气体螺杆钻具输出性能研究

世界螺杆钻具研发新进展来源:挪威石油网点击:38 发布时间:2010-06-08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。

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，短半径水平井钻井作业的钻具在国内尚属空白，作为短半径水平井的铰接马达，国内也只处于研究阶段。

空气螺杆钻具研制、特性分析及现场实验与应用中国石油勘探开发研究院钻井所北京石油机械厂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取得普遍应用，在国内也正呈快速进展趋势。

空气螺杆钻具是应用这种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取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，在知足相应的前提下，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，降低钻井本钱；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。

为推行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，在必然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慢慢积累和日渐成熟，在定向井及其他特殊工艺井上应用这些技术，已成为必然的进展趋势，这将在专门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年末以前，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φ244(9-5/8")的空气螺杆钻具，经与外商询价，每台价钱在13万美元以上，无法经受，大量量的购买更无从谈起。

为了解决生产急需和节约外汇，集团公司科技进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，并录用苏义脑为课题组长，组织攻关。

在2001年5月~2002年11月这一年半时刻中，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。

气体螺杆钻具作为气体钻定向井和水平井的新型井下动力钻具，其输出性能的好坏直接关系到气体钻井作业的工作效率。

因此，研究气体螺杆钻具在井下的输出性能对水平井气体钻井有着非常重要的意义。

目前对气体螺杆钻具的研究大都是在地面环境下进行的，研究的结果和井下的实际特性存在着较大的差异，为了更为准确地掌握气体螺杆钻具在井下的输出性能，应该考虑井下温度、压力对气体螺杆钻具输出性能的影响。

本文根据能量守恒定律，考虑热传导、热对流的影响，建立了井筒和地层之间的热传递模型，计算了气体钻井过程中管柱内外沿井深的温度分布，为气体钻井计算井筒压力分布提供了准确的基础数据。

考虑实际气体和理想气体之间的差异，运用实际气体状态方程，对管柱内外气体流动参数的计算模型进行了推导，建立了考虑偏差因子在内的井下气体流动模型，分别计算了气体在环空及钻头压耗，确定了螺杆出口处的压力。

通过对螺杆钻具工作原理及其结构参数的深入分析，以螺杆出口压力为边界条件，建立了螺杆钻具压降的计算模型，并预测了气体钻井的注入压力。

在知道螺杆压降的前提下，建立了螺杆输出性能（转速、扭矩）计算模型，分析了螺杆结构参数、钻井参数、气体类型对螺杆输出特性的影响，为气体螺杆设计及合理使用提供了理论依据。

在理论研究的基础上，编制了气体螺杆钻具输出特性分析软件。

计算结果表明，螺杆压降越大，输出扭矩越大，转速降低；型腔容积是影响气体螺杆的输出性能的重要结构参数，型腔容积越大，输出扭矩越大，输出转速降低；随着井深增加，螺杆出口压力增大，螺杆的进气量减少，螺杆转速和扭矩减小；随着进气量增加，螺杆的扭矩及转速增加；随着钻压增加，螺杆扭矩增加，转速减小；钻头喷嘴当量直径减少，螺杆输出转速减少；与使用空气相比，在相同注气量及井深条件下，使用天然气钻井时，气体螺杆压降降低，从而扭矩减少，转速增加。

本文采用蜀南气矿BQ4-X2水平井天然气钻井的现场数据对气体钻井的理论模型进行了验证，计算结果表明，理论计算的注入压力与实际注入压力基本一致，说明本文建立的理论模型是正确的。

全金属螺杆钻具研究现状与关键技术分析摘要：螺杆钻具是一种以钻井液为动力源，将液体压力转换为机械能的井下动力工具，但在耐热性、持久性上还有待于开发，国内国外多位学者对此进行了大量研究，提出可以在原有的构件中去除橡胶部件，将金属定子与转子结合实现钻井作业。

采用全金属螺杆钻具，可更好提升耐热性，降低其破坏性，还可以有效地增加其使用寿命，本文主要阐述国内外针对该设备的研究情况，并分析现代关键技术，希望可以为读者进行帮助。

关键词：间隙取值；耐受度；机械效率引言：全金属螺杆钻具目前在国内国外都还处于研究阶段，但已经取得不错成果，开始部分投入应用。

研发技术上，水力设计、定子制造、表面强化、长寿轴承等技术方面都有了突破性进展，开发了一种全新的、集成了多个部件的螺杆式定子，将各部件进行铣削和焊接，增强了定子的加工效率。

为使得研究有新突破，在研究全金属螺杆钻具的同时，应从实际钻井情况出发以差异化的形式设计其他钻井设备，多学科合作，充分发挥全金属螺杆钻具最大工作效率。

1全金属螺杆钻具研究现状1.1国内研究现状由金属材料制作成的定子，能有效解决钻具设备工作时出现的高温问题，其外壁具有螺旋凹槽，外壁主要作用是将供钻井液返回，全金属定子的研发既确保了马达工作的稳定性和流畅性，又进一步增强其密封性能。

采取技术革新，将原有的螺杆钻具的位置调整至适当的水平，以增加其对于高频振荡的抵御能力，不仅能大大降低其破坏性，还能有效地增加其使用寿命，最终实现一种全新的全金属螺杆钻具。

为了有效抑制螺杆钻具内部高温问题，即通过改变内啮合齿轮的位置，来使定子和转子之间的距离变小，从而避免温度的高峰，减缓由于内部定子和转子由于挤压而产生内部高温问题。

在降低成本环保方面，研究人员利用液压成形、自蔓延反应等技术，使得壳体和金属衬套能够完美结合，此项技术的制作更为便捷，且适宜于大规模的制造。

通过将多个定子的短节相互联系，并将其中的键槽和外部的螺杆相结合，开发了一种全新的、集成了多个部件的螺杆式定子，其不仅拥有极高的精度，还非常容易进行加工。

新型气液驱动式螺杆钻具设计及研究
贺俊伟;陈浩东;胡开元;何勇;宫欣悦;匡延科;刘洋
【期刊名称】《科技创新与生产力》
【年(卷),期】2024(45)2
【摘要】为了解决常规气体螺杆钻具失效事故,本文设计了一种新型气液驱动式螺杆钻具,利用地面压缩气体驱动定子腔内液体的循环往复运动,从而推动万向轴和转子转动,给钻头传递平稳的扭矩和钻压。

该结构可以有效减少螺杆钻具飞车和憋泵事故,实现高效气体钻井作业。

针对常规结构的传动轴经常发生断裂的问题,本研究对易损件传动轴进行了结构改进,对退刀槽和轴径进行了改进,改进后的传动轴最大应力及最大位移变形在许可范围内,表明改进后的传动轴承载强度可以满足现场使用要求。

【总页数】3页(P90-92)
【作者】贺俊伟;陈浩东;胡开元;何勇;宫欣悦;匡延科;刘洋
【作者单位】长江大学机械工程学院;中国石油塔里木油田分公司
【正文语种】中文
【中图分类】TE921.2;P634.42
【相关文献】
1.螺杆钻具液马达试验架的设计
2.新型抽吸式绳索取心液动锤钻具的初步设计
3.螺杆钻具试验台液压驱动系统的设计与改进
4.液动螺杆钻具动力系统设计原理及其优化
5.液动螺杆马达与液动潜孔锤复合钻具的研究
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空气螺杆钻具螺杆衬套副设计研究空气钻井是欠平衡钻井的重要分支。

由于空气钻井技术突出的优点,正在得到广泛的应用。

随着空气钻井技术的发展以及采用空气钻井技术进行定向井、水平井作业的需要,空气螺杆钻具已成为国内外各大钻井科研机构研究的热点。

针对现有空气螺杆钻具存在的问题,本论文对空气螺杆钻具的动力节——螺杆衬套副进行了设计研究。

本文采取的技术路线是理论研究及设计计算。

首先,通过对螺杆钻具的工作原理进行研究,分析了螺杆钻具形成的必要条件,确定了螺杆和衬套的线型,采用回归法归纳5/6头螺杆衬套副过流面积,并对5/6头螺杆衬套副进行了优选。

其次,研究了空气钻井理论,并采用最小动能法进行算例计算,总结了对空气钻井影响较大的几个因素。

再次,分析了容积式马达的逆应用—容积式空气压缩机的工作原理及其工作过程中气体状态,并在上述理论分析的基础上初步总结出两种新型空气螺杆钻具螺杆衬套副的设计方法,用此方法结合算例对两种空气螺杆钻具螺杆衬套副进行了设计,确定了新型空气螺杆钻具的速度特性公式。

最后,通过对空气钻井的理论研究和新型空气螺杆钻具的特性研究,初步确定了空气钻井与新型空气螺杆钻具的匹配关系,并采用有限元软件ANSYS对螺杆衬套副进行受力分析。

钻探工程Drilling Engineering第50卷增刊2023年9月Vol. 50 Sup.Sep. 2023：32-37孔底动力回转空气潜孔锤研究进展岳永东，谭春亮，渠洪杰，冉灵杰，林广利（北京探矿工程研究所，北京 100083）摘要：孔底动力回转空气潜孔锤钻进技术在改善气体钻进条件下钻杆柱受力情况、提高定向钻进施工效率等方面具有广阔的应用前景。

孔底动力回转空气潜孔锤可分为自回转式空气潜孔锤及气动螺杆驱动式空气潜孔锤两类，本文分别介绍了其发展现状、工作原理、技术特点、试验应用等情况，并分析了当前研究存在的不足，以期为进一步开展技术攻关提供参考。

关键词：空气潜孔锤；气动螺杆；孔底动力；定向钻进中图分类号：P634.3;TE924 文献标识码：A 文章编号：2096-9686（2023）S1-0032-06Research progress of downhole power rotary pneumatic DTH hammerYUE Yongdong ，TAN Chunliang ，QU Hongjie ，RAN Lingjie ，LIN Guangli(Beijing Institute of Exploration Engineering, Beijing 100083,China )Abstract ：The downhole power rotary pneumatic DTH hammer drilling technology has broad application prospects in improving the force situation of the drill pipe string under the condition of gas drilling and improving the efficiency of directional drilling. Two types of downhole power rotary pneumatic DTH hammers exist namely the pneumatic DTH hammer with self‑rotation bit and the pneumatic DTH hammer driven by screw motor. This paper introduces their development status ， working principles ， technical characteristics ， experimental applications ， and analyzes the shortcomings of current research in hope to provide reference for further technical research.Key words ： pneumatic DTH hammer; Pneumatic screw motor; downhole power; directional drilling0　引言空气潜孔锤钻进工艺以冲击回转方式碎岩，有利于岩石产生体积破碎，提高机械钻速，尤其适用于硬岩、卵砾石层、破碎地层等，此外还具有适合缺水地区施工、绿色环保、可保护有益储层等优点，是提高钻探施工效率、降低施工成本的最佳方法之一［1-2］。

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。