空气螺杆钻具

空气螺杆钻具

空气螺杆钻具研制、特性分析及现场实验与应用

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获得广泛应用，在国内也正呈快速发展趋势。空气螺杆钻具是应用这类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获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，在满足相应的前提下，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，降低钻井成本；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。为推广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，在一定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逐步积累和日渐成熟，在定向井及其他特殊工艺井上应用这些技术，已成为必然的发展趋势，这将在很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年底以前，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?244(9-5/8?)的空气螺杆钻具，经与外商询价，每台价格在13万美元以上，无法承受，大批量的购买更无从谈起。为了解决生产急需和节约外汇，集团公司科技发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，并任命苏义脑为课题组长，组织攻关。

在2001年5月?2002年11月这一年半时间中，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月下井应用获得成功。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(特别是空气介质的可压缩性)，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况。

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，由于液体的不可压缩性和容积式机械的特性，螺杆钻具具有很好的过载性能和硬机械特性。而空气螺杆钻具，由于以压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比，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。

1、必须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现在：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。在钻进过程中，当钻压增大时马达进出口间的钻井液压差相应变大，导致扭矩增加；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，钻压的增加同样会使马达进出口间的压差增大，但由于空气的可压缩性，马达入口处压力升高，使通过马达的空气流量减小，因而输出的转速降低，过大的钻压甚至会导致马达制动。因此，空气螺杆钻具必须设计成多头多级马达(如图1所示)，能够输出足够的工作扭矩，钻进时施加较大钻压，马达不会严重失速或制动。

2、必须考虑并解决马达“飞车”问题

由于空气的可压缩性，钻进时因切削力矩造成的压差使马达进口处空气压力增大，体积变小，马达转速低；当提离井底，压差显著变小，从而马达进口处空气压力减小，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，磨损加剧，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，例如规定在起下钻过程中不循环空气；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。但是这些规定并不科学，它与钻井工艺是有矛盾的。因为起下钻过程中的循环有一定必要性，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措施：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。这一控制措施在一定程度上解决了飞车问题，但弊病有四：1) 增加了地面装备；2) 造成了很大的功率损失；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变化，合理的流量调节量是变量，1/2流量并不是唯一不变的最佳值；4) 增加了操作难度，因为提离井底是经常要发生的操作，规定提钻前先去操作地面流量阀，这样既麻烦而又易失误。

课题组已研究出了一种解决空气螺杆钻具飞车问题的方法及装置，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，压缩空气全部从马达工作副流过，产生工作转速。当提钻空转时，限速阀处于开启状态，马达入口处的部分压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。这样当空转状态，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，从而保证钻速稳定的内在特性。

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，同时另有一小部分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，但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，承受幅度很大的交变载荷，是螺杆钻具易损害的部位，必须给予很好的润滑。于是，设计油润滑密封传动轴成为首选，将全部轴承密封起来，使轴承组在油润滑的条件下工作，同时防止岩屑粉尘进入轴承加剧其磨损，使承载能力和使用时间进一步提高。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