螺杆钻具的研究现状论文

1.液动螺杆钻具的应用

液动螺杆是目前施工定向井中造斜段、稳斜段、水平钻进段的常用钻具。液动螺杆以钻井液作为动力介质，底部输出动力，推动钻头工作，这种方法的优点是钻具可以不转动，减少了井下钻具磨损及钻杆折断事故，可精确控制井眼轨迹。

螺杆钻具分为直螺杆、弯螺杆和可调螺杆3种，水平定向钻进一般采用单弯螺杆钻具钻进，其角度有1°，°，°，°等多种，可依据具体情况选用，并配合无磁钻铤和测斜仪器组成定向钻具组合。通过液动钻进方式实现增斜、降斜，通过复合钻进方式稳斜，即达到连续钻井目的，又可随时调整井眼轨迹。

2.定向测斜仪的应用

定向钻进主要控制的井身轨迹参数包括：井斜角、方位角、工具面和斜深。在钻进过程中必须及时测得井眼轨迹参数。应用单点照相测斜仪，有线随钻测斜仪和无线随钻测斜仪可确定上述参数，水平对接井连通时，还需强磁连通工具。

（1）单点照相测斜仪

这类仪器在国内应用已很普遍，这类仪器在螺杆钻具上部工作面方面设有定位座，单点照相测斜仪下到定位座位置时，在设定的时间内胶片曝光，胶片上留有该点的井斜角、方位角。适当转动钻具可实现工作面的调整，按设定井身轨迹钻进。单点照相测斜仪操作简单、性能稳定，但每次测量时需停钻静止等待，测出的轨迹不连续，适用于倾斜角不太大的定向井、丛式井施工。

（2）有线随钻测斜仪

此测斜仪通过电缆将信号从孔底输到地表，此种方法传输信号衰减小，数据可靠，但需把测量探管的电缆从钻杆中送入井底，在回次终了需提升仪器，需要专门的水龙头和电缆绞车。有线随钻测斜仪实现了井身轨迹在钻进时的连续测量，进而随时控制钻进轨迹。有线随钻仪器使用缺点在于每次加尺时需将探管提升和下放，影响作业时间，在水平段钻进时，有时依靠钻井液的冲力使探管下到井底。有线随钻适合于井斜较大、井身轨迹要求精度高的井，在地层稳定情况下，在水平段也有应用，但由于煤层的不稳定性，不适合在煤层中水平钻进。

（3）泥浆脉冲无线随钻测斜仪———PMWD

PMWD系统（图2－1）可将测量的井斜、方位、工具面、井深等数据通过泥浆脉冲介质传递到地面，还可在PMWD系统中按放伽马探管进行随钻判层，这点在煤层气水平钻井中非常重要。

图2－1 PMWD井下安装示意图

PMWD系统将采集数据通过确定的编码方式转化为电磁铁动作，当泥浆脉冲泵打开时，电磁铁的直线运动转换为旋转阀的开关模式，从而产生泥浆脉冲压力变化。泥浆脉冲压力信号传到地面，经过滤波、译码等处理后，转化为定向测量数据和伽马电阻率等数据。PMWD 测斜仪不用电缆，只需用泥浆流作为传输介质，钻进过程中可随时读取井眼的空间要素和岩层信息，对水平井井身轨迹可随时控制，达到了真正意义上随钻目的。PMWD的工作原理依赖于泥浆，泥浆性能的好坏对 PMWD 工作影响很大。当泥浆中固相含量高到一定程度时，容易堵塞PMWD 系统，由于泥浆流长时间冲刷PMWD系统，有些部件容易损失，影响水平井钻井进程；煤层气钻井中常常采用欠平衡钻井，PMWD 系统将不能应用。目前，PMWD已做到国产化，但伽马探管需引进。

（4）电磁波无线随钻测斜仪———EM－MWD

电磁波无线随钻系统（图2－2）利用低频电磁波经过地壳将信息传送到地面，通过地面天线接受，然后由计算机解码和处理，发布到司钻的显示屏上。EM－MWD系统采用连续传输方式，能够在钻杆连接的时候传输静态测量值。

以美国国民油井生产的 Blackstar EM－MWD 为例，它测量的关键数据点包括：①磁力、重力、工具面，②井斜，③近钻头井斜，④方位角，⑤高边伽马，⑥低边伽马，⑦定向伽马和360度伽马，⑧环空压力。

EM－MWD适合：①欠平衡钻井，②低压地层，③循环损失地层，④受污染的泥浆系统。

EM－MWD目前国内无生产，应用依赖国外引进。它的应用受电阻率限制，若地层电阻率低，信号容易发散损失，地面将接收不到传输信号。

（5）强磁连通仪器

图2－2 EM－MWD结构图

两井连通过程中采用的技术为近钻头电磁测距法———RMRS。RMRS技术的硬件构成报包括强磁短节和强磁探管。强磁短节的长度约为40cm，由横行排列的多个强磁体组成。它主要用来提供一个恒定的待测磁场，电磁信号的有效传播距离为40m。探管由3部分组成：扶正器、传感器组件、加重杆，其长度约为3m。当旋转的强磁短节通过另一井洞穴附近区域时，洞穴中的探管可采集强磁短节产生的磁场强度信号，最后通过采集软件可准确计算两井间的距离及当前钻头的位置。RMRS必须与 MWD和螺杆马达等配合使用，钻具组合通常为：钻头＋强磁短节＋马达＋无磁钻铤＋MWD＋钻杆。目前强磁连通仪器国内无生产，依靠国外引进或国外提供租赁服务。

涡轮钻具是一种井底水力发动机。里面装有若干级涡轮（定子和转子），定子使液体以一定的方向和速度冲动转子，而转子将液体动能转变成带动钻头旋转破碎地层的机械能。

涡轮钻具技术最早出现在美国，1873年，在美国第一次提出了涡轮钻具的概念，随后，德国的Max Blumerreich和对的钻具进行了大量的改进工作，翻开了涡轮钻井的新篇章。

20世纪50年代以前，前苏联、美国、法国都开展了涡轮钻具的研制和开发，并有部分产品在钻井现场得到了应用。50年代到70年代，美国放弃了涡沦钻具的研究，而前苏联则大力发展涡轮钻具，涡轮钻井逐渐成为前苏联基本的钻井方法，井下动力钻具（主要是涡轮钻具）的年进尺量达到总进尺量的80%。法国则研制出能耐170℃高温的Neyrfor涡轮钻具成为市场上功率最大的涡轮钻具，其转速和扭矩参数能够较好地与PDC钻头匹配。20世纪80年代，由于适合石油钻井应用的螺杆钻具的研制成功，西方国家的涡轮钻具的发展有所放慢，但研究一直在进行。90年代以来，由于油气勘探的深度和难度不断加大，涡轮钻具在深井方面的独特优势，使得国外的涡轮钻井技术发展迅速，涡轮钻具越来越受到石油钻井界的重视，这段时间，涡轮钻井方法仍然是独联体国家钻井的最主要的手段，欧洲和中东地区的涡轮钻井也快速发展，一向不太重视涡轮钻井技术的美国也大力发展涡轮钻具，并且和俄罗斯一起成为当今世界涡轮钻具技术最发达的两个国家。

纵观涡轮钻具的发展过程，其研究工作主要是从两个方面展开：一是开展涡轮钻具本身技术研究，即是通过结构设计、材料选择与处理、关键部件优化等方面，提高涡轮钻具的寿命、功率、可靠性等性能指标；另一方面，涡轮钻具的匹配技术研究，即按照不同类型钻头的工作钻速与扭矩匹配要求，开展不同类型的涡轮钻具研究，以克服涡轮钻具的缺点，最大程度发挥其适用性。

目前，西方国家、独联体国家、中东和中国等国家地区是应用涡轮钻具和涡轮钻井技术的热点地区。涡轮钻具的更新和发展与钻井工艺、其他辅助设备的技术进步密切相关。不断提高井下涡轮钻具在钻井过程中的适应性和有效性，以适应钻井工艺和钻井技术的进步，是各国在涡轮动力钻具发展中共同追求的目标之一。

涡轮钻具按照其结构和用途大致可以分为：单式涡轮钻具、复式涡轮钻具、短涡轮钻具、弯壳体涡轮钻具、带减速器的涡轮钻具、带滚动轴承的涡轮钻具、高速涡轮钻具。

各国涡轮钻具发展的一大特点就是品种类型趋于统一，性能参数基本一致。随着涡轮钻具技术的发展与成熟，产品的性能越来越稳定，通过对国外涡轮钻具输入输出参数和使用功能进行详细的统计分析，发现各国开发制造的产品虽然种类繁多、互有差异，但却有产品类型逐渐趋于统一、性能参数基本相近的趋势。产品可分为如下3种类型：①低速大扭矩的井下动力钻具；②中高速大功率的井下动力钻具；③中高速短长度的井下动力钻具等几种常见类型。

各国涡轮钻具划分产品规格的特征标志相同、产品系列化的形式相近。根据钻井工艺的不同，一定的井身结构对涡轮钻具的最大允许外径有严格的限制。因此，以外径作为划分井下涡轮钻具尺寸规格的基本特征是最恰当的，具有实用性。前苏联和西方各国均采用了外径作为形成产品系列化的特殊标志。

对于前苏联涡轮钻具，根据其国家标准POCT23115-78《涡轮钻具型式、直径系列》，外径在120mm以上的涡轮钻具有127mm、164mm、172mm、195mm、215mm和240mm六种尺寸规格。为了满足～大口径井眼的钻井工艺要求，1988年又增补了260mm的尺寸规格。西方国家井下动力钻具以单独生产厂家为经营核心独立发展，产品规格按外径划分，单位都是英寸（in）。通过对美、法、英、德四国12家大公司82种规格的涡轮钻具进行了统计，涡轮钻具产品的直径系列集中在、这5种尺寸规格范围内。相当于前苏联直径系列中的127mm、172mm、195mm、240mm和260mm。美国涡轮钻具的最大直径为349mm，单式结构长度为12m，复式结构长度为26m，输出功率为220kW。

独联体国家近年来对涡轮钻具的研究重点在降低涡轮钻具转速、提高输出扭矩，尽量降低压力降，最大程度提高涡轮钻具零部件的通用化和模块化。在此指导思想下，以俄罗斯为代表的独联体国家，主要研制低速大扭矩涡轮钻具，如减速器涡轮钻具和复式涡轮钻具等。

俄罗斯在涡轮钻具的主要研制机构是全苏钻井技术科学研究院，在减速器涡轮钻具方面发展了TPM-195，TPⅢ-195和TPO3-195三款比较有代表性的产品，这种涡轮钻具外径均为195mm，表中列出了3种不同型号的减速器涡轮钻具的主要技术参数，这些涡轮钻具在俄罗斯的西伯利亚地区以及其他地区得到了广泛应用。

表 俄罗斯195系列减速器涡轮钻具主要技术参数

TPM-195减速器涡轮钻具是前苏联研究和生产的第一代减速器涡轮钻具，直到现在它的使用仍最为广泛。世界第一深井——KoLa超深井就使用了这种减速器涡轮钻具，目前该涡轮钻具在西西伯利亚油田每年的进尺已经超过500000m。

西方研究涡轮钻具的国家主要有美国、法国和德国三个国家，主要的制造商有美国的Eastman、Redi-Drill，西欧则主要有Neyrfor、Trauzl、Salzgitter等公司。产品系列从普通涡轮钻具、低速涡轮钻具、高速涡轮钻具，以及全直径规格的涡轮钻具，产品齐全，技术水平高。

国内主要研究涡轮钻具的单位有：中国石油大学（北京）、江汉石油学院、中国石油大学（华东）、中国石油勘探开发研究院等。国产涡轮钻具形成了Φ240、Φ195、Φ175、Φ165、Φ152等外径系列，可以满足批量生产的要求，正朝多品种、系列化的方向发展；国产涡轮钻具实验的最大井深为5700m，井底温度135℃，井底压力80MPa（西南石油局川西地区），国内还未开展万米深井的高温高压工况的涡轮钻具研究；带减速器的涡轮钻具成为国内涡轮钻具发展的主流，但行星齿轮减速器基本依靠进口；涡轮钻具的关键部件与薄弱部件，如长寿命独立支承节的出现、独立悬挂涡轮节的发明、可调节型同步减速器的出现，使涡轮钻具的整体性能得到了极大的提高；国内涡轮钻具整机寿命可达120～200h，而定、转子的寿命可达600～1000h，无任何橡胶件，理论上具有适应200℃井下环境温度的工作能力。

涡轮钻具的特点是高转速低转矩，而与涡轮钻具配合的钻头类型多样，适应于不同的地层，具有不同的工作转速与转矩要求，如何根据钻头高效破岩的需要，克服涡轮钻具的缺点，提高涡轮钻具的适用性，逐渐成为涡轮钻具发展的热点。钻井工艺发展的需要，对涡轮钻具的设计理念、型式、结构等方面产生了重大的影响。

实践证明，涡轮钻井可以取得较高的机械钻速，高速牙轮钻头配合涡轮钻具钻井的机械钻速通常比转盘钻井提高3～5倍，但作为主要破岩工具的牙轮钻头不能适应涡轮钻具较高转速的要求，钻头轴承的寿命很短，在深井段导致起下钻时间增加、行程钻速降低，从而使钻井成本提高，这限制了涡轮钻井技术的应用。新型金刚石钻头（包括PDC钻头、TSP钻头及新型孕镶金刚石钻头）和新型高速三牙轮钻头等的发展，为涡轮钻井技术展示了发展前景。

目前涡轮钻具配合金刚石钻头钻井技术主要朝着三个匹配方向发展，分别是高速涡轮钻具配合表镶金刚石钻头、中高转速涡轮钻具配合PDC钻头和高速涡轮钻具配合新型孕镶金刚石钻头。

各类新型涡轮钻具满足了不同钻头类型、钻井地层和钻井技术条件对涡轮钻具特性和结构的要求。涡轮钻具的使用寿命特别是轴承的使用寿命有了大幅度提高，达到200～300h，最高连续使用时超过350h。涡轮钻具在其结构及性能方面的改进，提高了钻具定向轨迹控制能力及钻具功能的多样性，在常规直井、水平井、定向井、丛式井及欠平衡等钻井技术领域的应用日趋广泛。