连续油管井下动力钻具-螺杆马达
连续油管井下动力钻具-螺杆马达
1. 概述
螺杆钻具，又称容积式马达，是上世纪60年代中期发展起来的一种高性能容积式井底钻具，如图1所示。它通过地面泵注设备提供的高压液体驱动转子旋转，将液压能转化为钻头的机械能，实现钻进或井下作业。连续油管螺杆马达通常用于钻除井筒内的桥塞、水泥塞等堵塞物。由于连续油管内径和管柱疲劳损耗的限制，目前常用螺杆马达外径多为73mm，比钻井用螺杆钻具小得多，以适应井筒和管柱条件。
2. 工作原理
螺杆马达的核心部件是马达总成，由转子和定子组成，如图2所示。转子与定子轮廓相互耦合，通过泵注液体推动形成连续旋转推进的空腔，实现机械能输出。其工作原理类似于莫诺泵的逆向应用：转子在定子内旋转的同时沿轴线做行星运动，密封腔随液体压力沿轴向移动，将液压能连续转化为扭矩输出。在施工过程中，高压液体从管柱上端注入，通过空腔推动转子旋转，带动钻头或作业工具工作。
3. 结构组成
连续油管螺杆马达主要由以下几部分组成：
(1) 马达总成：包括转子和定子，是螺杆马达输出扭矩的核心。转子螺旋线有单头和多头之分（定子螺旋线头数比转子多1），头数影响转速与扭矩。定子常采用橡胶内衬螺旋腔体，与转子啮合形成密封腔体。
(2) 万向轴总成：将马达总成的行星运动转化为传动轴的定轴旋转，传递扭矩与转速至传动轴和钻头。万向轴结构有瓣形和挠轴形两种，可实现造斜和弯曲井段作业。
(3) 传动轴总成：包括轴向推力轴承、径向扶正轴承和传动轴，承载钻压及钻头交变载荷，并输出稳定扭矩和转速。
(4) 防掉总成：当井下螺杆壳体断裂或脱扣时，防掉总成发生相对位置变化，通过泵压异常信号判断起钻，避免落井事故，如图4所示。
4. 定子与转子改进
常规定子螺旋曲面（如图5左侧所示）为非等壁厚橡胶压注结构，存在输出扭矩低、热应力大、工作不稳定等缺陷。为解决这些问题，等壁厚螺杆钻具（如图5右侧所示）采用金属骨架支撑橡胶衬套，使橡胶厚度均匀，带来以下优势：(1) 避免局部热积聚，降低橡胶破坏风险；(2) 散热性能好，可适应更高井底温度；(3) 热膨胀、溶胀均匀，提高密封性；(4) 单级密封压力高，输出扭矩大且稳定。转子表面通常采用镀硬铬处理，提高耐磨性和表面光洁度，降低摩擦系数。转子头数越少，转速越高、扭矩越小；头数越多，转速越低、扭矩越大。
