空气螺杆钻具
空气螺杆钻具
空气螺杆钻具研制、特性分析及现场实验与应用
作为新型的钻井技术，以空气钻井为代表的气体钻井和欠平衡钻井在国外油气勘探与开发中获得广泛应用，在国内也正呈快速发展趋势。
空气螺杆钻具是应用这类新型钻井技术钻定向井及其他特殊工艺井所必需的工具。
一、概述
近些年来，气体钻井和欠平衡钻井在国外获得了比较普遍的应用，取得了显著的技术效益和重大经济效益。
例如，在满足相应的前提下，气体钻井如空气钻井、天然气钻井、氮气钻井、尾气钻井等，可成倍提高机械钻速，明显缩短钻井周期，降低钻井成本；欠平衡钻井，则可对储层进行有效保护，有利于提高钻遇率和开发率。
为推广和扩大空气钻井的应用规模，美国能源部曾规定2004年的空气钻井口数不低于本土总钻井口数的30%。
近些年来，我国也开始关注、尝试应用空气钻井技术，在一定规模上采用欠平衡钻井技术，取得了可喜的进展。
随着对这些技术在直井上应用经验的逐步积累和日渐成熟，在定向井及其他特殊工艺井上应用这些技术，已成为必然的发展趋势，这将在很大程度上扩展气体钻井与欠平衡钻井的应用领域。
空气螺杆钻具(或称气体螺杆钻具)是用气体钻井或欠平衡钻井技术钻定向井及各类特殊工艺井的必需工具。
但在2001年底以前，此类新型螺杆钻具产品在国内仍为空白。
中国石油集团长城钻井公司在伊朗承担的空气钻井项目，急需?244(9-5/8?)的空气螺杆钻具，经与外商询价，每台价格在13万美元以上，无法承受，大批量的购买更无从谈起。
为了解决生产急需和节约外汇，集团公司科技发展部考虑利用国内技术力量解决伊朗项目的现场急需，并为国内欠平衡钻井与空气钻井提供工具，决定成立“伊朗欠平衡钻井空气螺杆钻具研制”课题组，由中国石油勘探开发研究院钻井所和北京石油机械厂承担，并任命苏义脑为课题组长，组织攻关。
在2001年5月?2002年11月这一年半时间中，课题组克服了重重难关，终于完成了K7LZ120和K7LZ244两种系列的空气螺杆钻具样机的设计、制造、室内实验台架设计和空气钻井的有关理论研究工作，并于2002年7月进行了K7LZ120样机的地面实钻实验和2002年8月在长庆苏35－18井的下井实验，均取得成功。
在此基础上，两台K7LZ244样机于2002年12月运往伊朗，在2003年10月下井应用获得成功。
2004年7月在四川白浅－111H井上运用K7LZ120钻具钻天然气水平井，取得了显著的技术效益。
本文针对空气钻井的特殊性(特别是空气介质的可压缩性)，介绍空气螺杆钻具设计和研制中的几个关键问题，分析空气螺杆钻具的工作特性，并介绍K7LZ120和K7LZ244两种钻具在现场实验和生产应用中的有关情况。
二、空气螺杆钻具设计的关键问题
常规的螺杆钻具是以钻井液(俗称泥浆)作为传递动力的介质，由于液体的不可压缩性和容积式机械的特性，螺杆钻具具有很好的过载性能和硬机械特性。
而空气螺杆钻具，由于以压缩空气作为动力源和工作介质，与常规液体驱动的螺杆钻具相比，其结构特征和工作特性有显著不同。
下面简介有关空气螺杆钻具设计的几个关键技术问题。
1、必须设计多头多级的马达
液驱螺杆钻具的过载性能和硬机械特性表现在：1) 输出扭矩与马达进出口间的压差成正比；2)转速与通过的流量有关而与钻压无关。
在钻进过程中，当钻压增大时马达进出口间的钻井液压差相应变大，导致扭矩增加；而流进钻具的泥浆排量近似固定，输出转速不变；因此，增加钻压有助于增大井底切削力矩，提高机械钻速。
对于空气螺杆钻具，钻压的增加同样会使马达进出口间的压差增大，但由于空气的可压缩性，马达入口处压力升高，使通过马达的空气流量减小，因而输出的转速降低，过大的钻压甚至会导致马达制动。
因此，空气螺杆钻具必须设计成多头多级马达(如图1所示)，能够输出足够的工作扭矩，钻进时施加较大钻压，马达不会严重失速或制动。
2、必须考虑并解决马达“飞车”问题
由于空气的可压缩性，钻进时因切削力矩造成的压差使马达进口处空气压力增大，体积变小，马达转速低；当提离井底，压差显著变小，从而马达进口处空气压力减小，体积变大，马达转速上升。
这种突增的马达转速称为“飞车”。
飞车会使空气螺杆钻具内部的万向轴、传动轴轴承及马达定子转子副间的运动频率相应增大，磨损加剧，寿命变短，从而影响钻井总效率。
因此，一般在用空气螺杆钻具钻井时都从工艺上对这一缺点加以限制，例如规定在起下钻过程中不循环空气；马达不得提离井底起动，而是先接触井底加压后再起动，等等。
但是这些规定并不科学，它与钻井工艺是有矛盾的。
因为起下钻过程中的循环有一定必要性，划眼下入、清洁井底是需要的，不循环容易造成卡钻；另外加压起动造成操作难度，很容易使马达在重载下突然起动而损坏内部结构。
所以，为克服空气螺杆的飞车问题，人们一般采用了一种地面控制措施：在井口增加一个空气流量调节阀，在起下钻循环时，选取1/2的工作流量。
这一控制措施在一定程度上解决了飞车问题，但弊病有四：1) 增加了地面装备；2) 造成了很大的功率损失；3) 控制效果不好，因为空气驱动的软特性使马达特性随井深发生变化，合理的流量调节量是变量，1/2流量并不是唯一不变的最佳值；4) 增加了操作难度，因为提离井底是经常要发生的操作，规定提钻前先去操作地面流量阀，这样既麻烦而又易失误。
课题组已研究出了一种解决空气螺杆钻具飞车问题的方法及装置，并申报了国家发明专利。
其工作原理为：在空气螺杆钻具的转子上端装入一个气动限速阀，转子中心钻有通孔，限速阀下端和钻子中孔相连。
当实际钻进时，限速阀处于闭合状态，转子中孔入口处的气流通道关闭，压缩空气全部从马达工作副流过，产生工作转速。
当提钻空转时，限速阀处于开启状态，马达入口处的部分压缩空气从转子中孔分流，于是流经马达工作副的气量减小，转速受到控制。
这样当空转状态，气压降低、体积膨胀时，由于限速阀的自动控制造成旁路分流，抑制了马达转速的上升。
该装置使空气螺杆钻具自身具有自动控制、调节转速，从而保证钻速稳定的内在特性。
3. 采用油润滑密封传动轴
常规螺杆钻具工作时，钻井液流经万向轴及其壳体间的空腔，主流从导水帽进入传动轴的中间流道，同时另有一小部分钻井液流经轴承组进行润滑和冷却，然后从传动轴壳体下部排向环空。
空气螺杆钻具中的传动轴虽然功能未变，但是却失去了泥浆对轴承的润滑和冷却作用。
由于螺杆钻具在恶劣的井底环境中工作时，轴承组负荷重，承受幅度很大的交变载荷，是螺杆钻具易损害的部位，必须给予很好的润滑。
于是，设计油润滑密封传动轴成为首选，将全部轴承密封起来，使轴承组在油润滑的条件下工作，同时防止岩屑粉尘进入轴承加剧其磨损，使承载能力和使用时间进一步提高。
北京石油机械厂已经有成熟的具有独立知识产权的油润滑密封传动轴技术，油润滑密封传动轴是空气螺杆钻具研制的关键技术之一。
4、选择气密封性能好的马达线型
转子和定子曲面形成的多个共轭封闭腔之间的密封性是形成容积式马达的基本条件之一。
按传统泥浆马达设计的定/转子经水密封实验合格后，在带压空气情况下发现马达气密封性极不理想。
在众多线型中由于短幅类线型在保证同样密封压力时要求较大的过盈，因此不宜用做空气马达，而宜选用具有较小定子齿顶曲率半径的线型。
课题组通过在北京石油机械厂引进的世界上最为先进的马达设计软件——奥地利WEINCAD上进行模拟修正，找到了水密封和气密封兼备的线型，气马达线型，马达设计软件的界面。
螺杆钻具结构原理
1、螺杆钻具结构螺杆钻具是一种把液体的压力能转换为机械能的能量转换装置,由旁通阀、马达、TC轴承、推力轴承、万向轴、传动轴和防掉装置等组成(如图1所示)。
当高压液体进入钻具时，迫使转子在定子中转动（定子和转子组成了马达），马达产生的扭矩和转速通过万向轴传递到传动轴和钻头上，达到钻井的目的。
螺杆钻具作为井底动力装置，具有低转速、大扭矩、大排量等许多优点：1．增加了钻头扭矩和功率，提高了进尺率。
2．减少了钻杆和套管的磨损和损坏。
3．可准确地进行定向、造斜、纠偏。
4．广泛应用于直井、水平井、丛式井和修井作业。
1.1旁通阀总成旁通阀由阀体、阀套、阀芯及弹簧等部件组成(如图2所示)。
在压力作用下阀芯在阀套中滑动，阀芯的运动改变了液体的流向，使得旁通阀有旁通和关闭两个状态：在起、下钻作业过程中，阀套与阀体通孔未闭和，旁通阀处于旁通状态，使钻柱中泥浆绕过马达进入环空；当泥浆流量和压力达到标准设定值时，阀芯下移，关闭旁通阀孔，此时泥浆流经马达，把压力能转变成机械能。
当泥浆流量值过小或停泵时，弹簧把阀芯顶起，旁通阀孔处于开启位置--处于旁通状态。
1.2马达总成马达由定子、转子组成。
定子是在钢管内壁上压注橡胶衬套而成，其内孔是具有一定几何参数的螺旋；转子是一根有硬层的螺杆 (如图3所示) 。
转子与定子相互啮合，用两者的导程差而形成螺旋密封腔，以完成能量转换。
马达转子的螺旋线有单头和多头之分。
转子的头数越少，转速越高，扭矩越小；头数越多，转速越低，扭矩越大。
仅以转子与定子啮合头数为5：6和9：10的截面参考。
(如图4、图5所示)。
马达中一个定子导程组成一个密封腔（一级）。
每级额定工作压降约0.8MPa ～1.1MPa 。
压降超过最大压降值，马达就会产生泄漏，转速很快下降，对马达也会造成损坏。
为了确保密封效果，转子与定子之间的配合尺寸与不同井深、井温有关。
在选择钻具时应按不同井况选用不同型号马达。
现场使用的泥浆流量应在推荐的范围之内，否则将影响马达效率，甚至加快马达磨损。
空气螺杆钻具研制、特性分析及现场实验与应用
空气螺杆钻具研制、特性分析及现场实验与应用中国石油勘探开发研究院钻井所北京石油机械厂作为新型的钻井技术，以空气钻井为代表的气体钻井和欠平衡钻井在国外油气勘探与开发中获得广泛应用，在国内也正呈快速发展趋势。
空气螺杆钻具是应用这类新型钻井技术钻定向井及其他特殊工艺井所必需的工具。
一、概述近些年来，气体钻井和欠平衡钻井在国外获得了比较普遍的应用，取得了显著的技术效益和重大经济效益。
例如，在满足相应的前提下，气体钻井如空气钻井、天然气钻井、氮气钻井、尾气钻井等，可成倍提高机械钻速，明显缩短钻井周期，降低钻井成本；欠平衡钻井，则可对储层进行有效保护，有利于提高钻遇率和开发率。
为推广和扩大空气钻井的应用规模，美国能源部曾规定2004年的空气钻井口数不低于本土总钻井口数的30%。
近些年来，我国也开始关注、尝试应用空气钻井技术，在一定规模上采用欠平衡钻井技术，取得了可喜的进展。
随着对这些技术在直井上应用经验的逐步积累和日渐成熟，在定向井及其他特殊工艺井上应用这些技术，已成为必然的发展趋势，这将在很大程度上扩展气体钻井与欠平衡钻井的应用领域。
空气螺杆钻具(或称气体螺杆钻具)是用气体钻井或欠平衡钻井技术钻定向井及各类特殊工艺井的必需工具。
但在2001年底以前，此类新型螺杆钻具产品在国内仍为空白。
中国石油集团长城钻井公司在伊朗承担的空气钻井项目，急需φ244(9-5/8")的空气螺杆钻具，经与外商询价，每台价格在13万美元以上，无法承受，大批量的购买更无从谈起。
为了解决生产急需和节约外汇，集团公司科技发展部考虑利用国内技术力量解决伊朗项目的现场急需，并为国内欠平衡钻井与空气钻井提供工具，决定成立“伊朗欠平衡钻井空气螺杆钻具研制”课题组，由中国石油勘探开发研究院钻井所和北京石油机械厂承担，并任命苏义脑为课题组长，组织攻关。
在2001年5月~2002年11月这一年半时间中，课题组克服了重重难关，终于完成了K7LZ120和K7LZ244两种系列的空气螺杆钻具样机的设计、制造、室内实验台架设计和空气钻井的有关理论研究工作，并于2002年7月进行了K7LZ120样机的地面实钻实验和2002年8月在长庆苏35－18井的下井实验，均取得成功。
北石螺杆技术参数
产品型号外径(inch)外径(mm)流量/中空流量(L/s) K7LZ244×7.0 螺杆钻具(空气或泡沫)9 5/824442～70K7LZ197×7.0 螺杆钻具(空气或泡沫)7 3/419733.5～56.7K7LZ172×7.0 螺杆钻具(空气或泡沫) 6 3/417222～38.5K7LZ165×7.0 螺杆钻具(空气或泡沫) 6 1/216519～38K7LZ120×7.0 螺杆钻具(空气或泡沫) 4 3/412010～20K7LZ95×7.0 螺杆钻具(空气或泡沫) 3 3/4955～10LZ244×7.0 螺杆钻具(单头)9 5/824438～63LZ197×7.0 螺杆钻具(单头)7 3/419719～31.6LZ165×7.0 螺杆钻具(单头) 6 1/216515.8～25.2LZ127×7.0 螺杆钻具(单头)51279.5～19LZ120×7.0 螺杆钻具(单头) 4 3/4120 6.33～15LZ100×7.0 螺杆钻具(单头) 3 7/8100 4.7～11LZ244×3.5 螺杆钻具(单头)9 5/824425.2～44LZ197×3.5 螺杆钻具(单头)7 3/419719～28.4LZ165×3.5 螺杆钻具(单头) 6 1/216512.6～22LZ127×3.5 螺杆钻具(单头)51279.5～15.85LZ244×7.0 螺杆钻具(多头)9 5/824450.7～75.73LZ244×7.0 螺杆钻具(多头)9 5/824418.93～56.78C5LZ216×7.0 螺杆钻具(多头)8 1/221628～56.78C3LZ216×7.0 螺杆钻具(多头)8 1/221628～56.787LZ203×7.0 螺杆钻具(多头)820322～56.78C5LZ203×7.0 螺杆钻具(多头)820322～365LZ203×7.0 螺杆钻具(多头)820322～36C5LZ197×7.0 螺杆钻具(多头)7 3/419722～365LZ197×7.0 螺杆钻具(多头)7 3/419722～36C7LZ172×7.0Ⅱ 螺杆钻具(多头) 6 3/417218.93～37.85C5LZ172×7.0 螺杆钻具(多头) 6 3/417218.93～37.85C5LZ172×7.0Ⅱ 螺杆钻具(多头) 6 3/417218.93～37.85C4LZ172×7.0 螺杆钻具(多头) 6 3/417218.93～37.855LZ172×7.0 螺杆钻具(多头) 6 3/417218.93～37.859LZ165×7.0 螺杆钻具(多头) 6 1/216519～31.67LZ165×7.0 螺杆钻具(多头) 6 1/216516～28D7LZ165×7.0 螺杆钻具(多头) 6 1/216518～28C5LZ165×7.0 螺杆钻具(多头) 6 1/216518.93～37.855LZ165×7.0 螺杆钻具(多头) 6 1/216516～283LZ165×7.0 螺杆钻具(多头) 6 1/216517～27C5LZ120×7.0 螺杆钻具(多头) 4 3/4120 6.667～20D5LZ120×7.0 螺杆钻具(多头) 4 3/4120 5.78～15.85LZ120×7.0 螺杆钻具(多头) 4 3/4120 5.78～15.85LZ100×7.0 螺杆钻具(多头) 3 7/8100 4.73～11.04C5LZ95×7.0 螺杆钻具(多头) 3 3/4955～13.33C5LZ95×7.0Ⅱ 螺杆钻具(多头) 3 3/4955～13.335LZ95×7.0 螺杆钻具(多头) 3 3/495 4.73～11.04 5LZ89×7.0 螺杆钻具(多头) 3 1/2892～75LZ73×7.0 螺杆钻具(多头) 2 7/873 1.262～5.05 5LZ60×7.0 螺杆钻具(多头) 2 3/860 1.262～3.13 5LZ43×7.0 螺杆钻具(多头) 1 3/443 1.262～2.839钻头转速(r/min)马达压降(MPa)工作扭矩(N·m)最大扭矩(N·m)推荐钻压(kN)最大钻压(kN)40～70 2.41500024000210400 50～80 2.41100017600200380 50～100 2.460009600150300 46～92 2.45750920090180 50～100 1.82770443055100 60～1302100016003060 240～400 4.1623612472213329 230～390 4.129285856120240 350～550 4.11817363480160 345～690 3.1712142447110 245～600479015803570 280～700 5.1765013003557 215～375 2.52623524649102 275～415 2.5153230645483 275～480 2.593518702955 355～560 2.557611522040 90～140 2.5930016275210400 96～2905704011260210400 105～21051070017100200360 145～2905793012700200360 56～146 2.5740911854120240 100～160 5.2889014220145290 95～150 3.250008750120240 100～160 5.2889014220145290 95～150 3.250008750120240 85～175458609380150300 100～2006687010992170340 100～200 4.551508240150300 150～3007632010110170340 100～200 3.236605856100200 85～135 2.53200560080160 78～140 2.53833613380150 130～200 2.52300368080150 125～25055000800090180 100～178 3.23200560080160 200～300 4.12500375080160 80～240 5.22500400055100 70～200 1.690014855572 70～200 2.5130022755572 140～320 3.271012402140 140～380 6.5149022354080 140～380 5.2120019203570140～320 3.271012402140 95～330 4.156******** 120～480 3.452754801225 140～360 2.5160280510 280～640 4.5160280612最大功率(kW)长度(m)连接螺纹(API正规)连接螺纹(API正规)1107.8 6 5/8 6 5/8 92.2 6.9 5 1/2 6 5/8 62.8 6.7 4 1/2 4 1/2 737.6 4 1/2 4 1/2 29 6.2 3 1/2 3 1/2 13.61 5.8 2 7/8 2 7/8 261.29 6 5/8 6 5/8 1207.8 5 1/2 6 5/8 104.77.3 4 1/2 4 1/2 51.5 6.6 3 1/2 3 1/2 50 6.4 3 1/2 3 1/2 47.65 6.4 2 7/8 2 7/8 1037.87 6 5/87 5/8 66.6 6.2 5 1/2 6 5/8 476 4 1/2 4 1/2 33.78 5.8 3 1/2 3 1/2 136.37.8 6 5/8 6 5/8 213.87.56 6 5/8 6 5/8 235.38.285 6 5/8 6 5/8 240.88.285 6 5/8 6 5/8 112.58.05 5 1/2 6 5/8 1508.7 5 1/2 6 5/8 78.54 6.9 5 1/2 6 5/8 1508.7 5 1/2 6 5/8 78.54 6.9 5 1/2 6 5/8 1068.35 4 1/2 4 1/2 1449.18 4 1/2 4 1/2 107.87.76 4 1/2 4 1/2 198.559.18 4 1/2 4 1/2 76.6 6.71 4 1/2 4 1/2 45.24 5.7 4 1/2 4 1/2 56.2 6.5 4 1/2 4 1/2 48.2 4.97 4 1/2 4 1/2 112.68.15 4 1/2 4 1/2 59.65 6.5 4 1/2 4 1/2 78.54 6.5 4 1/2 4 1/2 70.5 6.88 3 1/2 3 1/2 18.85 3.29 3 1/2 3 1/2 27.23 4.88 3 1/2 3 1/2 23.8 4.21 2 7/8 2 7/8 59.3 6.88 2 7/8 2 7/8 47.8 5.49 2 7/8 2 7/823.8 4.21 2 7/8 2 7/8 19.35 4.67 2 3/8 2 3/8 13.8 3.45 2 3/8 TBG 2 3/8 6.03 3.3 1.9 TBG 1.9 TBG 10.72 3.1NC12NC12。
空气螺杆钻具在元陆27井的应用
而且 对 机械 钻速 的影 响 也 很 大 ， 尤 其 是 泥 浆 的 固相
含 量 是 影 响 钻 进 速 度 和 成 本 的 关 键 性 因 素 之 一 。 比
［ ５ ］ 鸟效 噶． 钻 井 液 与岩土 工程 浆液［ Ｍ］ ． 北京 ｓ 地
质 大学 出版社 ， ２ ０ ０ ２ ．
开发 出 了空气 螺杆 钻具 。
２ 空气 鳃杆钻 具 结构 特征殛 原理 含量 高 ， 则 环空 压 降 大 ， 起 下 钻时 液动 压 力大 ， 影 响
孔 壁 稳定 ， 甚 至 压裂 地层 而造成 漏失 。
了钻 井液抗 污染 能力 ， 并 防止可溶 性 岩层 溶解 ， 使井
径 保 持规则 。
（ ｓｈａ ａ ｎｘ ｌ Ｅｎ ｅ ｒ ｇｙ Ｉ ｎｓ ｔ ｉ ｔ ｕｔ ｅ Ｘｉ ａ ｎ ｙａ ｎ ｇ７１ ２ ０ ００ ）
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ｔ Ｔａ ｋｉ ｎ ｇ Ｈｅ ｎａ ｎ Ｐｕｙａ ｎｇ ｏ ｉ ｌ ｉｅ ｆ ｌ ｄ ｄｒ ｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ ａ ｓ ａ ｎ ｅ ｘ ａ ｍ ｐｌ ｅ，ｔ ｒ ｙ ｔ ｏ ｅ ｘｐ ｌ ａ ｉ ｎ ｈｏ ｗ ｔ ｏ ｓ ａ ｔ ｉ ｓ ｆ ｙ ｔ ｈｅ ｅ ｎ ｖ ｉ —
用。概 况 了螺杆 钻吴 的发展 及 固 内外现状 ， 阐 述 了螺 杆 钻 具 的 结 构 原 理 ， 根 据 由 天 津 立 林 生 产 的 空 气螺 杆 在元 陆 ２ ７井 侧 钻 中 的 现 场 试 验 应 用 ， 分 析 了 空 气螺 杆 钻 具 存 在 的 不 足 并 提 出建 议 。
关键 词 ｌ 空气钻 井 ， 空 气螺杆 ｝ 结构原 理 Ｉ 定向侧 钻 Ｉ 试 验
中图分 类号 ｌ ＴＥ９ ２ １
空气螺杆钻具螺杆衬套副设计研究
空气螺杆钻具螺杆衬套副设计研究空气钻井是欠平衡钻井的重要分支。
由于空气钻井技术突出的优点,正在得到广泛的应用。
随着空气钻井技术的发展以及采用空气钻井技术进行定向井、水平井作业的需要,空气螺杆钻具已成为国内外各大钻井科研机构研究的热点。
针对现有空气螺杆钻具存在的问题,本论文对空气螺杆钻具的动力节——螺杆衬套副进行了设计研究。
本文采取的技术路线是理论研究及设计计算。
首先,通过对螺杆钻具的工作原理进行研究,分析了螺杆钻具形成的必要条件,确定了螺杆和衬套的线型,采用回归法归纳5/6头螺杆衬套副过流面积,并对5/6头螺杆衬套副进行了优选。
其次,研究了空气钻井理论,并采用最小动能法进行算例计算,总结了对空气钻井影响较大的几个因素。
再次,分析了容积式马达的逆应用—容积式空气压缩机的工作原理及其工作过程中气体状态,并在上述理论分析的基础上初步总结出两种新型空气螺杆钻具螺杆衬套副的设计方法,用此方法结合算例对两种空气螺杆钻具螺杆衬套副进行了设计,确定了新型空气螺杆钻具的速度特性公式。
最后,通过对空气钻井的理论研究和新型空气螺杆钻具的特性研究,初步确定了空气钻井与新型空气螺杆钻具的匹配关系,并采用有限元软件ANSYS对螺杆衬套副进行受力分析。
空气螺杆钻具应用现状及改进建议
1.5轴承总成
新型空气螺杆配有密封轴承总成。目前有两种类型的密封轴承可用，一类用于泥浆马达，改进后增加密封，注入润滑脂润滑；另一类为密封注油轴承总成。
2空气螺杆钻具应用现状
空气螺杆钻具或称气体螺杆钻具，是用气体、泡沫等可压缩流体钻定向井及各类特殊工艺井的必须工具。国外于1960年就开始进行空气螺杆现场钻井测试，目前掌握空气螺杆钻具技术并具有该类产品的公司有：原Smith International，Griffith，Bake Hugtes，Sperry-Sun，Robbins &Myers和Roper等。像Bake Hugtes，目前有最大外径为Ø241.3mmNavi-Drill MIADM，最小外径为Ø79.4 mmNavi-Drill MIADM的尺寸较齐全的空气螺杆马达系列产品。
由于空气的可压缩性，钻进时因切削力矩造成的压差使马达进口处空气压力增大，体积变小，马达转速低；当提离井底，压差显著变小，从而马达进口处空气压力减小，体积变大，马达转速上升。这种马达转速的突增称为“飞车”。“飞车”会使空气螺杆钻具内部的万向轴、传动轴轴承及马达定子、转子的运动频率相应增大，磨损加剧，寿命变短，从而影响钻井总效率。因此，在使用空气螺杆钻具时有必要从工艺上对之一缺点加以改进。
国内目前的理论研究和产品开发正处在起步阶段。2002年，中国石油天然气集团公司才立项研制空气螺杆钻具，并作为国家“十五”科技攻关项目。2002年8月，由北京石油机械厂生产的试验样机被送往苏里格气田，进行了天然气驱动螺杆钻具钻直井的实验并获得初步成功。同年底又向中国石油长城钻井公司伊朗项目组提供了两套K7LZ244*7.0型空气螺杆钻具，在伊朗经多种介质验证，在定向、纠偏钻井的使用中获得了满意的效果。2004年7月，中国石油西南油气田公司在白浅111-H水平井使用K7LZ120*7.0型空气螺杆钻具进行气相欠平衡钻井，由柴油机尾气驱动空气螺杆钻具带PDC钻头进行钻进，注气量为33～40m3/min，钻进正常，钻时为4～5min/m，累计进尺仅23m，后因实验中的尾气发生装置出现技术问题而停止。2004年11月，窿14井首次进行了空气螺杆配合PDC钻头的空气复合钻井技术试验，平均机械钻速可达7.19m/s。
螺杆钻具结构及功能课件
1:2
3:4
5:6
7:8
9:10
PPT学习交流
21
马达总成
根据马达线型理论研究结论可知，转子线型和定子线型是 一对摆线类共轭曲线副，常用的马达转子若为N头摆线线型， 则定子为N+1摆线线型；转子和定子曲面的螺距相同，导程之 比为N/（N+1）。
1
2
PPT学习交流
22
马达总成
马达中转子与定子相互啮合，用两者的导程差而形成 螺旋密封腔，以完成能量转换。为了确保密封效果，转子 与定子之间的配合尺寸与不同井深、井温有关，在选择钻 具时应按不同井况选用不同型号马达。
定子
转子
PPT学习交流
19
马达总成
定子橡胶工艺控制步骤如下图所示
拆模
成分检验
冷却
密炼
硫化 注胶
全检 泥浆浸泡试验
预热
粘接
喷砂
清洗
返炼 快检
PPT学习交流
20
马达总成
马达转子的螺旋线有单头和多头之分（定子的螺旋线头数
比转子多1）。转子的头数越少，转速越高，扭矩越小；头数
越多，转速越低，扭矩越大。
可根据用户需求，制造转子头数与定子头数比为 1:2、3:4、 5:6、7:8、9:10 的马达，下图是几种典型马达配合的截面 轮廊：
构钢相当的机械性能，同时 具有较低的弹性模量，因此 可在较小的尺度实现挠动。 采用进口优质钛合金制造的
钛合金挠轴，在完美实现
动力传递的同时，完全不存 在磨损问题，具有极长的使 用寿命。
钛合金万向轴
PPT学习交流
31
万向轴总成
功能：将做行星运动的转子和做定轴
转动的传动轴连接起来，把马达转子的平 面行星运动转化为传动轴的定轴转动，同
螺杆钻具技术参数
C5LZ172* 7.0II -D K W F G
其中“C”表示：
马达形式（C-长马达、D-短马达、K-空气或泡沫马达 省略-常规马达）
“5”表示:
转子头数
“LZ”表示：
螺杆钻具产品代号
“172”表示：
螺杆钻具规格（外径，mm）
“7.0”表示：
允许使用的转子水眼压降（MPa
“II”表示：
2
1000
1600
30
60
13.61
5.8
27/8
27/8
K7LZ120*7.0
43/4
120
10〜20
50〜100
1.8
2770
4430
55
100
29.0
6.2
31/2
31/2
K7LZ172*7.0
63/4
172
22〜38.5
50〜100
2.4
6000
9600
150
300
62.8
6.7
41/2
41/2
275〜415
2.5
1532
3064
54
83
66.6
6.2
51/2
65/8
LZ244*3.5
95/8
244
25.2〜44
215〜375
2.5
2632
5246
49
102
103
7.87
65/8
75/8
LZ100*7.0
37/8
100
4.7〜11
280〜700
5.17
650
1300
35
57
47.65
螺杆钻具详细介绍
离井底 推力轴承 坐井底 推力轴承 径向轴承
传 动 轴 总 成 装 配
螺杆钻具整机
(1)、常规螺杆钻具
(2)、中空防掉、可调螺 杆钻具
(3)、中空防掉、可调、 可换扶正器螺杆钻具
二、螺杆钻具的选择及 使用中应注意的问题
2013-6-11
(一)、螺杆钻具型号的选择 1、常规井眼选择范围( 表示最佳选择)
◆配用 的钻头 PDC钻头与7Y型螺杆钻具完全匹配， 尤其是在周期较长的直井钻进中 牙轮钻头也可使用，此时牙轮钻头齿部 硬度可比用一般传统转盘钻选硬一个等级
。
过大：螺杆承受钻压的能力下降 轴承得不到良好的润滑与冷却
◆钻头 的水眼 过小：达到额定泵压时，排量可能过小， 马达不易发挥出最大效能。 达到额定排量时，系统压力增高， 影响轴承寿命
●反扣锁紧装置可以很好的调整轴承 间隙，使得轴承磨损后重新调整轴承 间隙非常方便，并具有防松的功能。 反扣锁紧装置示意图
该型串轴承传动轴总成既可 以满足螺杆钻具+PDC钻头低钻压 （以165、172为例3-6吨）的要求， 又能满足螺杆钻具+牙轮钻头大钻 压（以165、172为例10-15吨）的 要求，而且结构简单，便于维修装 卸。
比如在钻头需要180rpm的情况下，下列 在同一外径规格、不同马达头数的钻具 的寿命情况：
钻具型号 4LZ165X7Y 5LZ165X7Y 7LZ165X7Y 推荐排量 16-22-30 18-22-28 10-18-25 所需排量 22 26 27 转速 180 180 180 钻具所处状态 正常 正常 超负荷
(2) 、输出扭矩最大的原则：在同一井眼其他条件 不变的情况下，钻具的输出扭矩越大为优选条件， 以确保提供足够的滑动钻进的扭矩。如81/2″井眼 中，同为5LZ165钻具应选择多级大扭矩钻具。
气体钻井螺杆钻具的工作原理及性能评价研究
气体钻井螺杆钻具的工作原理及性能评价研究余洛阳（西南石油大学石油与天然气工程学院，重庆 ４０８２００）摘 要：目前发展极为成熟的能源利用模式，就是石油与天然气，人们生活中大多数用品都有石油的影子，而获得这些能源就需要钻井技术。
气体钻井作为一种欠平衡钻井工艺，相比传统工艺，它可以提升钻进作业机械钻速，显著缩短钻进周期，有效地保护油气藏，以及预防井下漏塌事故，因此备受业内人士的推崇，并被逐步地推广应用。
而气体钻井螺杆钻具正是这类特殊钻井工艺的必要工具，通过不断地进行完善、改进，实现了应用和推广。
本文主要围绕气体钻井用螺杆钻具展开，螺杆钻具发展了几十年，空气钻井螺杆钻具在某些技术程度上仍有不足，找到气体钻井螺杆钻具存在的问题（包括失效机理和失速控制）等，提出自己对问题的改进思路建议是本论文主旨所在。
关键词：气体钻井；螺杆钻具；输出性能中图分类号：ＴＥ２１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－５０６５（２０１６）２１－０１４６－４Study on working principle and performance evaluation of gas drilling screw drilling toolYU Luo-yang（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０８２００，Ｃｈｉｎａ）Abstract: Ｉｎ ｔｏｄａｙ＇ｓ ｓｏｃｉｅｔｙ， Ａ ｖｅｒｙ ｍａｔｕｒｅ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｔｈａｔ ｂｅ ｋｎｏｗｎ ｉｓ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ａｎｄ ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ． Ｍｏｓｔ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ａｒｅ ｆｒｏｍ ｏｉｌ ｉｎ ｐｅｏｐｌｅ＇ｓ ｌｉｖｅｓ， ａｎｄ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅｓｅ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｑｕｉｒｅｓ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｇａｓ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ａｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｕｎｄｅｒｂａｌａｎｃｅｄ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｃａｎ ｐｒｏｔｅｃｔ ｏｉｌ ａｎｄ ｇａｓ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ， ｉｎｃｒｅａｓｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｓｐｅｅｄ， ｓｈｏｒｔｅｎ ｔｈｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｃｙｃｌｅ ａｎｄ ｐｒｅｖｅｎｔ ａｃｃｉｄｅｎｔ ｏｆ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｃｏｌｌａｐｓｅ ａｎｄ ｗｅｌｌ ｌｅａｋ． Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ， ｐｅｏｐｌｅ ｐａｙ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ， ａｎｄ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｐｒｏｍｏｔｅ ｉｔ． Ｇａｓ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｓｃｒｅｗ ｄｒｉｌｌ ｉｓ ｔｈｅ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏｏｌ． Ｓｃｒｅｗ ｄｒｉｌｌ ｉｓ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｆｅｗ ｄｅｃａｄｅｓ， ａｎｄ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｉｓ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｌｏｎｇ ｌｉｆｅｔｉｍｅ， ｄｉｖｅｒｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ， ｓｐｅｃｉａｌｉｚａｔｉｏｎ， ｂｕｔ ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｓｔｉｌｌ ｓｏｍｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓ． Ｓｏ， ｉｔ’ｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｈａｔ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｉｔｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｐｒｏｍｏｔｉｎｇ ｔｈｅ ａｉｒ ｄｒｉｌｌ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ．Keywords: Ｇａｓ ｄｒｉｌｌｉｎｇ； Ｓｃｒｅｗ ｄｒｉｌｌ； Ｏｕｔｐｕｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ我国的螺杆钻具生产在八十年代中后期才形成一定规模,由于国内螺杆钻具的研究相对国外较晚，没有完整的设计理论，因此早期在很大程度上是对国外螺杆钻具的模仿，此外由于螺杆钻具生产厂家与钻井公司分立，现场试验、信息收集等工作难以进行，这些问题都制约着螺杆钻具技术的发展。