螺桿鉆具的應(yīng)用現(xiàn)狀及未來進步趨勢分析

劉立江

（奧瑞拓能源科技股份有限公司，河北 廊坊 065099）

隨著打鉆油井的方法及自身技術(shù)的提升，螺桿鉆機作為這項常用的工程技術(shù)，自身也有了很大的技術(shù)提升。國內(nèi)鉆機階段經(jīng)歷了從無到有，從弱到強的很快進步，國內(nèi)螺桿鉆具在國內(nèi)市場占據(jù)主導(dǎo)地位，差不多處理了國內(nèi)打鉆油井方法工程的要求，但國內(nèi)鉆井工具因為多種緣故，有很多的問題，如不穩(wěn)定、選擇的鉆井工具與刀具壽命存在管理方面的混亂現(xiàn)象等，有必要分析鉆井工具的特點，包括鉆具設(shè)計、制作、運用、檔案管理的全套階段的管理控制，發(fā)現(xiàn)差錯的地方，指出處理螺桿鉆具問題的方向，從而實現(xiàn)國產(chǎn)鉆具的再開發(fā)。

1 螺桿鉆具的進步現(xiàn)狀

近年來為滿足鉆井工程的需求，螺旋鉆在中國的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，已由最初的定向井、多位移斜井、水平井與一般垂直井向多規(guī)模方面擴展，出現(xiàn)復(fù)合鉆井與河流穿越工程。螺桿鉆機技術(shù)的進步體現(xiàn)在以下幾個方面：尺寸規(guī)格從54mm擴大到286mm，各方面參數(shù)更加詳細。為了滿足不同鉆井參數(shù)的需求，在一致規(guī)格下有許多不同的參數(shù)。在構(gòu)造上，分析了不同的構(gòu)造以及不同的鉆井方式；在鉆井壽命方面，優(yōu)化后的鉆井方案能夠滿足各種工作情況下的鉆井需求。從鉆頭的4個方面的進步能夠看出，整個鉆頭的進步在此能夠具體的表現(xiàn)出來。

1.1 旁通閥總成

近年來，旁路閥總成的構(gòu)造沒有得到很多的進步，底層上保持了閥體、彈簧、密封圈、閥心、閥套的構(gòu)造。閥門總成開關(guān)經(jīng)常打開，很容易使閥門心、閥套與閥體內(nèi)部多量腐蝕，提高容易損壞部件更換的可能，這些都是螺桿鉆具現(xiàn)在面臨的情況。

1.2 電機裝配

電機總成其實是來分析螺桿鉆機制造工藝水平的關(guān)鍵部件，自推出以來一直是各廠家的重點研發(fā)對象。所以，螺桿鉆具能夠得到很快的進步，這些進步具體表現(xiàn)在以下方面。

（1）底層理論是延續(xù)萬邦烈教授的理論，線方面形式是保持圓弧與原擺線。雖然采用了圓弧與短內(nèi)擺線的形式，但是很少有廠家會使用此理論。

（2）電機模型，每個廠家都做出了很多改進，主要體現(xiàn)在更完整的規(guī)格與數(shù)量方面，從原來的單頭引入今天的9/10頭等；運用的廣度也有很大的提高，從原始適合液體的鉆井到適合空氣與泡沫的鉆井，鉆井工具的規(guī)范也更詳細，如針對不同系列、不同尺寸的定子，以及適合不同工況的螺桿鉆具。研制了延長電機與串聯(lián)電機。

（3）定子橡膠由原來的耐高溫25℃增加為耐更高溫度。定子橡膠壽命不穩(wěn)定，經(jīng)常發(fā)生橡膠脫落的問題。

（4）轉(zhuǎn)子表面的涂層一般是電鍍，只有少數(shù)廠家嘗試使用TC碳化物噴涂。轉(zhuǎn)子被腐蝕或去鉻，去鉻主要發(fā)生在海水或鉆井中。

（5）中國定子主軸、轉(zhuǎn)子的加工水平有了很大提高，其中不乏有一些廠家的生產(chǎn)水平超出了國外水平。中國很多廠家都是采用仿形加工方法來制造轉(zhuǎn)子，多轉(zhuǎn)子采用每頭整體加工，然后再將加工方法進行劃分。多港油田公司與對應(yīng)單位合作開發(fā)的專用轉(zhuǎn)子數(shù)控機床，提升了加工的精度，但整體尺寸卻發(fā)生了控制失控。它僅用于測量多型步道的尺寸，而線方面的具體尺寸根本無法測量。在機床制造商與一些隨機配備最先進的國際汽車設(shè)計軟件與三坐標，轉(zhuǎn)子研磨與拋光加工使用三坐標測試，在任何時候，在任何時間，能夠?qū)崿F(xiàn)加工尺寸在線測量比較理論，從而提高線方面定子的加工精度，提供了很重要的理論基礎(chǔ)。

1.3 萬向軸總成

萬向軸總成的制造方法已經(jīng)得到了很多改進。整體花瓣形萬向軸總成的加工方式簡單，壽命長，是國內(nèi)主要的萬向軸總成；十字形萬向軸總成的構(gòu)造借鑒了汽車萬向軸的構(gòu)造原理；銷接萬向軸總成是密封的萬向軸，其壽命略高于整體花瓣形萬向軸總成，但構(gòu)造復(fù)雜；球鉸萬向軸總成是一種國外流行的萬向軸總成。嵌入式柔性側(cè)萬向軸總成是國內(nèi)較早的一種萬向軸形式，其構(gòu)造是將萬向軸的細長軸置于轉(zhuǎn)子內(nèi)，通過增加長軸長度以及增加萬向軸的柔性側(cè)，實現(xiàn)通用作用，是一種具有較長壽命的萬向軸，是中國近年來進步最快的，也是最適合于可調(diào)式曲線殼體鉆具的萬向節(jié)軸組件，壽命一般在200～500h以上。

2 螺桿鉆具進步建議

（1）旁通閥總成。旁通閥的閥芯、套筒與內(nèi)表面是最易磨損的部位。鉆井液分流的主要方式是垂直分流，造成閥芯、套筒與閥體內(nèi)表面鉆井液流面的過度沖蝕。鉆井液流動路徑由垂直侵蝕轉(zhuǎn)變向側(cè)向分流，改善了閥芯的工作環(huán)境，減少了零件數(shù)量，鉆井表面通過高耐磨處理，從而提高了旁通閥組件的使用壽命。

（2）電機總成。定子橡膠是電機總成的薄弱環(huán)節(jié)。提高橡膠的物理和化學(xué)性能是問題的關(guān)鍵。建議從2個方面著手：一是在不久的將來，如果橡膠配方方面沒有突破，就改變現(xiàn)有的設(shè)計理念，并充分利用現(xiàn)有配方的特點，融入工業(yè)與礦業(yè)；二是在設(shè)計中增加橡膠本身強度，以提高橡膠整體的物理和化學(xué)性能，這不僅增加輸出轉(zhuǎn)矩，而且也使各級電機的密封壓力增加了50%～100%，所以在一致的長度、磁頭數(shù)與串聯(lián)數(shù)下，電機的總長度也縮短了。此外，應(yīng)該加強對新橡膠配方的研究，全面改善橡膠的物理和化學(xué)性能，同時在我們的日常工作中也應(yīng)保證橡膠的加工質(zhì)量。

（3）萬向軸總成。萬向軸總成的種類很多，包括常規(guī)型、長壽命型與高性能型。建議現(xiàn)階段，應(yīng)提升常規(guī)類型自攻螺絲質(zhì)量，處理影響質(zhì)量的薄弱環(huán)節(jié)，提高其使用壽命?，F(xiàn)在，與鉆具配套的其它鉆具與鉆削參數(shù)底層上與傳統(tǒng)的通用萬能軸總成匹配（壽命控制在15h之內(nèi)），由于此工作重點應(yīng)放在材料熱處理以及對應(yīng)的耐磨墊上。如應(yīng)力表面處理，萬向軸端部花瓣堵塞，球面關(guān)節(jié)端部咬合鉸接。材料與熱處理研究。同時，還應(yīng)努力研究長壽命、高性能的萬向軸組件，為鉆具出口與長壽命鉆具的進步奠定基礎(chǔ)?，F(xiàn)有萬向軸總成的構(gòu)造基本合格，因此應(yīng)注重產(chǎn)品的各階段質(zhì)量控制，如關(guān)鍵零部件的探傷。可調(diào)彎曲殼組件是近年來進步最快的，也是問題較少的組件。建議今后的研究開發(fā)重點仍應(yīng)放在螺紋類型的選擇與殼體外觀上。

（4）建議開發(fā)租賃鉆具的業(yè)務(wù)。自20世紀80年代開始國外鉆具租賃以來，中國近年來進步緩慢。究其緣故，主要原因是：一是市場發(fā)育不完善，市場運行中的誠信問題一直困擾著市場的進步；二是鉆具使用壽命短，不能滿足租賃市場的需求。使用壽命是租賃鉆具盈利的關(guān)鍵，為了解決使用壽命問題，首先應(yīng)該處理易損件的使用壽命問題。建議現(xiàn)在應(yīng)該做的主要工作是：①旁通閥總成應(yīng)重點開發(fā)長壽命閥體、閥芯、閥套與彈簧。閥體與閥套在保持耐磨層的基礎(chǔ)上，應(yīng)采用可更換的耐磨套管硬質(zhì)合金芯。將路面改為側(cè)流，總壽命指標為350～450h。②定子橡膠應(yīng)配制性能較高的橡膠，轉(zhuǎn)子使用壽命應(yīng)多于300h。應(yīng)盡可能進步碳化鎢噴涂轉(zhuǎn)子，使用壽命應(yīng)多于900h。③萬向軸總成應(yīng)選用壽命較長的柔性側(cè)萬向軸或球鉸萬向軸，其壽命應(yīng)超過450h。④在采用長壽命構(gòu)造的基礎(chǔ)上，傳動軸組件應(yīng)優(yōu)化易于拆卸的構(gòu)造，長期軸承的使用壽命應(yīng)不小于260h，傳動軸應(yīng)不小于400h。重點研制具有導(dǎo)流閥頭與防沖傳動軸套的二極管帽，以延長二者的使用壽命。

3 結(jié)語

總而言之，只有開發(fā)租賃鉆具，即長壽命鉆具，才能真正實現(xiàn)租賃市場中螺桿鉆具的開發(fā)與鉆機質(zhì)量的提高，因為鉆具的高壽命并不意味著鉆具其他方面的提升。

石油管道的建設(shè)對中國經(jīng)濟的進步有著很大的推動作用。確保管道施工階段中機械設(shè)備的安全管理，不僅是安全施工與安全管理工作的需要，也是提高管道施工質(zhì)量的根本所在。通過引進新技術(shù)、新設(shè)備，加強員工安全意識教育，建立健全安全施工體系，形成系統(tǒng)、立體的安全管理體系，為機械設(shè)備安全管理提供了保障，從而保證了輸油管道施工的質(zhì)量與效率。