3-1 井下动力钻具简介 3-2 螺杆钻具 3-3 涡轮钻具 3-4 动力钻具选用 井下动力钻具 1、井下动力钻具： 将动力发动机臵于井底直接与钻头相联驱动钻头破碎岩石进行钻井的井下动力装臵，称为井下动力钻具这种钻井方式称为井下动力钻具钻井 特点如下： 用井下动力钻井，钻杆不转，只承受钻井的反扭矩，可改善钻柱的受力状况，减少钻柱和套管的磨损和破坏； 井下动力钻具与转盘钻井相比，转速快，有利于提高机械钻速； 实现井身轨迹的定向控制； 可与转盘复合，实现复合钻井不仅可以实现旋转或滑动钻井，还可提高钻头转速，提高钻井速度 3-1 动力钻具简介 2、井下动力钻具发展概况 3-1 井下动力钻具简介 世界上 第一台 单级涡轮 的专利注册于 1873年的美国，比转盘钻井的提出还早 11年但真正应用是在世纪 20、 30年代的前苏联作为全球主要应用涡轮钻井的国家，在 50年代中期以前， 前苏联 80%以上的油井是用涡轮钻进的与前苏联不同的是，美、英等西方国家在 螺杆钻具 问世前，绝大部分的油井是用转盘钻钻成的 由于涡轮钻具的 小扭矩 和 高转速 而无法与 牙轮钻头 匹配，人们迫切希望寻找新的具有低转速和大扭矩特性的钻井工具的技术需求，导致了螺杆钻具的诞生。
20世纪 30年代，法国工程师根据对阿基米德螺旋泵的研究成果设计了单螺杆泵 1955年，美国戴纳公司 (Dyna)在单螺杆泵的基础上研制开发单螺杆钻具 ，于 1968年起开始出售商品，一时占领世界市场 1966年，前苏联的全苏钻井科学技术研究院开始研制 多头螺杆钻具 这种钻具的低转速大扭矩特性进一步改善了单头螺杆转速偏高、扭矩偏小、仍不太适合牙轮钻头的不足，扩大了螺杆钻具在 定向井 中的推广应用 2、井下动力钻具发展概况 3-1 井下动力钻具简介 随着定向井数目的增加， 20世纪 70年代，人们对螺杆钻具的兴趣与日俱增多头螺杆钻具逐步取代单头螺杆钻具而成为主导产品更多的国外钻井设备公司，特别是 斯伦贝谢 、 贝克 (Baker)和 克里斯坦森 等公司，都开始制造自己的多头螺杆钻具 井下动力钻具在美、英、法、德和原苏联等国家，经过 40年的探索和研究，其制造工艺及其应用技术不断发展和完善，已成为当今世界石油钻井中定向井、丛式井、大斜度井、水平井等钻井作业必不可少的重要工具 我国是在 20世纪 70年代末期开始研制涡轮钻具和多头螺杆钻具，在 80年代初曾推广使用涡轮钻具，但由于其转速高与牙轮钻头不配套，加之当时的固相处理技术不过关，限制了涡轮钻具的应用。
20世纪 80年代引进美国戴纳公司 (Dyna)螺杆钻具技术后，螺杆钻具发展迅速，得到普遍应用现在，我国已有十余家工厂可以生产螺杆钻具，国产螺杆钻具已成为主要的钻井工具 3、井下动力钻具分类 3-1 井下动力钻具简介 液力驱动 电驱动 螺杆钻具 涡轮钻具 电动钻具 井下动力钻具 本节主要讲解螺杆钻具和涡轮钻具 螺杆钻具： 根据 莫依诺 （ Rene Moineau ）原理制造的， 容积式 井下动力机械， 作用： 把钻井液的水力能转化为机械能供给钻头 应用领域： 主要用于定向井、水平井的定向造斜及扭方位施工，也用于直井反扣或侧钻作业中，是目前使用最广泛的一种井下动力钻具 生产商： Smith公司：迪纳钻具（ Dyna系列）； • Christensen公司：纳维钻具（ Navi系列）； • 北京石油机械厂、大港中成石油机械厂、天津立林公司 3-2 螺杆钻具 由四部分组成，从上至下依次为： • 旁通阀总成； • 马达总成； • 万向轴总成； • 传动轴总成 1、基本结构 3-2 螺杆钻具 • 作用： 停泵时使钻柱内空间与环空沟通，避免起下钻和接单根时钻柱内钻井液溢出污染钻台，影响正常工作。
A、旁通阀总成 旁通阀是螺杆钻具的辅助部件 • 结构： 由阀体、阀芯、弹簧、筛板等组成 3-2 螺杆钻具 1、基本结构 A、旁通阀总成 工作原理： a. 开泵时 ，钻井液压力迫使阀芯向下运动，造成弹簧压缩并关闭阀体上的通道（内装筛板过滤异物），此时螺杆钻具可循环钻井液或正常钻进 b. 停泵时 ，钻井液压力消失，被压缩的弹簧上举阀芯，旁通阀开启，使钻柱内空间与环空沟通 3-2 螺杆钻具 1、基本结构 作用： 把钻井液的水力能转化为机械能 B、马达总成 结构： 由转子和定子两部分组成 转子是一根表面镀有耐磨材料的钢制螺杆，其上端是自由端，下端与万向轴相连 定子包括钢制外筒和硫化在外筒内壁的橡胶衬套，橡胶衬套内孔为一个螺旋曲面的型腔 马达是螺杆钻具的动力部件 3-2 螺杆钻具 1、基本结构 • 工作原理： 万向轴约束了转子的轴向运动，所以高压钻井液在流过马达副时，不平衡的水压力驱动转子作平面行星运动，转子的自转转速和力矩经万向轴传给传动轴和钻头 B、马达总成 3-2 螺杆钻具 1、基本结构 作用： 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和钻头。
C、万向轴总成 结构及工作原理： 壳体和万向轴 a)直螺杆钻具的万向轴壳体无弯角，而弯壳体螺杆钻具的万向轴壳体带有弯角 b)万向轴有几种不同的结构形式，普遍采用瓣型连接轴和挠性连接轴 3-2 螺杆钻具 1、基本结构 作用： 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 D、传动轴总成 结构及工作原理： a) 由壳体、传动轴、上部推力轴承、下部推力轴承、径向扶正轴承组及其它辅助零件总装组成 b) 上、下推力轴承用来承受钻具在各种工况下产生的轴向力径向扶正轴承组用于对传动轴进行扶正，保证其正常工作位置 3-2 螺杆钻具 1、基本结构 D、传动轴总成 结构及工作原理： c) 传动轴总成的推力轴承是螺杆钻具最易损坏的部位 （上部推力轴承） d) 常规螺杆钻具的传动轴外壳上不带稳定器（水平井用的螺杆钻具除外） e) 对干中曲率造斜用的螺杆钻具，为了保证有足够的造斜率，要求压缩万向轴壳体弯点至钻头的距离，需要设计轴向尺寸较小的传动轴总成 3-2 螺杆钻具 1、基本结构 2、工作原理 当高压流体从钻柱内孔进入螺杆钻具时，液体迫使旁通阀活塞下行并密封旁通阀筛孔，整个钻具变形成了一个高压密封系统； 当液体通过转子和定子间组成的连续密封腔时推动转子转动，经万向轴的转换把行星转动变为轴心转动，带动钻头旋转，即把钻井液的液力能通过螺杆转换成机械能。
3-2 螺杆钻具 3、分类方法 □ L Z □×□ □ ─轴承结构形式 │ │ └───最大允许钻头水眼压降 ( MPa ) │ └─────钻具直径 ( m m ) └────────转子瓣数 ( 单头省略 ) C ：船用橡胶轴承 Y ：硬质合金轴承 J ：金刚石轴承 0 ：转子中空 1 ：改进型 2 ：挠性轴 3 ：弯壳体 4 ：双弯壳体 5 ：稳定器 6 ：稳定器＋弯壳体 7 ：稳定器＋双弯壳体 以“ 5LZ165— 7.0B”为例 ： 5— 马达转子为 5头； LZ— 螺杆钻具；165— 外径为 165mm（ 6-1/2in）； 7.0— 许用的最大钻头水眼压降为7.0MPa； B— 第二次改进（为中空转子） 3-2 螺杆钻具 3、分类方法 (1)按螺杆马达的结构特征分类 a) 按螺杆马达转子端面线型的“头数” N（ Lobe，又称波瓣数），可分为单头钻具（ N=1）和多头钻具（ N2） 单头马达具有高转速、小扭矩特性。
多头马达具有低转速、大扭矩特性 b)按马达转子与定的关系进行子头数分类 原理上讲，只要二者头数相差 1均可构成螺杆马达，可分为 N/（ N+1）型 N/（ N－ 1）型两种 目前油气井作业中普遍采用 N/（ N+1）型螺杆钻具 c) 按马达“级数”进行分类 螺杆马达的定子－转子运动副的长度与定子导程长度的比值，即定子－转子运动副所包含的定子导程的整倍数，称为螺杆马达的级数（ Stage）实际用于钻井作业的螺杆钻具马达，单头的多在 3级以上，多头的多在 2级以上 级数越多，马达可输出的工作力矩值越大 根据螺杆马达的结构特征及其结构参数进行分类 3-2 螺杆钻具 3、分类方法 (2)按螺杆钻具（马达）的公称外径分类 便于使用者根据所钻井眼尺寸来选择相应直径的螺杆钻具，或生产者根据井眼尺寸系列来开发螺杆钻具的系列与规格 Φ216mm井眼： Φ165mm、 Φ172mm； Φ244mm~Φ311mm井眼： Φ197mm、 Φ203mm； Φ311mm以上井眼： Φ244mm Φ152mm以下井眼（小井眼）： Φ120mm、 Φ100mm、 Φ95mm、Φ89mm、 Φ54mm等。
多用于套管开窗侧钻和修井作业，及地质勘探和其他地下工程的钻小孔作业 3-2 螺杆钻具 3、分类方法 (3)按螺杆钻具万向轴壳体结构特征分类 根据万向轴壳体是否带有结构弯角，将螺杆钻具划分为常规的 直螺杆钻具 （无结构弯角）和 弯壳体螺杆钻具 （带结构弯角） 直螺杆钻具上方加配弯接头主要用于钻常规定向井 弯壳体螺杆钻具主要用于钻水平井、大位移井、多分支井等 随着钻井技术发展及弯壳体螺杆钻具品种规格的增加，弯壳体螺杆钻具的应用更加普遍 3-2 螺杆钻具 导向螺杆钻具 结构特点： 弯壳体＋稳定器＋中空转子 类型： 单弯、同向双弯、异向双弯 用途： 配合 PDC钻头（或牙轮钻头）组成导向钻具组合，完成定向造斜，在不更换钻具组合情况下实现稳斜段及水平井段的钻井 • 单弯、同向双弯： 造斜率高、造斜效果好，水平井必备工具； • 异向双弯钻具： 水平段钻进，有微增、降斜功能，稳斜、稳平效果好，可配合旋转方式钻进，控制轨迹方便 技术关键： 各弯点的选择及弯角加工精度的控制 3-2 螺杆钻具 TM、TN— 马达理论扭矩 、功率 ； T— 钻头理论角速度； Tn— 钻头理论转速，即马达输出的自转转速； p — 马达进出口的压力降； Q — 流经马达的流量，即“排量”； q — 马达每转排量，是一个结构参数，仅与线型和几何尺寸有关 。
4、工作特性（外特性） (1)理论工作特性： QpM TT qQn T /60qpM T 21QpN T 包括理论工作特性和实际工作特性 螺杆钻具为容积式马达，马达的输入流量和作用于两端的压力降差决定了钻具的基本性能 3-2 螺杆钻具 ① 转速只与排量 Q 和结构有关，而与工况（钻压、扭矩等）无关； ② 工作扭矩与压降 P 和结构有关，而与转速无关； ③ 转速和力矩是各自独立的两个参数； ④ 具有硬转速特性（不因负载 M 增大而降低转速）和良好的过载能力（p增大可导致工作转矩 M 变大）； ⑤ 泵压表可作为井底工况的监视器，由 P 变化来判断和显示井下工况（ M T 和钻压 P B ）； ⑥ 转速 n 随排量 Q 的变化而线性变化，因此可通过调节排量 Q 很容易地进行转速调节； ⑦ 工作扭矩 M T 与转速 n T 均与结构（ q ）有关，增大马达的每转排量，可获得适合于钻井作业时的低速。