煤矿定向钻机螺杆钻具工作原理、结构及使用注意事项
煤矿定向钻机螺杆钻具工作原理、结构及使用注意事项
煤矿定向钻机螺杆钻具是一种以钻井液为动力，将液体压力能转化为机械能的容积式井下动力钻具。它在近几十年中获得了迅速发展，具有井底直接提供动力、提高钻头转速和扭矩、准确定向造斜等优势。本文将详细介绍螺杆钻具的工作原理、结构特点及其使用注意事项。
首先，让我们通过3D动画了解螺杆钻具在井下的工作原理。（时长01:08）
接下来，观看扭方位时螺杆钻具的工作过程。（时长00:35）
螺杆钻具（PDM）是一种以钻井液为动力，将液体压力能转化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。
在近几十年中，螺杆钻具作为一种井下动力工具获得了迅速发展，其优势在于：
- 井底直接提供动力，减少了井下钻具的磨损和损坏。
- 增加钻头的转速和扭矩，提高了进尺率。
- 可准确地定向、造斜、纠偏。
- 可用于水平井、开窗侧钻、扩眼、取芯等作业，显著提高钻井的经济效益。
- 与转盘同时使用用于直井全面钻进，大幅提高机械钻速。
螺杆钻具的工作条件和参数
螺杆钻具的使用效果和使用时间，与螺杆钻具的选型、现场工况以及操作人员的使用密切相关。因此，在螺杆钻具使用前，井场技术人员和司钻应该首先了解螺杆钻具的结构原理和使用参数，并按使用手册的要求合理使用螺杆钻具。
钻井作业计划
根据整个井眼的钻井作业计划，制定一个符合螺杆钻具使用要求的详细具体的钻井作业计划，即由钻井工程师根据任务结合地层结构、井眼孔径、深度、机械钻速确定所用钻头和螺杆型号，并设计一个适合的钻具组合。
钻井泥浆
螺杆钻具是正容积式马达，决定钻具性能的因素是马达的输入流量和作用于两端的压力降，而不是钻井液的类型，因而，使用各种类型的泥浆一般均能有效的工作。泥浆比重和粘度对钻具性能的影响甚微，但对整个压力有直接影响，推荐泥浆最大塑性粘度不应超过0.05Pa·s（50厘泊）。泥浆中所含的各种硬颗粒必须予以限制，推荐钻井液中的含砂量应低于1%，若含砂量高于5%，钻具的寿命将大大缩短。
使用油基泥浆或柴油基泥浆时，考虑到油基泥浆中芳香烃对定子橡胶的溶胀和气蚀，应该控制芳香烃的含量，同时提高油基泥浆的苯胺点。苯胺点指的是油基泥浆中均匀混合的油和苯胺在冷却时分离成两相的温度。普通情况油基泥浆的苯胺点应高于70℃，井底温度较高时苯胺点应高于93℃或更高。
使用低固相泥浆时，某些降失水剂会对定子橡胶造成溶胀。
泥浆中氯化物高时会因为腐蚀缩短马达的寿命，这一点在井底温度高时显得更突出。如果螺杆已在高氯化物含量泥浆中使用，在起出后应尽可能在井口冲洗，防止螺杆的腐蚀。
钻头及其水眼
钻头的选择，尤其是与螺杆钻具一起使用的钻头的选择是个十分重要的问题。这本是钻井工程师工作内容的一部分，这里所以强调一下是因为螺杆钻具是否能成功的发挥作用的几个因素中，钻头与钻具的匹配是最重要的了。希望能引起现场使用人员的重视。选择钻头与螺杆钻具配套使用的因素应是：
a. 钻井作业方案及计划。
b. 针对地层需用什么样的刃部构造。
c. 钻井液流通通道的结构。
d. 预先计划的机械钻速。
e. 使用该钻头，钻井运转时间的估计。
f. 钻头水眼压降的设计。
什么地层结构、地层软硬使用哪类钻头，用什么样的刃部设计，请参考有关钻头的专业书籍。这里仅就使用螺杆钻具完成各种钻井作业，对钻头不再做详细讲解。
井底温度
作业方提供现场工作地层温度，螺杆钻具厂家可根据现场温度选择合适的耐温等级螺杆钻具，若螺杆钻具适用温度高于实际温度，就会发生螺杆动力不足的情况；若螺杆适用温度低于实际温度，则有可能造成马达定子受热膨胀而导致橡胶提前失效。
目前国内多家螺杆钻具公司生产三种耐温等级的定子。第一种是耐温≤120℃的常规定子，其额定工作温度95℃，最高工作温度120℃。第二种是耐温≤150℃的耐高温定子，其额定工作温度135℃，最高工作温度150℃。第三种是耐温≤180℃的定子，其额定工作温度165℃，最高工作温度180℃。
泥浆流量
螺杆钻具特性之一，输出转速与输入泥浆流量成正比。每一种钻具都有一定的有效工作流量范围。当输入泥浆流量超过最大流量值，转子就会超速旋转，定子的疲劳负载就会大大增加，导致定子提前损坏。如果输入泥浆流量小于最小流量值，马达的输出转速和扭矩就会降低，从而影响其使用效果。因此建议按推荐参数进行操作，当实际使用的泥浆排量超过推荐的最大流量时，可使用中空转子以延长马达的使用寿命。
泥浆类型
若钻井液中Cl-浓度质量分数高于30000×10-6时，则应该选择耐盐水螺杆钻具。
使用油基钻井液时，应该选择耐油基螺杆钻具，普通定子橡胶在油基泥浆下工作会引起明显的溶胀，对马达的使用造成很大的影响。
泥浆压力与钻压
螺杆钻具进行空运转时，若保持泥浆流量不变，螺杆钻具与钻头产生的压降为一常数值，该值随螺杆形式和规格的不同而有所不同。
马达工作时，随着钻压逐渐增加，泥浆的循环压力逐渐上升，该压力的增量与钻压或钻进所需的扭矩的增量成正比。当达到不同的地层选择不同钻压，螺杆钻具达到最佳工作压力降时，产生最佳扭矩。
继续增加钻压，当循环泥浆在马达两端产生的压降超过最大设计值时，螺杆将发生制动。正常工作时，表压随钻压的增减而升降。如果泵压表突然增加了几兆帕，继续增加钻压，泵压不再增加这说明螺杆发生了制动，长时间制动会使螺杆严重损坏。
另外，要使钻具获得最佳工作效率和工作寿命，应将螺杆两端压差控制在推荐参数范围内。
扭矩
螺杆的输出扭矩与泥浆流过马达产生的压力降成正比，但对螺杆输出转速的变化几乎不产生影响。
实验表明，螺杆从空载状态到最大有效工作载荷区，速度降低一般不超过10%。
螺杆进入工作状态，转子驱动钻头作顺时针转动，同时在钻具壳体上产生一反作用扭矩，该扭矩向上传递到整个钻柱上，会引起螺杆以上各联接丝扣紧扣或引起螺杆定子壳体以下联接丝扣松扣。反扭矩随钻压增加而增加，当螺杆制动时，其值达到最大值。
螺杆钻具的使用
螺杆钻具下井使用之前，应当进行细致的检查，确保下井后能正常工作，避免不必要的起下钻和由此造成的损失。
地面检查
螺杆下井前，应在钻台上按下述方法进行试验：
a. 用提升短节将螺杆提起，坐入转盘卡瓦内，装上安全卡瓦卸去提升短节。
b. 检查旁通阀：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。
c. 接上方钻杆，卸去安全卡瓦，提出卡瓦，下放螺杆使旁通阀阀口处于转盘下易于观察的位置。
d. 开泵：逐渐提高排量直到旁通阀关闭、马达起动为止（记下该排量值）。不停泵上提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，观察螺杆运转情况。停泵前应再下放钻具，让旁通阀阀口位于转盘以下，检查停泵时是否泥浆经旁通阀阀口顺利流出。
e. 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接上（大钳只可咬在旋转传动轴驱动接头上），参考说明手册紧扣扭矩表。（注：应保证传动轴驱动接头相对于上面的壳体反时针转动，以防止内部螺纹松扣。）
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还要加转换接头，建议不应超过250mm长，以免产生过多的方位变化，降低轴承寿命或损坏传动轴。
螺杆下井
a. 下放钻具及其组合应小心地控制下放速度，以防撞到沙桥、井壁台肩和套管鞋上使钻具损坏。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螺杆遇阻时应周期性地转动组合，慢慢通过，以防止划出新井眼。
b. 对于深井和高温井，下放螺杆建议周期性地进行中途循环，这样可防止螺杆堵塞，或因高温造成的螺杆定子损坏。
c. 在井内，泥浆若不能迅速通过旁通阀阀口流进钻柱中，应减慢下钻速度或不时停下来充灌泥浆。下钻时，注意不可顿钻或将螺杆直接坐入井底。
启动
a. 螺杆达到预先计划的井深位置，可以开泵循环，由于钻头侧向力的影响，压力值可能超过计算值。
b. 定向前应充分清洗井底，清除井底岩屑沉淀或堆积，消除循环不彻底对定向的影响。具体方法是以正常的泥浆循环慢慢转动钻具（每次转30°～45°）依次把堆积井底岩屑和沉砂清出，清理干净后，上提钻具0.3～0.6m循环并记录，校对压力值。
钻进
a. 螺杆悬离井底进行空循环时，立管压力表所显示的是整个系统的空载循环泵压，也称离井底泵压。
容积式马达特性之一，马达所产生的扭矩与两端所产生的压力降成正比，和整个系统压力变化成正比。钻头钻进时，随着钻压升高，工作扭矩的加大，马达两端的压力降也成正比例增加。循环系统的压力表反应出该压力的增值。通过监视地面立管压力表，便可以判断钻具压力和扭矩的变化（钻杆与井壁的摩擦可能会影响判断精度）。在充分考虑钻头水眼压降和钻压的关系后，把表压增值限制在所选钻具推荐值范围内就会产生最佳效能。
工作打钻泵压=离井底泵压+钻具负载压力降
离井底泵压不是一个常数，它随井深和泥浆的变化而变化，在实际操作中，一般取每次单根后的离井底泵压为近似值，这样做完全可以满足要求。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。
b. 施加钻压不要太猛，钻压不是监视螺杆工作的指标，只是作为参考指标，判断螺杆工作情况的主要依据应该是泵压。对于发生较大磨损的马达，还应以进尺速度为依据。
c. 钻井方式采用导向钻进时，转盘转速应不超过75RPM，弯壳体角度和对应转盘转速可参考各厂家说明手册。
另外，当采用导向钻进时，钻具的自身旋转（自转）和转盘的旋转（公转）必然产生一个叠加效应，但这个叠加存在一个正叠加和负叠加的效果，即给钻头转速产生一个增速或失速（也称丢转）的结果。因此，由于此现象的存在，导向钻进时，钻压不宜过大，即转盘的旋转产生的扭矩应小于马达输出的扭矩。这样，才能使两种旋转产生正叠加，最终达到提高机械钻速效果。