等壁厚螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

尚 鑫，賈建超

（渤海石油裝備（天津）中成機(jī)械制造公司，天津 300280）

等壁厚螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

尚 鑫，賈建超

（渤海石油裝備（天津）中成機(jī)械制造公司，天津 300280）

螺桿鉆具作為一種以鉆井液為動力的工具，目前被廣泛地應(yīng)用于石油鉆井施工過程中。與普通的螺桿鉆具相比，等壁厚螺桿鉆具作為一種新型的鉆具，其在性能、技術(shù)以及使用效率上具有一定的優(yōu)勢，并得到了廣泛的推廣。闡述了等壁厚螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其優(yōu)勢，并分析了等壁厚螺桿鉆具在現(xiàn)場中的實(shí)際運(yùn)用效果。

等壁厚螺桿鉆具；鉆井施工；現(xiàn)場應(yīng)用

螺桿鉆具是我國在上個世紀(jì)八十年代從國外引進(jìn)的一種動力工具，主要被用于石油鉆井和修井等方面，并在廣泛的應(yīng)用的過程中得到了快速發(fā)展。近年來，受石油鉆井施工環(huán)境的影響，復(fù)雜的分支井和水平井的鉆井施工給螺桿鉆具帶來了巨大的挑戰(zhàn)[1]。由于傳統(tǒng)螺桿鉆具的馬達(dá)定子襯套是螺旋狀的設(shè)計，馬達(dá)的長度和尺寸較大，且厚度不夠均勻，如果長時間進(jìn)行水平井和分支井等復(fù)雜的鉆井施工，就會出現(xiàn)承壓能力降低、變形、磨損以及折斷等現(xiàn)象，因此，不但影響了鉆井效率，還大大增加了鉆井成本。等壁厚螺桿鉆具作為一種新型的動力鉆具，具有抗高溫、轉(zhuǎn)速低、長度尺寸小以及功率大等特點(diǎn)，可以在復(fù)雜的分支井和水平井鉆井施工過程中長期使用，并取得了良好的應(yīng)用效果。

等壁厚定子技術(shù)是螺桿鉆具技術(shù)的革命性突破，該技術(shù)的核心結(jié)構(gòu)改變現(xiàn)有常規(guī)螺桿鉆具定子鋼管結(jié)構(gòu)，采用預(yù)成型技術(shù)加工出定子螺旋嚙合線型，使螺桿鉆具定子橡膠等壁厚，極大的改進(jìn)了螺桿鉆具的性能，提高了使用壽命。

1 等壁厚螺桿鉆具概述

1.1 等壁厚螺桿鉆具的整體結(jié)構(gòu)

等壁厚螺桿鉆具（如圖1）主要是由旁通閥總成、傳動軸總成、萬向軸總成、馬達(dá)總成等幾個部分組成，其核心部件是馬達(dá)總成。

1.2 等壁厚螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖1 等壁厚螺桿鉆具

（1）傳動軸總成。等壁厚螺桿鉆具的上硬質(zhì)合金徑向軸承是通過限位結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定，這樣可以有效地防止不斷運(yùn)行過程中出現(xiàn)的軸頭損害和斷裂的情況，并且可以在傳動軸斷裂時起到防掉的作用。等壁厚螺桿鉆具的下硬質(zhì)合金徑向軸承動套是通過過盈配合的方式與傳動軸進(jìn)行連接，下硬質(zhì)合金徑向軸承靜套通過螺紋連接的方式與傳動軸殼體進(jìn)行連接，這樣就可以防止施工過程中因產(chǎn)生的振動和摩擦力較大而出現(xiàn)松動的情況[2]。

此外，等壁厚螺桿鉆具在傳動軸的設(shè)計上摒棄了以往的臺肩定位，改用大的圓弧進(jìn)行過渡的方式，并除去上面的螺紋，從而實(shí)現(xiàn)軸體應(yīng)力的平均分布，避免裂紋的產(chǎn)生。等壁厚螺桿鉆具的防掉系統(tǒng)是由下硬質(zhì)合金徑向軸承和鎖母組成，并使用螺紋的連接方式，這樣可以大大提高防掉性能。與普通的螺桿鉆具傳動軸相比，由于等壁厚螺桿鉆具的傳動軸是使用鍛件加工的方式，因此，在工作性能上有了很大程度的提高。

（2）萬向軸總成。萬向軸在螺桿鉆具中的主要作用就是將馬達(dá)運(yùn)行所形成的扭矩和轉(zhuǎn)速傳輸至傳動軸，并吸收掉轉(zhuǎn)子振動過程中形成的下推力。由于萬向軸要同時承受彎曲力、扭轉(zhuǎn)力和壓力，并長期與鉆井液接觸，從而造成萬向軸極易受到損壞，最終影響螺桿鉆具的使用效率。等壁厚螺桿鉆具將傳統(tǒng)的花瓣形萬向軸改為球形萬向軸，并采用絞、桿、球等連接方式進(jìn)行扭矩的傳輸，球形的萬向軸可以有效地減少滾動摩擦力，從而降低萬向軸的磨損速度。

此外，球形的萬向軸可以擴(kuò)大接觸受力的部位，在沖擊力和承受力方面有了很大程度的提高。通過一些特殊的處理技術(shù)大大提高了球形萬向軸表面的抗高溫能力、硬度以及耐磨能力，從而延長了萬向軸的使用壽命。球形的萬向軸是通過橡膠油封對鋼球進(jìn)行密封，使鋼球處于潤滑油脂保護(hù)下，以避免與鉆井液的直接接觸而造成腐蝕現(xiàn)象。如果球形萬向軸在運(yùn)動的過程中軸頭出現(xiàn)失效的情況，萬向軸只會處于密封套中，不會出現(xiàn)整體斷裂的情況[3]。

（3）馬達(dá)總成。等壁厚螺桿鉆具中的馬達(dá)定子外殼是使用合金鋼制作而成，定子橡膠所采用的是丁腈橡膠，這種橡膠具有耐磨能力強(qiáng)以及強(qiáng)度高等特點(diǎn)。馬達(dá)定子的內(nèi)部采用方法是機(jī)械加工，并根據(jù)轉(zhuǎn)子線性設(shè)計出了相應(yīng)的螺旋槽，最后進(jìn)行注膠。與普通的螺桿鉆具相比，等壁厚螺桿鉆具中的橡膠和定子內(nèi)部的粘連面積擴(kuò)大了近一倍，這樣可以提高橡膠的牢固程度，從而避免老化和掉膠的情況發(fā)生。

此外，在定子內(nèi)部的加工過程中所形成的螺旋槽，可以有效地提高定子外殼的抗變形能力和抗沖擊能力，從而在很大程度上提高了馬達(dá)的工作效率和使用時間。

1.3 傳統(tǒng)螺桿鉆具在使用過程中存在的問題

由于傳統(tǒng)螺桿鉆具所使用的是花瓣型的萬向軸，在實(shí)際使用過程中如果遇到較大軸向力時，就會造成萬向軸的接觸點(diǎn)減少，鋼球位置的應(yīng)力無法集中，從而無法承受使用過程中形成的巨大推力?；ò晷偷娜f向軸在工作過程中的摩擦形式為滑動摩擦，這會加快萬向軸的磨損速度，從而大大降低萬向軸的使用壽命[4]。

此外，由于傳統(tǒng)螺桿鉆具所使用的潤滑劑為鉆井液，而鉆井液是由多種強(qiáng)氧化性物質(zhì)組成，因此，會加快螺桿鉆具的腐蝕程度。受鉆井液腐蝕的影響，花瓣型的萬向軸會出現(xiàn)斷裂的情況，如果斷裂過程中有金屬碎塊進(jìn)入傳動軸，就會對傳動軸造成損壞。傳統(tǒng)的螺桿鉆具在傳動軸與軸承的連接方式上存在一些問題，這會造成螺桿鉆具在使用過程中因?yàn)檩^強(qiáng)的振動而出現(xiàn)松動的情況，最終影響螺桿鉆具的穩(wěn)定性能和安全性能。

2 等壁厚螺桿鉆具的現(xiàn)場應(yīng)用效果

2.1 具體應(yīng)用情況

大慶油田中的樁113—188區(qū)塊中主要以分支井和水平井為主，平均井深為2 000米以上，井下地質(zhì)的硬度較強(qiáng)，施工環(huán)境復(fù)雜，鉆井難度相對較大。為了比較普通螺桿鉆具和等壁厚螺桿鉆具的實(shí)際應(yīng)用效果，我們選擇在相同的鉆井參數(shù)、地質(zhì)和區(qū)塊中分別使用普通螺桿鉆具和等壁厚螺桿鉆具進(jìn)行鉆井施工，以對比兩者的使用效果。經(jīng)過一段時間的試驗(yàn)結(jié)果表明，等壁厚螺桿鉆具比普通螺桿鉆具的鉆井速度提高了32%，平均節(jié)約時間58小時，普通螺桿鉆具在完成試驗(yàn)后萬向軸和傳動軸已經(jīng)出現(xiàn)了較大程度的損壞，而等壁厚螺桿鉆具的各個組成部分都未出現(xiàn)明顯的損壞情況，也未出現(xiàn)使用效率降低的情況。

2.2 具體應(yīng)用效果

等壁厚螺桿鉆具在具體應(yīng)用過程中的每次下井時間平均為260個小時，馬達(dá)的使用時間為420～560個小時，比普通螺桿鉆具馬達(dá)的使用時間要多出近3倍。由于減少了馬達(dá)的長度和尺寸，從而使隨鉆側(cè)井儀和隨鉆測量儀測量準(zhǔn)確度有了很大程度的提高，并能確保定向鉆進(jìn)以及復(fù)合鉆進(jìn)過程中的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。等壁厚螺桿鉆具的定子外殼中所具備的螺旋槽，在施工過程中大大提高了外殼的抗擊能力，有效地減少了磨損情況和斷裂情況的發(fā)生。此外，由于馬達(dá)中橡膠的厚度均勻，提高了沖擊力和抗壓力，轉(zhuǎn)子和定子形成的密封腔具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，因此在實(shí)際應(yīng)用過程中有效地減少了馬達(dá)失效情況的發(fā)生。與普通螺桿鉆具相比，等壁厚螺桿鉆具的單級輸出扭矩提高了近4倍。此外，由于等壁厚螺桿鉆具具有使用壽命較長、鉆井速度較高以及不易出現(xiàn)故障等優(yōu)點(diǎn)，因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中大大減少了鉆井周期，并有效節(jié)約了鉆井成本[5]。等壁厚螺桿鉆具在施工過程中具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和安全性，從而可以有效地避免鉆井過程中安全事故的發(fā)生，確保人們的生命財產(chǎn)安全。

3 結(jié)束語

綜上所述，與普通螺桿鉆具相比，等壁厚螺桿鉆具在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化，并形成了較強(qiáng)的抗高溫能力和抗壓能力，在使用壽命、安全性能、穩(wěn)定性能以及鉆井速度方面有了很大程度的提高，因此，比較適用于環(huán)境復(fù)雜以及難度較大的鉆井施工。等壁厚螺桿鉆具能有效地提高鉆井效率，降低鉆井成本，確保鉆井施工的安全，從而大大提高了石油開采效率。

[1]于衛(wèi)東，殷鳳玲，孫 偉，等.螺桿鉆具在深井快速鉆進(jìn)中的應(yīng)用[J].石油礦場機(jī)械，2010，39(4)：92-94．

[2]劉永剛，陳紹安，李齊富，等.復(fù)雜深井鉆具失效研究[J].石油礦場機(jī)械，2010，39(9)：13-16．

[3]況雨春，馬青松，王 勤，等.鉆井水力參數(shù)優(yōu)化方法及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].石油礦場機(jī)械，2OlO，39(7)：1-4．

[4]祝效華，童 華，趙紅超，等.螺桿鉆具傳動軸力學(xué)特性評價[J].石油鉆探技術(shù)，2007，35(1)：56-58．

[5]鄭華林，郭高壘，馬建祿.新型等壁厚螺桿鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計及力學(xué)分析[J].石油礦場機(jī)械，2011，40(8)：74-77．

The Analysis of the Structure and the Site Application EffectofWall Thickness of Screw Drill

SHANGXin，JIA Jian-chao
(Bohaipetroleum equipment(Tianjin)Zhongchengmachinerymanufacturingcompany，Tianjin 300280，China)

Screw drill as a drilling fluid as power tools,has been widely used in oil drilling construction process.Compared with the ordinary screw drill,wall screw drill is a new type of drilling tools,has certain advantages in performance,technology and efficiency,and widely spread.This paper describes the structure characteristics and advantagesofwall thickness of screw drill tool,and analyzes the resultsof the practicalapplication ofwall thickness in the field ofscrew drill.

wallscrew drill；drilling；field application

TE921

B

1672-545X（2014）04-0179-03

2014-01-09

尚 鑫（1985—），男，遼寧阜新人，助理工程師，本科，目前從事壁厚螺桿鉆具技術(shù)研究工作；賈建超（1985—），男，天津人，助理工程師，本科，目前從事壁厚螺桿鉆具技術(shù)研究工作。