螺杆钻具的设计与应用

赵志刚 冯婷婷 邱焕龙 王春秀（山东陆海石油装备有限公司， 山东 德州 253500 ）

螺杆钻具的设计与应用

赵志刚 冯婷婷 邱焕龙 王春秀（山东陆海石油装备有限公司， 山东 德州 253500 ）

随着石油工业的发展，定向井数量的增加，对螺杆钻具的性能要求越来越高，低速、大扭矩、长寿命成为发展方向。本文探究了螺杆钻具的工作原理、结构以及设计和应用。

螺杆钻具；设计；应用

螺杆钻具，又称定排量马达，是一种容积式井下动力钻具。由于其本身结构和性能方面的一系列特点和优点，所以自20世纪50年代中期问世，特别是近30年以来，在石油钻井和修井方面获得了广泛应用，并被用于地质勘探、煤层气开采、建筑管道施工和国防工程等方面的钻进作业。

在油气钻井中，螺杆钻具主要被用于钻特殊工艺井，也可用来钻直井。所谓特殊工艺井，是指常规直井以外的所有其他井型，如定向井、大斜度井、水平井、大位移井、多分支井、丛式井等。在这些特殊工艺井中，通常应用螺杆钻具进行井眼轨道控制作业，如造斜、纠斜、扭方位，采用导向螺杆钻具还可以进行稳斜钻进。

1　螺杆钻具工作原理

螺杆钻具是一种以钻井液（或压缩气体）为动力的容积式井下动力钻具，钻井液（或压缩气体）由钻杆进入螺杆钻具旁通阀总成后，使阀芯关闭，然后进入螺杆钻具马达总成，在马达进出口处形成一定压差推动马达的转子旋转，产生扭矩和转速，通过万向轴总成和传动轴总成传递到钻头上，达到钻井的目的。

2　螺杆钻具结构

螺杆钻具主要由旁通阀总成、防掉总成、马达总成、万向轴总成和传动轴总成五大部分组成。（见下图）

3　设计基础

随着石油钻井工业的不断发展，尤其是对螺杆钻具在直井、定向井中应用数量的不断增加，对螺杆钻具的性能要求也越来越高，如对钻具的要求已逐渐向大扭矩、大功率、长寿命的方向发展。另外，各大油田为了节省钻井成本，均开始出现螺杆钻具以租代购的经营模式，对钻具的整体性能要求也更高，租赁出现的时间难以统计，对结算和钻具维修保养都带来了一定的困难。针对油田井队现场普遍存在的问题，我们从结构设计到各个部件的选择都进行了相关的改进。

4　设计开发的主要内容

（1）旁通阀的设计与改进，重新校核旁通阀弹簧的预紧力和变形力。

（2）防掉部分设计由原来的单独防掉改成防掉与马达的定子壳体合二为一，减少了一级螺纹连接。

（3）马达是钻具的最关键部位，结合现场使用，目前需要马达具有大扭矩、长寿命，所以我们充分考虑具体使用条件，在满足使用的条件下，保证马达最大的使用寿命，重新对马达转子进行线性的设计，使线性更合理；满足转速的情况下增加马达头数，增大马达输出扭矩；并根据不同的泥浆体系，对转子分别进行不同的表面处理；对定子橡胶材料和硫化工艺的改进，使橡胶寿命更长，针对高温井有耐高温的橡胶定子。

（4）万向轴总成部分的设计改进：在固定角度弯壳体的基础上，开发设计了各规格可调角度的螺杆钻具；万向轴形式在花瓣式的基础上，设计开发了球式和挠轴式，在各大油田现场使用效果普遍反映球式和挠轴式比花瓣式的更好，寿命更长。弯壳体部分由于钻进过程中复合钻进比较普遍，易造成弯壳体的偏磨，所以在弯壳体易磨损部位加焊耐磨带，增加了耐磨性的同时，也提高了造斜率。

（5）传动轴总成的设计改进：结合TC轴承易磨损，为方便更换，改进了TC结构形式；壳体扶正器尺寸与钻头之间有一定的关系，为了满足与不同的钻头之间的适用，设计开发了可换扶正套的壳体。钻具使用时间不能准确统计，我们公司在扶正器部位设计开发了时间统计模块，每当钻具提离井底后，由我公司的专业工程师上井服务的同时，只要把模块取出，连接数据线就能准确读出钻具的工作时间，取出和安装方便，数据读取方便快捷，对于钻具租赁市场具有很大的可操作性，该技术已经取得发明和实用新型两项专利。根据时间能更好的对钻具进行维修保养，准确的判定零部件的更换，既降低了维修成本又较好的保证了维修后钻具的使用寿命。

5　螺杆钻具总体设计计算

（1）螺杆钻具的公称直径D 据安全标准来选定螺杆钻具的最大公称直径，安全标准指的是螺杆钻具在保证打捞作业及环空钻井液冲刷所允许的最大直径，或井壁与马达外径间所许用的安全间隙。

（2）螺杆马达的设计：确定排量、扭矩、钻速 螺杆马达的额定工作力矩应明显大于临界破岩力矩，再加上螺杆马达的机械硬特性，因此可满足钻进要求。

综合诸多因素对破岩效果的影响及工程角度来选择设计额定力矩。

螺杆钻具的转速是由钻头的类型决定的，配合牙轮钻头和金刚石钻头有不同的推荐转速。

（3）螺杆钻具的总长度和结构类型 先初步确定总长后，对各部件详细设计并进行适当的调整后，才能确定实际总长度。

从螺杆钻具的造斜能力方面来讲，弯角位置离钻头越近，其造斜率越高，也就是通常所说的弯点长度L1（L1一般在1400～1500mm）。

结构：选择单弯，弯角范围0～3°；可调角度，范围0～3°；综合万向轴外壳及偏心距等设计要素。

（4）根据钻具组合外壳强度及结构要求确定各段的壳体壁厚δ。

确定螺杆马达定子壳体、万向轴总成外壳体和传动轴总成壳体的厚度，其主要依据是强度原则，另一个依据是结构因素。根据其受力情况分析计算，按强度原则确定壁厚δ的最小值，再从结构、工艺方面加以考虑，从而确定各部分课题的壁厚δ。

6　结语

针对油田井队现场普遍存在的问题，我们对螺杆钻具的结构设计、各个部件的选择都进行了相关的改进。希望通过本文的介绍，对于推进螺杆钻具的进一步改进有所启发。

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①赵志刚（1977- ），男，汉族，大学，1999年毕业于河北科技大学（塑性成形工艺及设备专业）；研究方向：机械设计与制造；②冯婷婷（1989- ），女，回族，大学，2011年毕业于大连民族学院（机械设计制造及其自动化专业）；研究方向：机械设计与制造；③邱焕龙（1986- ），男，汉族，大学，2005年毕业于天津职业技术师范大学（机械维修及检测技术教育专业）；研究方向：机械设计与制造；④王春秀（1975- ），女，汉族，大学，1999年毕业于中国石油大学（石油工程专业）；研究方向：机械设计与制造。