螺杆钻具（将压力能转为机械能的动力钻具）

英文简称

Screw drilling tool

拼音

螺杆钻具

简介

一种渐进空腔型容积式孔底动力机，简称螺杆钻。以泥浆、清水为动力介质，通过钻杆中心孔输送到孔底的螺杆钻，实质上是把液体压力能转换为机械能的一种能量转换装置。钻探时，螺杆钻直接带动连接在其孔底传动轴上的岩心管和钻头回转，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。

1955年，美国克利斯坦森矿山钻探制品公司根据莫因诺原理开始研究，于1964年首先取得成功，定名为“戴纳钻”;苏联于70年代初研究成功“凸”型螺杆钻；中国地矿部勘探技术研究所于80年代初研制螺杆钻成功。至今生产螺杆钻的国家有美国、俄罗斯、中国、德国等。

螺杆钻最早是用来打垂直孔，主要用来打各种定向孔和特种工程孔（如矿井冻结孔）。最大钻孔深度达9023米。目前世界上螺杆钻最小直径为44.5毫米，最大直径为304.8毫米。利用螺杆钻进行岩心钻探时，应在驱动轴与钻头间加上岩心管采取岩心。

螺杆钻由旁通阀、螺杆马达（转子和定子）、万向节、轴承和驱动轴几部分组成，其核心是螺杆马达。在螺杆马达转子、定子传动副中，定子齿数Z1比转子齿数Z2多一个：即Z1= Z2+1。它们的齿数比通常称为传动比，设计时，可任意选择(1:2,2:3,...,9:10)。设计高转速的螺杆钻应采用小齿数比螺杆马达，而设计低速大扭矩的螺杆钻应采用大齿数比螺杆马达。随着转子定子齿数比的增大，其效率逐渐趋于下降；螺杆钻的输出扭矩取决于通过马达的工作压力降，输出转速取决于通过螺杆马达工作介质的流量。

钻探时，仍然需要钻探机、泥浆泵、钻杆和钻塔等常规钻探装备。施工定向钻孔时，要借助定向仪给造斜工具定向。与螺杆钻配套使用的造斜工具有弯接头、弯外管和偏心块等。采用螺杆钻施工定向孔能提高钻孔质量，提供精确地质资料，节约进尺，降低成本，解决许多无法施工的工程难题，因此，它是钻探工程的一种特种工具。

螺杆钻的使用寿命一般为150～200小时，其薄弱环节是定子橡胶耐高温程度低，轴承易损坏。加紧研制与开发用于制造定子的抗磨损耐高温的弹性材料与可靠的轴承系统，从而使螺杆钻的工作寿命得到显著提高。并研制低速大扭矩螺杆以适用于钻深孔和超深孔。

螺杆钻具

组成

螺杆钻具主要由旁通阀、液马达、万向轴和传动轴等四大总成组成。螺杆马达是钻具的主要部件，很多实践和理论分析结果表明，如欲使马达正常有效地工作，每级马达所能承受的压降以不超过0.8Mpa为宜，否则马达就有漏失。转速很快降低，严重时则完全停止转动，马达损坏。（马达的一个导程为一级）现场使用的泥浆流量应在推荐的使用范围内，否则将影响马达效率，甚至加大磨损。螺杆马达的性能参数是螺杆钻具的主要性能参数。马达的理论输出扭矩和马达压降成正比，输出转数与输入泥浆流量成正比，随着负荷的增加钻具转数降低，所以只要控制地面上的压力表的读数和泵的流量，就能控制井下钻具的扭矩和转速。

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。我公司制造的钻具传动轴结构(如图7所示)已申请国家专利，具有寿命更长、承载能力更高等诸多优点。

使用要求

1、钻井液要求：螺杆钻具对于各种泥浆都能有效地工作，包括油基泥浆、乳化泥浆和粘土泥浆，甚至清水等。泥浆粘度和比重对钻具的影响很小，但对整个系统的压力有直接影响，如果推荐排量下的压力大于额定泵压值，就得减少泥浆排量，或者有必要降低通过钻具和钻头的压力降。泥浆中的砂粒等杂质会影响钻具性能，加速轴承和马达定子的磨损，因此泥浆中含砂量必须控制在1%以下。每种型号的钻具都有自身的输入流量范围，只有在此范围内钻具才能有较高的效率，一般应取输入流量范围的中间值为最佳输入流量值。

2、泥浆压力要求：钻具悬空时，排量不变，则通过钻具的泥浆压力降也不变，随着钻头 接触井底钻压增加时，泥浆循环压力增加，泵压也增加，司钻可用以下公式来控制操作：打钻泵压=循环泵压+钻具负载压降 循环泵压就是钻具没有接触井底时泵压，也叫离底泵压，钻具加大扭矩，泵压就要上升，这时压力表的读数就叫打钻泵压。离底泵压不是一个常数，它随井深和泥浆的特性变化而变化，但实际操作中，无必要随时测取循环泵压的精度值，一般取每次接单根后的离底泵压为近似值，这样做完全可以满足公式的精度要求。钻具在工作中，打钻泵压达到最大推荐压力时，钻具产生最佳扭矩继续增加钻压将增加泵压，当超过最大设计压力时，马达可能会制动，此时应立即降低钻压，以防钻具内部损坏。

使用方法

螺杆钻具在出厂前，各部件之间的连接螺纹均已涂厌氧胶，并按规定力矩上紧，使用前不需要重新紧扣。

1、下井前地面检查：用提升短节将钻具提起，入转盘卡瓦内，使旁通阀位于转盘之上，装上安全卡瓦，卸去提升短节，检查旁通阀的灵活性，方法是用木棒压下阀芯，然后松开，阀芯在弹簧力的作用下，恢复正常，反复压下3-5次，阀芯无卡阻，运动灵活，接着将钻具旁通孔部位下到钻盘以下开泵，旁通孔封闭，马达启动，驱动接头旋转，停泵后，阀芯复位，泥浆从旁通孔泻出，钻具正常。

2、钻具下入井内 (1)钻具下井时，严格控制下放速度，以防过快时马达倒转，使内部连接丝扣脱扣，同时防止在通过砂桥、套管鞋等处撞坏钻具。(2)当下入深井段或遇到高温井段时，以及经过流砂层井段时，应定期循环泥浆冷却钻具，保护定子橡胶，防止砂堵。(3)钻具接近井底时要放慢速度，提前循环后再继续下钻，循环先小排量，待井口返出泥浆后，再加大排量。(4)不允许顿钻或将钻具座在井底。

3、钻具钻进 (1)钻具钻进前应充分清洗井底，并测循环泵压。(2)开始钻进时应缓慢加钻压，待正常钻进时，司钻可用下列公式控制操作：打钻泵压=循环泵压+钻具负载压降 (3)开始钻进，钻进速度不宜太快，此时钻具和钻头都很紧，井底尚未 清洗，易产生钻头泥包。(4)钻具产生的扭矩与马达的压力降成正比，因此增大钻压就能增大扭矩。(5)均匀送钻能保证井段的曲线光滑和定向精度。

4、从井眼中起出并检查钻具 (1)用清水冲洗旁通阀，用木棒上、下活动阀芯，使其能关闭灵活为止。(2)用管钳咬住钻具，用链钳顺时针转动驱动接头，从旁通阀上部注入清水清洗钻具内部，最后向马达内注入少量矿物油。(3)起钻应注意起钻速度，以防卡钻损坏钻具。(4)测量钻具的轴承间隙，如轴承间隙超过最大允差，应对钻具进行维修，更换新轴承(对于修井钻则应调整轴承的轴向间隙)。

螺杆钻具下井前的地面检查

螺杆钻具下井前的地面检查

1.螺杆钻具除了提升短节与旁通阀连接外，其他部分的壳体连接均涂锁紧剂。

2.用螺杆钻头装卸器把螺杆钻头装上，只许用链钳转动螺杆钻具传动轴头，而且只能逆时针旋转（俯视旋向，下同），以防止内部螺纹松扣。

3.吊起提升短节，把螺杆钻具放入转盘中，把旁通阀置于转盘中易于观察的位置。用卡瓦把螺杆钻具卡牢，卸去提升短节。

4.检查旁通阀：用锤柄或木棒向下压旁通阀芯，从上部向旁通阀注满水，此时旁通阀应不漏，水面无明显下降，然后挪走木棒，阀芯应被弹簧弹起复位，所注水应从侧面各孔均匀流出，即可认为正常。

5.下放后，使旁通阀位于钻杆下方便于观察的地方，开动钻井泵，逐渐提高排量直到旁通阀关闭，上提螺杆钻具，看螺杆钻头是否转动，此时旁通阀处于“关闭”位置。不应有钻井液从旁通孔流出。停泵后注意观察旁通阀是否再次打开，使钻井液从旁通孔排出。泵未完全停止之前，不要把旁通阀提到转盘以上，防止污染井台。

6.按设计的螺杆钻具组合，分别把弯接头、无磁钻铤、稳定器等接好。

把螺杆钻具下到井眼

钻下放螺杆钻具时，需控制下放速度，否则易被井眼中的沙桥、井眼台肩、套管鞋所损坏。如遇到这样的井段，往往需开动钻井泵，慢慢地扩大井眼再通过。

如果用弯接头或弯壳体，螺杆钻头侧面就更易碰上井壁的硬岩层和套管鞋等，要周期性的转动螺杆钻具，以消除侧钻的影响。

对于深井和高温井，下放螺杆钻具时建议周期性地进行中途循环，这样可以防止螺杆钻头堵塞，或因高温造成螺杆钻具定子损坏。

在井内，钻井液若不能迅速通过旁通阀阀口，应减慢下井速度，或不时停下来充灌泥浆，下钻时，注意不可墩钻或将螺杆钻具直接放进井底。

开动螺杆钻具：

如果螺杆钻具处于井底，必须提起0.3-0.4m，开动钻井泵，此时记下立杆压力表读数，与计算的压力值对比一下，如果超过水力计算的压力数值也是正常的，这是螺杆钻头侧钻引起的。

清理井底：尤其是打斜井，井底必须足够“干净”，因为井底堆积或沉淀的岩屑影响转速或造斜。最好用正常的钻井液循环清理，清理时也可慢慢转动螺杆钻具或螺杆钻具分次转动（每次转动30o-40o），依次地把堆在井底的物体清理干净。清理干净后，再把螺杆钻具上提0.3-0.4m，校对压力值，记录下来。

重新下入井底并逐步加钻压，马达扭矩增加，立杆压力表压值升高，这个升高的压力值应符合各型号螺杆钻具规定的马达压降值，此压力表增大的数值反映了马达的负载是否正常，也反映钻压加的是否合适，因此保持马达转速基本稳定，钻压基本稳定，只要把立杆压力表读数限制在所选螺杆钻具推荐范围内就可以了。它能使司钻及时了解螺杆钻具工作情况。

螺杆钻头不在井底时，如果循环压力高，则可能是螺杆钻头水眼被堵或传动轴被卡死。

起钻：

起钻时，旁通阀处于旁通状态，允许钻柱中的钻井液泻入环空，但是螺杆钻具本身不能排出钻井液，通常在起钻前在钻柱上部注入一段加重钻井液顺利排出。

1.在螺杆钻具提出到旁通阀位置后，卸下旁通阀口上各部件，用清水从旁通阀顶部进行冲洗，然后使用木棒或锤柄等将阀芯按下、松开使其移动无阻。清洗完毕，拧上提升短节，提出螺杆钻具。