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螺桿鉆具國內外研究現狀

美國從20世紀50年代中期開始研制螺桿鉆具,並於1962年投入生產,先後研制出Dyna鉆頭、Navi鉆頭和Persian鉆頭。目前,螺桿鉆具的發展主要以美國、英國、法國、前蘇聯等國家為代表。國內螺桿鉆具的發展起步較晚,從 20 世紀 80 年代中後期形成壹定規模到目前常規螺桿鉆具已實現標準化、系列化,大港、北京、德州等主要生產廠家的產品已覆蓋國內絕大部分市場。在工作壽命、易損件耐磨性、專用螺桿的設計制造等方面與國外有壹定差距。國產電機數量壹般為4級,不能完全滿足壹些特殊工藝的需要,如水平井、短半徑水平井鉆井作業的鉆具在國內尚屬空白,作為短半徑水平井的鉸接電機,國內也僅處於研究階段。

國外螺桿鉆具生產廠家主要集中在美國和加拿大。西方國家從事螺桿鉆具制造的企業主要有:Baker Hughse Company、Telco(美國)、DERCO(加拿大)、ANADRILL(美國)、National Oilwell Inc(美國)、Nryrfor-Weir Ltd(法國、英國、誇祖魯-納塔爾)、Simth Company以及DANA - DRILL、DRILL、DRILL、DRILL、DRILL、DRILL、DRILL、DRILL、DRILL、DRILL、DRILL、DRILL、DRILL、DRILL和DRILL。鉆機、鉆機馬達服務。還有許多研究機構,如蘇聯 VNIIBT、VNIIBT 彼爾姆分部和法國石油研究所(IFP)。國外螺桿鉆具的使用壽命壹般在 200-300h 以上,主要以美國產品為代表,著名品牌有 Dyna-Drill、Navi-Drill、Power Park、Speey-sun、д 型鉆具,而 Anadrill 公司的螺桿鉆具是當今最好的電機,自 1991 年問世以來采用了先進的技術。螺桿鉆具的外徑從 73 毫米到 287.5 毫米不等。

國內螺桿鉆具生產廠家有大港油田眾成公司、北京石油機械廠、德州石油機械廠、貴州匹克機械廠、天津立林石油機械有限公司、山東濰坊等十多家,科研院所有中國石油大學(華東)、中國科學技術研究院、北京石油勘探開發研究院、西南石油大學等。國產螺桿鉆具的壽命壹般在 100~200h 之間,並已形成規格和系列。螺桿鉆具規格從Φ60mm到Φ244mm不等,配有可調弧形殼體(AKO),可互換糾偏裝置,基本能滿足國內鉆井和修井作業的需要。

隨著螺桿鉆具研發技術的提高,加上新材料、新工藝的不斷湧現,螺桿鉆具泵體技術發展迅速,出現了以下幾種能解決特殊問題、滿足不同需求的螺桿鉆具。

1) 長壽命螺桿鉆具:擎天公司為F2000螺桿鉆具成功開發了硬到不能再硬的PDC推力軸承,大大提高了傳動軸總成的壽命,使用壽命可達200-300 h,而國內由於電機壽命和傳動軸壽命短,導致螺桿鉆具的使用壽命在100-200 h。

2)低速大扭矩螺桿鉆具:該類螺桿鉆具的低速大扭矩特點,配合牙輪鉆頭和PDC鉆頭的改進,可有效延長鉆頭的使用壽命,提高機械鉆速。它可以通過多種結構來實現,其中有三種典型結構:① 加長電機,又稱多級電機。它是通過加長動力段來提高電動機的輸出扭矩。貝克-休斯公司生產的 XL 系列加長電機在許多國家和地區都有應用。串聯多級電機(DPS-PDM)。串聯式電機的動力部分組件有壹個額外的動力部分,該動力部分的中間連接有壹根鈦合金軟軸,從而提高了電機的輸出扭矩和功率。多頭螺桿加拿大德瑞克公司的 TRGDRILL 型螺桿鉆具由單頭螺桿與行星齒輪減速器和支撐部分組成,在保持電機高效率的同時實現了低轉速和高扭矩。空心轉子馬達大型斜井和水平井需要大排量沖洗除砂。實心轉子馬達的額定排量較小,而空心轉子的額定排量可增加 20% 以上。北京石油勘探開發研究院研制了壹種帶穩流閥的空心螺桿,這種特殊設計的穩流閥改善了普通空心螺桿鉆具超載時嚴重失轉的問題,提高了鉆具的抗超載能力和水力利用率。

3)等壁厚螺桿鉆具:螺桿鉆具定子在工作時,橡膠襯套厚度不均,容易導致定子過早失效,縮短螺桿鉆具的使用壽命。通過合理改變定子外殼的形狀,使定子的橡膠層薄而均勻,從而克服了傳統螺桿鉆具定子技術的不足,有效改善了螺桿鉆具的工作環境,提高了使用壽命。與常規螺桿鉆具相比,等壁厚螺桿鉆具的泵體短、扭矩小、易洗井。這類鉆具具有以下優點:散熱效率提高、橡膠溶解、熱膨脹均勻、適應範圍更廣、結構更優化、整體質量更輕。

4)導向鉆井系統的螺桿鉆具:導向鉆井系統中使用的井下電機主要包括帶襯墊的弧形套管螺桿鉆具、雙傾萬能螺桿(DTU)等。這些電機與隨鉆測量系統(MWD)、聚晶金剛石鉆頭配合使用,可以長時間鉆進,實時采集井下情況,確保井眼沿著設計軌跡鉆進,到達目的層。Anadrill 公司開發的地面可調彎殼螺桿鉆具壽命可達 1000h。

5)開環/閉環系統中的定向螺桿鉆具:國外已出現井下可調螺桿鉆具,井下可調螺桿鉆具的應用分為兩種,壹種是地面遙控角度可調式,另壹種是井下自動調節系統。貝克休斯公司成功開發了AutoTrak旋轉閉環鉆井系統,利用井下電機安裝導向筋配合近鉆頭MWD實現導向功能,與可調弧形殼體配套出現了可互換扶正器的螺桿鉆具,使扶正器的形狀和尺寸可以根據井口鉆進的需要而改變,現在井下也出現了尺寸可調的扶正器。

6)直井鉆井螺桿鉆具:貝克休斯INTEQ開發的VertiTrak直井鉆井裝置成功地將直井高能螺桿鉆具與垂直傾角精確到0.1°的近鉆頭MWD結合在壹起,已在地中海地區、意大利、南美和墨西哥等世界深水地區得到應用。鉆井技術在我國也得到了推廣應用,這種專門用於直井鉆進的螺桿鉆具,在提高鉆進速度的同時,還能很好地糾斜,避免井下事故的發生。

7)取芯螺桿鉆具:螺桿鉆具是地質勘探鉆井中專門用於取芯作業的鉆具。德國開發了螺桿鉆具取心系統(KIBM),我國也很早就開發了取心專用螺桿鉆具。最近,大港油田中誠公司生產的螺桿鉆具在中國大陸鉆探1井應用了 "繩索取心+螺桿馬達+液壓錘三合壹 "取心技術,取得了良好的效果。

8)空氣螺桿鉆具:空氣螺桿鉆具是壹種專為空氣鉆井設計的馬達。國外能生產空氣螺桿鉆具的主要是貝克休斯公司。國內有中國石油勘探開發研究院鉆井研究所、北京石油機械廠於2002年****,研制出K7LZ120×7.0空氣螺桿鉆機樣機。當年7月在河北隨州成功進行了空氣螺桿鉆機模擬鉆進試驗,結果表明,試驗樣機完全達到設計要求,同時克服了 "飛車"、"啟動難 "等技術難題。

我國螺桿鉆具的研制起步較晚,螺桿鉆具的應用還處於初級階段。近年來,通過引進國外技術,許多油田和生產廠家都在致力於螺桿鉆具的研究,並已開始現場應用和試驗。為滿足大規模工業應用的需要,建議後期研究課題主要圍繞探索新型螺桿鉆具、優化螺桿鉆具結構參數、合理選擇襯套與轉子過盈量、智能控制、長壽命、高效平穩運行、滿足特殊井需求、拓展應用領域等方面開展技術攻關。經過大量的文獻研究,螺桿鉆具的研究主要可以從以下幾個方面進行:

1)螺桿鉆具結構參數的優化:主要研究螺桿鉆具定子在不同壓力、轉速、流量等條件下的受力狀態和變形規律,研究螺桿鉆具定子在不同壓力、轉速、流量等條件下的受力狀態和變形規律,研究螺桿鉆具定子在不同壓力、轉速、流量等條件下的受力狀態和變形規律、主要研究螺桿鉆具定子在不同壓力、轉速、流量等條件下的受力狀態和變形規律,以及材料對變形規律和使用壽命的影響;螺桿鉆具轉子在不同壓力、轉速、流量等條件下的受力狀態和變形規律,以及材料對變形規律和使用壽命的影響。螺桿鉆具轉子在不同壓力、轉速、流量等條件下的受力狀態和變形規律,以及材料對變形規律和使用壽命的影響;使定、轉子具有良好的機械性能和更好的工作性能。結構參數的好壞會影響鉆具的壓力和密封性能,也會影響定子襯套的工作壽命。

2)襯套與轉子的合理配合過盈量:研究螺桿鉆具在不同機頭、不同鉆井液粘度的最佳工況下定、轉子的合理過盈量;研究定、轉子摩擦產生的溫度場對定、轉子線及過盈量的影響。根據不同的橡膠材料、不同的工作環境條件,選擇不同的配合過盈量。

3)擴大螺桿鉆具的應用範圍:開發非油氣井用螺桿鉆具意義重大,如煤層氣井用耐腐蝕螺桿、地熱井用耐高溫螺桿等。非油氣井的井下作業環境更為惡劣,值得進壹步研究和探討。

4)螺桿鉆具的標準化和系列化:國內外螺桿鉆具生產廠家眾多,螺桿鉆具的制造和質量檢測沒有統壹的標準,各廠家螺桿鉆具的結構和工作參數不盡相同,產品的互換性較差,造成現場使用和維護的不便,嚴重影響了螺桿鉆具技術優勢的發揮。因此,必須實現標準化、系列化,從而提出螺桿鉆具生產制造、質量檢驗標準,提供螺桿鉆具定子材料和專用材料標準、型號等。

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