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孔底马达

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孔底马达

一、孔底马达的结构组成

煤矿用孔底马达主要由马达总成、万向轴总成、传动轴总成三大部分组成,如上图所示。在地面煤层气开发工程中使用的孔底马达通常还包括旁通阀总成、防掉总成等部分。

1)马达总成:由定子和转子组成。转子是一根有镀铬硬层的螺杆,定子是在金属壳体内壁上压注橡胶衬套而成,橡胶内孔是具有一定几何参数的螺旋曲面。转子的上端为自由端,下端与万向轴连接;定子上端与钻杆接手连接,下端与万向轴壳体连接。

2)万向轴总成:万向轴的作用是将马达转子的行星运动转变为传动轴的定轴转动,将马达总成产生的扭矩及转速传递给传动轴。万向轴大多采用瓣形或球形形式。弯壳体孔底马达的万向轴壳体是一个带有结构弯角的弯壳体,万向轴的上端和马达转子相连,下端和传动轴连接。

3)传动轴总成:主要由主轴、推力轴承组、径向轴承、轴承外管等组成,传动轴上端与万向轴连接,下端与钻头连接,在传递动力的同时,也承受钻压产生的径向和轴向载荷。

二、孔底马达的分类

1.按结构特征分类

1)按定、转子的头数分类,孔底马达可分为单头和多头两种。多头具有低转速、大扭矩特征,目前常用的为3/4、4/5、5/6、7/8等型多头孔底马达。

2)按马达的“级数”———即定子、转子运动副所包含的定子导程的正倍数进行分类,单头孔底马达多在3级以上,多头孔底马达多在2级以上。级数越多,马达可输出的工作力矩值越大。

2.按公称直径分类

此分类方法便于设计制造部门和使用者根据钻孔外径要求选择相应直径的孔底马达。煤矿井下常用的小口径孔底马达主要有 等几种。

3.按万向轴壳体结构分类

按万向轴壳体结构分类可分为直孔底马达(无结构弯角)和弯壳体孔底马达(带结构弯角)两种。直孔底马达上方加配弯接头主要用于施工常规定向钻孔,弯壳体孔底马达主要用于施工近水平孔、多分支孔、大位移孔等。

三、孔底马达的结构参数

孔底马达是一种单螺杆容积式动力机械,其动力部件是马达总成,因此孔底马达的结构参数主要指马达总成的参数,包括定转子的头数、级数和偏心距等。

1.头数

孔底马达定、转子螺旋齿的数目称为头数。定子的头数一般用Z1表示,转子的头数用Z2表示,则有Z1=Z2+1。

转子的头数与定子的头数之比,一般用i表示,该值也等于转子导程T2与定子导程T1之比,即:转子的头数越少,转速越高,扭矩越小;转子的头数越多,转速越低,扭矩越大。

2.级数

孔底马达的级数是指定子上每条螺旋齿完整螺旋(360°)总个数,一级就是一个完整螺旋。级数一般用K表示:煤矿井下随钻测量定向钻进使用手册(L为定子长度)。级数越多,马达可输出的工作力矩越大。

3.偏心距

孔底马达的转子装配置定子之中时,定子的中心线与转子中心线不重合,二者之间存在有偏距,称为偏心距,一般用e表示。由于定、转子的头数不同,所以偏心距必然存在,也只有存在偏心距的前提下,转子在液压的作用下才能转动,

煤矿井下定向钻孔的施工一般选择小直径长寿命孔底马达,推荐使用外径为φ73mm的孔底马达,其性能参数见表5-1。孔底马达弯角的大小根据钻孔施工要求选择:只有主孔而无分支的钻孔,推荐使用1°~1.25°弯角的孔底马达;施工带有分支孔的定向钻孔,则推荐使用1.25°~1.5°弯角的孔底马达。

表5-1 推荐使用的孔底马达主要技术参数

四、正常使用应具备的条件

1.冲洗液

孔底马达正常使用首先需要满足其对冲洗液的要求。根据表5-1,冲洗液量需控制在孔底马达排量范围内,并根据孔径和孔底钻屑的返排情况选择较优冲洗液量。冲洗液所能达到的较大压力大于孔底马达较大压降,同时能够保证孔底钻屑正常排出孔内。

2.结构弯角

根据施钻地层的硬度、致密性等地质情况,考虑分支钻孔施工和定向钻孔轨迹的曲率半径,优选孔底马达的结构弯角,使孔底马达满足定向钻孔按照设计正常钻进的要求。

五、使用方法及注意事项

(一)使用方法

1.下钻前的检查

1)在孔口对孔底马达进行空载检测,确定孔底马达工作正常后再下钻。

2)按设计连接好钻具组合。如用可调弯接头或可调弯壳体进行定向钻进,应在孔口调整到设计角度。弯外管(或弯接头)应将弯头标记朝正上方,以便随钻测量系统修整工具面向角。

2.下钻

1)下放钻具时,需控制下放速度。遇有较为复杂地层时,应开动泥浆泵,慢慢冲孔通过。

2)不可墩钻或将钻具直接下放到孔底。

3)下放带弯接头或弯壳体的钻具时,需要周期性转动钻具组合,以消除侧钻的影响。

3.钻进

1)如果钻具已下放置孔底,提起0.3~0.6m。

2)冲洗孔底,以防孔底堆积或沉淀的钻屑影响钻速或造斜。

3)冲孔后,再把钻具上提0.3~0.6m,校对压力值,记录的压力为循环压力。

4)重新下放至孔底并逐步加压,马达转矩增加,压力表数值升高,应注意把压力表读数限制在所选钻具推荐的压力范围内。

5)钻头不在孔底时,如果循环压力低于计算值,说明循环水通路有泄漏,可能是钻杆损坏造成的。

6)如果循环压力高于计算值,且侧钻造成压力升高的因素已排除,循环压力仍高于计算值很多,则可能是钻头水眼被堵、传动轴被卡死或孔内瓦斯压力大引起的。

7)在孔口通过正转钻机动力头调整工具面向角时,应先将钻具提离孔底0.3~0.6m,如孔深超过300m时,每次调整工具面后,还应反复提拉、下放钻具3~5次(行程300~600mm均可),以释放孔内钻杆柱吸收、储集的扭矩,使仪器显示的工具面向角是孔底马达的真实值。

4.起钻

1)起钻时,应控制起钻速度,以防卡钻损坏钻具。

2)卸下钻具,从传动轴孔中冲洗钻头,将传动轴水帽及轴承清洗干净,然后平放钻具,正常维修保养待用。若暂停使用或长时间搁置不用,建议向钻具内注入少量矿物油防锈(不允许加入柴油)。

(二)注意事项

1)施钻人员对孔底马达的结构原理和使用参数进行详细的了解学习,合理使用钻具。

2)根据钻场的施工计划,由技术人员根据地层结构、钻孔布置等情况选定合理的钻具组合,现场施工严格按照制定的计划执行。

3)对冲洗液的要求:根据钻探工艺的需要选择合适的冲洗液,一般要求使用清水。如循环使用冲洗液,对其所含的各种硬质颗粒予以限制,因为它会加速轴承、马达的磨损而降低钻具的使用寿命。冲洗液中的含砂量(粒径≥74μm的固相颗粒的含量)应控制在1%以下(事实证明,若含砂量达到5%,孔底马达使用寿命会降低50%)。同时注意冲洗液中不要混有气体,因为混有气体的冲洗液在马达内压力变化下容易产生“气蚀”作用,对橡胶定子产生较大的危害。

4)钻头的选择:钻头与孔底马达的匹配对孔底马达能否发挥作用起重要作用,影响钻头与孔底马达配套使用的因素主要有:①钻孔方案及计划。②针对地层需要的刃部结构。③冲洗液通道的结构。④预先计划的机械钻速。⑤使用该钻头、钻具运转的时间估算。⑥钻头水眼的压降设计。

对于PDC钻头,考虑过水通道的设计是否会造成额外的压力损失,同时保证满足排屑和冷却的要求。应根据地层结构、地层硬度等合理选择钻头类型,建议使用者不要随意更换厂家配备的钻头类型和规格型号。

5)对冲洗液流量的要求:冲洗液的流量决定孔底马达的输出转速,由表5-1可以看出,孔底马达都有一定的有效工作流量范围,建议根据推荐使用的孔底马达参数进行选择,否则会降低孔底马达的工作效率和使用寿命。

6)对泥浆泵压力的要求:要使孔底马达获得工作效率及合理的工作寿命,应将孔底马达两端的压差控制在推荐参数范围内。冲洗液在循环通路中,与钻杆、孔壁的摩擦以及流动阻力均消耗掉一定的能量,这部分损失的能量表现为冲洗液压力的损失。对于使用者来说,可以使用如下公式确定泥浆泵压力:打钻泵压=循环泵压+钻具负载压降。只要将钻头提离孔底,在额定流量下,泥浆泵压力表上的读数即为循环泵压。

7)孔底马达空转时,若保持泥浆流量不变,钻具与钻头的压力降为一个常数。钻具工作时,随着钻压逐步增加,冲洗液循环压力逐步上升,当达到较大推荐值时,产生较好转矩。继续增加钻压,马达两端的压力降超过较大设计值时,钻具定子与转子间密封被破坏,冲洗液通过钻头水眼流出,钻具处于“制动”状态。当因故障卡钻时,冲洗液在钻具制动的情况下,仍可以循环流过钻具,如果钻具长时间或频繁处于制动状态,对马达的寿命会有严重的影响。总之,要使钻具获得较好工作效率,应将钻具两端的压差控制在推荐参数范围内。

六、常见失效形式及故障判断

1.常见失效形式

孔底马达存在以下四种常见失效形式:

1)马达总成失效。主要表现为:①孔底马达使用较长时间后,马达部分的配合间隙变大,容易加快定子橡胶磨损、变形、掉块等;②冲洗液中含砂量较大会加速定转子的磨损,造成冲洗液压力损耗,从而降低马达转矩及寿命;③混有气体的冲洗液在孔底马达中的压力变化下容易产生“气蚀作用”,加速马达的损坏,尤其是定子橡胶更容易被气蚀坏。

2)传动轴总成失效。传动轴在传递动力的过程中,承受轴向和径向载荷,孔底马达在孔底受力情况非常复杂,因此传动轴部分容易出现的失效形式也很多,如止推轴承组断裂、径向轴承端面压溃、传动轴磨损,底部径向轴承脱扣等, 

3)万向轴总成失效。万向轴由于磨损严重或顿钻等原因,容易出现间隙过大、瓣体损坏、水帽与传动轴连接处螺纹变形咬合等失效形式。

4)外壳体失效。外壳体失效主要是外壳体螺纹连接处脱扣和壳体扭断及非正常磨损。主要原因是钻遇复杂地层,且发生孔内事故时,在起拔过程中发生外壳体连接螺纹处脱扣或壳体扭断。 

2.失效原因分析

造成孔底马达失效的原因主要有以下几点。

1)地层因素。地层的裂隙、断层、软硬互层等结构构造使岩层呈现不均质性,在这种岩石中钻进时,孔底马达受力不平衡,易憋泵跳钻,负荷不稳定,忽大忽小,径向和轴向冲击载荷对孔底马达产生较大的破坏作用。

2)孔内事故。特别是在松软突出煤层中一旦发生埋钻、卡钻事故,处理时可能对孔底马达造成损伤。

3)钻进参数。每种规格的孔底马达都有其推荐的使用参数,实际使用中,随意地的调整钻进参数,超过孔底马达推荐的使用参数,对孔底马达的使用寿命造成影响。

4)错误的操作。尤其是溜钻、钻压大小不均,造成马达频繁、长时间制动,这对孔底马达的使用寿命影响很大。

5)钻进方式。如采取复合钻进方式,即传动轴在马达作用下回转的同时,定子、万向轴壳体、传动轴壳体等在动力头的作用下也在回转。这种情况下改变了孔底马达的孔内工况,受力情况变得非常复杂,定转子、传动轴、万向轴的磨损加快,使寿命明显降低。


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