定向井技術(shù)是當(dāng)今世界石油勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域最先近的鉆井技術(shù)之一，它是由特殊井下工具、測(cè)量?jī)x器和工藝技術(shù)有效控制井眼軌跡，使鉆頭沿著特定方向鉆達(dá)地下預(yù)定目標(biāo)的鉆井工藝技術(shù)。
定向井廣泛使用的井下工具主要有PDC鉆頭、井下動(dòng)力鉆具、無(wú)磁鉆鋌、井下測(cè)量?jī)x器等。螺桿鉆具是最常用的井下動(dòng)力鉆具，MWD(無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀)則是最常用的井下測(cè)量?jī)x器。目前使用壽命在十天以上的PDC鉆頭技術(shù)已比較成熟，而MWD的電池使用壽命也大多在十天左右，甚至帶井下發(fā)電機(jī)的MWD也開(kāi)始應(yīng)用。螺桿鉆具的使用壽命一般為80～200小時(shí)，這直接影響著鉆井進(jìn)度(因?yàn)楦鼡Q螺桿鉆具會(huì)頻繁起鉆)，同時(shí)也制約著超長(zhǎng)壽命鉆頭及井下測(cè)量?jī)x器的發(fā)展。因此，加強(qiáng)研制與開(kāi)發(fā)高壽命螺桿鉆具至關(guān)重要。
螺桿鉆具及其短壽原因
螺桿鉆具是一種以鉆井液為動(dòng)力，把液體壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的容積式井下動(dòng)力鉆具。它主要由旁通閥、螺桿馬達(dá)(轉(zhuǎn)子和定子)、萬(wàn)向軸、傳動(dòng)軸幾部分組成，其核心是螺桿馬達(dá)與傳動(dòng)軸。當(dāng)泥漿泵泵出的泥漿流經(jīng)旁通閥進(jìn)入馬達(dá)，在馬達(dá)的進(jìn)出口形成一定的壓力差，推動(dòng)轉(zhuǎn)子繞定子的軸線旋轉(zhuǎn)，并將轉(zhuǎn)速和扭矩通過(guò)萬(wàn)向軸和傳動(dòng)軸傳遞給鉆頭，從而實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)。鉆探時(shí)，螺桿鉆具直接帶動(dòng)連接在其孔底傳動(dòng)軸上的鉆頭回轉(zhuǎn)，整個(gè)鉆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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。采用螺桿鉆探與常規(guī)鉆探相比有許多優(yōu)點(diǎn)，如鉆桿磨損大幅度下降，鉆速高。它是打定向井的主要器具，在鉆探領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。
影響螺桿鉆具使用壽命的薄弱部件主要是軸承易損壞，萬(wàn)向軸不耐磨，定子橡膠容易脫落。因此，如何提高軸承壽命，減少萬(wàn)向軸的磨損，增強(qiáng)定子橡膠的穩(wěn)定性，對(duì)于提高螺桿鉆具使用壽命至關(guān)重要。目前螺桿鉆具傳動(dòng)軸軸承主要使用的是推力軸承，也是最容易損壞的部件。由于鉆井時(shí)，整套軸承都浸泡在泥漿里，使得軸承滾珠很容易磨損，而目前使用的軸承材料主要為軸承鋼，鋼的特性決定其耐磨性及耐腐蝕性較差。
陶瓷軸承在傳動(dòng)軸的應(yīng)用
陶瓷球軸承針對(duì)國(guó)防工業(yè)中惡劣環(huán)境下的調(diào)整、重載、低溫、無(wú)潤(rùn)滑工況而開(kāi)發(fā)，是新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)的完美結(jié)合。將其轉(zhuǎn)化為民用技術(shù)，陶瓷軸承可以完全覆蓋現(xiàn)在的精密、中速以上全鋼軸承的所有應(yīng)用領(lǐng)域。陶瓷軸承的性能價(jià)格比遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于全鋼軸承，壽命可比現(xiàn)在使用的軸承壽命提高3倍以上。與軸承鋼性能比較，自重是軸承鋼的30%～40%，可減少因離心力產(chǎn)生的動(dòng)體載荷的增加和打滑。因耐磨，轉(zhuǎn)速是軸承鋼的1.3～1.5倍，可減少因高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的溝道表面損傷。彈性模量高于軸承鋼的1.5倍，受力彈性小，可減少因載菏高所產(chǎn)生的變形。硬度是軸承鋼的1倍，可減少磨損。抗壓是軸承鋼的5～7倍。熱膨脹系數(shù)小于軸承鋼20%。摩擦系數(shù)小于軸承鋼的30%，可減少因摩擦產(chǎn)生的熱量，可減少因高溫引起的軸承提前剝落失效。抗拉、抗彎與金屬同等。
由于陶瓷軸承具有耐高溫、耐寒、耐磨、耐腐蝕、抗磁電絕緣、無(wú)油自潤(rùn)滑、高轉(zhuǎn)速等特性，所以將其應(yīng)用于螺桿鉆具會(huì)大幅提高傳動(dòng)軸性能及使用壽命。
萬(wàn)向軸與馬達(dá)定子、轉(zhuǎn)子也是螺桿鉆具容易壞的部件，由于轉(zhuǎn)子目前都采用鋼材料，鉆井時(shí)轉(zhuǎn)子大部分重量都?jí)旱饺f(wàn)向軸及定子塑膠部分，這就使得萬(wàn)向軸、定子塑膠承受壓力過(guò)大，更容易磨損。轉(zhuǎn)子和萬(wàn)向軸都浸泡在泥漿里，轉(zhuǎn)子也容易被腐蝕。
鋁合金在馬達(dá)的應(yīng)用
鋁合金是指以鋁為基的總稱。主要合金元素有銅、硅、鎂、鋅、錳，次要合金元素有鎳、鐵、鈦、鉻、鋰等。
鋁合金密度低，但強(qiáng)度比較高，接近或超過(guò)優(yōu)質(zhì)鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性，工業(yè)上廣泛使用，使用量?jī)H次于鋼。一些鋁合金可以采用熱處理獲得良好的機(jī)械性能、物理性能和抗腐蝕性能。不同牌號(hào)的鋁合金有不同的用途，根據(jù)螺桿鉆具的型號(hào)及應(yīng)用情況選擇合適的鋁合金材料作為馬達(dá)轉(zhuǎn)子(表面采用鍍鉻處理)，可以有效減輕轉(zhuǎn)子重量，減輕對(duì)定子塑膠及萬(wàn)向軸的壓力，同時(shí)提高轉(zhuǎn)子的耐腐蝕性能，從而提高螺桿鉆具馬達(dá)及萬(wàn)向軸的使用壽命。
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