螺桿鉆具因具有較高的系統效率而日益受到重視。目前，國、內外生產廠家對許多新型螺桿鉆具進行了大量研究。本文介紹了螺桿鉆具的研發過程及螺桿鉆具生產廠家，系統地分析了國內外螺桿泵的新技術、新工藝、新材料的研究進展。針對目前存在的不足，指出了螺桿鉆具的研發方向。

世界螺桿鉆具研發新進展
□ 魏存祥 / 西南石油大學 來源：《石油與裝備》/ 振威石油網





　　井下動力鉆具主要有電動鉆具、渦輪鉆具、葉片鉆具和螺桿鉆具。螺桿鉆具也稱為容積式馬達（PDM），具有低速大扭矩的特征，整體長度約為4m~8m，是目前最廣泛使用的一種井下動力鉆具。主要由旁通閥總成、馬達總成、萬向軸總成、傳動軸總成和導向總成組成（圖1）。其核心部件馬達總成主要是由偏心螺旋體的螺桿（轉子）和呈螺旋面的襯套（定子）組成。 

　　螺桿鉆具是一種以鉆井液為動力，把液體壓力能轉為機械能的容積式井下動力鉆具。當泥漿泵泵出的泥漿流經旁通閥進入馬達，在馬達的進出口形成一定的壓力差，推動轉子繞定子的軸線旋轉，并將轉速和扭矩通過萬向軸和傳動軸傳遞給鉆頭，從而實現鉆井作業。 

　　螺桿鉆具作為井底動力裝置，具有低轉速、大扭矩、大排量等優點。增加了鉆頭扭矩和功率，提高了進尺率；減少了鉆桿和套管的磨損和損壞；可準確進行定向、造斜、糾偏；廣泛應用于直井、水平井、叢式井和修井作業。
 
螺桿鉆具研發進程 

　　美國在20世紀50年代中期開始研制螺桿鉆具，1962年用于生產，有迪納鉆具（Dyna Drill）公司，納維鉆具（Navi Drill）公司和波斯鉆具等。目前，螺桿鉆具的發展主要以美、英、法、蘇聯等國為代表。 

　　國內螺桿鉆具的研制起步較晚，從20世紀80 年代中后期形成一定規模到目前常規螺桿鉆具已規格化、系列化，各主要生產廠家中大港、北京、德州等廠家產品已覆蓋國內絕大部分市場。在工作壽命、易損件耐磨性、特種螺桿的設計制造等方面與國外有一定的差距。國內馬達數一般為4級，不能完全滿足水平井等一些特殊工藝的需要，短半徑水平井鉆井作業的鉆具在國內尚屬空白，作為短半徑水平井的鉸接馬達，國內也只處于研究階段。 

螺桿鉆具生產廠商及產品性能 

　　目前國外螺桿鉆具的生產廠家主要集中在美國和加拿大。西方國家從事螺桿鉆具制造的公司主要有：Baker Hughse 公司、Telco（美國）、DERCO（加拿大）、ANADRILL（美國），National Oilwell Inc （美國）、Nryrfor-Weir Ltd （法英夸國聯營）、Simth公司以及DANA-DRILL公司、DRILL MOTOR SERVICES 公司。另外還有許多研究機構像蘇聯VNIIBT、вниивт彼爾姆分院、法國石油研究院（IFP）。 

　　國外螺桿鉆具壽命一般都在200h~300h以上，主要以美國的產品為代表，著名的品牌有Dyna-Drill、Navi-Drill、Power Park、Speey-sun、д型鉆具。Anadrill公司的螺桿鉆具自1991年問世以來，采用了先進技術，是當今最好的馬達，螺桿鉆具的外徑從73mm~287.5mm可選。 

　　目前國內生產螺桿鉆具的廠家有十多個，主要有大港油田中成公司、北京石油機械廠、德州石油機械廠、貴州高峰機械廠、天津立林石油機械有限公司及山東濰坊等，研究機構有中國石油大學（華東）、中國科學技術研究院、北京石油勘探開發研究院、西南石油大學等。 

　　國內螺桿鉆具壽命一般都在100h~200h之間，也已形成規格化、系列化。螺桿鉆具從ф60mm~244mm各種規格，配有可調彎殼體（AKO）、可換扶正器，基本能夠滿足國內各種鉆井、修井作業。
 
國外螺桿鉆具研發進展 

　　隨著螺桿鉆具研發技術水平的提高，加之新材料、新工藝的不斷涌現，螺桿鉆具的泵體技術發展較快，出現了以下幾類能夠解決專項問題、滿足不同需要的螺桿鉆具。
 
　　長壽命螺桿鉆具 Dyna-Drill 公司成功研制出硬對硬的PDC止推軸承用于F2000型螺桿鉆具，使傳動軸總成的壽命得到很大的提高，使用壽命可達200~300h。國內由于馬達壽命和傳動軸壽命短，造成螺桿鉆具壽命在100~200h。
 
　　低速大扭矩螺桿鉆具 這種螺桿鉆具的低速大扭矩特性將很好地配合牙輪鉆頭和PDC鉆頭的改進、能夠有效地延長鉆頭的使用壽命和增加機械鉆速。可通過多種結構來實現，其中典型的結構有3種：①加長馬達，也稱多級馬達。就是把動力段加長，使馬達的輸出扭矩增加。貝克・休斯公司生產的XL系列加長馬達在許多國家和地區得到應用。②串聯多級馬達（DPS-PDM）。串聯馬達的動力段總成增加了一節動力段，中間用一鈦撓性軸相連，使馬達輸出的扭矩和功率增加。③多頭螺桿，加拿大的DRECO公司TRGDRILL型螺桿鉆具由單頭螺桿與行星齒輪減速器和支撐節組成，在保持高的馬達效率的同時，實現低速大扭矩。 

　　中空轉子馬達 大斜度井和水平井需要大排量洗井以利于清砂，實心轉子馬達額定排量小，中空轉子的額定排量可以提高20%以上。北京石油勘探開發研究院研制出一種帶穩流閥的中空螺桿，這一特別設計的穩流閥改善了普通中空螺桿鉆具過載時嚴重丟轉的問題，提高了鉆具的抗過載能力和水功率利用率。 

　　等壁厚螺桿鉆具 橡膠襯套厚薄不均，螺桿鉆具定子在工作時，容易導致定子過早失效，從而縮短了螺桿鉆具的使用壽命，通過合理改變定子殼體的形狀，使定子橡膠層薄且均勻，以克服常規螺桿鉆具定子技術的不足，能有效地改善螺桿鉆具的工作環境，提高其使用壽命。與常規螺桿鉆具相比，等壁厚螺桿鉆具的泵體短、扭矩小、易于洗井。該型鉆具具有以下優點：散熱效率提高、橡膠溶脹、熱脹均勻、適應范圍更廣、結構更加優化、整體質量更輕。 



　　導向鉆井系統用螺桿鉆具 導向鉆井系統所用井下馬達主要有帶襯墊的彎外殼螺桿鉆具、雙傾萬向螺桿（DTU）等，這些馬達與隨鉆測量系統（MWD）、聚晶金剛石鉆頭配合在一起，進行長時間地鉆井并實時收集井下情況，保證井眼沿設計軌道鉆到目的層。Anadrill公司研制的地面可調彎殼體螺桿鉆具壽命長達1000h。 

　　開環/閉環系統中用定向螺桿鉆具 國外出現了井下可調螺桿鉆具，井下調螺桿鉆具的應用分兩種類型，一是地面遙控可調角度型，另一種是井下自動調整系統。貝克休斯公司成功開發的AutoTrak旋轉閉環鉆井系統采用在井下馬達上安裝導向肋與近鉆頭MWD相配合實現導向功能，與可調彎殼體配套出現了可換扶正器的螺桿鉆具，使扶正器的形狀、尺寸可以根據鉆井需要在井口改變，目前還出現了在井下可調尺寸的扶正器。 

　　直井鉆進用螺桿鉆具 貝克休斯INTEQ公司開發的VeriTrak直井鉆井裝置成功的將直井用高能螺桿鉆具與垂直傾角精確到0.1°的近鉆頭MWD組合在一起，已在地中海地區、意大利、南美洲和墨西哥深水區等世界許多地區得到應用。PDC鉆頭與直螺桿鉆井技術在我國也得到推廣應用，這種專門用于直井鉆進的螺桿鉆具在提高鉆進速度的同時能夠很好的糾斜和避免井下事故的發生。 

　　取芯用螺桿鉆具 螺桿鉆具專門用于地質勘探鉆井的取芯作業。德國已研制出螺桿鉆具取芯系統（KIBM），我國也很早就研制出取芯專用螺桿鉆具。近期，大港油田中成公司生產的螺桿鉆具在中國大陸科鉆1井中應用于“繩索取芯+螺桿馬達+液動錘三合一”取芯技術中，取得了良好的效果。
 
　　空氣螺桿鉆具 空氣螺桿鉆具是專為空氣鉆井設計的一種馬達。國外主要是貝克休斯公司有能力生產空氣螺桿鉆具。國內中國石油勘探開發研究院鉆井所、北京石油機械廠2002年共同研制了K7LZ120×7.0空氣螺桿鉆具樣機。當年7月在河北遂州成功進行了空氣螺桿鉆具的模擬鉆井試驗，結果表明試驗樣機完全符合設計要求，同時克服了“飛車”、“難啟動”等技術難點。 

國內螺桿鉆具研發建議 

　　我國對螺桿鉆具的研制起步較晚，螺桿鉆具應用仍處于初級階段。近年來，通過國外技術的引進，許多油田和廠家正致力于螺桿鉆具的研究并開始現場應用和試驗。為滿足大規模工業應用的需要，建議后期研究課題主要是圍繞探索新型螺桿鉆具、優選螺桿鉆具結構參數、合理選擇襯套與轉子配合過盈量、智能化控制、長壽命高效平穩運行、滿足特殊井需要、擴大應用領域等方面開展技術攻關。經過大量的文獻調研，螺桿鉆具的研究工作主要可從以下幾個方面來進行： 

　　螺桿鉆具結構參數優化 主要研究螺桿鉆具定子在不同壓力、轉速、流量等條件下的受力狀態和變形規律，以及材料對變形規律、使用壽命的影響；螺桿鉆具轉子在不同壓力、轉速、流量等條件下的受力狀態和變形規律，以及材料對變形規律、使用壽命的影響；使定、轉子具有良好的力學性能及較好的工作性能。結構參數的好壞會影響鉆具的壓力和密封性能，也會影響定子襯套的工作壽命。 

　　襯套與轉子合理配合過盈量 研究螺桿鉆具在不同揚程、不同鉆井液粘度下最優工作狀態時定、轉子的合理過盈量；研究定、轉子摩擦產生的溫度場對定、轉子線型及過盈量的影響。根據不同的橡膠材料、不同的工作環境條件，選擇不同的配合過盈量。 

　　擴大螺桿鉆具應用范圍 研制非油氣井用螺桿鉆具具有重要的意義，如煤層氣井抗腐蝕螺桿、地熱井抗高溫螺桿等。非油氣井的井下工作環境更加惡劣，值得進一步研究和探討。 

　　螺桿鉆具的標準化、系列化 國內外生產螺桿鉆具的廠家較多，目前螺桿鉆具制造和質量檢測沒有統一的標準，各制造廠的螺桿鉆具結構參數和工作參數不相同，產品的互換性相當差，造成現場使用和維修相當不便，嚴重影響了螺桿鉆具技術優勢的發揮。因此，有必要實現標準化和系列化，從而提出螺桿鉆具生產制造、質量檢測標準，提供螺桿鉆具定子材料以及特殊材質標準、型號等。