等壁厚螺杆钻具的结构及现场应用效果分析

尚鑫;贾建超

【摘 要】螺杆钻具作为一种以钻井液为动力的工具,目前被广泛地应用于石油钻井施工过程中.与普通的螺杆钻具相比,等壁厚螺杆钻具作为一种新型的钻具,其在性能、技术以及使用效率上具有一定的优势,并得到了广泛的推广.阐述了等壁厚螺杆钻具的结构特点及其优势,并分析了等壁厚螺杆钻具在现场中的实际运用效果. 【期刊名称】《装备制造技术》 【年(卷),期】2014(000)004 【总页数】3页(P179-181)

【关键词】等壁厚螺杆钻具;钻井施工;现场应用 【作 者】尚鑫;贾建超

【作者单位】渤海石油装备(天津)中成机械制造公司,天津300280;渤海石油装备(天津)中成机械制造公司,天津300280 【正文语种】中 文 【中图分类】TE921

螺杆钻具是我国在上个世纪八十年代从国外引进的一种动力工具，主要被用于石油钻井和修井等方面，并在广泛的应用的过程中得到了快速发展。近年来，受石油钻井施工环境的影响，复杂的分支井和水平井的钻井施工给螺杆钻具带来了巨大的挑战[1]。由于传统螺杆钻具的马达定子衬套是螺旋状的设计，马达的长度和尺寸较大，且厚度不够均匀，如果长时间进行水平井和分支井等复杂的钻井施工，就会出

现承压能力降低、变形、磨损以及折断等现象，因此，不但影响了钻井效率，还大大增加了钻井成本。等壁厚螺杆钻具作为一种新型的动力钻具，具有抗高温、转速低、长度尺寸小以及功率大等特点，可以在复杂的分支井和水平井钻井施工过程中长期使用，并取得了良好的应用效果。

等壁厚定子技术是螺杆钻具技术的革命性突破，该技术的核心结构改变现有常规螺杆钻具定子钢管结构，采用预成型技术加工出定子螺旋啮合线型，使螺杆钻具定子橡胶等壁厚，极大的改进了螺杆钻具的性能，提高了使用寿命。

等壁厚螺杆钻具（如图1）主要是由旁通阀总成、传动轴总成、万向轴总成、马达总成等几个部分组成，其核心部件是马达总成。

（1）传动轴总成。等壁厚螺杆钻具的上硬质合金径向轴承是通过限位结构进行固定，这样可以有效地防止不断运行过程中出现的轴头损害和断裂的情况，并且可以在传动轴断裂时起到防掉的作用。等壁厚螺杆钻具的下硬质合金径向轴承动套是通过过盈配合的方式与传动轴进行连接，下硬质合金径向轴承静套通过螺纹连接的方式与传动轴壳体进行连接，这样就可以防止施工过程中因产生的振动和摩擦力较大而出现松动的情况[2]。

此外，等壁厚螺杆钻具在传动轴的设计上摒弃了以往的台肩定位，改用大的圆弧进行过渡的方式，并除去上面的螺纹，从而实现轴体应力的平均分布，避免裂纹的产生。等壁厚螺杆钻具的防掉系统是由下硬质合金径向轴承和锁母组成，并使用螺纹的连接方式，这样可以大大提高防掉性能。与普通的螺杆钻具传动轴相比，由于等壁厚螺杆钻具的传动轴是使用锻件加工的方式，因此，在工作性能上有了很大程度的提高。

（2）万向轴总成。万向轴在螺杆钻具中的主要作用就是将马达运行所形成的扭矩和转速传输至传动轴，并吸收掉转子振动过程中形成的下推力。由于万向轴要同时承受弯曲力、扭转力和压力，并长期与钻井液接触，从而造成万向轴极易受到损坏，

最终影响螺杆钻具的使用效率。等壁厚螺杆钻具将传统的花瓣形万向轴改为球形万向轴，并采用绞、杆、球等连接方式进行扭矩的传输，球形的万向轴可以有效地减少滚动摩擦力，从而降低万向轴的磨损速度。

此外，球形的万向轴可以扩大接触受力的部位，在冲击力和承受力方面有了很大程度的提高。通过一些特殊的处理技术大大提高了球形万向轴表面的抗高温能力、硬度以及耐磨能力，从而延长了万向轴的使用寿命。球形的万向轴是通过橡胶油封对钢球进行密封，使钢球处于润滑油脂保护下，以避免与钻井液的直接接触而造成腐蚀现象。如果球形万向轴在运动的过程中轴头出现失效的情况，万向轴只会处于密封套中，不会出现整体断裂的情况[3]。

（3）马达总成。等壁厚螺杆钻具中的马达定子外壳是使用合金钢制作而成，定子橡胶所采用的是丁腈橡胶，这种橡胶具有耐磨能力强以及强度高等特点。马达定子的内部采用方法是机械加工，并根据转子线性设计出了相应的螺旋槽，最后进行注胶。与普通的螺杆钻具相比，等壁厚螺杆钻具中的橡胶和定子内部的粘连面积扩大了近一倍，这样可以提高橡胶的牢固程度，从而避免老化和掉胶的情况发生。 此外，在定子内部的加工过程中所形成的螺旋槽，可以有效地提高定子外壳的抗变形能力和抗冲击能力，从而在很大程度上提高了马达的工作效率和使用时间。 由于传统螺杆钻具所使用的是花瓣型的万向轴，在实际使用过程中如果遇到较大轴向力时，就会造成万向轴的接触点减少，钢球位置的应力无法集中，从而无法承受使用过程中形成的巨大推力。花瓣型的万向轴在工作过程中的摩擦形式为滑动摩擦，这会加快万向轴的磨损速度，从而大大降低万向轴的使用寿命[4]。

此外，由于传统螺杆钻具所使用的润滑剂为钻井液，而钻井液是由多种强氧化性物质组成，因此，会加快螺杆钻具的腐蚀程度。受钻井液腐蚀的影响，花瓣型的万向轴会出现断裂的情况，如果断裂过程中有金属碎块进入传动轴，就会对传动轴造成损坏。传统的螺杆钻具在传动轴与轴承的连接方式上存在一些问题，这会造成螺杆

钻具在使用过程中因为较强的振动而出现松动的情况，最终影响螺杆钻具的稳定性能和安全性能。

大庆油田中的桩113—188区块中主要以分支井和水平井为主，平均井深为2 000米以上，井下地质的硬度较强，施工环境复杂，钻井难度相对较大。为了比较普通螺杆钻具和等壁厚螺杆钻具的实际应用效果，我们选择在相同的钻井参数、地质和区块中分别使用普通螺杆钻具和等壁厚螺杆钻具进行钻井施工，以对比两者的使用效果。经过一段时间的试验结果表明，等壁厚螺杆钻具比普通螺杆钻具的钻井速度提高了32%，平均节约时间58小时，普通螺杆钻具在完成试验后万向轴和传动轴已经出现了较大程度的损坏，而等壁厚螺杆钻具的各个组成部分都未出现明显的损坏情况，也未出现使用效率降低的情况。

等壁厚螺杆钻具在具体应用过程中的每次下井时间平均为260个小时，马达的使用时间为420～560个小时，比普通螺杆钻具马达的使用时间要多出近3倍。由于减少了马达的长度和尺寸，从而使随钻侧井仪和随钻测量仪测量准确度有了很大程度的提高，并能确保定向钻进以及复合钻进过程中的稳定性和准确性。等壁厚螺杆钻具的定子外壳中所具备的螺旋槽，在施工过程中大大提高了外壳的抗击能力，有效地减少了磨损情况和断裂情况的发生。此外，由于马达中橡胶的厚度均匀，提高了冲击力和抗压力，转子和定子形成的密封腔具有良好的可靠性和稳定性，因此在实际应用过程中有效地减少了马达失效情况的发生。与普通螺杆钻具相比，等壁厚螺杆钻具的单级输出扭矩提高了近4倍。此外，由于等壁厚螺杆钻具具有使用寿命较长、钻井速度较高以及不易出现故障等优点，因此，在实际应用过程中大大减少了钻井周期，并有效节约了钻井成本[5]。等壁厚螺杆钻具在施工过程中具有较强的稳定性和安全性，从而可以有效地避免钻井过程中安全事故的发生，确保人们的生命财产安全。

综上所述，与普通螺杆钻具相比，等壁厚螺杆钻具在结构上进行了优化，并形成了

较强的抗高温能力和抗压能力，在使用寿命、安全性能、稳定性能以及钻井速度方面有了很大程度的提高，因此，比较适用于环境复杂以及难度较大的钻井施工。等壁厚螺杆钻具能有效地提高钻井效率，降低钻井成本，确保钻井施工的安全，从而大大提高了石油开采效率。

【相关文献】

[1]于卫东，殷凤玲，孙 伟，等.螺杆钻具在深井快速钻进中的应用[J].石油矿场机械，2010，39(4)：92-94．

[2]刘永刚，陈绍安，李齐富，等.复杂深井钻具失效研究[J].石油矿场机械，2010，39(9)：13-16． [3]况雨春，马青松，王 勤，等.钻井水力参数优化方法及应用现状[J].石油矿场机械，2OlO，39(7)：1-4．

[4]祝效华，童 华，赵红超，等.螺杆钻具传动轴力学特性评价[J].石油钻探技术，2007，35(1)：56-58．

[5]郑华林，郭高垒，马建禄.新型等壁厚螺杆钻具结构设计及力学分析[J].石油矿场机械，2011，40(8)：74-77．