空氣螺桿鉆具

1、空氣螺桿鉆具空氣螺桿鉆具研制、特性分析及現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用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)中獲得廣泛應(yīng)用，在國內(nèi)也正呈快速發(fā)展趨勢。空氣螺桿鉆具是應(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，則可對儲層進(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

2、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?？諝饴輻U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？244（9-5/8?）的空氣螺桿鉆具，經(jīng)與外商詢價(jià)，每臺價(jià)格在13萬美元以上，無法

3、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)。在2001年5月？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

4、功。在此基礎(chǔ)上，兩臺K7LZ244樣機(jī)于2002年12月運(yùn)往伊朗，在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。本文針對空氣鉆井的特殊性（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)鍵問題由于液體的不可壓縮性和容積而空氣螺桿鉆具，由于以壓縮其結(jié)構(gòu)特征和工作特性有顯常規(guī)的螺桿鉆具是以鉆井液（俗稱泥漿）作為傳遞動力的介質(zhì)，式機(jī)械的特性，螺桿鉆具具有很好的過載

5、性能和硬機(jī)械特性?？諝庾鳛閯恿υ春凸ぷ鹘橘|(zhì)，與常規(guī)液體驅(qū)動的螺桿鉆具相比,著不同。下面簡介有關(guān)空氣螺桿鉆具設(shè)計(jì)的幾個關(guān)鍵技術(shù)問題。1、必須設(shè)計(jì)多頭多級的馬達(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。對于空氣螺桿鉆具，鉆壓的增加同樣會使馬達(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

6、鉆壓甚至?xí)?dǎo)致馬達(dá)制動。因此，空氣螺桿鉆具必須設(shè)計(jì)成多頭多級馬達(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)不會嚴(yán)重失速或制動。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”。飛車會使空氣螺桿鉆具內(nèi)部的萬向軸、傳動軸軸承及馬達(dá)定子轉(zhuǎn)子副間的運(yùn)動頻率相應(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；

7、馬達(dá)不得提離井底起動，而是先接觸井底加壓后再起動，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；另外加壓起動造成操作難度，很容易使馬達(dá)在重載下突然起動而損壞內(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流量并不是唯一不變的

8、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)子上端裝入一個氣動限速閥，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)，由于限速閥的自動控制造成旁路分流，抑制了馬

9、達(dá)轉(zhuǎn)速的上升。該裝置使空氣螺桿鉆具自身具有自動控制、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，然后從傳動軸殼體下部排向環(huán)空。空氣螺桿鉆具中的傳動軸雖然功能未變，但是卻失去了泥漿對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)立知識產(chǎn)權(quán)的油潤滑密封傳動軸技術(shù)，油潤滑密封傳動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共軻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