淺談影響螺桿使用壽命的因素

劉作明　鄒敏

摘 要：在石油鉆井施工過程中，螺桿鉆具的工作壽命直接影響施工井的生產時效和鉆井周期。在螺桿鉆具結構設計及生產質量確定的情況下，現場應用技術水平對其使用壽命的影響也非常明顯。合理正確地使用螺桿鉆具，可充分發揮其潛在工作壽命。本文分析了影響螺桿鉆具工作壽命的現場使用因素，提出了針對性的技術措施，對現場合理使用螺桿鉆具、提高其工作壽命具有一定的借鑒作用。

關鍵詞：螺桿鉆具;工作壽命;使用因素;技術措施

影響螺桿鉆具使用壽命的因素包括“硬件”和“軟件”兩部分。“硬件”因素指螺桿鉆具本身的設計制造水平，“軟件”因素主要指螺桿鉆具使用方式、鉆井液性能控制、鉆進參數優化及規范操作等現場應用技術。在“硬件”因素即螺桿鉆具結構設計及制造因素確定的情況下，“軟件”因素對螺桿鉆具工作壽命的影響也非常明顯。要想透徹的了解影響螺桿鉆具的使用因素，首先得要了解螺桿鉆具的工作原理及結構。

1 螺桿鉆具工作原理及結構

1.1螺桿鉆具的工作原理

螺桿鉆具是一種把液體的壓力能轉化為機械能的能量轉換裝置。當高壓液體進入鉆具時，迫使轉子在定子中滾動，馬達產生的扭矩和轉速通過萬向軸傳遞到傳動軸和鉆頭上，達到鉆井的目的。

1.2螺桿鉆具的結構及其作用

1.2.1旁通閥總成

旁通閥設置在馬達的上部，它由閥體、閥芯、閥座、彈簧、濾套等組成，其功用為：下鉆時，井眼中的鉆井液由旁通閥引入鉆桿柱內，減小下鉆過程的阻力，平衡鉆桿內外液柱壓力。起鉆時，鉆井液由鉆桿柱內經旁通閥側孔流入環空，不致使鉆井液溢于井臺。鉆具工作時，高壓鉆井液流經旁通閥，推動閥芯，壓縮彈簧，關閉旁通閥側孔，所有鉆井液流經馬達，把壓力能轉換為機械能。

1.2.2.馬達總成

馬達是由轉子和定子兩部分組成的。轉子是一根經過特殊加工和處理，具有抗腐蝕、耐磨損的左旋螺桿。定子是一根內襯橡膠的鋼管，定子內孔也呈螺旋形，轉子與定子組裝好后沿著它們的接觸點形成一系列連續的、共軛的、嚙合密封腔，在具有壓力能的液體作用下，隨著密封腔的形成、變化和消失，迫使轉子在定子中作連續運動。

1.2.3.萬向軸總成

萬向軸總成的作用是將馬達的偏心運動變換為傳動軸的定軸旋轉，同時傳遞扭矩給傳動軸，以達到鉆井的目的。撓式萬向軸是專為超短型鉆具而設置，該型鉆具特點是：長度短、運轉平穩、利于造斜。花瓣萬向軸更適于配中空可調排量轉子以滿足大流量鉆井液鉆井的需要。

1.2.4.傳動軸總成

傳動軸總成的作用是將馬達的旋轉扭矩傳遞給鉆頭，同時承受鉆壓所產生的軸向和徑向負荷。傳動軸總成的設計既要考慮到轉動的靈活和平穩，同時根據鉆壓、鉆井液的性質及鉆頭的側面載荷、轉速、鉆頭水眼壓降來設計，一般設計為組合推力軸承和徑向滑動軸承共同作用的型式。

2 影響工作壽命的因素分析

螺桿鉆具使用損壞，未能達到預期使用壽命，除鉆具本身的質量因素以外，現場使用方式和工作環境的差異是影響其工作壽命的主要因素。

2.1.使用方式

采用螺桿鉆具復合鉆進技術，可以明顯提高機械鉆速、減少起下鉆次數、合理控制井身軌跡、縮短鉆井周期。但由于螺桿鉆具的結構設計主要適合定向或調方位作業，其正常工況是純粹的水力馬達作用，復合鉆進使用方式改變了螺桿鉆具的井下工況。此外，由于彎殼體鉆具所具有的擴眼能力，使其受力狀況更為復雜，在各種交變載荷的作用下，導致其內部各相對運動件的磨損加快，因而整機工作壽命明顯縮短。近年來，國內螺桿鉆具的生產水平顯著提高，但螺桿鉆具尤其是修復鉆具的使用壽命仍無法滿足現場施工需要，甚至引發脫扣、斷軸等井下事故，其中這種非正常使用方式是重要影響因素。

2.2.鉆井液性能

進口和國產螺桿鉆具的傳動軸總成一般均采用敞開式結構，徑向軸承和推力串軸承依靠工作介質—鉆井液潤滑和冷卻;橡膠定子和鋼芯轉子（表面鍍鉻處理）保持適當過盈配合。螺桿鉆具工作時，鉆井液中高硬度的顆粒狀固相成分對傳動軸總成的軸承部分和定轉子嚙合表面進行研磨、啃咬，使軸承潤滑條件和馬達工作環境嚴重惡化，在交變重載作用下，導致推力串軸承和馬達總成先期損壞。目前，國內淺到中深定向井、水平井占大多數。因其鉆井周期短，為了控制成本，鉆井液處理劑的使用數量減少，鉆井液體系受到限制。普遍采用的聚合物乳化體系沒有達到低固相標準，盡管采用了三級凈化設備，但鉆井液含砂量一般控制在0.5%以下，總固相含量小于10%，對螺桿鉆具傳動軸總成和馬達總成的工作壽命構成潛在危害，由此對鉆具的使用壽命造成了很大影響。

2.3.井身軌跡

在復合鉆進工況下，井身軌跡對螺桿鉆具的工作壽命也有一定影響。就其使用壽命而言，直井明顯高于特殊工藝井，井斜小、軌跡平滑的鉆進井段高于井斜大、軌跡復雜的使用井段。其原因是，在特殊工藝井的大井斜、復雜軌跡井段，螺桿鉆具的旋轉擺動效果加強，瞬間載荷急劇變化，致使其工作壽命降低。

2.4.地層因素

在均質地層中使用，螺桿鉆具受力均勻、工作平穩，因而壽命較長;而在夾層多、軟硬交替頻繁的非均質地層，螺桿鉆具易憋跳鉆，負荷忽大忽小，徑向和軸向沖擊載荷對螺桿鉆具造成較大的破壞作用。常規螺桿鉆具的耐溫不超過125℃，可在3500m以內的井中工作。隨著井深的不斷增加，井底溫度逐漸上升，過高的工作溫度會使定子橡膠脆化而造成先期破壞。因此，螺桿鉆具在深井和超深井的使用受到了限制。

2.5.鉆進參數

根據生產廠家推薦的螺桿鉆具使用參數，并結合實際情況，合理優化鉆進參數，可充分發揮其潛在工作壽命。若施加鉆壓過大，轉速過高，易使螺桿鉆具的負荷過重，若循環排量過大，對馬達和軸承組的沖蝕加重。

2.6.操作因素

切菜式送鉆，尤其是溜鉆、頓鉆，鉆壓忽大忽小，造成螺桿鉆具頻繁滯動，壓力急劇波動，使定子橡膠襯套損壞嚴重，從而降低螺桿鉆具的使用壽命。

3 提高工作壽命的技術措施

影響螺桿鉆具工作壽命的現場使用因素錯綜復雜，目前有些因素還不能完全控制，但通過采取合理的針對性技術措施，可有效延長其使用壽命，進一步提高鉆井生產效率。

3.1在復合鉆進井段優選螺桿鉆具。

針對鉆具強度和擴眼量的限制，彎殼體的彎角不能過大，轉盤轉速一般低于60r/min。同時，盡量使用新制鉆具或新度較高的修復鉆具，殼體穩定器型式宜采用螺旋式或直條均布式等非偏心式結構。

3.2適當加大鉆井液處理劑投入，嚴格控制鉆井液中的有害固相含量。

鉆井液應具有良好的攜巖性，能及時將鉆屑帶離井底，減少重復破巖的幾率;提高鉆井液抑制固相分散的能力，采用化學絮凝與機械除砂相結合的方法，做好地面凈化，盡可能配備震動篩、除砂器、除泥器、離心機四級凈化系統，控制鉆井液含砂量低于0.3%。

3.3根據地層巖性、井身軌跡、鉆進速度等井下實際情況，動態控制并優選螺桿鉆具的工作參數。

嚴格按照各型號螺桿使用說明書進行參數的控制。在螺桿鉆具的推薦工作參數范圍內，鉆壓宜小不宜大，轉速宜低不宜高，排量大小應適中。

4 結論與認識

4.1螺桿鉆具受使用因素的影響較大，改善井下工況有利于充分發揮其潛在壽命。

4.2在現場使用因素中，使用方式和鉆井液中的有害固相含量對螺桿鉆具的工作壽命影響很大，降低工作介質的含砂量，可有效延長使用壽命。

4.3優化螺桿鉆具的使用條件，對提高其工作壽命潛力較大。

4.4精心操作，均勻送鉆，保證螺桿鉆具負荷均勻，平穩工作。

參考文獻

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