螺桿鉆具的應用現狀及未來進步趨勢分析

劉立江

（奧瑞拓能源科技股份有限公司，河北 廊坊 065099）

隨著打鉆油井的方法及自身技術的提升，螺桿鉆機作為這項常用的工程技術，自身也有了很大的技術提升。國內鉆機階段經歷了從無到有，從弱到強的很快進步，國內螺桿鉆具在國內市場占據主導地位，差不多處理了國內打鉆油井方法工程的要求，但國內鉆井工具因為多種緣故，有很多的問題，如不穩定、選擇的鉆井工具與刀具壽命存在管理方面的混亂現象等，有必要分析鉆井工具的特點，包括鉆具設計、制作、運用、檔案管理的全套階段的管理控制，發現差錯的地方，指出處理螺桿鉆具問題的方向，從而實現國產鉆具的再開發。

1 螺桿鉆具的進步現狀

近年來為滿足鉆井工程的需求，螺旋鉆在中國的應用領域不斷擴大，已由最初的定向井、多位移斜井、水平井與一般垂直井向多規模方面擴展，出現復合鉆井與河流穿越工程。螺桿鉆機技術的進步體現在以下幾個方面：尺寸規格從54mm擴大到286mm，各方面參數更加詳細。為了滿足不同鉆井參數的需求，在一致規格下有許多不同的參數。在構造上，分析了不同的構造以及不同的鉆井方式；在鉆井壽命方面，優化后的鉆井方案能夠滿足各種工作情況下的鉆井需求。從鉆頭的4個方面的進步能夠看出，整個鉆頭的進步在此能夠具體的表現出來。

1.1 旁通閥總成

近年來，旁路閥總成的構造沒有得到很多的進步，底層上保持了閥體、彈簧、密封圈、閥心、閥套的構造。閥門總成開關經常打開，很容易使閥門心、閥套與閥體內部多量腐蝕，提高容易損壞部件更換的可能，這些都是螺桿鉆具現在面臨的情況。

1.2 電機裝配

電機總成其實是來分析螺桿鉆機制造工藝水平的關鍵部件，自推出以來一直是各廠家的重點研發對象。所以，螺桿鉆具能夠得到很快的進步，這些進步具體表現在以下方面。

（1）底層理論是延續萬邦烈教授的理論，線方面形式是保持圓弧與原擺線。雖然采用了圓弧與短內擺線的形式，但是很少有廠家會使用此理論。

（2）電機模型，每個廠家都做出了很多改進，主要體現在更完整的規格與數量方面，從原來的單頭引入今天的9/10頭等；運用的廣度也有很大的提高，從原始適合液體的鉆井到適合空氣與泡沫的鉆井，鉆井工具的規范也更詳細，如針對不同系列、不同尺寸的定子，以及適合不同工況的螺桿鉆具。研制了延長電機與串聯電機。

（3）定子橡膠由原來的耐高溫25℃增加為耐更高溫度。定子橡膠壽命不穩定，經常發生橡膠脫落的問題。

（4）轉子表面的涂層一般是電鍍，只有少數廠家嘗試使用TC碳化物噴涂。轉子被腐蝕或去鉻，去鉻主要發生在海水或鉆井中。

（5）中國定子主軸、轉子的加工水平有了很大提高，其中不乏有一些廠家的生產水平超出了國外水平。中國很多廠家都是采用仿形加工方法來制造轉子，多轉子采用每頭整體加工，然后再將加工方法進行劃分。多港油田公司與對應單位合作開發的專用轉子數控機床，提升了加工的精度，但整體尺寸卻發生了控制失控。它僅用于測量多型步道的尺寸，而線方面的具體尺寸根本無法測量。在機床制造商與一些隨機配備最先進的國際汽車設計軟件與三坐標，轉子研磨與拋光加工使用三坐標測試，在任何時候，在任何時間，能夠實現加工尺寸在線測量比較理論，從而提高線方面定子的加工精度，提供了很重要的理論基礎。

1.3 萬向軸總成

萬向軸總成的制造方法已經得到了很多改進。整體花瓣形萬向軸總成的加工方式簡單，壽命長，是國內主要的萬向軸總成；十字形萬向軸總成的構造借鑒了汽車萬向軸的構造原理；銷接萬向軸總成是密封的萬向軸，其壽命略高于整體花瓣形萬向軸總成，但構造復雜；球鉸萬向軸總成是一種國外流行的萬向軸總成。嵌入式柔性側萬向軸總成是國內較早的一種萬向軸形式，其構造是將萬向軸的細長軸置于轉子內，通過增加長軸長度以及增加萬向軸的柔性側，實現通用作用，是一種具有較長壽命的萬向軸，是中國近年來進步最快的，也是最適合于可調式曲線殼體鉆具的萬向節軸組件，壽命一般在200～500h以上。

2 螺桿鉆具進步建議

（1）旁通閥總成。旁通閥的閥芯、套筒與內表面是最易磨損的部位。鉆井液分流的主要方式是垂直分流，造成閥芯、套筒與閥體內表面鉆井液流面的過度沖蝕。鉆井液流動路徑由垂直侵蝕轉變向側向分流，改善了閥芯的工作環境，減少了零件數量，鉆井表面通過高耐磨處理，從而提高了旁通閥組件的使用壽命。

（2）電機總成。定子橡膠是電機總成的薄弱環節。提高橡膠的物理和化學性能是問題的關鍵。建議從2個方面著手：一是在不久的將來，如果橡膠配方方面沒有突破，就改變現有的設計理念，并充分利用現有配方的特點，融入工業與礦業；二是在設計中增加橡膠本身強度，以提高橡膠整體的物理和化學性能，這不僅增加輸出轉矩，而且也使各級電機的密封壓力增加了50%～100%，所以在一致的長度、磁頭數與串聯數下，電機的總長度也縮短了。此外，應該加強對新橡膠配方的研究，全面改善橡膠的物理和化學性能，同時在我們的日常工作中也應保證橡膠的加工質量。

（3）萬向軸總成。萬向軸總成的種類很多，包括常規型、長壽命型與高性能型。建議現階段，應提升常規類型自攻螺絲質量，處理影響質量的薄弱環節，提高其使用壽命。現在，與鉆具配套的其它鉆具與鉆削參數底層上與傳統的通用萬能軸總成匹配（壽命控制在15h之內），由于此工作重點應放在材料熱處理以及對應的耐磨墊上。如應力表面處理，萬向軸端部花瓣堵塞，球面關節端部咬合鉸接。材料與熱處理研究。同時，還應努力研究長壽命、高性能的萬向軸組件，為鉆具出口與長壽命鉆具的進步奠定基礎。現有萬向軸總成的構造基本合格，因此應注重產品的各階段質量控制，如關鍵零部件的探傷。可調彎曲殼組件是近年來進步最快的，也是問題較少的組件。建議今后的研究開發重點仍應放在螺紋類型的選擇與殼體外觀上。

（4）建議開發租賃鉆具的業務。自20世紀80年代開始國外鉆具租賃以來，中國近年來進步緩慢。究其緣故，主要原因是：一是市場發育不完善，市場運行中的誠信問題一直困擾著市場的進步；二是鉆具使用壽命短，不能滿足租賃市場的需求。使用壽命是租賃鉆具盈利的關鍵，為了解決使用壽命問題，首先應該處理易損件的使用壽命問題。建議現在應該做的主要工作是：①旁通閥總成應重點開發長壽命閥體、閥芯、閥套與彈簧。閥體與閥套在保持耐磨層的基礎上，應采用可更換的耐磨套管硬質合金芯。將路面改為側流，總壽命指標為350～450h。②定子橡膠應配制性能較高的橡膠，轉子使用壽命應多于300h。應盡可能進步碳化鎢噴涂轉子，使用壽命應多于900h。③萬向軸總成應選用壽命較長的柔性側萬向軸或球鉸萬向軸，其壽命應超過450h。④在采用長壽命構造的基礎上，傳動軸組件應優化易于拆卸的構造，長期軸承的使用壽命應不小于260h，傳動軸應不小于400h。重點研制具有導流閥頭與防沖傳動軸套的二極管帽，以延長二者的使用壽命。

3 結語

總而言之，只有開發租賃鉆具，即長壽命鉆具，才能真正實現租賃市場中螺桿鉆具的開發與鉆機質量的提高，因為鉆具的高壽命并不意味著鉆具其他方面的提升。

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