螺杆钻具

一、概述

螺杆钻具是一种井下动力钻具，它是由高压泥浆驱动的容积式井下动力钻具。

具有结构简单、过载性能好、在小尺寸时能得到大的扭矩和功率的特性已广泛应用在

定向井和直井中。螺杆钻具根据需要可做成直壳体和弯壳体，弯壳体螺杆钻具具将在《定向井和水平井工具》一章中介绍。直壳体螺杆钻具加上弯接头也常用于定向井和水平井的钻进。本节介绍的是直壳体螺杆钻具。

二、型号表示方法 三、结构、工作原理。 1、工作原理

螺杆钻具是以钻井液为动力的一种井下动力钻具。泥浆泵泵出的钻井液流经旁通阀进入马达，在马达的进、出口形成一定的压力差，推动马达的转子旋转，并将扭矩和转速通过方向轴和传动轴传递给钻头。其性能主要取决于马达的性能参数。

2、螺杆钻具的结构

螺杆钻具主要由旁通阀、马达、万向轴和传动轴等四大部件组成。 （1）旁通阀

它是为了使钻井液绕过马达，从而起下钻时可让钻井液不溢于井台上。当无循环或低泵量循环时，弹簧使阀芯处于上部位置，此时旁通阀处于开启位(见图1)。当流经活塞的钻井液流量达到一定值时，阀芯处于下部，旁通阀被关闭，此时钻井液流过马达。 （2）马达

它是由具有螺旋形内腔的硫化橡胶定子和螺旋形的转子组成(见图2)。 转子和定子的形状和尺寸沿轴向形成螺旋密封线，构成马达的密封容腔。随着转子在定子中的转动，容腔沿着轴向移动，不断生成和消失，完成其能量转换，这就是螺杆马达的基本工作原理。 （3）中空转子马达

为了增加钻头的水马力和泥浆的上返速度及保护马达的使用寿命，将转子加工成为带喷嘴的中空转子。此时马达的总流量应等于流经马达密封腔流量和流经转子喷嘴流量的总和。

为了达到理想的钻井参数，用户可以按以下计算方法选用中空转子的喷嘴：

1)根据泥浆上返流速的要求，确定泥浆泵的输出流量Q。

2)流量Q进人马达时分两路，通过马达螺旋容腔的流量为Qm，通过中空转子喷嘴的流量QP。

即 Q=Qm+Qp 所以 Qm=Q-Qm 设定马达转速n值计算Qm值 Qm=nq／(60﹠) (L／S)

或 n=60Qm﹠／q (r／min)

容积效率小﹠取0.90。q为中空转子马达螺旋容腔的每转排量(L／r)，按下表取值：

型号规格 9LZ244 x 7 7LZ203 x 7 7LZl97 x 7 5LZl72 x 7 5LZl65 x 7 5LZl27 x 7 5LZl20 x 7 5LZl02 x 7 5LZ95 x 7 q(L／r) 14 14 14 14 9．3 9．3 9．3 5 2．6

3) 喷嘴直径

d：托面而汐ZF· (mm) Ap：LXPst+APop

式中：LXPst一马达起动压降(MPa) APop一马达工作压降(Mpa) p一泥浆比重(Kg／L) -

按以上推荐计算公式，用户可以依据使用需要随时更换不同直径的喷嘴，达到理想的要求。

（4） 万向轴(专利万向轴)

它的作用是将马达转子的行星运动转化为传动轴的定轴转动，将马达输出的扭矩及转速

传递给传动轴及钻头。 (见图3)。 （5） 传动轴

它的作用是将马达的旋动力传递给钻头，同时承受钻压所产生的轴向和径向负载。传动轴有不同的结构(见图4)螺杆钻具型号说明的工具。 四、 使用、操作 1、地面检查

（1） 螺杆钻具下井前，先查阅《工具跟踪卡》，其内容与格式见附录A。 （2） 按Q/CNPC-TZ 52检查螺杆钻具两端螺纹。

（3） 用提升短节将螺杆钻具提起坐入转盘卡瓦内，装上安全卡瓦，卸去提升短节。 （4） 用木棒下压旁通阀阀芯，从上部注满水，此时旁通阀应不漏，水面无明显下降。然后松开阀芯，阀芯复位，所注水应从旁通阀口均匀流出。

（5） 接上方钻杆，卸去安全卡瓦，提出卡瓦，下放钻具使旁通阀阀口处于转盘下易于观察的位置。

（6） 逐渐提高排量直到旁通阀关闭、马达起动为止(记下该排量)。不停泵上提螺杆钻具至能看见转动的驱动接头为止。在此过程中可能有部分泥浆经轴承组流出，观察螺杆钻具运转情况，停泵应再下放螺杆钻具，让旁通阀阀口位于转盘以下，检查是否有泥浆经旁通阀阀口顺利流出。 2、 螺杆钻具入井

（1） 地面检查结束后，用吊钳卡住驱动接头，用钻头盒把钻头和螺杆钻具接上(大钳只可咬在旋转传动轴驱动接头上)，紧扣扭矩见表1(注：应保证传动轴驱动接头相对于上面壳体反时针转动，以防止内部螺纹松扣)。

（2）使用弯接头时，定向装置带的转盘套和定位键必须和工具面对正，如果要用回压凡尔，可直接安装在旁通阀上方。如果在驱动接头和钻头之间要加转换接头，其长度应不超尔250mm。

（3）下放钻具时，应控制下放速度。下钻遇阻，应开泵循环，慢慢划眼通过。若带有弯接头或弯壳体的钻具遇阻应周期性地转动钻具，慢慢通过，以防止划出新井眼。

（4） 对于高温井，下放钻具时，要周期性地进行中途循环，以免高温造成螺杆钻具定子损坏。

（5） 在井内，泥浆若不能迅速通过旁通阀阀口流进钻柱中，应向钻柱内灌满泥浆。 （6） 下钻时，不要让钻头接触井底。 3、 启动、钻进、起钻

（1） 钻井液中的含砂量应低于1％。

（2）把钻头提离井底0.3 m～0．6m，开泵循环，用正常的泥浆循环清理，清理时也可慢慢转动钻具(每次转30～45)，依次把堆积在井底的岩屑和沉砂清理干净。

表1 紧扣扭矩

上 端 内 螺 纹 螺杆钻具外径 (mm) 螺纹形式 连接外螺纹 内径mm 38.1 127 3 1／2REG 44.45 57.15 4IF 165 4 1／2REG 5 1／2REG 197 71.44 6 5／SREG 71.44 （3）校对压力值，记录下来。

（4） 重新到达井底，并逐步加钻压，马达转矩增加，立管压力表压力值升高。

（5） 当泵压处于最佳工作状态时，停止增加钻压，泵压会产生波动稳定下降，直到再次调整钻压。

（6） 起钻过程参照常规钻具起钻操作规程。

4、故障分析

五、现场维护保养

1、螺杆钻具起出井后，卸下旁通阀以上各件，用清水冲洗旁通阀，同时上、下移动阀芯，使其移动无阻，清洗完毕，拧上提升短节。

67791~74570 71858~79044 71.44 57.15 57.15 71.44 30100~33109 32214~35441 62639~68903 53690~59060 6 5／5REG 37968 ～43386 6 5／8REG 14317~15755 37963~41759 4 1／2REG 紧扣扭矩 N.m 15660~17219 3 1／2REG 下端内螺纹 螺纹形式 紧扣扭矩N.m 9490 ～12202 16270 ～21693 37963 ～43386 2、将钻头座入钻头盒中，用大钳夹紧螺杆钻具，反时针旋转钻头，排出钻具中剩余泥浆(泥浆由旁通阀阀口流出)，然后卸去钻头。

3、从传动轴驱动接头孔中冲洗泥浆，将传动轴上部水帽及轴承清洗干净，然后平放螺杆钻具，正常维护保养后待用。

4、若暂停使用或长时间搁置不用，向螺杆钻具内注入少量的机油防锈蚀。 5、现场检查，出现判修、判废依据情况之一应回收修理或报废。 六、螺杆钻具修理

1、 对送修的螺杆钻具全部拆卸零部件，进行冲洗去污和除锈处理。

2、螺杆钻具的全部拆卸零部件应按SY/T 5446与JB/T 8468规定的方法进行无损检测，不合格者应更换。发现有缺陷时，该挠性接头应予报废。 3、与钻具连接的螺纹应符合Q/CNPC-TZ 52的规定。

4、维修组装时，除内部连接螺纹和旁通阀与马达连接螺纹涂防粘剂外，其余外部连接螺纹涂锁紧剂。

5、拆装时，台钳应夹持在距母接头端部250mm处，各部连接螺纹锁紧扭矩按表2要求。 6、对拆卸的万向轴、转子、传动轴、推力轴承圈应进行探伤检查。 7、装配时，所有运动配合件应涂黄油防锈，润滑。 8、装配及有关要求 （1）旁通阀总成

1) 橡胶件每拆卸一次，均应全部更换。

2) 阀芯、阀套的密封面不允许冲蚀和轴向的连续点蚀。 3) 弹性挡圈变形和严重磨损，应更换。

4) 弹簧的弹性明显减弱，有深度腐蚀点，均应更换。 5) 阀口组件不允许有筛板冲蚀和丝堵扣损坏的现象。

6) 按阀体、阀芯(“O”型圈)、弹簧、阀套(“O”型圈、密封圈)挡圈、衬套(“O”型圈)筛板、压套次序依次装配。装配时，要保证阀芯旁通孔与阀体旁通孔对正。

7) 装配后，用木棒下压阀芯，感到阀芯与阀套端面相碰时，迅速撒开木棒，阀芯应能顺利、快速弹回，如引三次以上方为合格。 （2） 马达总成

1) 转子有下列情况之一者，不可继续使用：

——在25mm圆周内有深度小于1.6mm，宽度小于3.2mm，数量超过10处的大片中等点蚀； ——深度大于3.2mm，宽度大于6.4mm的严重点蚀；

——深度大于1.6mm，长度大于12.7mm的严重点蚀； ——铬层受腐蚀起泡深度大于3.2mm； ——转子端部螺纹损坏的；

——转子端面过渡圆弧处，深伤后出现深度裂纹的。

表2 螺杆钻具内部螺纹紧扣扭矩

万向轴 ——转子 钻具型号 N.m (FT／LBS) 1356 5 D500 (1000) 1491 5 D1000 (1100) 2169 6—l／2 D500 (1600) 3796 6—1／2D500+4 (2800) 3796 6—1／2 Dl000 (2800) 6一l／2 D100 低速 4881 (3600) 3118 7—3／4 D500 (2300) 5694 7—3／4 D1000 (4200) 5694 7—3／4 D500+4 (4200) 7—3／4 D1000 低 速 17625 (13000) (68) 1.448 (210) (4200) 17625 (13000) (68) 1.448 (210) (4200) 17625 (13000) (68) 1.448 (210) (4200) 17625 (13000) (68) 1.448 （210） (68) 0.469 (4200) 5694 (68) 0.469 (4200) 5694 (68) 0.469 (4200) 5694 (68) 0.469 (38) 0.469 (2300) 6694 (38) 0.469 (2300) 5694 (38) 0.469 (2300) 5694 (38) 0.469 (46) 0.407 (59) 0.262 (2800) 4881 (3600) 3118 (46) 0.407 (59) 0.262 (2800) 4881 (3600) 3118 (46) 0.407 (59) 0.262 (2800) 4881 (3600) 3118 (46) 0.407 (59) 0.262 (46) 0.317 (2800) 3796 (46) 0.317 (2800) 3796 (46) 0.317 (2800) 3796 (46) 0.317 (26) 0.317 (1600) 3796 (26) 0.317 (1600) 3796 (26) 0.317 (1600) 3796 (26) 0.31 (18) 0.179 (1100) 2169 (18) 0.179 (1l00) 2169 (18) 0.179 (1100) 2169 (18) 0.17 (17) 0.124 (1000) 1491 (17) 0.124 (1000) 1491 (17) 0.124 (1000) 1491 (17) 0.12 MPa (PSl) 0.117 N.m (FT／LBS) 1356 MPa (PSl) 0.117 N.m (FT／LBS) 1356 MPa (PSl) 0.117 N.m (FT／lBS) 1356 Mpa (PSI) 0.117 万向轴 ——连杆 万向轴 ——转动轴水帽 水 帽 ——传动轴

2) 定子橡胶若有粘接层剥离、过度磨损、大面积掉块，均应更换。 3) 定子斜置，空干余水，转子涂润滑脂，推入定子中。 （3）万向轴总成

1) 万向轴胶套有破损、变形、划伤，应予更换。

2) 用丝锥或板牙检查万向轴两端堵头螺纹，不能通过，应予更换。 3) 两瓣相对扭转测量两瓣之间最大间隙，超过表3规定，应予更换

表3 万向轴瓣间隙磨损极限

钻 具 型 号 5 (D500型、Dl000型) 6.35 6 1／2(Dl000型、500TC型、D500+4型、D1000低速型) 7 3／4(D500型、D500TC型、D500+4型、Dl000型、D1000低速型) 4) 按JB/T 8468规定的方法对万向轴壳体外螺纹进行无损检测，发现根部有裂纹，应予更换。

5) 装配后的万向轴应注入高压润滑脂或二硫化钼三号复合钙基润滑脂。 （4） 橡胶轴承传动轴总成

1) 轴向弹性挡圈，翻边变形严重磨损，应予更换。

2) 粘结套磨损超过下列标准时，应予更换：100mm(37/8in)螺杆钻具粘接套磨损直径小于Ф60.5mm；165.1mm(61／2in)螺杆钻具粘接套磨损直径小于Ф70.2mm，196.85mm(73/4lin)螺杆钻具粘接套磨损直径小于Ф98.35mm。

3) 推力轴承滚道出现凹坑、大片点蚀，销孔或槽磨损严重有裂纹，滚道磨损严重，均应成对更换。

4) 轴承钢球磨损量大于0.25mm，钢球碎裂，点蚀严重，均应成套更换。 5) 磁粉探伤传动轴外螺纹及轴体变径处，发现有裂纹，应予更换。 6) 传动轴水帽内孔及流道口有严重冲蚀，应予更换。

7) 辅助轴承和径向轴承过度冲蚀，橡胶掉块和脱胶，应予更换。 8) 迷宫内环内径与传动轴外径间隙超过0.81mm时，应予更换。 9) 传动轴内螺纹及端部有轻度碰伤、磨损，经修复后可继续使用。

9.5 磨 损 极 限 10) 轴体镀铬层大片脱落，大片点蚀，应修复后再用。 11) 内六角紧定螺钉每维修一次都应更换。

12) 装配后，上轴承上圈与对开卡套之间隙范围为0.79至2.38mm，否则，通过调整垫片调整。 （5） 硬质合金轴承传动轴总成

1) 硬质合金轴承磨损后，动静轴承的最大允许间隙为2.30mm。 2) 硬质合金轴承动圈的粘结面不允许有分离、脱落、裂缝。 3) 硬质合金轴承动圈牙嵌处保证直角。

4) 硬质合金轴承动圈与传动轴外径间隙应保持在0.51mm与1.02mm。 5) 其它零件的检验与修复可参照橡胶轴承各项。 6) 装配后，间隙范围同4.4.12条。 9、 检验

（1） 螺杆钻具修复后，要进行液马达单元试验或转定子水密封试验，其试验方法是将配合好的马达总成斜放30°，充满水后进行观察，如另一端立即涌出水表明配合过松；另一端若无水渗出，表明配合过紧；充满水后5min有少量水渗出，表明配合适中。

（2） 在室温下，向无载荷状况下的钻具输入介质，进行常温启动试验，并记录钻具入口启动压力值。

（3） 经验收合格后，填写产品质量检验单及工具跟踪卡， 填写产品合格证。

七、判修、判废依据 1、判修依据

（1） 螺杆钻具连续工作时间达到一个周期应回收检修。使用周期规定如下：

——压力降为3．5MPa时规定为50h； ——压力降为7MPa时规定为100h。

（2）若泥浆压力没有达到螺杆钻具压力降2倍，造成失速，甚止停转，则反映该钻具定子和转子配合过松或已磨损严重，应回收检修。

（3） 螺纹损伤超过Q/CNPC-TZ 52规定，应回收检修。 （4）存放时间超过18个月，应重新检修。 2、报废标准

（1）转子和定子报废时，该套螺杆钻具予以报废。

（2）正常的井下作业5个周期后，该套螺杆钻具予以报废。 八、标准、规范

SY/T5383-91、Q/CNPC-TZ 38-2003《螺杆钻具使用、维护及修理技术规程》