英文簡稱
Screw drilling tool
拼音
螺桿鉆具
luogan zuanju簡介
一種漸進(jìn)空腔型容積式孔底動(dòng)力機(jī),簡稱螺桿鉆。以泥漿、清水為動(dòng)力介質(zhì),通過鉆桿中心孔輸送到孔底的螺桿鉆,實(shí)質(zhì)上是把液體壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。鉆探時(shí),螺桿鉆直接帶動(dòng)連接在其孔底傳動(dòng)軸上的巖心管和鉆頭回轉(zhuǎn),整個(gè)鉆桿柱僅作為輸送高壓工作介質(zhì)的通道和支撐鉆頭反扭矩的桿件,不作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。采用螺桿鉆鉆探與常規(guī)鉆探相比有許多優(yōu)點(diǎn),如鉆桿磨損大幅度下降,鉆速高。它是打定向孔的主要器具,在鉆探領(lǐng)域已發(fā)揮作用。
1955年,美國克利斯坦森礦山鉆探制品公司根據(jù)莫因諾原理開始研究,于1964年首先取得成功,定名為“戴納鉆”;蘇聯(lián)于70年代初研究成功“凸”型螺桿鉆;中國地礦部勘探技術(shù)研究所于80年代初研制螺桿鉆成功。至今生產(chǎn)螺桿鉆的國家有美國、俄羅斯、中國、德國等。
螺桿鉆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(jié)孔)。最大鉆孔深度達(dá)9023米。目前世界上螺桿鉆最小直徑為44.5毫米,最大直徑為304.8毫米。利用螺桿鉆進(jìn)行巖心鉆探時(shí),應(yīng)在驅(qū)動(dòng)軸與鉆頭間加上巖心管采取巖心。
螺桿鉆由旁通閥、螺桿馬達(dá)(轉(zhuǎn)子和定子)、萬向節(jié)、軸承和驅(qū)動(dòng)軸幾部分組成,其核心是螺桿馬達(dá)。在螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子、定子傳動(dòng)副中,定子齒數(shù)Z1比轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z2多一個(gè):即Z1= Z2+1。它們的齒數(shù)比通常稱為傳動(dòng)比,設(shè)計(jì)時(shí),可任意選擇(1:2,2:3,...,9:10)。設(shè)計(jì)高轉(zhuǎn)速的螺桿鉆應(yīng)采用小齒數(shù)比螺桿馬達(dá),而設(shè)計(jì)低速大扭矩的螺桿鉆應(yīng)采用大齒數(shù)比螺桿馬達(dá)。隨著轉(zhuǎn)子定子齒數(shù)比的增大,其效率逐漸趨于下降;螺桿鉆的輸出扭矩取決于通過馬達(dá)的工作壓力降,輸出轉(zhuǎn)速取決于通過螺桿馬達(dá)工作介質(zhì)的流量。
鉆探時(shí),仍然需要鉆探機(jī)、泥漿泵、鉆桿和鉆塔等常規(guī)鉆探裝備。施工定向鉆孔時(shí),要借助定向儀給造斜工具定向。與螺桿鉆配套使用的造斜工具有彎接頭、彎外管和偏心塊等。采用螺桿鉆施工定向孔能提高鉆孔質(zhì)量,提供精確地質(zhì)資料,節(jié)約進(jìn)尺,降低成本,解決許多無法施工的工程難題,因此,它是鉆探工程的一種特種工具。
螺桿鉆的使用壽命一般為150~200小時(shí),其薄弱環(huán)節(jié)是定子橡膠耐高溫程度低,軸承易損壞。加緊研制與開發(fā)用于制造定子的抗磨損耐高溫的彈性材料與可靠的軸承系統(tǒng),從而使螺桿鉆的工作壽命得到顯著提高。并研制低速大扭矩螺桿以適用于鉆深孔和超深孔。
螺桿鉆具
組成
螺桿鉆具主要由旁通閥、液馬達(dá)、萬向軸和傳動(dòng)軸等四大總成組成。螺桿馬達(dá)是鉆具的主要部件,很多實(shí)踐和理論分析結(jié)果表明,如欲使馬達(dá)正常有效地工作,每級(jí)馬達(dá)所能承受的壓降以不超過0.8Mpa為宜,否則馬達(dá)就有漏失。轉(zhuǎn)速很快降低,嚴(yán)重時(shí)則完全停止轉(zhuǎn)動(dòng),馬達(dá)損壞。(馬達(dá)的一個(gè)導(dǎo)程為一級(jí))現(xiàn)場使用的泥漿流量應(yīng)在推薦的使用范圍內(nèi),否則將影響馬達(dá)效率,甚至加大磨損。螺桿馬達(dá)的性能參數(shù)是螺桿鉆具的主要性能參數(shù)。馬達(dá)的理論輸出扭矩和馬達(dá)壓降成正比,輸出轉(zhuǎn)數(shù)與輸入泥漿流量成正比,隨著負(fù)荷的增加鉆具轉(zhuǎn)數(shù)降低,所以只要控制地面上的壓力表的讀數(shù)和泵的流量,就能控制井下鉆具的扭矩和轉(zhuǎn)速。
旁通閥部分旁通閥由閥體、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(dòng),閥芯的運(yùn)動(dòng)改變了液體的流向,使得旁通閥有旁通和關(guān)閉兩個(gè)狀態(tài):在起、下鉆作業(yè)過程中,閥套與閥體通孔未閉和,旁通閥處于旁通狀態(tài),使鉆柱中泥漿繞過馬達(dá)進(jìn)入環(huán)空;當(dāng)泥漿流量和壓力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值時(shí),閥芯下移,關(guān)閉旁通閥孔,此時(shí)泥漿流經(jīng)馬達(dá),把壓力能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。當(dāng)泥漿流量值過小或停泵時(shí),彈簧把閥芯頂起,旁通閥孔處于開啟位置--處于旁通狀態(tài)。
馬達(dá)介紹馬達(dá)由定子、轉(zhuǎn)子組成。定子是在鋼管內(nèi)壁上壓注橡膠襯套而成,其內(nèi)孔是具有一定幾何參數(shù)的螺旋;轉(zhuǎn)子是一根有硬層的螺桿。轉(zhuǎn)子與定子相互嚙合,用兩者的導(dǎo)程差而形成螺旋密封腔,以完成能量轉(zhuǎn)換。馬達(dá)轉(zhuǎn)子的螺旋線有單頭和多頭之分。轉(zhuǎn)子的頭數(shù)越少,轉(zhuǎn)速越高,扭矩越小;頭數(shù)越多,轉(zhuǎn)速越低,扭矩越大。
萬向軸簡介萬向軸的作用是將馬達(dá)的行星運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲃?dòng)軸的定軸轉(zhuǎn)動(dòng),將馬達(dá)產(chǎn)生的扭矩及轉(zhuǎn)速傳遞給傳動(dòng)軸至鉆頭。萬向軸多采用撓軸式。
轉(zhuǎn)動(dòng)軸傳動(dòng)軸的作用是將馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力傳遞給鉆頭,同時(shí)承受鉆壓所產(chǎn)生的軸向和徑向負(fù)荷。我公司制造的鉆具傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)(如圖7所示)已申請(qǐng)國家專利,具有壽命更長、承載能力更高等諸多優(yōu)點(diǎn)。
使用要求
1、鉆井液要求:螺桿鉆具對(duì)于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(duì)鉆具的影響很小,但對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的壓力有直接影響,如果推薦排量下的壓力大于額定泵壓值,就得減少泥漿排量,或者有必要降低通過鉆具和鉆頭的壓力降。泥漿中的砂粒等雜質(zhì)會(huì)影響鉆具性能,加速軸承和馬達(dá)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(hào)的鉆具都有自身的輸入流量范圍,只有在此范圍內(nèi)鉆具才能有較高的效率,一般應(yīng)取輸入流量范圍的中間值為最佳輸入流量值。
2、泥漿壓力要求:鉆具懸空時(shí),排量不變,則通過鉆具的泥漿壓力降也不變,隨著鉆頭 接觸井底鉆壓增加時(shí),泥漿循環(huán)壓力增加,泵壓也增加,司鉆可用以下公式來控制操作:打鉆泵壓=循環(huán)泵壓+鉆具負(fù)載壓降 循環(huán)泵壓就是鉆具沒有接觸井底時(shí)泵壓,也叫離底泵壓,鉆具加大扭矩,泵壓就要上升,這時(shí)壓力表的讀數(shù)就叫打鉆泵壓。離底泵壓不是一個(gè)常數(shù),它隨井深和泥漿的特性變化而變化,但實(shí)際操作中,無必要隨時(shí)測取循環(huán)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。鉆具在工作中,打鉆泵壓達(dá)到最大推薦壓力時(shí),鉆具產(chǎn)生最佳扭矩繼續(xù)增加鉆壓將增加泵壓,當(dāng)超過最大設(shè)計(jì)壓力時(shí),馬達(dá)可能會(huì)制動(dòng),此時(shí)應(yīng)立即降低鉆壓,以防鉆具內(nèi)部損壞。
使用方法
螺桿鉆具在出廠前,各部件之間的連接螺紋均已涂厭氧膠,并按規(guī)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(jié)將鉆具提起,入轉(zhuǎn)盤卡瓦內(nèi),使旁通閥位于轉(zhuǎn)盤之上,裝上安全卡瓦,卸去提升短節(jié),檢查旁通閥的靈活性,方法是用木棒壓下閥芯,然后松開,閥芯在彈簧力的作用下,恢復(fù)正常,反復(fù)壓下3-5次,閥芯無卡阻,運(yùn)動(dòng)靈活,接著將鉆具旁通孔部位下到鉆盤以下開泵,旁通孔封閉,馬達(dá)啟動(dòng),驅(qū)動(dòng)接頭旋轉(zhuǎn),停泵后,閥芯復(fù)位,泥漿從旁通孔瀉出,鉆具正常。
2、鉆具下入井內(nèi) (1)鉆具下井時(shí),嚴(yán)格控制下放速度,以防過快時(shí)馬達(dá)倒轉(zhuǎn),使內(nèi)部連接絲扣脫扣,同時(shí)防止在通過砂橋、套管鞋等處撞壞鉆具。(2)當(dāng)下入深井段或遇到高溫井段時(shí),以及經(jīng)過流砂層井段時(shí),應(yīng)定期循環(huán)泥漿冷卻鉆具,保護(hù)定子橡膠,防止砂堵。(3)鉆具接近井底時(shí)要放慢速度,提前循環(huán)后再繼續(xù)下鉆,循環(huán)先小排量,待井口返出泥漿后,再加大排量。(4)不允許頓鉆或?qū)@具座在井底。
3、鉆具鉆進(jìn) (1)鉆具鉆進(jìn)前應(yīng)充分清洗井底,并測循環(huán)泵壓。(2)開始鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)緩慢加鉆壓,待正常鉆進(jìn)時(shí),司鉆可用下列公式控制操作:打鉆泵壓=循環(huán)泵壓+鉆具負(fù)載壓降 (3)開始鉆進(jìn),鉆進(jìn)速度不宜太快,此時(shí)鉆具和鉆頭都很緊,井底尚未 清洗,易產(chǎn)生鉆頭泥包。(4)鉆具產(chǎn)生的扭矩與馬達(dá)的壓力降成正比,因此增大鉆壓就能增大扭矩。(5)均勻送鉆能保證井段的曲線光滑和定向精度。
4、從井眼中起出并檢查鉆具 (1)用清水沖洗旁通閥,用木棒上、下活動(dòng)閥芯,使其能關(guān)閉靈活為止。(2)用管鉗咬住鉆具,用鏈鉗順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)接頭,從旁通閥上部注入清水清洗鉆具內(nèi)部,最后向馬達(dá)內(nèi)注入少量礦物油。(3)起鉆應(yīng)注意起鉆速度,以防卡鉆損壞鉆具。(4)測量鉆具的軸承間隙,如軸承間隙超過最大允差,應(yīng)對(duì)鉆具進(jìn)行維修,更換新軸承(對(duì)于修井鉆則應(yīng)調(diào)整軸承的軸向間隙)。
螺桿鉆具下井前的地面檢查
螺桿鉆具下井前的地面檢查
1.螺桿鉆具除了提升短節(jié)與旁通閥連接外,其他部分的殼體連接均涂鎖緊劑。
2.用螺桿鉆頭裝卸器把螺桿鉆頭裝上,只許用鏈鉗轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿鉆具傳動(dòng)軸頭,而且只能逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(俯視旋向,下同),以防止內(nèi)部螺紋松扣。
3.吊起提升短節(jié),把螺桿鉆具放入轉(zhuǎn)盤中,把旁通閥置于轉(zhuǎn)盤中易于觀察的位置。用卡瓦把螺桿鉆具卡牢,卸去提升短節(jié)。
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(shí)旁通閥應(yīng)不漏,水面無明顯下降,然后挪走木棒,閥芯應(yīng)被彈簧彈起復(fù)位,所注水應(yīng)從側(cè)面各孔均勻流出,即可認(rèn)為正常。
5.下放后,使旁通閥位于鉆桿下方便于觀察的地方,開動(dòng)鉆井泵,逐漸提高排量直到旁通閥關(guān)閉,上提螺桿鉆具,看螺桿鉆頭是否轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)旁通閥處于“關(guān)閉”位置。不應(yīng)有鉆井液從旁通孔流出。停泵后注意觀察旁通閥是否再次打開,使鉆井液從旁通孔排出。泵未完全停止之前,不要把旁通閥提到轉(zhuǎn)盤以上,防止污染井臺(tái)。
6.按設(shè)計(jì)的螺桿鉆具組合,分別把彎接頭、無磁鉆鋌、穩(wěn)定器等接好。
把螺桿鉆具下到井眼
鉆下放螺桿鉆具時(shí),需控制下放速度,否則易被井眼中的沙橋、井眼臺(tái)肩、套管鞋所損壞。如遇到這樣的井段,往往需開動(dòng)鉆井泵,慢慢地?cái)U(kuò)大井眼再通過。
如果用彎接頭或彎殼體,螺桿鉆頭側(cè)面就更易碰上井壁的硬巖層和套管鞋等,要周期性的轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿鉆具,以消除側(cè)鉆的影響。
對(duì)于深井和高溫井,下放螺桿鉆具時(shí)建議周期性地進(jìn)行中途循環(huán),這樣可以防止螺桿鉆頭堵塞,或因高溫造成螺桿鉆具定子損壞。
在井內(nèi),鉆井液若不能迅速通過旁通閥閥口,應(yīng)減慢下井速度,或不時(shí)停下來充灌泥漿,下鉆時(shí),注意不可墩鉆或?qū)⒙輻U鉆具直接放進(jìn)井底。
開動(dòng)螺桿鉆具:
如果螺桿鉆具處于井底,必須提起0.3-0.4m,開動(dòng)鉆井泵,此時(shí)記下立桿壓力表讀數(shù),與計(jì)算的壓力值對(duì)比一下,如果超過水力計(jì)算的壓力數(shù)值也是正常的,這是螺桿鉆頭側(cè)鉆引起的。
清理井底:尤其是打斜井,井底必須足夠“干凈”,因?yàn)榫锥逊e或沉淀的巖屑影響轉(zhuǎn)速或造斜。最好用正常的鉆井液循環(huán)清理,清理時(shí)也可慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿鉆具或螺桿鉆具分次轉(zhuǎn)動(dòng)(每次轉(zhuǎn)動(dòng)30o-40o),依次地把堆在井底的物體清理干凈。清理干凈后,再把螺桿鉆具上提0.3-0.4m,校對(duì)壓力值,記錄下來。
重新下入井底并逐步加鉆壓,馬達(dá)扭矩增加,立桿壓力表壓值升高,這個(gè)升高的壓力值應(yīng)符合各型號(hào)螺桿鉆具規(guī)定的馬達(dá)壓降值,此壓力表增大的數(shù)值反映了馬達(dá)的負(fù)載是否正常,也反映鉆壓加的是否合適,因此保持馬達(dá)轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定,鉆壓基本穩(wěn)定,只要把立桿壓力表讀數(shù)限制在所選螺桿鉆具推薦范圍內(nèi)就可以了。它能使司鉆及時(shí)了解螺桿鉆具工作情況。
螺桿鉆頭不在井底時(shí),如果循環(huán)壓力高,則可能是螺桿鉆頭水眼被堵或傳動(dòng)軸被卡死。
起鉆:
起鉆時(shí),旁通閥處于旁通狀態(tài),允許鉆柱中的鉆井液瀉入環(huán)空,但是螺桿鉆具本身不能排出鉆井液,通常在起鉆前在鉆柱上部注入一段加重鉆井液順利排出。
1.在螺桿鉆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(jìn)行沖洗,然后使用木棒或錘柄等將閥芯按下、松開使其移動(dòng)無阻。清洗完畢,擰上提升短節(jié),提出螺桿鉆具。