井下動力鉆具的現狀與發展

井下動力鉆具，是進行油氣開采的主要設備與工具。國內日益劇增的油氣需求量，推動井下動力鉆具的技術革新與發展。它能夠把鉆井液的能量通過動力轉化，變化成鉆井破巖動力，提高機械轉動速度，從而讓鉆頭達到高速旋轉。近幾年，我國的油氣鉆井新技術得到不斷的完善和發展，由于定向井、水平井、多分支井的不斷推廣，進一步推動了井下動力鉆具的不斷完善和更新。目前，井下動力鉆具已經廣泛使用在了地質鉆探、煤田和油氣鉆探領域。過去幾十年的發展，使得井下動力鉆具已經形成了螺桿鉆具、葉片式渦輪鉆具和電動鉆具三種主要的產品類型。但是隨著科技進步和油氣開采逐漸向非常規油氣井、深井、深海進行轉移，對井下動力鉆具在設備使用壽命、工作條件、鉆速、可控性、可靠性等方面都有了新的要求。并且，我國目前的油氣鉆井成本較高、工程周期長、鉆井的機械轉速較低，整個工作的效率較低下，尤其是在一些深儲層、超深儲層、高溫高壓、高地應力的環境下，井下動力鉆具將對鉆井效率起到決定性的作用。

本文將總結目前存在的三種主要井下動力鉆具（螺桿鉆具、葉片式渦輪鉆具和電動鉆具），并針對當前非常規油氣藏的開發開采趨勢，指出當前井下動力鉆具的發展方向。

一 井下動力鉆具的主要種類

目前廣泛使用的井下動力鉆具主要有三種類型：螺桿鉆具、葉片式渦輪鉆具和電動鉆具。隨著技術進步與發展，這些鉆具在結構上、材料上都有不同程度的改善，但是動力原理都沒有發生革命性的變化。下文將分別介紹三種鉆具及其優缺點。

（一）螺桿鉆具

在我國，螺桿鉆具的發展非常完善，品種規格齊全，能夠滿足定向井、側鉆井的工藝需要。螺桿鉆具的優點在于鉆速低、扭矩大、過載能力強、結構簡單、維修方便等特點，在鉆井工作中易于操作，在現場工作中使用廣泛。但是，螺桿鉆具對鉆井液性質有較高的要求（對油基鉆井液十分敏感、不能在密度的鉆井液中工作）、耐高溫性差、無法適應深井高壓作業。

較為著名的螺桿鉆具包括了：美國迪納鉆具、美國納維螺桿鉆具。我國在引進的迪納鉆具和維納鉆具技術的基礎上，研發成功了多頭螺桿、鉸接螺桿、中空螺桿和小徑螺桿等多種類型的螺桿鉆具。

在美國，螺桿鉆具已經成為了定向井鉆井中的標準化和專用工具，已經能夠承擔大部分的定向井鉆井任務，完成水平井的定向造斜和水平井段工作。

（二）葉片式渦輪鉆具

與螺桿鉆具相比，渦輪鉆具具有鉆速高、扭矩大的特點、沒有橫向振動、能夠在高溫高壓環境中工作，適合于深井作業，并且它對鉆井液的要求有所放寬，能夠在油基鉆井液、高密度鉆井液中工作。但是，葉片式渦輪鉆具的長度較大、安裝過程較為復雜，給鉆井操作帶來不便。

法國目前是渦輪鉆具中的代表，它以鉆頭研發為依托，借助渦輪鉆具鉆速高、扭矩大的優勢，在很多難以下鉆的地層取得了鉆采突破。當前較為著名的渦輪鉆具包括了：法國的 Neyfor 渦輪鉆具、法國 Turboservice 的TT 型渦輪鉆具等。我國也在多次的技術攻關之后，研發出了195 型深井和定向井渦輪鉆具、國產的用于取芯的渦輪鉆具。

（三）電動鉆具

在我國的油氣鉆井中，使用電動鉆具尚屬空白。國外目前采用的主要是直流電動鉆具。它具有可調速、過載能力強、通訊容量大、可控性強、耐高溫高壓的特點。能夠適用于定向井、叢式井、大斜度井、水平井等類型的鉆井工作，適用范圍廣。但是由于動力消耗過大，因而隨著渦輪鉆具的發展，而逐漸被淘汰。

綜上，三種類型的井下動力鉆具各有優缺點，對比分析如下表1 所示。一般來說，渦輪鉆具能夠在深井、長井、深直井、高溫井段、高壓井段中使用，而螺桿鉆具則廣泛使用在定向井和叢式井的造斜任務較重。電動鉆具在我國使用不多。井下動力鉆具的改良，一般集中在如下幾個方面：鉆具的控制能力、井下作業的可靠性、工作壽命的提高、操作便捷性、環境適應能力（適應高溫、高壓、高密度鉆井液等）等。

表1 三種井下動力鉆具的優缺點對比

二 井下動力鉆具的發展方向

目前而言，我國的淺層油氣藏開采已經非常充分，常規油氣資源越來越少、品味越來越低。近幾年發現的大型、特大型油氣藏都是深部油氣藏、非常規油氣藏（致密油、頁巖油、稠油、油砂、油頁巖、致密氣、頁巖氣、煤層氣、天然氣水合物等），這些油氣藏才是未來我國油氣開發與開采的重點，也是我國實施可持續發展戰略的關鍵。因此，井下動力鉆具的發展方向，必須要適應當前新發現的油氣藏的地質特點、開發特點、工作環境特點，并針對性的進行技術攻關。

非常規油氣藏的運聚動力，主要來自于膨脹壓力和生烴壓力，并且往往都是低滲透率的儲層構造，壓力變化過程是先超壓、再負壓、最后常壓的變化規律；圈閉儲層以低滲透致密地層為主、不需要直撞蓋層、充注動力以超壓為主、滲流方式主要是低速非達西流，并且往往是油氣水混雜或油氣水倒置的動態界面，在地層中大面積連續分布。這種不受構造圈閉或巖性圈閉控制的區域性連續分布形式，使得傳統的鉆采方式都需要做出適應性的變化。

因此，井下動力鉆具一方面需要提高鉆頭的機械鉆速，來降低鉆井成本，另一方面需要擴大扭矩、增加機械使用壽命來完成深井鉆探工作。另外，部分非常規油氣藏掩埋較深、地質條件復雜，無論是耐高溫、耐高壓、鉆頭硬度還是鉆頭適用面積，都需要進一步進行研發，適應不同地質條件的非常規油氣藏開采工作。

三 結語

針對當前的油氣藏開發趨勢，使得鉆井工作者在工具研發、技術更新、成本節約等方面面臨諸多挑戰和技術攻關難題。通過當前井下動力鉆具的回顧，發現目前使用的井下動力鉆具，在國內外的品種類型、性能參數等方面都趨于一致，并且近幾年的井下動力鉆具一直沒有突破性的發展。然而，隨著深井、超深井、特殊工藝鉆井需求的不斷增加，傳統的井下動力鉆具在可操作性、可靠性和工作環境適應性上已經無法適應當前油氣開發工作。小井眼、套管開窗側鉆、旋轉導向鉆井、連續油管鉆井等技術的更新和發展，讓井下動力鉆具也必須隨著鉆井技術的更新而進行相應的研發和更新。因此，鉆井工程的技術研發人員，需要針對當前的油氣藏特點，尤其是非常規油氣藏的開發開采要求，來進行井下動力鉆具的技術革新與研發，推廣其適用范圍，更好地為石油鉆采工作服務。

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