頁巖氣鉆井螺桿鉆具的研究現狀及發展趨勢

邱自學, 王璐璐， 徐永和， 王 濤， 鄭天池

(1南通大學機械工程學院 2鹽城市新永佳石油機械制造有限公司)

高速發展的全球經濟，推動著世界各國對煤、石油、天然氣等常規能源的需求不斷增加。目前，常規能源開采已達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能源逐漸得到人們的廣泛關注[1]。頁巖氣是從有機質泥頁巖中開采出來的非常規天然氣，大多儲存在頁巖烴源巖地層中，如泥頁巖和粉砂質巖類的夾層中[2-3]。據國外調查評估，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域的重點開發對象，已寫入“十三五”規劃，其開發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鍵設備之一，在目前的頁巖氣開采過程中逐漸體現出一定的技術不適應性，如機械轉速低、質量不穩定、壽命較短等問題，對頁巖氣產能造成了一定的影響[5]。因此，頁巖氣高效開發的關鍵之一是改善常規螺桿鉆具的各項工作性能[6]。

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

一、螺桿鉆具的發展進程

公元前，阿基米德發明了螺旋水泵，利用螺旋線把水輸送到高處；20世紀30年代，法國工程師Rene. Moneau根據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螺桿鉆具，Dyna公司在單螺桿泵的設計基礎上，研制出單螺桿鉆具Dyna Drill[8]。隨著科學技術的發展進步，新材料、新工藝的廣泛應用使螺桿鉆具配套零部件的產品質量逐步提高。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年前蘇聯鉆井科學技術研究院彼爾姆分院發明了頭數比為9/10的馬達，并成功研制出扭矩大、轉速低的多頭螺桿鉆具，彌補了單頭螺桿鉆具的不足[10]。現如今螺桿鉆具廣泛應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中[11-12]。

與國外相比，我國對螺桿鉆具的研究開發起步較晚，上世紀70年代末國內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科學研究院開始進行螺桿鉆具的相關研究，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初具規模，生產技術逐步完善。但國內生產的螺桿鉆具性能與國外相比還存在一定差距，具體體現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相對落后，零件的設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致井眼垮塌，并且水基鉆井液易引起堵塞，影響產能。因此，目前國內頁巖氣開采主要采用油基鉆井液[13-14]。常規螺桿鉆具在含有大量柴油成分的油基鉆井液環境下，由于其內部的橡膠材料不具備耐油基性能，易使橡膠產生較大的體積膨脹，從而降低螺桿鉆具的物理機械性能，導致橡膠剝落，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井底的高溫環境。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系(其中k為速率常數，A為頻率因子，Ea為表面活化能，R為摩爾氣體常量，T為熱力學溫度)，式子表明溫度T越高，反應速率k越大，橡膠老化速度就越快。橡膠耐溫性能由其高分子結構、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. 高轉速

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

4. 大扭矩

螺桿鉆具在起鉆時負荷較大，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，井身軌跡復雜，負荷不斷變化，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、橡膠材料及復合材料應具備一定的耐高溫、耐油基和抗H2S等的良好性能，具有良好的適應復雜鉆井液體系的能力。

(2)通過合理優化馬達線型，將普通內擺線優化為短幅內擺線，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)優化螺桿鉆具的機械結構，使其滿足頁巖氣開發過程中安全性要求以及長時間高速鉆進的生產需求。采用單頭馬達或頭數較少的串聯馬達及加長馬達，同時配用優質牙輪、金剛石或聚晶金剛石復合片鉆頭，實現大輸出扭矩條件下的高轉速[18]，使鉆井過程更加高效化。

(4)改進常規螺桿鉆具傳動軸的機械結構。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置油密封結構，使軸向軸承和徑向軸承的潤滑實現油潤滑，從而提高螺桿鉆具使用壽命，提高其工作可靠性。

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

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

四、結論

(1)頁巖氣是一種重要的非常規能源，其勘探開發有利于緩解社會對清潔能源的需求量，改善能源環境，優化能源結構，螺桿鉆具作為開采的關鍵設備之一，其性能優化對于頁巖氣的可靠、高效開發具有重要意義。

(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及發展趨勢指明了方向。

(3)展望了頁巖氣開采用螺桿鉆具的發展趨勢，今后可從材料性能、機械結構、監測軟件等方面進行螺桿鉆具的優化設計，使其更加適用于我國的頁巖氣開采。