螺杆钻具的工况分析

螺杆钻具的工作特性，即外特性，包括理论工作特性和实际工作特性。螺杆钻具的工作特性是表示其输出参数（输出扭矩T和输出转速N）、输入参数（钻具压降、钻具中流量或钻井液流量Q以及主轴功率和钻具效率之间的关系。了解和掌握螺杆钻具的外特性，对于正确选择和使用螺杆钻具至关重要[30]。而螺杆钻具具有两种工作特性：理论工作特性和螺杆钻具的实际工作特性。 3.1.1 螺杆钻具的理论钻具分析

螺杆钻具最基本的工作原理就是把钻井液的水力能转化为钻头的机械能，从而破岩钻进。螺杆钻具的性能特点是由其动力部件------螺杆钻具决定的。这种容积式马达虽然结构简单，只有两个基本元件定子和转子，但却有以下两个突出特点:

1. 理论转矩与马达进出口间的压差成正比； 2. 理论转速与通过的流量有关而与钻压无关。 这两个特点对于钻井的的意义：

（1） 螺杆钻具的输出扭矩与螺杆钻具所消耗的钻井液压降基本成正比，所以可通过钻台上的立管压力表数据变化来反应井下螺杆钻具的扭矩情况；当钻压增大时钻井液压降相应增大，导致扭矩增加，以利于增大井底切削力矩；当井口立管压力突然增大时，表明井下切削力矩突然变大，可适时减小钻压以减小切削力矩，防钻具超载。

（2） 螺杆钻具的转速基本上只与钻井液流量有关而受钻压影响很小，而钻进过程中流进钻具的钻井液排量是固定的，因此，螺杆钻具的输出转速基本不变，不因加大钻压而造成钻头转速明显下降。这说明螺杆钻具具有良好的过载性能和硬机械特性。

螺杆钻具是典型的容积式机械，下面简要分析螺杆钻具的理论工作特性。 在不计损失时，根据容积式机械工作过程中的能量守恒，在单位时间内钻头输出的机械能（T11）应等于螺杆钻具输入的水力能pQ1，则有:

T11=

pQ1

（3-1）

根据容积式机械的转速关系，有

N160Q1/q

（3-2）

由以上两式及1N1/30可得出：

1T1pq2

（3-3）

P1pQ1

（3-4）

式子中：

T1—螺杆马达理论转矩，N.m；

1—钻头理论角速度，rad/s；

N1—钻头理论转速，即马达输出的自转转速，r/min； p—螺杆马达进、出口的压力降，Pa；

q—螺杆马达每转排量，是一个结构参数，仅与线型、几何尺寸有关，； Q1—流经螺杆马达的流量，即排量m3/s； P1—螺杆马达的理率，w。

由以上（3-3）、（3-4）式子可得以下结论：

①螺杆钻具的转速只与排量Q和结构有关，而与工况（钻压，扭矩等）无关；

②工作扭矩与螺杆马达压降p和结构有关，而与转速无关； ③螺杆钻具的输出转速和扭矩是两个各自的参数；

④螺杆钻具具有硬转速特性（不因负载T增大而降低转速）和良好的过载能力（p增大可导致工作扭矩T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。 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T与转速N，均与结构参数有关，增大螺杆马达的每转排量q，可获得适合于钻井作业的低速大扭矩特性。

螺杆钻具（单螺杆马达）的理论工作特性曲线见图

图3-1 螺杆钻具（单螺杆马达）的理论工作特性曲线

3.1.2 螺杆钻具的实际钻具分析

螺杆钻具的实际输出特性：

事实上，螺杆马达存在衬套副的摩擦阻力和密封腔间的漏失。其它部件（如传动轴的轴承节）也存在机械损失和水力损失，因此，螺杆钻具存在机械效率m和容积效率v， 其总效率为:

mv（3-5）

则螺杆钻具的实际输出扭矩T、钻头实际转速N和实际输出功率Po为:

11TT1mpqmp2qC22（3-6）

NN1v60Q1vq

（3-7）

PoP1PQ1

（3-8）

式子中：C-----螺杆马达的扭转系数，可用下式子计算：

Cm(1P1P)m1P2P2

（3-9）

P1，P2-------其意义将在下面介绍

图3-2是某螺杆钻具由试验台架做出的实际工作特性曲线。图中P1称为螺杆马达启动压降，一般为0.5一 1MPa左右，视转子和定子间的配合松紧程度而定； P2称为负荷压降，又称为工作压降；P称为总压降。三者之间的关系为:PP1P2，当把螺杆钻具提离井底循环钻井液时，与加上钻压钻进时地面泵压表的差值就是负荷压降P2。

图 3-2 实际螺杆钻具工作曲线

图中的1曲线称为负荷效率曲线。负荷效率是不计马达起动阶段的压降和有关损失，只计工作阶段输出机械能与有用水力能（p2Q1）间比值关系的一种计算效率，有:

1（3-10）

P2P

对比图（3-1）和图（3-2），可发现螺杆钻具实际工作特性与理论工作特性之间的差异：

（1） 由于容积效率v的影响，导致了实际输出转速N随P的增大而降低，

NN1N是由于马达定子橡胶衬套在P的作用下的变形和漏失所引起的；

（2） 螺杆马达的输出扭矩T仍与螺杆马达的压降P成线形关系，T随P的增大而线形增加，表明螺杆钻具实际上仍有良好的过载能力；当钻压Wb增大时，导致钻头阻力矩增加，此时马达压降P增大导致螺杆马达输出扭矩T增大，以克服摩阻扭矩，但同时引起相应的转速降低。当P逐渐增大到临界值Pc时N=0，即钻头转速为零出现制动，此时螺杆马达输出扭矩T达到Tmax，称为制动扭矩。当钻具出现制动时，进入马达的钻井液流量Q全部由转子和变形的定子橡胶衬里间的缝隙漏失，v0，转子停转，总效率0。制动工况使钻具的转子、万向轴和传动轴承受最大扭矩Tmax，密封线承受最大压差Pc，对工具危害甚大。

（3） 杆钻具的实际转速特性与P有关，但是，转速曲线N一P的前面部分相对平缓，下降速率相对较小，所对应的负荷效率v的值较大。负荷效率最大的工况为螺杆钻具的工作点，工作点对应的工作参数应是螺杆钻具工作的最优参数，如产品说明书上推荐的额定排量、额定钻压、额定扭矩、额定转速和额定功率。在这一范围内，螺杆钻具仍具有很强的转速硬特性，这一点是涡轮钻具

无法与之相比的。