螺桿鉆具（將壓力能轉(zhuǎn)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(jìn)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(zhì)，通過鉆桿中心孔輸送到孔底的螺桿鉆，實質(zhì)上是把液體壓力能轉(zhuǎn)換為機械能的一種能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，整個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(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，應(yīng)在驅(qū)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(dá)（轉(zhuǎn)子和定子）、萬向節(jié)、軸承和驅(qū)動軸幾部分組成，其核心是螺桿馬達(dá)。在螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子、定子傳動副中，定子齒數(shù)Z1比轉(zhuǎn)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(shè)計時，可任意選擇(1:2,2:3,...,9:10)。設(shè)計高轉(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，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(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，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)、萬向軸和傳動軸等四大總成組成。螺桿馬達(dá)是鉆具的主要部件，很多實踐和理論分析結(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)重時則完全停止轉(zhuǎn)動，馬達(dá)損壞。（馬達(dá)的一個導(dǎo)程為一級）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(guān)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(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，閥芯下移，關(guān)閉旁通閥孔，此時泥漿流經(jīng)馬達(dá)，把壓力能轉(zhuǎn)變成機械能。當(dāng)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(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。

萬向軸的作用是將馬達(dá)的行星運動轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲃虞S的定軸轉(zhuǎn)動，將馬達(dá)產(chǎn)生的扭矩及轉(zhuǎn)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(dá)的旋轉(zhuǎn)動力傳遞給鉆頭，同時承受鉆壓所產(chǎn)生的軸向和徑向負(fù)荷。我公司制造的鉆具傳動軸結(jié)構(gòu)(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(zhì)會影響鉆具性能，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，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(fù)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(dá)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(dāng)超過最大設(shè)計壓力時，馬達(dá)可能會制動，此時應(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(dá)啟動，驅(qū)動接頭旋轉(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，嚴(yán)格控制下放速度，以防過快時馬達(dá)倒轉(zhuǎn)，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(dāng)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(yīng)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?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)時應(yīng)緩慢加鉆壓，待正常鉆進(jìn)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(fù)載壓降 (3)開始鉆進(jìn)，鉆進(jìn)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(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，用鏈鉗順時針轉(zhuǎn)動驅(qū)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(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)對鉆具進(jìn)行維修，更換新軸承(對于修井鉆則應(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)動螺桿鉆具傳動軸頭，而且只能逆時針旋轉(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，此時旁通閥處于“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。

6.按設(shè)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(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)動螺桿鉆具，以消除側(cè)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(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，或不時停下來充灌泥漿，下鉆時，注意不可墩鉆或?qū)⒙輻U鉆具直接放進(jìn)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(cè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動螺桿鉆具或螺桿鉆具分次轉(zhuǎn)動（每次轉(zhuǎn)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(dá)扭矩增加，立桿壓力表壓值升高，這個升高的壓力值應(yīng)符合各型號螺桿鉆具規(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(jìn)行沖洗，然后使用木棒或錘柄等將閥芯按下、松開使其移動無阻。清洗完畢，擰上提升短節(jié)，提出螺桿鉆具。