世界螺杆钻具研发新进展

世界螺杆钻具研发新进展来源:挪威石油网点击:38发布时间:2010-06-08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。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（DynaDrill）公司，纳维钻具（NaviDrill）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。螺杆钻具生产厂商及产品性能目前国外螺杆钻具的生产厂家主要集中在美国和加拿大。西方国家从事螺杆钻具制造的公司主要有：BakerHughse公司、Telco（美国）、DERCO（加拿大）、ANADRILL（美国），NationalOilwellInc（美国）、Nryrfor-WeirLtd（法英夸国联营）、Simth公司以及DANA-DRILL公司、DRILLMOTORSERVICES公司。另外还有许多研究机构像苏联VNIIBT、вниивт彼尔姆分院、法国石油研究院（IFP）。国外螺杆钻具寿命一般都在200h~300h以上，主要以美国的产品为代表，著名的品牌有Dyna-Drill、Navi-Drill、PowerPark、Speey-sun、д型钻具。Anadrill公司的螺杆钻具自1991年问世以来，采用了先进技术，是当今最好的马达，螺杆钻具的外径从73mm~287.5mm可选。目前国内生产螺杆钻具的厂家有十多个，主要有大港油田中成公司、北京石油机械厂、德州石油机械厂、贵州高峰机械厂、天津立林石油机械有限公司及山东潍坊等，研究机构有中国石油大学（华东）、中国科学技术研究院、北京石油勘探开发研究院、西南石油大学等。国内螺杆钻具寿命一般都在100h~200h之间，也已形成规格化、系列化。螺杆钻具从ф60mm~244mm各种规格，配有可调弯壳体（AKO）、可换扶正器，基本能够满足国内各种钻井、修井作业。国外螺杆钻具研发进展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。长寿命螺杆钻具Dyna-Drill公司成功研制出硬对硬的PDC止推轴承用于F2000型螺杆钻具，使传动轴总成的寿命得到很大的提高，使用寿命可达200~300h。国内由于马达寿命和传动轴寿命短，造成螺杆钻具寿命在100~200h。低速大扭矩螺杆钻具这种螺杆钻具的低速大扭矩特性将很好地配合牙轮钻头和PDC钻头的改进、能够有效地延长钻头的使用寿命和增加机械钻速。可通过多种结构来实现，其中典型的结构有3种：①加长马达，也称多级马达。就是把动力段加长，使马达的输出扭矩增加。贝克・休斯公司生产的XL系列加长马达在许多国家和地区得到应用。②串联多级马达（DPS-PDM）。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。③多头螺杆，加拿大的DRECO公司TRGDRILL型螺杆钻具由单头螺杆与行星齿轮减速器和支撑节组成，在保持高的马达效率的同时，实现低速大扭矩。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。北京石油勘探开发研究院研制出一种带稳流阀的中空螺杆，这一特别设计的稳流阀改善了普通中空螺杆钻具过载时严重丢转的问题，提高了钻具的抗过载能力和水功率利用率。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。与常规螺杆钻具相比，等壁厚螺杆钻具的泵体短、扭矩小、易于洗井。该型钻具具有以下优点：散热效率提高、橡胶溶胀、热胀均匀、适应范围更广、结构更加优化、整体质量更轻。导向钻井系统用螺杆钻具导向钻井系统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（DTU）等，这些马达与随钻测量系统（MWD）、聚晶金刚石钻头配合在一起，进行长时间地钻井并实时收集井下情况，保证井眼沿设计轨道钻到目的层。Anadrill公司研制的地面可调弯壳体螺杆钻具寿命长达1000h。开环/闭环系统中用定向螺杆钻具国外出现了井下可调螺杆钻具，井下调螺杆钻具的应用分两种类型，一是地面遥控可调角度型，另一种是井下自动调整系统。贝克休斯公司成功开发的AutoTrak旋转闭环钻井系统采用在井下马达上安装导向肋与近钻头MWD相配合实现导向功能，与可调弯壳体配套出现了可换扶正器的螺杆钻具，使扶正器的形状、尺寸可以根据钻井需要在井口改变，目前还出现了在井下可调尺寸的扶正器。直井钻进用螺杆钻具贝克休斯INTEQ公司开发的VeriTrak直井钻井装置成功的将直井用高能螺杆钻具与垂直倾角精确到0.1°的近钻头MWD组合在一起，已在地中海地区、意大利、南美洲和墨西哥深水区等世界许多地区得到应用。PDC钻头与直螺杆钻井技术在我国也得到推广应用，这种专门用于直井钻进的螺杆钻具在提高钻进速度的同时能够很好的纠斜和避免井下事故的发生。取芯用螺杆钻具螺杆钻具专门用于地质勘探钻井的取芯作业。德国已研制出螺杆钻具取芯系统（KIBM），我国也很早就研制出取芯专用螺杆钻具。近期，大港油田中成公司生产的螺杆钻具在中国大陆科钻1井中应用于“绳索取芯+螺杆马达+液动锤三合一”取芯技术中，取得了良好的效果。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。当年7月在河北遂州成功进行了空气螺杆钻具的模拟钻井试验，结果表明试验样机完全符合设计要求，同时克服了“飞车”、“难启动”等技术难点。国内螺杆钻具研发建议我国对螺杆钻具的研制起步较晚，螺杆钻具应用仍处于初级阶段。近年来，通过国外技术的引进，许多油田和厂家正致力于螺杆钻具的研究并开始现场应用和试验。为满足大规模工业应用的需要，建议后期研究课题主要是围绕探索新型螺杆钻具、优选螺杆钻具结构参数、合理选择衬套与转子配合过盈量、智能化控制、长寿命高效平稳运行、满足特殊井需要、扩大应用领域等方面开展技术攻关。经过大量的文献调研，螺杆钻具的研究工作主要可从以下几个方面来进行：螺杆钻具结构参数优化主要研究螺杆钻具定子在不同压力、转速、流量等条件下的受力状态和变形规律，以及材料对变形规律、使用寿命的影响；螺杆钻具转子在不同压力、转速、流量等条件下的受力状态和变形规律，以及材料对变形规律、使用寿命的影响；使定、转子具有良好的力学性能及较好的工作性能。结构参数的好坏会影响钻具的压力和密封性能，也会影响定子衬套的工作寿命。衬套与转子合理配合过盈量研究螺杆钻具在不同扬程、不同钻井液粘度下最优工作状态时定、转子的合理过盈量；研究定、转子摩擦产生的温度场对定、转子线型及过盈量的影响。根据不同的橡胶材料、不同的工作环境条件，选择不同的配合过盈量。扩大螺杆钻具应用范围研制非油气井用螺杆钻具具有重要的意义，如煤层气井抗腐蚀螺杆、地热井抗高温螺杆等。非油气井的井下工作环境更加恶劣，值得进一步研究和探讨。螺杆钻具的标准化、系列化国内外生产螺杆钻具的厂家较多，目前螺杆钻具制造和质量检测没有统一的标准，各制造厂的螺杆钻具结构参数和工作参数不相同，产品的互换性相当差，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挥。因此，有必要实现标准化和系列化，从而提出螺杆钻具生产制造、质量检测标准，提供螺杆钻具定子材料以及特殊材质标准、型号等。