螺桿鉆具（將壓力能轉為機械能的動力鉆具）

英文簡稱

Screw drilling tool

拼音

螺桿鉆具

簡介

一種漸進空腔型容積式孔底動力機，簡稱螺桿鉆。以泥漿、清水為動力介質，通過鉆桿中心孔輸送到孔底的螺桿鉆，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。鉆探時，螺桿鉆直接帶動連接在其孔底傳動軸上的巖心管和鉆頭回轉，整個鉆桿柱僅作為輸送高壓工作介質的通道和支撐鉆頭反扭矩的桿件，不作回轉運動。采用螺桿鉆鉆探與常規(guī)鉆探相比有許多優(yōu)點，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（如礦井凍結孔）。最大鉆孔深度達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。利用螺桿鉆進行巖心鉆探時，應在驅動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（轉子和定子）、萬向節(jié)、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(shù)Z1比轉子齒數(shù)Z2多一個：即Z1= Z2+1。它們的齒數(shù)比通常稱為傳動比，設計時，可任意選擇(1:2,2:3,...,9:10)。設計高轉速的螺桿鉆應采用小齒數(shù)比螺桿馬達，而設計低速大扭矩的螺桿鉆應采用大齒數(shù)比螺桿馬達。隨著轉子定子齒數(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的工作壓力降，輸出轉速取決于通過螺桿馬達工作介質的流量。

鉆探時，仍然需要鉆探機、泥漿泵、鉆桿和鉆塔等常規(guī)鉆探裝備。施工定向鉆孔時，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量，提供精確地質資料，節(jié)約進尺，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，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、萬向軸和傳動軸等四大總成組成。螺桿馬達是鉆具的主要部件，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(xiàn)場使用的泥漿流量應在推薦的使用范圍內(nèi)，否則將影響馬達效率，甚至加大磨損。螺桿馬達的性能參數(shù)是螺桿鉆具的主要性能參數(shù)。馬達的理論輸出扭矩和馬達壓降成正比，輸出轉數(shù)與輸入泥漿流量成正比，隨著負荷的增加鉆具轉數(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(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進入環(huán)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(jīng)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，旁通閥孔處于開啟位置--處于旁通狀態(tài)。

馬達由定子、轉子組成。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(shù)越少，轉速越高，扭矩越小；頭數(shù)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?yōu)閭鲃虞S的定軸轉動，將馬達產(chǎn)生的扭矩及轉速傳遞給傳動軸至鉆頭。萬向軸多采用撓軸式。

傳動軸的作用是將馬達的旋轉動力傳遞給鉆頭，同時承受鉆壓所產(chǎn)生的軸向和徑向負荷。我公司制造的鉆具傳動軸結構(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(yōu)點。

使用要求

1、鉆井液要求：螺桿鉆具對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。泥漿粘度和比重對鉆具的影響很小，但對整個系統(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會影響鉆具性能，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，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，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+鉆具負載壓降 循環(huán)泵壓就是鉆具沒有接觸井底時泵壓，也叫離底泵壓，鉆具加大扭矩，泵壓就要上升，這時壓力表的讀數(shù)就叫打鉆泵壓。離底泵壓不是一個常數(shù)，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(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，打鉆泵壓達到最大推薦壓力時，鉆具產(chǎn)生最佳扭矩繼續(xù)增加鉆壓將增加泵壓，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，入轉盤卡瓦內(nèi)，使旁通閥位于轉盤之上，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，恢復正常，反復壓下3-5次，閥芯無卡阻，運動靈活，接著將鉆具旁通孔部位下到鉆盤以下開泵，旁通孔封閉，馬達啟動，驅動接頭旋轉，停泵后，閥芯復位，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，嚴格控制下放速度，以防過快時馬達倒轉，使內(nèi)部連接絲扣脫扣，同時防止在通過砂橋、套管鞋等處撞壞鉆具。(2)當下入深井段或遇到高溫井段時，以及經(jīng)過流砂層井段時，應定期循環(huán)泥漿冷卻鉆具，保護定子橡膠，防止砂堵。(3)鉆具接近井底時要放慢速度，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)不允許頓鉆或將鉆具座在井底。

3、鉆具鉆進 (1)鉆具鉆進前應充分清洗井底，并測循環(huán)泵壓。(2)開始鉆進時應緩慢加鉆壓，待正常鉆進時，司鉆可用下列公式控制操作：打鉆泵壓=循環(huán)泵壓+鉆具負載壓降 (3)開始鉆進，鉆進速度不宜太快，此時鉆具和鉆頭都很緊，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、下活動閥芯，使其能關閉靈活為止。(2)用管鉗咬住鉆具，用鏈鉗順時針轉動驅動接頭，從旁通閥上部注入清水清洗鉆具內(nèi)部，最后向馬達內(nèi)注入少量礦物油。(3)起鉆應注意起鉆速度，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，應對鉆具進行維修，更換新軸承(對于修井鉆則應調(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，只許用鏈鉗轉動螺桿鉆具傳動軸頭，而且只能逆時針旋轉（俯視旋向，下同），以防止內(nèi)部螺紋松扣。

3.吊起提升短節(jié)，把螺桿鉆具放入轉盤中，把旁通閥置于轉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，此時旁通閥應不漏，水面無明顯下降，然后挪走木棒，閥芯應被彈簧彈起復位，所注水應從側面各孔均勻流出，即可認為正常。

5.下放后，使旁通閥位于鉆桿下方便于觀察的地方，開動鉆井泵，逐漸提高排量直到旁通閥關閉，上提螺桿鉆具，看螺桿鉆頭是否轉動，此時旁通閥處于“關閉”位置。不應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盤以上，防止污染井臺。

6.按設計的螺桿鉆具組合，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，需控制下放速度，否則易被井眼中的沙橋、井眼臺肩、套管鞋所損壞。如遇到這樣的井段，往往需開動鉆井泵，慢慢地擴大井眼再通過。

如果用彎接頭或彎殼體，螺桿鉆頭側面就更易碰上井壁的硬巖層和套管鞋等，要周期性的轉動螺桿鉆具，以消除側鉆的影響。

對于深井和高溫井，下放螺桿鉆具時建議周期性地進行中途循環(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，應減慢下井速度，或不時停下來充灌泥漿，下鉆時，注意不可墩鉆或將螺桿鉆具直接放進井底。

開動螺桿鉆具：

如果螺桿鉆具處于井底，必須提起0.3-0.4m，開動鉆井泵，此時記下立桿壓力表讀數(shù)，與計算的壓力值對比一下，如果超過水力計算的壓力數(shù)值也是正常的，這是螺桿鉆頭側鉆引起的。

清理井底：尤其是打斜井，井底必須足夠“干凈”，因為井底堆積或沉淀的巖屑影響轉速或造斜。最好用正常的鉆井液循環(huán)清理，清理時也可慢慢轉動螺桿鉆具或螺桿鉆具分次轉動（每次轉動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，校對壓力值，記錄下來。

重新下入井底并逐步加鉆壓，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鉆具規(guī)定的馬達壓降值，此壓力表增大的數(shù)值反映了馬達的負載是否正常，也反映鉆壓加的是否合適，因此保持馬達轉速基本穩(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。它能使司鉆及時了解螺桿鉆具工作情況。

螺桿鉆頭不在井底時，如果循環(huán)壓力高，則可能是螺桿鉆頭水眼被堵或傳動軸被卡死。

起鉆：

起鉆時，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行沖洗，然后使用木棒或錘柄等將閥芯按下、松開使其移動無阻。清洗完畢，擰上提升短節(jié)，提出螺桿鉆具。