡膠襯套而成，其內孔是具有一定幾何參數的螺旋；轉子是一根有硬層的螺桿。轉子與定子相互嚙合，用兩者的導程差而形成螺旋密封腔，以完成能量轉換。馬達轉子的螺旋線有單頭和多頭之分。轉子的頭數越少，轉速越高，扭矩越小；頭數越多，轉速越低，扭矩越大。

萬向軸的作用是將馬達的行星運動轉變為傳動軸的定軸轉動，將馬達產生的扭矩及轉速傳遞給傳動軸至鑽頭。萬向軸多採用撓軸式。

傳動軸的作用是將馬達的旋轉動力傳遞給鑽頭，同時承受鑽壓所產生的軸向和徑向負荷。我公司製造的鑽具傳動軸結構(如圖7所示)已申請國家專利，具有壽命更長、承載能力更高等諸多優點。

1、鑽井液要求：螺桿鑽具對於各種泥漿都能有效地工作，包括油基泥漿、乳化泥漿和粘土泥漿，甚至清水等。泥漿粘度和比重對鑽具的影響很小，但對整個系統的壓力有直接影響，如果推薦排量下的壓力大於額定泵壓值，就得減少泥漿排量，或者有必要降低通過鑽具和鑽頭的壓力降。泥漿中的砂粒等雜質會影響鑽具性能，加速軸承和馬達定子的磨損，因此泥漿中含砂量必須控制在1%以下。每種型號的鑽具都有自身的輸入流量範圍，只有在此範圍內鑽具才能有較高的效率，一般應取輸入流量範圍的中間值為最佳輸入流量值。

2、泥漿壓力要求：鑽具懸空時，排量不變，則通過鑽具的泥漿壓力降也不變，隨著鑽頭 接觸井底鑽壓增加時，泥漿循環壓力增加，泵壓也增加，司鑽可用以下公式來控制操作：打鑽泵壓=循環泵壓+鑽具負載壓降 循環泵壓就是鑽具沒有接觸井底時泵壓，也叫離底泵壓，鑽具加大扭矩，泵壓就要上升，這時壓力表的讀數就叫打鑽泵壓。離底泵壓不是一個常數，它隨井深和泥漿的特性變化而變化，但實際操作中，無必要隨時測取循環泵壓的精度值，一般取每次接單根后的離底泵壓為近似值，這樣做完全可以滿足公式的精度要求。鑽具在工作中，打鑽泵壓達到最大推薦壓力時，鑽具產生最佳扭矩繼續增加鑽壓將增加泵壓，當超過最大設計壓力時，馬達可能會制動，此時應立即降低鑽壓，以防鑽具內部損壞。

螺桿鑽具在出廠前，各部件之間的連接螺紋均已塗厭氧膠，並按規定力矩上緊，使用前不需要重新緊扣。

1、下井前地面檢查：用提升短節將鑽具提起，入轉盤卡瓦內，使旁通閥位於轉盤之上，裝上安全卡瓦，卸去提升短節，檢查旁通閥的靈活性，方法是用木棒壓下閥芯，然後鬆開，閥芯在彈簧力的作用下，恢復正常，反覆壓下3-5次，閥芯無卡阻，運動靈活，接著將鑽具旁通孔部位下到鑽盤以下開泵，旁通孔封閉，馬達啟動，驅動接頭旋轉，停泵后，閥芯複位，泥漿從旁通孔瀉出，鑽具正常。

2、鑽具下入井內 (1)鑽具下井時，嚴格控制下放速度，以防過快時馬達倒轉，使內部連接絲扣脫扣，同時防止在通過砂橋、套管鞋等處撞壞鑽具。(2)當下入深井段或遇到高溫井段時，以及經過流砂層井段時，應定期循環泥漿冷卻鑽具，保護定子橡膠，防止砂堵。(3)鑽具接近井底時要放慢速度，提前循環后再繼續下鑽，循環先小排量，待井口返出泥漿后，再加大排量。(4)不允許頓鑽或將鑽具座在井底。

3、鑽具鑽進 (1)鑽具鑽進前應充分清洗井底，並測循環泵壓。(2)開始鑽進時應緩慢加鑽壓，待正常鑽進時，司鑽可用下列公式控制操作：打鑽泵壓=循環泵壓+鑽具負載壓降 (3)開始鑽進，鑽進速度不宜太快，此時鑽具和鑽頭都很緊，井底尚未 清洗，易產生鑽頭泥包。(4)鑽具產生的扭矩與馬達的壓力降成正比，因此增大鑽壓就能增大扭矩。(5)均勻送鑽能保證井段的曲線光滑和定向精度。

4、從井眼中起出並檢查鑽具 (1)用清水沖洗旁通閥，用木棒上、下活動閥芯，使其能關閉靈活為止。(2)用管鉗咬住鑽具，用鏈鉗順時針轉動驅動接頭，從旁通閥上部注入清水清洗鑽具內部，最後向馬達內注入少量礦物油。(3)起鑽應注意起鑽速度，以防卡鑽損壞鑽具。(4)測量鑽具的軸承間隙，如軸承間隙超過最大允差，應對鑽具進行維修，更換新軸承(對於修井鑽則應調整軸承的軸向間隙)。

螺桿鑽具下井前的地面檢查

螺桿鑽具下井前的地面檢查

1.螺桿鑽具除了提升短節與旁通閥連接外，其他部分的殼體連接均塗鎖緊劑。

2.用螺桿鑽頭裝卸器把螺桿鑽頭裝上，只許用鏈鉗轉動螺桿鑽具傳動軸頭，而且只能逆時針旋轉（俯視旋向，下同），以防止內部螺紋松扣。

3.吊起提升短節，把螺桿鑽具放入轉盤中，把旁通閥置於轉盤中易於觀察的位置。用卡瓦把螺桿鑽具卡牢，卸去提升短節。

4.檢查旁通閥：用錘柄或木棒向下壓旁通閥芯，從上部向旁通閥注滿水，此時旁通閥應不漏，水面無明顯下降，然後挪走木棒，閥芯應被彈簧彈起複位，所注水應從側面各孔均勻流出，即可認為正常。

5.下放后，使旁通閥位於鑽桿下方便於觀察的地方，開動鑽井泵，逐漸提高排量直到旁通閥關閉，上提螺桿鑽具，看螺桿鑽頭是否轉動，此時旁通閥處於“關閉”位置。不應有鑽井液從旁通孔流出。停泵后注意觀察旁通閥是否再次打開，使鑽井液從旁通孔排出。泵未完全停止之前，不要把旁通閥提到轉盤以上，防止污染井台。

6.按設計的螺桿鑽具組合，分別把彎接頭、無磁鑽鋌、穩定器等接好。

把螺桿鑽具下到井眼

鑽下放螺桿鑽具時，需控制下放速度，否則易被井眼中的沙橋、井眼台肩、套管鞋所損壞。如遇到這樣的井段，往往需開動鑽井泵，慢慢地擴大井眼再通過。

如果用彎接頭或彎殼體，螺桿鑽頭側面就更易碰上井壁的硬岩層和套管鞋等，要周期性的轉動螺桿鑽具，以消除側鑽的影響。

對於深井和高溫井，下放螺桿鑽具時建議周期性地進行中途循環，這樣可以防止螺桿鑽頭堵塞，或因高溫造成螺桿鑽具定子損壞。

在井內，鑽井液若不能迅速通過旁通閥閥口，應減慢下井速度，或不時停下來充灌泥漿，下鑽時，注意不可墩鑽或將螺桿鑽具直接放進井底。

開動螺桿鑽具：

如果螺桿鑽具處於井底，必須提起0.3-0.4m，開動鑽井泵，此時記下立桿壓力表讀數，與計算的壓力值對比一下，如果超過水力計算的壓力數值也是正常的，這是螺桿鑽頭側鑽引起的。

清理井底：尤其是打斜井，井底必須足夠“乾淨”，因為井底堆積或沉澱的岩屑影響轉速或造斜。最好用正常的鑽井液循環清理，清理時也可慢慢轉動螺桿鑽具或螺桿鑽具分次轉動（每次轉動30o-40o），依次地把堆在井底的物體清理乾淨。清理乾淨后，再把螺桿鑽具上提0.3-0.4m，校對壓力值，記錄下來。

重新下入井底並逐步加鑽壓，馬達扭矩增加，立桿壓力表壓值升高，這個升高的壓力值應符合各型號螺桿鑽具規定的馬達壓降值，此壓力表增大的數值反映了馬達的負載是否正常，也反映鑽壓加的是否合適，因此保持馬達轉速基本穩定，鑽壓基本穩定，只要把立桿壓力表讀數限制在所選螺桿鑽具推薦範圍內就可以了。它能使司鑽及時了解螺桿鑽具工作情況。

螺桿鑽頭不在井底時，如果循環壓力高，則可能是螺桿鑽頭水眼被堵或傳動軸被卡死。

起鑽：

起鑽時，旁通閥處於旁通狀態，允許鑽柱中的鑽井液瀉入環空，但是螺桿鑽具本身不能排出鑽井液，通常在起鑽前在鑽柱上部注入一段加重鑽井液順利排出。

1.在螺桿鑽具提出到旁通閥位置后，卸下旁通閥口上各部件，用清水從旁通閥頂部進行沖洗，然後使用木棒或錘柄等將閥芯按下、鬆開使其移動無阻。清洗完畢，擰上提升短節，提出螺桿鑽具。