国内外螺杆钻具的应用及发展趋势
大港油田中成机械制造有限公司
王春阳 吴爱民 李良君
摘要 本文综述国内外螺杆钻具的近十多年来的行业水平及未来发展趋势，介绍了该技术的进展，基础理论与应用，介绍了国内外对螺杆钻具的设计制造技术水平，论述螺杆钻具的发展趋势，提出我国螺杆钻具研究方向。
主题词 螺杆钻具 发展趋势 设计 应用
螺杆钻具的工作原理
螺杆钻具是利用莫依诺原理以油基泥浆、浮化泥浆、及粘土泥浆等作动力液，把液体压力能转换为机械能的一种容积式井下动力钻具。当泥浆泵产生的高压泥浆流经旁通阀进入马达时，转子在压力泥浆的驱动下绕定子的轴线旋转，马达产生的扭矩和转速通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业。
螺杆钻具由四大部分组成：旁通阀总成、马达总成、万向轴总成、传动轴总成。旁通阀总成作用是通过其开启和关闭控制泥浆流向，从而控制马达的启动和停止，同时在起下钻时不使泥浆溢于井台。马达总成一对由钢制左旋的转子螺杆在钢管内附着的橡胶衬套中共轭啮合形成的螺杆衬套幅，泥浆的压力推动转子转动，从而把压力能转换为机械能。万向轴总成的作用是将转子的偏心运动转换成传动轴的定轴运动。传动轴总成的作用是把万向轴传递过来的马达动力传递给钻头，实现破碎岩石作业。
螺杆钻具的应用
目前钻井用井下动力钻具有螺杆钻具、涡轮钻具、电动钻具三种，螺杆钻具具有良好的“硬特性”：转速随着钻具扭矩的增加而下降很少，同时又具有良好的“软特性”即通过橡胶的变形漏失泥浆来起缓冲、减震、过载保护的作用。螺杆钻具以其良好的功率特性使它取代涡轮钻具成为最广泛使用的一种井下动力钻具，它与传统的转盘带动钻杆钻进相比有许多优点
1、它可以增加钻头转数和钻头扭矩因而增加进尺率，缩短钻井周期。
2、井底直接提供动力，减少了钻杆底磨损和损坏。
3、可准确的侧钻、造斜、定向、纠偏。
4、可钻定向井、水平井、丛式井，显著提高钻井的经济效益。
螺杆钻具的应用市场非常广阔，随着高产井的开发、后期井的再生利用，薄油层的开采及土地资源政策的制约，定向井得到极大的推广，对螺杆钻具的需求不断增大，东亚、欧美地区许多油田进入后期开采需用定向井。中东及海湾地区多在老井的基础上侧钻丛式井以增加开采量，这都要采用定向井工艺，另一方面随钻测量系统（MWD）、聚晶金刚石钻头（PDC）制造技术的提高，使导向钻井系统日臻完善，也使定向井工艺得到长足的发展并得到大力推广应用。因此螺杆钻具的市场不断扩大。国际上螺杆钻具的消费地区主要在中东富油地区及海洋石油钻井，主要的用途是定向、造斜、侧钻及打水平井。
国内外螺杆钻具的发展状况
美国50年代开始研制螺杆钻具，第一台工业井下马达则是1957
年美国W.Clark的专利成果，这是第一只迪纳钻具（Dyna-Drill），这是一种单双头螺杆钻具。1962年生产出可以用于实际钻井的螺杆钻具。1966年前苏联制成了瓣比为9/10的螺杆钻具样机，这就是△型螺杆钻具的前身。1975年，斯伦贝谢（Schlumberger）公司生产5/6瓣的井下马达，取名为（georotor）,同一时期，美国Baker公司、Eastman-whipstock,西德的Christensen公司先后研制出系列的纳维钻具（Navi-Drill）。90年代D型螺杆钻具，在苏联得到发展，已将制造许可证转让给法国和英国公司（取名为Drilex）。各种螺杆钻具的原理相同，只是结构不同，竞争的出现，使各种螺杆钻具在结构上和产品规格系列上进一步现代化，寿命不断的提高，从原来一次下井使用30～40小时，80年代提高到100小时，如今可以维持在300小时以上，贝克休斯公司生产的螺杆钻具最高寿命累计使用可达1000小时。
随着钻井技术的不断提高，定向井、水平井，侧钻丛式井技术的推广，螺杆钻具市场需求不断增加 。在美国和西欧几乎90％的大、中曲率半径水平井的定向造斜和水平段都是由螺杆钻具钻成。另外海洋钻井几乎全部都要用到螺杆钻具。
西方国家螺杆钻具生产厂家之间竞争激烈，螺杆钻具厂家多是大的石油公司的子公司，随着石油价格的起伏波动，各技术力量较薄弱的或经营不当的厂家时常面临倒闭、破产和被吞并的危机，螺杆钻具的制造技术常常由一个公司转入另一公司。例如1986年美国Eastman-whipstock公司兼并了Norton Cristensen公司，1990年又
被Baker Hughse公司接管，Drilex原属于Drilex System Inc(英美跨国联营公司)后并入Baker Hughse。美国Simth公司原是螺杆钻具生产的大公司，现在不生产螺杆钻具。Huliburton公司将其MONO钻具生产技术转给NATIONAL OIL WELL Inc自己只装配螺杆钻具。目前螺杆钻具的生产厂家主要集中在美国和加拿大，前苏联虽然对螺杆钻具研究比较早单由于其在涡轮钻具上技术比较成熟，所以一直是涡轮钻具占统治地位，只是在近年来，螺杆钻具得到很大的发展并与涡轮钻具展开竞争。
目前国外螺杆钻具制造技术逐渐为几家资金雄厚的大企业所垄断。目前西方国家从事螺杆钻具制造的公司主要有：Baker Hughse 公司、Telco(美国)、DRECO(加拿大)，ANADRILL(美国)，NATIONAL OIL WELL Inc（美国）、Neyrfor-Weir Ltd(法英跨国联营)、以及几家以生产螺杆钻具的主业公司：DANA-DRILL公司、DRILL MOTOR SERVICES 公司。另外还有许多研究机构象前苏联VNIIBT、ВНИИВТ彼尔姆分院、法国石油研究院（IFP）。
公司简介：
Baker Hughse公司是美国一家为全球石油开发和加工工业提供产品和服务的大型服务公司,全球七大石油技术服务公司之一，成立于1987年,由贝克公司和休斯公司两家历史悠久的石油设备公司合并组成。1996年公司营业总额超过30亿美元，贝克公司早在1976年就开始生产瓣比为i＝3/4的螺杆钻具，钻具规格有5＂、63/4＂、＂，性能见表1。后又其取得了Eastman-whipstock、的螺杆钻具
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生产技术，该公司于1978年在迪纳钻具的基础上研制出一系列螺杆钻具，取名叫Posi-drill(波斯螺杆钻具)，其性能参数介于迪纳钻具和纳维钻具之间。后又取得Cristensen的纳维钻具制造技术。1996年由其下属的INTEQ公司生产Navi-Drill Ultra系列螺杆钻具包括了
从31/
8＂到111/
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＂的所有规格。
ANADRILL公司是斯伦贝谢的子公司（Schlumberger Inc –跨国
综合性服务公司，在美国和法国设有总部，全球七大石油技术服务公司之一，1996年营业额为61亿美元）。该公司的螺杆钻具来源于法国BCT公司（法国技术合作局）的专利产品georotor钻具，它是一种
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＂瓣比为5/6带旋转外壳的螺杆钻具，其特点是长度短、扭矩大，造斜率高,特别适合造斜作业。
DRILL MOTOR SERVICES、DANA-DRILL公司目前同属于W－H Energy 公司，DANA-DRILL公司在80年代曾归属于Simth公司，是生产迪纳钻具的大公司， 90年代又转入哈立波顿（Halliburton）公司，于1999年从哈立波顿（Halliburton）公司又转到W-H Energy 公司，现只生产螺杆钻具马达总成，其技术就是50年代发展起来的迪纳技术，产品遍布全球。 DRILL MOTOR SERVICES公司成立于1994年，1995年并入W-H Energy 公司，生产除马达总成以外的所有总成部件，产品主要应用在德克萨斯海岸、加利福尼亚、阿拉斯加、墨西哥湾、日本、菲律宾岛屿。
前苏联1966年开始研究螺杆钻具，1984年累计进尺达150万米，1991年螺杆钻具占全苏7.5％井的钻井量用到螺杆钻具，虽然受涡轮
钻具钻井应用的限制，但是在近来发展迅速，所占比重日益增大。前苏联主要生产D型螺杆钻具，Д1-172、Д2-197、Д2-88型螺杆钻具代表了D型螺杆钻具的不同发展水平。
国内螺杆钻具的应用情况：我国自对螺杆钻具的研究始于20世纪70年代末，1982年石油部石油勘探开发科学院研制出我国第一台3头螺杆钻具，1985年大港油田总机厂和北京石油机械厂共同引进美国Simth公司－Dyna-Drill全套△500、△500、F2000三个系列的螺杆钻具，开始了螺杆钻具技术在我国的发展和应用。
我国目前生产螺杆钻具的厂家有十多个，国内陆上市场销售额在2.0~2.5亿之间，中成公司大约占30%的份额，与渤海石油机械厂、北京石油机械厂、德州石油机械厂形成四大主要生产厂家，处于第一集团，年销售收入近2个亿。山东生建、胜利油田、潍坊蛟龙、盐城等十来家钻具厂处于第二集团，规模较小，但其制造成本低、费用小、销售手段灵活是极大的优势，发展和扩张能力不应忽视，其2002年销售收入应不低于6000万元。随着国内钻井技术的不断提高，定向井、水平井，侧钻丛式井及直井钻进技术的推广，螺杆钻具市场需求不断增加，一方面给各螺杆钻具制造厂家带来了发展的机遇，另一方面也使竞争不断加剧，原有的企业争相扩大规模，新的螺杆钻具制造厂不断出现，目前国内海洋的市场有大约5000万的份额，基本上为国外螺杆钻具所垄断。
中成公司（原大港油田总机厂）
中成公司1985年和北京石油机械厂合作全套引进美国史密斯公
司-Smith DYNA-DRILL三条生产线，即包括生产制造与整机装配生产线、热处理可控气氛生产线以及定子橡胶生产线。
在技术人员的努力下，通过对螺杆钻具设计技术指标以及制造技术的不断消化和吸收，中成公司已开发出从φ60~φ244等十二个规格系列的螺杆钻具产品，使螺杆钻具产品的规格系列进一步得到了完善和加强，年产值达到了6000万元，产品曾出口到印度、加拿大、美国、伊朗、卡特尔等国家。
渤海石油机械厂
属于民营企业，具有体制优势，运营手段灵活，成本低，价格低，年产钻具5000～5500万元。较晚进入螺杆钻具市场，设备投入、质量控制环节起点较高，水平正逐渐接近中成公司。
北京石油机械厂
属于国有企业，经营方式与产品质量与中成公司相差不多，85年和中成公司共同引进螺杆钻具项目，年产钻具3000～3500万元。职工队伍只有500人左右，规模较小，队伍精简，设备精良。产品面向国内，有相当一部分产品出口到印度、加拿大等国家。
3.德州石油机械厂
德州石油机械厂属于国有企业，位于山东省德州市，始建于1970年，90年代开始生产螺杆钻具，年产螺杆钻具3000～3500万元。属于地矿部，市场保护比较严重，规模较小，产品规格也较少。技术进步较快，属于小而精的企业，其在小规格螺杆钻具研制方面有优势。
国内的研究机构有石油大学（华东）、中国科学技术研究院，北京石油勘探开发研究院。
国内外螺杆钻具技术水平
国外对螺杆钻具的研究比较早，研究水平也比较高，目前国外螺杆钻具寿命一般都在200～300小时以上。美国在发展螺杆钻具技术方面取得的成果最辉煌，著名的品牌有Dyna-Drill、Navi-Drill、Drilex、Power Park、 D型钻具
迪纳钻具是最早出现的螺杆钻具，在一段时间内由于没有竞争对手，所以钻具在结构和性能上没有多大的变化，后来纳维钻具的出现并迅速占领市场促使迪纳钻具在原单瓣螺杆钻具的基础上作了很大的改动，向多瓣和多级马达发展，使产品系列进一步现代化，出现了大家所熟知的△500、△500、F2000型三大系列产品，规格从13/4＂到12＂十多种规格。其结构特点是采用碟簧式传动轴、花瓣式万向轴。有可调角度钻具，钻具弯角地面可调。其技术参数如下 Navi-drill最早是克力斯坦森公司的产品，到90年代初形成了Mach I、Mach II、Mach III三种系列。Mach I是多头螺杆钻具，主要用于定向、直井钻进和取芯钻进作业。Mach II是单头螺杆钻具，主要用于直井钻进。Mach III主要用于定向作业。Navi-drill经过Christensen、Eastman-whipstock 、Baker公司的改进，在结构和性能上都有很大的改变和提高。
国内螺杆钻具的技术水平与国外差距很大，主要是因为国内螺杆钻具缺乏专业研究人员，没有完整的设计理论，在很大程度上是对国
外螺杆钻具的模仿。另外国内试验条件差，室内模拟试验设备差，由于钻井公司与螺杆钻具生产厂家分立，现场试验、信息收集等工作难以进行，这些都制约者螺杆钻具技术的发展。目前国内螺杆钻具寿命
＂（φ172）以下螺杆钻具质量一般在100～200小时之间，但是63/
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很不稳定，好的用到200小时以上，差的只用70～80小时。国内螺杆钻具在结构上差别不大，都发展了可调弯壳体螺杆钻具，象大港油田中成公司的挠轴万向轴配可调弯壳体螺杆钻具已经出口国外和进军国内海洋市场，与国外螺杆钻具相比虽然寿命稍短但在性能方面与国外钻具差别不大。国内螺杆钻具也已形成规格化、系列化，钻具从φ60～φ244各种规格，配有可调弯壳体、可换扶正器，能够满足国内各种修井、钻井作业。我国螺杆钻具存在的主要问题是传动轴窜轴现象严重，有断轴现象，万向轴磨损快，马达功率衰减快，脱胶、掉块现象时有发生，还不能杜绝钻具掉井事故的发生。
螺杆钻具的发展趋势
螺杆钻具发展到今天，逐步向长寿命、多元化、专业化方向扩展、一些专用螺杆钻具在特殊领域具有重要的使用价值，使螺杆钻具的优越性体现得更加完美，使螺杆钻具钻井更加经济有效。螺杆钻具在全球的发展方向主要体现在以下几个方面:
1、长寿命螺杆钻具，螺杆钻具的长寿命是钻井作业所追求的目标，螺杆钻具寿命的提高，将减少起下钻作业，缩短建井周期，大大降低钻井作业成本，特别是在井深井和海洋钻井中，螺杆钻具的寿命提高提高一倍，其节约的成本将是5倍以上的钻具价格，在我国以
5000米深井为例，起下钻作业一次需要一天时间，直接费用在陆地为5万元左右，而在海洋钻井一天的费用将达到30万元，因此各螺杆钻具生产厂家都把提高螺杆钻具整体寿命作为研究的重点。经过几十年的研究，螺杆钻具的寿命从最初的30～40小时到目前的200～300，为提高整机寿命，螺杆钻具的结构不断的改进，新的工艺不断的被用于螺杆钻具的生产，体现在螺杆钻具的马达总成、万向轴总成、传动轴总成上都有多方面的改进。在马达总成上通过改进定转子啮合线形来提高马达的效率，改善马达定转子的啮合状况，可有效的降低马达功率的衰减速度，延长马达的使用时间。在起初螺杆钻具马达啮合的线形多采用普通内摆线等距曲线及其共轭曲线，由于其采用衬套橡胶的“大变形”来消除啮合中的干涉现象，使衬套橡胶的寿命下降，螺杆钻具的效率降低，后来研究发现，以短幅内摆线的外等距曲线作为衬套的原始啮合曲线，其共轭曲线作转子齿型曲线更加合理，试验证明改进的曲线可使马达的效率提供5％，寿命提高20％。随着数控机床的发展，加工手段不断提高，研究者们还发现许多更优的啮合曲线。随着橡胶技术的发展，高性能的橡胶不断的被用在螺杆钻具定子上，螺杆钻具定子橡胶多采用丁腈橡胶（NBR），配方经过不断的改进，距有关资料介绍用氢化高饱和丁腈橡胶作定子橡胶可使螺杆钻具的性能有很大提高，目前还有采用混炼胶橡胶技术来作为螺杆钻具专用橡胶的。总之橡胶的强度、（抗撕裂、抗挤压）、抗疲劳老化、与金属的粘接强度的提高都能提高马达的寿命进而提高整机寿命。在马达转子方面人们通过不断地改进加工制造工艺提高转子的耐磨性、耐腐蚀
性从而提高转子寿命，先后出现电镀转子、喷涂碳化钨转子等，其中碳化钨转子在盐水饱和泥浆中具有普通电镀转子不可比拟的优越性。在万向轴结构方面也有很大的改进，原来的花瓣式传动轴寿命在100～120小时之间，后来贝克公司开发出球铰接万向轴，安纳聚尔公司开发出销联接万向轴，由于它们采用油密封结构，改善了润滑条件，变滑动摩擦为滚动摩擦，减小了磨损速度从而把万向轴的寿命提高到200～300小时。这两种结构迅速得到推广，我国很快也出现了这两种结构，其中渤海石油机械厂的螺杆钻具万向轴已经全部采用密封球铰接结构。另外还有一种采用钛合金挠性轴作为，寿命可超过300小时，但由于其价格昂贵只再可调螺杆钻具等重要钻具中应用，从大港油田中成公司螺杆钻具应用的经验看这种结构简单可靠、寿命长，很有利用价值。为改善万向轴受交变应力的状态，人们还利用从薄壁中空转子上端固定的挠性轴直接与传动轴相连代替万向轴，这种结构不仅提高万向轴寿命，而且横向震动较小，稳定性好。在螺杆钻具四大总成中传动轴总成是螺杆钻具结构中零件最多的部分，也是提高寿命最难的部分。为提高其寿命，除改进其结构外，对其关键件串轴承需要重点突破。（除迪纳钻具仍然采用碟簧式传动轴总成外，大多数钻具都采用串轴承式结构）。在提高寿命上,人们采用油密封结构改善传动轴串轴承的润滑条件，这种结构采用带有补偿密封结构使串轴承用油润滑而不用泥浆润滑，使其不受泥浆中固相颗粒的研磨，从而提高使用寿命。Dyna-Drill公司的技术人员则成功的研制出硬对硬的PDC止推轴承用于F2000型螺杆钻具，使用寿命可达230～250
小时。我国的螺杆钻具寿命之所以徘徊在100～150小时，很大程度上受到传动轴寿命短的影响。
2、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钻头的钻进、能够有效地延长钻头的使用寿命和增加机械钻速。这种性能的螺杆钻具可通过多种结构来实现，目前典型的结构有3种，第一种是多级马达，普通马达的级数一般为3.5级，采用增加马达的级数可以将马达的级数增加为4。5、6级甚至8级，当然这种马达的长度也随之级数的增加而增加，这将会造成螺杆钻具造斜率的降低。这种结构简单可靠，运用较为普遍。第二种是采用串联多级马达形式，把两节串联的马达用挠性轴连接起来，使马达的输出扭矩和功率增加。第三种采用多头螺杆，实现低速大扭矩的性能。螺杆马达定转子的头数越多，其低速大扭矩的特性越突出，但是这种结构的效率较低，以常规5/6头马达机械效率为50％，而9/10马达整机效率仅为35％，1/2头马达效率可达85％，加拿大的DRECO公司生产TRGDRIL型螺杆钻具由单头螺杆与行星齿轮减速器和支撑节组成，从而实现低速大扭矩。
这类螺杆钻具存在的问题是随着马达扭矩的增加，万向轴、传动轴承担的负荷也相应增加，这就加大了对传动部件的强度要求，对整机寿命也是一种考验，国内外都在对此进行研究，寻求一种突破，解决有传动部件造成的瓶颈环节。
3、带分流嘴的中空转子螺杆钻具，这种螺杆钻具的转子做成空心的，在上端装有喷嘴，这样流过钻具马达的泥浆一部分通过螺杆衬
套幅驱动转子转动，另一部分则从转子中央直接流过马达，形成分流，这可使泥浆的流量范围扩大50％，使泥浆排量受螺杆钻具的限制最小，这在需要同时洗井和喷射钻井作业中显得特别重要。这种螺杆钻具还可通过更换不同直径内孔的分流嘴来调节马达流量，合理的控制转速。北京石油勘探开发研究院研制的带有稳流阀的中空转子（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的利用率，）使螺杆钻具在具有良好的软特性的同时仍具有好的硬特性。
4、铰接式螺杆钻具的应用，随着老油井改造挖潜，为提高采收率，侧钻短半径水平井不断增多，铰接式螺杆钻具作为短半径水平井的有力工具最近得到迅速的发展应用。这种钻具通过可在5°范围内弯曲活动的铰接体连接两个螺杆马达，两转子内部靠高强度万向节传递动力，这种结构使它的造斜率可达3°～10°。目前这种能够生产铰接马达的国外公司有美国East-Whipstock、德国Preussag美国Sperry Sun等，我国石油勘探开发研究院也自行研制出JLZ－120铰接肘链式马达、大港油田中成公司也能够生产5lz95X7Y、5lz120X7Y 铰接式马达。
5、可调角度外壳、可换扶正器螺杆钻具
根据钻井作业地要求，在不同的井段需要不同弯度的螺杆钻具，这样势必要准备几种不同结构弯角的导向钻具，这样无形中增加了井队的工具储备量，导致钻井成本的增加，因此钻井作业需要一种弯度可以调节的螺杆钻具，可调弯壳体螺杆钻具应运而生，它的结构组成
包括一个上壳体、弯下壳体、双公扣短节、调整滑套，通过旋转弯下壳体改变其与上壳体的相对角度来实现工具角度变化。目前可调弯壳体的角度的变化范围是从0°～3°。井口可调的螺杆钻具有两种，一种是靠螺纹联接定位的无级可调弯壳体，另一种是靠牙嵌定位的有级可调弯壳体，无级可调弯壳体调整不如有级的精确方便，但由于有级可调弯壳体加工不便而没有推广开来。目前国外大的螺杆钻具生产厂家都能生产可调角度螺杆钻具，我国几大螺杆钻具生产厂家也都能生产可调角度螺杆钻具，大港油田中成公司可调弯壳体配以挠轴万向节的独特结构以其调整精确寿命可靠的优点，不断的进入海洋市场并出口国外。随着该项技术的发展，国外更出现了井下可调的螺杆钻具，但由于其研制生产技术难度大，成本高，没有得到推广。与可调弯壳体配套出现了可换扶正器（稳定器）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。
6、安全性结构设计，
在超深井和大位移斜井及水平井中，为减少井下事故的发生，提高螺杆钻具的安全可靠性是非常必要的，这也是螺杆钻具质量稳定性的重要体现。一旦螺杆钻具落井造成事故，就必须起钻打捞甚至造成填井和报废，损失是极大的。因此在钻具的设计上，人们更加注意其安全可靠性，在关键件材料选择上选用优质材料，增加探伤检验和必要的理化检验。在结构上增加防掉结构，使马达转子、万向轴、传动轴在断裂时不致掉井形成落鱼，在中空转子上用性能可靠的过渡接头代替旁通阀，有效地避免了因旁通阀关闭不上造成马达不转的危险。
7、带近钻头测量仪的螺杆钻具：
常规的随钻测量仪装在螺杆钻具上方无磁钻铤内，螺杆钻具的长度加上无磁钻铤的长度通常有十几米，因此实际测出的数据（井深、井斜角、方位角滞后与钻头，给定向造成很大的不便，笔者曾遇到因MWD工具面定反，钻进十五米后才发现形成反扣现象，如果能够设计出近钻头测量仪，则不会有这种现象发生，近钻头测量仪可以更准确地描绘井眼轨迹，使定向造斜更精确。
8、直井钻进用螺杆钻具
为降低的钻井作业成本，人们更加追求快的机械进尺，缩短建井周期，于是螺杆钻具＋PDC复合钻进得到推广，成为未来的发展趋势。实践证明螺杆钻具＋PDC复合钻比常规转盘钻有许多优点：①大幅度提高机械钻速，节约成本，②减少钻柱和套管的磨损、断裂。③有效传递钻压，便于钻进过程控制。④快速通过复杂地层，提高钻井质量。
⑤有效控制井斜，减少单点测斜次数。⑥减小污染，延长油井寿命2～3年。因此设计适合直井钻进的螺杆钻具满足钻井工艺的需求是十分必要和迫切的。
9、取芯用螺杆钻具
为满足地质勘探需要，国际近期开发出取芯用螺杆钻具，德国已研制出螺杆钻具取芯系统（KIBM）,我国也很早就研制取芯专用螺杆钻具，只是都没有定型。近期我国大港油田中成公司和北京石油机械厂生产的取芯用螺杆钻具在中国大陆科钻1井中使用“绳索取芯＋螺杆马达＋液动锤三合一”技术取得了很好的效果。
10、特殊井用钻具：深井、高温井用螺杆钻具、欠平衡用泡沫钻具。为了使螺杆钻具的适用范围不断扩大更好的发挥螺杆钻具的优点，人们还研制出针对深井、高温井的耐温150℃的螺杆钻具高温橡胶，为满足欠平衡井、油气井开采的需要研制出空气、泡沫驱动钻具。
我国目前石油勘探开发的钻井技术是以转盘钻井为主，但是随着石油工业向条件恶劣的西部沙漠地区转移以及注重东部老油区内部挖潜和一些非常规油气藏的开发，定向井、丛式井和水平井的数量不断增加以及普通直井快进技术的发展，为螺杆钻具的发展提高了机遇，同时对螺杆钻具的结构、性能和使用寿命的要求也在提高。我国螺杆钻具的经过十多年的发展虽然取得了一定的成果，但在工作寿命、安全性、设计技术和加工手段与国外有很大的差距，我们应结合国内外钻井技术的发展提高研发能力，重视实验设施建设，与钻井公司相结合发挥集团优势，逐步向多元化、专业化方向发展，提高螺杆钻具的适应性和寿命，为钻井工艺的发展提供强有力的工具保障。
DT螺杆钻具使用说明书 A螺杆钻具标识说明 □□×□□--□□□□□ 钻具型式-钻具规格(外径mm)×钻头压降-改进次数— D:单弯钻具 T:同向双弯钻具 S:异向双弯钻具 P:大偏移同向双弯钻具 J:绞接钻具无:直型钻具K:可调角度钻具无:固定弯角钻具W:带稳定器钻具无:不带稳定器钻具F:中空分流钻具无:不分流钻具G:允许最高工作温度(150o) 无: 允许最高工作温度(120o) 常规螺杆钻具主要由以下部件组成: 1)旁通阀总成2)马达总成3)万向轴总成4)传动轴总成 在常规螺杆钻具的基础上还可提供以下特殊用途部件以组成满足各种钻井需要的导向螺杆钻具: 1)定向接头;2)弯接头;3) 特殊马达(中空分流`耐高温`大功率马达);4) 万向轴弯壳体 (0-3.5o间的固定角度,单弯螺杆钻具用);5) 可调角度弯壳体(可调螺杆钻具用);6) 传动轴上轴承壳稳定器(直棱`螺旋或对称`非对称及垫块等形式);7)可换稳定器(部 分型号有);8) 壳体防掉装置(根据需要有)。 Ｂ螺杆钻具工作原理 螺杆钻具是一种容积式井底马达（ＰＤＭ）。高压钻井液由钻杆进入螺杆钻具后，液体的压力迫使转子旋转，从而把扭矩传递到钻头上，达到钻井的目的。 Ｃ螺杆钻具结构及其作用 2)螺杆钻具主要部件如下：旁通阀总成；马达总成；万向轴总成（有花瓣式和挠轴 式两种结构供选择)；传动轴总成；导向总成（花瓣式｀挠轴花瓣式｀可调式三种 结构供选择)。 c-1旁通阀总成 旁通阀总成安装在螺杆钻具的最上部，其作用是：a）下钻时使钻井液进入钻柱内从而减少下钻阻力；b）起钻时使钻柱内的钻井液流入环空从而避免钻井液溢于井台。 当泥浆泵启动后，高压泥浆流经旁通阀总成，推动阀芯向下运动，压缩弹簧，关闭旁通孔,使所有泥浆都流经马达。 当泥浆泵关闭后，阀芯在弹簧的作用下向上运动，开启旁通孔,允许钻井液通过旁通孔进入钻柱内或由钻柱流入环空。 c-2马达总成 马达总成是螺杆钻具的核心，它的作用是把高压液体能转换为旋转的机械能。 马达总成由定子和转子两部分组成。 定子是内衬橡胶的金属钢管，其内孔呈螺旋状，与转子相啮合形成密封腔。 转子是由合金钢加工而成的具有特殊曲面的螺旋杆，它的表面有特殊的涂层以起到耐磨和防腐作用。 每种规格的螺杆钻具都具有一定范围的额定流量，流量过大或过小均不能使螺杆钻具处于最佳工作状态。 ｃ－３万向轴总成 万向轴总成的作用是把转子的行星运动转换为传动轴总成的定轴转动。它把马达和传动轴联成一体并把马达提供的转速和扭矩传递给传动轴和钻头。
新型螺杆钻具的研发及发展方向摘要 由于目前国内螺杆钻具制造技术水平的限制，再加上使用操作不当，造成螺杆钻具井下事故频发，由此带来了较大经济损失。因此，如何采取有效的预防措施，最大限度地减少螺杆钻具井下事故发生，既是提高钻井经济效益的迫切要求，也是充分利用螺杆钻具潜在寿命的重要前提。本文系统分析了螺杆钻具的发展方向，并对螺杆钻具有关实际问题提出了有益的建议。 关键词：螺杆钻具；发展现状；新型螺杆钻具；发展方向；研发建议 1螺杆钻具结构及工作原理 螺杆钻具主要由四大部件组成：旁通阀总成、马达总成、万向轴总成及传动轴总成，如图1所示。其外部由旁通阀接头、马达壳体、万向轴壳体及传动轴壳体通过锥管螺纹依次相连，内部连接顺序是：马达转子的下端与万向轴相接，万向轴的下端与传动轴相接。 图1 螺杆钻具四大部件 旁通阀总成位于马达总上端，当下钻时，钻柱内腔与钻柱外环空相通，钻柱外环空的钻井液进入钻柱内腔，起钻时，钻柱内腔的钻井液进入钻柱外环空，起到平衡钻柱内外压力平衡作用。 马达总成是螺杆钻具的核心机构，也是螺杆钻具的动力源。马达由转子和定子两个部件组成，从马达的一端流到另一端时，推动转子在定子中转动，将液压能转换为机械能。螺杆钻具的转子头数越多，转速越低，扭矩越大；头数越少，转速越高，扭矩越小。
万向轴总成主要有万向轴和万向轴外壳组成。万向轴总成的作用是把转子的行星运动转换为传动轴总成的定轴转动。它把马达和传动轴联成一体并把马达提供的转速和扭矩传递给传动轴及钻头。 传动轴总成是位于螺杆钻具的下端，传动轴总成的作用是将马达产生的旋转动力传递给钻头。 螺杆钻具以钻井液（或压缩气体）为动力，钻井液（或压缩气体）由钻杆进入螺杆钻具旁通阀总成后，使阀芯关闭，然后进入螺杆钻具马达总成，在马达进出口处形成一定压差推动马达的转子旋转，产生扭矩和转速，通过万向轴和传动轴总成传递到钻头上，达到钻井的目的。 2发展现状 美国在50年代中期开始研制螺杆钻具，1962年用于生产，不同厂家生产的有迪纳钻具、纳维钻具和波斯钻具，其基本原理都是基于容积式马达，只是内部结构和技术参数有不同。近十年来，随着水平井、径向井、分支井的大量涌现，螺杆钻具的发展也产生了质的飞跃，在美国和西欧，几乎90%的大、中曲率半径水平井的定向造斜和水平井段都是由螺杆钻具钻成，目前已发展出许多新型的专用螺杆钻具。 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，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级或6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也只处于起步阶段。 3新型螺杆钻具简介 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。 （一）串联多级马达 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，但其需要的驱动量、转速与单一动力段马达是一样的，设计与制造材料方面的改进，使串联马达具有极好的耐用性。 （二）加长马达 加长马达就是把动力段加长，使马达的输出扭矩增加。加长马达装备有改进的加强的轴承组合，设计时用有限元分析法评估了各部分的性能，从而能满足输出大扭矩、高负载的需要。 （三）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
钻井新技术介绍 交流材料 编写人：刘修善刘月军 华北石油管理局钻井工艺研究院 2001年11月
目录 一、水平井钻井技术·····························································································２ 二、分支井钻井技术·····························································································５ 三、大位移井钻井技术···························································································８ 四、地质导向钻井技术······················································································１１ 五、深井超深井钻井技术 ··················································································１４ 六、欠平衡钻井技术··························································································１８ 七、小井眼钻井技术··························································································２１ 八、连续油管钻井技术······················································································２４
螺杆钻具 使 用 说 明 书 江苏长城石油装备制造有限公司 https://www.doczj.com/doc/1f11815680.html, 手机：137 **** ****
螺杆钻具使用说明 一、结构及原理： 螺杆钻具主要由旁通阀总成、马达总成、万向轴总成和传动轴总成四部分组成。钻具通过转子和定子将高压液体的能量转变成机械能，当高压液体通过钻具内孔进入钻具后，旁通阀关闭，从而进入转子与定子形成的各个密封腔，液体在各腔中的压力差推动转子沿定子的螺旋通道滚动，转子在沿自身轴线转动的同时，还绕与转子轴线平行，并与一偏心距的定子中心线公转，这就是所谓的螺杆钻具的行星传动原理，由于转子和定子都采用反向螺旋线，因而转子绕定子轴线作逆时针转动，并以自身轴线作顺时针转动带动钻头旋转。钻具的输出扭距与高压液体流经马达的压力降成正比；输出转速与输出排量成正比。 1.1旁通阀总成： 旁通阀由阀体、阀芯、阀套、弹簧及“O”圈组成，其作用是在起下钻时沟通钻柱内外工作液通道，当无循环时，弹簧使阀芯处于原始位置，此时旁通孔道开启，当泥浆排量达到一定值时液压力克服弹簧力，使阀芯移动，此时旁通孔封闭，泥浆流进马达，如果停泵，弹簧再将阀芯顶回到原来位置旁通孔道又被开启，使钻柱内与环空中的工作液连通。 1.2马达总成： 马达为多级容积式马达，由定子和转子组成。定子是优质合金钢外壳和内衬橡胶组成，橡胶内腔为左螺旋面型腔，具有耐油、耐磨、耐高温（定子安全工作温度－29~120℃、－29~150℃）；转子经热处理无应力的合金钢制成，表面镀了一层硬铬，以防钻井液体的
磨损及腐蚀。转子与定子型腔组成许多连续的互不相通的密封腔，当工作液进入马达时，工作液的液能转变为机械能，在转子的螺旋曲面上形成动力距，迫使转子在定子内作行星运动。 1.3万向轴总成： 万向轴部件由万向轴壳体和万向轴组成，壳体的上下端分别与马达定子与传动轴壳体相连接，万向轴上下端分别与马达转子、传动轴相连接，主要作用是将马达产生的扭距和转速传递给轴承总成的传动轴及钻头，它将转子的行星运动转变为传动轴的定轴转动，万向轴经特殊加工而成，使驱动更圆滑，恒速而摩擦更小，振动更小，这一结构形式有效地完成了能量、运动的转换、能量的传递这三个重要环节。 1.4传动轴总成： 螺杆钻具主要部件之一。外壳体上端和万向轴壳体相连，传动轴导流水帽与万向轴相连，下端接钻头。多列推力球轴承承受钻压引起的轴向载荷。用硬质合金烧结而成的径向轴承，分别装在传动轴体的上下两端，用来承受钻具偏斜力距造成的径向载荷。 由马达排出的大部分泥浆通过传动轴内孔经钻头水眼喷出，以利冷却清洗钻头而另一部分泥浆通过上下径向轴承和多列推力球轴承组从传动轴外侧流出，冷却和润滑轴承系统。 二.规格及技术参数： 2.1系列钻井钻具规格及参数： 表一
螺杆钻具排量的计算： 在井下动力钻具中 ，钻井液总是子上而下刘静马达的，而钻头的工作旋向有总是顺时针旋转，因此，单螺杆钻马达的的转子和定子的旋向是左旋的。钻头的转动来自转子的自转。转子自转r=h N N z )1(+2π，密封线下移z ，由此可求出转子的自转一周密封线的下移距离H ： H z r π2= 可求的 H=N(N+1)h （1-27） 或 H=NT s =（N+1）T r （1-28） 若以A s 表示定子线性包容的面积，A r 表示转子线型所包容的面积。择流过的面积A G 为 A G = A s -A r (1-29) 螺杆马达的每转排量q （即当钻头旋转一周，流过马达的液体量）为 q=A H （1-30） 将式子（1-28）（1-29）带入（1-30）可得到： q= A G NT s =（ A s -A r ）NT s 可见每转排量去、纯粹是一个几何量，它与马达的线型、头数和定子导程有关，式子（1-30）是一个通式。对单头马达，令N=1，结合图1-7.图图1-19、图2-22中的有关参数，可写出 A r = πR 2 A s = πR 2+4eD r =πR 2 A G = A s -A r =8eR= 4eD r T s =2h 可得出q=16eRh 螺杆马达理论扭矩和转速的计算： 若设钻头的输出转矩为M ，马达入口与出口的钻井液压力差为p ?，忽略马达及钻具传动轴等部件的摩擦，那么，由马达吸收的水马力与其输出功率相等，既 ??p q=M ·2 π 则 M=s r s NT A A p )(2-?π 由此同时很容易有每转排量q 和输入体积流量Q 求的无水利损失下的转速，即理论转速 q Q n t 60= 螺杆钻具轴向力的计算： 多线单螺杆钻具螺杆上作用的轴向力，是由于液压降所产生的轴向力和啮合力的轴 向分量之和，数值是很大的。精确的计算螺杆工作时所承受的轴向力以正确的选择支承， 是提高单螺杆钻具的使用寿命、工作可靠性及能量指标的重要条件之一。 图 1.3 中给出单螺杆钻具和螺杆上作用轴向力的简图(略去螺杆本身重量的影响)。
国内外螺杆钻具的应用及发展趋势 大港油田中成机械制造有限公司 王春阳 吴爱民 李良君 摘要 本文综述国内外螺杆钻具的近十多年来的行业水平及未来发展趋势，介绍了该技术的进展，基础理论与应用，介绍了国内外对螺杆钻具的设计制造技术水平，论述螺杆钻具的发展趋势，提出我国螺杆钻具研究方向。 主题词 螺杆钻具 发展趋势 设计 应用 螺杆钻具的工作原理 螺杆钻具是利用莫依诺原理以油基泥浆、浮化泥浆、及粘土泥浆等作动力液，把液体压力能转换为机械能的一种容积式井下动力钻具。当泥浆泵产生的高压泥浆流经旁通阀进入马达时，转子在压力泥浆的驱动下绕定子的轴线旋转，马达产生的扭矩和转速通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业。 螺杆钻具由四大部分组成：旁通阀总成、马达总成、万向轴总成、传动轴总成。旁通阀总成作用是通过其开启和关闭控制泥浆流向，从而控制马达的启动和停止，同时在起下钻时不使泥浆溢于井台。马达总成一对由钢制左旋的转子螺杆在钢管内附着的橡胶衬套中共轭啮合形成的螺杆衬套幅，泥浆的压力推动转子转动，从而把压力能转换为机械能。万向轴总成的作用是将转子的偏心运动转换成传动轴的定轴运动。传动轴总成的作用是把万向轴传递过来的马达动力传递给钻头，实现破碎岩石作业。 螺杆钻具的应用
目前钻井用井下动力钻具有螺杆钻具、涡轮钻具、电动钻具三种，螺杆钻具具有良好的“硬特性”：转速随着钻具扭矩的增加而下降很少，同时又具有良好的“软特性”即通过橡胶的变形漏失泥浆来起缓冲、减震、过载保护的作用。螺杆钻具以其良好的功率特性使它取代涡轮钻具成为最广泛使用的一种井下动力钻具，它与传统的转盘带动钻杆钻进相比有许多优点 1、它可以增加钻头转数和钻头扭矩因而增加进尺率，缩短钻井周期。 2、井底直接提供动力，减少了钻杆底磨损和损坏。 3、可准确的侧钻、造斜、定向、纠偏。 4、可钻定向井、水平井、丛式井，显著提高钻井的经济效益。 螺杆钻具的应用市场非常广阔，随着高产井的开发、后期井的再生利用，薄油层的开采及土地资源政策的制约，定向井得到极大的推广，对螺杆钻具的需求不断增大，东亚、欧美地区许多油田进入后期开采需用定向井。中东及海湾地区多在老井的基础上侧钻丛式井以增加开采量，这都要采用定向井工艺，另一方面随钻测量系统（MWD）、聚晶金刚石钻头（PDC）制造技术的提高，使导向钻井系统日臻完善，也使定向井工艺得到长足的发展并得到大力推广应用。因此螺杆钻具的市场不断扩大。国际上螺杆钻具的消费地区主要在中东富油地区及海洋石油钻井，主要的用途是定向、造斜、侧钻及打水平井。 国内外螺杆钻具的发展状况 美国50年代开始研制螺杆钻具，第一台工业井下马达则是1957
直井、定向井施工管理规程 一、现场工程技术服务管理规程 一）高边的测量规程： 1、高边的测量钻台上必须有三个以上人各自测量计算，相互核对无误后（正 负没有异议、数值没有异议）方可输入计算机；输入计算机后两个以上 的人进行第二次核对确认，没有异议后把测量的计算结果和原始记录写 到工作笔记上，并写在当日日报表上，两个工程师签字确认（带队工程 师量取高边时必须亲自测量） 2、MWD的内角差和外角差，量内角差的时候，仪器每个扣必须打紧方可测 量，必须两个以上的工程师把关。 3、内角差必须归零：操作规程：海蓝仪器探管一定要预热半个小时以上（特 别是冬天施工）：在测量内角差时，探管一定要远离野营房等强磁的地方。 4、时刻牢记并重视：高边可以从磁性到重力，也可以从重力到磁性。井斜 不同的情况下可以互相转换。 5、定向两根单根后值班工程师要及时对工具面和实际钻出井眼进行核对， 不能确认时可再钻进4-5m，再次测量确认。 6、MWD短节以下的钻具丝扣，用液压大钳5Mpa，紧扣两次，如果用PDC 钻头，必须在用双钳5道锚头绳进行第三次紧扣，最好是用钢丝绳紧扣。 7、上井螺杆的高边，在螺杆上井后两个工程师要进行目测（以防厂家出厂 刻度槽出错）。 8、量高边时：千万要分清高边（槽）和标记号（槽）的区别，切不可错量！！！ 9、小井眼高边测量时，由于钻具外径小，容易粘扣，钻具要按规程的上扣 扭矩紧扣，绝不能超过标准，为保证高边的准确性：要求把大钳在三个 不同的方向上按规定的扭矩紧扣两次（合计六次）从而确保高边的准确 和不会发生偏移。 10、每次起出钻具和下钻前都必须复合高边的角差，且钻具入井后人才 能离开钻台；并一定要检查非螺旋扶正器螺杆钻具扶正块是否发生偏移。 11、带队工程师量取高边时，必须在钻台上，只相信自己测量取得的数据， 而不能听从别人。
关于高效导向螺杆钻具的研究与应用的若干思考参 考文本 In The Actual Work Production Management, In Order To Ensure The Smooth Progress Of The Process, And Consider The Relationship Between Each Link, The Specific Requirements Of Each Link To Achieve Risk Control And Planning 某某管理中心 XX年XX月
关于高效导向螺杆钻具的研究与应用的 若干思考参考文本 使用指引：此安全管理资料应用在实际工作生产管理中为了保障过程顺利推进，同时考虑各个环节之间的关系，每个环节实现的具体要求而进行的风险控制与规划，并将危害降低到最小，文档经过下载可进行自定义修改，请根据实际需求进行调整与使用。 控制井眼轨迹中，实施滑动导向和复合钻进时，使用 一些经常用到的导向螺杆往往会发生钻头无法有效加载与 产生螺旋井眼的缺陷问题，这将直接的干扰了井眼轨迹的 控制成效，要想避免这些问题的发生，就必须采取高效导 向螺杆钻具进行。笔者根据自身工作经验，主要对高效导 向螺杆钻具的应用进行了一番分析研究。 高效导向螺杆钻具指的是在螺杆钻具驱动的地方安装 一种受螺杆钻具驱动旋转的窄带螺旋稳定器，共有以下功 能优势：在底部钻具组合中属于近钻头支点，能够使BHA 的滑动导向能力不断提升；布置近钻头与近满眼能够使井 壁更加的完善；进行滑动导向钻进时，近钻头稳定器会保
持一种旋转状态，其不会有太大的滑动阻力，有效防止了拖压问题的发生，优势之处众多。 近钻头稳定器结构设计及螺杆动力系统优化 1.1.近钻头稳定器结构设计 科学合理设计近钻头稳定器结构对于高效导向螺杆钻具利用率的提升具有重要作用，实际中应做好以下两方面：首先，要求稳定器处于旋转状态时应产生支点效应、具有较好的稳定性以及实现低的额外扭矩；其次，做好岩屑的排导工作。所以，稳定器应以螺旋过封闭扶正翼为首选，经过一周的旋转能使支撑外径处于稳定状态下，并且在旋转运行过程中具有较好的稳定性，不会产生大的额外扭矩。采用钻井液轴向流速与切向速度进行计算，知道了各种外径螺杆钻具过程中的扶正翼螺旋角与稳定器的全部泄流面积。同时，有效的将岩屑进行了排导。 1.2.螺杆动力系统结构优化
世界螺杆钻具研发新进展 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（图1）。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（Dyna Drill）公司，纳维钻具（Navi Drill）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
编号：SY-AQ-08560 ( 安全管理) 单位：_____________________ 审批：_____________________ 日期：_____________________ WORD文档/ A4打印/ 可编辑 螺杆钻具使用技术措施 Technical measures of screw drill
螺杆钻具使用技术措施 导语：进行安全管理的目的是预防、消灭事故，防止或消除事故伤害，保护劳动者的安全与健康。在安全管 理的四项主要内容中，虽然都是为了达到安全管理的目的，但是对生产因素状态的控制，与安全管理目的关 系更直接，显得更为突出。 1、螺杆到井后记录其型号、厂家、扣型；丈量其长度及外径；检查其水眼及丝扣，确保丝扣完好。螺杆上钻台要用双绞车抬上钻台，在起吊过程中，防止碰伤其丝扣。上扣时丝扣油涂好，扣要上紧，达到额定扭矩值。 2、下钻前螺杆在井口接方钻杆开泵检查旁通阀及传动轴，传动轴运转正常，旁通孔畅通，各连接螺纹完好；井口试运转，开泵后容易启动，旁通阀立即关闭，连接处无渗漏，停泵后旁通阀开启，传动轴逐渐停止转动，记录好泵压，检查完毕后开始下钻。 3、下钻时慢慢让螺杆通过井口、防溢管、防喷器、四通。下钻过程中控制好速度。离井底有一个单根时，提前挂好方钻杆开泵，井底循环好。确认钻头接触井底后，用10-20KN钻压磨合30分钟。磨合时间一定要充分，这对钻头的使用寿命很大的影响。 4、下钻遇阻时，应慢慢转动几个方向上提下放活动，不要轻易开泵，
不能用螺杆钻具长井段划眼。 5、磨合完毕井下正常后慢慢加压，加到80KN打完一根单根后，下一根单根将钻压加到180KN左右进行正常钻进，并视地层具体情况随时进行调整。 这里填写您的公司名字 Fill In Your Business Name Here
螺 杆 钻 具 使 用 规 程 一、螺杆钻具的选择 （1）根据井眼大小确定使用螺杆钻具的尺寸（见表1）。 （2）根据所施工井眼类型和所设计造斜率的大小来选用螺杆钻具类型：直螺杆、单弯、双弯（同向双弯和异向双弯），进一步确定其长度、弯壳体度数、稳定器外径及稳定器数量。 （3）用于复合钻进的弯壳体螺杆的度数应根据井眼尺寸的大小来定，只要所选弯壳体螺杆的弯曲点绕井眼轴线的公转半径R ≤φ/2（Φ为钻头直径mm ），就不会导致井眼扩大。R 的计算如下： 2/)]}cos /(sin [sin{arctan 1212d L L L L R ++=γγ 式中 R ：弯壳体的弯曲点绕井眼轴线的公转半径 mm L 1：钻头到弯曲点的长度 m L 2：弯曲点至其上第一个切点或至上稳定器的长度m γ：弯壳体的弯曲度数 ° d ：弯壳体外壳直径 mm （4）对于井底温度比较高的特殊井，选用耐高温的螺杆钻具（常规螺杆的耐高温指标为120°）。 (5)相同排量下，螺杆钻具马达转子的头数越多，自身转数越低，产生的扭矩越大,反之螺杆马达转子的头数越少，自身转数越高，产生的扭矩越小。如果使用螺杆的井段地层较软，应该选用头数较少，发挥螺杆高转速的特性，从而获得较高的机械钻速，反之，相对较硬的地层，尽量选择多头，从而保证井下有较大的扭矩，适应现场需要为原则。马达转子头数多少决定了该型
号螺杆的一个转速和扭矩的基本特征。而螺杆实际输出转数由马达头数的多少、螺杆马达的设计参数、实际输入流量、马达井下负载大小等综合因素决定。可以结合实际情况优选更适合现场的螺杆钻具。 表1 不同井眼尺寸对应的螺杆公称外径型号 二、螺杆钻具对钻头的要求
关于高效导向螺杆钻具的研究与应用的若干思考(新版) Safety management is an important part of enterprise production management. The object is the state management and control of all people, objects and environments in production. ( 安全管理 ) 单位：______________________ 姓名：______________________ 日期：______________________ 编号：AQ-SN-0482
关于高效导向螺杆钻具的研究与应用的若 干思考(新版) 控制井眼轨迹中，实施滑动导向和复合钻进时，使用一些经常用到的导向螺杆往往会发生钻头无法有效加载与产生螺旋井眼的缺陷问题，这将直接的干扰了井眼轨迹的控制成效，要想避免这些问题的发生，就必须采取高效导向螺杆钻具进行。笔者根据自身工作经验，主要对高效导向螺杆钻具的应用进行了一番分析研究。 高效导向螺杆钻具指的是在螺杆钻具驱动的地方安装一种受螺杆钻具驱动旋转的窄带螺旋稳定器，共有以下功能优势：在底部钻具组合中属于近钻头支点，能够使BHA的滑动导向能力不断提升；布置近钻头与近满眼能够使井壁更加的完善；进行滑动导向钻进时，近钻头稳定器会保持一种旋转状态，其不会有太大的滑动阻力，有
效防止了拖压问题的发生，优势之处众多。 近钻头稳定器结构设计及螺杆动力系统优化 1.1.近钻头稳定器结构设计 科学合理设计近钻头稳定器结构对于高效导向螺杆钻具利用率的提升具有重要作用，实际中应做好以下两方面：首先，要求稳定器处于旋转状态时应产生支点效应、具有较好的稳定性以及实现低的额外扭矩；其次，做好岩屑的排导工作。所以，稳定器应以螺旋过封闭扶正翼为首选，经过一周的旋转能使支撑外径处于稳定状态下，并且在旋转运行过程中具有较好的稳定性，不会产生大的额外扭矩。采用钻井液轴向流速与切向速度进行计算，知道了各种外径螺杆钻具过程中的扶正翼螺旋角与稳定器的全部泄流面积。同时，有效的将岩屑进行了排导。 1.2.螺杆动力系统结构优化 在对高效导向螺杆钻具的结构进行改造时，应切实保证螺杆钻具具有较高的动力输出能力及良好的使用寿命。总的来说，优化螺杆动力系统的结构时，应做到以下几方面：选择等壁厚定子工艺，
空气螺杆钻具 空气螺杆钻具研制、特性分析及现场实验与应用 作为新型的钻井技术，以空气钻井为代表的气体钻井和欠平衡钻井在国外油气勘探与开发中获得广泛应用，在国内也正呈快速发展趋势。空气螺杆钻具是应用这类新型钻井技术钻定向井及其他特殊工艺井所必需的工具。 一、概述 近些年来，气体钻井和欠平衡钻井在国外获得了比较普遍的应用，取得了显著的技术效益和重大经济效益。例如，在满足相应的前提下，气体钻井如空气钻井、天然气钻井、氮气钻井、尾气钻井等，可成倍提高机械钻速，明显缩短钻井周期，降低钻井成本；欠平衡钻井，则可对储层进行有效保护，有利于提高钻遇率和开发率。为推广和扩大空气钻井的应用规模，美国能源部曾规定2004年的空气钻井口数不低于本土总钻井口数的30%。 近些年来，我国也开始关注、尝试应用空气钻井技术，在一定规模上采用欠平衡钻井技术，取得了可喜的进展。随着对这些技术在直井上应用经验的逐步积累和日渐成熟，在定向井及其他特殊工艺井上应用这些技术，已成为必然的发展趋势，这将在很大程度上扩展气体钻井与欠平衡钻井的应用领域。 空气螺杆钻具(或称气体螺杆钻具)是用气体钻井或欠平衡钻井技术钻定向井及各类特殊工艺井的必需工具。但在2001年底以前，此类新型螺杆钻具产品在国内仍为空白。中国石油集团长城钻井公司在伊朗承担的空气钻井项目，急需?244(9-5/8?)的空气螺杆钻具，经与外商询价，每台价格在13万美元以上，无法承受，大批量的购买更无从谈起。为了解决生产急需和节约外汇，集团公司科技发展部考虑利用国内技术力量解决伊朗项目的现场急需，并为国内欠平衡钻井与空气钻井提供工具，决定成立“伊朗欠平衡钻井空气螺杆钻具研制”课题组，由中国石油勘探开发研究院钻井所和北京石油机械厂承担，并任命苏义脑为课题组长，组织攻关。 在2001年5月?2002年11月这一年半时间中，课题组克服了重重难关，终于完成了K7LZ120和K7LZ244两种系列的空气螺杆钻具样机的设计、制造、室内实验台架设计和空气钻井的有关理论研究工作，并于2002年7月进行了K7LZ120样机的地面实钻实验和2002年8月在长庆苏35－18井的下井实验，均取得成功。在此基础上，两台K7LZ244样机于2002年12月运往伊朗，在2003年10月下井应用获得成功。2004年7月在四川白浅－111H井上运用K7LZ120钻具钻天然气水平井，取得了显著的技术效益。 本文针对空气钻井的特殊性(特别是空气介质的可压缩性)，介绍空气螺杆钻具设计和研制中的几个关键问题，分析空气螺杆钻具的工作特性，并介绍K7LZ120和K7LZ244两种钻具在现场实验和生产应用中的有关情况。 二、空气螺杆钻具设计的关键问题 常规的螺杆钻具是以钻井液(俗称泥浆)作为传递动力的介质，由于液体的不可压缩性和容积式机械的特性，螺杆钻具具有很好的过载性能和硬机械特性。而空气螺杆钻具，由于以压缩空气作为动力源和工作介质，与常规液体驱动的螺杆钻具相比，其结构特征和工作特性有显著不同。下面简介有关空气螺杆钻具设计的几个关键技术问题。
1、螺杆钻具结构 螺杆钻具是一种把液体的压力能转换为机械能的能量转换装置,由旁通阀、马达、TC轴承、推力轴承、万向轴、传动轴和防掉装置等组成(如图1所示)。 当高压液体进入钻具时，迫使转子在定子中转动（定子和转子组成了马达），马达产生的扭矩和转速通过万向轴传递到传动轴和钻头上，达到钻井的目的。螺杆钻具作为井底动力装置，具有低转速、大扭矩、大排量等许多优点： 1．增加了钻头扭矩和功率，提高了进尺率。 2．减少了钻杆和套管的磨损和损坏。 3．可准确地进行定向、造斜、纠偏。 4．广泛应用于直井、水平井、丛式井和修井作业。 1.1旁通阀总成 旁通阀由阀体、阀套、阀芯及弹簧等部件组成(如图2所示)。
在压力作用下阀芯在阀套中滑动，阀芯的运动改变了液体的流向，使得旁通阀有旁通和关闭两个状态：在起、下钻作业过程中，阀套与阀体通孔未闭和，旁通阀处于旁通状态，使钻柱中泥浆绕过马达进入环空；当泥浆流量和压力达到标准设定值时，阀芯下移，关闭旁通阀孔，此时泥浆流经马达，把压力能转变成机械能。当泥浆流量值过小或停泵时，弹簧把阀芯顶起，旁通阀孔处于开启位置--处于旁通状态。 1.2马达总成 马达由定子、转子组成。定子是在钢管内壁上压注橡胶衬套而成，其内孔是具有一定几何参数的螺旋；转子 是一根有硬层的螺杆 (如图3所示) 。
转子与定子相互啮合，用两者的导程差而形成螺旋密封腔，以完成能量转换。 马达转子的螺旋线有单头和多头之分。转子的头数越少，转速越高，扭矩越小；头数越多，转速越低，扭矩 越大。仅以转子与定子啮合头数为5：6和9：10的截面参考。(如图4、图5所示)。 马达中一个定子导程组成一个密封腔（一级）。每级额定工作压降约0.8MPa～1.1MPa。压降超过最大压降值，马达就会产生泄漏，转速很快下降，对马达也会造成损坏。 为了确保密封效果，转子与定子之间的配合尺寸与不同井深、井温有关。 在选择钻具时应按不同井况选用不同型号马达。 现场使用的泥浆流量应在推荐的范围之内，否则将影响马达效率，甚至加快马达磨损。 马达的输出扭矩与马达的压降成正比，输出转速与输入泥浆量成正比，负载的增加，钻具的转速有所降低。 1.2.1中空转子马达 中空转子可增加钻头液压动力和泥浆上返速度，马达的总流量等于流经马达及转子喷嘴的总和，流经该马达 的液体流量过大，马达将停止转动。因此选择中空转子马达时，应确保马达密封腔流量在正常工况。 1.2.2喷嘴直径选取 在泥浆密度、喷嘴尺寸和马达流量一定时，起钻时马达负载近似为零，流经转子喷嘴流量最小，而流经马达
高效导向螺杆钻具的研究与应用 在井眼轨迹控制过程中，进行滑动导向与复合钻进时，利用常规导向螺杆会出现钻头加载困难以及形成螺旋井眼的问题，从而对井眼轨迹的控制效果产生影响。为解决该问题,以前用过宽带的直棱和螺旋稳定器,本文特针对导向螺杆的结构做了改进与创新，准备在螺杆钻具驱动头位置设计带宽很窄螺旋稳定器。本文就针对改进后的导向螺杆钻具进行讨论。 关键词：导向螺杆；井眼轨迹控制；钻具 一、高效导向螺杆钻具 由于利用常规螺杆会出现钻头加载困难、形成螺旋井眼等问题，因此对其进行结构创新，即在螺杆钻具驱动位置设计一种受螺杆钻具驱动旋转的窄带螺旋稳定器，其主要作用包括：首先，作为底部钻具组合的近钻头支点，从而有效的提高BHA的滑动导向能力；其次，近钻头近满眼设计可以修正井壁；最后，滑动导向钻进过程中，近钻头稳定器处于旋转状态，与常规的导向螺杆钻具相比，近钻头稳定器的滑动阻力更小，所以拖压问题即可得到彻底解决。这种导向螺杆的结构变化使得钻井过程中BHA的力学特征发生了改变。 二、高效导向螺杆钻具的承载能力 改变了高效导向螺杆钻具的结构，相应的就会改变钻进过程中螺杆钻具的受力特征。传动轴是轴力与扭矩的核心承载部件，其有着十分复杂
的受力特征，也是螺杆钻具中最薄弱的环节，所以要对其强度特征做全面分析，并提出结构优化方案。下面以172mm高效导向相钻具为例进行分析。 （一）传动轴强度的计算模型 下图1为172mm高效导向螺杆钻具的传动轴结构参数与边界条件： 图中各段的长度分别如下：L0=500mm、L1=180 mm、L2=420 mm、L3=400 mm、L4=360 mm；传动轴的外径尺寸为80 mm。可以通过ANSYS软件进行螺杆钻具几何模型的建立，并划分网格。钻头左端固定，传动轴联轴器部分铰支，对Y方向的自由度加以约束。以螺杆钻具轴向载荷传递特征为参照，将轴向均布载荷q加载于图中所示台阶面上，再以传动轴的工作原理为基础，分别将径向均布线载荷q1与q2施加于图中轴上对应的位置，传动轴右端施加扭矩。利用solid1858节点实体单元划分网格。3575个节点以及15853个四面体单元组成整个模型，传动轴弹性模量：210 GPa；泊松比：0.25；密度：800 kg/m3。结合BHA 的结构与实际工况将钻头侧向力与扭矩计算出来，即可取得上文所提的分布载荷。 （二）传动轴的应力计算与分析 通过ANSYS系统可以将传动轴受到外载与约束作用状态下的应力分布计算出来，从计算结果可知，最大应力值为434 MPa，发生在传动轴过渡截面处。针对不同外径计算其最大应力值，从计算结果可以得知，
流量： 1加仑/分（gpm）=0.063升/秒（l/s） 1升/秒（l/s）=15.873加仑/分（gpm） 压降： 1磅/平方英尺（PSI)=0.00689Mpa（兆帕） 1兆帕（Mpa）=145.14磅/平方英寸（PSI） 1Mpa=106 N/m21磅=453.59克 扭矩： 1牛.米（N.M）=0.7380磅.英尺（b.ft） 1磅.英尺(b.ft)=1.355牛.米（n.m） 功率 1英制马力（HP）=0.7457千瓦（KW） 1千瓦（KW）=1.341英制马力（HP） (1HP=550英尺.磅/秒) 1KW=102Kg.m/s 1英制马力（HP）=1.0139米制马力（已废除） 钻压：（lbf） 1磅力（lbf）=453.59X10-6吨（t） 1吨（t）=2.205X103磅力（lbf） 长度： 1英尺ft=0.3048米（m） 1米（m）=3.28英尺（ft） 重量 1磅（bm）=0.45359千克（Kg） 1千克（Kg）=2.205磅（bm） 密度 1磅/立方英尺（pcf）=0.016克/厘米3（g/cm3） 1克/厘米3（g/cm3）=62.5磅/立方英尺（pcf） 温度： 5（t°-50）=9（t℃-10） 1华式=9/5摄氏+32 1摄氏=（5华式-160）/9 冲数与排量的转换 已知：冲数N次/分 求排量= N X 3 X π/4 D2X H X 10-3 X 90% 60 单位为: l/s 其中：D为缸套直径（cm）H为缸套长度（cm）90%为功率系数（经验值）公式为三缸单作用泵的排量 材质的硬度单位：肖氏HS 布氏HB 洛氏HRC 维氏HV 里氏HL HRC=HB/10-3 HS=HB/10+12
钻井新技术及发展方向分析 1 钻井技术新进展 1.1石油钻机 钻机是实现钻井目的最直接的装备,也直接关系到钻井技术进步。近年来,国外石油钻机能力不断增强,自动化配套进一步完善,使钻机具备更健康、安全、环保的功能,并朝着不断满足石油工程需要的方向发展。主要进展有: (1) 采用模块化结构设计,套装式井架,减少钻机的占地面积,提高钻机移运性能,降低搬家安装费用。 (2) 高性能的“机、电、液”一体化技术促进石油钻机的功能进一步完善。 (3) 采用套管和钻杆自动传送、自动排放、铁钻工和自动送钻等自动化工具,提高钻机的智能化水平,为提高劳动生产率创造条件。 1.2随钻测量技术 1.2.1随钻测量与随钻测井技术 21 世纪以来, 随钻测量(MWD) 和随钻测井(LWD) 技术处于强势发展之中,系列不断完善,其测量参数已逐步增加到近20种钻井工程和地层参数,仪器距离钻头越来越近。与前几年的技术相比,目前,近钻头传感器离钻头只有0.5～2 m 的距离,可靠性高,稳定性强,可更好地评价油、气、水层,实时提供决策信息,有助于避免井下复杂情况的发生,引导井眼沿着最佳轨迹穿过油气层。由于该技术的市场价值大,世界范
围内有几十家公司参与市场竞争,其中斯伦贝谢、哈里伯顿和贝克休斯3 家公司处于领先地位。 1.2.2电磁波传输式随钻测量技术 为适应气体钻井、泡沫钻井和控压钻井等新技术快速发展的需要,电磁波传输MWD(elect romagnetic MWD tool s ,EM MWD) 技术研究与应用已有很大进展,测量深度已经达到41420 km。 1.2.3随钻井底环空压力测量技术 为适应欠平衡钻井监测井筒与储层之间负压差的需要,哈里伯顿、斯伦贝谢和威德福等公司研制出了随钻井底环空压力测量仪（annular pressure measurement while drilling，APWD) ,在钻井过程中可以实时测量井底环空压力,通过MWD 或EMMWD 实时将数据传送到地面,指导欠平衡钻井作业。 1.2.4 随钻陀螺测试技术 美国科学钻井公司将航天精确陀螺定向仪封装在MWD 仪器中研制出随钻陀螺测试仪( gyro measurement-while-drilling ,gMWD) ,截至2007 年底,gMWD 已经在美国的多分支井中成功应用数百口井,特别是在需要精确定向或对接井中起到了关键作用。 1.2.5 井下随钻诊断系统 美国研究人员开发出了井下随钻诊系统(diagnostics-whiledrilling，DWD)包括井下温度、压力、钻头钻压、钻头扭矩、井斜方位和地层参数等各种参数测量仪器,高速实时数据传输系统及其相关的仪器,地面
中成－钻具 使用手册 大港油田集团中成机械制造Dagang Oilfield Group Zhongcheng Machinery Manufacturing Co.,Ltd. 2004.10
第一章、序言 中成－螺杆钻具是靠泥浆提供动力的井下动力钻具，它 与传统转盘带动钻杆钻进方法比较,有很多优点： 1．增加钻头的转速。 2．增加钻头扭矩的功率，因而增加进尺率。 3．井底直接提供动力，因而减少钻杆的磨损和损坏。 4．可准确地造斜、定向、纠偏。 5．可钻水平井、从式井，显著提高钻井的经济效益。 6．寿命长，也能进行周期较长的延伸井段和直井钻进。 就是这些优点才促使螺杆钻具得到了迅速发展。 我公司在1985年全套引进美国史密斯公司—Smith DYNA-DRILL三条生产线，即包括生产制造与整机装配生产 线、热处理可控气氛生产线，以及定子橡胶生产线。可生产 DYNA-DRILL D500、D1000、F2000三个系列螺杆钻具， 在经历了引进、消化和吸收的发展过程后，今天的大港油田 集团中成制造已经能够独立生产和开发适用于各种用途的各
种规格系列的螺杆钻具。在质量体系保障上，是国螺杆钻具生产厂家最先通过GB/T1900-1994-ISO9001：1994标准的企业，也是通过中国计量局ISO10012计量检测体系认证的企业。 本手册主要介绍我厂螺杆钻具的工作原理、性能、使用要求及注意事项，为用户更好地使用我厂钻具，提供了依据。
第二章操作计划和考虑 一螺杆钻具的工作原理 螺杆钻具是以油基泥浆、浮化泥浆及粘土泥浆等作动力液，是一种把液体压力能转换为机械能的容积式井下动力钻具。当泥浆泵产生的高压泥浆流经旁通阀进入马达时，转子在压力泥浆的驱动下绕定子的轴线旋转，马达产生的扭矩和转速通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业。 二中成—螺杆钻具的组成及工作 原理 中成－钻具主要由四部分组成：（见 图1） ·旁通阀总成 ·马达总成 ·万向轴总成 ·传动轴总成 （旁通阀总成上部的提升短节，未按部件计算，订货时可由用户提出。提升短节的作用仅供提升钻具用，没有其他