井下动力钻具难点与分析

2025-04-06 07:22:46

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回答1：

超深井施工中，特别是在高温高压段和深井段必须使用井下动力钻具进行施工，当前，井下动力钻具主要有：螺杆钻具、液动锤和涡轮钻具3种，其中螺杆钻具和涡轮钻具都属于回转破岩类动力钻具，液动锤则利用冲击进行破岩钻进。超深井中使用井下动力钻具首先应该保证所在工况条件下的适应性和安全性，在此基础上选用合适的动力钻具类别及型号，并结合地层条件、钻头技术开展相应的配套钻井技术研究。即研究深井超深井钻井工具，应该考虑的是如何保证在高温高压下密封可靠、操作简单、使用安全和较长的使用寿命等要求。深井超深井钻井工具的技术开发应从钻井工艺与钻井参数研究，工具结构设计、材料选择、钻具的匹配等方面开展工作。

1.2.1 超深井螺杆钻具面临的难点与分析

我国螺杆钻具依靠引进技术得到了较快的发展，品种规格齐全，除基本上能满足我国的定向、侧钻钻井工艺需要外，还有部分出口。螺杆钻具的优点是：具有低速大扭矩的硬特；过载能力强，操作方便；结构简单，钻具较短，维修方便。缺点是：需定排量工作，有横向振动；对油基钻井液敏感，不适应在高密度钻井液中工作；橡胶定子耐高温性差，不宜于深井作业。超深井作业中螺杆钻具面临的主要问题分述如下：

1）定子橡胶在高温条件下失效变形。普通螺杆钻具的马达总成的定子一般由丁腈橡胶材料制成，其工作温度上限为130℃，在超深井的高温环境中，温度远远超过130℃，一万米深的超深井理论温度高达300℃，定子橡胶在如此的高温环境下将失效而不能工作。

2）超深井螺杆钻具连接螺纹脱扣。随着井深的不断增加，井底的钻井液压力也必然随之增加，高压钻井液对转子施加正向扭矩的同时，转子对定子壳体施加等值的反扭矩，在钻具频繁滞动和复合钻进的情况下，容易造成松扣，尤其在传动轴串轴承蹩卡或完全卡死情况下，脱扣危险加剧；当机械钻速快，井下不清洁，再遇到井斜较大，停转盘接单根前整个钻具积蓄很大的反扭矩，突然释放容易造成螺纹脱扣。

3）马达定子内表面脱胶或掉块。造成定子脱胶或掉块的原因，有厂家制造因素（如挂胶质量、定子壳体内表面设计），用户使用过程中泥浆净化不彻底，混杂了金属等硬物件，井温升高使定子的橡胶老化，钻井液中混入了气体造成气蚀，不合理的钻井操作等。

4）超深井螺杆钻具工作寿命短。由于螺杆钻具处于高温高压恶劣工作环境中，螺杆钻具的传动轴总成、万向轴总成、马达总成和旁通阀总成都很容易出现故障，将大幅度降低螺杆钻具的整体工作寿命。

5）超深井螺杆钻具输出特性不能满足超深孔钻进工艺要求。超深孔钻进过程中可能采用一些特殊的钻进工艺，对螺杆钻具的输出特性可能会提出一些要求，常规螺杆钻具的输出特性一般难以达到要求。

1.2.2 超深井液动锤面临的难点与分析

液动潜孔锤技术具有设备配套简便，钻进时效高、回次进尺长（岩心不易堵塞）、在一定程度减轻孔斜强度的优点。与空气潜孔锤比较可以适应更深的钻井。而我国在此技术的研究与应用方面具国际先进水平。但就目前的水平而言，要用到13000m超深科钻孔的条件下，孔内情况会更复杂，对液动锤强度有更严格的要求，且深孔大围压可能使岩石塑性增加，液动锤冲击碎岩效果可能会减弱。综述液动锤技术还有如下技术难题需要攻关：

1）液动锤的超深井背压适应性需进一步开展研究；

2）要求液动潜孔锤连续稳定工作寿命延长，特别对运动密封副的工作寿命要求提高（尤其是全面钻进状态下）；

3）液动潜孔锤钻具的密封材料需耐250～300℃高温；

4）钻具强度应更加可靠，抗疲劳、抗冲蚀能力要大幅度提高；

5）深孔大围压可能使岩石塑性增加，冲击碎岩效果可能会减弱，液动潜孔锤的冲击能量需要增加，由此将会引起对钻具强度的进一步要求；

6）根据钻孔总体设计，液动锤可能要与螺杆马达、涡轮钻具组合使用，在液动潜孔锤的设计上要考虑钻具直径、工作泵量要与其匹配和一致。

1.2.3 超深井涡轮钻具面临的难点与分析

涡轮钻具的优点是：具有高速大扭矩的软特性，无横向振动，机械钻速高；对油基钻井液不敏感，能适应在高密度的钻井液中工作。特别是全金属的涡轮钻具耐高温，适宜于深井和高温环境下作业，是超深井高温高压工况下钻井的良好工具。超深井施工中涡轮钻具面临的主要难点分述如下：

1）超深井涡轮钻井对泵的能力要求高。深井高密度钻井液条件下钻具循环压耗高，加之涡轮钻具本身压降大，因此，深井使用涡轮钻具对机泵能力要求也较高。由于超深井起下钻时间长，为保证涡轮钻具正常工作，施工前需要综合考虑钻头推荐排量和环空上返流速要求、钻具使用情况和地面设备能力，除必须满足涡轮钻具压降外，需要综合计算立压、循环压耗、钻头压降、涡轮钻具压降的关系，合理选择相关参数，制定详细的施工方案，使用烦琐，使用要求高。

2）涡轮钻具超深井钻井参数优化问题还需进一步研究。涡轮钻具转速与排量成正比，输出扭矩及压降与排量的平方成正比，功率与钻进排量成三次方关系，排量的变化对功率影响较大。钻压或扭矩过大会导致涡轮钻具产生“制动”而无法破岩钻进的现象。

一般情况下，在保证清岩、携岩前提下选择涡轮钻具最大功率时的排量作为钻进排量。涡轮钻具转速为其空转转速一半时，功率最大。在恒定排量下，涡轮钻具的每个转速对应一个钻压值，故可确定出在此情况下的最优钻压值。保证涡轮钻具水力流量和钻压处在这一参数，可保证涡轮钻具在最优状态下工作，如何保证涡轮钻具处在最佳的工作状况，发挥涡轮钻具工作特性最佳的关键问题，目前，对这些关键参数的控制还缺乏研究。

3）涡轮钻具泥浆清洁度的控制方法尚需进一步研究。涡轮钻具有其特殊的设计结构，涡轮叶片之间的过流面积窄小，而且钻井液流经转子和定子时的方向持续变化，因此钻井液的洁净度会对涡轮的工作产生影响。遇过长软质材料会使涡轮叶片与叶片之间、转子与定子之间产生堵塞，造成涡轮工作效率低、功率损失严重及涡轮寿命降低等后果，产生泵压突然升高，造成不必要的起下钻。

4）国内在配合涡轮钻具的钻头研制方面相对滞后，与之相配套的钻头类型是制约该项技术推广的瓶颈之一，特别针对结晶岩的高速涡轮钻具配合孕镶金刚石取心钻头的钻井技术还需进一步研究。

5）另外，针对万米以上井段施工，涡轮钻具直径较小，需要解决：小直径涡轮钻具功率急剧下降的难题；涡轮钻具转速高，扭矩小的难题；关键部件寿命与可靠性，减少维修辅助时间；涡轮钻具配套钻井技术，提高钻进与取心效率。

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