涡轮钻具技术方案研究
3.3.1 超深孔涡轮钻具适应性研究（1）涡轮钻具选用建议对于目标井深为13000m的超深井，终孔直径≥152mm，最高井底温度预计在400℃以下，压力在150MPa左右，国内高温高压井主要集中在南海北部大陆架边缘的莺琼盆地、西南部的四川盆地，塔里木盆地，以及其他地区，但万米超深井的具体孔中温度状况与深部钻探选址有关，也与地层特性有关。涡轮钻具是全金属部件，是目前能适应高温井施工唯一的动力钻具，从工作特性方面考虑，螺杆钻具属于容积式涡轮钻具，比较适合于钻井作业，因此，建议涡轮钻具只是在较深的井段，或者高温井段使用，可在8000m～10000m以深选用涡轮钻具。涡轮钻具的规格，根据钻井井深结构设计和钻头大小进行选择，确定10000m以深使用涡轮钻具，根据万米深孔初步的井深设计情况，选择相应的钻头直径，并在此基础上选择的涡轮钻具规格与钻头的匹配关系如表3.8所示。表3.8 涡轮钻具与钻头的匹配关系涡轮钻具技术目前最先进的是美国和俄罗斯的涡轮钻具，国产涡轮钻具总体技术水平与国外还有一段差距，关键部件（如减速器、平衡装置）的设计、制造，以及可靠性与国外相比，还有不少差距，建议我国以万米深孔为契机，研究适合我国超深孔钻探需要的涡轮钻具，研究目标主要以168mm和127mm的涡轮钻具为主。如需选用国外产品，则可选择美国Smith和俄罗斯NGT的涡轮钻具，具有比较好的可靠性。另外，具体型号的选择应该结合钻头参数相匹配进行选择。（2）叶型设计与优化技术涡轮定子、转子的曲线形状是涡轮钻具最关键的技术，不同的叶型具有不同的水力性能，叶片的形状对与其制造成型也十分关键。通过叶片形状的优化设计、制造工艺的优化设计解决小直径带来的功率急剧下降的难题。涡轮叶栅的叶型设计是涡轮钻具水力设计和开发的关键技术，通过流场的优化设计，以达到涡轮叶片水力效率的最大化。在涡轮叶片型线设计中，叶片断面形状的设计最重要，不同叶片型线具有不同水力性能，对涡轮钻具性能影响很大。涡轮钻具的水力设计方法主要包括涡轮钻具水力性能设计的理论方法、计算机建模与仿真，以及水力性能的实验分析3个方面，目前，本实验室已经编写了水力部件设计程序，完成了外径为127mm的涡轮钻具水力部件设计，并开始进行制造，同时，正开展涡轮叶片相关仿真研究。（3）减速器设计技术涡轮钻具减速器形式多样，其中常用的行星齿轮减速器主要由行星齿轮、止推轴承、密封系统等组成，其作用是降低马达的转速、增加扭矩，与钻头匹配。在有限井下动力钻具空间内，设计新型、稳定、可靠的减速器满足涡轮钻具与涡轮钻井工艺要求。解决转速高、扭矩小的难题。本实验室分别完成了行星齿轮减速器和少齿差减速器的设计，见图3.16。图3.16 减速器三维图（4）长寿命高可靠轴承技术轴承是涡轮钻具中最薄弱的环节，轴向轴承支撑涡轮部件，承受轴向力；径向轴承则承受径向力，保证部件同心。超深井钻探中，长寿命的涡轮钻具专用轴承可减少辅助操作时间（图3.17）。图3.17 设计的常规扶正轴承设计主要从改善轴承的受力条件，提高轴承使用寿命，受力条件恶劣是轴向轴承损坏的主要原因，以及优选材料与结构，提高轴承本身强度和耐研磨能力。目前，实验室已经完成了扶正轴承设计，下一步开始开展PDC止推轴承设计，PDC止推轴承具有较高的耐研磨能力，可以在超高温下进行操作，并能承受较大的轴向载荷；同时，PDC材质具有较小的摩擦系数，不受钻井中存在的化学物质的影响。3.3.2 涡轮配套钻井技术研究涡轮钻具的一个重要特性是转速较高，一般空转转速达600～1200r/min，超深井在较深井段一般为较硬的结晶岩，在此硬塑性难钻地层中采用涡轮钻具配合孕镶金刚石钻头以犁削方式破碎岩石，在钻极硬的粗晶粒地层时表现为磨削破岩，高转速强化钻井大大提高了深井机械钻速，降低钻井综合成本。全面钻进时，五开采用钟摆钻具+184mm涡轮马达驱动+269.9mm牙轮钻头进行10000～8000m施工，六开采用钟摆钻具+168mm涡轮马达驱动+215.9mm牙轮钻头进行13000～10000m施工，并备用钟摆钻具+127mm涡轮马达驱动+165.1mm牙轮钻头进行13000～10000m施工。取心钻进时，五开采用184mm涡轮马达驱动+269.9mm孕镶金刚石钻头进行10000～8000m施工，六开采用168mm涡轮马达驱动+215.9mm孕镶金刚石钻头进行13000～10000m施工，并备用127mm涡轮马达驱动+165.1mm孕镶金刚石钻头进行13000～10000m施工。万米超深井较深井段施工时，全面钻进用牙轮钻头配合涡轮钻具钻进，取心钻进用孕镶金刚石钻头配合涡轮钻具钻进，如经费允许，建议全部改成孕镶金刚石钻头配合涡轮钻具钻进，虽钻头增加了成本，但减少了综合成本，总体可取，但特别重要的是应该根据地层选择配合钻头，再根据钻头使用条件配合选择相应的涡轮钻具，以发挥涡轮钻具的最大功效。
石油钻井中螺杆钻具的作用？
1、螺杆钻具下接钻头，增加钻进动力。一般马达转子转速在110-130转/分，再加上转盘（或顶驱）的转速（50-90转/分），相当于增加钻头转速近2倍，大大提高钻井效率。
2、螺杆钻具按作业方要求可制作一定弯角，具体弯角有（0.75、1、1.15、1.25、1.5、1.75、2、2.15度），可以用来调整轨迹（定向滑动之用）。
3、螺杆钻具可配合其他钻具一同使用，例如斯伦贝谢VorteX钻具，就是在螺杆钻具下面接旋转导向工具，可以大幅提高作业效率。
螺杆钻具国内外研究现状
美国在20世纪50年代中期开始研制螺杆钻具，1962年用于生产，有迪纳钻具（Dyna Drill）公司，纳维钻具（Navi Drill）公司和波斯钻具等。目前，螺杆钻具的发展主要以美、英、法、原苏联等国为代表。国内螺杆钻具的研制起步较晚，从20世纪80 年代中后期形成一定规模到目前常规螺杆钻具已规格化、系列化，各主要生产厂家中大港、北京、德州等厂家产品已覆盖国内绝大部分市场。在工作寿命、易损件耐磨性、特种螺杆的设计制造等方面与国外有一定的差距。国内马达数一般为4级，不能完全满足水平井等一些特殊工艺的需要，短半径水平井钻井作业的钻具在国内尚属空白，作为短半径水平井的铰接马达，国内也只处于研究阶段。国外螺杆钻具的生产厂家主要集中在美国和加拿大。西方国家从事螺杆钻具制造的公司主要有：Baker Hughse 公司、Telco（美国）、DERCO（加拿大）、ANADRILL（美国），National Oilwell Inc（美国）、Nryrfor-Weir Ltd（法英夸国联营）、Simth公司以及DANA-DRILL公司、DRILL MOTOR SERVICES 公司。另外还有许多研究机构像苏联VNIIBT、ВНИИВТ彼尔姆分院、法国石油研究院（IFP）。国外螺杆钻具寿命一般都在200～300h以上，主要以美国的产品为代表，著名的品牌有Dyna-Drill、Navi-Drill、Power Park、Speey-sun、д型钻具。Anadrill公司的螺杆钻具自1991年问世以来，采用了先进技术，是当今最好的马达，螺杆钻具的外径从73mm～287.5mm可选。国内生产螺杆钻具的厂家有十多个，主要有大港油田中成公司、北京石油机械厂、德州石油机械厂、贵州高峰机械厂、天津立林石油机械有限公司及山东潍坊等，研究机构有中国石油大学（华东）、中国科学技术研究院、北京石油勘探开发研究院、西南石油大学等。国内螺杆钻具寿命一般都在100～200h之间，也已形成规格化、系列化。螺杆钻具从Φ60mm～Φ244mm各种规格，配有可调弯壳体（AKO）、可换扶正器，基本能够满足国内各种钻井、修井作业。随着螺杆钻具研发技术水平的提高，加之新材料、新工艺的不断涌现，螺杆钻具的泵体技术发展较快，出现了以下几类能够解决专项问题、满足不同需要的螺杆钻具。1）长寿命螺杆钻具：Dyna-Drill 公司成功研制出硬对硬的PDC止推轴承用于F2000型螺杆钻具，使传动轴总成的寿命得到很大的提高，使用寿命可达200～300h。国内由于马达寿命和传动轴寿命短，造成螺杆钻具寿命在100～200h。2）低速大扭矩螺杆钻具：这种螺杆钻具的低速大扭矩特性将很好地配合牙轮钻头和PDC钻头的改进、能够有效地延长钻头的使用寿命和增加机械钻速。可通过多种结构来实现，其中典型的结构有3种：①加长马达，也称多级马达。就是把动力段加长，使马达的输出扭矩增加。贝克·休斯公司生产的XL系列加长马达在许多国家和地区得到应用。②串联多级马达（DPS-PDM）。串联马达的动力段总成增加了一节动力段，中间用一钛挠性轴相连，使马达输出的扭矩和功率增加。③多头螺杆，加拿大的DRECO公司TRGDRILL型螺杆钻具由单头螺杆与行星齿轮减速器和支撑节组成，在保持高的马达效率的同时，实现低速大扭矩。中空转子马达大斜度井和水平井需要大排量洗井以利于清砂，实心转子马达额定排量小，中空转子的额定排量可以提高20%以上。北京石油勘探开发研究院研制出一种带稳流阀的中空螺杆，这一特别设计的稳流阀改善了普通中空螺杆钻具过载时严重丢转的问题，提高了钻具的抗过载能力和水功率利用率。3）等壁厚螺杆钻具：橡胶衬套厚薄不均，螺杆钻具定子在工作时，容易导致定子过早失效，从而缩短了螺杆钻具的使用寿命，通过合理改变定子壳体的形状，使定子橡胶层薄且均匀，以克服常规螺杆钻具定子技术的不足，能有效地改善螺杆钻具的工作环境，提高其使用寿命。与常规螺杆钻具相比，等壁厚螺杆钻具的泵体短、扭矩小、易于洗井。该型钻具具有以下优点：散热效率提高、橡胶溶胀、热胀均匀、适应范围更广、结构更加优化、整体质量更轻。4）导向钻井系统用螺杆钻具：导向钻井系统所用井下马达主要有带衬垫的弯外壳螺杆钻具、双倾万向螺杆（DTU）等，这些马达与随钻测量系统（MWD）、聚晶金刚石钻头配合在一起，进行长时间地钻井并实时收集井下情况，保证井眼沿设计轨道钻到目的层。Anadrill公司研制的地面可调弯壳体螺杆钻具寿命长达1000h。5）开环/闭环系统中用定向螺杆钻具：国外出现了井下可调螺杆钻具，井下可调螺杆钻具的应用分两种类型，一是地面遥控可调角度型，另一种是井下自动调整系统。贝克休斯公司成功开发的AutoTrak旋转闭环钻井系统采用在井下马达上安装导向肋与近钻头MWD相配合实现导向功能，与可调弯壳体配套出现了可换扶正器的螺杆钻具，使扶正器的形状、尺寸可以根据钻井需要在井口改变，目前还出现了在井下可调尺寸的扶正器。6）直井钻进用螺杆钻具：贝克休斯INTEQ公司开发的VertiTrak直井钻井装置成功地将直井用高能螺杆钻具与垂直倾角精确到0.1°的近钻头MWD组合在一起，已在地中海地区、意大利、南美洲和墨西哥深水区等世界许多地区得到应用。PDC钻头与直螺杆钻井技术在我国也得到推广应用，这种专门用于直井钻进的螺杆钻具在提高钻进速度的同时能够很好地纠斜和避免井下事故的发生。7）取心用螺杆钻具：螺杆钻具专门用于地质勘探钻井的取心作业。德国已研制出螺杆钻具取心系统（KIBM），我国也很早就研制出取心专用螺杆钻具。近期，大港油田中成公司生产的螺杆钻具在中国大陆科钻1井中应用于“绳索取心+螺杆马达+液动锤三合一”取心技术中，取得了良好的效果。8）空气螺杆钻具：空气螺杆钻具是专为空气钻井设计的一种马达。国外主要是贝克休斯公司有能力生产空气螺杆钻具。国内中国石油勘探开发研究院钻井所、北京石油机械厂2002年共同研制了K7LZ120×7.0空气螺杆钻具样机。当年7月在河北遂州成功进行了空气螺杆钻具的模拟钻井试验，结果表明试验样机完全符合设计要求，同时克服了“飞车”、“难启动”等技术难点。我国对螺杆钻具的研制起步较晚，螺杆钻具应用仍处于初级阶段。近年来，通过国外技术的引进，许多油田和厂家正致力于螺杆钻具的研究并开始现场应用和试验。为满足大规模工业应用的需要，建议后期研究课题主要是围绕探索新型螺杆钻具、优选螺杆钻具结构参数、合理选择衬套与转子配合过盈量、智能化控制、长寿命高效平稳运行、满足特殊井需要、扩大应用领域等方面开展技术攻关。经过大量的文献调研，螺杆钻具的研究工作主要可从以下几个方面来进行：1）螺杆钻具结构参数优化：主要研究螺杆钻具定子在不同压力、转速、流量等条件下的受力状态和变形规律，以及材料对变形规律、使用寿命的影响；螺杆钻具转子在不同压力、转速、流量等条件下的受力状态和变形规律，以及材料对变形规律、使用寿命的影响；使定、转子具有良好的力学性能及较好的工作性能。结构参数的好坏会影响钻具的压力和密封性能，也会影响定子衬套的工作寿命。2）衬套与转子合理配合过盈量：研究螺杆钻具在不同扬程、不同钻井液黏度下最优工作状态时定、转子的合理过盈量；研究定、转子摩擦产生的温度场对定、转子线型及过盈量的影响。根据不同的橡胶材料、不同的工作环境条件，选择不同的配合过盈量。3）扩大螺杆钻具应用范围：研制非油气井用螺杆钻具具有重要的意义，如煤层气井抗腐蚀螺杆、地热井抗高温螺杆等。非油气井的井下工作环境更加恶劣，值得进一步研究和探讨。4）螺杆钻具的标准化、系列化：国内外生产螺杆钻具的厂家较多，目前螺杆钻具制造和质量检测没有统一的标准，各制造厂的螺杆钻具结构参数和工作参数不相同，产品的互换性相当差，造成现场使用和维修相当不便，严重影响了螺杆钻具技术优势的发挥。因此，有必要实现标准化和系列化，从而提出螺杆钻具生产制造、质量检测标准，提供螺杆钻具定子材料以及特殊材质标准、型号等。
如何正确使用螺杆钻具
螺杆钻具的使用方法与故障分析
螺杆钻具是油水井修井中常用的一种钻铣工具，它是以液体压力为动力，驱动井下钻具旋转的工具，可以用来进行钻进、磨铣、侧钻等作业。，由于它一方面对洗井液的要求比较高，另一方面我们在现场施工时，由于操作不当很容易造成螺杆钻具的损坏，这样既影响施工进度，又增加作业费用。为了提高螺杆钻具的使用率，就其原理、操作方法及故障分析做一简单阐述。
一、螺杆钻具的结构
螺杆钻主要由上接头、旁通阀、定子、转子、过水接头、轴承总成及下接头组成。
1、旁通阀的结构与作用
（1）结构：旁通阀主要由本体、阀套、阀芯、弹簧、弹簧挡圈、丝堵、筛板等组成。
（2）作用：a、防止下钻或接单根时因环形空间液体密度较大，液体倒流到钻具内，造成转子倒转及松扣现象。b、防止含钻屑的洗井液进入定子腔内卡死钻具。c、防止钻具内的意外井喷。d、起钻时可泄出钻柱内的洗井液。
2、马达总成的结构与作用
（1）结构：马达总成由定子和转子组成。定子是经过精加工的钢筒内硫化一层具有双头或多头螺旋腔的刚体橡胶套。转子是一根单头或多头螺旋钢轴，用合金钢加工成形后，表面镀一层有利于防腐和耐磨的硬铬，并通过镀铬来控制定子和转子的配合间隙。
（2）作用：以泥浆泵泵入的修井液的液压能驱动转子转动，为钻头破碎岩石提供旋转机械能。马达总成是螺杆钻具的动力源。
3、传动轴总成
传动轴总成是螺杆钻具的重要部件之一，它的寿命决定了螺杆钻具总体寿命。传动轴总成用于传递钻压、扭矩和修井液。
二、螺杆钻具的工作原理
螺杆钻具通过转子和定子将高压液体的能量转变成机械能。当高压液体通过钻具内孔进入钻具后，阀球被推动下移，关闭旁通阀，从而进入转子与定子形成的各个密封腔。液体在各腔中的压力差推动转子沿定子的螺旋通道滚动。转子在沿自身的轴线转动的同时，还绕与转子轴线平行，并与之有一偏差心距e的定子中心线公转。这就是所谓的螺杆钻具的行星传动原理。由于转子和定子都采用螺旋线，因而转子绕定子轴线作逆时针转动，并以自身轴线作顺时针转动去带动钻具旋转。
三、螺杆钻具的使用方法
1、钻具配合
在套管内钻塞时自上而下钻具配合为：钻塞工具+螺杆钻具+提升短节+缓冲短节+井下过滤器+提升短节+油管钻柱
2、井眼及钻具的准备
（1）井眼畅通，保证螺杆钻具顺利下入井底。
（2）处理好洗井液。洗井液要求用清水或无固相（低固相）液体。机械杂质含量不大于0.5﹪，颗粒直径不大于0.3mm。
（3）用油管通井规对所用油管进形通径，防止钻具水眼中的杂物堵塞螺杆钻具或钻头水眼；
3、入井检查
（1）检查螺杆钻旁通阀活塞是否灵活；
（2）开泵。先小排量，然后逐渐增大到正常排量检查旁通阀是否关闭，芯轴转动是否灵活。
（3）上提钻具检查旁通阀关闭情况，一切正常后，方可下钻。
（4）下钻过程中要平稳操作，要控制下放速度，一般10m/min为宜，以防止倒抽赃物堵死钻头和螺杆钻具。下钻途中可适当开泵顶通水眼，但时间不宜过长，或每下500米向钻柱内灌注清洁洗井液一次。
4、钻进操作
（1）下钻至水泥塞面5m开泵，记录循环正常之后的泵压，随后逐渐加压钻进。使用100型螺杆钻具时，钻压应以5-15KN为宜，洗井排量以500-600L/min为宜，最大不得超过1200L/min,待循环正常，转子启动后，缓慢下放钻具至塞面，进行正常钻进。
（2）排量必须保持设计值。
（3）钻进允许最大泵压等于悬空循环泵压与马达压降之和。
（4）在排量一定的条件下，工作压差和钻头扭矩随钻压增大而增加。所以，在钻进过程中可以通过立管压力的变化判断马达和钻头的工作情况。
（5）钻进中要认真掌握钻压和泵压的变化，防止钻压过大而压死钻具。若压死钻具应立即上提钻具，然后减压钻进。
（6）严禁压死循环，以防缩短工具寿命。
（7）每钻完一个单根后，要上提下放划眼两次并循环洗井一周。
4、使用过程中因注意的问题
（1）不得长时间悬空循环，不得压死循环。
（2）钻头遇卡时不得转动管柱，防止螺杆水帽倒扣，芯轴落井。
（3）井口应安装自封封井器，防止小件物品落井。
（4）上水池和回水沉淀池要分开使用，返出的洗井液应沉淀后方可使用。
（5）接单根前及完钻后应充分洗井，使井内无钻屑。
（6）钻进中泵压下降，排除地面因素之外，可能是钻具刺漏、旁通阀孔刺坏或螺杆壳体倒扣，应立即起钻。
（7）钻进中泵压突然升高，可能马达、传动轴卡死或钻头水眼堵，此时不能反洗井，应立即起钻。
四、螺杆钻具使用中的故障与排除方法
异常现象 可能愿因 处理方法
压力表压力突然升高
马达失速
上提钻具0.3-0.6m，核对循环压力，逐步加钻压，压力随之逐步升高，其它参数均正常，可确认是失速问题。
马达、传动轴卡死，钻头水眼堵 钻头提离井底，若压力表读数仍很高，只能提出钻具检查或更换。
压力表压力慢慢升高
钻头水眼被堵
钻头提离井底，检查压力，若压力仍燃高与正常循环压力，可试着改变循环流量或上下移动钻具，若无效，起出修理或更换。
钻头磨损 可继续钻进，细心观察，若仍无进尺，则起出更换。
地层变化
钻具稍稍提起，如果压力与循环压力相同，则起出检查
压力表压力缓慢降低 循环压力损失变化 检查液体流量
管柱损坏 稍提钻具，若压力表读数低于循环压力，则起出检查
没有进尺
地层变化 适当改变钻压和循环率
马达失速 压力表读书增高，钻具提离井底，检查循环压力，小幅增加钻压
旁通阀处于“开”位 压力表读数偏低，稍提钻具，启、停泵车两次仍无效时，则需起出检查旁通阀
钻头损坏 起出换新钻头