劉作明　鄒敏

摘 要：在石油鉆井施工過(guò)程中，螺桿鉆具的工作壽命直接影響施工井的生產(chǎn)時(shí)效和鉆井周期。在螺桿鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)質(zhì)量確定的情況下，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用技術(shù)水平對(duì)其使用壽命的影響也非常明顯。合理正確地使用螺桿鉆具，可充分發(fā)揮其潛在工作壽命。本文分析了影響螺桿鉆具工作壽命的現(xiàn)場(chǎng)使用因素，提出了針對(duì)性的技術(shù)措施，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)合理使用螺桿鉆具、提高其工作壽命具有一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：螺桿鉆具;工作壽命;使用因素;技術(shù)措施

影響螺桿鉆具使用壽命的因素包括“硬件”和“軟件”兩部分。“硬件”因素指螺桿鉆具本身的設(shè)計(jì)制造水平，“軟件”因素主要指螺桿鉆具使用方式、鉆井液性能控制、鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)化及規(guī)范操作等現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用技術(shù)。在“硬件”因素即螺桿鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造因素確定的情況下，“軟件”因素對(duì)螺桿鉆具工作壽命的影響也非常明顯。要想透徹的了解影響螺桿鉆具的使用因素，首先得要了解螺桿鉆具的工作原理及結(jié)構(gòu)。

1 螺桿鉆具工作原理及結(jié)構(gòu)

1.1螺桿鉆具的工作原理

螺桿鉆具是一種把液體的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置。當(dāng)高壓液體進(jìn)入鉆具時(shí)，迫使轉(zhuǎn)子在定子中滾動(dòng)，馬達(dá)產(chǎn)生的扭矩和轉(zhuǎn)速通過(guò)萬(wàn)向軸傳遞到傳動(dòng)軸和鉆頭上，達(dá)到鉆井的目的。

1.2螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)及其作用

1.2.1旁通閥總成

旁通閥設(shè)置在馬達(dá)的上部，它由閥體、閥芯、閥座、彈簧、濾套等組成，其功用為：下鉆時(shí)，井眼中的鉆井液由旁通閥引入鉆桿柱內(nèi)，減小下鉆過(guò)程的阻力，平衡鉆桿內(nèi)外液柱壓力。起鉆時(shí)，鉆井液由鉆桿柱內(nèi)經(jīng)旁通閥側(cè)孔流入環(huán)空，不致使鉆井液溢于井臺(tái)。鉆具工作時(shí)，高壓鉆井液流經(jīng)旁通閥，推動(dòng)閥芯，壓縮彈簧，關(guān)閉旁通閥側(cè)孔，所有鉆井液流經(jīng)馬達(dá)，把壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。

1.2.2.馬達(dá)總成

馬達(dá)是由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成的。轉(zhuǎn)子是一根經(jīng)過(guò)特殊加工和處理，具有抗腐蝕、耐磨損的左旋螺桿。定子是一根內(nèi)襯橡膠的鋼管，定子內(nèi)孔也呈螺旋形，轉(zhuǎn)子與定子組裝好后沿著它們的接觸點(diǎn)形成一系列連續(xù)的、共軛的、嚙合密封腔，在具有壓力能的液體作用下，隨著密封腔的形成、變化和消失，迫使轉(zhuǎn)子在定子中作連續(xù)運(yùn)動(dòng)。

1.2.3.萬(wàn)向軸總成

萬(wàn)向軸總成的作用是將馬達(dá)的偏心運(yùn)動(dòng)變換為傳動(dòng)軸的定軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)傳遞扭矩給傳動(dòng)軸，以達(dá)到鉆井的目的。撓式萬(wàn)向軸是專(zhuān)為超短型鉆具而設(shè)置，該型鉆具特點(diǎn)是：長(zhǎng)度短、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、利于造斜。花瓣萬(wàn)向軸更適于配中空可調(diào)排量轉(zhuǎn)子以滿足大流量鉆井液鉆井的需要。

1.2.4.傳動(dòng)軸總成

傳動(dòng)軸總成的作用是將馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)扭矩傳遞給鉆頭，同時(shí)承受鉆壓所產(chǎn)生的軸向和徑向負(fù)荷。傳動(dòng)軸總成的設(shè)計(jì)既要考慮到轉(zhuǎn)動(dòng)的靈活和平穩(wěn)，同時(shí)根據(jù)鉆壓、鉆井液的性質(zhì)及鉆頭的側(cè)面載荷、轉(zhuǎn)速、鉆頭水眼壓降來(lái)設(shè)計(jì)，一般設(shè)計(jì)為組合推力軸承和徑向滑動(dòng)軸承共同作用的型式。

2 影響工作壽命的因素分析

螺桿鉆具使用損壞，未能達(dá)到預(yù)期使用壽命，除鉆具本身的質(zhì)量因素以外，現(xiàn)場(chǎng)使用方式和工作環(huán)境的差異是影響其工作壽命的主要因素。

2.1.使用方式

采用螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)，可以明顯提高機(jī)械鉆速、減少起下鉆次數(shù)、合理控制井身軌跡、縮短鉆井周期。但由于螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要適合定向或調(diào)方位作業(yè)，其正常工況是純粹的水力馬達(dá)作用，復(fù)合鉆進(jìn)使用方式改變了螺桿鉆具的井下工況。此外，由于彎殼體鉆具所具有的擴(kuò)眼能力，使其受力狀況更為復(fù)雜，在各種交變載荷的作用下，導(dǎo)致其內(nèi)部各相對(duì)運(yùn)動(dòng)件的磨損加快，因而整機(jī)工作壽命明顯縮短。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)螺桿鉆具的生產(chǎn)水平顯著提高，但螺桿鉆具尤其是修復(fù)鉆具的使用壽命仍無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需要，甚至引發(fā)脫扣、斷軸等井下事故，其中這種非正常使用方式是重要影響因素。

2.2.鉆井液性能

進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)螺桿鉆具的傳動(dòng)軸總成一般均采用敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)，徑向軸承和推力串軸承依靠工作介質(zhì)—鉆井液潤(rùn)滑和冷卻;橡膠定子和鋼芯轉(zhuǎn)子（表面鍍鉻處理）保持適當(dāng)過(guò)盈配合。螺桿鉆具工作時(shí)，鉆井液中高硬度的顆粒狀固相成分對(duì)傳動(dòng)軸總成的軸承部分和定轉(zhuǎn)子嚙合表面進(jìn)行研磨、啃咬，使軸承潤(rùn)滑條件和馬達(dá)工作環(huán)境嚴(yán)重惡化，在交變重載作用下，導(dǎo)致推力串軸承和馬達(dá)總成先期損壞。目前，國(guó)內(nèi)淺到中深定向井、水平井占大多數(shù)。因其鉆井周期短，為了控制成本，鉆井液處理劑的使用數(shù)量減少，鉆井液體系受到限制。普遍采用的聚合物乳化體系沒(méi)有達(dá)到低固相標(biāo)準(zhǔn)，盡管采用了三級(jí)凈化設(shè)備，但鉆井液含砂量一般控制在0.5%以下，總固相含量小于10%，對(duì)螺桿鉆具傳動(dòng)軸總成和馬達(dá)總成的工作壽命構(gòu)成潛在危害，由此對(duì)鉆具的使用壽命造成了很大影響。

2.3.井身軌跡

在復(fù)合鉆進(jìn)工況下，井身軌跡對(duì)螺桿鉆具的工作壽命也有一定影響。就其使用壽命而言，直井明顯高于特殊工藝井，井斜小、軌跡平滑的鉆進(jìn)井段高于井斜大、軌跡復(fù)雜的使用井段。其原因是，在特殊工藝井的大井斜、復(fù)雜軌跡井段，螺桿鉆具的旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)效果加強(qiáng)，瞬間載荷急劇變化，致使其工作壽命降低。

2.4.地層因素

在均質(zhì)地層中使用，螺桿鉆具受力均勻、工作平穩(wěn)，因而壽命較長(zhǎng);而在夾層多、軟硬交替頻繁的非均質(zhì)地層，螺桿鉆具易憋跳鉆，負(fù)荷忽大忽小，徑向和軸向沖擊載荷對(duì)螺桿鉆具造成較大的破壞作用。常規(guī)螺桿鉆具的耐溫不超過(guò)125℃，可在3500m以?xún)?nèi)的井中工作。隨著井深的不斷增加，井底溫度逐漸上升，過(guò)高的工作溫度會(huì)使定子橡膠脆化而造成先期破壞。因此，螺桿鉆具在深井和超深井的使用受到了限制。

2.5.鉆進(jìn)參數(shù)

根據(jù)生產(chǎn)廠家推薦的螺桿鉆具使用參數(shù)，并結(jié)合實(shí)際情況，合理優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)，可充分發(fā)揮其潛在工作壽命。若施加鉆壓過(guò)大，轉(zhuǎn)速過(guò)高，易使螺桿鉆具的負(fù)荷過(guò)重，若循環(huán)排量過(guò)大，對(duì)馬達(dá)和軸承組的沖蝕加重。

2.6.操作因素

切菜式送鉆，尤其是溜鉆、頓鉆，鉆壓忽大忽小，造成螺桿鉆具頻繁滯動(dòng)，壓力急劇波動(dòng)，使定子橡膠襯套損壞嚴(yán)重，從而降低螺桿鉆具的使用壽命。

3 提高工作壽命的技術(shù)措施

影響螺桿鉆具工作壽命的現(xiàn)場(chǎng)使用因素錯(cuò)綜復(fù)雜，目前有些因素還不能完全控制，但通過(guò)采取合理的針對(duì)性技術(shù)措施，可有效延長(zhǎng)其使用壽命，進(jìn)一步提高鉆井生產(chǎn)效率。

3.1在復(fù)合鉆進(jìn)井段優(yōu)選螺桿鉆具。

針對(duì)鉆具強(qiáng)度和擴(kuò)眼量的限制，彎殼體的彎角不能過(guò)大，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速一般低于60r/min。同時(shí)，盡量使用新制鉆具或新度較高的修復(fù)鉆具，殼體穩(wěn)定器型式宜采用螺旋式或直條均布式等非偏心式結(jié)構(gòu)。

3.2適當(dāng)加大鉆井液處理劑投入，嚴(yán)格控制鉆井液中的有害固相含量。

鉆井液應(yīng)具有良好的攜巖性，能及時(shí)將鉆屑帶離井底，減少重復(fù)破巖的幾率;提高鉆井液抑制固相分散的能力，采用化學(xué)絮凝與機(jī)械除砂相結(jié)合的方法，做好地面凈化，盡可能配備震動(dòng)篩、除砂器、除泥器、離心機(jī)四級(jí)凈化系統(tǒng)，控制鉆井液含砂量低于0.3%。

3.3根據(jù)地層巖性、井身軌跡、鉆進(jìn)速度等井下實(shí)際情況，動(dòng)態(tài)控制并優(yōu)選螺桿鉆具的工作參數(shù)。

嚴(yán)格按照各型號(hào)螺桿使用說(shuō)明書(shū)進(jìn)行參數(shù)的控制。在螺桿鉆具的推薦工作參數(shù)范圍內(nèi)，鉆壓宜小不宜大，轉(zhuǎn)速宜低不宜高，排量大小應(yīng)適中。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

4.1螺桿鉆具受使用因素的影響較大，改善井下工況有利于充分發(fā)揮其潛在壽命。

4.2在現(xiàn)場(chǎng)使用因素中，使用方式和鉆井液中的有害固相含量對(duì)螺桿鉆具的工作壽命影響很大，降低工作介質(zhì)的含砂量，可有效延長(zhǎng)使用壽命。

4.3優(yōu)化螺桿鉆具的使用條件，對(duì)提高其工作壽命潛力較大。

4.4精心操作，均勻送鉆，保證螺桿鉆具負(fù)荷均勻，平穩(wěn)工作。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇義腦.螺桿鉆具研究及應(yīng)用[M].北京：石油工業(yè)出版社，2001.

[2]陳湖濱等 影響螺桿鉆具工作壽命的使用因素分析 鉆采工藝 2007

[3]立林螺桿使用說(shuō)明書(shū)