螺桿鉆具(PDM)工作機理及高性能長壽命的整機系統(tǒng)研究ppt課件

1、螺桿鉆具PDM任務(wù)機理及高性能長壽命的整機系統(tǒng)研討.高性能長壽命螺桿鉆具PDM關(guān)鍵部件及整機裝配研討螺桿鉆具PDM概述1螺桿鉆具失效方式及失效機理2高性能長壽命螺桿鉆具研制關(guān)鍵技術(shù)3一些建議和研討4螺桿鉆具PDM概述11.1螺桿鉆具任務(wù)原理與組成1.2螺桿鉆具特點1.3螺桿鉆具選擇與本卷須知螺桿鉆具PDM概述11.1螺桿鉆具任務(wù)原理與組成螺桿鉆具是以泥漿為動力的一種井下工具，其由傳動軸總成、馬達(dá)總成、萬向軸總成、防掉總成和旁通閥總成五大部分組成 。1.1.1螺桿鉆具任務(wù)原理12泥漿泵輸出的泥漿，流經(jīng)旁通閥進(jìn)入馬達(dá).在馬達(dá)進(jìn)出口構(gòu)成一定壓差推進(jìn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),并將扭矩和轉(zhuǎn)速經(jīng)過萬向軸和傳動軸傳送

2、給鉆頭。螺桿鉆具的性能主要取決于馬達(dá)總成。 將泥漿液體壓力能轉(zhuǎn)化成機械能。高壓泥漿流經(jīng)旁通閥進(jìn)入馬達(dá)，驅(qū)動轉(zhuǎn)子繞定子軸線旋轉(zhuǎn)，馬達(dá)產(chǎn)生的扭矩和轉(zhuǎn)速經(jīng)過萬向軸和傳動軸傳送給鉆頭，從而實現(xiàn)鉆井作業(yè)。旁通閥總成馬達(dá)總成萬向軸總成傳動軸總成防掉總成12莫锘原理的容積式井下動力鉆具。1.1.2螺桿鉆具組成1、旁通閥總成2、防掉總成3、馬達(dá)總成4、萬向軸總成5、傳動軸總成 其由旁通閥總成、防掉總成、馬達(dá)總成、萬向軸總成和傳動軸總成五大部分組成 。旁通閥總成馬達(dá)總成萬向軸總成傳動軸總成防掉總成1、旁通閥總成作用：旁通閥的閉合與開啟控制馬達(dá)的啟動與停頓。主要由閥體、閥芯、閥套、彈簧、篩板、密封件、孔用擋圈組成

3、。ab閥芯閥套篩板閥體隔板隔板密封件彈簧擋圈擋圈旁通閥總成：它有旁通和封鎖兩個位置，在起下鉆作業(yè)過程中處于旁通位置，使鉆柱中泥漿循環(huán)繞過不經(jīng)過馬達(dá)進(jìn)入環(huán)空，這樣起下鉆時泥漿不溢于井臺上。 泥漿泥漿泥漿泥漿泥漿當(dāng)泥漿流量和壓力到達(dá)規(guī)范設(shè)定值時，閥芯下移，封鎖旁通閥孔，此時泥漿流經(jīng)馬達(dá)，使其轉(zhuǎn)變成機械能。 當(dāng)泥漿流量值過小或停泵時，所產(chǎn)生的壓力缺乏以抑制彈簧力和靜摩擦力時，彈簧把閥芯頂起，旁通閥孔又處于開啟位置。abc旁通閥總成旁通閥總成裝配.防掉接頭防掉總成的組成：作用是由于異常緣由呵斥殼體斷裂或脫扣時防止落井并同時使泵壓升高使地面及時發(fā)現(xiàn)問題防止呵斥事故。防掉鎖母防掉連桿2、防掉總成防掉接頭防

4、掉鎖母防掉連桿泥漿泥漿作用是由于異常緣由呵斥殼體斷裂或脫扣時防止落井并同時使泵壓升高使地面及時發(fā)現(xiàn)問題防止呵斥事故。由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子是在鋼管內(nèi)壁上壓注橡膠襯套而成。橡膠內(nèi)孔是具有一定幾何參數(shù)的螺旋。轉(zhuǎn)子是一根有鍍鉻硬層的螺桿。 定子轉(zhuǎn)子橡膠襯套定子殼體3、馬達(dá)總成abcd馬達(dá)總成 定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子與定子相互嚙合，是用兩者的導(dǎo)程差而構(gòu)成的螺旋密封線，同時構(gòu)成密封腔。隨著轉(zhuǎn)子在定子中的轉(zhuǎn)動，密封腔沿著軸向挪動，不斷的生成與消逝，完成其能量轉(zhuǎn)換，這就是螺桿馬達(dá)的根本任務(wù)原理。密封艙 馬達(dá)定子一個導(dǎo)程組成一個密封腔，也稱為一級。每級額定任務(wù)壓降為0.8Mpa,最大壓降為額定任務(wù)壓力的1.3倍，如四級

5、馬達(dá)，額定壓降應(yīng)為3.2Mpa,最大壓降為4.2Mpa。壓降超越此值馬達(dá)就會產(chǎn)生走漏，轉(zhuǎn)速很快下降，嚴(yán)重時會完全停頓轉(zhuǎn)動，甚至呵斥馬達(dá)損壞，用戶應(yīng)特別留意。 為了確保馬達(dá)的密封效果，轉(zhuǎn)子與定子之間的配合尺寸與不同井深的溫度有關(guān),因此在選擇鉆具時應(yīng)盡能夠準(zhǔn)確地提供應(yīng)廠家鉆具運用場所的井溫情況，以便引薦運用松緊配合形狀適宜的馬達(dá)。現(xiàn)場運用的泥漿流量應(yīng)在引薦的范圍之內(nèi),否那么將影響馬達(dá)效率，甚至馬達(dá)磨損加快。 馬達(dá)的輸出扭矩與馬達(dá)的壓降成正比，輸出轉(zhuǎn)速與輸入泥漿量成正比，隨著負(fù)載的添加，鉆具的轉(zhuǎn)速有所降低，因此在地面只需根據(jù)壓力表控制壓力，根據(jù)流量計控制泵的流量，就可以控制井下鉆具的扭矩和轉(zhuǎn)速。定子

6、轉(zhuǎn)子密封艙馬達(dá)轉(zhuǎn)子的螺旋線有單頭和多頭之分定子的螺旋線頭數(shù)比轉(zhuǎn)子多1。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。以下圖是幾種典型馬達(dá)配合的截面輪廊： 1:23:45:67:89:10abc 此馬達(dá)的總流量應(yīng)等于流經(jīng)馬達(dá)密封腔流量和流經(jīng)轉(zhuǎn)子噴嘴流量的總和，每種規(guī)格的馬達(dá)都有其引薦的最大和最小流量值。假設(shè)流量過大，轉(zhuǎn)子會超速運轉(zhuǎn)，定子和轉(zhuǎn)子會出現(xiàn)提早損壞，假設(shè)流量過小，馬達(dá)將停頓轉(zhuǎn)動。因此在選擇轉(zhuǎn)子噴嘴尺寸時，應(yīng)確保馬達(dá)密封腔流量一直堅持或高于最小引薦流量值，這樣才干使馬達(dá)正常運轉(zhuǎn)。 在泥漿密度、 噴嘴尺寸和馬達(dá)流量為定量時，流經(jīng)轉(zhuǎn)子噴嘴的流量和流經(jīng)馬達(dá)密封腔的流量總是隨

7、負(fù)載變化而變化的。鉆頭分開井底，馬達(dá)負(fù)載近似為零，此時流經(jīng)轉(zhuǎn)子噴嘴流量最小，而流經(jīng)馬達(dá)密封腔的流量最大。鉆頭鉆進(jìn)，使馬達(dá)壓差不斷添加，使流經(jīng)轉(zhuǎn)子噴嘴流量添加，而此時流經(jīng)馬達(dá)密封腔流量減少。中空轉(zhuǎn)子中空轉(zhuǎn)子馬達(dá) ：為了添加鉆頭的水馬力和泥漿的上返速度，將轉(zhuǎn)子加工成為帶噴嘴的中空轉(zhuǎn)子。 中空噴嘴的計算 ： 流經(jīng)馬達(dá)密封腔的流量為Qm，經(jīng)過馬達(dá)噴嘴的流量Qz即：總流量Q=Qm+Qz設(shè)定馬達(dá)轉(zhuǎn)速n 值計算Qm 值容積效率v 取 0.90 Qz = Q Qm (L/s)噴嘴直徑Qm-馬達(dá)密封腔流量 (L/s)Qz-轉(zhuǎn)子噴嘴的流量 (L/s)Q-中空轉(zhuǎn)子馬達(dá)的總流量 (L/s)v -容積效率馬達(dá)壓降P =

8、 Pst + PopPst馬達(dá)啟動壓降(MPa)Pop馬達(dá)任務(wù)壓降(MPa)泥漿比重(kg/L)計算公式中q為中空轉(zhuǎn)子馬達(dá)的每轉(zhuǎn)排量 (L/r)其數(shù)值參見下表。 按計算公式，可以根據(jù)運用需求隨時改換不同直徑的噴嘴，從而到達(dá)理想的效果。 馬達(dá)總成馬達(dá)總成裝配. 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)速傳送給傳動軸至鉆頭。萬向軸大多采用瓣形，也有采用撓軸方式的。 立林鉆具的瓣型萬向軸采用數(shù)控切割技術(shù)制成，切口平行度高，粗糙度可達(dá) 6.3且不破壞金屬化學(xué)成分，因此運用壽命高、機械損失小。 球傳動萬向軸采用球、桿、絞銜接方式傳送扭矩，用高溫光滑脂光滑摩擦副，橡膠套密

9、封鋼球運動部分，隔離含磨礪性鉆井液，球傳動萬向軸任務(wù)面均進(jìn)展特殊外表處置，使其外表硬度、抗高溫性相對提高；因此耐磨性、可靠性得到進(jìn)一步提高，任務(wù)壽命相應(yīng)延伸?；ò晷腿f向軸總成球傳動萬向軸總成4、萬向軸總成球傳動萬向軸總成的組成： 傳動球承壓球球座鎖緊套連桿活絞密封套可調(diào)彎殼體的組成: 上殼體下殼體定位套彎接頭可調(diào)彎殼體：可調(diào)角度范圍有 0-2、0-3 、0-4.可調(diào)彎殼體1.50上殼體下殼體定位套萬向軸總成將轉(zhuǎn)子的偏心運動轉(zhuǎn)化成傳動軸的定軸運動。. 傳動軸的作用是將馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)動力傳送給鉆頭，同時接受鉆壓所產(chǎn)生的軸向和徑向負(fù)荷。以下為兩種方式： 一、鉆頭水眼壓降為7.0Mpa，采用硬質(zhì)合金徑向軸

10、承和中間有一組推力軸承的傳動軸總成如以下圖： 二、鉆頭水眼壓降為14.0Mpa，采用硬質(zhì)合金徑向軸承和金剛石復(fù)合片PDC的平面止推軸承，其壽命更長、承載才干更高。7.0MPa傳動軸總成14.0MPa傳動軸總成5、傳動軸總成 傳動軸總成的組成 ： 殼體下TC動套下TC靜套鎖母上TC靜套上TC動套串軸承隔套水帽傳動軸鍵傳動軸總成的組裝 ： 傳動軸總成裝配徑向軸承徑向軸承離井底推力軸承坐井底推力軸承.螺桿鉆具整機1、常規(guī)螺桿鉆具2、中空防掉、可調(diào)、可換扶正器螺桿鉆具. 為了順應(yīng)鉆井的需求，螺桿鉆具的傳動軸總成的外殼上配有不同種類的穩(wěn)定器，有固定式的和可換套式的，穩(wěn)定器的扶正條方式多種多樣。直棱穩(wěn)定器

11、三瓣偏心穩(wěn)定器三瓣、五瓣螺旋穩(wěn)定器三瓣、五瓣球型穩(wěn)定器可換套式的穩(wěn)定器可換穩(wěn)定器套筒殼體本體中空防掉、可調(diào)、可換扶正器螺桿鉆具BHA used in the 9 1/2motor example.Notice the 8.5 m(27.9 ft)separation between motor and dynamics sub.BHA for the 4?example.Dynamics Sub is placed at the top of the motor1.2螺桿鉆具特點12井下動力鉆具：接在鉆桿下端，隨鉆桿一同下入井底的動力機。主要有渦輪鉆具、螺桿鉆具、電動鉆具等。 靠高壓泥漿經(jīng)過定

12、、轉(zhuǎn)子通道，驅(qū)動轉(zhuǎn)子在定子螺線形通道中旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生扭矩，帶動鉆頭破碎巖石。是一種容積式井下動力鉆具，其轉(zhuǎn)速與泵排量成正比，扭矩與泵壓、鉆壓成正比，經(jīng)過泵壓可間接指示鉆壓。因轉(zhuǎn)速較低相對于渦輪鉆具低。 將沖洗液的動能轉(zhuǎn)換成機械能的一種孔底動力機。它的回轉(zhuǎn)不象螺桿鉆那樣靠液體的壓力而是由液體的流速來驅(qū)動。 鉆探時鉆桿不轉(zhuǎn)動，鉆桿任務(wù)條件可以得到明顯改善。渦輪鉆可以配合牙輪鉆頭、金剛石鉆頭鉆垂直孔、定向孔和多底鉆孔，缺陷是轉(zhuǎn)速高、扭矩小、軸承壽命短、易損件多、鉆頭壽命較短。 1.2.1螺桿鉆具與渦輪鉆具比較螺桿鉆具渦輪鉆具1.2.2螺桿鉆具與轉(zhuǎn)盤鉆井或頂驅(qū)鉆井比較1提高鉆速，縮短周期，降低本錢。2減少

13、鉆桿磨損和動力傳送損耗。3準(zhǔn)確造斜、定向、糾偏，提高工程質(zhì)量。4用于程度井、叢式井，提高鉆井的經(jīng)濟效益。5復(fù)合直井鉆進(jìn)，減少起下鉆次數(shù)。6縮短鉆井周期，抑制對油氣層的污染。螺桿鉆具型號的選擇：(1)、平安性的原那么：(2) 、輸出扭矩最大的原那么：(3) 、排量適宜的原那么：(4)、思索適宜鉆井施工工藝的原那么：1.3螺桿鉆具選擇與本卷須知abc對泥漿的要求：合理配用鉆頭及水眼：均勻混合堵漏資料LCM：確定井底溫度：de控制泥漿排量和輸出轉(zhuǎn)速：平衡水力推力與鉆壓：優(yōu)選泵壓和鉆壓：下鉆本卷須知；導(dǎo)向鉆進(jìn)本卷須知rghij高性能長壽命螺桿鉆具PDM關(guān)鍵部件及整機裝配研討螺桿鉆具PDM概述1螺桿鉆具

14、失效方式及失效機理2高性能長壽命螺桿鉆具研制關(guān)鍵技術(shù)3一些建議和研討4螺桿鉆具失效方式及失效機理22.1螺桿鉆具失效方式2.2螺桿鉆具失效機理螺桿鉆具失效方式及失效機理22.1螺桿鉆具失效方式常見失效方式：1運用方式，2鉆井液性能，3井身軌跡，4地層要素，5鉆進(jìn)參數(shù)，6操作要素1、扶正器磨損2、傳動軸的斷裂3、萬向軸斷裂4、砂卡5、橡膠掉塊6、殼體斷裂7、脫扣影響要素：撓性軸常見失效情況1、傳動軸強度不高2、萬向軸壽命低3、馬達(dá)壽命低4、旁通閥不耐沖蝕導(dǎo)致螺桿鉆具壽命低！根本緣由目前螺桿鉆具程度部件壽命（h）優(yōu)勢扶正器300可換扶正器TC軸承500高品質(zhì)硬質(zhì)合金軸桿800高韌性鋼材、取消螺紋、

15、消除應(yīng)力集中串軸承300耐磨性強油密封傳動軸300可更換密封件傳動軸萬向軸部件壽命（h)優(yōu)勢萬向軸300以上球式萬向軸、鈦合金萬向軸馬達(dá)總成部件壽命（h)優(yōu)勢橡膠800高耐磨橡膠定子管800使用高韌性鋼材可重復(fù)利用3次、螺紋噴丸處理2.2螺桿鉆具失效機理定子失效機理： 以關(guān)鍵件和易耗件展開失效機理分析，進(jìn)而從系統(tǒng)出發(fā)，分析整機失效機理 僅以馬達(dá)定子失效機理為例：1、機械失效2、疲勞失效 3、熱失效和滯后失效橡膠使一部分扭曲能量轉(zhuǎn)化為滯后熱量 4、化學(xué)失效定轉(zhuǎn)子配合與壽命的關(guān)系曲線高性能長壽命螺桿鉆具PDM關(guān)鍵部件及整機裝配研討螺桿鉆具PDM概述1螺桿鉆具失效方式及失效機理2高性能長壽命螺桿鉆具

16、研制關(guān)鍵技術(shù)3一些建議和研討4高性能長壽命螺桿鉆具研制關(guān)鍵技術(shù)33.1橡膠3.2等壁厚定子3.3推力軸承3.4螺紋3.4其他關(guān)鍵部件3.5整機裝配和實驗系統(tǒng)高性能長壽命螺桿鉆具研制關(guān)鍵技術(shù)33.1橡膠 目前國內(nèi)外用于螺桿泵定子的橡膠類型主要有：傳統(tǒng)的有丁腈橡膠(NBR)，新的膠種有羧基丁腈橡膠(XN 2BR)、丁腈橡膠與聚氯乙烯(NBR PV C)或羧基丁腈橡膠與聚氯乙烯(XNBR PVC)共混膠；還有氫化高飽和丁腈橡膠(HNBR)。 橡膠種類 XNBR橡膠耐熱油、耐磨；水溶脹小，緊縮永久變形小,彈性高,抗撕裂強度高，易擠出，有利于注壓成形,動態(tài)性能較好。abcNBR PV C或XNBR PV

17、 C共混膠比NBR有更好的擠出性能,更好的耐油、耐化學(xué)藥品和耐溶劑性,更好的耐水性和耐磨性,而且尺寸穩(wěn)定性好。HNBR橡膠能長期耐150高溫,具有良好的耐油性、耐H2S介質(zhì)、耐磨,是一種有較好力學(xué)性能的新型橡膠。 目前國內(nèi)處理螺桿鉆具橡膠性能。主要依托改動膠料填充物的比例來獲得超凡規(guī)的物理性能目的。對其動態(tài)性能研討甚少。往往呵斥定子橡膠的物理性能目的有所提高。但運用的螺桿鉆具性能并不理想。3.2等壁厚定子 等壁厚定子是螺桿鉆具產(chǎn)品中近幾年開發(fā)的最新技術(shù)，該技術(shù)的特點是在定子注膠之前，在定子殼體中預(yù)先加工出定子的螺旋外形，然后再實施注膠技術(shù)。該技術(shù)提高了每一級的密封壓力，由原來的每級0.8 M

18、Ps提高了50%一100%，在同等扭矩下定子長度最短，壽命也有所提高。等壁厚橡膠定子管定子失效機理：1、機械失效2、疲勞失效 3、熱失效和滯后失效橡膠使一部分扭曲能量轉(zhuǎn)化為滯后熱量 4、化學(xué)失效Comparison of conventional stator geometry(a)with new high performance PDM stator design(b)3.3推力軸承推力軸承設(shè)計要點：1、接觸角2、溝道半徑3、擋邊直徑4、軸承資料5、軸承游隙 實驗闡明，國產(chǎn)的推力軸承可替代進(jìn)口軸承，滿足螺桿鉆具的需求。從開展來看，由于惡劣的任務(wù)條件，即使經(jīng)過設(shè)計提高了軸承的壽命，但再從軸承

19、本身(資料、設(shè)計)尋求突破已潛力不大，只需充油密封技術(shù)獲得突破，使軸承的任務(wù)條件得以改善，才干從根本上處理軸承壽命問題。軸承游隙3.4螺紋 吐哈油田先后發(fā)生了兩起螺桿鉆具與鉆鋌銜接的鉆柱轉(zhuǎn)換接頭斷裂失效事故。表3鉆具規(guī)格和銜接螺紋中，現(xiàn)場較常用的螺桿鉆具上端銜接螺紋的彎曲強度比，大部分不符合SY/T 5369-94中5.28的要求。大邑二井螺桿鉆具事故圖片ab對表3鉆具規(guī)格和銜接螺紋中現(xiàn)場較常用的螺桿鉆具上端銜接螺紋進(jìn)展修正，使其彎曲強度比符合SY/T 5369-94中5.28的要求，是復(fù)合鉆井過程中減少鉆具失效事故的措施之一。3.4其他關(guān)鍵部件部件壽命（h）優(yōu)勢扶正器300可換扶正器TC軸承500高品質(zhì)硬質(zhì)合金軸桿800高韌性鋼材、取消螺紋、消除應(yīng)力集中串軸承300耐磨性強油密封傳動軸300可更換密封件傳動軸萬向軸部件壽命（h)優(yōu)勢萬向軸300以上球式萬向軸、鈦合金萬向軸馬達(dá)總成部件壽命（h)優(yōu)勢橡膠*800高耐磨橡膠定子管*800使用高韌性鋼材可重復(fù)利用3次、螺紋噴丸處理3.5整機裝配和實驗系統(tǒng)整機裝配對系統(tǒng)綜合性能和整體壽命影響至關(guān)重要。ab實驗系統(tǒng)是高性能長壽命螺桿鉆具的保證。高性能長壽命螺桿鉆具PDM關(guān)鍵