井下动力钻具的发展及其在推广应用中的问题

井下动力钻具的发展及其在推广应用中的问题
符达良
摘要改革开放以来，我国油气钻井新技术的应用获得重要进展，井下动力钻具，如螺杆钻具和涡轮钻具也获得迅速发展。

但这些钻井新技术新装备在推广应用中存在着“瓶颈”问题，主要原因是对新技术和新装备在由科技成果向生产力转化过程中投入资金不足，其次是缺少现代化管理。

为解决瓶颈问题，建议企业首先要建立成果转化风险机制，设立成果转化风险基金，其次要设立应用新技术或新装备的奖励基金。

主题词井下动力钻具发展史应用技术管理措施
Development of downhole drill motor and problems with its
application.
Fu Daliang
(Jianghan Petroleum University, Jingzhou City, Hubei Province).
CPM, 1999, 27(12): 1～4
Great progress has been made in the development of new drilling techniques, downhole drill motors, such as screw drill and turbodrill, are developed rapidly since reform and opening to the outside world in China. But there are choke points in the application and popularization of these new techniques owing to insufficient investment for transformation of technical achievements to productivity and lack of modernized management. To solve the problem of choke points, the author suggests that risk system and risk fund for technical achievements transformation be established, and reward fund for the application of new techniques and new equipment be set up.
Subject Concept Terms downhole drill motor developing history application
technical management measure
1997年我国原油的总产量为1.604亿t，随着国民经济的发展，预计到2010年，国内原油生产与需求的缺口将达6～8千万t［1］。

面对经济全球化、国内市场国际化这一趋势，油气资源的勘探与开发必然追求投入的高回报与资金的快速回收。

一批高效低成本的钻井新技术将会迅速发展，从而推动井下动力钻具的应用。

笔者在论述井下动力钻具现状及发展的基础上，指出井下动力钻具推广应用中存在的问题及今后应采取的对策。

油气钻井技术的发展对井下动力钻具的需求
改革开放以来，我国油气钻井新技术的应用获得了重要的进展。

定向井、水平井、多分支井技术提高了钻探成功率和效益，推动了井下动力钻具的发展应用。

此外，小井眼钻井、套管开窗侧钻、旋转导向钻井、连续油管钻井等技术亦得到
一定程度的开发和利用，也需要井下动力钻具有相应的发展。

目前我国油气钻井成本偏高，建井周期长，转盘钻井的平均机械钻速过低。

一些高效钻井新技术装备，例如顶部驱动装置、新型涡轮钻具、高性能长寿命的PDC 钻头等新技术和新装备的开发应用，无疑为提高我国油气钻井的综合技术经济指标起着极为重要的作用。

发展深井、超深井与高温、高压、高地应力条件下提高钻井效率的技术也是我国油气钻井发展的趋势。

深井的年钻井比例达30％以上，且增长趋势较大，而中深井的数量更大。

要改变深井中后 1/3的钻井工作量占全井2/3 的钻井时间的状况，采用井下动力钻具钻井，尤其是推广应用新型涡轮钻井技术，无疑是最经济的选择。

井下动力钻具的新发展
目前，国内外开发和利用的井下动力钻具主要有三种，一是容积式螺杆钻具，二是叶片式涡轮钻具，三是电动钻具。

由于结构的改进，新材料和新技术的应用，这三种井下钻具都有各自的优点，在不同时期都得到交替上升的迅速发展。

1.螺杆钻具
我国螺杆钻具依靠引进技术得到了较快的发展，品种规格齐全，除基本上能满足我国的定向、侧钻钻井工艺需要外，还有少量出口。

螺杆钻具的优点是：具有低速大扭矩的硬特性；过载能力强，操作方便；结构简单，钻具较短，维修方便。

缺点是：需定排量工作，有横向振动；对油基钻井液敏感，不适应在高密度钻井液中工作；橡胶定子耐高温性差，不宜于深井作业。

2.涡轮钻具
涡轮钻具的优点是：具有高速大扭矩的软特性，无横向振动，机械钻速高；全金属的涡轮钻具耐高温，适宜于深井和高温环境下作业；对油基钻井液不敏感，能适应在高密度的钻井液中工作。

缺点是：钻具较长，钻头的适用范围小(减速涡轮钻具除外)；安装调整轴向间隙较繁琐。

就涡轮钻井工作量而言，俄罗斯仍占主导地位。

随着 PDC和热稳定型金刚石钻头的发展，西方国家近十年来涡轮钻井技术得到了蓬勃发展。

西方国家用涡轮钻具钻井一般能节省钻时40％～50％，节约钻井成本1/3［2］。

我国新型涡轮钻具的研究与开发，依靠自己的力量，经过“七五”、“八五”攻关和近几年的多次结构改进，以及反复的室内台架试验和11井次的现场试验，已取得了可喜的成果。

试验表明，这种采用新材料和新结构的涡轮钻具，具有中速、大扭矩、较低的压降、轴承组寿命长、现场对接方便和无需调整轴向间隙等优点。

尤其是 175 型无橡胶元件的涡轮钻具更适应在深井、超深井和高温条件下作业，其机械钻速为转盘钻井的1.6～4倍，可降低直接钻井成本30％～40％，具有极好的技术经济效益。

涡轮钻具快速钻井的势头给现场工程技术人员和钻井工人留下了极其深刻的印象。

1998年11月， 175 型全金属无橡胶元件涡轮钻具通过了部级鉴定。

专家们一致认为，这种涡轮钻具的结构性能、寿命以及技术经济指标均达到国际先进水平，为推广应用创造了有利的条件。

3.电动钻具
在我国的油气钻井中，使用电动钻具尚属空白。

国外以独联体国家使用电动钻具较多。

据1990年统计，在所有钻井进尺中，除涡轮钻具钻井占83％的优势外，电动钻具已占1.7％［3］，且局部地区上升较快。

例如1996年在巴什吉尔地区，电动钻具钻井已占12％。

井下电动钻具是1937～1940年发展起来的，结构形式由交流电驱动＋行星减速器改进为直流电驱动，1956年其平均寿命仅为25～30h ，由于结构可靠性的提高，1986～1999年其平均寿命达90h，导线接头损坏的次数提高到每1000m 少于1次(寿命可达240h)。

直流电动钻具兼有上述两种液动钻具的优点，调速范围宽，过载能力强，功率利用率高，井下信息的通讯容量大，井眼轨迹控制精度高，可适应在重钻井液条件下工作，是一种很有发展前途的井下动力钻具。

在独联体国家，采用电动钻具钻水平井和多支井，以及在高密度钻井液的条件下进行深井钻井作业，取得了较好的技术经济效益。

例如，据1980年统计，土库曼斯坦5口5000m左右的深井是在钻井液密度为2.3 g/cm3的条件下用电动钻具钻成的，这5口井的平均机械钻速为转盘钻井的1.8倍。

当然，电动钻具也同样有缺点，如电缆接头的阻抗低易引发故障，压降损失大，密封件的平均寿命尚未超过100h，维修要求高水平的技师等。

综上所述，三种井下动力钻具都有各自的特点和优缺点。

一般说来，涡轮钻具在深井、长井段直井，以及高温环境下能充分发挥优势。

螺杆钻具则在定向井和丛式井的造斜作业中应用更为有利。

21世纪井下动力钻具将会有较大发展，各有关单位应加大攻关研究力度，
迎接新世纪的挑战。

共同的研究课题是如何进一步提高其井下工作的可靠性，如何采用新材料和新工艺将平均行程工作寿命提高到200h以上，这是井下动力钻具今后的发展方向。

钻井新技术在推广应用中的“瓶颈”问题
如前所述，造成目前我国油气钻井成本偏高、建井周期长、钻井科研后劲不足的主要原因，一是我国油气钻井在新技术与装备的应用和投入上力度不够；二是缺少现代化的经济管理，因而造成钻井新技术在推广应用中存在“瓶颈”现象。

当然，这一状况与科技成果在向生产力转化过程中始终存在着“瓶颈”现象有关，这种现象是由于转化所需的大量资金投入及其巨大风险造成的。

多年来我国高校和科研院所的科研成果可以说硕果累累，但转化为现实生产力者寥寥可数，导致这种“瓶颈”现象的原因表现在以下两方面。

1.石油企业虽已经过资产大重组，但仍缺少现代化的管理
石油企业管理的模式尚未完全摆脱政企不分的局面，企业的生产经营活动仍受到多重目标与利益索取的干扰，还存在既缺少决策自主权，又对经营业绩不负责任的现象。

例如目前油公司(油田)与钻井公司、钻井队、泥浆公司以及各服务公司之间的钻井承包制，是一种变相的层层转包制。

可以说，各承包单位的一切经费开支都从节约归己来考虑，而不是考虑如何提高钻井的综合技术经济效益。

造成这一现象的最重要因素是目前的低工资＋高额奖金，奖金可以是工资的几倍或几十倍，而高额奖金则出于“节约”归己。

在这种情况下，钻井队只是在最大限度地利用现有的钻井设备，节省每一个铜板，求得安全地打完一口井，如何降低每米钻井成本，不是井队的考核目标。

更具有讽剌意味的是，如果这口井的成本低了，甲方在下次的招标中，将会压低钻井成本，对钻井队很不利。

所以，谁也不会去关心采用什么新技术，如何提高钻井的技术经济指标。

1999年5月，某井采用新型涡轮钻具钻井，取得了一次行程钻进949 m，平
均机械钻速达16.07 m/h的好成绩，钻速是转盘钻井的 2.3倍，降低直接钻井成本50％。

但该井的钻井液竟采用大循环，净化系统基本不用，钻井液的含砂量高，粘度达130s，泵循环系统的压降猛增，这对泵、管线和钻杆、涡轮钻具的使用寿命极为不利。

但是，泥浆公司不愿处理钻井液，也不愿开启净化系统，因为泥浆公司承包了！处理钻井液需增加添加剂，开动净化系统会丢失钻井液材料，只要不出事故有进尺，泥浆公司不会多花一分钱！在这样的管理体制下，必然会严重影响新技术和科研成果的推广应用。

2.钻井设备的配套水平低，技术性能差
我国目前拥有石油钻机900余台，但设备严重老化，平均新度系数仅为0.4，须加快更新速度。

此外，钻井装备的适应性差，电驱动钻机的比例过小，钻井设备的基本参数已落后于生产的需要，其中最突出的是钻井泵及管汇系统。

我国钻井泵泵送系统落后国外至少一个数量级，这就使很多高效、快速钻井新技术无法实施，尽管笔者多次提出，但未引起钻井界的关注。

例如，我国目前1177kW的三缸泵，名义上在28～30L/s排量下持久工作泵压可达21MPa，但这一指标仅极少数井队能达到，大部分持久泵压都在14～16MPa下工作，不过，报表上都在19MPa左右。

国外最近介绍一种T160钻机［4］，它配置了1618kW的N14—P—220三缸泵，泵压为51.7MPa，高压管汇和水龙带能承受50MPa的压力，加上一套完备的固控中心，有利于井下动力钻具和其它钻井新技术和新工艺的开发与实施，有利于提高机械钻速，缩短建井周期，降低钻井成本。

解决“瓶颈”问题的出路
1.建立成果转化风险机制，发展风险投资事业
科研成果的转化，犹如在大海波涛中行船，随时都有被吞没的危险。

一项科研成果要转化成产业，一般要经过研究、开发、试点和推广四个阶段。

所谓开发即工程化，试点即商业化，通常从研究到开发，再从开发到试点都需要注入大量资金，一般都是1∶10左右，是成功还是失败，这两个阶段的风险极大，收效也较慢，故银行不愿贷款，而一般投资者也不愿出资冒险。

作为研究人员更无力承担风险，一旦转化工作失败，就会受到非难，进而影响晋升，回避的办法就是将科研成果逐级申报获奖，就此止步。

因此，科研成果转化必须建立转化风险机制，设立转化风险基金，发展风险投资事业。

只有在企业或社会上设立风险投资基金，才会推动经济的持续发展。

风险投资将使创新者的梦想成真，也为投资者带来丰厚的回报，风险投资在发达国家已成为一种公认的有效投资工具。

石油高校有极其重视科技成果产业化的大型企业中油集团公司做后盾，今后科研成果转化一定会取得长足进步。

举例来说，新型涡轮钻具虽说在现场试验中取得了成功，但单靠微薄的科研经费，只有一、二套钻具，无法达到商业化和推广应用的规模。

只有形成一定的批量，做到一套入井在用，一套井场备用，一套在修，二套以上作库存，并配有维修服务点，才会给企业或用户带来真正的技术经济效益，新产品或新技术得到推广应用也就在情理之中。

作为科研工作者，如果他的科研成果长期处于研究试验和修改阶段，不能及时推广应用，科研成果的转化就根本不会成功。

2.设立应用新技术或新装备的奖励基金
对油田或油公司来说，为了使企业在激烈的市场竞争中谋求生存和发展，就必须更新观念，依靠技术进步，应用新技术，采用新装备来提高生产力，降低生
产成本，增加企业的经济效益。

为此，企业应设立应用新技术或新装备的奖励基金，用来鼓励应用新技术和新装备的单位或个人，依靠技术进步使企业获得持续发展。

结论
(1)采用井下动力钻具钻井，尤其是用新型涡轮钻具钻井，不仅机械钻速高，行程钻速快，可达到缩短建井周期、大幅度降低钻井成本的目的，而且将进一步推动钻井技术向科学钻井方面前进一大步。

(2)造成目前我国油气钻井成本偏高、建井周期长、钻井科研后劲不足的主要原因，一是钻井设备配套水平低，技术性能差，即在新技术与装备的应用和投入上力度不够；二是缺少现代化的经济管理。

(3)科技成果在实现向生产力转化过程中存在着“瓶颈”现象。

这种现象是由于转化所需的大量资金投入及其巨大风险造成的。

(4)要解决钻井新技术在推广应用中存在的“瓶颈”问题，首先企业要建立成果转化风险机制，设立成果转化风险基金；其次要设立应用新技术或新装备的奖励基金。

作者简介：符达良,教授,生于1934年毕业于北京石油学院机械系,1988～1991年在美国罗拉大学进修,长期从事机械设计理论和涡轮钻具的教学与科研工作,本刊特邀作者.地址:(434102)湖北省荆州市.电话:(0716)8430671或8431332. 作者单位：江汉石油学院。