1、改进空气螺杆钻具的建议螺杆钻具被成为定排量马达(PositiveDisplacementMotor，简称PDM)是一种容积式井下动力钻具，由于其本身结构和性能方面的特点，自20世纪50年代中期问世以来的近40年用在石油钻井和修井方面获得了广泛的运用。随着以空气钻井为代表的欠平衡钻井技术在国外油气勘探中的广泛应用，空气钻井技术在国内也正呈现出快速发展趋势。空气螺杆钻具正是应用这类新型钻井技术钻定向井及其他特殊工艺精所必需的工具。1空气螺杆钻具基本结构和特点空气螺杆钻具作为一种专门研制的泵式定向钻井马达，其主要部件是为适应气体钻井环境而专门设计的。它的结构包括:可调弯接头、马达、万向节外壳/总成和
2、轴承总成。1.1可调弯接头可调弯接头有1个API(美国石油学会)标准的母扣端，通常用于低-中曲率造斜，即造斜率为(012)/30m，其也可和可调起斜接头一起使用，产生20/30m的造斜率。1.2马达与泥浆马达一样，气体钻井也采用一种摩里式马达。新型空气螺杆钻具的马达采用8个叶片定子和7个叶片转子。1.3万向节壳体/总成万向节壳体是一种专用的偏斜短接头，又称可调起斜接头(AKO)，其可调最大倾斜角度为2.75，使用中可在02.75之间任意变化。1.4万向节新型万向节已不是具有火焰切割的耳状结构的通用万向节。它除了将转子的偏心运动转化为驱动接头的非偏心旋转外，还保证扭矩可通过轴承传递给钻头。1.5
3、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SmithInternational，Griffith，BakeHugtes，Sperry-Sun，RobbinsMyers和Roper等。像BakeHugtes，目前有最大外径为241.3mmNavi-DrillMIADM，最小外径为79.4
4、mmNavi-DrillMIADM的尺寸较齐全的空气螺杆马达系列产品。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
5、尾气驱动空气螺杆钻具带PDC钻头进行钻进，注气量为3340m3/min，钻进正常，钻时为45min/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。不可否认，空气螺杆钻具在现场造作和使用过程中也出现了一些技术问题，包括:空气螺杆平均寿命只有30h，不能确保弯曲段的钻进;“飞车“问题导致转子转速过快，损毁(因摩擦热)马达的柔性螺旋半空腔护套;空气螺杆密封性能不佳，导致压缩气体能量的大量损失;空气螺杆有时出现启动难的问题。这对空气螺杆钻具的研制和改进提出了新要求。3改
6、进空气螺杆钻具的建议3.1提高气体马达寿命气体钻井系统要达到最佳状态，其每一个部件(包括钻头、马达及数据传输系统)的平均寿命应不低于50h。气体钻井系统的机械钻速为918m/h,因此马达的最低寿命需达到50h才能在一次起下钻中完成所需弯曲段的钻进。提高气体马达寿命的措施主要有:马达定子橡胶材料和硫化工艺的改进;马达转子表面抛光并镀一层硬铬，以降低摩擦磨损;增加刚性螺旋瓣轴与柔性螺旋板空腔护套之间的尺寸公差，为元件更宽松的配合提供空间。3.2设计多头多级的螺旋杆液驱螺旋杆钻具的过载性能和硬机械特性表现在:输出扭矩与马达进出口间的压差成正比;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
7、大时马达进出口间的钻井液压差相应变大，导致扭矩增加;而流进钻具的钻井液排量近似固定，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。对于空气螺旋钻具，钻压的增加同样会使马达进出口见得压差增大，但由于空气的卡压缩性，马达入口处压力升高，是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才能保证输出足够的工作扭矩，并且施加较大钻压时，马达不会严重失速或制动。3.3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
8、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。3.4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，主流从导水猫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，但是失去了钻井液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，需承受很大幅度的交变载荷，
9、是螺杆钻具易损害的部位，必须给予良好的润滑，于是，设计油润滑密封传动轴承为首选。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，使空气螺杆钻具的承载能力和使用时间得到进一步提高与延长。3.5优化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/转子经水密封试验合格后，在带压空气情况下发现马达气的密封性极不理想。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，因此不宜用作空气马达，而宜选用具有较小定子齿顶曲率半径的线型。3.6研制大功率的压缩机和增压机由于气体的可压缩性，在压缩工程中大量压缩功储存到气体中，同时由于温度降低，压缩气体就会散失大量能量。把空气用作钻井介质，要达到钻井液马达的要求就需要大功率的压缩机和增压机。
