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螺桿鉆具(PDM drill),是一種以鉆井液為動力,把液體壓力能轉為機械能的容積式井下動力鉆具。當泥漿泵泵出的泥漿流經(jīng)旁通閥進入馬達,在馬達的進、出口形成一定的壓力差,推動轉子繞定子的軸線旋轉,并將轉速和扭矩通過萬向軸和傳動軸傳遞給鉆頭,從而實現(xiàn)鉆井作業(yè)。
一種漸進空腔型容積式孔底動力機,簡稱螺桿鉆。以泥漿、清水為動力介質(zhì),通過鉆桿中心孔輸送到孔底的螺桿鉆,實質(zhì)上是把液體壓力能轉換為機械能的一種能量轉換裝置。鉆探時,螺桿鉆直接帶動連接在其孔底傳動軸上的巖心管和鉆頭回轉,整個鉆桿柱僅作為輸送高壓工作介質(zhì)的通道和支撐鉆頭反扭矩的桿件,不作回轉運動。采用螺桿鉆鉆探與常規(guī)鉆探相比有許多優(yōu)點,如鉆桿磨損大幅度下降,鉆速高。它是打定向孔的主要器具,在鉆探領域已發(fā)揮作用。
螺桿鉆具最早是用來打垂直孔,主要用來打各種定向孔和特種工程孔(如礦井凍結孔)。最大鉆孔深度達9023米。目前世界上螺桿鉆最小直徑為44.5毫米,最大直徑為304.8毫米。利用螺桿鉆進行巖心鉆探時,應在驅(qū)動軸與鉆頭間加上巖心管采取巖心。
螺桿鉆具由旁通閥、螺桿馬達(轉子和定子)、萬向節(jié)、軸承和驅(qū)動軸幾部分組成,其核心是螺桿馬達。在螺桿馬達轉子、定子傳動副中,定子齒數(shù)Z1比轉子齒數(shù)Z2多一個:即Z1= Z2+1。它們的齒數(shù)比通常稱為傳動比,設計時,可任意選擇(1:2,2:3,...,9:10)。設計高轉速的螺桿鉆應采用小齒數(shù)比螺桿馬達,而設計低速大扭矩的螺桿鉆應采用大齒數(shù)比螺桿馬達。隨著轉子定子齒數(shù)比的增大,其效率逐漸趨于下降;螺桿鉆的輸出扭矩取決于通過馬達的工作壓力降,輸出轉速取決于通過螺桿馬達工作介質(zhì)的流量。
鉆探時,仍然需要鉆探機、泥漿泵、鉆桿和鉆塔等常規(guī)鉆探裝備。施工定向鉆孔時,要借助定向儀給造斜工具定向。與螺桿鉆配套使用的造斜工具有彎接頭、彎外管和偏心塊等。采用螺桿鉆施工定向孔能提高鉆孔質(zhì)量,提供精確地質(zhì)資料,節(jié)約進尺,降低成本,解決許多無法施工的工程難題,因此,它是鉆探工程的一種特種工具。
螺桿鉆具的使用壽命一般為150~200小時,其薄弱環(huán)節(jié)是定子橡膠耐高溫程度低,軸承易損壞。加緊研制與開發(fā)用于制造定子的抗磨損耐高溫的彈性材料與可靠的軸承系統(tǒng),從而使螺桿鉆的工作壽命得到顯著提高。并研制低速大扭矩螺桿以適用于鉆深孔和超深孔。
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