等壁厚螺桿鉆具結構特點及應用

種法強

摘要：同等條件下等壁厚螺桿鉆具容積效率、轉速、輸出扭矩、總效率和輸出轉矩均優于常規螺桿鉆具。螺桿鉆具以泥漿為動力載體，通過泥漿泵泵出的泥漿液，經過旁通閥進入馬達后在進出口形成壓差，推動馬達轉子旋轉，通過傳動軸和萬向軸將轉速和扭矩傳遞給鉆頭，等壁厚螺桿鉆具技術優勢明顯。掌握這種新型動力鉆具的技術特點是保證其在鉆井生產中合理運用的前提。本文就等壁厚螺桿鉆具與普通螺桿鉆具的區別，以及在叢式井組的實踐運用討論了等壁厚螺桿鉆具在鉆井生產中的優勢。

關鍵詞：等壁厚螺桿鉆具;技術優勢;轉速扭矩;結構組成

1 結構特點

同普通螺桿鉆具基本結構相同，如下圖1所示，等壁厚螺桿鉆具包括：傳動軸總成、萬向軸總成、馬達總成、防掉總成和旁通閥總成等五部分。雖然兩種鉆具的結構組成相似，但詳細結構卻存在較大的差異。

如圖1a所示，常規螺桿鉆具馬達外壁為剛體，在內壁光滑的定子殼體上澆鑄橡膠形成襯套。橡膠襯套黏合與內壁光滑的定子殼體上，外表面為圓柱形，內表面為螺旋曲面，與轉子相互嚙合，通過不同的導程差形成螺旋密封腔。采用這種澆鑄方法，定子殼體內的橡膠襯套厚薄不均，波峰和波谷處的橡膠厚度存在較大差別。由于橡膠襯套硫化過程中的溫度和時間無法改變，波峰、波谷處的橡膠會出現過度硫化及硫化不充分的現象，加之螺桿鉆具轉子在定子內長時間工作，因此容易出現掉塊、撕裂和脫膠現象，導致馬達過早失效，縮短了螺桿鉆具的使用壽命。

如圖2b所示，等壁厚螺桿鉆具馬達定子的螺旋曲面經過硫化后厚度一致、分布均勻，等壁厚橡膠硫化過程中不會出現脫膠或老化等問題，內表面加工后的螺旋曲面與轉子配合形成等壁厚馬達，增強了橡膠在定子表面的抗變形能和耐沖擊能力，達到最佳硫化效果，延長了馬達使用周期。同時定子內橡膠適用性強，在運轉條件下變形程度低，增加了與轉子的配合量，提高了馬達壓降，即使在壓降相同的情況下馬達尺寸縮短，鉆具機械效率得到進一步提高。

2技術優勢

2.1壽命長

等壁厚鉆具馬達定子內螺旋曲面采用加工和硫化橡膠工藝，內曲面提供了更大的橡膠粘結面積，從而增加粘附性。等壁厚橡膠在硫化過程中收縮均勻，不會出現橡膠局部老化、掉膠等問題，使硫化效果達到最佳。保證了定子橡膠的壽命。

等壁厚鉆具定子內螺旋曲面使橡膠的支撐均勻，這樣的橡膠在使用過程中磨損均勻，收縮均勻，在橡膠磨損后仍保持相對好的密封性能，而常規鉆具橡膠頭部磨損快，收縮量大，造成局部漏失量大。因此等壁厚螺桿鉆具的動力衰減要比常規螺桿鉆具慢的多。

2.2效率高

等壁厚鉆具馬達定子內螺旋型腔橡膠厚度谷底相同，定子頭部對橡膠支撐力強，高壓下定子變形率相同，變形量減小，抗變能力比傳統的定子更強，因此密封腔高壓下容積效率提高，漏失量減少，密封性能增強，耐壓力提高。每級承壓能力是常規定子的2-3倍，自相同長度下等壁厚螺桿鉆具比不同螺桿鉆具的動力更足。

2.3輸出扭矩大，提高定向測量精度

根據螺桿鉆具“排量決定轉速、轉速決定壽命”的特性，等壁厚鉆具通過對定子襯套與轉子配合的優化，采用馬達定子與轉子間隙配合，等壁厚螺桿鉆具在同樣的工作點下，容積效率提高，轉速更快，機械效率提高后扭矩隨之提高。輸入功率相同的情況下，比傳統的螺桿鉆具提供更大的輸出功率。相反，在輸出扭矩相同的情況下，等壁厚螺桿鉆具定子長度比常規鉆具要短，這會使同等輸出性能的螺桿鉆具縮短，使螺桿鉆具上部的定向儀器更接近鉆頭，有利于提高測量精度。

3 等壁厚螺桿鉆具在實踐中的主要技術指標

A井組中第一次采用等壁厚螺桿鉆具，各方面指標較常規螺桿鉆具優勢明顯。選用的直徑197毫米、單彎1.25度的動力鉆具在該井組施工中共下井十次，完成總進尺11652米，總運轉時間為315.07小時，其中純鉆進時間達182.3小時，馬達壽命比以往普通螺桿鉆具的1.5倍以上。平均機械鉆速達63.92米/小時（比同類型的螺桿鉆具提高百分之三十），最快機械鉆速達105.33米/小時，創油田同類型動力鉆具的多項紀錄。

A井組中第一次采用等壁厚螺桿鉆具，各方面指標較常規螺桿鉆具優勢明顯（如表1）選用的直徑197毫米、單彎1.25度的動力鉆具在該井組施工中共下井十次，完成總進尺11652米，總運轉時間為315.07小時，其中純鉆進時間達182.3小時，馬達壽命比以往普通螺桿鉆具的1.5倍以上。平均機械鉆速達63.92米/小時（比同類型的螺桿鉆具提高百分之三十），CB6GB-8的最快機械鉆速達105.33米/小時，創油田同類型動力鉆具的多項紀錄。

4結論與認識

4.1較普通螺桿鉆具相比，等壁厚螺桿鉆具機械鉆速有一定幅度的提高，可以減少鉆井周期，降低鉆井成本。

4.2在相同地層情況下，等壁厚螺桿鉆具使用壽命長。一個12口井的叢式井組施工過程中，比普通螺桿鉆具可以少使用1到2根，大大降低了鉆井成本。

4.3等壁厚馬達橡膠壁厚均勻，定、轉子形成的密封腔穩定可靠，鉆具的安全性大大提高。

4.4等壁厚鉆具長度縮短，定向隨鉆測量儀的測量精度提高，在定向鉆進與復合穩斜鉆進時施工精度高，尤其是水平井施工優勢明顯。

綜上所述，等壁厚螺桿鉆具具有較高的推廣應用價值。

參考文獻

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[2]等壁厚螺桿鉆具研制與現場試驗[J]. 楊利強，巴魯軍，薛江平.石油鉆探技術.2016（02）

[3]螺桿鉆具的前沿技術[J]. 李萌，于興勝，羅西超，黃衍福，劉鳳，王宇鵬.石油機械.2017（09）

（作者單位：中石化勝利石油工程公司管具技術服務中心海外一隊）