新型螺杆钻具的研发及发展方向

新型螺杆钻具的研发及发展方向摘要

由于目前国内螺杆钻具制造技术水平的限制，再加上使用操作不当，造成螺杆钻具井下事故频发，由此带来了较大经济损失。因此，如何采取有效的预防措施，最大限度地减少螺杆钻具井下事故发生，既是提高钻井经济效益的迫切要求，也是充分利用螺杆钻具潜在寿命的重要前提。本文系统分析了螺杆钻具的发展方向，并对螺杆钻具有关实际问题提出了有益的建议。

关键词：螺杆钻具；发展现状；新型螺杆钻具；发展方向；研发建议

1螺杆钻具结构及工作原理

螺杆钻具主要由四大部件组成：旁通阀总成、马达总成、万向轴总成及传动轴总成，如图1所示。其外部由旁通阀接头、马达壳体、万向轴壳体及传动轴壳体通过锥管螺纹依次相连，内部连接顺序是：马达转子的下端与万向轴相接，万向轴的下端与传动轴相接。

图1 螺杆钻具四大部件

旁通阀总成位于马达总上端，当下钻时，钻柱内腔与钻柱外环空相通，钻柱外环空的钻井液进入钻柱内腔，起钻时，钻柱内腔的钻井液进入钻柱外环空，起到平衡钻柱内外压力平衡作用。

马达总成是螺杆钻具的核心机构，也是螺杆钻具的动力源。马达由转子和定子两个部件组成，从马达的一端流到另一端时，推动转子在定子中转动，将液压能转换为机械能。螺杆钻具的转子头数越多，转速越低，扭矩越大；头数越少，转速越高，扭矩越小。

万向轴总成主要有万向轴和万向轴外壳组成。万向轴总成的作用是把转子的行星运动转换为传动轴总成的定轴转动。它把马达和传动轴联成一体并把马达提供的转速和扭矩传递给传动轴及钻头。

传动轴总成是位于螺杆钻具的下端，传动轴总成的作用是将马达产生的旋转动力传递给钻头。

螺杆钻具以钻井液（或压缩气体）为动力，钻井液（或压缩气体）由钻杆进入螺杆钻具旁通阀总成后，使阀芯关闭，然后进入螺杆钻具马达总成，在马达进出口处形成一定压差推动马达的转子旋转，产生扭矩和转速，通过万向轴和传动轴总成传递到钻头上，达到钻井的目的。

2发展现状

美国在50年代中期开始研制螺杆钻具，1962年用于生产，不同厂家生产的有迪纳钻具、纳维钻具和波斯钻具，其基本原理都是基于容积式马达，只是内部结构和技术参数有不同。近十年来，随着水平井、径向井、分支井的大量涌现，螺杆钻具的发展也产生了质的飞跃，在美国和西欧，几乎90%的大、中曲率半径水平井的定向造斜和水平井段都是由螺杆钻具钻成，目前已发展出许多新型的专用螺杆钻具。

国内螺杆钻具的研制起步较晚，从20世纪80 年代中后期形成一定规模，目前常规螺杆钻具已规格化、系列化，各主要生产厂家中大港、北京、德州等厂家产品已覆盖国内绝大部分市场。在工作寿命、易损件耐磨性、特种螺杆的设计制造等方面与国外有一定的差距。国内马达数一般为4级或6级，不能完全满足水平井等一些特殊工艺的需要，短半径水平井钻井作业的钻具在国内也只处于起步阶段。

3新型螺杆钻具简介

随着螺杆钻具研发技术水平的提高，加之新材料、新工艺的不断涌现，螺杆钻具的泵体技术发展较快，出现了以下几类能够解决专项问题、满足不同需要的螺杆钻具。

（一）串联多级马达

串联马达的动力段总成增加了一节动力段，中间用一钛挠性轴相连，使马达输出的扭矩和功率增加，但其需要的驱动量、转速与单一动力段马达是一样的，设计与制造材料方面的改进，使串联马达具有极好的耐用性。

（二）加长马达

加长马达就是把动力段加长，使马达的输出扭矩增加。加长马达装备有改进的加强的轴承组合，设计时用有限元分析法评估了各部分的性能，从而能满足输出大扭矩、高负载的需要。

（三）中空转子马达

大斜度井和水平井需要大排量洗井以利于清砂，实心转子马达额定排量小，中空转

子的额定排量可以提高20%以上。

（四）铰接式螺杆钻具

铰接式螺杆钻具主要用于老井侧钻或钻短半径水平井，它能在30m长度内将井眼由垂直变为水平，造斜率达3º～4 º。该钻具的显著特点是有两个铰接体，铰接体可以在5 º范围内弯曲活动，其中一个铰接体连接了两段螺杆马达；在内部结构中，两转子之间采用高强度万向节连杆。

（五）导向钻井系统用螺杆钻具

导向钻井系统在西方已广泛用于水平井钻井，所用井下马达主要有带衬垫的弯外壳螺杆钻具、双倾万向螺杆等；这些马达与随钻测量系统、聚晶金刚石钻头配合在一起，可以长时间地钻进并实时收集井下情况，使井眼沿设计轨道钻达目的层。

（六）等壁厚螺杆钻具

橡胶衬套厚薄不均，螺杆钻具定子在工作时，容易导致定子过早失效，从而缩短了螺杆钻具的使用寿命，通过合理改变定子壳体的形状，使定子橡胶层薄且均匀，以克服常规螺杆钻具定子技术的不足，能有效地改善螺杆钻具的工作环境，提高其使用寿命。

（七）空气螺杆钻具

空气螺杆钻具是专为空气钻井设计的一种马达。国外主要是贝克休斯公司有能力生产空气螺杆钻具。国内中国石油勘探开发研究院钻井所、北京石油机械厂2002年共同研制了K7LZ120×7.0空气螺杆钻具样机。

4螺杆钻具发展方向

螺杆钻具应用到今天，逐步向多元化、专业化方向扩展，一些专用螺杆钻具在某些特殊领域具有更重要的使用价值，更经济有效地进行钻井。

（一）螺杆钻具在整体结构上逐步向大扭矩、高效率方面发展，以利于提高螺杆钻具的钻进能力和机械钻速，如串联马达、加长马达等。

（二）常规螺杆在内部结构上改进主要是为了提高螺杆钻具的使用寿命。通过实验了新型耐用材料，对定子橡胶、轴承材料改进，并研制有旁通孔结构的空心转子，使用闭式油润滑支承节和聚晶金刚石轴承，发展带减速器的低速大扭矩螺杆，这些都是常规螺杆提高工作寿命的发展方向。

（三）研制非油气井用螺杆钻具，如煤层气井抗腐蚀螺杆、地热井抗高温螺杆等。

（四）发展取芯用井下动力钻具。

（五）钻水平井、径向井的井下动力钻具在国外已十分成熟，但在小井眼水平井中的小尺寸螺杆方面还有薄弱环节，提高制造工艺精度、加强材质性能方面要进一步努力。

（六）重视各种新型螺杆发展概念的建议，如发展转子挂胶技术、定转子金属不挂胶磨合技术等。