螺杆钻具的应用现状及未来进步趋势分析

刘立江

（奥瑞拓能源科技股份有限公司，河北 廊坊 065099）

随着打钻油井的方法及自身技术的提升，螺杆钻机作为这项常用的工程技术，自身也有了很大的技术提升。国内钻机阶段经历了从无到有，从弱到强的很快进步，国内螺杆钻具在国内市场占据主导地位，差不多处理了国内打钻油井方法工程的要求，但国内钻井工具因为多种缘故，有很多的问题，如不稳定、选择的钻井工具与刀具寿命存在管理方面的混乱现象等，有必要分析钻井工具的特点，包括钻具设计、制作、运用、档案管理的全套阶段的管理控制，发现差错的地方，指出处理螺杆钻具问题的方向，从而实现国产钻具的再开发。

1 螺杆钻具的进步现状

近年来为满足钻井工程的需求，螺旋钻在中国的应用领域不断扩大，已由最初的定向井、多位移斜井、水平井与一般垂直井向多规模方面扩展，出现复合钻井与河流穿越工程。螺杆钻机技术的进步体现在以下几个方面：尺寸规格从54mm扩大到286mm，各方面参数更加详细。为了满足不同钻井参数的需求，在一致规格下有许多不同的参数。在构造上，分析了不同的构造以及不同的钻井方式；在钻井寿命方面，优化后的钻井方案能够满足各种工作情况下的钻井需求。从钻头的4个方面的进步能够看出，整个钻头的进步在此能够具体的表现出来。

1.1 旁通阀总成

近年来，旁路阀总成的构造没有得到很多的进步，底层上保持了阀体、弹簧、密封圈、阀心、阀套的构造。阀门总成开关经常打开，很容易使阀门心、阀套与阀体内部多量腐蚀，提高容易损坏部件更换的可能，这些都是螺杆钻具现在面临的情况。

1.2 电机装配

电机总成其实是来分析螺杆钻机制造工艺水平的关键部件，自推出以来一直是各厂家的重点研发对象。所以，螺杆钻具能够得到很快的进步，这些进步具体表现在以下方面。

（1）底层理论是延续万邦烈教授的理论，线方面形式是保持圆弧与原摆线。虽然采用了圆弧与短内摆线的形式，但是很少有厂家会使用此理论。

（2）电机模型，每个厂家都做出了很多改进，主要体现在更完整的规格与数量方面，从原来的单头引入今天的9/10头等；运用的广度也有很大的提高，从原始适合液体的钻井到适合空气与泡沫的钻井，钻井工具的规范也更详细，如针对不同系列、不同尺寸的定子，以及适合不同工况的螺杆钻具。研制了延长电机与串联电机。

（3）定子橡胶由原来的耐高温25℃增加为耐更高温度。定子橡胶寿命不稳定，经常发生橡胶脱落的问题。

（4）转子表面的涂层一般是电镀，只有少数厂家尝试使用TC碳化物喷涂。转子被腐蚀或去铬，去铬主要发生在海水或钻井中。

（5）中国定子主轴、转子的加工水平有了很大提高，其中不乏有一些厂家的生产水平超出了国外水平。中国很多厂家都是采用仿形加工方法来制造转子，多转子采用每头整体加工，然后再将加工方法进行划分。多港油田公司与对应单位合作开发的专用转子数控机床，提升了加工的精度，但整体尺寸却发生了控制失控。它仅用于测量多型步道的尺寸，而线方面的具体尺寸根本无法测量。在机床制造商与一些随机配备最先进的国际汽车设计软件与三坐标，转子研磨与抛光加工使用三坐标测试，在任何时候，在任何时间，能够实现加工尺寸在线测量比较理论，从而提高线方面定子的加工精度，提供了很重要的理论基础。

1.3 万向轴总成

万向轴总成的制造方法已经得到了很多改进。整体花瓣形万向轴总成的加工方式简单，寿命长，是国内主要的万向轴总成；十字形万向轴总成的构造借鉴了汽车万向轴的构造原理；销接万向轴总成是密封的万向轴，其寿命略高于整体花瓣形万向轴总成，但构造复杂；球铰万向轴总成是一种国外流行的万向轴总成。嵌入式柔性侧万向轴总成是国内较早的一种万向轴形式，其构造是将万向轴的细长轴置于转子内，通过增加长轴长度以及增加万向轴的柔性侧，实现通用作用，是一种具有较长寿命的万向轴，是中国近年来进步最快的，也是最适合于可调式曲线壳体钻具的万向节轴组件，寿命一般在200～500h以上。

2 螺杆钻具进步建议

（1）旁通阀总成。旁通阀的阀芯、套筒与内表面是最易磨损的部位。钻井液分流的主要方式是垂直分流，造成阀芯、套筒与阀体内表面钻井液流面的过度冲蚀。钻井液流动路径由垂直侵蚀转变向侧向分流，改善了阀芯的工作环境，减少了零件数量，钻井表面通过高耐磨处理，从而提高了旁通阀组件的使用寿命。

（2）电机总成。定子橡胶是电机总成的薄弱环节。提高橡胶的物理和化学性能是问题的关键。建议从2个方面着手：一是在不久的将来，如果橡胶配方方面没有突破，就改变现有的设计理念，并充分利用现有配方的特点，融入工业与矿业；二是在设计中增加橡胶本身强度，以提高橡胶整体的物理和化学性能，这不仅增加输出转矩，而且也使各级电机的密封压力增加了50%～100%，所以在一致的长度、磁头数与串联数下，电机的总长度也缩短了。此外，应该加强对新橡胶配方的研究，全面改善橡胶的物理和化学性能，同时在我们的日常工作中也应保证橡胶的加工质量。

（3）万向轴总成。万向轴总成的种类很多，包括常规型、长寿命型与高性能型。建议现阶段，应提升常规类型自攻螺丝质量，处理影响质量的薄弱环节，提高其使用寿命。现在，与钻具配套的其它钻具与钻削参数底层上与传统的通用万能轴总成匹配（寿命控制在15h之内），由于此工作重点应放在材料热处理以及对应的耐磨垫上。如应力表面处理，万向轴端部花瓣堵塞，球面关节端部咬合铰接。材料与热处理研究。同时，还应努力研究长寿命、高性能的万向轴组件，为钻具出口与长寿命钻具的进步奠定基础。现有万向轴总成的构造基本合格，因此应注重产品的各阶段质量控制，如关键零部件的探伤。可调弯曲壳组件是近年来进步最快的，也是问题较少的组件。建议今后的研究开发重点仍应放在螺纹类型的选择与壳体外观上。

（4）建议开发租赁钻具的业务。自20世纪80年代开始国外钻具租赁以来，中国近年来进步缓慢。究其缘故，主要原因是：一是市场发育不完善，市场运行中的诚信问题一直困扰着市场的进步；二是钻具使用寿命短，不能满足租赁市场的需求。使用寿命是租赁钻具盈利的关键，为了解决使用寿命问题，首先应该处理易损件的使用寿命问题。建议现在应该做的主要工作是：①旁通阀总成应重点开发长寿命阀体、阀芯、阀套与弹簧。阀体与阀套在保持耐磨层的基础上，应采用可更换的耐磨套管硬质合金芯。将路面改为侧流，总寿命指标为350～450h。②定子橡胶应配制性能较高的橡胶，转子使用寿命应多于300h。应尽可能进步碳化钨喷涂转子，使用寿命应多于900h。③万向轴总成应选用寿命较长的柔性侧万向轴或球铰万向轴，其寿命应超过450h。④在采用长寿命构造的基础上，传动轴组件应优化易于拆卸的构造，长期轴承的使用寿命应不小于260h，传动轴应不小于400h。重点研制具有导流阀头与防冲传动轴套的二极管帽，以延长二者的使用寿命。

3 结语

总而言之，只有开发租赁钻具，即长寿命钻具，才能真正实现租赁市场中螺杆钻具的开发与钻机质量的提高，因为钻具的高寿命并不意味着钻具其他方面的提升。

石油管道的建设对中国经济的进步有着很大的推动作用。确保管道施工阶段中机械设备的安全管理，不仅是安全施工与安全管理工作的需要，也是提高管道施工质量的根本所在。通过引进新技术、新设备，加强员工安全意识教育，建立健全安全施工体系，形成系统、立体的安全管理体系，为机械设备安全管理提供了保障，从而保证了输油管道施工的质量与效率。