青衫忆笙三、螺杆钻具的结构与工作原理
螺杆钻具是以油基泥浆、浮化泥浆及粘土泥浆等作动力液，
是一种把液体压力能转换为机械能的容积式井下动力钻具。当泥浆泵产生的高压泥浆流经旁通阀进入马达时，转子在压力泥浆的驱动下绕定子的轴线旋转，马达产生的扭矩和转速通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业。
大港－钻具主要由四部分组成： ·旁通阀总成 ·马达总成 ·万向轴总成 ·传动轴总成
3.1.旁通阀总成：
它的部件主要由阀体、阀芯、阀套、弹簧、阀口总成组成，它的作用是在下钻时，允许环空（钻杆与井壁的环形空间）的泥浆由旁通阀阀体侧面的阀口孔流向钻杆内孔，起钻时使钻杆内孔的泥浆从阀体侧面的阀口流入环空。使起、下钻时不致使泥浆溢于井台上，以及保护马达的作用。
旁通阀总成的工作原理是在 泥浆流量达到说明书推荐最小流量以前的某个流量时该流量经阀芯内孔，在孔两端产生压力差，上端压力大于下端压力，此压力差克服弹簧力把阀芯压下，旁通孔被关闭。此时泥浆流经马达，把压力能转换为机械能。地面停泵或流值过小，压力差不足以按住阀芯，弹簧把阀芯顶起，旁通孔导通（参考图1）。总之，正常情图1
况下旁通阀的启闭完全由流量大小决
定的。
3.2.马达总成：
它由转子和定子两部分组成（参考图2）。转子是一根经过加工并有耐磨抗腐蚀镀层的左旋螺杆。定子是在经过机械加工的钢
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管上有用特制的压胶芯轴压铸并粘牢的丁晴橡胶，它耐磨并抗碳氢化合物。定子的头数比转子多一个，在转子装入定子后，任意截取一个垂直于轴线的截面，两者均是共轭啮合的。因此，绕轴线的左旋螺杆上有一系列啮合点，这些啮合点封闭起来的容腔组成一个密封腔，而且此容腔体积是一定的。随着螺杆在定子中的运动，密封腔逐步沿轴线移动，把完成能量转换的泥浆由低压腔排出马达。这就是螺杆马达的基本工作原理。
根据设计，不同马达的头数有不同的配合。总的来说，马达的头数越少，转速越高，扭矩越小；马达的头数越多，转速越低，扭矩越高。各种螺杆马达头数配合的截面轮廓如图3。
图2 图3
螺杆钻具以马达中一个定子导程组成密封腔为一级，也就是说，马达如果是三级的，在轴向上存在三个连续而互不相通的密封腔，在工作中，如欲使马达正常有效地工作，马达每级所能承受的压降以不超过0.8Mpa(8bar)为宜，如以三级马达为例，则其马达压降不超过2.4Mpa最好。否则，马达就要漏损，转数降低。严重时则完全停止转动，致使马达损坏。这一点现场操作时用户应非常注意。
为了保证马达密封腔的密封，以确保能承受的压降，所以定转子间的配合尺寸都需经过选配测试，使其不宜过紧或过松，让马达发挥最大的效率。另外，定子的容腔是由橡胶形成的，因此定子内腔的尺寸是受到井底温度影响的，用户可根据实际的井温情况要求厂家选配适合的马达配合，如地层井温较高，可选配较松的马达；如地层较浅或使用的环境温度较低，可选配较紧的马达等。
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现场使用的泥浆流量希望在推荐的范围内，否则将影响马达效率，甚至使磨损加大。
螺杆马达的性能参数是螺杆钻具的主要性能参数，螺杆输出扭矩与马达压降成正比；输出转数与输入泥浆流量成正比，随着负荷的增加，螺杆输出转数降低很少，地面控制容易。所以，通过控制地面上的压力表的读数及泵的流量就控制住了井下螺杆的扭矩及转速。
为了增加钻头的水马力和泥浆的上返速度，将转子加工成带喷嘴的中空转子。此时马达的总流量应等于流经马达密封容腔的流量和流经转子喷嘴流量的总和。每种规格的马达都有其推荐的最大和最小流量值。如果超过最大流量值，转子可能超速旋转，定子和转子会出现提前损坏。如果输入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，在选择转子喷嘴尺寸时，应确保马达密封容腔的流量始终保持或高于最小推荐流量值，这样，才能使马达正常运转。在泥浆密度、喷嘴尺寸和马达总流量给定时，流经转子喷嘴的流量和流经马达密封腔的流量总是在变化中的。当钻头离开井底，螺杆马达无负荷，此时流经转子喷嘴流量最小，而此时的流经马达密封腔的流量最大。钻头开始进尺工作，螺杆马达部分的压差不断增加，使流经转子喷嘴流量增加，而此时流经马达密封容腔流量减少。
流经转子喷嘴水眼所产生压力差ΔP的计算公式： ΔP＝ΔP1＋ΔP2＝
??Q026697.76?d4?L?6.1???Q0210?D54.86?Pv?????????0.14
其中 ΔP：马达两端压力差（PSI）
ΔP1：转子喷嘴所消耗的压力降（PSI） ΔP2：转子长孔所消耗的压力降（PSI） ρ：泥浆密度（lb/gal） Q。：流经转子水眼的流量（gal/min） D：转子长孔直径（in） d：喷嘴直径（in） Pν：泥浆粘度（cp）
L：转子长孔长度（ft）
在上述计算公式中，ΔP、ΔP1、ΔP2、ρ、D、Pν、L在给定井况和螺杆钻具规格后都是定值，因此，只要改变d,就可以得到一个相应的Q。值。再根据相应井况的总流量和螺杆钻具马达推荐的最大流
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量和最小流量值，最终确定Q。值和d 值。
表1 喷嘴 泥浆 马达两端压降(PSI) 直径 密度 100 200 300 400 (in) (ppg) 流经转子水眼流量(GPM) 8.34 40 56 69 80 10.00 36 51 63 73 12/32 12.00 33 47 58 66 14.00 31 43 53 62 8.34 90 127 155 179 10.00 82 116 142 164 18/32 12.00 75 106 129 150 14.00 69 98 120 138 表2 中空转子所配的喷嘴尺寸 喷喷喷嘴直径 喷嘴直经 嘴嘴In Mm In Mm 号 号 07 7/32 5.56 15 15/32 11.91 08 8/32 6.35 16 16/32 12.70 09 9/32 7.14 18 18/32 14.27 10 10/32 7.94 20 20/32 15.88 11 11/32 8.74 22 22/32 17.48 12 12/32 9.53 24 24/32 19.05 13 13/32 10.31 28 28/32 22.23 14 14/32 11.11 30 30/32 23.8 32 32/32 25.4
3.3.万向轴总成
它位于转子下端，其作用是把马达产生的扭矩和转速传递到传动轴上。它所起到的作用要求它具有较好的挠性功能，才能实现把转子的偏心运动转换成传动轴的定轴转动。因此，一般万向轴采用万向瓣形和柔性轴形式，如图4。
从整个螺杆钻具寿命的角度上来看，万向轴总成部分寿命相对是
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最短的，在螺杆使用后，应及时拆卸修理和检查。
图4 运动原理
3.4.传动轴总成
它的作用是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。
3.4.1按润滑方式分类，分为泥浆润滑传动轴总成和油密封传动轴总成两种：
a、泥浆润滑传动轴总成：
该总成采用钻井泥浆作为润滑液，对传动轴总成中的串轴承和径向轴承进行润滑和冷却。由于结构比较简单，其具有最短的弯点到钻头的距离。同时，该结构中的上径向轴承又称限流器，对流经轴承组件的泥浆流量进行限制。
b、油密封传动轴总成：
该总成采用密封组件将串轴承和部分径向轴承进行密封并注入高温润滑油进行润滑。由于降低了轴承的磨损，大大延长了轴承的寿命。
3.4.2按钻头承受水眼压降分类，分为3.5C、7Y、14J三种： a、水眼压降为3.5Mpa，该结构上、下轴承是推力球轴承，径向轴承有两组硬质合金轴承或两组橡胶轴承两种。
b、水眼压降为7Mpa，该结构上、下轴承有多组向心推力球轴承或多列推力球轴承两种，径向轴承是上、下各多组硬质合金轴承。
c、水眼压降为14Mpa，该结构上、下轴承有多组镶嵌PDC复合片的平面推力摩擦轴承，径向轴承是上、下各一组CC合金轴承。
3.4.3传动轴总成中的轴承按所承受的负载形式分类，分为串轴承和径向轴承两种：
a、串轴承
串轴承为多列向心推力球轴承，在钻头悬离井底空转时，该轴承
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