井下動(dòng)力鉆具旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)

井下動(dòng)力鉆具旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)

井下動(dòng)力鉆具旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)是繼轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)的又一次巨大的鉆井技術(shù)革命。成熟轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)大大提高了破巖效率和鉆進(jìn)速度，完鉆井不斷加深，但數(shù)千米的鉆具在井中旋轉(zhuǎn)消耗了過(guò)多的功率，且易發(fā)生鉆桿折斷事故，這使人們向著減少鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)的方向?qū)ふ医鉀Q辦法。20世紀(jì)20年代初，前蘇聯(lián)首先開發(fā)出井下動(dòng)力鉆具（渦輪鉆具），其地面設(shè)備、清除巖屑的方法和轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆井原理相同，區(qū)別是轉(zhuǎn)動(dòng)鉆頭的動(dòng)力由地面移到井下，直接作用在鉆頭上，鉆柱只是給鉆頭施加鉆壓、形成鉆井液通道、承受井下動(dòng)力鉆具外殼的反扭距。井下動(dòng)力鉆具的動(dòng)力由地面泥漿泵或電源提供。

井下動(dòng)力鉆具主要分為電動(dòng)鉆具、渦輪鉆具、螺桿鉆具3種。電動(dòng)鉆具是臺(tái)電機(jī),1937年首先在前蘇聯(lián)研制成功，40年代中葉形成規(guī)模化應(yīng)用。原理是電動(dòng)鉆具電纜裝在鉆桿內(nèi)，以鉆桿接頭的特別接頭聯(lián)通。優(yōu)點(diǎn)是鉆桿不轉(zhuǎn)，功率降低，減少了鉆桿事故；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、轉(zhuǎn)速高（1 200 r/min以上）、可靠性差、絕緣與密封要求高。70年代美國(guó)對(duì)電動(dòng)鉆具進(jìn)行改進(jìn)，轉(zhuǎn)速大幅度降低（350 r/min），與連續(xù)管鉆井配合使用，推進(jìn)了該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

渦輪鉆具是一種特殊的葉輪式井下動(dòng)力鉆具。1923年世界上第1臺(tái)渦輪鉆具在前蘇聯(lián)巴庫(kù)油田試驗(yàn)成功，1953年以來(lái)形成以前蘇聯(lián)為代表的渦輪鉆具鉆井技術(shù)。原理是由泥漿泵將高壓鉆井液經(jīng)鉆桿內(nèi)腔泵入渦輪鉆具中，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子主軸帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)破巖。與電動(dòng)鉆具相比，渦輪鉆具輸出性能柔和，轉(zhuǎn)速稍低（800 r/min），制造精度容易保證，操作簡(jiǎn)單。隨著密封牙輪鉆頭和噴射鉆井技術(shù)發(fā)展，渦輪鉆具暴露出的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高、扭矩低、止推軸承壽命短、工具長(zhǎng)等。之后經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)形成了復(fù)式渦輪鉆具、低速大扭矩渦輪鉆具、帶減速器的渦輪鉆具、金屬密封渦輪鉆具等，降低了轉(zhuǎn)速（400 r/min以內(nèi)），增大了扭矩，提高了抗高溫性能，與PDC鉆頭配合使用，提高了鉆井速度。

螺桿鉆具是另一種由高壓鉆井液驅(qū)動(dòng)的容積式井下動(dòng)力鉆具。美國(guó)是螺桿鉆具技術(shù)最具代表性的國(guó)家，其從20世紀(jì)50年代開始研究單螺桿鉆具，60年代投入應(yīng)用，在80年代螺桿鉆具得到快速發(fā)展。螺桿鉆具原理是帶壓力的鉆井液驅(qū)動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)鉆頭破巖鉆進(jìn)。它克服了早期渦輪鉆具的部分缺點(diǎn)，能提供大扭矩、低轉(zhuǎn)速（單頭400 r/min、多頭90～200 r/min），結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠。隨著技術(shù)的進(jìn)步，螺桿鉆具不斷革新、更新?lián)Q代，形成分流螺桿鉆具、空心轉(zhuǎn)子螺桿鉆具、多頭低速大扭矩螺桿鉆具、抗高溫螺桿鉆具等。

隨著科技進(jìn)步，無(wú)線隨鉆MWD、LWD、PDC鉆頭等新成果與井下動(dòng)力鉆具配合使用，提升了定向與井斜控制能力，提高了鉆井速度。世界鉆井技術(shù)已經(jīng)形成以前蘇聯(lián)為代表的以渦輪鉆具鉆井技術(shù)為主體、轉(zhuǎn)盤鉆井為輔助，和以美國(guó)為代表并為世界大多數(shù)國(guó)家所采用的以轉(zhuǎn)盤鉆井技術(shù)為主體、井下動(dòng)力鉆具（以螺桿鉆具為主）為補(bǔ)充的2個(gè)方向的發(fā)展路線。目前鉆井技術(shù)正朝著智能化導(dǎo)向鉆井技術(shù)方向發(fā)展。

〔華北油田公司 孫志和〕