螺杆钻具特性分析

螺杆钻具采用容积式单螺杆液马达作为动力机。无工作液漏失、无摩擦的理想马达是不存在的。马达工作液的漏失使得螺杆钻具总效率降低，并导致其实际工作特性偏离理论工作特性。在相同负载下，马达副的配合间隙对螺杆钻具的流量—转速特性影响很大，配合过盈量在０～０．３０ｍｍ范围内，螺杆钻具的功率及总效率较高；对漏失量超过２Ｌ／ｍｉｎ的液马达，建议不要继续使用。负载（转子输出扭矩）是影响流量—转速特性的另一重要因素，试验表明，螺杆钻具在最佳工况时的扭矩是制动扭矩的５０％～７０％。按螺杆钻具在不同流量下的扭矩—转速特性，为适应牙轮钻头钻井工况的要求，设计马达时应尽量降低转速，提高输出扭矩。     

关于采用氟化橡胶定子及镀铬转子提高井下螺杆动力钻具工作副寿命可能性的探讨

井下螺杆动力钻具的工作寿命是决定油气井钻井经济技术指标的重要因素之一。对井下动力钻具的分析表明，在1987年里，根据钻井地区的不同，采用清水钻进时，д1－195型螺杆钻具定子的平均工作寿命为132～181h，而采用钻井泥浆钻进时，为80h（苏尔古特油气田）。限定螺杆钻具工作寿命的关键部件是其工作副。例如，在被检修的89只螺杆钻具中，有66只工作副磨损（占67％），7只定子橡胶筒脱落（占7％），3只橡胶遭撕裂（占3％）。也就是说，在抽逃的螺杆钻具中，工作副损坏者占77％。全俄钻井研究院别尔姆分院的科技工作者完成了提高螺杆钻具工作副耐用性的试验研究工作，采用橡胶表面外理和金属表面强化的方法，来改善定子及转子的制造工艺。     

螺杆钻具定转子热力耦合行为

针对螺杆钻具定转子啮合热滞后常常引起定子烧心失效这一工程难题,建立了三维螺杆马达定转子动态仿真模型,编写相关计算程序与仿真软件二次开发子程序,利用单向解耦方法,将复杂的动态超弹性材料热力耦合问题分解为形变分析、损耗分析和传热学分析3部分,对影响定子衬套线型及温度分布的相关因素进行热力耦合有限元分析。研究发现,热滞后对定子的温度分布与定子型线位移有较大影响,钻井液压力对定子型线的位移分布影响最大,同时也会加大定子的滞后生热,而过盈量的大小也对定子的滞后生热有着较大影响,当井深达到一定深度时,不适当的过盈量会导致螺杆马达效率降低。研究结果为螺杆钻具在使用过程中常常出现的烧心、效率降低、转速慢等现象提供了理论支撑,同时也为螺杆钻具定转子线型结构优化提供理论依据。     

俄罗斯两项螺杆钻具专利技术简介

鉴于螺杆钻具不能完全适应当代先进钻井工艺要求的状况 ,从其技术改进的成果中简要介绍了俄罗斯两项螺杆钻具专利技术 :其一 ,自动补偿转子和定子磨损的螺杆钻具。该螺杆钻具的马达采用自动补偿转子和定子磨损的结构 ,可以延长其工作寿命 ,使之在钻井过程中始终保持高效率。其二 ,产生轴向脉冲载荷的螺杆钻具。钻具工作中 ,在转子上产生的轴向振动 ,使钻头的轴向力及由转子传递给钻头的扭矩具有同步变化的特性 ,既可以提高钻头破岩效率 ,也有利于克服钻柱与井壁的摩擦力 ,对于钻水平井尤其有重要意义。     

串联多级螺杆钻具提高钻井性能

讨论了设计螺杆钻具动力部件时的四个主要变量:转子—定子线数比;螺旋倾角;最大设计压降和级数。对比串联多级螺杆钻具与常规螺杆钻具的性能。     

等壁厚螺杆钻具的研制与现场应用

为提高螺杆钻具的使用寿命,研制了等壁厚螺杆钻具。通过研究等壁厚螺杆钻具关键参数,确定了172mm等壁厚螺杆定子衬套厚度为10mm,定/转子头数比为5:6;室内等壁厚螺杆钻具与普通螺杆钻具的性能对比试验表明:同等条件下等壁厚螺杆钻具容积效率、转速、输出扭矩、总效率和输出转矩均优于常规螺杆钻具。在现场应用中,等壁厚螺杆钻具比常规螺杆钻具纯钻时间提高48.79%,机械钻速提高30%,进尺增加465.05m,取得了良好效果。     

井温对螺杆钻具使用性能的影响

对井底温度引起螺杆钻具定子橡胶的变化进行了理论分析,利用模拟加热试验方法找出定子橡胶尺寸随温升的变化规律。提出改进橡胶配方、选择合适的粘接剂及合理配置过盈量的方法,可以有效地提高螺杆钻具的扭矩,延长螺杆钻具使用寿命,避免掉胶等质量事故的发生,对于螺杆钻具的合理配置和选型有一定的借鉴意义。     

螺杆钻具工作特性和结构参数的分析研究

为了提高现代螺杆钻具的设计和使用水平,分析研究了螺杆钻具在空转工况、最优工况、稳定工作区边界工况和制动工况下的工作特性,以及螺杆钻具主轴转矩、工作容积、压力降、螺杆 衬套副的效率和直径过盈值等结构参数。提出了以螺杆钻具 钻头 油井系统的综合负载特性曲线作为螺杆钻具正确选择和使用的依据。为提高定向井和水平井用螺杆钻具的主轴转矩,推荐在减小工作容积的同时,增加其导程数以及减小其直径过盈值。最后建议开发设计多功能螺杆钻具,以扩大螺杆钻具在钻井和修井中的适应性以及缩减其零配件的种类和数量。     

基于齿条啮合的螺杆钻具定转子造型设计理论

用传统的线型设计方法设计的定转子轮廓线在摆线弧和圆弧连接处不平滑,该部位在运行过程中不断磨损定子橡胶,会加速橡胶衬套的损坏,缩短螺杆钻具的使用寿命。而基于齿条啮合方法的定转子造型设计不仅可以克服传统线型的造型缺点,而且还可设定更多参数,获得的线型也更加多样,除了用于螺杆钻具定转子线型外,还可供其他螺杆式水力机械使用。为此,利用数学分析方法详细论述了螺杆钻具定子及其啮合转子的线型生成过程,得到了不同参数下的定子及其共轭转子线型的参数方程,可通过基本参数对定转子线型进行精细控制。比较了不同水平偏移量下定子线型的变化情况,阐述了该参数对线型的影响。研究结果可为螺杆式水力机械定转子线型设计提供参考。     

螺杆钻具定子电解加工阴极计算机辅助设计

以等壁厚螺杆钻具定子为研究对象,在分析螺杆钻具定子曲线的基础上,介绍了有限元数值解法在求解电解加工间隙电势分布的拉普拉斯(Laplace)方程几何反问题上的应用,并用ANSYS有限元软件分析了加工间隙电场强度分布,完成了螺杆钻具定子电解加工的阴极设计。     

新型等壁厚螺杆钻具定子结构设计及力学分析

等壁厚螺杆钻具定子以其独特的性能受到国内外专家学者的推崇,但是其细长内螺旋曲面的存在带来了加工上的困难。提出了套装式螺杆钻具马达定子结构设计方案,变定子整体加工为分层加工,降低加工难度。通过有限元法对其在不同过盈量、均匀内压下的力学性能进行分析,获得套装式定子结构的应力分布规律,为套装式等壁厚螺杆钻具定子设计与应用提供理论依据。     

高造斜率螺杆钻具提速技术研究与应用

针对定向井施工过程中,滑动钻进机械钻速慢、滑动进尺比例高的问题,提出了一种调整螺杆钻具弯点位置的高造斜率短弯螺杆设计思路,以降低滑动钻进比例,提高机械钻速。基于平衡趋势角法评价分析了短弯螺杆钻具的造斜能力,依据分析结果确定了短弯螺杆钻具关键结构参数,将弯点距转子输入接头端面缩短了300-400 mm,实现了短弯螺杆钻具高造斜率与结构参数设计的有机统一。涪陵页岩气田现场应用结果表明,该螺杆钻具可有效提高滑动钻进造斜率37.14以上,降低定向过程中滑动进尺比例69.61%以上,提高机械钻速37.81%。     

螺杆钻具等壁厚衬套的设计及仿真分析

螺杆钻具以其独特的优势在定向钻井生产中得到青睐,但仍不能广泛应用于深井、高密度钻井液井以及小曲率半径的水平井。常规衬套的内表面是螺旋曲面,橡胶衬套厚薄不均,衬套抗变形能力低,单级承压小,泄漏沿程长,机械特性软,热膨胀不均、磨损速度快,故导致效率持续降低。因此,长度短、大功率、高压降、低转速螺杆钻具的开发与应用,已成为提高钻井效率、节约钻井成本的重要环节。为此,设计了一种等壁厚螺杆钻具衬套,进行了螺杆钻具橡胶衬套力学性能实验,建立了螺杆钻具等壁厚衬套和常规衬套的力学计算模型。结果表明,在相同压力下,等壁厚衬套比常规衬套有更好的抗形变能力;在相同的过盈量下,等壁厚衬套有更好的密封能力。在同等扭矩下,等壁厚定子螺杆钻具的定子长度可以得到缩短。     

阶梯形螺杆衬套副的设计及有限元分析

针对目前空气螺杆钻具的核心部件——螺杆衬套副仍采用液动螺杆钻具的等导程、等横截面结构,在工作过程中会加速衬套橡胶老化,缩短螺杆钻具寿命等问题,设计了阶梯形变容积螺杆衬套副,并进行了算例设计。计算结果表明,螺杆钻具从入口端至出口端等效应力、接触应力逐渐加大;衬套副等效应力、接触应力随着过盈量的增大而增大。螺杆衬套副磨损量随着过盈量的增大而增大,但过盈量越小,密封效果也随之变差,一般取过盈量为0.5 mm。可通过改变衬套副几何尺寸来改变输出特性参数,从而适应不同钻头及不同地质条件的要求。     

中空转子螺杆钻具外特性存在问题的讨论

讨论了中空转子螺杆钻具转速软特性和中空分流功率损失的外特性问题，指出速度刚度与过载失速是评价中空转子螺杆钻具转速软特性的两个重要参数，同时分析了造成中空转子螺杆钻具转速特性变软的原因。通过计算某型中空转子螺杆钻具的额定失速、过载失速和额定功率损失，从量上分析了中空转子螺杆钻具转速特性软的程度及螺杆钻具高启动压降所带来的不利影响，进而说明中空转子螺杆钻具的转速特性有待于改进。     

螺杆钻具马达线型的替代和修正

针对螺杆钻具马达在设计和制造过程中遇到的转定子理论线型打扣和定子橡胶收缩变形问题 ,以普通内摆线等距线型螺杆钻具马达为例 ,从线型理论上进行了分析和研究 ,在保证马达转子 定子副正确啮合的前提下 ,提出了用变距线替代和修正马达转定子线型的新方法 ,该方法比用圆弧法替代和修正马达线型更科学、更方便 ,对优化螺杆钻具马达设计 ,提高马达制造质量和马达工作效率 ,改善马达工作特性具有重要的指导意义。     

螺杆钻具配合高效钻头提高钻井效率的试验研究

在深井和超深井钻井中,由于"转盘钻配合牙轮钻头"限制了钻头转速的提高。1997年在青海油田冷科1井三个井段进行了"螺杆钻具配合高效钻头"提高钻井效率的试验研究。第1次在3727.40~3751.87m,进尺24.47m,机械钻这0.87m/h,钻速比牙轮钻头提高20.83%;第2次在3756.77~3898.83m,进尺142.06m,机械钻速1.27m/h,比牙轮钻头进尺提高近2倍,钻速提高75.83%;第3次在4200.26~4305.45m,进尺105.19m,机械钻速0.74m/h,钻速比牙轮钻头提高60.87%。试验结果表明,使用"螺杆钻具配合高效钻头"不仅能提高深部井段的机械钻这,而且如果钻头、地层和螺杆钻具三者匹配合适,其它参数选用得当的话,提高钻速还有很大潜力。     

模拟温度场的螺杆钻具试验装置方案设计

井内温度是随井深而增加，最高达150℃，会使螺杆钻具的橡胶和金属膨胀，减少定、转子之间的配合值，严重影响螺杆钻具的性能。国内现有的螺杆钻具试验装置是在常温下测试其性能参数，与实际工况不符。为了模拟井内的温度场，提出2种方案，便于用试验方法研究温度对螺杆钻具性能的影响规律。方案二建立了模拟井筒，用热空气加热井筒环空，试验所得的螺杆钻具性能参数更符合实际。     

一种新型低速井下动力钻具

涡轮钻具和螺杆钻具是人们熟悉的井下动力钻具,但将涡轮钻具与螺杆钻具联接起来,装配成"涡轮-螺杆"钻具则还是前苏联的创造。1992年第1期《石油业》首次详细报道了这种新型井下动力钻具的动力性能和现场使用情况。     

螺杆钻具失效分析及预防措施

螺杆钻具是以钻井液为动力的井下电动机（动力钻具）之一，广泛地应用于各类丛式井、定向井。由于操作者没有完全掌握其结构机理及正确的使用方法，造成螺杆钻具的早期磨损以致报废，增加起下钻次数，影响钻井速度，使钻井综合成本上升。对江汉油田动用的螺杆钻具综合分析，找出其失效原因，介绍正确使用螺杆的方法及注意事项。