螺杆钻具的前沿技术
俄罗斯两项螺杆钻具专利技术简介
国外石油机械俄罗斯两项螺杆钻具专利技术简介刘镇定(兰州石油机械研究所)摘要 鉴于螺杆钻具不能完全适应当代先进钻井工艺要求的状况,从其技术改进的成果中简要介绍了俄罗斯两项螺杆钻具专利技术:其一,自动补偿转子和定子磨损的螺杆钻具。
该螺杆钻具的马达采用自动补偿转子和定子磨损的结构,可以延长其工作寿命,使之在钻井过程中始终保持高效率。
其二,产生轴向脉冲载荷的螺杆钻具。
钻具工作中,在转子上产生的轴向振动,使钻头的轴向力及由转子传递给钻头的扭矩具有同步变化的特性,既可以提高钻头破岩效率,也有利于克服钻柱与井壁的摩擦力,对于钻水平井尤其有重要意义。
关键词 螺杆钻具 自动补偿 脉冲载荷 专利螺杆钻具是目前广泛应用的井下动力钻具之一,它可以大幅度提高钻井质量和速度,缩短建井周期,降低钻井成本,但它并不能完全适应当代先进钻井工艺的要求,因而,其技术改进的成果时有报道。
现选取俄罗斯两项螺杆钻具专利技术做概要介绍。
自动补偿转子和定子磨损的螺杆钻具[1]1 结构特点自动补偿转子和定子磨损的螺杆钻具结构如图1所示。
这种钻具的马达采用自动补偿转子和定子磨损的结构来提高工作寿命。
将弹性橡胶定子7用筋杆5与上定心盘10及下定心盘4组成的骨架加固,以提高其轴向刚性。
筋杆硫化在橡胶定子内,与定心盘刚性连接,并固定在钻具外壳6内。
定子与钻具外壳之间形成一环腔。
在与高压腔相邻的上定心盘上,有沿圆周均布的弧形通孔9,使高压腔a与定子和钻具外壳间的环腔沟通。
为了避免环腔结垢,通孔9制成弧形(图1b)。
在定子长度上,可以有多个均布的带孔的中间定心盘,并用垫环固定在壳体内。
这样,橡胶定子便具有了足够的轴向刚性,而在径向却仍保持有柔性。
图1 自动补偿转子和定子磨损的螺杆钻具1 轴承节轴;2 径向轴承;3 万向轴;4 下定心盘;5 筋杆;6 钻具外壳;7 橡胶定子;8 转子;9 弧形孔;10 上定心盘 2 工作原理在钻井液流向马达工作腔的同时,有一部分经过定心盘的通孔9进入定子与壳体间的环腔。
国内外螺杆钻具的应用及发展趋势
国内外螺杆钻具的应用及发展趋势大港油田中成机械制造有限公司王春阳 吴爱民 李良君摘要 本文综述国内外螺杆钻具的近十多年来的行业水平及未来发展趋势，介绍了该技术的进展，基础理论与应用，介绍了国内外对螺杆钻具的设计制造技术水平，论述螺杆钻具的发展趋势，提出我国螺杆钻具研究方向。
主题词 螺杆钻具 发展趋势 设计 应用螺杆钻具的工作原理螺杆钻具是利用莫依诺原理以油基泥浆、浮化泥浆、及粘土泥浆等作动力液，把液体压力能转换为机械能的一种容积式井下动力钻具。
当泥浆泵产生的高压泥浆流经旁通阀进入马达时，转子在压力泥浆的驱动下绕定子的轴线旋转，马达产生的扭矩和转速通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业。
螺杆钻具由四大部分组成：旁通阀总成、马达总成、万向轴总成、传动轴总成。
旁通阀总成作用是通过其开启和关闭控制泥浆流向，从而控制马达的启动和停止，同时在起下钻时不使泥浆溢于井台。
马达总成一对由钢制左旋的转子螺杆在钢管内附着的橡胶衬套中共轭啮合形成的螺杆衬套幅，泥浆的压力推动转子转动，从而把压力能转换为机械能。
万向轴总成的作用是将转子的偏心运动转换成传动轴的定轴运动。
传动轴总成的作用是把万向轴传递过来的马达动力传递给钻头，实现破碎岩石作业。
螺杆钻具的应用目前钻井用井下动力钻具有螺杆钻具、涡轮钻具、电动钻具三种，螺杆钻具具有良好的“硬特性”：转速随着钻具扭矩的增加而下降很少，同时又具有良好的“软特性”即通过橡胶的变形漏失泥浆来起缓冲、减震、过载保护的作用。
螺杆钻具以其良好的功率特性使它取代涡轮钻具成为最广泛使用的一种井下动力钻具，它与传统的转盘带动钻杆钻进相比有许多优点1、它可以增加钻头转数和钻头扭矩因而增加进尺率，缩短钻井周期。
2、井底直接提供动力，减少了钻杆底磨损和损坏。
3、可准确的侧钻、造斜、定向、纠偏。
4、可钻定向井、水平井、丛式井，显著提高钻井的经济效益。
螺杆钻具的应用市场非常广阔，随着高产井的开发、后期井的再生利用，薄油层的开采及土地资源政策的制约，定向井得到极大的推广，对螺杆钻具的需求不断增大，东亚、欧美地区许多油田进入后期开采需用定向井。
世界螺杆钻具研发新进展
世界螺杆钻具研发新进展螺杆钻具因具有较高的系统效率而日益受到重视。
目前，国、内外生产厂家对许多新型螺杆钻具进行了大量研究。
本文介绍了螺杆钻具的研发过程及螺杆钻具生产厂家，系统地分析了国内外螺杆泵的新技术、新工艺、新材料的研究进展。
针对目前存在的不足，指出了螺杆钻具的研发方向。
井下动力钻具主要有电动钻具、涡轮钻具、叶片钻具和螺杆钻具。
螺杆钻具也称为容积式马达（PDM），具有低速大扭矩的特征，整体长度约为4m~8m，是目前最广泛使用的一种井下动力钻具。
主要由旁通阀总成、马达总成、万向轴总成、传动轴总成和导向总成组成（图1）。
其核心部件马达总成主要是由偏心螺旋体的螺杆（转子）和呈螺旋面的衬套（定子）组成。
螺杆钻具是一种以钻井液为动力，把液体压力能转为机械能的容积式井下动力钻具。
当泥浆泵泵出的泥浆流经旁通阀进入马达，在马达的进出口形成一定的压力差，推动转子绕定子的轴线旋转，并将转速和扭矩通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业。
螺杆钻具作为井底动力装置，具有低转速、大扭矩、大排量等优点。
增加了钻头扭矩和功率，提高了进尺率；减少了钻杆和套管的磨损和损坏；可准确进行定向、造斜、纠偏；广泛应用于直井、水平井、丛式井和修井作业。
螺杆钻具研发进程美国在20世纪50年代中期开始研制螺杆钻具，1962年用于生产，有迪纳钻具（Dyna Drill）公司，纳维钻具（Navi Drill）公司和波斯钻具等。
目前，螺杆钻具的发展主要以美、英、法、苏联等国为代表。
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到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，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尚属空白，作为短半径水平井的铰接马达，国内也只处于研究阶段。
全金属螺杆钻具研究现状与关键技术分析
全金属螺杆钻具研究现状与关键技术分析摘要：螺杆钻具是一种以钻井液为动力源，将液体压力转换为机械能的井下动力工具，但在耐热性、持久性上还有待于开发，国内国外多位学者对此进行了大量研究，提出可以在原有的构件中去除橡胶部件，将金属定子与转子结合实现钻井作业。
采用全金属螺杆钻具，可更好提升耐热性，降低其破坏性，还可以有效地增加其使用寿命，本文主要阐述国内外针对该设备的研究情况，并分析现代关键技术，希望可以为读者进行帮助。
关键词：间隙取值；耐受度；机械效率引言：全金属螺杆钻具目前在国内国外都还处于研究阶段，但已经取得不错成果，开始部分投入应用。
研发技术上，水力设计、定子制造、表面强化、长寿轴承等技术方面都有了突破性进展，开发了一种全新的、集成了多个部件的螺杆式定子，将各部件进行铣削和焊接，增强了定子的加工效率。
为使得研究有新突破，在研究全金属螺杆钻具的同时，应从实际钻井情况出发以差异化的形式设计其他钻井设备，多学科合作，充分发挥全金属螺杆钻具最大工作效率。
1全金属螺杆钻具研究现状1.1国内研究现状由金属材料制作成的定子，能有效解决钻具设备工作时出现的高温问题，其外壁具有螺旋凹槽，外壁主要作用是将供钻井液返回，全金属定子的研发既确保了马达工作的稳定性和流畅性，又进一步增强其密封性能。
采取技术革新，将原有的螺杆钻具的位置调整至适当的水平，以增加其对于高频振荡的抵御能力，不仅能大大降低其破坏性，还能有效地增加其使用寿命，最终实现一种全新的全金属螺杆钻具。
为了有效抑制螺杆钻具内部高温问题，即通过改变内啮合齿轮的位置，来使定子和转子之间的距离变小，从而避免温度的高峰，减缓由于内部定子和转子由于挤压而产生内部高温问题。
在降低成本环保方面，研究人员利用液压成形、自蔓延反应等技术，使得壳体和金属衬套能够完美结合，此项技术的制作更为便捷，且适宜于大规模的制造。
通过将多个定子的短节相互联系，并将其中的键槽和外部的螺杆相结合，开发了一种全新的、集成了多个部件的螺杆式定子，其不仅拥有极高的精度，还非常容易进行加工。
螺杆钻具：前景“可望”又“可及”
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螺杆 钻 具 因具有 较高 的 系统 效 率而 日益 受到重 视 。 目前 ，国 内外生产 厂 家对许 多新型 螺杆 钻 ！ 了大量 研 究。 本文 介绍 了 国 内螺 杆泵 的研 究进 展 ，针对 目前存 在 的不足 ，指 出了螺杆 钻 具 ｝ 行
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国 内 螺 杆 钻 具 寿 命 一 般 都 在 粘 度 下 最 优 工作 状 态 时 定 、转 子 的 合 １ ０ ． ０ ｈ 间 ， 大 都 已 形 成 规 格 理过盈量 ；研究定 、转子摩擦产生 的 ｈ２ ０ 之 ０ － 、叶 片 钻 具 和 螺 杆 钻 具 。 螺 化 、 系 列 化 。 螺 杆 钻 具 从 ６ ｍｍ一 温 度 场 对 定 、转 子 线 型 及 过 盈 量 的影 占 具 ０ 也 称 为容 积 式 马 达 （ ＰＤＭ ）， ２ ４ ４ ｍｍ各 种 规 格 ，配 有 可 调 弯 壳 体 响 。 根 据 不 同 的橡 胶 材 料 、不 同 的工 氐速 大 扭 矩 的特 征 ，整 体 长 度 约 （ Ｋ ）、可 换扶 正器 ，基 本 能 够满 作 环 境 条 件 ，选 择 不 同 的 配 合 过 盈 Ａ Ｏ 丰 动 力钻 具 主要 有 电 动 钻 具 、 下
和 呈 螺 旋 面 的 衬 套 （ 子 ）组 近 年 来 ，通 过 国外 技 术 的 引进 ，许 多 加恶 劣 ，值得 进一 步研 究和探 讨 。 定 油 田和 厂 家 正 致 力于 螺 杆 钻 具 的 研 究 螺 ＃ Ｓ 具 的标 准 化 、 系列 化 ： 内 Ｔａ 国 累杆 钻 具 是 一 种 以 钻 井 液 为 动 并开始现场应 用和试验 。为满足大规 外 生 产 螺 杆 钻具 的 厂 家较 多 ， 目前螺 ：液 体 压 力 能 转 为 机 械 能 的容 积 模 工 业 应 用 的 需要 ，建 议 后 期 研 究 课 杆 钻 具 制造 和 质 量 检 测 没 有 统 一 的 标 巴 动 力 钻 具 。 当泥 浆 泵 泵 出 的泥 题 主 要 是 围绕 探 索 新 型 螺 杆 钻 具 、优 准 ，各制造 厂的螺 ＃ Ｓ 具结构参 数和 Ｔａ 圣旁 通 阀进 入 马 达 ，在 马 达 的进 选 螺 杆 钻 具 结 构参 数 、合 理 选 择 衬 套 工 作 参 数 不 相 同 ，产 品 的 互 换 性 相 当 形成 一 定 的 压 力 差 ，推 动 转 子 绕 与转 子 配合 过 盈 量 、智 能 化 控 制 、长 ｊ轴 线 旋 转 ，并 将 转 速 和扭 矩 通 寿命 高 效 平稳 运 行 、满 足 特 殊井 需 勺 甸轴 和 传 动 轴 传 递 给 钻 头 ，从 而 要 、扩 大应 用领域 等方面开展技术攻 ｌ 作业 。 占 井 关 。 经过 大 量 的 文 献 调 研 ，螺 杆 钻 具 差 ，造 成 现 场使 用 和 维 修 相 当不 便 ， 严 重 影 响 了 螺 杆 钻 具 技 术 优 势 的 发
螺杆钻在华井钻塞中的应用与
安全性高
螺杆钻在操作过程中不需要人 员接触钻头，减少了人员受伤
的风险。
低成本
螺杆钻的结构简单，维护成本 低，使用寿命长。
02
螺杆钻在华井钻塞中的应用
华井钻塞的概述
华井钻塞是一种用于油气勘探和开发 中的井下工具，主要作用是在钻完井 后将井筒封住，防止地层流体漏失， 同时方便后续的修井、增产等作业。
技术优势的提升
随着螺杆钻技术的不断发展和进步，其在华井钻塞中的市场竞争力 也将得到提升。
替代传统钻具的趋势
与传统钻具相比，螺杆钻具有高效、环保、智能等优势，因此其替 代传统钻具的趋势也将继续保持。
05
螺杆钻在华井钻塞中的实际案例分析
案例一：螺杆钻在某油田的成功应用
总结词
高效、节能、环保
详细描述
某油田在螺杆钻的应用下，实现了钻井周期的缩短，同时降低了燃料消耗和碳 排放。此外，螺杆钻的使用还减少了传统钻井设备对环境的影响，为油田的可 持续发展做出了贡献。
择高品质的密封件和密封材料，以确保其具有良好的密封性能。
03
抗疲劳性能
华井钻塞的钻进过程需要反复进行冲击和旋转运动，对螺杆钻的抗疲劳
性能提出了更高的要求。因此，需要选择具有良好抗疲劳性能的螺杆钻
材料和结构设计。
螺杆钻的维护和保养
使用前检查
使用前应对螺杆钻进行全面检查 ，包括喷嘴、密封件、轴承等关 键部位，确保其处于良好状态。
封堵、压裂等。
螺杆钻在华井钻塞中的具体应用
螺杆钻在华井钻塞中可以用于各种类 型的油气井，如直井、斜井、水平井 等。
在形成孔洞后，螺杆钻可以通过旋转 将华井钻塞推入孔洞中，使其与井筒 内壁紧密贴合，封住地层流体。
在进行钻塞作业时，螺杆钻可以通过 旋转产生轴向压力和扭矩，从而将钻 头深入到井底，破碎地层岩石并形成 孔洞。
螺杆钻具的应用现状及未来发展建议_李明谦
!专题综述#螺杆钻具的应用现状及未来发展建议李明谦 黄继庆(大港油田集团中成机械制造有限公司) 摘要 随着钻井工程的快速发展,螺杆钻具也有了长足的发展,目前国产螺杆钻具在国内市场已基本占有主导地位,较好地满足了我国钻井工程的需要,但还存在许多不足之处。
在重点介绍了我国螺杆钻具发展现状的同时,还指出了我国螺杆钻具存在的问题,并针对这些问题,提出了我国螺杆钻具今后的发展建议。
关键词 螺杆钻具 应用现状 发展建议 自20世纪80年代以来,随着钻井工程的快速发展,作为80年代石油工程三大技术(P DC钻头、MWD、井下动力钻具)之一的螺杆钻具[1]也有了长足的发展。
国产钻具走过了从无到有从弱到强的过程,国产螺杆钻具在国内市场基本上占有主导地位,较好地满足了国内钻井工程的需要,但国内钻具由于种种原因,还存在着许多不尽人意的地方,如寿命不稳定、钻具的选择性差及钻具管理混乱等。
因此,需要对钻具的整体情况进行分析,包括设计、制造、使用及钻具档案管理等全过程管理,找出差距,为解决螺杆钻具的问题指明方向,以实现国产钻具的再发展。
我国螺杆钻具的发展现状我国的螺杆钻具伴随着钻井工程的需要,适用领域不断扩大,已由起初的定向井、大位移斜井、水平井及一般直井,发展到近些年的大规模推广的直井复合钻井及河流穿越工程等领域。
螺杆钻具技术得到较大的发展,主要表现在:尺寸规格更加系列化,尺寸由 54mm扩至 286mm;性能参数更加细化,同一种规格有多种不同性能参数钻具适应不同钻井参数的需要;在结构上,不同结构适应不同的钻井方式;在钻井的寿命方面,优化后的钻具方案可满足不同工况的钻井需要等。
从钻具的4大部分的发展状况来看,具体反映了钻具整个发展情况。
11旁通阀总成近年来旁通阀总成结构未有大的发展,基本上是维持了阀体、阀心、阀套、弹簧及密封圈的结构。
问题是:阀总成本身经常开启,易造成阀心、阀套及阀体内侧过渡冲蚀,增加易损件更换频次。
21马达总成马达总成作为衡量螺杆钻具制造水平的核心部件,从引进之初,就作为各制造厂重点研发的对象,因此,发展相对较快,具体情况如下:(1)基本理论上还是延续万邦烈教授的理论[2],线型还是保持圆弧和原摆线的线型,虽有应用圆弧和短副内摆线的线型,但应用厂家很少。
国内外螺杆钻具的应用及发展趋势
国内外螺杆钻具的应用及发展趋势大港油田中成机械制造有限公司王春阳 吴爱民 李良君摘要 本文综述国内外螺杆钻具的近十多年来的行业水平及未来发展趋势，介绍了该技术的进展，基础理论与应用，介绍了国内外对螺杆钻具的设计制造技术水平，论述螺杆钻具的发展趋势，提出我国螺杆钻具研究方向。
主题词 螺杆钻具 发展趋势 设计 应用螺杆钻具的工作原理螺杆钻具是利用莫依诺原理以油基泥浆、浮化泥浆、及粘土泥浆等作动力液，把液体压力能转换为机械能的一种容积式井下动力钻具。
当泥浆泵产生的高压泥浆流经旁通阀进入马达时，转子在压力泥浆的驱动下绕定子的轴线旋转，马达产生的扭矩和转速通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业。
螺杆钻具由四大部分组成：旁通阀总成、马达总成、万向轴总成、传动轴总成。
旁通阀总成作用是通过其开启和关闭控制泥浆流向，从而控制马达的启动和停止，同时在起下钻时不使泥浆溢于井台。
马达总成一对由钢制左旋的转子螺杆在钢管内附着的橡胶衬套中共轭啮合形成的螺杆衬套幅，泥浆的压力推动转子转动，从而把压力能转换为机械能。
万向轴总成的作用是将转子的偏心运动转换成传动轴的定轴运动。
传动轴总成的作用是把万向轴传递过来的马达动力传递给钻头，实现破碎岩石作业。
螺杆钻具的应用目前钻井用井下动力钻具有螺杆钻具、涡轮钻具、电动钻具三种，螺杆钻具具有良好的“硬特性”：转速随着钻具扭矩的增加而下降很少，同时又具有良好的“软特性”即通过橡胶的变形漏失泥浆来起缓冲、减震、过载保护的作用。
螺杆钻具以其良好的功率特性使它取代涡轮钻具成为最广泛使用的一种井下动力钻具，它与传统的转盘带动钻杆钻进相比有许多优点1、它可以增加钻头转数和钻头扭矩因而增加进尺率，缩短钻井周期。
2、井底直接提供动力，减少了钻杆底磨损和损坏。
3、可准确的侧钻、造斜、定向、纠偏。
4、可钻定向井、水平井、丛式井，显著提高钻井的经济效益。
螺杆钻具的应用市场非常广阔，随着高产井的开发、后期井的再生利用，薄油层的开采及土地资源政策的制约，定向井得到极大的推广，对螺杆钻具的需求不断增大，东亚、欧美地区许多油田进入后期开采需用定向井。
等壁厚螺杆钻具在南海西部的首次成功应用
等壁厚螺杆钻具在南海西部的首次成功应用螺杆钻具等壁厚橡胶定子，是螺杆钻具产品中近几年开发的最新技术。
相比非等壁厚螺杆钻具定子，等壁厚的螺杆钻具定子衬套具有受力均匀、耐磨损、寿命长的特点。
在本次WZ12-8W-A6H井中用到等壁厚螺杆钻具，属于在南海西部钻井作业中的首次使用，作业过程中发现的问题及积累的经验对后续井作业具有一定的借鉴和参考意义。
标签：等壁厚；南海西部；首次使用1地质特征涠洲12-8油田中区构造特征为基底隆起背景上形成的披覆背斜構造。
地层倾角小，闭合幅度低，圈闭面积大，构造比较完整。
断层相对不发育，西南边的断层断距较小，且不控制沉积作用。
涠洲12-8油田中区下洋组一段油层沉积相为滨浅海临滨砂坝，本套储层的岩石类型以石英砂岩为主，少量海绿石及暗色矿物，砂岩粒级多为中细砂，部分为极细砂和粗砂，分选中等，泥质胶结属于特高孔特高渗储层，岩心物性：孔隙度29-41.2%，平均值36.9%，渗透率218-7367mD，平均值2423mD，测井物性：中～高孔、高～特高渗，孔隙度21.1-35.1%，平均值26.7%，渗透率109-5472mD，平均值1078mD。
下一段地面原油性质具有油质重、含蜡量高的特点。
X1I油组原油密度介于0.949～0.951g/cm3，属于重质油。
X1II油组原油密度为0.865～0.885g/cm3，介于轻质到中质油之间；X1I油组含蜡量为8.3%～8.7%，X1II油组含蜡量为11.2%～15.4%，均为高蜡原油。
涠洲12-8油田中区下一段为为未饱和油藏，具有粘度高、饱和压力低、地饱压差大、溶解气油比低的特点。
粘度：X1I油组地层原油粘度168.93mPa·s，粘度较高，X1II油组地层原油粘度9.22-9.6mPa·s，为中等粘度；饱和压力：0.221MPa～0.924Mpa；地饱压差：10MPa左右；溶解气油比：2～7m3/m3。
2钻具组合及钻井参数钻具组合为：Φ406.4mm牙轮钻头+Φ244.48mm导向螺杆钻具+Φ365.12mm 扶正器+Φ203.2mm浮阀接头（浮阀）+Φ203.2mm无磁钻铤+Φ203.2mm MWD+Φ203.2mm无磁钻铤+Φ203.2mm定向接头+Φ203.2mm震击器（挠性接头）+Φ203.2mm配合接头+Φ139.7mm加重钻杆7根+Φ139.7mm钻杆。
高效导向螺杆钻具的研究与应用
高效导向螺杆钻具的研究与应用在井眼轨迹控制过程中，进行滑动导向与复合钻进时，利用常规导向螺杆会出现钻头加载困难以及形成螺旋井眼的问题，从而对井眼轨迹的控制效果产生影响。
为解决该问题,以前用过宽带的直棱和螺旋稳定器,本文特针对导向螺杆的结构做了改进与创新，准备在螺杆钻具驱动头位置设计带宽很窄螺旋稳定器。
本文就针对改进后的导向螺杆钻具进行讨论。
关键词：导向螺杆；井眼轨迹控制；钻具一、高效导向螺杆钻具由于利用常规螺杆会出现钻头加载困难、形成螺旋井眼等问题，因此对其进行结构创新，即在螺杆钻具驱动位置设计一种受螺杆钻具驱动旋转的窄带螺旋稳定器，其主要作用包括：首先，作为底部钻具组合的近钻头支点，从而有效的提高BHA的滑动导向能力；其次，近钻头近满眼设计可以修正井壁；最后，滑动导向钻进过程中，近钻头稳定器处于旋转状态，与常规的导向螺杆钻具相比，近钻头稳定器的滑动阻力更小，所以拖压问题即可得到彻底解决。
这种导向螺杆的结构变化使得钻井过程中BHA的力学特征发生了改变。
二、高效导向螺杆钻具的承载能力改变了高效导向螺杆钻具的结构，相应的就会改变钻进过程中螺杆钻具的受力特征。
传动轴是轴力与扭矩的核心承载部件，其有着十分复杂的受力特征，也是螺杆钻具中最薄弱的环节，所以要对其强度特征做全面分析，并提出结构优化方案。
下面以172mm高效导向相钻具为例进行分析。
（一）传动轴强度的计算模型下图1为172mm高效导向螺杆钻具的传动轴结构参数与边界条件：图中各段的长度分别如下：L0=500mm、L1=180 mm、L2=420 mm、L3=400 mm、L4=360 mm；传动轴的外径尺寸为80 mm。
可以通过ANSYS软件进行螺杆钻具几何模型的建立，并划分网格。
钻头左端固定，传动轴联轴器部分铰支，对Y方向的自由度加以约束。
以螺杆钻具轴向载荷传递特征为参照，将轴向均布载荷q加载于图中所示台阶面上，再以传动轴的工作原理为基础，分别将径向均布线载荷q1与q2施加于图中轴上对应的位置，传动轴右端施加扭矩。
螺杆钻具应用现状及前景分析
螺杆钻具应用现状及前景分析摘要：螺杆钻具在气体钻井或欠平衡钻井技术钻定向井及其他特殊工艺井中发挥着重要作用。
本文主要介绍了螺杆钻具的基本结构以及螺杆钻具的工作原理，并对螺杆钻具的应用前景就行了分析，旨在能够促进我国钻井技术的进一步发展。
关键词：螺杆钻具现状前景一引言随着我国钻井工程的快速发展,螺杆钻具也得到了长足的进步。
我国钻具的发展历程经过了从无到有,从弱到强的过程。
目前,在国内市场中,我国国产螺杆钻具已经基本占了主导地位,基本满足了我国钻井工程的需要。
但由于某些原因,我国国内钻具还存在着许多不足的地方。
因此,有必要对钻具的整体情况进行分析,促进我国国产钻具的再发展。
二螺杆钻具工作原理螺杆钻具作为一种专门研制的泵式定向钻井马达，其主要部件是为适应气体钻井环境而专门设计的。
它的结构包括：可调弯接头、马达、万向节外壳/总成和轴承总成。
螺杆钻具的工作原理是：通过泥浆等介质挤压螺杆马达转子与定子之间的密封腔，推动转子绕定子轴线作偏心自转，通过转子下端的柔性轴即万向轴的转换，将偏心转动转化为定轴转动，由此将产生的扭矩和转速传递到传动轴，并带动钻头旋转，即把泥浆等介质的压缩能通过螺杆转换成机械能。
钻井时，螺杆钻具直接带动连接在传动轴上的钻头回转，整个钻柱（钻杆）仅作为输送高压工作介质的通道和支撑钻头反扭矩的杆件，不作回转运动，减小了常规钻井中钻杆对井壁的破坏。
目前市场上使用的多头螺杆钻具居多。
多头螺杆钻具与单头螺杆钻具相比具有低速大扭矩、性能稳定的特点,但多头螺杆结构复杂,制造工艺要求高;另外,多头螺杆因其头数多,同一截面上的腔室也多,泄漏沿程长,摩擦损失大,故导致效率降低。
许多研究者就如何提高多头螺杆效率做了很多研究,最后认为增大马达利用率的手段是提高螺杆效率的关键。
基于此,发明了许多新型高效的马达,如串联马达、加长马达等。
三螺杆钻具使用注意事项1.必须加入一定量的水、油、肥皂等润滑剂，以增加定、转子以及轴承的润滑，降低摩擦生热；2.钻进时应缓慢施加钻压，钻头提离井底时，应非常缓慢的减小钻压，并且钻头提离井底之前将排量减小５０％，以避免马达“飞车”，造成钻具损坏；3.由于空气的可压缩型，当马达制动时，立管压力不是立即上升而是缓慢上升，并且压力缓慢上升的过程会随着井深的增加而延长，因此很难从立管压力来判断马达制动，可通过机械钻速的突然降低来判断马达制动；4.由于空气螺杆不使用旁通阀，因此必须在空气管路中设有压力释放阀和单向阀，防止管路的压力过高和防止空气返流；5.下钻时无磁钻铤里倒４－５Ｌ９０号油或表面活性剂，每20柱钻杆内倒４－５Ｌ９０号油或表面活性剂，下到离井底３－５ｍ，建立循环，以２０Ｌ／ｈ启动雾化泵。
螺杆钻具的前沿技术
制造商 规格 / mm 头数比 扭矩 / （ N·m） 压降 / MPa 43 5 /6 250 4. 2 Bico 公司 54 5 /6 270 2. 9 60 5 /6 270 2. 9
构设计上通过增加马达头数增大螺距来实现， 以 6. 75ESX 为例，其定子长达 7. 6 m，但是实现了低转 速 （ 90 r / min） 和大扭矩 （ 14. 2 kN · m ） ； Hemidril 公司通过壳体薄壁结构设计增大马达动力输出，以 4. 8 级 165Hemidril 为例，转速为 60 ～ 130 r / min，额 定扭矩为 11. 45 kN·m。 后一种途径中，DuraMax 是 Baker Hughes 公司 研制的耐磨砺型定子橡胶， 用于 Baker Hughes 的 Ultra － HP 系列螺杆钻具，在不影响寿命的前提下， 可以有效提高机械钻速，在其现场试验中机械钻速 比常规橡胶提升了 93% ； NBR － HR 是 Dyna Drill 的耐磨砺型橡胶，在相同的规格长度下比常规橡胶 NBR － 1A 的扭矩提升了 30% 。 1. 2 小尺寸螺杆钻具 小尺寸螺杆钻具通常指外径不大于 80 mm 的 螺杆钻具 （ 见表 1 ） ， 是连续管作业的重要工具。 小尺寸螺杆钻具的加工不同于常规螺杆钻具 ，属于 精密机械加工范畴，工艺更为复杂，而在钻井施工 中目前的主要问题是微尺度下零件磨损太快 ，使用 寿命 太 短， 为 此 Robbins＆Myers 公 司 研 制 了 73 mm 等壁厚定子螺杆钻具。 在尺寸上， 目前世界最 小规格的螺杆钻具是 Roper Pumps 公司 31. 75 mm 螺杆钻具。
钻井新技术
螺杆钻具的前沿技术
李 萌 于兴胜 罗西超 黄衍福 刘
全金属螺杆钻具研究现状与关键技术
第４７卷第４期２０２０年４月㊀㊀探矿工程(岩土钻掘工程)E x p l o r a t i o nE n g i n e e r i n g (R o c k &S o i lD r i l l i n g a n dT u n n e l i n g)㊀㊀V o l ．４７N o ．４A pr ．２０２０:２４－３０收稿日期:２０２０－０２－１１㊀㊀D O I :１０．１２１４３/j ．t k gc ．２０２０．０４．００４基金项目:国家重点研发计划项目 ５０００米智能地质钻探技术装备研发及应用示范 课题四 小口径高效系列钻具研究 (编号:２０１８Y F C ０６０３４０４);中央高校基本业务费优秀教师基金项目 全金属动力钻具水力部件旋转振动模型研究 (编号:２９２０１８０９３)作者简介:刘璐,女,汉族,１９９７年生,在读硕士研究生,地质工程专业,主要从事井下钻具方面的研究工作,北京市海淀区学院路２９号,１３４９８４３８５２＠q q．c o m .引用格式:刘璐,王瑜,王镇全,等．全金属螺杆钻具研究现状与关键技术[J ]．探矿工程(岩土钻掘工程),２０２０,４７(４):２４－３０．L I U L u ,WA N GY u ,WA N GZ h e n q u a n ,e t a l ．R e s e a r c h s t a t u s a n dk e y t e c h n o l o g y o fm e t a l Ｇt o Ｇm e t a l s c r e wP D Md r i l l s [J ]．E x pl o r a Ｇt i o nE n g i n e e r i n g (R o c k &S o i lD r i l l i n g a n dT u n n e l i n g),２０２０,４７(４):２４－３０．全金属螺杆钻具研究现状与关键技术刘㊀璐１,２,王㊀瑜１,２,王镇全３,路家兴１,２,张㊀凯１,２,刘宝林１,２(１．中国地质大学‹北京›工程技术学院,北京１０００８３;２．自然资源部深部地质钻探技术重点实验室,北京１０００８３;３．中国石油大学‹北京›石油工程学院,北京１０２２４９)摘要:螺杆钻具作为一种容积式动力钻具,具有良好的输出硬特性,是当前应用最广泛的井下动力钻具之一.螺杆钻具的耐温性是其研究的热点所在,可扩大其应用范围和延长工作寿命,在深部高温钻探领域,具有良好的发展前景.本文在阐明螺杆钻具的基本原理和特性基础上,调研分析了常规螺杆钻具的发展现状,重点调研分析了美国全金属螺杆钻具的研发现状与国内全金属螺杆钻具的发展,提出了全金属螺杆钻具的关键技术,为国内开展这项前沿钻具技术的研发提供参考.关键词:深部钻探;高温高压;全金属螺杆钻具;容积马达中图分类号:P ６３４．４＋２㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:１６７２－７４２８(２０２０)０４－００２４－０７R e s e a r c h s t a t u s a n dk e y t e c h n o l o g y ofm e t a l Ｇt o Ｇm e t a l s c r e wP D Md r i l l s L I U L u １,２,WA N G Y u １,２,WA N GZ h e n q u a n ３,L UJ i a x i n g １,２,Z H A N G K a i １,２,L I U B a o l i n １,２(１．S c h o o l o f E n g i n e e r i n g a n dT e c h n o l o g y ,C h i n aU n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s ,B e i j i n g １０００８３,C h i n a ;２．K e y L a b o r a t o r y o f D e e p G e o d r i l l i n g T e c h n o l o g y ,M i n i s t r y o f N a t u r a lR e s o u r c e s ,B e i j i n g １０００８３,C h i n a ;３．S c h o o l o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ,C h i n aU n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m ,B e i j i n g １０２２４９,C h i n a )A b s t r a c t :A s a v o l u m e t r i c p o w e r d r i l l ,t h e s c r e w P D M h a s g o o do u t pu th a r dc h a r a c t e r i s t i ca n d i so n eo f t h em o s t w i d e l y u s e dd o w n h o l e p o w e r t o o l s ．T h eh e a t r e s i s t a n c eo f t h e s c r e wd r i l l i s t h e r e s e a r c hh o t s p o t ,i m pr o v e m e n t o f w h i c hc a n e x p a n d i t s a p p l i c a t i o n s c o p e a n d e x t e n d i t sw o r k i n g l i f e ．I t h a s a g o o dd e v e l o p m e n t p r o s pe c t i n t h ef i e l d o f d e e p h igh t e m p e r a t u r e d ri l l i n g ．T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h eb a s i c p r i n c i p l e a n dc h a r a c t e r i s t i c so f s c r e wd r i l l i n g to o l s ,a n d i n v e s t i g a t e s t h e c u r r e n t d e v e l o p m e n t o f c o n v e n t i o n a l s c r e wd r i l l t o o l sw i t h t h e f o c u so n t h ed e v e l o p m e n t s t a t u s q u oo f a l lm e t a l s c r e wd r i l l i n g t o o l sa n dt h ed e v e l o p m e n t o fd o m e s t i cm e t a l s c r e wd r i l l i n g t o o l s ．T h ed e v e l o pm e n t t r e n da n dk e y t e c h n o l o g y o ft h ea l lm e t a ls c r e w d r i l l i n g t o o la r e p u tf o r w a r dt o p r o v i d er e f e r e n c ef o rd o m e s t i c r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o f t h e l e a d i n g e d ge t o o l ．K e y wo r d s :d e e p d r i l l i n g ;h i g h t e m p e r a t u r e a n dh i g h p r e s s u r e ;m e t a l s c r e wd r i l l t o o l ;p o s i t i v e d i s p l a c e m e n tm o t o r ０㊀引言螺杆钻具作为一种容积式动力钻具,具有良好的输出硬特性,是当前应用最广泛的井下动力钻具之一[１].随着钻井深度和井下温度的不断提高,特别是在地质超深钻探㊁高温地热井等高温场合,常规螺杆钻具的橡胶定子的耐温局限性,无法满足钻井需求,螺杆钻具的耐温性是其研究的热点所在.全金属螺杆钻具由于采用金属定子,使其具有良好的耐温性,国内外对这项新型钻具均进行了科技攻关,目前已经在钻井现场得到了成功应用.本文重点调研分析了全金属螺杆钻具的研究现状,包括美国贝克休斯全金属螺杆钻具和国内全金属螺杆钻具的发展,并分别从水力结构设计㊁定子制造技术㊁表面强化技术以及金刚石轴承技术等４个方面分析了全金属螺杆钻具制造的关键技术,对国内全金属螺杆钻具的研发㊁制造和测试均具有重要意义.１㊀螺杆钻具概述１．１㊀工作原理螺杆钻具,又称定排量马达,是一种容积式的井下动力钻具,简单来说,螺杆钻具就是一种能将高压钻井液的水力能经螺杆马达转换为钻进所需机械能的能量转换装备[１].螺杆钻具如图１所示,主要由旁通阀总成㊁防掉总成㊁马达总成㊁万向轴总成以及传动轴总成等五部分组成[２]图１㊀螺杆钻具结构[３]F i g．１㊀S t r u c t u r e o f t h e s c r e wd r i l l ㊀㊀钻井作业时,高压钻井液通过钻杆注入螺杆钻具,流经旁通阀总成后,进入螺杆钻具马达总成,螺杆钻具的马达是由定子与转子组成,定子和转子的螺旋表面相互啮合形成空间共轭曲面,共轭曲面上形成多个封闭且可容纳高压钻井液流通的密封腔,其高压腔和低压腔不断转换,从而利用钻井液水力静压能驱动转子在定子内作行星运动,产生转速和扭矩,最终,由底端的万向轴总成和传动轴总成将螺杆马达产生的扭矩和转速不间断地传递给钻头,从而驱动底部钻头完成破岩过程[３].１．２㊀工作特性螺杆钻具的马达属于容积式马达,图２为其理论工作特性曲线,其理论转速仅跟排量Q 有关,而与钻压无关,若固定流量,则理论转速基本不变;理论扭矩与入口和出口的压力差ΔP 呈正线性相关.而涡轮钻具虽然是全金属结构,但其为非容积式钻具,转速高㊁扭矩小,过载能力差㊁钻头阻力矩过大会造成 制动 .相比于涡轮钻具,螺杆钻具具有硬机械特性,输出扭矩和转速成反比,且可方便地面通过泵压观测底部钻具状态,十分适合钻井,如能实现全图２㊀螺杆钻具的理论工作特性曲线F i g ．２㊀T h e o r e t i c a l o p e r a t i n g ch a r a c t e r i s t i c c u r v e o f t h e s c r e wd r i l l 金属结构,克服高温应用难题,则具有良好的应用前景.２㊀螺杆马达耐温技术进展螺杆马达由定子和转子组成,是螺杆钻具最关键的部件,也是螺杆钻具中对温度最敏感的部件.定子中橡胶衬套的耐温性和寿命直接影响螺杆马达的使用寿命,螺杆马达主要是通过对定子部件的优化提高其耐温能力.２．１㊀结构优化目前常用的定子结构有常规定子和等壁厚定子,常规螺杆马达的定子如图３所示,定子外套是一根等壁厚且内表面平滑的钢管,内壁是一层具有螺旋线且薄厚不均的橡胶衬套,这种橡胶定子受热膨胀变形不均匀且极易老化,使得螺杆钻具的输出效率大大降低[４].之后美国学者研发出了等壁厚螺杆马达如图４所示,这种等壁厚定子衬套变形相比常规定子衬套,受内压作用的影响小,具有很好的抗压能力和密封性能,且随着压力增加,定子内轮廓线各点法向位移增加较均匀,从而保证了衬套橡胶层的线型精度,因此,采用等壁厚定子衬套可以提高螺杆钻具的钻进效率和使用寿命[５－６].图３㊀常规马达定子[４]F i g．３㊀C o n v e n t i o n a lm o t o r s t a t o r ５２㊀第４７卷第４期㊀㊀刘㊀璐等:全金属螺杆钻具研究现状与关键技术㊀图４㊀等壁厚定子[４]F i g．４㊀E v e nw a l l s t a t o r ２．２㊀材料改性目前,国外常用的定子橡胶包括氢化丁腈橡胶和羧基丁腈橡胶等,二者具有优异的耐高温性和耐腐蚀性,但成本较高;国内仍以丁腈橡胶为主,而单一的丁腈橡胶并不能持续在高温中工作很长时间,因此需要对橡胶改性,从而使其保持较强的力学性能[７－８].目前,提高橡胶定子的耐温性一般采用如下方法[９－１０]:(１)硫化:包括过氧化物硫化和硫磺硫化,通过硫化来提高分子间交联结构的耐温性能;(２)加入补强填料:如纳米C a C O ３㊁纳米Z n O ㊁纳米炭黑等能够阻隔橡胶表面温升的纳米级材料;(３)添加防老化剂:常采用多种防老化剂同时添加来减缓橡胶在井底的老化;(４)添加耐热剂:如氧化镁和甲基丙烯酸镁等等;(５)添加高沸点的增塑剂,防止胶料快速硬化;(６)引入或接枝上高饱和度的高聚物或者并用其他高饱和性橡胶,提高丁腈分子链的饱和度和键能.２．３㊀当前耐高温技术局限性目前,常规定子和等壁厚定子是应用较为广泛的两种定子结构,但二者都存在不耐高温的橡胶结构,因此,需要研发橡胶新配方或者对其进行改性,并根据所钻采的油田成分来选择合适的橡胶配方.同时,还需要对定子的金属外壳与橡胶衬套间的粘接技术进行深度的理论研究和实验测试[１１].另外,普通螺杆钻具的定子橡胶即使经过改性处理,也只能在低于１８０ħ的环境下工作,当井底温度＞１８０ħ时,弹性橡胶不再适用,这就推动了全金属螺杆马达的产生.３㊀全金属螺杆钻具针对普通螺杆马达对高温的不适应性,国内外分别对普通螺杆马达进行了再设计,研发了全金属螺杆马达,这种全金属的螺杆马达去除了橡胶部件,利用金属定子和金属转子之间的相互啮合进行钻井工作,具有很好的耐高温性.目前,国内外对于全金属螺杆马达的研发现状如下.３．１㊀国外全金属螺杆钻具２０１４年,美国贝克休斯公司开发了一种能够适应高温３００ħ的定向钻井系统,包括钻头㊁马达和钻井液.其中,马达选用了专门为增强型地热系统(E G S)开发的金属马达,并成功制造出世界上第一台精密加工的全金属螺杆马达,解决了定转子加工精度控制㊁定转子表面耐磨技术㊁金属定转子的装配技术等３个主要问题[１２].贝克休斯公司研发的全金属螺杆马达的头数为５/６,样机首先在贝克休斯试验测试中心进行了花岗岩钻进测试,之后又在德国贝克休斯的C e l l e 技术中心进行了１００多个小时的性能测试[１２],得到的马达输出特性如图所示.图５㊀全金属马达输出特性变化曲线[１２]F i g ．５㊀O u t pu t c h a r a c t e r i s t i c c u r v e o f t h em e t a l Ｇt o Ｇm e t a lm o t o r 图６㊀全金属马达工作效率变化曲线[１２]F i g ．６㊀W o r k i n g e f f i c i e n c y cu r v e o f t h em e t a l Ｇt o Ｇm e t a lm o t o r 图５是全金属马达的扭矩与转速在不同压差下６２探矿工程(岩土钻掘工程)㊀㊀２０２０年４月㊀的变化曲线.从图５中可以看出:全金属马达随着压差的增加,扭矩基本呈线性增长,趋势与常规螺杆马达基本一致;但转速会随着压差的增大而下降,且马达转速曲线的曲率与常规马达相反,这是因为全金属马达采用的不是过盈配合,而是间隙配合,由于高压钻井液在密封腔内高速流动,导致金属转子和金属定子之间产生磨损,造成钻井液漏失严重.另外,从图５中可知,当钻井液流量增大时,马达转速也会相应提高[１２].图６是全金属马达的效率与压差之间的关系曲线.由图可知,当压差增加到一定程度时,工作效率存在一个最大峰值,之后又慢慢下降,这一点与普通螺杆马达相似;但可以发现,这种马达的整体工作效率比常规螺杆马达低了２５％~３０％.同时,全金属螺杆马达的容积效率并不随流量的增大而提高,如果想提高钻进效率,需要在马达间隙配合㊁流量㊁扭矩性能以及马达可靠性之间找寻最佳配合方案[１２].研制的全金属螺杆钻具在B a k e r测试区进行了井下试验,深度约１５００m,如图７㊁图８所示.首次测试钻进１６h,进尺５７m,第二次现场测试对水力部件强化层厚度进行调整之后,耗时１１h,进尺５５m,且此次转子和定子表面涂层并未出现磨损失效迹象[１２].尽管如此,全金属螺杆马达仍需在工作效率提高㊁使用寿命提升以及相关成本降低等方面进行改进[１３－１６].图７㊀B a k e r测试区[１５]F i g．７㊀B a k e r t e s t i n g a r e a３．２㊀国内全金属螺杆钻具西南石油大学张茂等人[１７]２００６年申请了全金属定子的发明专利,这种定子由金属材料制成,并且其内外壁均有螺旋槽,外壁螺旋槽主要供钻井液返回,提高了螺杆钻具工作时的散热性能,保证了马达的型线和密封性能;之后刘永峰等人[１８]通过移动并改进旁通阀总成阀体上弹簧挡圈的位置,提高了旁图８㊀全金属螺杆钻具[１６]F i g．８㊀M e t a lＧt oＧm e t a l s c r e wd r i l l t o o l通阀阀体外螺纹的抗扭强度,从而提供了一种耐高温㊁长寿命的全金属螺杆钻具;张小俊等人[１９]利用内啮合齿轮将金属转子下端与导流套总成相连,将转子的偏心运动转化为导流套的定轴运动,从而缓解了定子和转子之间的相互挤压以及马达内部热量聚集的问题;李红等人[２０]利用液压成形㊁自蔓延反应等将壳体和金属衬套连接成一整体,发明了一种工艺简单且无需后处理与机械加工的全金属螺杆钻具加工方法,这种方法成本较低且环保,适合大规模生产;祝效华等人[２１]将金属定子分为多个定子短节,利用短节定子外表面的长键与定子壳体内表面上键槽相连的方法,提供了一种组合型的全金属螺杆定子,这种定子结构简单且加工方便,容易获得较高的精度;易先中等人[２２]采用定子分块数控加工技术,定子的分块数目依据定子头数而定,分块后的金属体经铣削加工之后,焊接成一体,这种方法可以提高定子的加工精度,而且方便操作㊁经济实用㊁应用效果好.２０１６年西安石油大学刘思瀛[２３]分析了单级金属螺杆马达的性能参数,设计了马达轮廓线性,利用相关软件建立了不同间隙值下的单级金属螺杆马达的三维实体模型,然后进行了流场仿真分析,初步得到了不同定㊁转子间隙值以及钻井液粘度对马达压降的影响,最后利用电解加工工艺对全金属螺杆马达定子进行了试样加工(见图９㊁图１０),之后又进行了常温增压性能测试研究,但目前尚未见到相关产品投入应用.中国地质大学(北京)根据螺杆外径㊁输出扭矩７２㊀第４７卷第４期㊀㊀刘㊀璐等:全金属螺杆钻具研究现状与关键技术㊀㊀图９㊀金属定子[２３]㊀图１０㊀金属转子[２３]F i g．９㊀M e t a l s t a t o r F i g．１０㊀M e t a l r o t o r和压差等要求,设计了转子和定子头数分别为３/４和４/５的２种金属螺杆钻具图纸,其设计基本参数为:外径９５mm,输出扭矩ȡ６００N m,适用转速１５０~３００r/m i n,水力部件长度约为同规格常规螺杆钻具的１ ４倍.同时,在金属螺杆钻具定子的制造方面,中国地质大学(北京)提出了轴向拼接式制造方法,对于这种等长定子短节的加工,可以选择数控铣床加工或者拉刀铣削的方式,这样在选好定子短节的加工长度后,每次只需设置一个数控加工程序,多次循环加工之后再组装连接便可得到较高精度㊁特定长度的金属定子[２４－２５],这种方法克服了电解加工长孔件难以保证直线度的缺陷,但显著降低了水力部件的强度.金属螺杆钻具定㊁转子配合间隙是流体设计的关键之一,中国地质大学(北京)所设计的螺杆钻具水力部件,通过对不同间隙的定转子配合开展全尺寸的流固耦合仿真研究,结合加工能力制约,优选出该规格定㊁转子间最佳间隙值为０ ３~０ ４mm.４㊀关键技术４．１㊀水力设计技术全金属螺杆马达水力设计的目的是尽可能提高容积效率和机械效率,其定㊁转子间隙的取值是定㊁转子设计的关键之一.当定㊁转子之间的间隙选取过大时,将导致钻井液漏失过大,从而影响马达容积效率;而定㊁转子间隙较小又给加工制造带来难题,同时使得两者之间的机械摩擦加大,机械效率降低,相反降低了其工作效率和寿命.考虑到螺杆钻具的转子受力条件复杂,工作状态多变,需要采用流固耦合仿真技术进行水力设计研究,优选出不同钻井条件下的定㊁转子配合间隙;同时,定转子型线设计的时候要特别注意局部曲线的优化,避免运动中发挥 打扣 问题.４．２㊀定子制造技术常规螺杆钻具的定子为橡胶制造,定㊁转子之间为过盈配合,橡胶的弹性对两者之间的配合做了很好的补偿,而全金属螺杆钻具的定子和转子均为金属制造,尤其是定子作为复杂的长内孔曲线,加工制造难度极大.当前定子的加工方法包括电解加工㊁拉削铣削加工[２６－２８]㊁精密铸造加工㊁薄壁滚压加工㊁分段加工组装㊁精密锻造方法等,这些方法均有缺陷,笔者的意见是需要综合其中的两种加工工艺进行多次加工成型.４．３㊀表面强化技术全金属螺杆钻具工作时定㊁转子之间产生金属－金属摩擦和冲击,且承受着钻井液高速流动产生的冲蚀作用,使得金属定㊁转子快速失效,前期美国贝克休斯的全金属螺杆钻具的主要失效形式即为磨损,需要对定㊁转子的表面进行强化处理,提高其工作寿命.常见的表面强化工艺包括:渗碳㊁渗氮㊁激光强化㊁热喷涂工艺等[２９－３０].目前,美国主要采用热喷涂的方法进行表面强化,工作寿命约为２２０h,基本满足井下的要求.还需要研究新的表面强化工艺方法,甚至多种工艺组合的表面强化工艺,对定㊁转子进行强化,提高工作寿命.４．４㊀长寿命轴承技术井下动力钻具轴承在井下既受轴向载荷又受径向载荷,导致轴承易磨损失效.早期国外的螺杆钻具轴承系统通常采用推力球轴承和橡胶径向轴承[３１－３２],在短时间内磨损变形较为严重;金刚石轴承虽耐磨性好㊁寿命长[３３],但其制造工艺,尤其是多个P C D复合片平面度的精度还需要提高[３４].此外,金刚石轴承在使用过程中启动阻力矩大也是其需要克服的缺点.美国已经研制出了径向－直推复合轴承,这类轴承将承受推力载荷的P C D复合片与承受径向载荷的P C D复合片装配在一个载体环上,代替之前使用两个载体环来承受两个方向载荷的配置,这样一个单一的轴承单元便可以同时承受径向载荷和轴向载荷,且这类轴承已成功得到了工业应用,这项技术也是未来动力钻具轴承发展的方向之一.８２探矿工程(岩土钻掘工程)㊀㊀２０２０年４月㊀５㊀结论与展望(１)国外已经成功研制出全金属螺杆钻具,并成功进行了井下试验,目前正处于产业化推广阶段,证明该型钻具的研制具有可行性.国内对于全金属螺杆钻具的研究,主要还停留在试制阶段,已经研制出一些物理样机,但经过试验,仍然存在效率低㊁寿命短㊁成本高等问题,还需要进行技术攻关.(２)全金属螺杆钻具研制难点主要在于金属定子的制造加工,这是保证全金属螺杆钻具工作性能的前提,需要开发出一种成本低㊁精度高㊁加工周期短,适应长螺旋内孔的制造工艺.国内在电解加工螺旋曲线方面具有较好的技术沉淀,可以考虑以电解加工进行适当改进,开发全金属定子加工工艺.(３)研制全金属动力钻具,必须在流固耦合水力设计技术㊁金属部件表面强化技术㊁长寿命轴承技术等方面进行技术攻关,需要多学科之间的协同创新研究.同时,应注重对全金属螺杆钻具的钻探工艺研究,开发针对不同地层条件的系列钻具,发挥其最大工作效率.参考文献(R e f e r e n c e s):[１]㊀苏义脑．螺杆钻具研究及应用[M]．北京:石油工业出版社,２００１:１－１４．S U Y i n a o．S t u d y a n da p p l i c a t i o no fs c r e w d r i l l[M]．B e i j i n g: P e t r o l e u mI n d u s t r y P r e s s,２００１:１－１４．[２]㊀谭逢林．螺杆钻具在油气钻井中的理论分析和应用选型[D]．成都:西南石油大学,２０１７．T A NF e n g l i n．D o w n h o l em o t o r o f t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n da pＧp l i c a t i o n i n p e t r o l e u m a n dn a t u r a l g a sd r i l l i n g[D]．C h e n g d u: S o u t h w e s t P e t r o l e 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i t g e r,M i k eO t t o,e t a l．P r o g r e s s o n a３００ʎCD i r e c t i o n a l D r i l l i n g S y s t e mf o rE G S W e l l I n s t a l l a t i o n[J]．G R CT r a n s a c t i o n s,２０１３,３７:８３－８６．[１４]㊀A a r o nD i c k,M i k eO t t o,K y l eT a y l o r,e t a l．A３００ʎCD i r e cＧt i o n a lD r i l l i n g S y s t e m f o rE G S W e l lI n s t a l l a t i o n[J]．G R CT r a n s a c t i o n s,２０１２,３６:３９３－３９８．[１５]㊀A r i S t e f a n s s o n,H S O r k a,R a l fD u e r h o l t,e t a l．A３００D eＧg r e eC e l s i u sD i r e c t i o n a lD r i l l i n g S y s t e m[J]．S o c i e t y o f P e t r oＧl e u m E n g i n e e r s,２０１８,９６:１－２０．[１６]㊀K a m a l e s hC h a t t e r j e e,A a r o nD i c k．H i g hＧT e m p e r a t u r e,３００ʎCD i r e c t i o n a lD r i l l i n g S y s t e mI n c l u d i n g D r i l l B i t,S t e e r a b l eM oＧt o r,a n dD r i l l i n g F l u i d[J]．G R C T r a n s a c t i o n s,２０１４,３８:２４５－２４８．[１７]㊀张茂,韩传军,宋晓琴,等．一种全金属定子螺杆钻具:２００６１００２１４３９．８[P]．２００６－０７－２１．Z HA N G M a o,H A N C h u a n j u n,S O N G X i a o q i n,e ta l．T h eu t i l i t y m o d e l r e l a t e st oa m e t a l l i cs t a t o ro f t h es c r e w d r i l l:２００６１００２１４３９．８[P]．２００６－０７－２１．[１８]㊀刘永峰,屈文涛,董赵朋,等．一种耐高温长寿命全金属螺杆钻具:２０１６２０７３８３９２．６[P]．２０１６－０７－１３．L I U Y o n g f e n g,Q U W e n t a o,D O N GZ h a o p e n g,e t a l．T h e u t i l i t ym o d e l r e l a t e s t o a na l lＧm e t a l s c r e wd r i l l i n g t o o lw i t h l o n g l i f ea n dh i g ht e m p e r a t u r er e s i s t a n c e:２０１６２０７３８３９２．６[P]．２０１６９２㊀第４７卷第４期㊀㊀刘㊀璐等:全金属螺杆钻具研究现状与关键技术㊀－０７－１３．[１９]㊀张小俊,程永,关勤勤．一种全金属螺杆钻具:２０１５１０１８６４０２[P]．２０１５－０４－２０．Z HA N GX i a o j u n,C H E N GY o n g,G U A NQ i n q i n．T h e u t i l i t ym o d e l r e l a t e st oa m e t a l l i cs c r e w d r i l l:２０１５１０１８６４０２[P]．２０１５－０４－２０．[２０]㊀李红,刘运荣,任小玲,等．全金属螺杆定子的加工方法:２０１５１０１８２４８０．２[P]．２０１５－０４－１７．L IH o n g,L I U Y u n r o n g,R E N X i a o l i n g,e ta l．P r o c e s s i n gm e t h o d o fm e t a l l i c s c r e ws t a t o r:２０１５１０１８２４８０．２[P]．２０１５－０４－１７．[２１]㊀祝效华,李佳南,石昌帅．一种组合型全金属螺杆定子:２０１１２０３７７１３２．８[P]．２０１１－１０－０９．Z HU X i a o h u a,L I J i a n a n,S H I C h a n g s h u a i．T h e u t i l i t y m o dＧe l r e l a t e s t o a a s s e m b l e d m e t a l l i c s c r e w s t a t o r:２０１１２０３７７１３２．８[P]．２０１１－１０－０９．[２２]㊀易先中,常玮．金属螺杆钻具定子螺旋曲面内腔的分块数控加工方法:２０１３１０３８８５８８．８[P]．２０１３－０８－３０．Y IX i a n z h o n g,C H A N G W e i．N u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n i n gm e t h o do f s t a t o r c a v i t y i ns p i r a l s u r f a c e o fm e t a l s c r e wd r i l l:２０１３１０３８８５８８．８[P]．２０１３－０８－３０．[２３]㊀刘思瀛．７L Z１７２金属螺杆马达研制[D]．西安:西安石油大学,２０１６．L I US i y i n g．D e s i g na n dm a n u f a c t u r e o f７L Z１７２m e t a l l i cD i sＧp l a c e m e n t p o s i t i v em o t o r[D]．X i a n:X i a nS h i y o uU n i v e r s iＧt y,２０１６．[２４]㊀路家兴,王瑜,王志乔,等．一种装配式螺杆钻具金属定子:２０１９２０３６７０３８．７[P]．２０１９－０３－２２．L UJ i a x i n g,WA N G Y u,WA N G Z h i q i a o,e t a l．T h eu t i l i t ym o d e l r e l a t e s t oa na s s e m b l e ds c r e wd r i l l t o o lm e t a l s t a t o r:２０１９２０３６７０３８．７[P]．２０１９－０３－２２．[２５]㊀孔令镕,王瑜,路家兴,等．一种装配式螺杆钻具金属定子及其轴向加工装配工艺:２０１９１０２１９９３０．９[P]．２０１９－０３－２２．K O N GL i n g r o n g,WA N GY u,L UJ i a x i n g,e t a l．T h e i n v e nＧt i o n r e l a t e s t o a na s s e m b l y t y p e s c r e wd r i l l t o o lm e t a l s t a t o ra n d i t s a x i a l p r o c e s s i n g a n d a s s e mb l y t ec h n o l o g y:２０１９１０２１９９３０．９[P]．２０１９－０３－２２．[２６]㊀王贺．螺杆钻具马达定子内螺旋曲面铣削加工技术研究[D]．沈阳:沈阳工业大学,２０１２．WA N G H e．R e s e a r c h o n i n n e r h e l i c a l s u r f a c em i l l i n g p r o c e s sＧi n g t e c h n o l o g y o f s c r e wd r i l l i n g t o o lm o t o r s t a t o r[D]．S h e n yＧa n g:S h e n y a n g U n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y,２０１２．[２７]㊀刘希敏,王树强．内螺旋齿面非典型成形铣削方法及应用技术研究[J]．现代制造工程,２０１４(５):８１－８４．L I U X i m i n,WA N G S h u q i a n g．R e s e a r c h o na t y p i c a lf o r mm i l l i n g o f i n n e r s p i r a l g e a r s u r f a c ea n dt h ea p p l i c a t i o nt e c hＧn o l o g y[J]．M o d e r n M a n u f a c t u 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v e s t iＧg a t i o n so nc o r r o s i o nＧr e s i s t a n t a n dw e a rＧr e s i s t a n t c o a t i n g s e nＧv i r o n m e n t a lＧf r i e n d l y m a n u f a c t u r e d b y a n o v e l s u p e rＧh i g h e f f iＧc i e n t l a s e r c l ad d i n g[J]．M a te r i a l sR e s e a r c ha n dA p p l i c a t i o n,２０１９,１３(３):１６５－１７２．[３１]㊀符达良．国外螺杆钻具发展近况[J]．石油矿场机械,１９８５,１４(３):３７－４６．F U D a l i a n g．R e c e n td e v e l o p m e n to f s c r e wd r i l l t o o l sa b r o a d[J]．O i l F i e l dE q u i p m e n t,１９８５,１４(３):３７－４６．[３２]㊀易先中．现代井下动力钻具发展的四大特征[J]．石油机械,１９９４,２２(１１):４８－５２．Y IX i a n z h o n g．F o u rc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea d v a n c e m e n ti nm o d e r nd o w n h o l e p o w e rd r i l l i n g t o o l s[J]．C h i n aP e t r o l e u mM a c h i n e r y,１９９４,２２(１１):４８－５２．[３３]㊀王镇全,王克雄,翟应虎,等．新型金刚石孕镶块的研究[J]．石油机械,１９９９,２７(１０):１１－１４．WA N GZ h e n q u a n,WA N G K e x i o n g,Z H A IY i n g h u,e ta l．N e wd i a m o n d i m p r e g n a t e dm a t r i x[J]．C h i n aP e t r o l e u m 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国内外螺杆钻具的现状和国内研究方向 - 副本(1)-57页文档资料
螺杆钻具
基
发
础
展
篇
篇
主要内容 螺杆钻具——基础篇
1.螺杆钻具的优点 2. 螺杆钻具原理、结构 3. 螺杆钻具的使用
lforient
螺杆钻具的优点
❖ 提高机械钻速，缩短建井周期，降低成本。 ❖ 减少钻杆磨损和动力传递损耗。 ❖ 准确造斜、定向、纠偏，提高工程质量。 ❖ 用于各类水平井、丛式井，提高钻井的经济效益。 ❖ 复合直井钻进，减少起下钻次数。 ❖ 缩短钻井周期，抑制对油气层的污染。
lforient
主要内容 螺杆钻具的应用现状——基础篇
1.螺杆钻具的优点 2. 螺杆钻具原理、结构 3. 螺杆钻具的使用
lforient
螺杆钻具原理、结构
1.螺杆钻具原理 2. 螺杆钻具结构
lforient
螺杆钻具原理
lforient
螺杆钻具原理、结构
1.螺杆钻具原理 2. 螺杆钻具结构
lforient
lforient
精确打到目的层的解决办法
1.缩短螺杆钻具的长度 2. 使用旋转导向系统 3. 使用近钻头仪器
lforient
缩短螺杆钻具的长度
❖
马达缩短3.4米
❖
马达缩短至3.4米
❖
95mm马达缩短至3.2米
❖
用于浅井稠油油藏
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精确打到目的层的解决办法
1.缩短螺杆钻具的长度 2. 使用旋转导向系统 3. 使用近钻头仪器
近钻头测量马达
壳体
转子
定子
03弯角
0.至1.25固定弯角
旁通阀
马达动力节
马达动力节 转子＼定子
地面可调弯壳体
传感器和轴承节 伽玛
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。
螺杆钻具(PDM)工作机理及高性能长寿命的整机系统研究
马达的输出扭矩与马达的压降成正比，输出转速与输入泥浆量成正比
，随着负载的增加，钻具的转速有所降低，因此在地面只要根据压力表控 制压力，根据流量计控制泵的流量，就可以控制井下钻具的扭矩和转速。
获得超常规的物理性能指标。对其动态性能研究甚少。往往造成定子橡胶 的物理性能指标有所提高。但使用的螺杆钻具性能并不理想。
3.2 等壁厚定子
定子失效机理： 1）、机械失效 2）、疲劳失效 3）、热失效和滞后失效（橡胶使一部分扭 曲能量转化为滞后热量） 4）、化学失效
等壁厚定子是螺杆钻具产品中近几年开发的最新技术，该技术的特 点是在定子注胶之前，在定子壳体中预先加工出定子的螺旋形状，然后 再实施注胶技术。该技术提高了每一级的密封压力，由原来的每级0.8 M Ps提高了50%一100%，在同等扭矩下定子长度最短，寿命也有所提高。
一、钻头水眼压降为7.0Mpa，采用硬质合金径向轴承和中间有 一组推力轴承的传动轴总成（如下图）：
二、钻头水眼压降为14.0Mpa，采用硬质合金径向轴承和金刚石 复合片（PDC）的平面止推轴承，其寿命更长、承载能力更高。
7.0MPa传动轴总成
14.0MPa传动轴总成
传动轴总成的组成 ：
串轴承
键
上TC静套
等壁厚橡胶定子管
Comparison of conventional stator geometry(a) with new high performance PDM stator design(b)
3.3 推力轴承
钻杆接头螺纹加工新技术
钻杆接头螺纹加工新技术大家好，今天咱们聊聊一个听起来很硬核，但其实挺有意思的话题——钻杆接头螺纹的加工新技术。
别急，不用担心我讲的都是那些晦涩难懂的专业术语，咱们还是用最简单的方式，把这个技术说清楚。
你可能会想，钻杆接头螺纹嘛，这听起来是不是和咱们平时的生活没啥关系？其实啊，别看这个东西离咱们的日常生活有点远，它在石油勘探、钻井这些行业里可是大有作为，没它，钻井技术就得“掉链子”。
那啥，先别着急跑题，听我慢慢道来。
首先说说钻杆接头螺纹这个玩意儿。
说白了，它就是连接钻杆的那段螺纹部分，用来把多个钻杆连接在一起，这样就能不停地往地下钻。
你可以想象一下，如果没有这些螺纹，钻井工具就根本没法连贯地工作，搞不好就像拼图少了一块，整个工程就得停工。
以前的螺纹加工工艺呢，技术相对比较落后，人工操作多，精度不高，容易出现各种问题。
那这个新技术到底是怎么回事儿呢？别急，我给你一一道来。
新技术最牛的地方就是它能提高螺纹的精度。
以前你想要做出一个钻杆接头螺纹，得靠一堆人手工操作，像是车床、铣床轮番上阵，整个过程麻烦又容易出错，严重时还会影响钻井的效率。
现在有了新的加工技术，利用了数控机床来做精确操作，精度可以高到微米级别。
你想啊，螺纹这一小小的部分，如果精度不够，接头就会不牢固，甚至有可能在使用过程中断裂。
那不是得不偿失嘛。
数控技术的出现，让这事儿变得相对简单多了，像是把个大难题交给机器解决，省时又省力。
除了精度提升，咱们这个新技术还在加工速度上做了大改进。
早些年，搞一个螺纹加工下来，得用上一天一夜的时间，现在有了新技术，时间压缩得可厉害了，速度提升了好几倍。
这就像是你以前走路去上班，得走个几个小时，结果现在给你配上了一辆电动滑板车，十分钟就能搞定。
效率一提高，整个钻井工作也就快了，进度赶得上了，成本自然也能下降。
然后说说这个新技术的另一个大亮点——它的适应性强，能处理各种复杂的螺纹类型。
因为钻杆接头螺纹的形状和结构有很多种，不是所有的都能用一种简单的方式加工出来。
简述螺杆钻具的延伸及发展方向
简述螺杆钻具的延伸及发展方向一、概述螺杆钻具（PDM drill），是以钻井液为动力，把液体压力能转为机械能的容积式井下动力钻具。
当泥浆泵泵出的泥浆流经旁通阀进入马达，在马达的进、出口形成一定的压力差，推动转子绕定子的轴线旋转，并将转速和扭矩通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业。
作为石油钻井作业中的发动机，螺杆钻具充分发挥着极其重要的作用，采用螺杆钻具可以提高钻进速度，减少起下钻次数，精确打到目的层，减少调整控制时间等。
随着钻井技术的成熟和发展，基于螺杆钻具的近钻头测量系统、螺杆状态实时监测系统、自发电螺杆以及双螺杆旋转导向系统逐渐被研制出来，使螺杆在动力强劲的基础上得以功能延伸和发展。
二、螺杆式近钻头测量系统近钻头测量系统，在最接近钻头的位置测量井斜角、温度、伽玛和转速等数据，并可扩展增加钻压、扭矩等参数，传统的近钻头测量组装在钻头与螺杆之间，采用无线短传技术将近钻头测量数据发送到与螺杆上端MWD相连的接收短节上，再通过MWD将数据传输到地面进行检测。
螺杆式近钻头测量系统将伽马、井斜等测量单元内置到螺杆定子中，采用FSK单总线通信方式将数据与MWD连接，大大提高了通信的可靠性。
另外，因为螺杆与钻头之间未增加钻铤，钻具的造斜率不受影响，且降低了钻具断裂的风险，提高了钻井的安全性。
螺杆式近钻头测量系统，在不改变原有螺杆钻具长度的基础上，集成了动力钻进与近钻头测量双重功能，使螺杆钻具这台粗重的发动机具有一双“慧眼”，为钻井工程提供动力也指明方向。
三、自发电螺杆技术随着钻井工程的需求不断增加，井下测量参数日益增多，因此供电成为迫切需要解决的问题。
采用电池供电不仅需要设计多种便于拆卸与维护的电池仓，还造成资源浪费和环境污染。
泥浆涡轮发电机在一定的程度了解决供电问题，但转子转速与其自身形状和泥浆排量相关，且冲刷严重，另外其安装位置与螺杆较远，实现其给螺杆钻具上的测量单元供电比较困难。
自发电螺杆，利用螺杆转子转动，通过挠性轴或拨叉结构消除转子的公转后与发电机连接发电，可为MWD无线随钻测量系统及螺杆式近钻头测量系统提供电能，从而解决了使用电池而带来的浪费和环境污染问题。
国内外螺杆钻具行业发展现状及研发进展分析
国内外螺杆钻具行业发展现状及研发进展分析一、国内外螺杆钻具发展——美国从20世纪50年代开始研制螺杆钻具，并于1957年由美国W.Clark生产了第一台井下工作用马达，这是世界上第一只井下马达，取名“迪纳钻具（Dyna-Drill）”，它是一只单双头的螺杆钻具。
1962年，美国生产出了可以用于现场钻井的螺杆钻具。
接着，俄罗斯于1966 年制造出了新型的螺杆钻具，其样机瓣比为9/10，它是△型螺杆钻具的前身。
在俄罗斯公开新型瓣比的钻具后，美国的斯伦贝谢公司于1975年生产出了瓣比为5/6 的螺杆钻具，并命名为“georotor”。
之后，美国的Baker 公司和Eastman-whipstock公司，还有西德Christensen 公司，都先后研制出了新型的螺杆钻具，并命名为“纳维钻具（Navi-Drill）”。
20世纪90年代，俄罗斯D型螺杆钻具得到了发展，但是随后不久就将制造的许可证转让给了法国的公司和英国的公司，并命名为“Drilex”。
随后的一段时间，出现了各种各样的螺杆钻具，它们只是结构不相同，相互之间的原理都相同，竞争更加激烈，在这种市场竞争出现的情况下，螺杆钻具在质量和结构上进一步提升，寿命也进一步延长。
一开始，螺杆钻具的寿命仅仅30～40h，到了20 世纪80年代，螺杆钻具的使用寿命延长到了100h，而现在的螺杆钻具基本上可以维持在300h以上；之后，贝克休斯生产的螺杆钻具，其最长使用寿命为累计使用高达1000h。
如今，螺杆钻具的生产厂家集中在加拿大和美国，虽然俄罗斯对螺杆钻具的研究较早，然而因为涡轮钻具的技术比螺杆钻具的技术更成熟，因此，在很长一段时间都是涡轮钻具占主导地位，而后随着螺杆钻具的大力发展，其已经可以与涡轮钻具展开竞争。
如今的螺杆钻具技术已经被国外的几家大公司所垄断。
目前，欧美国家主要从事螺杆钻具制造的大公司有ANADRILL（美国）、Baker Hughse 公司、Schlumberger、Halliburton、NATIONAL OILWELL Inc（美国）、Neyrfor-Weir Ltd（法英跨国经营）、DRECO（加拿大）、Telco （美国），其他以生产螺杆钻具为主业的公司有DRILL MOTOR SERVICES 公司和DANA-DRILL 公司。
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1. 3 1. 3. 1
传动轴总成的前沿技术 油密封传动轴总成
向和轴向载荷。 北京石油机械厂自 2002 年承担伊 朗空气钻井项目以来，成功研制并应用了系列油密 封传动轴总成。 1. 3. 2 径向轴承及推力轴承 为了满足重载荷和腐蚀性的工作环境 ，径向轴 承和推力轴承需要不断提高表面硬度 、心部强度和 耐冲蚀腐蚀能力。 在径向轴承方面， Dyna Drill 公司的 Matrix － 3 径向轴承结合冶金、钎焊技术，在抗腐蚀的镍铬基 体上熔合碳化钨颗粒，形成致密的扩散层，孔隙度 ＜ 2% ，处理层与金属基体间为冶金结合， 结合强 度 ＞ 480 MPa，处理层厚度为 0. 50 ～ 6. 35 mm， 有 很好的抗冲蚀腐蚀、耐磨耐机械疲劳能力。 PDC 径向轴承 （ 聚晶金刚石复合材料径向轴 承，见图 3 ） 的核心技术是聚晶金刚石的烧结工艺
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2011 年
第 39 卷
第9 期
李
萌等： 螺杆钻具的前沿技术
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为频率因子，E a 为表面活化能， R 为气体常数， T 为绝对温标） ，其耐温性能由高分子结构、 硫化体 系、防老剂和增塑剂等因素决定。而对于丁腈橡胶 而言，选择合适的硫化体系最为重要。 通过选择合适的硫化体系和添加剂， Schlumberger 公司的 HN234 定子橡胶可以适应最高 175 ℃ 的井底温度。Roper Pumps 公司在 ER2 橡胶基础上 针对高温井况改良设计了 DragonSlayer 橡胶， 使其 在耐油耐溶剂的同时可以耐受高温 。国内辽河、大 庆、吉林、四川和新疆等区块应用高温螺杆钻具较 多，目前国产优质高温螺杆钻具可在 150 ℃ 井温下 使用 150 ～ 300 h。 1. 1. 4 耐磨砺橡胶 在钻井液中固相含量较高或高压重载情况下， 定子橡胶将会发生较大地磨损，并最终导致马达效 率降低、输出功率不足和定子橡胶失效； 在国内特 殊区块，环境风沙较大且采用清水钻井液 ，导致钻 井液中含砂量较高，对定子橡胶的磨损比较严重。 目前解决定子橡胶耐磨砺的问题有 2 种途径， 一种是设计更高输出性能的马达总成 ，另一种是研 制耐磨砺的橡胶配方。 前一种途径中， ESX 是 Dyna Drill 公司为低速 牙轮钻头和 PDC 钻头设计的大扭矩螺杆钻具， 结
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引
言
螺杆钻具是当前井下动力钻具中应用最广泛的 一 种。 世 界 主 要 油 田 装 备 制 造 商， 如 NOV、 Schlumberger、Baker Hughes 和 Halliburton 等公司， 都有专属的螺杆钻具品牌，国内螺杆钻具制造商则 主要有北京石油机械厂、渤海钻探中成机械厂、天 津立林机械厂等。 螺杆钻具自 1955 年诞生以来， 经过几十年的发展，形成了成熟的钻井工艺，一方 面在定向井、大斜度井、水平井、多分支井和大位 移井等复杂井眼施工中发挥重要作用 ，另一方面在 常规钻井中显著提高机械钻速，实现钻井提速，节 约生产成本。 螺杆钻具主要由马达总成、万向轴总成和传动 轴总成等部件组成。 马达总成由转子和定子组成， 两者的轮廓相互耦合，在钻井液推动下形成连续旋 转推进的空腔； 万向轴总成由内部的轴体和外部的 壳体组成， 轴体将转子的偏心旋转转变为定轴旋 转，壳体通过弯角实现造斜； 传动轴总成主要由轴 向推力轴承、径向扶正轴承和传动轴组成，承载钻 ［1 ］ 压、钻头交变载荷并输出扭矩和转速 。 延长螺杆钻具的使用寿命、 提高其输出性能、 满足特殊钻井工艺及特定区块的特殊需求始终是螺 杆钻具的发展方向。国内外各螺杆钻具制造商围绕 这一方向，针对螺杆钻具的主要部件进行了众多技 术革新和工艺改进，包括等壁厚定子制造工艺、定
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螺杆钻具的前沿技术
定子橡胶的前沿技术
相对于其他类型的井下动力钻具 ，螺杆钻具具 有输出转速低、扭矩大、工作特性硬和操作工艺简
［2 ］ 明等优 点， 其 主 要 问 题 在 于 结 构 中 有 橡 胶 件 ， 即马达总成中的定子橡胶。由于橡胶的特性，使得
螺杆钻具的寿命和性能受到井温 、钻井液体系和固 控系统等多种因素影响。 定子橡胶的主链结构决定了橡胶的基本性能， 侧链结构则对橡胶的耐油、 耐溶剂等有较大影响。 根据主链和侧链性质，螺杆钻具定子橡胶通常选择 ［3 ］ 丁腈橡胶 。为了改善定子橡胶的性能， 各制造 商采用了多种方法，包括定子橡胶结构的改变、橡 胶配方的改良等。 1. 1. 1 等壁厚定子 等壁厚定子螺杆钻具是当前最先进的螺杆钻具 前沿技术之一。 自美国 Dyna Drill 公司发明螺杆钻 具以来，定子橡胶的工艺结构一直没有大的改变， 常规定子橡胶粘接在金属管内壁， 其外缘为圆柱、 内缘为摆线，在轴向剖面上橡胶层厚度不均匀 ，渐
典型小尺寸螺杆钻具
Robbins＆Myers 公司 43 73ERT 7 /8 1 385 10 80 5 /6 716 2. 9 Roper Pumps 公司 31. 75 3 /4 34 — 43 5 /6 140 4. 0 北京石油机械厂 60 5 /6 160 2. 5 80 7 /8 600 2. 4
石 2011 年 第 39 卷 第9 期
油
机
械 — 19 —
CHINA PET前沿技术
李 萌 于兴胜 罗西超 黄衍福 刘
（ 北京石油机械厂）
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凤
王宇鹏
摘要 为了延长螺杆钻具的使用寿命、提高其输出性能、 满足特殊钻井工艺及特定区块的特 殊需求，对螺杆钻具的前沿技术进行了调研 ，分析了当前的研究热点， 主要涵盖 2 个方面： ① 改 进马达定子，包括等壁厚定子、定子橡胶新工艺新配方的研究； ② 传动轴总成的改进， 包括推力 轴承、径向轴承等新工艺新技术的研究 。基于此，展望了螺杆钻具的未来发展趋势 。 关键词 螺杆钻具 等壁厚定子 定子橡胶 轴承 子橡胶配方改良、小尺寸螺杆钻具制造、密封传动 轴总成、轴承新材料新工艺及钻井施工配套软件 等。通过这些新技术和新工艺的应用 ，螺杆钻具的 寿命得到延长，性能得到进一步提升，适用范围获 得了进一步拓展。
图1
常规定子与等壁厚定子示意图
成，无需考虑内部轮廓的一致性； 分段式即定子由 多端筒体连接而成，需要采用特殊工艺保证内部轮 廓的一致性。 当前 Robbins＆Myers、 Baker Hughes、 Bico 和北京石油机械厂等公司都拥有自己成熟的加 工工艺，随着各种加工制造技术的进展，其加工方 法仍有很大的改进空间。 1. 1. 2 耐油耐溶剂橡胶 油基钻井液体系具有诸多优点，包括更高的井 温适应能力、良好的保护储层和高的抗盐膏侵污能 力
。但是 油 基 钻 井 液 体 系 及 井 下 存 在 的 油 类、
芳香烃类可能导致定子橡胶失效 ，因此耐油耐溶剂 橡胶配方的研制始终是一项重要工作 。 Dyna Drill、NQL、 Roper Pumps 和北京石油机 械厂等公司通过调整丙烯腈组分 、改良硫化体系及 改变添加剂成分的方法改善了橡胶的耐油性能 ，其 试验介质包括柴油、低毒矿物油、润滑油和乳化剂 等。Dyna Drill 公司常规的 NBR － 1A 定子橡胶在水 基钻井液中性能优良， 在油基钻井液中性能较差， 而其 HSN － 38 定子橡胶则有良好的油基钻井液适 应性。Roper Pumps 公司通过分析近 100 种橡胶配 方，形成了 ERZ、ER1 、ER2 等 3 个主要系列。 前 者适用于常规用途， 有一定的适应油类及溶剂能 力； 后两者则用于更为复杂及破坏性的钻井液体 系。NOV 公司则针对柴油、 矿物油和有机溶剂等 试验了 NQL Nitril、NQL HSN 等定子橡胶， 检验其 适用性。北京石油机械厂针对 2009 年以来特殊区 块高温卤水混柴油钻井液对常规定子橡胶的破坏作 用，研制了 JS6 、JS3 等新型耐油耐高温定子橡胶， 成功解决了该区块的螺杆钻具应用难点 ，使其平均 使用寿命延长 3 倍以上。 1. 1. 3 耐高温橡胶 井眼垂深的增加和地层温度梯度的异常均会导 致井底温度上升， 如我国胜科 1 井， 井深为 7 206 m，井温达到 235 ℃ ，井底高温对橡胶耐温性能提 出更高要求。定子橡胶的老化速度与温度的关系常 E 用阿累尼乌斯公式 k = Aexp － a 描述 （ 式中 A RT
旋转导向钻井系统中提供高性能的井下动力输出 ； Robbins＆Myers 公司的等壁厚定子螺杆钻具 Moyno ERT 规格型号覆盖 73 ～ 244 mm，并服务于 Schlumberger 等多家油田服务公司； Halliburton 公司的等 壁厚定子螺杆钻具 Geoforce 是其性能最佳的螺杆钻 具系列； 北京石油机械厂等壁厚定子螺杆钻具规格 范围为 120 ～ 244 mm，在多个区块推广应用。 等壁厚定子的加工工艺目前主要有整体式和分 段式 2 种方法， 整体式即整根定子由一体加工而
［4 ］
橡胶层厚度均匀具有以下显著优点 ： ①可以避 免常规定子橡胶滞后热的积聚效应 ，降低因之导致 的橡胶破坏风险； ②散热性好，可有效减缓橡胶的 热老化，可以适应更高的井底温度； ③热膨胀、溶 胀均匀，有效保证马达线型，提高密封性； ④橡胶 层薄，单级密封压力高。 因而等壁厚定子螺杆钻具具有长寿命 、 大扭 矩、长度短、耐高温和耐复杂介质等优点，并且满 足中短曲率半径定向需求。以 Halliburton 公司的研 究为例 （ 见图 2 ） ， 图示为该公司 3. 5 级 178 等壁 厚定子马达和 5 级常规 172 马达输出曲线，横坐标 为马达压降，左侧纵坐标为马达转速，右侧纵坐标 为马达扭矩，从中可以看出等壁厚定子马达扭矩提 高 47% ， 转 速 提 高 100 r / min， 而 转 速 曲 线 更 为 平缓。
图2
等壁厚定子性能对比
对于金属内缘摆线结构的研究由来已久，但是 由于受加工工艺及制造成本的限制，直至 2005 年以 后，世界各制造商才开始推出成熟的等壁厚定子螺 杆钻具产品，目前主要的等壁厚定子制造商有 Baker Hughes、 Robbins＆Myers、 Halliburton、 Bico、 北 京石油机械厂等。其中 Bico 公司的 “SpiroStar” 等 壁厚定子螺杆钻具规格最为完备 ，尤其在小尺寸方 面型号较多，可以解决小尺寸螺杆钻具寿命过于短 暂的问题； Baker Hughes 公司的 X － Treme 等壁厚 定子螺杆钻具典型应用之一是在其垂直钻井系统和