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摘要：螺杆马达作为孔底碎岩动力，具有定向钻进效果好、易侧钻分支、不用反复起下钻具、施工工序简单、可以和测斜仪器配合准确控制钻孔轨迹等特点，通过调整螺杆马达上弯接头的工具面向角朝向，可控制钻孔的倾角和方位，从而实现钻孔的受控定向和侧钻开分支，本文选用螺杆马达作为分支孔施工的特种钻具，并对其性能进行研究。
关键词：支状钻孔；螺杆马达；选型；性能分析；数据分析
中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：1009-914x（2014）02-01-01
1 前言
顺煤层长钻孔抽采煤层气是煤矿井下最直接、有效的煤层气抽采方法，如何提高井下煤层气抽采钻孔成孔率进而提高抽采效率是当前煤矿区煤层气抽采的关键技术之一。传统的回转钻进成孔方法钻孔轨迹无法控制，无效进尺多，利用率低，不具备施工分支孔的功能，不能满足井下煤层气高效抽采的需求。而近水平定向长钻孔技术可以实现长钻孔定向钻进和钻孔轨迹精确控制，可有效控制钻孔尽可能在煤层中延伸，同时可实现“一孔多分支”，形成支状钻孔群，扩大钻孔的有效抽采范围，提高煤层气抽采效率，抽出的煤层气浓度大部分可达到直接利用的要求，降低煤层气利用的成本，为推动煤层气井上、井下协调开发起到重要的促进作用，因此煤矿井下顺煤层大直径、支状、长钻孔施工设备及配套工艺技术是解决示范区安全高效矿井煤层气与煤炭开发需要的关键技术和装备，对其性能研究势在必行。
2 螺杆马达的选型
为了解和掌握螺杆马达的基本性能特征，对比国产和进口螺杆马达各自优缺点，并总结性能参数的适应范围为现场工业性试验和推广应用做准备。结合现场施工进展状况，分别选用定制的国产螺杆马达（A型）、进口螺杆马达（B型）进行性能测试试验。
3 螺杆马达性能测试试验
3.1 实验内容
主要包括测试两种螺杆马达各自的工作特性参数，主要有螺杆马达转速、转矩等；通过电涡流加载机进行模拟加载，试验测试、分析两种螺杆马达工作特性参数与相应泥浆泵的泵量、泵压之间的匹配关系，记录与之相关的转速、转矩和泥浆泵泵压、流量等参数。
3.2 试验采用设备机具及现场布置
（1） 采用设备机具
试验采用的设备机具主要有：A型螺杆马达、B型螺杆马达、电涡流加载机、ZDY1900S全液压钻机、测功仪、隔水器、BW-320泥浆泵、外平钻杆及水便等。
（2） 现场布置
试验现场连接布置见图1。
3.3 试验流程
A型螺杆马达测试时，先启动电机驱动泥浆泵工作，保证螺杆马达正常工作后，调整泥浆泵档位。原则上先低档再逐渐调高档位（共4个档位，从低档到高档流量逐渐升高），在每个档位上通过测试仪逐渐加载，增大扭矩力分别达150 N·m、300 N·m、450 N·m左右进行相关参数测定，试验中测试参数主要包括螺杆马达的转速、扭矩，泥浆泵泵压、流量等；B型螺杆马达测试时，先开启泥浆泵保证螺杆马达正常工作后，调整泥浆泵档位，原则上先低档再逐渐调高档位（共4个档位，从低档到高档流量逐渐升高），在每个档位上通过测试仪逐渐加载，增大扭矩力分别达100 N·m、150 N·m、200 N·m、250 N·m左右进行相关参数测定。测试参数主要包括螺杆马达的转速、扭矩，泥浆泵泵压、流量等。
4 试验数据分析
⑴ A型螺杆马达测试数据分析
泥浆泵先开启1档时扭矩逐渐增大到590 N·m左右时螺杆马达才开始启动，随后逐渐降低扭矩，在1档测试相关数据，接着分别调到2、3、4档进行测试。由图2可知，随着泥浆泵输出泵量的增大，转速逐渐增大，泵压也逐渐升高；而每一档泵量不变测试过程中，随着加载扭矩的增大，钻具回转速度减小但变化量较小，泥浆泵泵压也随之增加。所有这些相互变化关系与普遍螺杆马达的实际特征变化关系相一致。
⑵ B型螺杆马达测试数据分析
泥浆泵开启1档时在较小扭矩下平稳工作后，逐渐增大扭矩进行相关数据测试，随后分别调到2、3 档进行测试，由于工作性能可以满足施工工况，没有测试4档的性能参数。由图3可知，随着泥浆泵输出泵量的增加，转速逐渐增大，在每档扭矩相同的情况下泵压增大；而每一档泵量不变测试过程中，随着加载扭矩的增大，钻具转速逐渐减小，泥浆泵泵压随之增加，如此相互变化关系与普遍螺杆马达的实际工作性能特征相符合。
（3） 两种螺杆马达测试性能对比
通过对上述结构、性能较为相似的国内外两种螺杆马达进行测试试验，可以得出A、B两种类型螺杆马达各自的优缺点：A型螺杆马达优点低转速、大扭矩，适应于深孔和相对复杂地层定向钻孔施工；缺点启动要求较高、马达发热较为严重。B型螺杆马达优点启动泵量泵压较低、工作性能稳定、便于操作掌控，适应于一般定向钻孔施工；缺点排量范围较小、转速较高、输出扭矩较低，较深钻孔时钻具性能可能会受限。
5 总结
通过两种螺杆马达性能测试试验，经过对比分析，可得出如下结论：
（1） 两种螺杆马达的实际工作性能参数能够满足近水平定向钻孔施工基本要求的需要，但B型螺杆马达比A型螺杆马达启动压力更低，而且工作性能更为稳定，特别是工作时马达的发热量较低。为了便于定向钻进侧钻开分支孔施工，特选用B型螺杆马达作为研究和现场试验的特种钻具。
（2） 泥浆泵调到2-3档分别能够满足A型和B型螺杆马达流量、泵压等性能参数，也符合钻进工艺参数需要。
【参考文献】
[1] 姚宁平. 煤矿井下瓦斯抽采钻孔施工技术[J]， 煤矿安全， 2008.10
[2] 许斌.螺杆钻具输出性能分析与现场应用研究[D]， 西南石油大学， 2007.04
[3] 李明谦，赵红超. 螺杆钻具马达定子失效机理及措施分析[J]， 石油机械，2008.10
作者简介：刘秀保（1983—），男，2007年毕业于中国矿业大学安全技术及工程专业，助理工程师，现工作于晋能有限责任公司 ，主要从事一通三防与瓦斯治理工作。
关键词：支状钻孔；螺杆马达；选型；性能分析；数据分析
中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：1009-914x（2014）02-01-01
1 前言
顺煤层长钻孔抽采煤层气是煤矿井下最直接、有效的煤层气抽采方法，如何提高井下煤层气抽采钻孔成孔率进而提高抽采效率是当前煤矿区煤层气抽采的关键技术之一。传统的回转钻进成孔方法钻孔轨迹无法控制，无效进尺多，利用率低，不具备施工分支孔的功能，不能满足井下煤层气高效抽采的需求。而近水平定向长钻孔技术可以实现长钻孔定向钻进和钻孔轨迹精确控制，可有效控制钻孔尽可能在煤层中延伸，同时可实现“一孔多分支”，形成支状钻孔群，扩大钻孔的有效抽采范围，提高煤层气抽采效率，抽出的煤层气浓度大部分可达到直接利用的要求，降低煤层气利用的成本，为推动煤层气井上、井下协调开发起到重要的促进作用，因此煤矿井下顺煤层大直径、支状、长钻孔施工设备及配套工艺技术是解决示范区安全高效矿井煤层气与煤炭开发需要的关键技术和装备，对其性能研究势在必行。
2 螺杆马达的选型
为了解和掌握螺杆马达的基本性能特征，对比国产和进口螺杆马达各自优缺点，并总结性能参数的适应范围为现场工业性试验和推广应用做准备。结合现场施工进展状况，分别选用定制的国产螺杆马达（A型）、进口螺杆马达（B型）进行性能测试试验。
3 螺杆马达性能测试试验
3.1 实验内容
主要包括测试两种螺杆马达各自的工作特性参数，主要有螺杆马达转速、转矩等；通过电涡流加载机进行模拟加载，试验测试、分析两种螺杆马达工作特性参数与相应泥浆泵的泵量、泵压之间的匹配关系，记录与之相关的转速、转矩和泥浆泵泵压、流量等参数。
3.2 试验采用设备机具及现场布置
（1） 采用设备机具
试验采用的设备机具主要有：A型螺杆马达、B型螺杆马达、电涡流加载机、ZDY1900S全液压钻机、测功仪、隔水器、BW-320泥浆泵、外平钻杆及水便等。
（2） 现场布置
试验现场连接布置见图1。
3.3 试验流程
A型螺杆马达测试时，先启动电机驱动泥浆泵工作，保证螺杆马达正常工作后，调整泥浆泵档位。原则上先低档再逐渐调高档位（共4个档位，从低档到高档流量逐渐升高），在每个档位上通过测试仪逐渐加载，增大扭矩力分别达150 N·m、300 N·m、450 N·m左右进行相关参数测定，试验中测试参数主要包括螺杆马达的转速、扭矩，泥浆泵泵压、流量等；B型螺杆马达测试时，先开启泥浆泵保证螺杆马达正常工作后，调整泥浆泵档位，原则上先低档再逐渐调高档位（共4个档位，从低档到高档流量逐渐升高），在每个档位上通过测试仪逐渐加载，增大扭矩力分别达100 N·m、150 N·m、200 N·m、250 N·m左右进行相关参数测定。测试参数主要包括螺杆马达的转速、扭矩，泥浆泵泵压、流量等。
4 试验数据分析
⑴ A型螺杆马达测试数据分析
泥浆泵先开启1档时扭矩逐渐增大到590 N·m左右时螺杆马达才开始启动，随后逐渐降低扭矩，在1档测试相关数据，接着分别调到2、3、4档进行测试。由图2可知，随着泥浆泵输出泵量的增大，转速逐渐增大，泵压也逐渐升高；而每一档泵量不变测试过程中，随着加载扭矩的增大，钻具回转速度减小但变化量较小，泥浆泵泵压也随之增加。所有这些相互变化关系与普遍螺杆马达的实际特征变化关系相一致。
⑵ B型螺杆马达测试数据分析
泥浆泵开启1档时在较小扭矩下平稳工作后，逐渐增大扭矩进行相关数据测试，随后分别调到2、3 档进行测试，由于工作性能可以满足施工工况，没有测试4档的性能参数。由图3可知，随着泥浆泵输出泵量的增加，转速逐渐增大，在每档扭矩相同的情况下泵压增大；而每一档泵量不变测试过程中，随着加载扭矩的增大，钻具转速逐渐减小，泥浆泵泵压随之增加，如此相互变化关系与普遍螺杆马达的实际工作性能特征相符合。
（3） 两种螺杆马达测试性能对比
通过对上述结构、性能较为相似的国内外两种螺杆马达进行测试试验，可以得出A、B两种类型螺杆马达各自的优缺点：A型螺杆马达优点低转速、大扭矩，适应于深孔和相对复杂地层定向钻孔施工；缺点启动要求较高、马达发热较为严重。B型螺杆马达优点启动泵量泵压较低、工作性能稳定、便于操作掌控，适应于一般定向钻孔施工；缺点排量范围较小、转速较高、输出扭矩较低，较深钻孔时钻具性能可能会受限。
5 总结
通过两种螺杆马达性能测试试验，经过对比分析，可得出如下结论：
（1） 两种螺杆马达的实际工作性能参数能够满足近水平定向钻孔施工基本要求的需要，但B型螺杆马达比A型螺杆马达启动压力更低，而且工作性能更为稳定，特别是工作时马达的发热量较低。为了便于定向钻进侧钻开分支孔施工，特选用B型螺杆马达作为研究和现场试验的特种钻具。
（2） 泥浆泵调到2-3档分别能够满足A型和B型螺杆马达流量、泵压等性能参数，也符合钻进工艺参数需要。
【参考文献】
[1] 姚宁平. 煤矿井下瓦斯抽采钻孔施工技术[J]， 煤矿安全， 2008.10
[2] 许斌.螺杆钻具输出性能分析与现场应用研究[D]， 西南石油大学， 2007.04
[3] 李明谦，赵红超. 螺杆钻具马达定子失效机理及措施分析[J]， 石油机械，2008.10
作者简介：刘秀保（1983—），男，2007年毕业于中国矿业大学安全技术及工程专业，助理工程师，现工作于晋能有限责任公司 ，主要从事一通三防与瓦斯治理工作。