螺桿的發(fā)展情況

1、螺桿的發(fā)展情況世界螺桿鉆具研發(fā)新進(jìn)展井下動(dòng)力鉆具主要有電動(dòng)鉆具、渦輪鉆具、葉片鉆具和螺桿鉆具。螺桿鉆具也稱為容積式馬達(dá)（PDM），具有低速大扭矩的特征，整體長度約為4m8m，是目前最廣泛使用的一種井下動(dòng)力鉆具。主要由旁通閥總成、馬達(dá)總成、萬向軸總成、傳動(dòng)軸總成和導(dǎo)向總成組成（圖1）。其核心部件馬達(dá)總成主要是由偏心螺旋體的螺桿（轉(zhuǎn)子）和呈螺旋面的襯套（定子）組成。  螺桿鉆具是一種以鉆井液為動(dòng)力，把液體壓力能轉(zhuǎn)為機(jī)械能的容積式井下動(dòng)力鉆具。當(dāng)泥漿泵泵出的泥漿流經(jīng)旁通閥進(jìn)入馬達(dá)，在馬達(dá)的進(jìn)出口形成一定的壓力差，推動(dòng)轉(zhuǎn)子繞定子的軸線旋轉(zhuǎn)，并將轉(zhuǎn)速和扭矩通過萬向軸和傳動(dòng)軸傳遞給鉆頭

2、，從而實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)。 螺桿鉆具作為井底動(dòng)力裝置，具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩、大排量等優(yōu)點(diǎn)。增加了鉆頭扭矩和功率，提高了進(jìn)尺率；減少了鉆桿和套管的磨損和損壞；可準(zhǔn)確進(jìn)行定向、造斜、糾偏；廣泛應(yīng)用于直井、水平井、叢式井和修井作業(yè)。 螺桿鉆具研發(fā)進(jìn)程 美國在20世紀(jì)50年代中期開始研制螺桿鉆具，1962年用于生產(chǎn)，有迪納鉆具（Dyna Drill）公司，納維鉆具（Navi Drill）公司和波斯鉆具等。目前，螺桿鉆具的發(fā)展主要以美、英、法、蘇聯(lián)等國為代表。 國內(nèi)螺桿鉆具的研制起步較晚，從20世紀(jì)80 年代中后期形成一定規(guī)模到目前常規(guī)螺桿鉆具已規(guī)格化、系列化，各主要生產(chǎn)

3、廠家中大港、北京、德州等廠家產(chǎn)品已覆蓋國內(nèi)絕大部分市場。在工作壽命、易損件耐磨性、特種螺桿的設(shè)計(jì)制造等方面與國外有一定的差距。國內(nèi)馬達(dá)數(shù)一般為4級(jí)，不能完全滿足水平井等一些特殊工藝的需要，短半徑水平井鉆井作業(yè)的鉆具在國內(nèi)尚屬空白，作為短半徑水平井的鉸接馬達(dá)，國內(nèi)也只處于研究階段。 螺桿鉆具生產(chǎn)廠商及產(chǎn)品性能 目前國外螺桿鉆具的生產(chǎn)廠家主要集中在美國和加拿大。西方國家從事螺桿鉆具制造的公司主要有：Baker Hughse 公司、Telco（美國）、DERCO（加拿大）、ANADRILL（美國），National Oilwell Inc （美國）、Nryrfor-Weir Lt

4、d （法英夸國聯(lián)營）、Simth公司以及DANA-DRILL公司、DRILL MOTOR SERVICES 公司。另外還有許多研究機(jī)構(gòu)像蘇聯(lián)VNIIBT、彼爾姆分院、法國石油研究院（IFP）。 國外螺桿鉆具壽命一般都在200h300h以上，主要以美國的產(chǎn)品為代表，著名的品牌有Dyna-Drill、Navi-Drill、Power Park、Speey-sun、型鉆具。Anadrill公司的螺桿鉆具自1991年問世以來，采用了先進(jìn)技術(shù)，是當(dāng)今最好的馬達(dá)，螺桿鉆具的外徑從73mm287.5mm可選。 目前國內(nèi)生產(chǎn)螺桿鉆具的廠家有十多個(gè)，主要有大港油田中成公司、北京石油機(jī)械廠、德

5、州石油機(jī)械廠、貴州高峰機(jī)械廠、天津立林石油機(jī)械有限公司及山東濰坊等，研究機(jī)構(gòu)有中國石油大學(xué)（華東）、中國科學(xué)技術(shù)研究院、北京石油勘探開發(fā)研究院、西南石油大學(xué)等。 國內(nèi)螺桿鉆具壽命一般都在100h200h之間，也已形成規(guī)格化、系列化。螺桿鉆具從60mm244mm各種規(guī)格，配有可調(diào)彎殼體（AKO）、可換扶正器，基本能夠滿足國內(nèi)各種鉆井、修井作業(yè)。 國外螺桿鉆具研發(fā)進(jìn)展 隨著螺桿鉆具研發(fā)技術(shù)水平的提高，加之新材料、新工藝的不斷涌現(xiàn)，螺桿鉆具的泵體技術(shù)發(fā)展較快，出現(xiàn)了以下幾類能夠解決專項(xiàng)問題、滿足不同需要的螺桿鉆具。 長壽命螺桿鉆具 Dyna-Drill 公司成

6、功研制出硬對(duì)硬的PDC止推軸承用于F2000型螺桿鉆具，使傳動(dòng)軸總成的壽命得到很大的提高，使用壽命可達(dá)200300h。國內(nèi)由于馬達(dá)壽命和傳動(dòng)軸壽命短，造成螺桿鉆具壽命在100200h。 低速大扭矩螺桿鉆具 這種螺桿鉆具的低速大扭矩特性將很好地配合牙輪鉆頭和PDC鉆頭的改進(jìn)、能夠有效地延長鉆頭的使用壽命和增加機(jī)械鉆速?？赏ㄟ^多種結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，其中典型的結(jié)構(gòu)有3種：加長馬達(dá)，也稱多級(jí)馬達(dá)。就是把動(dòng)力段加長，使馬達(dá)的輸出扭矩增加。貝克?休斯公司生產(chǎn)的XL系列加長馬達(dá)在許多國家和地區(qū)得到應(yīng)用。串聯(lián)多級(jí)馬達(dá)（DPS-PDM）。串聯(lián)馬達(dá)的動(dòng)力段總成增加了一節(jié)動(dòng)力段，中間用一鈦撓性軸相連，使馬達(dá)輸出

7、的扭矩和功率增加。多頭螺桿，加拿大的DRECO公司TRGDRILL型螺桿鉆具由單頭螺桿與行星齒輪減速器和支撐節(jié)組成，在保持高的馬達(dá)效率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)低速大扭矩。 中空轉(zhuǎn)子馬達(dá) 大斜度井和水平井需要大排量洗井以利于清砂，實(shí)心轉(zhuǎn)子馬達(dá)額定排量小，中空轉(zhuǎn)子的額定排量可以提高20%以上。北京石油勘探開發(fā)研究院研制出一種帶穩(wěn)流閥的中空螺桿，這一特別設(shè)計(jì)的穩(wěn)流閥改善了普通中空螺桿鉆具過載時(shí)嚴(yán)重丟轉(zhuǎn)的問題，提高了鉆具的抗過載能力和水功率利用率。 等壁厚螺桿鉆具 橡膠襯套厚薄不均，螺桿鉆具定子在工作時(shí)，容易導(dǎo)致定子過早失效，從而縮短了螺桿鉆具的使用壽命，通過合理改變定子殼體的形狀，使定子橡膠

8、層薄且均勻，以克服常規(guī)螺桿鉆具定子技術(shù)的不足，能有效地改善螺桿鉆具的工作環(huán)境，提高其使用壽命。與常規(guī)螺桿鉆具相比，等壁厚螺桿鉆具的泵體短、扭矩小、易于洗井。該型鉆具具有以下優(yōu)點(diǎn)：散熱效率提高、橡膠溶脹、熱脹均勻、適應(yīng)范圍更廣、結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化、整體質(zhì)量更輕。 導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)用螺桿鉆具 導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)所用井下馬達(dá)主要有帶襯墊的彎外殼螺桿鉆具、雙傾萬向螺桿（DTU）等，這些馬達(dá)與隨鉆測量系統(tǒng)（MWD）、聚晶金剛石鉆頭配合在一起，進(jìn)行長時(shí)間地鉆井并實(shí)時(shí)收集井下情況，保證井眼沿設(shè)計(jì)軌道鉆到目的層。Anadrill公司研制的地面可調(diào)彎殼體螺桿鉆具壽命長達(dá)1000h。 開環(huán)/閉環(huán)系統(tǒng)中用定向螺

9、桿鉆具 國外出現(xiàn)了井下可調(diào)螺桿鉆具，井下調(diào)螺桿鉆具的應(yīng)用分兩種類型，一是地面遙控可調(diào)角度型，另一種是井下自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)。貝克休斯公司成功開發(fā)的AutoTrak旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng)采用在井下馬達(dá)上安裝導(dǎo)向肋與近鉆頭MWD相配合實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向功能，與可調(diào)彎殼體配套出現(xiàn)了可換扶正器的螺桿鉆具，使扶正器的形狀、尺寸可以根據(jù)鉆井需要在井口改變，目前還出現(xiàn)了在井下可調(diào)尺寸的扶正器。 直井鉆進(jìn)用螺桿鉆具 貝克休斯INTEQ公司開發(fā)的VeriTrak直井鉆井裝置成功的將直井用高能螺桿鉆具與垂直傾角精確到0.1°的近鉆頭MWD組合在一起，已在地中海地區(qū)、意大利、南美洲和墨西哥深水區(qū)等世界許多地區(qū)得到應(yīng)用

10、。PDC鉆頭與直螺桿鉆井技術(shù)在我國也得到推廣應(yīng)用，這種專門用于直井鉆進(jìn)的螺桿鉆具在提高鉆進(jìn)速度的同時(shí)能夠很好的糾斜和避免井下事故的發(fā)生。 取芯用螺桿鉆具 螺桿鉆具專門用于地質(zhì)勘探鉆井的取芯作業(yè)。德國已研制出螺桿鉆具取芯系統(tǒng)（KIBM），我國也很早就研制出取芯專用螺桿鉆具。近期，大港油田中成公司生產(chǎn)的螺桿鉆具在中國大陸科鉆1井中應(yīng)用于“繩索取芯+螺桿馬達(dá)+液動(dòng)錘三合一”取芯技術(shù)中，取得了良好的效果。 空氣螺桿鉆具 空氣螺桿鉆具是專為空氣鉆井設(shè)計(jì)的一種馬達(dá)。國外主要是貝克休斯公司有能力生產(chǎn)空氣螺桿鉆具。國內(nèi)中國石油勘探開發(fā)研究院鉆井所、北京石油機(jī)械廠2002年共同研制了K7LZ

11、120×7.0空氣螺桿鉆具樣機(jī)。當(dāng)年7月在河北遂州成功進(jìn)行了空氣螺桿鉆具的模擬鉆井試驗(yàn)，結(jié)果表明試驗(yàn)樣機(jī)完全符合設(shè)計(jì)要求，同時(shí)克服了“飛車”、“難啟動(dòng)”等技術(shù)難點(diǎn)。 國內(nèi)螺桿鉆具研發(fā)建議 我國對(duì)螺桿鉆具的研制起步較晚，螺桿鉆具應(yīng)用仍處于初級(jí)階段。近年來，通過國外技術(shù)的引進(jìn)，許多油田和廠家正致力于螺桿鉆具的研究并開始現(xiàn)場應(yīng)用和試驗(yàn)。為滿足大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的需要，建議后期研究課題主要是圍繞探索新型螺桿鉆具、優(yōu)選螺桿鉆具結(jié)構(gòu)參數(shù)、合理選擇襯套與轉(zhuǎn)子配合過盈量、智能化控制、長壽命高效平穩(wěn)運(yùn)行、滿足特殊井需要、擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域等方面開展技術(shù)攻關(guān)。經(jīng)過大量的文獻(xiàn)調(diào)研，螺桿鉆具的研究

12、工作主要可從以下幾個(gè)方面來進(jìn)行： 螺桿鉆具結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化 主要研究螺桿鉆具定子在不同壓力、轉(zhuǎn)速、流量等條件下的受力狀態(tài)和變形規(guī)律，以及材料對(duì)變形規(guī)律、使用壽命的影響；螺桿鉆具轉(zhuǎn)子在不同壓力、轉(zhuǎn)速、流量等條件下的受力狀態(tài)和變形規(guī)律，以及材料對(duì)變形規(guī)律、使用壽命的影響；使定、轉(zhuǎn)子具有良好的力學(xué)性能及較好的工作性能。結(jié)構(gòu)參數(shù)的好壞會(huì)影響鉆具的壓力和密封性能，也會(huì)影響定子襯套的工作壽命。 襯套與轉(zhuǎn)子合理配合過盈量 研究螺桿鉆具在不同揚(yáng)程、不同鉆井液粘度下最優(yōu)工作狀態(tài)時(shí)定、轉(zhuǎn)子的合理過盈量；研究定、轉(zhuǎn)子摩擦產(chǎn)生的溫度場對(duì)定、轉(zhuǎn)子線型及過盈量的影響。根據(jù)不同的橡膠材料、不同的工作環(huán)境條件

13、，選擇不同的配合過盈量。 擴(kuò)大螺桿鉆具應(yīng)用范圍 研制非油氣井用螺桿鉆具具有重要的意義，如煤層氣井抗腐蝕螺桿、地?zé)峋垢邷芈輻U等。非油氣井的井下工作環(huán)境更加惡劣，值得進(jìn)一步研究和探討。 螺桿鉆具的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化 國內(nèi)外生產(chǎn)螺桿鉆具的廠家較多，目前螺桿鉆具制造和質(zhì)量檢測沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各制造廠的螺桿鉆具結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)不相同，產(chǎn)品的互換性相當(dāng)差，造成現(xiàn)場使用和維修相當(dāng)不便，嚴(yán)重影響了螺桿鉆具技術(shù)優(yōu)勢的發(fā)揮。因此，有必要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，從而提出螺桿鉆具生產(chǎn)制造、質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)，提供螺桿鉆具定子材料以及特殊材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、型號(hào)等。鉆井工具LZ型螺桿鉆具  一種漸進(jìn)空腔型容積

14、式孔底動(dòng)力機(jī)，簡稱螺桿鉆。以泥漿、清水為動(dòng)力介質(zhì)，通過鉆桿中心孔輸送到孔底的螺桿鉆，實(shí)質(zhì)上是把液體壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。鉆探時(shí)，螺桿鉆直接帶動(dòng)連接在其孔底傳動(dòng)軸上的巖心管和鉆頭回轉(zhuǎn)，整個(gè)鉆桿柱僅作為輸送高壓工作介質(zhì)的通道和支撐鉆頭反扭矩的桿件，不作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。采用螺桿鉆鉆探與常規(guī)鉆探相比有許多優(yōu)點(diǎn)，如鉆桿磨損大幅度下降，鉆速高。它是打定向孔的主要器具，在鉆探領(lǐng)域已發(fā)揮作用。1955年，美國克利斯坦森礦山鉆探制品公司根據(jù)莫因諾原理開始研究,于1964年首先取得成功,定名為“戴納鉆”；蘇聯(lián)于70年代初研究成功“凸”型螺桿鉆;中國地礦部勘探技術(shù)研究所于80年代初研制螺桿鉆成功。至今生產(chǎn)

15、螺桿鉆的國家有美國、俄羅斯、中國、德國等。螺桿鉆最早是用來打垂直孔，現(xiàn)在主要用來打各種定向孔和特種工程孔（如礦井凍結(jié)孔）。最大鉆孔深度達(dá)9023米。目前世界上螺桿鉆最小直徑為44.5毫米，最大直徑為304.8毫米。利用螺桿鉆進(jìn)行巖心鉆探時(shí),應(yīng)在驅(qū)動(dòng)軸與鉆頭間加上巖心管采取巖心。鉆探時(shí)，仍然需要鉆探機(jī)、泥漿泵、鉆桿和鉆塔等常規(guī)鉆探裝備。施工定向鉆孔時(shí)，要借助定向儀給造斜工具定向。與螺桿鉆配套使用的造斜工具有彎接頭、彎外管和偏心塊等。采用螺桿鉆施工定向孔能提高鉆孔質(zhì)量，提供精確地質(zhì)資料，節(jié)約進(jìn)尺，降低成本，解決許多無法施工的工程難題，因此，它是鉆探工程的一種特種工具。螺桿鉆的使用壽命一般為1502

16、00小時(shí)，其薄弱環(huán)節(jié)是定子橡膠耐高溫程度低，軸承易損壞。目前正加緊研制與開發(fā)用于制造定子的抗磨損耐高溫的彈性材料與可靠的軸承系統(tǒng)，從而使螺桿鉆的工作壽命得到顯著提高。并研制低速大扭矩螺桿以適用于鉆深孔和超深孔。螺桿鉆具的組成：螺桿鉆具主要由旁通閥、液馬達(dá)、萬向軸和傳動(dòng)軸等四大總成組成. 螺桿馬達(dá)是鉆具的主要部件，很多實(shí)踐和理論分析結(jié)果表明，如欲使馬達(dá)正常有效地工作，每級(jí)馬達(dá)所能承受的壓降以不超過0.8Mpa為宜,否則馬達(dá)就有漏失。轉(zhuǎn)速很快降低，嚴(yán)重時(shí)則完全停止轉(zhuǎn)動(dòng)，馬達(dá)損壞。（馬達(dá)的一個(gè)導(dǎo)程為一級(jí)）現(xiàn)場使用的泥漿流量應(yīng)在推薦的使用范圍內(nèi)，否則將影響馬達(dá)效率，甚至加大磨損。螺桿馬達(dá)的性能參數(shù)是螺

17、桿鉆具的主要性能參數(shù)。馬達(dá)的理論輸出扭矩和馬達(dá)壓降成正比，輸出轉(zhuǎn)數(shù)與輸入泥漿流量成正比，隨著負(fù)荷的增加鉆具轉(zhuǎn)數(shù)降低，所以只要控制地面上的壓力表的讀數(shù)和泵的流量，就能控制井下鉆具的扭矩和轉(zhuǎn)速。螺桿鉆具的工作原理：螺桿鉆具是一種以鉆井液為動(dòng)力，把液體壓力能轉(zhuǎn)為機(jī)械能的容積式井下動(dòng)力鉆具。當(dāng)泥漿泵泵出的泥漿流經(jīng)旁通閥進(jìn)科馬達(dá)，在馬達(dá)的進(jìn)、出口形成一定的壓力差，推動(dòng)轉(zhuǎn)子繞定子的軸線旋轉(zhuǎn)，并將轉(zhuǎn)速和扭矩通過萬向軸和傳動(dòng)軸傳遞給鉆頭，從而實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)。螺桿鉆具使用要求時(shí)間:2009-12-11 11:46 作者:發(fā)達(dá)鉆井設(shè)備 點(diǎn)擊: 125次     &#

18、160;  1、鉆井液要求：螺桿鉆具對(duì)于各種泥漿都能有效地工作，包括油基泥漿、乳化泥漿和粘土泥漿，甚至清水等。泥漿粘度和比重對(duì)鉆具的影響很小，但對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的壓力有直接影響，如果推薦排量下的壓力大于額定泵壓值，就得減少泥漿排量，或者有必要降低通過鉆具和鉆頭的壓力降。泥漿中的砂粒等雜質(zhì)會(huì)影響鉆具性能，加速軸承和馬達(dá)定子的磨損，因此泥漿中含砂量必須控制在1%以下。每種型號(hào)的鉆具都有自身的輸入流量范圍，只有在此范圍內(nèi)鉆具才能有較高的效率，一般應(yīng)取輸入流量范圍的中間值為最佳輸入流量值。2、泥漿壓力要求： 鉆具懸空時(shí)，排量不變，則通過鉆具的泥漿壓力降也不變，隨著鉆頭接觸井底鉆壓增加時(shí)，泥漿循環(huán)壓

19、力增加，泵壓也增加，司鉆可用以下公式來控制操作：打鉆泵壓=循環(huán)泵壓+鉆具負(fù)載壓降循環(huán)泵壓就是鉆具沒有接觸井底時(shí)泵壓，也叫離底泵壓，鉆具加大扭矩，泵壓就要上升，這時(shí)壓力表的讀數(shù)就叫打鉆泵壓。離底泵壓不是一個(gè)常數(shù)，它隨井深和泥漿的特性變化而變化，但實(shí)際操作中，無必要隨時(shí)測取循環(huán)泵壓的精度值，一般取每次接單根后的離底泵壓為近似值，這樣做完全可以滿足公式的精度要求。鉆具在工作中，打鉆泵壓達(dá)到最大推薦壓力時(shí)，鉆具產(chǎn)生最佳扭矩繼續(xù)增加鉆壓將增加泵壓，當(dāng)超過最大設(shè)計(jì)壓力時(shí)，馬達(dá)可能會(huì)制動(dòng)，此時(shí)應(yīng)立即降低鉆壓，以防鉆具內(nèi)部損壞。作為新型的鉆井技術(shù)，以空氣鉆井為代表的氣體鉆井和欠平衡鉆井在國外油氣勘探與開發(fā)中獲

20、得廣泛應(yīng)用，在國內(nèi)也正呈快速發(fā)展趨勢?？諝饴輻U鉆具是應(yīng)用這類新型鉆井技術(shù)鉆定向井及其他特殊工藝井所必需的工具。 一、概述  近些年來，氣體鉆井和欠平衡鉆井在國外獲得了比較普遍的應(yīng)用，取得了顯著的技術(shù)效益和重大經(jīng)濟(jì)效益。例如，在滿足相應(yīng)的前提下，氣體鉆井如空氣鉆井、天然氣鉆井、氮?dú)忏@井、尾氣鉆井等，可成倍提高機(jī)械鉆速，明顯縮短鉆井周期，降低鉆井成本；欠平衡鉆井，則可對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行有效保護(hù)，有利于提高鉆遇率和開發(fā)率。為推廣和擴(kuò)大空氣鉆井的應(yīng)用規(guī)模，美國能源部曾規(guī)定2004年的空氣鉆井口數(shù)不低于本土總鉆井口數(shù)的30%。  近些年來，我國也開始關(guān)注、嘗試應(yīng)用空氣鉆井

21、技術(shù)，在一定規(guī)模上采用欠平衡鉆井技術(shù)，取得了可喜的進(jìn)展。隨著對(duì)這些技術(shù)在直井上應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的逐步積累和日漸成熟，在定向井及其他特殊工藝井上應(yīng)用這些技術(shù)，已成為必然的發(fā)展趨勢，這將在很大程度上擴(kuò)展氣體鉆井與欠平衡鉆井的應(yīng)用領(lǐng)域。)的空氣螺桿鉆具，經(jīng)與外商詢價(jià)，每臺(tái)價(jià)格在13萬美元以上，無法承受，大批量的購買更無從談起。為了解決生產(chǎn)急需和節(jié)約外匯，集團(tuán)公司科技發(fā)展部考慮利用國內(nèi)技術(shù)力量解決伊朗項(xiàng)目的現(xiàn)場急需，并為國內(nèi)欠平衡鉆井與空氣鉆井提供工具，決定成立“伊朗欠平衡鉆井空氣螺桿鉆具研制”課題組，由中國石油勘探開發(fā)研究院鉆井所和北京石油機(jī)械廠承擔(dān)，并任命蘇義腦為課題組長，組織攻關(guān)。²244(9

22、-5/8f  空氣螺桿鉆具(或稱氣體螺桿鉆具)是用氣體鉆井或欠平衡鉆井技術(shù)鉆定向井及各類特殊工藝井的必需工具。但在2001年底以前，此類新型螺桿鉆具產(chǎn)品在國內(nèi)仍為空白。中國石油集團(tuán)長城鉆井公司在伊朗承擔(dān)的空氣鉆井項(xiàng)目，急需2002年11月這一年半時(shí)間中，課題組克服了重重難關(guān)，終于完成了K7LZ120和K7LZ244兩種系列的空氣螺桿鉆具樣機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)和空氣鉆井的有關(guān)理論研究工作，并于2002年7月進(jìn)行了K7LZ120樣機(jī)的地面實(shí)鉆實(shí)驗(yàn)和2002年8月在長慶蘇3518井的下井實(shí)驗(yàn)，均取得成功。在此基礎(chǔ)上，兩臺(tái)K7LZ244樣機(jī)于2002年12月運(yùn)往伊朗，在

23、2003年10月下井應(yīng)用獲得成功。2004年7月在四川白淺111H井上運(yùn)用K7LZ120鉆具鉆天然氣水平井，取得了顯著的技術(shù)效益。  在2001年5月  本文針對(duì)空氣鉆井的特殊性(特別是空氣介質(zhì)的可壓縮性)，介紹空氣螺桿鉆具設(shè)計(jì)和研制中的幾個(gè)關(guān)鍵問題，分析空氣螺桿鉆具的工作特性，并介紹K7LZ120和K7LZ244兩種鉆具在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)應(yīng)用中的有關(guān)情況。二、空氣螺桿鉆具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題常規(guī)的螺桿鉆具是以鉆井液(俗稱泥漿)作為傳遞動(dòng)力的介質(zhì)，由于液體的不可壓縮性和容積式機(jī)械的特性，螺桿鉆具具有很好的過載性能和硬機(jī)械特性。而空氣螺桿鉆具，由于以壓縮空氣作為動(dòng)

24、力源和工作介質(zhì)，與常規(guī)液體驅(qū)動(dòng)的螺桿鉆具相比，其結(jié)構(gòu)特征和工作特性有顯著不同。下面簡介有關(guān)空氣螺桿鉆具設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。1、必須設(shè)計(jì)多頭多級(jí)的馬達(dá)液驅(qū)螺桿鉆具的過載性能和硬機(jī)械特性表現(xiàn)在：1) 輸出扭矩與馬達(dá)進(jìn)出口間的壓差成正比；2)轉(zhuǎn)速與通過的流量有關(guān)而與鉆壓無關(guān)。在鉆進(jìn)過程中，當(dāng)鉆壓增大時(shí)馬達(dá)進(jìn)出口間的鉆井液壓差相應(yīng)變大，導(dǎo)致扭矩增加；而流進(jìn)鉆具的泥漿排量近似固定，輸出轉(zhuǎn)速不變；因此，增加鉆壓有助于增大井底切削力矩，提高機(jī)械鉆速。對(duì)于空氣螺桿鉆具，鉆壓的增加同樣會(huì)使馬達(dá)進(jìn)出口間的壓差增大，但由于空氣的可壓縮性，馬達(dá)入口處壓力升高，使通過馬達(dá)的空氣流量減小，因而輸出的轉(zhuǎn)速降低，過大的鉆

25、壓甚至?xí)?dǎo)致馬達(dá)制動(dòng)。因此，空氣螺桿鉆具必須設(shè)計(jì)成多頭多級(jí)馬達(dá)(如圖1所示)，能夠輸出足夠的工作扭矩，鉆進(jìn)時(shí)施加較大鉆壓，馬達(dá)不會(huì)嚴(yán)重失速或制動(dòng)。2、必須考慮并解決馬達(dá)“飛車”問題由于空氣的可壓縮性，鉆進(jìn)時(shí)因切削力矩造成的壓差使馬達(dá)進(jìn)口處空氣壓力增大，體積變小，馬達(dá)轉(zhuǎn)速低；當(dāng)提離井底，壓差顯著變小，從而馬達(dá)進(jìn)口處空氣壓力減小，體積變大，馬達(dá)轉(zhuǎn)速上升。這種突增的馬達(dá)轉(zhuǎn)速稱為“飛車”。飛車會(huì)使空氣螺桿鉆具內(nèi)部的萬向軸、傳動(dòng)軸軸承及馬達(dá)定子轉(zhuǎn)子副間的運(yùn)動(dòng)頻率相應(yīng)增大，磨損加劇，壽命變短，從而影響鉆井總效率。因此，一般在用空氣螺桿鉆具鉆井時(shí)都從工藝上對(duì)這一缺點(diǎn)加以限制，例如規(guī)定在起下鉆過程中不循環(huán)空氣

26、；馬達(dá)不得提離井底起動(dòng)，而是先接觸井底加壓后再起動(dòng)，等等。但是這些規(guī)定并不科學(xué)，它與鉆井工藝是有矛盾的。因?yàn)槠鹣裸@過程中的循環(huán)有一定必要性，劃眼下入、清潔井底是需要的，不循環(huán)容易造成卡鉆；另外加壓起動(dòng)造成操作難度，很容易使馬達(dá)在重載下突然起動(dòng)而損壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)。所以，為克服空氣螺桿的飛車問題，人們一般采用了一種地面控制措施：在井口增加一個(gè)空氣流量調(diào)節(jié)閥，在起下鉆循環(huán)時(shí)，選取1/2的工作流量。這一控制措施在一定程度上解決了飛車問題，但弊病有四：1) 增加了地面裝備；2) 造成了很大的功率損失；3) 控制效果不好，因?yàn)榭諝怛?qū)動(dòng)的軟特性使馬達(dá)特性隨井深發(fā)生變化，合理的流量調(diào)節(jié)量是變量，1/2流量并不是唯

27、一不變的最佳值；4) 增加了操作難度，因?yàn)樘犭x井底是經(jīng)常要發(fā)生的操作，規(guī)定提鉆前先去操作地面流量閥，這樣既麻煩而又易失誤。  課題組已研究出了一種解決空氣螺桿鉆具飛車問題的方法及裝置，并申報(bào)了國家發(fā)明專利。其工作原理為：在空氣螺桿鉆具的轉(zhuǎn)子上端裝入一個(gè)氣動(dòng)限速閥，轉(zhuǎn)子中心鉆有通孔，限速閥下端和鉆子中孔相連。當(dāng)實(shí)際鉆進(jìn)時(shí)，限速閥處于閉合狀態(tài)，轉(zhuǎn)子中孔入口處的氣流通道關(guān)閉，壓縮空氣全部從馬達(dá)工作副流過，產(chǎn)生工作轉(zhuǎn)速。當(dāng)提鉆空轉(zhuǎn)時(shí)，限速閥處于開啟狀態(tài)，馬達(dá)入口處的部分壓縮空氣從轉(zhuǎn)子中孔分流，于是流經(jīng)馬達(dá)工作副的氣量減小，轉(zhuǎn)速受到控制。這樣當(dāng)空轉(zhuǎn)狀態(tài)，氣壓降低、體積膨脹時(shí)，由于限速

28、閥的自動(dòng)控制造成旁路分流，抑制了馬達(dá)轉(zhuǎn)速的上升。該裝置使空氣螺桿鉆具自身具有自動(dòng)控制、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，從而保證鉆速穩(wěn)定的內(nèi)在特性。3. 采用油潤滑密封傳動(dòng)軸常規(guī)螺桿鉆具工作時(shí)，鉆井液流經(jīng)萬向軸及其殼體間的空腔，主流從導(dǎo)水帽進(jìn)入傳動(dòng)軸的中間流道，同時(shí)另有一小部分鉆井液流經(jīng)軸承組進(jìn)行潤滑和冷卻，然后從傳動(dòng)軸殼體下部排向環(huán)空?？諝饴輻U鉆具中的傳動(dòng)軸雖然功能未變，但是卻失去了泥漿對(duì)軸承的潤滑和冷卻作用。由于螺桿鉆具在惡劣的井底環(huán)境中工作時(shí)，軸承組負(fù)荷重，承受幅度很大的交變載荷，是螺桿鉆具易損害的部位，必須給予很好的潤滑。于是，設(shè)計(jì)油潤滑密封傳動(dòng)軸成為首選，將全部軸承密封起來，使軸承組在油潤滑的條件下工作，同

29、時(shí)防止巖屑粉塵進(jìn)入軸承加劇其磨損，使承載能力和使用時(shí)間進(jìn)一步提高。北京石油機(jī)械廠已經(jīng)有成熟的具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的油潤滑密封傳動(dòng)軸技術(shù)，油潤滑密封傳動(dòng)軸是空氣螺桿鉆具研制的關(guān)鍵技術(shù)之一。4、選擇氣密封性能好的馬達(dá)線型轉(zhuǎn)子和定子曲面形成的多個(gè)共軛封閉腔之間的密封性是形成容積式馬達(dá)的基本條件之一。按傳統(tǒng)泥漿馬達(dá)設(shè)計(jì)的定/轉(zhuǎn)子經(jīng)水密封實(shí)驗(yàn)合格后，在帶壓空氣情況下發(fā)現(xiàn)馬達(dá)氣密封性極不理想。在眾多線型中由于短幅類線型在保證同樣密封壓力時(shí)要求較大的過盈，因此不宜用做空氣馬達(dá)，而宜選用具有較小定子齒頂曲率半徑的線型。課題組通過在北京石油機(jī)械廠引進(jìn)的世界上最為先進(jìn)的馬達(dá)設(shè)計(jì)軟件奧地利WEINCAD上進(jìn)行模擬修正，

30、找到了水密封和氣密封兼?zhèn)涞木€型，氣馬達(dá)線型，馬達(dá)設(shè)計(jì)軟件的界面。都是泥漿驅(qū)動(dòng)，不同的是螺桿是容積式，而渦輪則是液流沖擊力驅(qū)動(dòng)，這在性能上表現(xiàn)為螺桿在扭矩增大時(shí)壓差會(huì)增長，轉(zhuǎn)速基本不變，而渦輪則是扭矩增長轉(zhuǎn)速成比例下降，但壓降基本不變。' ?0 d- c; Q+ E8 J7 s( f在使用性能上，如果鉆頭經(jīng)受不了渦輪空載的高轉(zhuǎn)速，就應(yīng)先施加一定的鉆壓再啟動(dòng)泥漿泵，也就是相當(dāng)于離心泵關(guān)閥門啟動(dòng)，渦輪的這種特性不利于新鉆頭磨合與井底造型，因此對(duì)鉆頭使用效果非常不利。另外由于鉆壓小時(shí)轉(zhuǎn)速高，也不利于在巖性發(fā)生變化時(shí)調(diào)整鉆井參數(shù)，可能導(dǎo)致鉆頭可能先期損壞，使鉆井效果下降，這也就是渦輪難以推廣應(yīng)用

31、的原因，個(gè)人總體感覺不看好渦輪。美國貝克休斯公司簡介來源：美國貝克休斯公司 頻道：行業(yè)機(jī)械 發(fā)布時(shí)間：2007-10-25貝克休斯公司是美國一家為全球石油開發(fā)和加工工業(yè)提供產(chǎn)品和服務(wù)的大型服務(wù)公司，成立于1987年，由兩家歷史悠久的石油設(shè)備公司合并組成。1996年公司的營業(yè)總額超過30億美元，在世界各地的雇員約有1.8萬人。公司董事長、總裁是邁克斯·盧肯斯(maxl lukens)。 服務(wù)范圍 該以司通過它的油田服務(wù)公司，提供鉆井、完井和油氣井生產(chǎn)的各類產(chǎn)品和服務(wù)。1.baker hughes solutions公司：主要負(fù)責(zé)石油公司的貿(mào)易活動(dòng)。2.baker oil tools(b

32、ot)公司：提供完井、修井和打撈設(shè)備的服務(wù)。專門研究提供解決油井壽命的辦法，以便幫助用戶提高采收率，降低成本。還可提供封隔器系統(tǒng)井下打撈設(shè)備、襯管懸掛器、維修工具和地下安全系統(tǒng)。設(shè)備具有流量控制儀器、膨脹式封隔器、過油管封隔器和過油管打撈設(shè)備以及銑割器。3.baker performance chemicals incorporated是一家化學(xué)品部門，為油田化學(xué)品，并為鉆井、油井增產(chǎn)措施、采油和管線運(yùn)輸提供服務(wù)。也為煉油、石化、化工等行業(yè)提供特種化學(xué)品。4.baker hughes process systems公司：主要提供油氣工業(yè)和煉制廢水處理工業(yè)的處設(shè)備。主要產(chǎn)品有：旋流除砂器、感應(yīng)氣

33、體浮選和過濾裝置、海水注入和氣體處理裝置等。5.baker hughes inteq公司：提供鉆井和地層評(píng)價(jià)的技術(shù)和服務(wù)；提供定向鉆井、隨鉆測量系統(tǒng)、鉆井液系統(tǒng)、地面測井服務(wù)、取心和地下測量。6.hughes christensen company(hcc)公司：是世界石油、天然氣與地?zé)峁I(yè)用鉆頭的制造廠商和銷售商，產(chǎn)品有tricone & trade、牙輪鉆頭、固定牙輪(金剛石)鉆頭和小井眼鉆頭。7.eimco process equipment company公司：該公司在液-固和固-固分離系統(tǒng)，以及水和洗滌水處理工藝方面處于世界領(lǐng)先地位。該公司的核心分離技術(shù)包括沉積、浮選和致密介

34、質(zhì)分離、真空過濾、壓榨和粘狀介質(zhì)過濾。8.centrilift公司：該公司是油田電潛泵(esps)系統(tǒng)專利技術(shù)的領(lǐng)先者。可制造esp系統(tǒng)全部的關(guān)鍵部件，其中包括為油田應(yīng)用設(shè)計(jì)的專用鎧裝電纜和變速馬達(dá)控制器。 主要產(chǎn)品和技術(shù) 1.產(chǎn)品(1)star鉆頭，保留了許多大直徑鉆頭所具有的優(yōu)點(diǎn)。(2)navi-drill馬達(dá)，向star鉆頭提供動(dòng)力的新一代馬達(dá)，1996年投入使用。(3)mpr多頻率電磁波測井儀系統(tǒng)，在新地層鉆井中跟蹤鉆頭，使鉆頭保持正確位置。(4)perflow用于老井重鉆的鉆井液，具有提高鉆井效率，清除巖屑和減少對(duì)油氣層損害的特點(diǎn)。5.excluder油井篩管，與以前使用的預(yù)填充篩管相比，生產(chǎn)效率大大提高。2.技術(shù)(1)edge遙控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，是一種替代傳統(tǒng)的完井和流量控制機(jī)械/液壓驅(qū)動(dòng)裝置的傳聲系統(tǒng)，可使大斜度多底井鋼絲作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)降到最低。(2)t系列井下安全閥，可減少修井作業(yè)次數(shù)。(3