总结1发展方向、关键问题-螺杆钻具(PDM)工作机理及高性能长寿命的整机系统研究-田家

1螺杆钻具（PDM）研究及“螺杆钻具工作性能分析软件”开发-阶段交流（方向、关键问题）二〇一〇年2主要内容(Content)1、概述2、关键基础问题3、发展方向和应用前景螺杆钻具(PDM)交流纲要螺杆钻具现状1.1关键问题及发展前景1.2材料2.1结构及性能优化2.2空气钻井3.1MWD或LWD3.2形成自主知识产权2.3海洋3.33概述11.1螺杆钻具现状市场分析1螺杆钻具是目前昀广泛使用的一种井下动力钻具，具有低速大扭矩的特征，整体长度约为4m～8m，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。4随着深井、分支井、定向井等技术的发展，螺杆钻具的需求越来越大。2007年螺杆钻具全球产销总量为3万套，我国产销总量为1.01万套。2010年前期统计数据表明2010年螺杆钻具生产达2万根以上。螺杆钻具利润计算因销售方式、性能等原因差别较大，以12～16万/根，也可初估销售额为20亿以上。图1-12003-2009年产品原材料价格调查图1-22010-2015年产品原材料走势预测图1-32007-2009年螺杆钻具产品整体市场平均价格走势5400050006000700080009000100001100012000图1-42003-2009年国内螺杆钻具产销量对比图1-5预测（注：2010年为估计）6国外现状2国际上螺杆钻具技术以美国、俄罗斯为典型，代表了国际先进水平。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。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，是当今昀好的马达，螺杆钻具的外径从73mm~287.5mm可选。72000年2001年2002年2003年2004年2005年2006年1.802.112.213.842.93亿元5.078.720002001200220032004万美元60203207124001010200521002006输出转速(RPM)0100200300400500600700ф60ф73ф89ф95ф120ф165ф172ф203ф244ф286螺杆规格旧系列新系列工作扭矩(N.m)02000400060008000100001200014000160001800020000ф60ф73ф89ф95ф120ф165ф172ф203ф244ф286螺杆规格新系列旧系列图1-8??2000-2006近几年经营收入增长图图1-9??2000-2006国际市场发展图1-10????螺杆钻具对应转速图1-11????螺杆钻具对应工作扭矩ThefollowingcontentisintentionallyomittedforintellectualpropertyrightsTianJialin131.3关键问题及发展前景关键问题1螺纹、工况、钻头等对钻具性能影响，性能分析软件的编制。1）马达：定子材料，表面处理等；2）橡胶3）轴承4）工况参数匹配以上内容后面介绍。图2-14大邑二井螺杆钻具事故图片14发展前景21）MWD/LWD的螺杆钻具；MWD(thereal-timeMeasurement-While-Drilling)，LWD(Logging-While-Drilling)带测量功能的螺杆钻具是实现近钻头测量钻井的必备工具，也是闭环钻井组合的重要工具。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达1000h。导向钻井螺杆钻具特点就是将MWD测量仪器中的部分测量功能嫁接到螺杆钻具上，因此，只要国内拥有这2项技术的厂家进行合作，就能实现带测量功能螺杆钻具的国产化，是未来精细化钻井的必备工具（填补国内空白），和国外相比较维护更简单，使用更可靠。15图3-1近钻头仪器短节图3-2有线过定子进行马达试验2）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。164）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。5）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。176）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。图3-3预成型螺杆钻具（等壁厚螺杆钻具）7）直井钻进的螺杆钻具；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。188）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。（1）空气泡沫马达研究（2）油密封传动轴总成研究（3）密封球铰接万向轴总成研究。9）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。ThefollowingcontentisintentionallyomittedforintellectualpropertyrightsTianJialin25主要内容(Content)1、概述2、关键基础问题3、发展方向和应用前景螺杆钻具(PDM)交流纲要螺杆钻具现状1.1关键问题及发展前景1.2材料、结构及性能优化2.1生产线2.2空气钻井3.1MWD或LWD3.2形成自主知识产权2.3海洋3.326关键基础问题22.1材料橡胶1螺杆钻的使用寿命一般为150～200小时，其薄弱环节是定子橡胶耐高温程度低，轴承易损坏。目前正加紧研制与开发用于制造定子的抗磨损耐高温的弹性材料与可靠的轴承系统，从而使螺杆钻的工作寿命得到显著提高。并研制低速大扭矩螺杆以适用于钻深孔和超深孔。目前国内外用于螺杆泵定子的橡胶类型主要有：传统的有丁腈橡胶(NBR)，新的胶种有羧基丁腈橡胶(XN2BR)、丁腈橡胶与聚氯乙烯(NBRPVC)或羧基丁腈橡胶与聚氯乙烯(XNBRPVC)共混胶；还有氢化高饱和丁腈橡胶(HNBR)。27（1）、XNBR橡胶耐热油、耐磨；水溶胀小，压缩永久变形小,弹性高,抗撕裂强度高，易挤出，有利于注压成形,动态性能较好。（2）、NBRPVC或XNBRPVC共混胶比NBR有更好的挤出性能,更好的耐油、耐化学药品和耐溶剂性,更好的耐水性和耐磨性,而且尺寸稳定性好。（3）、HNBR橡胶能长期耐150℃高温,具有良好的耐油性、耐H2S介质、耐磨,是一种有较好力学性能的新型橡胶。目前国内解决螺杆钻具橡胶性能，主要依靠改变胶料填充物的比例来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。（加入通过什么途径，采用什么办法途径，预计找什么单位合作可以攻克橡胶及注塑、硫化问题，预计要达到的性能指标）？此问题结合后面等壁厚进行阐述。橡胶厂生产用于螺杆钻具橡胶（目前应用较多）德克萨斯现场照片（橡胶失效：过大压力）28TC轴承2Dyna-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。图2-13螺杆钻具轴承试验表明，国产的推力轴承可代替进口轴承，满足螺杆钻具的需要。从发展来看，由于恶劣的工作条件，即使通过设计提高了轴承的寿命，但再从轴承本身(材料、设计)寻求突破已潜力不大，只有充油密封技术取得突破，使轴承的工作条件得以改善，才能从根本上解决轴承寿命问题。（准备怎么做的方案及性能指标）29材料处理（针对马达部分）3包括：热处理；表明镀膜；高能表面处理等。图2-14.FailedStatorDuetoFatigueCrackGrowth.ThefollowingcontentisintentionallyomittedforintellectualpropertyrightsTianJialin472.2螺杆钻具研制路线（当前）借鉴现有高水平产品1结合国内现状，为了使螺杆钻具研制快速启动，可购置国内水平较高、使用范围广的产品，在剖析的基础上，确定研究的重点，确定研发进度和力量分配。以现有产品规格为例，如下表所示，可引进运用较为广泛的172规格。表2-1螺杆钻具规格序号产品规格序号产品规格160（23/8”）10165（61/2”）273（27/8”）11172（63/4”）380（31/8”）12185（71/4”）489（31/2”）13197（73/4”）595（33/4”）14203（8”）6102（4”）15210（81/4”）7105（41/8”）16216（81/2”）8120（43/4”）17244（95/8”）9159（61/4”）18286（111/4”）482现场自主知识产权1）、申报专利2）、钻井参数-钻柱-钻头工作过程性能分析软件螺杆钻由旁通阀、螺杆马达（转子和定子）、万向节、轴承和驱动轴几部分组成，其核心是螺杆马达。在螺杆马达转子、定子传动副中,定子齿数Z1比转子齿数Z2多一个:即Z1=Z2+1。它们的齿数比通常称为传动比,设计时,可任意选择(1:2，2:3，...，9