螺杆钻具的前沿技术

石 2011 年 第 39 卷 第9 期
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CHINA PETROLEUM MACHINERY
钻井新技术
螺杆钻具的前沿技术
李 萌 于兴胜 罗西超 黄衍福 刘
（ 北京石油机械厂）
*
凤
王宇鹏
摘要 为了延长螺杆钻具的使用寿命、提高其输出性能、 满足特殊钻井工艺及特定区块的特 殊需求，对螺杆钻具的前沿技术进行了调研 ，分析了当前的研究热点， 主要涵盖 2 个方面： ① 改 进马达定子，包括等壁厚定子、定子橡胶新工艺新配方的研究； ② 传动轴总成的改进， 包括推力 轴承、径向轴承等新工艺新技术的研究 。基于此，展望了螺杆钻具的未来发展趋势 。 关键词 螺杆钻具 等壁厚定子 定子橡胶 轴承 子橡胶配方改良、小尺寸螺杆钻具制造、密封传动 轴总成、轴承新材料新工艺及钻井施工配套软件 等。通过这些新技术和新工艺的应用 ，螺杆钻具的 寿命得到延长，性能得到进一步提升，适用范围获 得了进一步拓展。
。但是 油 基 钻 井 液 体 系 及 井 下 存 在 的 油 类、
芳香烃类可能导致定子橡胶失效 ，因此耐油耐溶剂 橡胶配方的研制始终是一项重要工作 。 Dyna Drill、NQL、 Roper Pumps 和北京石油机 械厂等公司通过调整丙烯腈组分 、改良硫化体系及 改变添加剂成分的方法改善了橡胶的耐油性能 ，其 试验介质包括柴油、低毒矿物油、润滑油和乳化剂 等。Dyna Drill 公司常规的 NBR － 1A 定子橡胶在水 基钻井液中性能优良， 在油基钻井液中性能较差， 而其 HSN － 38 定子橡胶则有良好的油基钻井液适 应性。Roper Pumps 公司通过分析近 100 种橡胶配 方，形成了 ERZ、ER1 、ER2 等 3 个主要系列。 前 者适用于常规用途， 有一定的适应油类及溶剂能 力； 后两者则用于更为复杂及破坏性的钻井液体 系。NOV 公司则针对柴油、 矿物油和有机溶剂等 试验了 NQL Nitril、NQL HSN 等定子橡胶， 检验其 适用性。北京石油机械厂针对 2009 年以来特殊区 块高温卤水混柴油钻井液对常规定子橡胶的破坏作 用，研制了 JS6 、JS3 等新型耐油耐高温定子橡胶， 成功解决了该区块的螺杆钻具应用难点 ，使其平均 使用寿命延长 3 倍以上。 1. 1. 3 耐高温橡胶 井眼垂深的增加和地层温度梯度的异常均会导 致井底温度上升， 如我国胜科 1 井， 井深为 7 206 m，井温达到 235 ℃ ，井底高温对橡胶耐温性能提 出更高要求。定子橡胶的老化速度与温度的关系常 E 用阿累尼乌斯公式 k = Aexp － a 描述 （ 式中 A RT
［4 ］
橡胶层厚度均匀具有以下显著优点 ： ①可以避 免常规定子橡胶滞后热的积聚效应 ，降低因之导致 的橡胶破坏风险； ②散热性好，可有效减缓橡胶的 热老化，可以适应更高的井底温度； ③热膨胀、溶 胀均匀，有效保证马达线型，提高密封性； ④橡胶 层薄，单级密封压力高。 因而等壁厚定子螺杆钻具具有长寿命 、 大扭 矩、长度短、耐高温和耐复杂介质等优点，并且满 足中短曲率半径定向需求。以 Halliburton 公司的研 究为例 （ 见图 2 ） ， 图示为该公司 3. 5 级 178 等壁 厚定子马达和 5 级常规 172 马达输出曲线，横坐标 为马达压降，左侧纵坐标为马达转速，右侧纵坐标 为马达扭矩，从中可以看出等壁厚定子马达扭矩提 高 47% ， 转 速 提 高 100 r / min， 而 转 速 曲 线 更 为 平缓。
图2
等壁厚定子性能对比
对于金属内缘摆线结构的研究由来已久，但是 由于受加工工艺及制造成本的限制，直至 2005 年以 后，世界各制造商才开始推出成熟的等壁厚定子螺 杆钻具产品，目前主要的等壁厚定子制造商有 Baker Hughes、 Robbins＆Myers、 Halliburton、 Bico、 北 京石油机械厂等。其中 Bico 公司的 “SpiroStar” 等 壁厚定子螺杆钻具规格最为完备 ，尤其在小尺寸方 面型号较多，可以解决小尺寸螺杆钻具寿命过于短 暂的问题； Baker Hughes 公司的 X － Treme 等壁厚 定子螺杆钻具典型应用之一是在其垂直钻井系统和
旋转导向钻井系统中提供高性能的井下动力输出 ； Robbins＆Myers 公司的等壁厚定子螺杆钻具 Moyno ERT 规格型号覆盖 73 ～ 244 mm，并服务于 Schlumberger 等多家油田服务公司； Halliburton 公司的等 壁厚定子螺杆钻具 Geoforce 是其性能最佳的螺杆钻 具系列； 北京石油机械厂等壁厚定子螺杆钻具规格 范围为 120 ～ 244 mm，在多个区块推广应用。 等壁厚定子的加工工艺目前主要有整体式和分 段式 2 种方法， 整体式即整根定子由一体加工而
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1. 3 1. 3. 1
传动轴总成的前沿技术 油密封传动轴总成
向和轴向载荷。 北京石油机械厂自 2002 年承担伊 朗空气钻井项目以来，成功研制并应用了系列油密 封传动轴总成。 1. 3. 2 径向轴承及推力轴承 为了满足重载荷和腐蚀性的工作环境 ，径向轴 承和推力轴承需要不断提高表面硬度 、心部强度和 耐冲蚀腐蚀能力。 在径向轴承方面， Dyna Drill 公司的 Matrix － 3 径向轴承结合冶金、钎焊技术，在抗腐蚀的镍铬基 体上熔合碳化钨颗粒，形成致密的扩散层，孔隙度 ＜ 2% ，处理层与金属基体间为冶金结合， 结合强 度 ＞ 480 MPa，处理层厚度为 0. 50 ～ 6. 35 mm， 有 很好的抗冲蚀腐蚀、耐磨耐机械疲劳能力。 PDC 径向轴承 （ 聚晶金刚石复合材料径向轴 承，见图 3 ） 的核心技术是聚晶金刚石的烧结工艺
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引
言
螺杆钻具是当前井下动力钻具中应用最广泛的 一 种。 世 界 主 要 油 田 装 备 制 造 商， 如 NOV、 Schlumberger、Baker Hughes 和 Halliburton 等公司， 都有专属的螺杆钻具品牌，国内螺杆钻具制造商则 主要有北京石油机械厂、渤海钻探中成机械厂、天 津立林机械厂等。 螺杆钻具自 1955 年诞生以来， 经过几十年的发展，形成了成熟的钻井工艺，一方 面在定向井、大斜度井、水平井、多分支井和大位 移井等复杂井眼施工中发挥重要作用 ，另一方面在 常规钻井中显著提高机械钻速，实现钻井提速，节 约生产成本。 螺杆钻具主要由马达总成、万向轴总成和传动 轴总成等部件组成。 马达总成由转子和定子组成， 两者的轮廓相互耦合，在钻井液推动下形成连续旋 转推进的空腔； 万向轴总成由内部的轴体和外部的 壳体组成， 轴体将转子的偏心旋转转变为定轴旋 转，壳体通过弯角实现造斜； 传动轴总成主要由轴 向推力轴承、径向扶正轴承和传动轴组成，承载钻 ［1 ］ 压、钻头交变载荷并输出扭矩和转速 。 延长螺杆钻具的使用寿命、 提高其输出性能、 满足特殊钻井工艺及特定区块的特殊需求始终是螺 杆钻具的发展方向。国内外各螺杆钻具制造商围绕 这一方向，针对螺杆钻具的主要部件进行了众多技 术革新和工艺改进，包括等壁厚定子制造工艺、定
* 系列油密封传动轴总成已获得多项专利，专利号分别为： ZL 98250924. 3 、ZL 200520130046. 1 和 ZL 200520130045. 7 。
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变波动； 等壁厚定子是一次重大变革，其定子金属 管内壁采用特殊工艺加工成与橡胶内缘一致的摆线 轮廓，因而在轴向剖面上橡胶层厚度均匀一பைடு நூலகம் ，见 图 1。
图1
常规定子与等壁厚定子示意图
成，无需考虑内部轮廓的一致性； 分段式即定子由 多端筒体连接而成，需要采用特殊工艺保证内部轮 廓的一致性。 当前 Robbins＆Myers、 Baker Hughes、 Bico 和北京石油机械厂等公司都拥有自己成熟的加 工工艺，随着各种加工制造技术的进展，其加工方 法仍有很大的改进空间。 1. 1. 2 耐油耐溶剂橡胶 油基钻井液体系具有诸多优点，包括更高的井 温适应能力、良好的保护储层和高的抗盐膏侵污能 力
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为频率因子，E a 为表面活化能， R 为气体常数， T 为绝对温标） ，其耐温性能由高分子结构、 硫化体 系、防老剂和增塑剂等因素决定。而对于丁腈橡胶 而言，选择合适的硫化体系最为重要。 通过选择合适的硫化体系和添加剂， Schlumberger 公司的 HN234 定子橡胶可以适应最高 175 ℃ 的井底温度。Roper Pumps 公司在 ER2 橡胶基础上 针对高温井况改良设计了 DragonSlayer 橡胶， 使其 在耐油耐溶剂的同时可以耐受高温 。国内辽河、大 庆、吉林、四川和新疆等区块应用高温螺杆钻具较 多，目前国产优质高温螺杆钻具可在 150 ℃ 井温下 使用 150 ～ 300 h。 1. 1. 4 耐磨砺橡胶 在钻井液中固相含量较高或高压重载情况下， 定子橡胶将会发生较大地磨损，并最终导致马达效 率降低、输出功率不足和定子橡胶失效； 在国内特 殊区块，环境风沙较大且采用清水钻井液 ，导致钻 井液中含砂量较高，对定子橡胶的磨损比较严重。 目前解决定子橡胶耐磨砺的问题有 2 种途径， 一种是设计更高输出性能的马达总成 ，另一种是研 制耐磨砺的橡胶配方。 前一种途径中， ESX 是 Dyna Drill 公司为低速 牙轮钻头和 PDC 钻头设计的大扭矩螺杆钻具， 结
典型小尺寸螺杆钻具
Robbins＆Myers 公司 43 73ERT 7 /8 1 385 10 80 5 /6 716 2. 9 Roper Pumps 公司 31. 75 3 /4 34 — 43 5 /6 140 4. 0 北京石油机械厂 60 5 /6 160 2. 5 80 7 /8 600 2. 4
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螺杆钻具的前沿技术
定子橡胶的前沿技术
相对于其他类型的井下动力钻具 ，螺杆钻具具 有输出转速低、扭矩大、工作特性硬和操作工艺简
［2 ］ 明等优 点， 其 主 要 问 题 在 于 结 构 中 有 橡 胶 件 ， 即马达总成中的定子橡胶。由于橡胶的特性，使得
螺杆钻具的寿命和性能受到井温 、钻井液体系和固 控系统等多种因素影响。 定子橡胶的主链结构决定了橡胶的基本性能， 侧链结构则对橡胶的耐油、 耐溶剂等有较大影响。 根据主链和侧链性质，螺杆钻具定子橡胶通常选择 ［3 ］ 丁腈橡胶 。为了改善定子橡胶的性能， 各制造 商采用了多种方法，包括定子橡胶结构的改变、橡 胶配方的改良等。 1. 1. 1 等壁厚定子 等壁厚定子螺杆钻具是当前最先进的螺杆钻具 前沿技术之一。 自美国 Dyna Drill 公司发明螺杆钻 具以来，定子橡胶的工艺结构一直没有大的改变， 常规定子橡胶粘接在金属管内壁， 其外缘为圆柱、 内缘为摆线，在轴向剖面上橡胶层厚度不均匀 ，渐
表1
制造商 规格 / mm 头数比 扭矩 / （ N·m） 压降 / MPa 43 5 /6 250 4. 2 Bico 公司 54 5 /6 270 2. 9 60 5 /6 270 2. 9
构设计上通过增加马达头数增大螺距来实现， 以 6. 75ESX 为例，其定子长达 7. 6 m，但是实现了低转 速 （ 90 r / min） 和大扭矩 （ 14. 2 kN · m ） ； Hemidril 公司通过壳体薄壁结构设计增大马达动力输出，以 4. 8 级 165Hemidril 为例，转速为 60 ～ 130 r / min，额 定扭矩为 11. 45 kN·m。 后一种途径中，DuraMax 是 Baker Hughes 公司 研制的耐磨砺型定子橡胶， 用于 Baker Hughes 的 Ultra － HP 系列螺杆钻具，在不影响寿命的前提下， 可以有效提高机械钻速，在其现场试验中机械钻速 比常规橡胶提升了 93% ； NBR － HR 是 Dyna Drill 的耐磨砺型橡胶，在相同的规格长度下比常规橡胶 NBR － 1A 的扭矩提升了 30% 。 1. 2 小尺寸螺杆钻具 小尺寸螺杆钻具通常指外径不大于 80 mm 的 螺杆钻具 （ 见表 1 ） ， 是连续管作业的重要工具。 小尺寸螺杆钻具的加工不同于常规螺杆钻具 ，属于 精密机械加工范畴，工艺更为复杂，而在钻井施工 中目前的主要问题是微尺度下零件磨损太快 ，使用 寿命 太 短， 为 此 Robbins＆Myers 公 司 研 制 了 73 mm 等壁厚定子螺杆钻具。 在尺寸上， 目前世界最 小规格的螺杆钻具是 Roper Pumps 公司 31. 75 mm 螺杆钻具。