井下動力鉆具旋轉鉆井技術

井下動力鉆具旋轉鉆井技術

井下動力鉆具旋轉鉆井技術是繼轉盤旋轉鉆井技術的又一次巨大的鉆井技術革命。成熟轉盤旋轉鉆井技術大大提高了破巖效率和鉆進速度，完鉆井不斷加深，但數千米的鉆具在井中旋轉消耗了過多的功率，且易發生鉆桿折斷事故，這使人們向著減少鉆桿轉動的方向尋找解決辦法。20世紀20年代初，前蘇聯首先開發出井下動力鉆具（渦輪鉆具），其地面設備、清除巖屑的方法和轉盤旋轉鉆井原理相同，區別是轉動鉆頭的動力由地面移到井下，直接作用在鉆頭上，鉆柱只是給鉆頭施加鉆壓、形成鉆井液通道、承受井下動力鉆具外殼的反扭距。井下動力鉆具的動力由地面泥漿泵或電源提供。

井下動力鉆具主要分為電動鉆具、渦輪鉆具、螺桿鉆具3種。電動鉆具是臺電機,1937年首先在前蘇聯研制成功，40年代中葉形成規模化應用。原理是電動鉆具電纜裝在鉆桿內，以鉆桿接頭的特別接頭聯通。優點是鉆桿不轉，功率降低，減少了鉆桿事故；缺點是結構復雜、轉速高（1 200 r/min以上）、可靠性差、絕緣與密封要求高。70年代美國對電動鉆具進行改進，轉速大幅度降低（350 r/min），與連續管鉆井配合使用，推進了該項技術的應用和發展。

渦輪鉆具是一種特殊的葉輪式井下動力鉆具。1923年世界上第1臺渦輪鉆具在前蘇聯巴庫油田試驗成功，1953年以來形成以前蘇聯為代表的渦輪鉆具鉆井技術。原理是由泥漿泵將高壓鉆井液經鉆桿內腔泵入渦輪鉆具中，驅動轉子主軸帶動鉆頭旋轉破巖。與電動鉆具相比，渦輪鉆具輸出性能柔和，轉速稍低（800 r/min），制造精度容易保證，操作簡單。隨著密封牙輪鉆頭和噴射鉆井技術發展，渦輪鉆具暴露出的缺點是轉速高、扭矩低、止推軸承壽命短、工具長等。之后經過不斷改進形成了復式渦輪鉆具、低速大扭矩渦輪鉆具、帶減速器的渦輪鉆具、金屬密封渦輪鉆具等，降低了轉速（400 r/min以內），增大了扭矩，提高了抗高溫性能，與PDC鉆頭配合使用，提高了鉆井速度。

螺桿鉆具是另一種由高壓鉆井液驅動的容積式井下動力鉆具。美國是螺桿鉆具技術最具代表性的國家，其從20世紀50年代開始研究單螺桿鉆具，60年代投入應用，在80年代螺桿鉆具得到快速發展。螺桿鉆具原理是帶壓力的鉆井液驅動螺桿轉子轉動，帶動鉆頭破巖鉆進。它克服了早期渦輪鉆具的部分缺點，能提供大扭矩、低轉速（單頭400 r/min、多頭90～200 r/min），結構簡單，工作可靠。隨著技術的進步，螺桿鉆具不斷革新、更新換代，形成分流螺桿鉆具、空心轉子螺桿鉆具、多頭低速大扭矩螺桿鉆具、抗高溫螺桿鉆具等。

隨著科技進步，無線隨鉆MWD、LWD、PDC鉆頭等新成果與井下動力鉆具配合使用，提升了定向與井斜控制能力，提高了鉆井速度。世界鉆井技術已經形成以前蘇聯為代表的以渦輪鉆具鉆井技術為主體、轉盤鉆井為輔助，和以美國為代表并為世界大多數國家所采用的以轉盤鉆井技術為主體、井下動力鉆具（以螺桿鉆具為主）為補充的2個方向的發展路線。目前鉆井技術正朝著智能化導向鉆井技術方向發展。

〔華北油田公司 孫志和〕