井下动力钻具旋转钻井技术

井下动力钻具旋转钻井技术

井下动力钻具旋转钻井技术是继转盘旋转钻井技术的又一次巨大的钻井技术革命。成熟转盘旋转钻井技术大大提高了破岩效率和钻进速度，完钻井不断加深，但数千米的钻具在井中旋转消耗了过多的功率，且易发生钻杆折断事故，这使人们向着减少钻杆转动的方向寻找解决办法。20世纪20年代初，前苏联首先开发出井下动力钻具（涡轮钻具），其地面设备、清除岩屑的方法和转盘旋转钻井原理相同，区别是转动钻头的动力由地面移到井下，直接作用在钻头上，钻柱只是给钻头施加钻压、形成钻井液通道、承受井下动力钻具外壳的反扭距。井下动力钻具的动力由地面泥浆泵或电源提供。

井下动力钻具主要分为电动钻具、涡轮钻具、螺杆钻具3种。电动钻具是台电机,1937年首先在前苏联研制成功，40年代中叶形成规模化应用。原理是电动钻具电缆装在钻杆内，以钻杆接头的特别接头联通。优点是钻杆不转，功率降低，减少了钻杆事故；缺点是结构复杂、转速高（1 200 r/min以上）、可靠性差、绝缘与密封要求高。70年代美国对电动钻具进行改进，转速大幅度降低（350 r/min），与连续管钻井配合使用，推进了该项技术的应用和发展。

涡轮钻具是一种特殊的叶轮式井下动力钻具。1923年世界上第1台涡轮钻具在前苏联巴库油田试验成功，1953年以来形成以前苏联为代表的涡轮钻具钻井技术。原理是由泥浆泵将高压钻井液经钻杆内腔泵入涡轮钻具中，驱动转子主轴带动钻头旋转破岩。与电动钻具相比，涡轮钻具输出性能柔和，转速稍低（800 r/min），制造精度容易保证，操作简单。随着密封牙轮钻头和喷射钻井技术发展，涡轮钻具暴露出的缺点是转速高、扭矩低、止推轴承寿命短、工具长等。之后经过不断改进形成了复式涡轮钻具、低速大扭矩涡轮钻具、带减速器的涡轮钻具、金属密封涡轮钻具等，降低了转速（400 r/min以内），增大了扭矩，提高了抗高温性能，与PDC钻头配合使用，提高了钻井速度。

螺杆钻具是另一种由高压钻井液驱动的容积式井下动力钻具。美国是螺杆钻具技术最具代表性的国家，其从20世纪50年代开始研究单螺杆钻具，60年代投入应用，在80年代螺杆钻具得到快速发展。螺杆钻具原理是带压力的钻井液驱动螺杆转子转动，带动钻头破岩钻进。它克服了早期涡轮钻具的部分缺点，能提供大扭矩、低转速（单头400 r/min、多头90～200 r/min），结构简单，工作可靠。随着技术的进步，螺杆钻具不断革新、更新换代，形成分流螺杆钻具、空心转子螺杆钻具、多头低速大扭矩螺杆钻具、抗高温螺杆钻具等。

随着科技进步，无线随钻MWD、LWD、PDC钻头等新成果与井下动力钻具配合使用，提升了定向与井斜控制能力，提高了钻井速度。世界钻井技术已经形成以前苏联为代表的以涡轮钻具钻井技术为主体、转盘钻井为辅助，和以美国为代表并为世界大多数国家所采用的以转盘钻井技术为主体、井下动力钻具（以螺杆钻具为主）为补充的2个方向的发展路线。目前钻井技术正朝着智能化导向钻井技术方向发展。

〔华北油田公司 孙志和〕