螺杆钻具组合
本文摘要：（由ai生成）
螺杆钻具（PDM drill）是一种容积式井下动力钻具，其正排量泥浆马达（PDM）为核心部件，可将钻井液液压能转换为机械能驱动钻头旋转。其优点包括降低钻杆磨损、提高钻速，适用于定向孔。使用时需考虑钻井环境、设备限制和钻具性能，并注意钻井液选择、参数控制和定期维护，以确保高效、稳定的钻井效果并延长使用寿命。
螺杆钻具（PDM drill），是一种以钻井液为动力，把液体压力能转为机械能的容积式井下动力钻具。当泥浆泵泵出的泥浆流经旁通阀进入马达，在马达的进、出口形成一定的压力差，推动转子绕定子的轴线旋转，并将转速和扭矩通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业。整个钻杆柱仅作为输送高压工作介质的通道和支撑钻头反扭矩的杆件，不作回转运动。采用螺杆钻钻探与常规钻探相比有许多优点，如钻杆磨损大幅度下降，钻速高。它是打定向孔的主要器具，在钻探领域已发挥作用。
螺杆钻具主要由①旁通阀②液马达③万向轴④传动轴等四大总成组成。螺杆马达是钻具的主要部件，螺杆马达的性能参数是螺杆钻具的主要性能参数。
旁通阀由阀体、阀套、阀芯及弹簧等部件组成，在压力作用下阀芯在阀套中滑动，阀芯的运动改变了液体的流向，使得旁通阀有旁通和关闭两个状态：在起、下钻作业过程中，阀套与阀体通孔未闭和，旁通阀处于旁通状态，使钻柱中泥浆绕过马达进入环空；当泥浆流量和压力达到标准设定值时，阀芯下移，关闭旁通阀孔，此时泥浆流经马达，把压力能转变成机械能。当泥浆流量值过小或停泵时，弹簧把阀芯顶起，旁通阀孔处于开启位置--处于旁通状态。
马达由定子、转子组成。定子是在钢管内壁上压注橡胶衬套而成，其内孔是具有一定几何参数的螺旋，转子是一根有硬层的螺杆。转子与定子相互啮合，用两者的导程差而形成螺旋密封腔，以完成能量转换。马达转子的螺旋线有单头和多头之分。转子的头数越少，转速越高，扭矩越小；头数越多，转速越低，扭矩越大。
万向轴的作用是将马达的行星运动转变为传动轴的定轴转动，将马达产生的扭矩及转速传递给传动轴至钻头，万向轴多采用挠轴式。
传动轴的作用是将马达的旋转动力传递给钻头，同时承受钻压所产生的轴向和径向负荷。因此，传动轴需要高的硬度、耐磨性和使用寿命。这个时候，淬火热处理可以大大提高传动轴的使用寿命。
螺杆钻具是一种用于钻探地下的工具，由一系列相互连接的螺杆组成。它主要由钻杆、钻头和钻杆连接装置组成。螺杆钻具的工作原理是通过旋转钻杆，通过钻头的转动和推进力将地下的岩石削除，并将钻探所得的岩心提取到地面进行分析。螺杆钻具在石油勘探、地质勘察和水井钻探等领域都得到了广泛应用。它具有高效、稳定和灵活性强的特点，能够适应不同地质条件下的钻探需求。
钻具组合（combinaion drilling string）又称钻具配合。是指在钻井时，一定尺寸的钻头与一定尺寸的钻铤、钻杆、方钻杆相互配合、连接的方式。它是一个关系到安全、快速、优质钻进的重要问题。
螺杆钻具组合属于井下动力钻具组合，井下动力钻具包括涡轮钻具、螺杆钻具、电动钻具三种。目前我国常用的是螺杆钻具，动力钻具接在钻铤之下，钻头之上。在钻井液循环通过动力钻具时，驱动动力钻具转动并带动钻头旋转破碎岩石。动力钻具以上的整个钻柱都可以不旋转，这种特点对于定向造斜是非常有利的。螺杆钻具组合在定向钻进时操作简单，定向方便而且连续造斜，孔身平滑，易于提下钻。
螺杆钻具组合的组成一般包括：螺杆钻具、钻头、钻杆、钻铤、钻杆连接装置、定向设备等。
选择螺杆钻具组合需要考虑很多因素，包括钻井环境（地质情况、井深、井径等）、钻井设备相关因素（泥浆系统、钻机能力等）、钻具相关参数，还有钻井目的和预期的钻井效果等。大致可以根据以下步骤来考虑：
①确定钻井环境：了解地质情况对选择螺杆钻具非常重要。不同的地质环境（例如，硬度、裂缝、地壳稳定性等）对钻具结构和性能有不同的要求。
②了解钻井设备限制：考虑钻机的铰接能力、扭矩、拉挤力、钻井液的流动速率和压力等因素。
③确定钻具性能：应考虑钻头的类型、螺杆马达的类型和配置（例如，单螺杆还是双螺杆，堵转扭矩大小，排量等），滑向和防滑向装置等。
④制定钻井计划：根据钻井目标，例如，最快钻进深度、最佳轨迹控制等，选择最适合的钻具组合。
⑤运行和评估：在实际钻井过程中，进行持续监督和调试，并适时根据钻井实际情况调整钻具组合。
在选择螺杆钻具组合时，需要结合多方面的因素，可能需要进行多轮的测试和调优。最佳的组合方案往往需要根据具体情况灵活确定。
螺杆钻具组合被广泛应用于石油钻探中，主要是因为它具有一系列优点：
①提高钻进速度：螺杆钻具由于其特殊的动态效应，即钻头的自旋和进给同时进行，钻进速度通常远高于普通钻具。
②提高破岩效率：螺杆传动提高了钻头受到的冲击力，从而提高破岩效率。
③减少钻具磨损：因为螺杆钻具的工作原理，钻头受力更均匀，所以比其他钻具能够更有效地降低磨损，延长钻头寿命。
④提升轨迹控制能力：相比于其他钻具，螺杆钻具在控制钻井轨迹、尤其是复杂轨迹方面（如水平井和大位移井）具有优越性能。
使用螺杆钻具组合时，需要注意以下几点：
①选择适当的钻井液型号和性质，以确保其对螺杆钻具的润滑作用，防止卡死和损坏。
②钻压、转速、流量等参数需要精确控制，避免因过载或过低负载导致螺杆钻具工作效率降低或损坏。
③在钻进过程中要定期检查、更换磨损部件，并做好日常保养，保证螺杆钻具的良好工作状态。
④使用螺杆钻具滑动钻进进尺转慢时，应注意上下活动钻具，防止卡钻。
总的来说，使用螺杆钻具组合需要根据具体情况，做好钻井参数、钻井液和钻具自身的管理和控制，以最大限度发挥其效益。
在油气钻井中什么是正排量泥浆马达?
正位移电机(PDM)利用由转子/定子组合组成的发电部分。为了移动转子部分，PDM需要从流经发电部分的钻井液中获得液压动力。在PDM中，定子和转子以与齿轮相同的方式串联工作。定子作为外齿轮，由具有至少两个叶片的模压弹性体制成。弹性体的外径由一个安全的金属套管保护。转子位于定子内，并作为一个内部齿轮。这种转子是由金属制成的，并且将比定子少一个齿轮或叶片。由于这种差异，当PDM在井下时，会形成一个充满钻井液的空腔。当这个空腔受到压力时，它就像一个楔子，因为钻井液本身不能被压缩，所以施加在楔子顶部的力会导致转子移动。
给定转子的螺旋形状，这样的力的应用使转子旋转。与涡轮一样，这种旋转随后被传递到传动轴，并从那里传递到钻头。由于转子外径和定子内径之间的接触，腔周围产生密封，如图2所示。这意味着扭矩被施加到转子上，以克服由钻头/地层界面和内部电机组件之间的接触电阻引起的阻力。
在涡轮中，扭矩和钻头速度是相互依赖的;在PDM中并非如此。然而，这条规则的一个例外是转子是“喷嘴”(当一个孔穿过转子被用来转移一部分钻井液)。根据该理论，扭矩与压差(随着钻压的增加，地面压差也会增加)成正比，因为钻头速度也与流量成正比。转矩与电机的立方直径成正比，速度与此成反比。因此，功率与电机直径的平方成正比。定子/转子在旋转过程中的滑动速度的函数是PDM的速度限制。这也受到通过空腔的钻井液速度的影响。
如图3所示，转子/定子配置控制转矩/位速度关系。当转子/定子叶数从传统电机的单叶增加到多叶时，位速度会降低，而产生的转矩会增加。这可以优化扭矩和钻头速度，这是牙轮钻头和拖曳式PDC钻头所需要的。正常的pdm无法满足这些输出需求。
PDM的组成
下面的信息解释了PDM的主要组件。
转储阀
旁通阀或倾卸阀如下面的图4所示。当钻井液起下钻入井筒时，它可以使钻井液从环空填充钻柱，或者在起下钻出时将其排出。由于该阀，井筒底部保持恒定压力，有助于防止起下钻过程中的控制问题。
电源部分
在动力部分(图5)，螺旋形转子在钻井液力作用下产生旋转。如果钻头/地层的旋转阻力(称为钻井扭矩要求)太大，那么钻井液可能会导致定子的弹性材料暂时变形。然后，高压和低压之间的划分或密封失去，这导致电机失速。由于流体体积泄漏超过失去的密封，每个空腔内的压力降低，表面压力将显著增加。这意味着电机需要从底部抬起，然后重新启动。如果失速没有得到适当的纠正，定子将永久损坏，并降低整个电机的寿命。在高流量或高压差的情况下，这一点尤为重要。较小的压差意味着较少的失速。
定子和转子的中心轴不相同。这两个中心点之间的偏移量称为“偏心率”。当转子在定子内转动时，它的轴绕定子的轴转动。围绕这个定子通道的一个完整旋转称为章动或进动。要求PDM的进动速度，必须将转速乘以转子叶数。这个过程实际上是一个齿轮减速机制，并解释了为什么当转子/定子叶配置增加时比特速度会降低。
定子本身由钢管组成，内衬弹性体，螺旋叶片与转子相对应。这种材料需要足够坚硬，以承受钻井液中固体的磨损，但也要足够灵活，以在转子上提供足够的密封。因此，有必要在这两种要求之间找到一个中点。该材料还需要尽量不受钻井液中众多化学物质以及正常工作温度的影响。弹性体与钢外壳的正确结合是至关重要的。它需要完全清洁，以便有效粘附。
完成后，需要将弹性体材料泵入适当的位置，以防止弹性体与套管之间以及弹性体内部形成气穴。最后，需要进行一个复杂的固化过程。虽然这被认为是专有的，但它仍然类似于用于热处理各种金属的程序。
功率曲线
当需要的钻井参数已知时，PDM功率曲线是非常有用的特定数据来源。这里使用的功率曲线格式显示了四个主要参数:
输出扭矩(英尺-磅)
转速(转数/分钟)
总压降(磅/平方英寸)
钻井液流速(加仑/分钟)
这些图表具体指的是一种规定的设计(即转子/定子配置)，其中水被用作流体介质。如果使用密度或粘度较高的流体，则扭矩和压降随后会更高。使用加权流体将对寄生(自由运行)压力损失产生影响，而寄生压力损失是总压降的一部分。所述寄生压力损失部分是由于重晶石颗粒之间的接触造成的，重晶石颗粒用于提高流体的密度。当钻井液重量增加时，固体颗粒的数量也会增加，因此颗粒与颗粒之间的接触也会增加。
此外，如果使用粘度大于水的流体，则输出扭矩将大于水基曲线所示的扭矩。这是因为较厚的流体会使转子和定子之间的密封更好，从而最大限度地提高可能施加的压差。考虑到扭矩产生与施加的压差之间的直接关系，随着密封性能的提高，PBM上的压差越高，扭矩产生就会比功率曲线上显示的大。
变速箱总成
传动组件负责转子的偏心旋转或进动，当机械能到达钻头时，转子需要稳定在定子内。在此目的之上，传动总成还将吸收来自动力部分的一些液压推力，并将产生的扭矩传递给驱动轴或输出轴。为了达到这一目的，钻井行业采用了多种设计。
轴承装配
由径向和轴向推力轴承组成的轴承组件支持传动组件。轴承组件传递来自传动组件的旋转力，并在钻孔时支持信任载荷和径向弯曲载荷。
有两种类型的轴承组件。
油封轴承组件:当使用腐蚀性钻井液，需要泵送大量LCM通过BHA，或者需要在钻头上有非常低的压降时，建议使用这种类型。
泥浆润滑轴承组件-这种类型使用一些流过轴承组件的泥浆。通常，它是大约4 - 10%的泥浆，用于润滑和冷却轴和轴承。
可调弯曲外壳
一个可调节的弯曲外壳(图8)连接轴承组件到定子，它也为传动组件提供保护。可以调整泥浆马达的弯曲度，以便在滑动时达到所需的建造速度。如果将角度设置为0度，通常用于提高直井的钻井性能，因为钻头的旋转速度比旋转钻井快。
