螺桿鉆具因具有較高的系統(tǒng)效率而日益受到重視。目前，國(guó)、內(nèi)外生產(chǎn)廠家對(duì)許多新型螺桿鉆具進(jìn)行了大量研究。本文介紹了螺桿鉆具的研發(fā)過(guò)程及螺桿鉆具生產(chǎn)廠家，系統(tǒng)地分析了國(guó)內(nèi)外螺桿泵的新技術(shù)、新工藝、新材料的研究進(jìn)展。針對(duì)目前存在的不足，指出了螺桿鉆具的研發(fā)方向。
世界螺桿鉆具研發(fā)新進(jìn)展
□ 魏存祥 / 西南石油大學(xué) 來(lái)源：《石油與裝備》/ 振威石油網(wǎng)
井下動(dòng)力鉆具主要有電動(dòng)鉆具、渦輪鉆具、葉片鉆具和螺桿鉆具。螺桿鉆具也稱為容積式馬達(dá)（PDM），具有低速大扭矩的特征，整體長(zhǎng)度約為4m~8m，是目前最廣泛使用的一種井下動(dòng)力鉆具。主要由旁通閥總成、馬達(dá)總成、萬(wàn)向軸總成、傳動(dòng)軸總成和導(dǎo)向總成組成（圖1）。其核心部件馬達(dá)總成主要是由偏心螺旋體的螺桿（轉(zhuǎn)子）和呈螺旋面的襯套（定子）組成。
螺桿鉆具是一種以鉆井液為動(dòng)力，把液體壓力能轉(zhuǎn)為機(jī)械能的容積式井下動(dòng)力鉆具。當(dāng)泥漿泵泵出的泥漿流經(jīng)旁通閥進(jìn)入馬達(dá)，在馬達(dá)的進(jìn)出口形成一定的壓力差，推動(dòng)轉(zhuǎn)子繞定子的軸線旋轉(zhuǎn)，并將轉(zhuǎn)速和扭矩通過(guò)萬(wàn)向軸和傳動(dòng)軸傳遞給鉆頭，從而實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)。
螺桿鉆具作為井底動(dòng)力裝置，具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩、大排量等優(yōu)點(diǎn)。增加了鉆頭扭矩和功率，提高了進(jìn)尺率；減少了鉆桿和套管的磨損和損壞；可準(zhǔn)確進(jìn)行定向、造斜、糾偏；廣泛應(yīng)用于直井、水平井、叢式井和修井作業(yè)。
螺桿鉆具研發(fā)進(jìn)程
美國(guó)在20世紀(jì)50年代中期開(kāi)始研制螺桿鉆具，1962年用于生產(chǎn)，有迪納鉆具（Dyna Drill）公司，納維鉆具（Navi Drill）公司和波斯鉆具等。目前，螺桿鉆具的發(fā)展主要以美、英、法、蘇聯(lián)等國(guó)為代表。
國(guó)內(nèi)螺桿鉆具的研制起步較晚，從20世紀(jì)80 年代中后期形成一定規(guī)模到目前常規(guī)螺桿鉆具已規(guī)格化、系列化，各主要生產(chǎn)廠家中大港、北京、德州等廠家產(chǎn)品已覆蓋國(guó)內(nèi)絕大部分市場(chǎng)。在工作壽命、易損件耐磨性、特種螺桿的設(shè)計(jì)制造等方面與國(guó)外有一定的差距。國(guó)內(nèi)馬達(dá)數(shù)一般為4級(jí)，不能完全滿足水平井等一些特殊工藝的需要，短半徑水平井鉆井作業(yè)的鉆具在國(guó)內(nèi)尚屬空白，作為短半徑水平井的鉸接馬達(dá)，國(guó)內(nèi)也只處于研究階段。
螺桿鉆具生產(chǎn)廠商及產(chǎn)品性能
目前國(guó)外螺桿鉆具的生產(chǎn)廠家主要集中在美國(guó)和加拿大。西方國(guó)家從事螺桿鉆具制造的公司主要有：Baker Hughse 公司、Telco（美國(guó)）、DERCO（加拿大）、ANADRILL（美國(guó)），National Oilwell Inc （美國(guó)）、Nryrfor-Weir Ltd （法英夸國(guó)聯(lián)營(yíng)）、Simth公司以及DANA-DRILL公司、DRILL MOTOR SERVICES 公司。另外還有許多研究機(jī)構(gòu)像蘇聯(lián)VNIIBT、вниивт彼爾姆分院、法國(guó)石油研究院（IFP）。
國(guó)外螺桿鉆具壽命一般都在200h~300h以上，主要以美國(guó)的產(chǎn)品為代表，著名的品牌有Dyna-Drill、Navi-Drill、Power Park、Speey-sun、д型鉆具。Anadrill公司的螺桿鉆具自1991年問(wèn)世以來(lái)，采用了先進(jìn)技術(shù)，是當(dāng)今最好的馬達(dá)，螺桿鉆具的外徑從73mm~287.5mm可選。
目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)螺桿鉆具的廠家有十多個(gè)，主要有大港油田中成公司、北京石油機(jī)械廠、德州石油機(jī)械廠、貴州高峰機(jī)械廠、天津立林石油機(jī)械有限公司及山東濰坊等，研究機(jī)構(gòu)有中國(guó)石油大學(xué)（華東）、中國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院、北京石油勘探開(kāi)發(fā)研究院、西南石油大學(xué)等。
國(guó)內(nèi)螺桿鉆具壽命一般都在100h~200h之間，也已形成規(guī)格化、系列化。螺桿鉆具從ф60mm~244mm各種規(guī)格，配有可調(diào)彎殼體（AKO）、可換扶正器，基本能夠滿足國(guó)內(nèi)各種鉆井、修井作業(yè)。
國(guó)外螺桿鉆具研發(fā)進(jìn)展
隨著螺桿鉆具研發(fā)技術(shù)水平的提高，加之新材料、新工藝的不斷涌現(xiàn)，螺桿鉆具的泵體技術(shù)發(fā)展較快，出現(xiàn)了以下幾類能夠解決專項(xiàng)問(wèn)題、滿足不同需要的螺桿鉆具。
長(zhǎng)壽命螺桿鉆具 Dyna-Drill 公司成功研制出硬對(duì)硬的PDC止推軸承用于F2000型螺桿鉆具，使傳動(dòng)軸總成的壽命得到很大的提高，使用壽命可達(dá)200~300h。國(guó)內(nèi)由于馬達(dá)壽命和傳動(dòng)軸壽命短，造成螺桿鉆具壽命在100~200h。
低速大扭矩螺桿鉆具 這種螺桿鉆具的低速大扭矩特性將很好地配合牙輪鉆頭和PDC鉆頭的改進(jìn)、能夠有效地延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命和增加機(jī)械鉆速�？赏ㄟ^(guò)多種結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中典型的結(jié)構(gòu)有3種：①加長(zhǎng)馬達(dá)，也稱多級(jí)馬達(dá)。就是把動(dòng)力段加長(zhǎng)，使馬達(dá)的輸出扭矩增加。貝克・休斯公司生產(chǎn)的XL系列加長(zhǎng)馬達(dá)在許多國(guó)家和地區(qū)得到應(yīng)用。②串聯(lián)多級(jí)馬達(dá)（DPS-PDM）。串聯(lián)馬達(dá)的動(dòng)力段總成增加了一節(jié)動(dòng)力段，中間用一鈦撓性軸相連，使馬達(dá)輸出的扭矩和功率增加。③多頭螺桿，加拿大的DRECO公司TRGDRILL型螺桿鉆具由單頭螺桿與行星齒輪減速器和支撐節(jié)組成，在保持高的馬達(dá)效率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)低速大扭矩。
中空轉(zhuǎn)子馬達(dá) 大斜度井和水平井需要大排量洗井以利于清砂，實(shí)心轉(zhuǎn)子馬達(dá)額定排量小，中空轉(zhuǎn)子的額定排量可以提高20%以上。北京石油勘探開(kāi)發(fā)研究院研制出一種帶穩(wěn)流閥的中空螺桿，這一特別設(shè)計(jì)的穩(wěn)流閥改善了普通中空螺桿鉆具過(guò)載時(shí)嚴(yán)重丟轉(zhuǎn)的問(wèn)題，提高了鉆具的抗過(guò)載能力和水功率利用率。
等壁厚螺桿鉆具 橡膠襯套厚薄不均，螺桿鉆具定子在工作時(shí)，容易導(dǎo)致定子過(guò)早失效，從而縮短了螺桿鉆具的使用壽命，通過(guò)合理改變定子殼體的形狀，使定子橡膠層薄且均勻，以克服常規(guī)螺桿鉆具定子技術(shù)的不足，能有效地改善螺桿鉆具的工作環(huán)境，提高其使用壽命。與常規(guī)螺桿鉆具相比，等壁厚螺桿鉆具的泵體短、扭矩小、易于洗井。該型鉆具具有以下優(yōu)點(diǎn)：散熱效率提高、橡膠溶脹、熱脹均勻、適應(yīng)范圍更廣、結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化、整體質(zhì)量更輕。
導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)用螺桿鉆具 導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)所用井下馬達(dá)主要有帶襯墊的彎外殼螺桿鉆具、雙傾萬(wàn)向螺桿（DTU）等，這些馬達(dá)與隨鉆測(cè)量系統(tǒng)（MWD）、聚晶金剛石鉆頭配合在一起，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間地鉆井并實(shí)時(shí)收集井下情況，保證井眼沿設(shè)計(jì)軌道鉆到目的層。Anadrill公司研制的地面可調(diào)彎殼體螺桿鉆具壽命長(zhǎng)達(dá)1000h。
開(kāi)環(huán)/閉環(huán)系統(tǒng)中用定向螺桿鉆具 國(guó)外出現(xiàn)了井下可調(diào)螺桿鉆具，井下調(diào)螺桿鉆具的應(yīng)用分兩種類型，一是地面遙控可調(diào)角度型，另一種是井下自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)。貝克休斯公司成功開(kāi)發(fā)的AutoTrak旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng)采用在井下馬達(dá)上安裝導(dǎo)向肋與近鉆頭MWD相配合實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向功能，與可調(diào)彎殼體配套出現(xiàn)了可換扶正器的螺桿鉆具，使扶正器的形狀、尺寸可以根據(jù)鉆井需要在井口改變，目前還出現(xiàn)了在井下可調(diào)尺寸的扶正器。
直井鉆進(jìn)用螺桿鉆具 貝克休斯INTEQ公司開(kāi)發(fā)的VeriTrak直井鉆井裝置成功的將直井用高能螺桿鉆具與垂直傾角精確到0.1°的近鉆頭MWD組合在一起，已在地中海地區(qū)、意大利、南美洲和墨西哥深水區(qū)等世界許多地區(qū)得到應(yīng)用。PDC鉆頭與直螺桿鉆井技術(shù)在我國(guó)也得到推廣應(yīng)用，這種專門用于直井鉆進(jìn)的螺桿鉆具在提高鉆進(jìn)速度的同時(shí)能夠很好的糾斜和避免井下事故的發(fā)生。
取芯用螺桿鉆具 螺桿鉆具專門用于地質(zhì)勘探鉆井的取芯作業(yè)。德國(guó)已研制出螺桿鉆具取芯系統(tǒng)（KIBM），我國(guó)也很早就研制出取芯專用螺桿鉆具。近期，大港油田中成公司生產(chǎn)的螺桿鉆具在中國(guó)大陸科鉆1井中應(yīng)用于“繩索取芯+螺桿馬達(dá)+液動(dòng)錘三合一”取芯技術(shù)中，取得了良好的效果。
空氣螺桿鉆具 空氣螺桿鉆具是專為空氣鉆井設(shè)計(jì)的一種馬達(dá)。國(guó)外主要是貝克休斯公司有能力生產(chǎn)空氣螺桿鉆具。國(guó)內(nèi)中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院鉆井所、北京石油機(jī)械廠2002年共同研制了K7LZ120×7.0空氣螺桿鉆具樣機(jī)。當(dāng)年7月在河北遂州成功進(jìn)行了空氣螺桿鉆具的模擬鉆井試驗(yàn)，結(jié)果表明試驗(yàn)樣機(jī)完全符合設(shè)計(jì)要求，同時(shí)克服了“飛車”、“難啟動(dòng)”等技術(shù)難點(diǎn)。
國(guó)內(nèi)螺桿鉆具研發(fā)建議
我國(guó)對(duì)螺桿鉆具的研制起步較晚，螺桿鉆具應(yīng)用仍處于初級(jí)階段。近年來(lái)，通過(guò)國(guó)外技術(shù)的引進(jìn)，許多油田和廠家正致力于螺桿鉆具的研究并開(kāi)始現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和試驗(yàn)。為滿足大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的需要，建議后期研究課題主要是圍繞探索新型螺桿鉆具、優(yōu)選螺桿鉆具結(jié)構(gòu)參數(shù)、合理選擇襯套與轉(zhuǎn)子配合過(guò)盈量、智能化控制、長(zhǎng)壽命高效平穩(wěn)運(yùn)行、滿足特殊井需要、擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域等方面開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)。經(jīng)過(guò)大量的文獻(xiàn)調(diào)研，螺桿鉆具的研究工作主要可從以下幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行：
螺桿鉆具結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化 主要研究螺桿鉆具定子在不同壓力、轉(zhuǎn)速、流量等條件下的受力狀態(tài)和變形規(guī)律，以及材料對(duì)變形規(guī)律、使用壽命的影響；螺桿鉆具轉(zhuǎn)子在不同壓力、轉(zhuǎn)速、流量等條件下的受力狀態(tài)和變形規(guī)律，以及材料對(duì)變形規(guī)律、使用壽命的影響；使定、轉(zhuǎn)子具有良好的力學(xué)性能及較好的工作性能。結(jié)構(gòu)參數(shù)的好壞會(huì)影響鉆具的壓力和密封性能，也會(huì)影響定子襯套的工作壽命。
襯套與轉(zhuǎn)子合理配合過(guò)盈量 研究螺桿鉆具在不同揚(yáng)程、不同鉆井液粘度下最優(yōu)工作狀態(tài)時(shí)定、轉(zhuǎn)子的合理過(guò)盈量；研究定、轉(zhuǎn)子摩擦產(chǎn)生的溫度場(chǎng)對(duì)定、轉(zhuǎn)子線型及過(guò)盈量的影響。根據(jù)不同的橡膠材料、不同的工作環(huán)境條件，選擇不同的配合過(guò)盈量。
擴(kuò)大螺桿鉆具應(yīng)用范圍 研制非油氣井用螺桿鉆具具有重要的意義，如煤層氣井抗腐蝕螺桿、地?zé)峋垢邷芈輻U等。非油氣井的井下工作環(huán)境更加惡劣，值得進(jìn)一步研究和探討。
螺桿鉆具的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化 國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)螺桿鉆具的廠家較多，目前螺桿鉆具制造和質(zhì)量檢測(cè)沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各制造廠的螺桿鉆具結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)不相同，產(chǎn)品的互換性相當(dāng)差，造成現(xiàn)場(chǎng)使用和維修相當(dāng)不便，嚴(yán)重影響了螺桿鉆具技術(shù)優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。因此，有必要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，從而提出螺桿鉆具生產(chǎn)制造、質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，提供螺桿鉆具定子材料以及特殊材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、型號(hào)等。
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