螺杆钻具的研究现状论文

涡轮钻具是一种井底水力发动机。里面装有若干级涡轮（定子和转子），定子使液体以一定的方向和速度冲动转子，而转子将液体动能转变成带动钻头旋转破碎地层的机械能。

涡轮钻具技术最早出现在美国，1873年，在美国第一次提出了涡轮钻具的概念，随后，德国的Max Blumerreich和对的钻具进行了大量的改进工作，翻开了涡轮钻井的新篇章。

20世纪50年代以前，前苏联、美国、法国都开展了涡轮钻具的研制和开发，并有部分产品在钻井现场得到了应用。50年代到70年代，美国放弃了涡沦钻具的研究，而前苏联则大力发展涡轮钻具，涡轮钻井逐渐成为前苏联基本的钻井方法，井下动力钻具（主要是涡轮钻具）的年进尺量达到总进尺量的80%。法国则研制出能耐170℃高温的Neyrfor涡轮钻具成为市场上功率最大的涡轮钻具，其转速和扭矩参数能够较好地与PDC钻头匹配。20世纪80年代，由于适合石油钻井应用的螺杆钻具的研制成功，西方国家的涡轮钻具的发展有所放慢，但研究一直在进行。90年代以来，由于油气勘探的深度和难度不断加大，涡轮钻具在深井方面的独特优势，使得国外的涡轮钻井技术发展迅速，涡轮钻具越来越受到石油钻井界的重视，这段时间，涡轮钻井方法仍然是独联体国家钻井的最主要的手段，欧洲和中东地区的涡轮钻井也快速发展，一向不太重视涡轮钻井技术的美国也大力发展涡轮钻具，并且和俄罗斯一起成为当今世界涡轮钻具技术最发达的两个国家。

纵观涡轮钻具的发展过程，其研究工作主要是从两个方面展开：一是开展涡轮钻具本身技术研究，即是通过结构设计、材料选择与处理、关键部件优化等方面，提高涡轮钻具的寿命、功率、可靠性等性能指标；另一方面，涡轮钻具的匹配技术研究，即按照不同类型钻头的工作钻速与扭矩匹配要求，开展不同类型的涡轮钻具研究，以克服涡轮钻具的缺点，最大程度发挥其适用性。

目前，西方国家、独联体国家、中东和中国等国家地区是应用涡轮钻具和涡轮钻井技术的热点地区。涡轮钻具的更新和发展与钻井工艺、其他辅助设备的技术进步密切相关。不断提高井下涡轮钻具在钻井过程中的适应性和有效性，以适应钻井工艺和钻井技术的进步，是各国在涡轮动力钻具发展中共同追求的目标之一。

涡轮钻具按照其结构和用途大致可以分为：单式涡轮钻具、复式涡轮钻具、短涡轮钻具、弯壳体涡轮钻具、带减速器的涡轮钻具、带滚动轴承的涡轮钻具、高速涡轮钻具。

各国涡轮钻具发展的一大特点就是品种类型趋于统一，性能参数基本一致。随着涡轮钻具技术的发展与成熟，产品的性能越来越稳定，通过对国外涡轮钻具输入输出参数和使用功能进行详细的统计分析，发现各国开发制造的产品虽然种类繁多、互有差异，但却有产品类型逐渐趋于统一、性能参数基本相近的趋势。产品可分为如下3种类型：①低速大扭矩的井下动力钻具；②中高速大功率的井下动力钻具；③中高速短长度的井下动力钻具等几种常见类型。

各国涡轮钻具划分产品规格的特征标志相同、产品系列化的形式相近。根据钻井工艺的不同，一定的井身结构对涡轮钻具的最大允许外径有严格的限制。因此，以外径作为划分井下涡轮钻具尺寸规格的基本特征是最恰当的，具有实用性。前苏联和西方各国均采用了外径作为形成产品系列化的特殊标志。

对于前苏联涡轮钻具，根据其国家标准POCT23115-78《涡轮钻具型式、直径系列》，外径在120mm以上的涡轮钻具有127mm、164mm、172mm、195mm、215mm和240mm六种尺寸规格。为了满足～大口径井眼的钻井工艺要求，1988年又增补了260mm的尺寸规格。西方国家井下动力钻具以单独生产厂家为经营核心独立发展，产品规格按外径划分，单位都是英寸（in）。通过对美、法、英、德四国12家大公司82种规格的涡轮钻具进行了统计，涡轮钻具产品的直径系列集中在、这5种尺寸规格范围内。相当于前苏联直径系列中的127mm、172mm、195mm、240mm和260mm。美国涡轮钻具的最大直径为349mm，单式结构长度为12m，复式结构长度为26m，输出功率为220kW。

独联体国家近年来对涡轮钻具的研究重点在降低涡轮钻具转速、提高输出扭矩，尽量降低压力降，最大程度提高涡轮钻具零部件的通用化和模块化。在此指导思想下，以俄罗斯为代表的独联体国家，主要研制低速大扭矩涡轮钻具，如减速器涡轮钻具和复式涡轮钻具等。

俄罗斯在涡轮钻具的主要研制机构是全苏钻井技术科学研究院，在减速器涡轮钻具方面发展了TPM-195，TPⅢ-195和TPO3-195三款比较有代表性的产品，这种涡轮钻具外径均为195mm，表中列出了3种不同型号的减速器涡轮钻具的主要技术参数，这些涡轮钻具在俄罗斯的西伯利亚地区以及其他地区得到了广泛应用。

表 俄罗斯195系列减速器涡轮钻具主要技术参数

TPM-195减速器涡轮钻具是前苏联研究和生产的第一代减速器涡轮钻具，直到现在它的使用仍最为广泛。世界第一深井——KoLa超深井就使用了这种减速器涡轮钻具，目前该涡轮钻具在西西伯利亚油田每年的进尺已经超过500000m。

西方研究涡轮钻具的国家主要有美国、法国和德国三个国家，主要的制造商有美国的Eastman、Redi-Drill，西欧则主要有Neyrfor、Trauzl、Salzgitter等公司。产品系列从普通涡轮钻具、低速涡轮钻具、高速涡轮钻具，以及全直径规格的涡轮钻具，产品齐全，技术水平高。

国内主要研究涡轮钻具的单位有：中国石油大学（北京）、江汉石油学院、中国石油大学（华东）、中国石油勘探开发研究院等。国产涡轮钻具形成了Φ240、Φ195、Φ175、Φ165、Φ152等外径系列，可以满足批量生产的要求，正朝多品种、系列化的方向发展；国产涡轮钻具实验的最大井深为5700m，井底温度135℃，井底压力80MPa（西南石油局川西地区），国内还未开展万米深井的高温高压工况的涡轮钻具研究；带减速器的涡轮钻具成为国内涡轮钻具发展的主流，但行星齿轮减速器基本依靠进口；涡轮钻具的关键部件与薄弱部件，如长寿命独立支承节的出现、独立悬挂涡轮节的发明、可调节型同步减速器的出现，使涡轮钻具的整体性能得到了极大的提高；国内涡轮钻具整机寿命可达120～200h，而定、转子的寿命可达600～1000h，无任何橡胶件，理论上具有适应200℃井下环境温度的工作能力。

涡轮钻具的特点是高转速低转矩，而与涡轮钻具配合的钻头类型多样，适应于不同的地层，具有不同的工作转速与转矩要求，如何根据钻头高效破岩的需要，克服涡轮钻具的缺点，提高涡轮钻具的适用性，逐渐成为涡轮钻具发展的热点。钻井工艺发展的需要，对涡轮钻具的设计理念、型式、结构等方面产生了重大的影响。

实践证明，涡轮钻井可以取得较高的机械钻速，高速牙轮钻头配合涡轮钻具钻井的机械钻速通常比转盘钻井提高3～5倍，但作为主要破岩工具的牙轮钻头不能适应涡轮钻具较高转速的要求，钻头轴承的寿命很短，在深井段导致起下钻时间增加、行程钻速降低，从而使钻井成本提高，这限制了涡轮钻井技术的应用。新型金刚石钻头（包括PDC钻头、TSP钻头及新型孕镶金刚石钻头）和新型高速三牙轮钻头等的发展，为涡轮钻井技术展示了发展前景。

目前涡轮钻具配合金刚石钻头钻井技术主要朝着三个匹配方向发展，分别是高速涡轮钻具配合表镶金刚石钻头、中高转速涡轮钻具配合PDC钻头和高速涡轮钻具配合新型孕镶金刚石钻头。

各类新型涡轮钻具满足了不同钻头类型、钻井地层和钻井技术条件对涡轮钻具特性和结构的要求。涡轮钻具的使用寿命特别是轴承的使用寿命有了大幅度提高，达到200～300h，最高连续使用时超过350h。涡轮钻具在其结构及性能方面的改进，提高了钻具定向轨迹控制能力及钻具功能的多样性，在常规直井、水平井、定向井、丛式井及欠平衡等钻井技术领域的应用日趋广泛。