頁巖氣鉆井螺桿鉆具的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

邱自學(xué), 王璐璐， 徐永和， 王 濤， 鄭天池

(1南通大學(xué)機械工程學(xué)院 2鹽城市新永佳石油機械制造有限公司)

高速發(fā)展的全球經(jīng)濟，推動著世界各國對煤、石油、天然氣等常規(guī)能源的需求不斷增加。目前，常規(guī)能源開采已達70%以上，能源供需矛盾不斷升級。頁巖氣、水溶氣、致密砂巖氣等非常規(guī)能源逐漸得到人們的廣泛關(guān)注[1]。頁巖氣是從有機質(zhì)泥頁巖中開采出來的非常規(guī)天然氣，大多儲存在頁巖烴源巖地層中，如泥頁巖和粉砂質(zhì)巖類的夾層中[2-3]。據(jù)國外調(diào)查評估，全球頁巖氣資源總量約為716.4×1012m3，其中我國頁巖氣儲量約為36.1×1012m3[4]。頁巖氣作為我國新能源領(lǐng)域的重點開發(fā)對象，已寫入“十三五”規(guī)劃，其開發(fā)與利用得到了國家的高度重視。

螺桿鉆具是頁巖氣開采的關(guān)鍵設(shè)備之一，在目前的頁巖氣開采過程中逐漸體現(xiàn)出一定的技術(shù)不適應(yīng)性，如機械轉(zhuǎn)速低、質(zhì)量不穩(wěn)定、壽命較短等問題，對頁巖氣產(chǎn)能造成了一定的影響[5]。因此，頁巖氣高效開發(fā)的關(guān)鍵之一是改善常規(guī)螺桿鉆具的各項工作性能[6]。

為了加快頁巖氣的開發(fā)進程，提高頁巖氣開采效率，研制和優(yōu)化頁巖氣開采用螺桿鉆具已成為行業(yè)的研究熱點。本文結(jié)合頁巖氣開采的特殊性和復(fù)雜性，總結(jié)了頁巖氣開采用螺桿鉆具的性能要求和發(fā)展趨勢，為頁巖氣開采用螺桿鉆具的深入研究奠定了良好的基礎(chǔ)。

一、螺桿鉆具的發(fā)展進程

公元前，阿基米德發(fā)明了螺旋水泵，利用螺旋線把水輸送到高處；20世紀(jì)30年代，法國工程師Rene. Moneau根據(jù)阿基米德螺旋泵的原理，成功研制出單螺桿泵[7]；美國在50年代初開始投入資金和人力研究開發(fā)螺桿鉆具，Dyna公司在單螺桿泵的設(shè)計基礎(chǔ)上，研制出單螺桿鉆具Dyna Drill[8]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進步，新材料、新工藝的廣泛應(yīng)用使螺桿鉆具配套零部件的產(chǎn)品質(zhì)量逐步提高。Navi Drill小直徑螺桿鉆具采用粉末冶金制成的人造聚晶金剛石止推軸承，具有很好的耐磨性、熱穩(wěn)定性和抗壓強度，使鉆具的使用壽命提高到250～300 h[9]。1966年前蘇聯(lián)鉆井科學(xué)技術(shù)研究院彼爾姆分院發(fā)明了頭數(shù)比為9/10的馬達，并成功研制出扭矩大、轉(zhuǎn)速低的多頭螺桿鉆具，彌補了單頭螺桿鉆具的不足[10]?，F(xiàn)如今螺桿鉆具廣泛應(yīng)用于絕大部分水平井段、大中曲率半徑水平井的定向造斜及其他特殊井的鉆井作業(yè)中[11-12]。

與國外相比，我國對螺桿鉆具的研究開發(fā)起步較晚，上世紀(jì)70年代末國內(nèi)開始使用從國外引進的Dyna鉆具和Navi鉆具。1978年，石油部石油勘探開發(fā)科學(xué)研究院開始進行螺桿鉆具的相關(guān)研究，于1982年研制出我國第一臺3頭螺桿鉆具。80年代中后期，我國的螺桿鉆具生產(chǎn)初具規(guī)模，生產(chǎn)技術(shù)逐步完善。但國內(nèi)生產(chǎn)的螺桿鉆具性能與國外相比還存在一定差距，具體體現(xiàn)在螺桿鉆具的使用壽命、耐磨性等方面，主要原因是我國機械加工制造業(yè)相對落后，零件的設(shè)計與制造還存在一定不足。

二、頁巖氣對螺桿鉆具性能要求

1. 耐油基

頁巖氣開采不同于普通油氣田開采，普通油氣田的開采介質(zhì)為水基鉆井液，而頁巖是脆性礦物，遇水膨脹，若采用水基鉆井液則容易導(dǎo)致井眼垮塌，并且水基鉆井液易引起堵塞，影響產(chǎn)能。因此，目前國內(nèi)頁巖氣開采主要采用油基鉆井液[13-14]。常規(guī)螺桿鉆具在含有大量柴油成分的油基鉆井液環(huán)境下，由于其內(nèi)部的橡膠材料不具備耐油基性能，易使橡膠產(chǎn)生較大的體積膨脹，從而降低螺桿鉆具的物理機械性能，導(dǎo)致橡膠剝落，對螺桿鉆具的使用壽命具有較大影響。

2. 耐高溫

鉆井過程中，井眼垂直深度的增加和地層溫度梯度的異常均會導(dǎo)致井底溫度上升，頁巖氣鉆井多為深井和超深井，其井溫一般達到170℃以上。高溫會加劇各種不利因素對定子橡膠的損害，降低馬達使用壽命，因此，螺桿鉆具中定子橡膠必須具有一定的耐熱性來適應(yīng)井底的高溫環(huán)境。理論計算中，通常使用阿累尼烏斯公式k=Ae-Ea/RT來表示定子橡膠的老化速度和溫度的關(guān)系(其中k為速率常數(shù)，A為頻率因子，Ea為表面活化能，R為摩爾氣體常量，T為熱力學(xué)溫度)，式子表明溫度T越高，反應(yīng)速率k越大，橡膠老化速度就越快。橡膠耐溫性能由其高分子結(jié)構(gòu)、硫化體系、防老劑和增塑劑等因素決定，對于螺桿鉆具所采用的丁腈橡膠而言，最重要的是選擇合適的硫化體系[15]。

3. 高轉(zhuǎn)速

頁巖氣所處巖層非均質(zhì)性強，可鉆性較差，并且頁巖氣開采過程中存在井眼不規(guī)則、水平段存在巖屑床等問題，導(dǎo)致螺桿鉆具運轉(zhuǎn)時摩擦阻力不斷增大，機械轉(zhuǎn)速降低，影響鉆井速度[16-17]。因此，應(yīng)對頁巖氣開采用螺桿鉆具進行合理優(yōu)化以提高轉(zhuǎn)速，使其更適用于頁巖氣開發(fā)過程中鉆采深井的需要。

4. 大扭矩

螺桿鉆具在起鉆時負(fù)荷較大，下鉆時由于鉆具與井壁之間存在一定的摩擦，阻力較大，對螺桿鉆具輸出扭矩要求較高。

5. 長壽命

頁巖氣開采過程中，井身軌跡復(fù)雜，負(fù)荷不斷變化，對螺桿鉆具存在一定的軸向和徑向沖擊載荷，且常規(guī)螺桿鉆具傳動軸一般采用鉆井液潤滑，對軸承存在磨損，影響螺桿鉆具的使用壽命。因此，迫切需要提高螺桿鉆具的工作可靠性，延長其在頁巖氣開采過程中的工作壽命。

三、頁巖氣開采用螺桿鉆具發(fā)展趨勢

(1)進一步改善材料性能，研制高性能材料，螺桿鉆具所采用的金屬材料、橡膠材料及復(fù)合材料應(yīng)具備一定的耐高溫、耐油基和抗H2S等的良好性能，具有良好的適應(yīng)復(fù)雜鉆井液體系的能力。

(2)通過合理優(yōu)化馬達線型，將普通內(nèi)擺線優(yōu)化為短幅內(nèi)擺線，增大馬達壓力降，使液壓馬達總成的輸出扭矩提高10%左右，并提高鉆井效率。

(3)優(yōu)化螺桿鉆具的機械結(jié)構(gòu)，使其滿足頁巖氣開發(fā)過程中安全性要求以及長時間高速鉆進的生產(chǎn)需求。采用單頭馬達或頭數(shù)較少的串聯(lián)馬達及加長馬達，同時配用優(yōu)質(zhì)牙輪、金剛石或聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭，實現(xiàn)大輸出扭矩條件下的高轉(zhuǎn)速[18]，使鉆井過程更加高效化。

(4)改進常規(guī)螺桿鉆具傳動軸的機械結(jié)構(gòu)。采用合金推力軸承代替串軸承；改善軸承的潤滑條件，如在徑向軸承的兩端設(shè)置油密封結(jié)構(gòu)，使軸向軸承和徑向軸承的潤滑實現(xiàn)油潤滑，從而提高螺桿鉆具使用壽命，提高其工作可靠性。

(5)研制開發(fā)具有不同結(jié)構(gòu)特征和工作特性的高性能頁巖氣開采用螺桿鉆具，使產(chǎn)品系列多樣化，形成多功能、多品種的頁巖氣開采用螺桿鉆具。

(6)開發(fā)鉆井工況監(jiān)測軟件，對馬達轉(zhuǎn)速、鉆井泵排量等參數(shù)進行監(jiān)測，從而精確地模擬井底鉆具組合的各項輸出參數(shù)，實現(xiàn)對螺桿鉆具工作狀態(tài)的實時監(jiān)測功能，以保證鉆井過程的安全、可靠、高效。

四、結(jié)論

(1)頁巖氣是一種重要的非常規(guī)能源，其勘探開發(fā)有利于緩解社會對清潔能源的需求量，改善能源環(huán)境，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，螺桿鉆具作為開采的關(guān)鍵設(shè)備之一，其性能優(yōu)化對于頁巖氣的可靠、高效開發(fā)具有重要意義。

(2)頁巖氣開采對螺桿鉆具的性能要求更高，針對其特殊性和復(fù)雜性，得出頁巖氣開采用螺桿鉆具需滿足耐油基、耐高溫、高轉(zhuǎn)速、大扭矩、長壽命等性能要求，為頁巖氣開采用螺桿鉆具的進一步研究開發(fā)及發(fā)展趨勢指明了方向。

(3)展望了頁巖氣開采用螺桿鉆具的發(fā)展趨勢，今后可從材料性能、機械結(jié)構(gòu)、監(jiān)測軟件等方面進行螺桿鉆具的優(yōu)化設(shè)計，使其更加適用于我國的頁巖氣開采。