空气螺杆钻具研制、特性分析及现场实验和应用

空气螺杆钻具研制、特性分析及现场实验与应用中国石油勘探开发研究院钻井所北京石油机械厂
作为新型的钻井技术，以空气钻井为代表的气体钻井和欠平衡钻井在国
外油气勘探与开发中取得普遍应用，在国内也正呈快速进展趋势。

空气螺杆
钻具是应用这种新型钻井技术钻定向井及其他特殊工艺井所必需的工具。

一、概述
近些年来，气体钻井和欠平衡钻井在国外取得了比较普遍的应用，取得了显著的技术效益和重大经济效益。

例如，在知足相应的前提下，气体钻井如空气钻井、天然气钻井、氮气钻井、尾气钻井等，可成倍提高机械钻速，明显缩短钻井周期，降低钻井本钱；欠平衡钻井，则可对储层进行有效保护，有利于提高钻遇率和开发率。

为推行和扩大空气钻井的应用规模，美国能源部曾规定2004年的空气钻井口数不低于本土总钻井口数的30%。

近些年来，我国也开始关注、尝试应用空气钻井技术，在必然规模上采用欠平衡钻井技术，取得了可喜的进展。

随着对这些技术在直井上应用经验的慢慢积累和日渐成熟，在定向井及其他特殊工艺井上应用这些技术，已成为必然的进展趋势，这将在专门大程度上扩展气体钻井与欠平衡钻井的应用领域。

空气螺杆钻具(或称气体螺杆钻具)是用气体钻井或欠平衡钻井技术钻定向井及各类特殊工艺井的必需工具。

但在2001年末以前，此类新型螺杆钻具产品在国内仍为空白。

中国石油集团长城钻井公司在伊朗承担的空气钻井项目，急需φ244(9-5/8")的空气螺杆钻具，经与外商询价，每台价钱在13万美元以上，无法经受，大量量的购买更无从谈起。

为了解决生产急需和节约外汇，集团公司科技进展部考虑利用国内技术力量解决伊朗项目的现场急需，并为国内欠平衡钻井与空气钻井提供工具，决定成立“伊朗欠平衡钻井空气螺杆钻具研制”课题组，由中国石油勘探开发研究院钻井所和北京石油机械厂承担，并录用苏义脑为课题组长，组织攻关。

在2001年5月~2002年11月这一年半时刻中，课题组克服了重重难关，终
于完成了K7LZ120和K7LZ244两种系列的空气螺杆钻具样机的设计、制造、室内实验台架设计和空气钻井的有关理论研究工作，并于2002年7月进行了K7LZ120样机的地面实钻实验和2002年8月在长庆苏35－18井的下井实验，均取得成功。

在此基础上，两台K7LZ244样机于2002年12月运往伊朗，在2003年10月下井应用取得成功。

2004年7月在四川白浅－111H 井上运用K7LZ120钻具钻天然气水平井，取得了显著的技术效益。

本文针对空气钻井的特殊性(专门是空气介质的可紧缩性)，介绍空气螺杆钻具设计和研制中的几个关键问题，分析空气螺杆钻具的工作特性，并介绍K7LZ120和K7LZ244两种钻具在现场实验和生产应用中的有关情形。

二、空气螺杆钻具设计的关键问题
常规的螺杆钻具是以钻井液(俗称泥浆)作为传递动力的介质，由于液体的不可紧缩性和容积式机械的特性，螺杆钻具具有专门好的过载性能和硬机械特性。

而空气螺杆钻具，由于以紧缩空气作为动力源和工作介质，与常规液体驱动的螺杆钻具相较，其结构特征和工作特性有显著不同。

下面简介有关空气螺杆钻具设计的几个关键技术问题。

一、必需设计多头多级的马达
液驱螺杆钻具的过载性能和硬机械特性表此刻：1) 输出扭矩与马达进出口间的压差成正比；2)转速与通过的流量有关而与钻压无关。

在钻进进程中，当钻压增大时马达进出口间的
钻井液压差相应变大，致
使扭矩增加；而流进钻具
的泥浆排量近似固定，输
出转速不变；因此，增加
钻压有助于增大井底切削
力矩，提高机械钻速。

对于空气螺杆钻具，
钻压的增加一样会使马达进出口间的压差增大，但由于空气的可紧缩性，马达入口处压力升高，使通过马达的空气流量减小，因此输出的转速降低，过大的钻压乃至会致使马达制动。

因此，空气螺杆钻具必需设计成多头多级马达(如图1所气马达转子
液马达转子 图1 气马达与液马达转子的比较
示)，能够输出足够的工作扭矩，钻进时施加较大钻压，马达不会严峻失速或制动。

二、必需考虑并解决马达“飞车”问题
由于空气的可紧缩性，钻进时因切削力矩造成的压差使马达入口处空气压力增大，体积变小，马达转速低；当提离井底，压差显著变小，从而马达入口处空气压力减小，体积变大，马达转速上升。

这种突增的马达转速称为“飞车”。

飞车会使空气螺杆钻具内部的万向轴、传动轴轴承及马达定子转子副间的运动频率相应增大，磨损加重，寿命变短，从而影响钻井总效率。

因此，一般在用空气螺杆钻具钻井时都从工艺上对这一缺点加以限制，例如规定在起下钻进程中不循环空气；马达不得提离井底起动，而是先接触井底加压后再起动，等等。

可是这些规定并非科学，它与钻井工艺是有矛盾的。

因为起下钻进程中的循环有必然必要性，划眼下入、清洁井底是需要的，不循环容易造成卡钻；另外加压起动造成操作难度，很容易使马达在重载下突然起动而损坏内部结构。

所以，为克服空气螺杆的飞车问题，人们一般采用了一种地面控制办法：在井口增加一个空气流量调节阀，在起下钻循环时，选取1/2的工作流量。

这一控制办法在必然程度上解决了飞车问题，但弊病有四：1) 增加了地面装备；2) 造成了专门大的功率损失；3) 控制效果不好，因为空气驱动的软特性使马达特性随井深发生转变，合理的流量调节量是变量，1/2流量并非是唯一不变的最佳值；
4) 增加了操作难度，因为提离井底是常常要发生的操作，规定提钻前先去操作地面流量阀，如此既麻烦而又易失误。

课题组已研究出了一种解决空气螺杆钻具飞车问题的方式及装置，并申报了国家发明专利。

其工作原理为：在空气螺杆钻具的转子上端装入一个气动限速阀，转子中心钻有通孔，限速阀下端和钻子中孔相连。

当实际钻进时，限速阀处于闭合状态，转子中孔入口处的气流通道关闭，紧缩空气全数从马达工作副流过，产生工作转速。

当提钻空转时，限速阀处于开启状态，马达入口处的部份紧缩空气从转子中孔分流，于是流经马达工作副的气量减小，转速受到控制。

如此当空转状态，气压降低、体积膨胀时，由于限速阀的自动控制造成旁路分流，抑制了马达转速的上升。

该装置使空气螺杆钻具自身具有自动控制、调节转速，从而保证钻速稳固的内在特性。

3. 采用油润滑密封传动轴
常规螺杆钻具工作时，钻井液流经万向轴及其壳体间的空腔，主流从导水帽进入传动轴的中间流道，同时还有一小部份钻井液流经轴承组进行润滑和冷却，然后从传动轴壳体下部排向环空。

空气螺杆钻具中的传动轴虽然功能未变，可是却失去了泥浆对轴承的润滑和冷却作用。

由于螺杆钻具在恶劣的井底环境中工作时，轴承组负荷重，经受幅度专门大的交变载荷，是螺杆钻具易损害的部位，必需给予专门好的润滑。

于是，设计油润滑密封传动轴成为首选，将全数轴承密封起来，使轴承组在油润滑的条件下工作，同时避免岩屑粉尘进入轴承加重其磨损，使承载能力和使历时刻进一步提高。

北京石油机械厂已经有成熟的具有独立知识产权的油润滑密封传动轴技术，油润滑密封传动轴是空气螺杆钻具研制的关键技术之一。

4、选择气密封性能好的马达线型
转子和定子曲面形成的多个共轭封锁腔之间的密封性是形成容积式马达的大体条件之一。

按传统泥浆马达设计的定/转子经水密封实验合格后，在带压空气情形下发觉马达气密封性极不睬想。

在众多线型中由于短幅类线型在保证一样密封压力时要求较大的过盈，因此不宜用做空气马达，而宜选用具有较小定子齿顶曲率半径的线型。

课题组通过在北京石油机械厂引进的世界上最为先进的马达设计软件——奥地利WEINCAD 上进行模拟修正，找到了水密封和气密封兼备的线型，气马达线型如图2所示，图3为马达设计软件的界面。

三、空气螺杆马达转速特性分析
空气螺杆钻具软机械特性的本源在于空气的可液马达定子线型 气马达定子线型
图 2 修正后的气马达线型 图3 马达设计软件界面 图4 马达钻速与马达压降的关系
紧缩性，表现出的现象为转速的不稳固。

影响马达转速的因素不仅与钻压、切削力有关，而且与空压机的排气量、井深和井底温度等因素有关。

以下仅分析压力降、空压机排气量、井深等因素对空气螺杆马达转速的影响。

一、马达压降与转速间的关系
图4为在固定井深和固定空压机排量的工况下，当马达压降转变时所对应的马达转速，由图中数据可看到其间的关系为：
1) 马达转速始终随马达压降增大而降低；
2) 在相同马达压降条件下，钻头处气体流动为声速流时的马达转速比一样工况下为亚声速流时的马达转速要低得多，而且在相同马达压降转变范围内，声速流时的马达转速转变幅度比亚声速流时要小得多。

按照以上关系可得出一结论：若在钻头上加装喷嘴使气体处于声速流动状态，即便在钻进时因切削力矩转变造成较大马达压降波动，也不会致使马达的转速转变幅度太大，使马达的转速相对稳固，乃至能够达到有效控制马达“飞车”的目的。

二、空压机排气量与马达转速的关系(声速
流状态)
当空压机排气量增加后，气体的质量流量相
应增加，马达的转速会增加；同时，马达内平均
压力也相应增加，马达的转速将减小，这二者对
马达转速的影响恰好相反，马达转速是升高、仍
是降低？要进行具体计算后才能肯定。

图5为一计算结果，由图看到在钻头处气体流动为声速流时，随着空压机排气量的增加，马达转速相应地增加。

3、井深与马达转速的关系
很显然，随井深增加井底压力和井底温度都会随之增加。

在空压机排量恒定的工况下，马达转速与井底压力、温度有关，即转速是井底压力和井底温度的函数n=f (P bh,T bh)。

钻头气眼上方压图5 马达转速与空压机排气量的关系(声速流)
(a)
(b)
图6 马达转速与井深的关系
力与钻头气眼处气体流动状态有关。

因此，分钻头气眼处气体处于亚声速流态和声速流态两种情形分析。

(1) 钻头气眼处气体为亚声速流状态
图6(a)为马达转速与井深的关系曲线，由图看出随着井深的增加，马达转速大体维持不变。

该结果考虑了平均温度和井底压力一路作用的影响，为了便于分析亚音速流时马达内平均温度和平均压力两个参数单独对马达转速的影响，下面讨论只受一个参数影响时马达转速的转变规律。

计算结果如图6(b)所示，假定温度恒定，随着井深的增加，逐渐增高的马达内平均压力使马达转速下降；而当压力不变时，逐渐升高的马达内平均温度则使马达转速升高。

因此，马达内的平均温度和井底压力对转速的影响是相反的。

众所周知液动马达具有恒转速的特性，而在空气钻井中空气马达表现出了转速随压力、温度转变的特征。

但由于在空气钻井中温度、压力对马达转速的奉献恰好相反，因此马达转速究竟随井深如何转变要按照具体的井身结构、循环气量、温度梯度计算后才能明白。

而本算例马达转速恰好近似于恒定转速，但这与液动马达的恒转速特性是有本质区别的。

(2) 钻头气眼处气体为声速流状态
同亚声速流时马达转速分析一样，温度、压力对马达转速的影响恰好相反，因此马达转速究竟随井深如何转变要按照具体的参数计算后才能肯定。

四、空气螺杆钻具现场实验和生产应用情形介绍
1．K7LZ120×空气螺杆钻具实验样机液相台架实验
经优选线型的K7LZ120×空气螺杆钻具实验样机进行液相台架实验，取得了专门好的性能特性曲线，经与理论分析对比，结果超级满意。

图8为实验现场(左)及马达的性能曲线(右)，在性能曲线中的离散点为实验点，图中的持续曲线为实验点的拟合曲线。

通过液相台架实验，取得了以下结论：
1) 马达启动压力低(仅为~，说明马达配合及密封良好；
2) 扭矩随压力转变线性度专门好；
3) 马达高效区带宽长；
4) 密封传动轴在低压液态时也有专门好的密封效果；
5) 液相性能与国外同类产品相较略优。

2．K7LZ120×空气螺杆钻具地面实钻实验
2002年7月26日，在北京中煤大地技术开发公司，利用SCHRAMM ROTADRILL T685WS 型车载顶驱空压钻机进行了K7LZ120×空气螺杆钻具地
面实钻实验，
图9为实钻现场(左)及钻头和
岩芯钻孔(右)。

实验条件为空气压力、
排量35m 3/min 。

实验结果表明：
1) 实验样机完全符合设计要求；
2) 通空气后螺杆钻具马上正常
旋转，启动容易，操纵控制方便；
3) 钻进速度较快，虽然利用的是
旧钻头，在实验砂岩芯上5分钟进尺
米；
4) 密封传动轴在低压时对气态工
作介质也有专门好的密封效果。

3、K7LZ120×空气螺杆钻具现场实验 2002年8月24~25日，K7LZ120×空气螺杆钻具在长庆油田50628钻井队承钻的苏里格苏35-18井上进行了现场实验。

井深3235~3361m ，气源为天然气，压力4MPa ，空气排量40m 3/min ，钻井层为水泥塞、钢质扶圈、盖层，螺杆钻具共运转(含气举空运转)8h ，进尺21m ，工作正常。

参加实验的中石油科技进展部领导、长庆油田领导和课题组成员一致以为实验是成功的。

实验结论如下：
图9 K7LZ120空气螺杆钻具地面实钻实验现场(左) 及钻头和岩芯钻孔(右)
1) K7LZ120空气螺杆钻具，在气源气量和压力不完全知足需要的情形下，在苏35-18井中滑动和复合钻进打水泥塞20m 和1m 盖层，其中，在6吨的表观最佳工作钻压下滑动钻进时，机械钻速高达30m/h ；
2) 复合钻进(即开动转盘)时，由于转盘转速和螺杆钻具转子的转速叠加，有利于提高机械钻速；
3) 气量和气源压力不足，严峻影响K7LZ120空气螺杆钻具的机械钻速和应用效果；
4) 超过K7LZ120空气螺杆钻具的最大许可钻压，螺杆钻具将被压死，不但大大降低机械钻速和应用效果，也将影响螺杆钻具的寿命，施工中必然要杜绝施加过大的钻压；
5) K7LZ120空气螺杆钻具样机已达到工业应用水平，可批量生产，以知足不断增加的现场钻进施工需要。

对完成现场实验的K7LZ120×空气螺杆钻具实验样机进行拆检，所有零部件无一损坏，性能依旧正常。

图10为拆检后的部份零、部件。

4、K7LZ244×空气螺杆钻具在伊朗项目中的应用
K7LZ244×空气螺杆钻具在长城钻井公司伊朗项目组RIG16实施定向作业，井下工作。

并用多种介质实验取得圆满成功，受到施工单位的一致好评。

以下是新疆RIG16井队利用记录及对该工具的评价：
“咱们对北石厂生产的K7LZ244×螺杆钻具进行了利用，累计入井时刻，循环时刻。

利用进程分两个阶段，第一阶段利用泥浆作为介质，钻井井段618~660m ，入井时刻，循环时刻；第二阶段利用空气泡沫作为介质，入井时刻58h
，循环时图10 现场实验后的马达转子和万向轴
刻。

因为实施侧钻作业，钻速特加以控制(2m/h、1m/h、h不等)。

整体感觉：该螺杆钻具工作状况较为平稳，专门是利用空气作为介质时，表现出功率大，寿命较长。

”
五、K7LZ120×空气螺杆钻具在白浅111H水平井中的应用
2004年7月，K7LZ120×空气螺杆钻具在中国石油天然气股分有限公司西南油气田分公司所属的白马庙构造白浅111H水平井(国内第一口气体钻水平井)进行气相欠平衡钻进取得成功应用。

白浅111H水平井依照最初的施工设计方案，在进入水平段后在井深1080~1103m井段采用柴油机尾气驱动空气螺杆钻具带动PDC钻头的钻井实验，气量为33~40 m3/min，钻进正常，钻时为4~5min/m，累计进尺23m。

后来因为实验中的尾气发生装置尚存在一些技术问题而停止实验。

后经西南油气田分公司领导决策从1103m改用天然气驱动空气螺杆钻具带动PDC钻头钻进，天然气排量~min，平均51m3/min，钻至井深1325m完钻，天然气驱动累计进尺222m，平均机械钻速h，最高达20m/h。

测试产量：×104m3/d，无阻流量：10×104m3/d。

K7LZ120×空气螺杆钻具通过在白浅111H井水平段的施工应用，承钻该井的川钻2002队以为：
1) 北京石油机械厂生产的空气螺杆钻具填补了我国在水平井中进行气相欠平衡钻进井下动力钻具的空白；
2) 实用证明北京石油机械厂生产的空气螺杆钻具产品质量靠得住；
3) K7LZ120×空气螺杆钻具比常规螺杆钻具表现出更大的扭矩和现场利用有更大的灵活性。

对所利用的空气螺杆钻具拉回制造厂经拆检，马达效率仅有1％的转变。

其余零、部件仍然完好如初。

五、结论
一、空气螺杆钻具研制成功填补了国内空白，形成了具有我国独立知识产权的生产制造技术，为进一步提高中国石油在国际上的核心竞争能力提供了有力的支持，推动了我国钻井技术的进步。

二、空气螺杆钻具将成为用气体钻井或欠平衡钻井技术钻定向井及各类特殊工艺井的必需工具，将气体钻井和欠平衡钻井扩大到定向井和各类特殊工艺井，因此，有广漠的应用前景，并将带来庞大的经济效益。