页岩气钻井螺杆钻具的研究现状及发展趋势

邱自学, 王璐璐， 徐永和， 王 涛， 郑天池

(1南通大学机械工程学院 2盐城市新永佳石油机械制造有限公司)

高速发展的全球经济，推动着世界各国对煤、石油、天然气等常规能源的需求不断增加。目前，常规能源开采已达70%以上，能源供需矛盾不断升级。页岩气、水溶气、致密砂岩气等非常规能源逐渐得到人们的广泛关注[1]。页岩气是从有机质泥页岩中开采出来的非常规天然气，大多储存在页岩烃源岩地层中，如泥页岩和粉砂质岩类的夹层中[2-3]。据国外调查评估，全球页岩气资源总量约为716.4×1012m3，其中我国页岩气储量约为36.1×1012m3[4]。页岩气作为我国新能源领域的重点开发对象，已写入“十三五”规划，其开发与利用得到了国家的高度重视。

螺杆钻具是页岩气开采的关键设备之一，在目前的页岩气开采过程中逐渐体现出一定的技术不适应性，如机械转速低、质量不稳定、寿命较短等问题，对页岩气产能造成了一定的影响[5]。因此，页岩气高效开发的关键之一是改善常规螺杆钻具的各项工作性能[6]。

为了加快页岩气的开发进程，提高页岩气开采效率，研制和优化页岩气开采用螺杆钻具已成为行业的研究热点。本文结合页岩气开采的特殊性和复杂性，总结了页岩气开采用螺杆钻具的性能要求和发展趋势，为页岩气开采用螺杆钻具的深入研究奠定了良好的基础。

一、螺杆钻具的发展进程

公元前，阿基米德发明了螺旋水泵，利用螺旋线把水输送到高处；20世纪30年代，法国工程师Rene. Moneau根据阿基米德螺旋泵的原理，成功研制出单螺杆泵[7]；美国在50年代初开始投入资金和人力研究开发螺杆钻具，Dyna公司在单螺杆泵的设计基础上，研制出单螺杆钻具Dyna Drill[8]。随着科学技术的发展进步，新材料、新工艺的广泛应用使螺杆钻具配套零部件的产品质量逐步提高。Navi Drill小直径螺杆钻具采用粉末冶金制成的人造聚晶金刚石止推轴承，具有很好的耐磨性、热稳定性和抗压强度，使钻具的使用寿命提高到250～300 h[9]。1966年前苏联钻井科学技术研究院彼尔姆分院发明了头数比为9/10的马达，并成功研制出扭矩大、转速低的多头螺杆钻具，弥补了单头螺杆钻具的不足[10]。现如今螺杆钻具广泛应用于绝大部分水平井段、大中曲率半径水平井的定向造斜及其他特殊井的钻井作业中[11-12]。

与国外相比，我国对螺杆钻具的研究开发起步较晚，上世纪70年代末国内开始使用从国外引进的Dyna钻具和Navi钻具。1978年，石油部石油勘探开发科学研究院开始进行螺杆钻具的相关研究，于1982年研制出我国第一台3头螺杆钻具。80年代中后期，我国的螺杆钻具生产初具规模，生产技术逐步完善。但国内生产的螺杆钻具性能与国外相比还存在一定差距，具体体现在螺杆钻具的使用寿命、耐磨性等方面，主要原因是我国机械加工制造业相对落后，零件的设计与制造还存在一定不足。

二、页岩气对螺杆钻具性能要求

1. 耐油基

页岩气开采不同于普通油气田开采，普通油气田的开采介质为水基钻井液，而页岩是脆性矿物，遇水膨胀，若采用水基钻井液则容易导致井眼垮塌，并且水基钻井液易引起堵塞，影响产能。因此，目前国内页岩气开采主要采用油基钻井液[13-14]。常规螺杆钻具在含有大量柴油成分的油基钻井液环境下，由于其内部的橡胶材料不具备耐油基性能，易使橡胶产生较大的体积膨胀，从而降低螺杆钻具的物理机械性能，导致橡胶剥落，对螺杆钻具的使用寿命具有较大影响。

2. 耐高温

钻井过程中，井眼垂直深度的增加和地层温度梯度的异常均会导致井底温度上升，页岩气钻井多为深井和超深井，其井温一般达到170℃以上。高温会加剧各种不利因素对定子橡胶的损害，降低马达使用寿命，因此，螺杆钻具中定子橡胶必须具有一定的耐热性来适应井底的高温环境。理论计算中，通常使用阿累尼乌斯公式k=Ae-Ea/RT来表示定子橡胶的老化速度和温度的关系(其中k为速率常数，A为频率因子，Ea为表面活化能，R为摩尔气体常量，T为热力学温度)，式子表明温度T越高，反应速率k越大，橡胶老化速度就越快。橡胶耐温性能由其高分子结构、硫化体系、防老剂和增塑剂等因素决定，对于螺杆钻具所采用的丁腈橡胶而言，最重要的是选择合适的硫化体系[15]。

3. 高转速

页岩气所处岩层非均质性强，可钻性较差，并且页岩气开采过程中存在井眼不规则、水平段存在岩屑床等问题，导致螺杆钻具运转时摩擦阻力不断增大，机械转速降低，影响钻井速度[16-17]。因此，应对页岩气开采用螺杆钻具进行合理优化以提高转速，使其更适用于页岩气开发过程中钻采深井的需要。

4. 大扭矩

螺杆钻具在起钻时负荷较大，下钻时由于钻具与井壁之间存在一定的摩擦，阻力较大，对螺杆钻具输出扭矩要求较高。

5. 长寿命

页岩气开采过程中，井身轨迹复杂，负荷不断变化，对螺杆钻具存在一定的轴向和径向冲击载荷，且常规螺杆钻具传动轴一般采用钻井液润滑，对轴承存在磨损，影响螺杆钻具的使用寿命。因此，迫切需要提高螺杆钻具的工作可靠性，延长其在页岩气开采过程中的工作寿命。

三、页岩气开采用螺杆钻具发展趋势

(1)进一步改善材料性能，研制高性能材料，螺杆钻具所采用的金属材料、橡胶材料及复合材料应具备一定的耐高温、耐油基和抗H2S等的良好性能，具有良好的适应复杂钻井液体系的能力。

(2)通过合理优化马达线型，将普通内摆线优化为短幅内摆线，增大马达压力降，使液压马达总成的输出扭矩提高10%左右，并提高钻井效率。

(3)优化螺杆钻具的机械结构，使其满足页岩气开发过程中安全性要求以及长时间高速钻进的生产需求。采用单头马达或头数较少的串联马达及加长马达，同时配用优质牙轮、金刚石或聚晶金刚石复合片钻头，实现大输出扭矩条件下的高转速[18]，使钻井过程更加高效化。

(4)改进常规螺杆钻具传动轴的机械结构。采用合金推力轴承代替串轴承；改善轴承的润滑条件，如在径向轴承的两端设置油密封结构，使轴向轴承和径向轴承的润滑实现油润滑，从而提高螺杆钻具使用寿命，提高其工作可靠性。

(5)研制开发具有不同结构特征和工作特性的高性能页岩气开采用螺杆钻具，使产品系列多样化，形成多功能、多品种的页岩气开采用螺杆钻具。

(6)开发钻井工况监测软件，对马达转速、钻井泵排量等参数进行监测，从而精确地模拟井底钻具组合的各项输出参数，实现对螺杆钻具工作状态的实时监测功能，以保证钻井过程的安全、可靠、高效。

四、结论

(1)页岩气是一种重要的非常规能源，其勘探开发有利于缓解社会对清洁能源的需求量，改善能源环境，优化能源结构，螺杆钻具作为开采的关键设备之一，其性能优化对于页岩气的可靠、高效开发具有重要意义。

(2)页岩气开采对螺杆钻具的性能要求更高，针对其特殊性和复杂性，得出页岩气开采用螺杆钻具需满足耐油基、耐高温、高转速、大扭矩、长寿命等性能要求，为页岩气开采用螺杆钻具的进一步研究开发及发展趋势指明了方向。

(3)展望了页岩气开采用螺杆钻具的发展趋势，今后可从材料性能、机械结构、监测软件等方面进行螺杆钻具的优化设计，使其更加适用于我国的页岩气开采。