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[摘要]螺杆钻具是目前油气田钻井工程中经常使用的井下动力钻具，是一种把液体的压力能转换为机械能的能量转换装置,由旁通阀、马达、万向轴、传动轴等部分组成。螺杆钻具的使用寿命对于进一步提高油气田定向井、水平井等特殊工艺井钻井施工速度非常重要，而且直接影响钻井工程成本。在螺杆钻具自身设计制造质量决定其起使用寿命的同时，现场操作使用不当往往导致其提前损坏失效。本文通过对螺杆钻具常见失效形式及原因的分析，提出改进螺杆钻具使用方式、延长工作时间的意见和建议。
[关键词]螺杆钻具失效形式
中图分类号：TE2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0910121－01
一、螺杆钻具常见失效形式
螺杆钻具主要由旁通阀、马达、万向轴、传动轴等部分组成，高压钻井液由旁通阀进入钻具，迫使转子在定子中转动（定子和转子组成了马达），马达产生的扭矩和转速通过万向轴传递到传动轴和钻头上，达到钻井的目的。螺杆钻具作为井底动力装置，具有低转速、大扭矩、大排量等许多优点，被广泛应用于直井、定向井、水平井、开窗侧钻、修井等钻、修井工程施工。由于设计寿命和现场操作使用影响，螺杆钻具存在以下四种常见失效形式。
1.马达故障。由于操作使用不当或使用时间较长，以及钻井液固相颗粒较多，马达容易出现砂卡、转子磨蚀、定子橡胶磨损开裂等故障形式。
2.万向轴故障。万向轴由于磨损严重或顿钻等原因，容易出现间隙过大，瓣体损坏等故障。
3.传动轴故障。传动轴常见故障主要是止推轴承损坏，与水帽连接处轴端冲蚀等情况。
二、失效原因分析
螺杆钻具失效，既有钻具本身的质量原因,现场使用方式和工作环境的差异往往成为导致钻具失效的主要原因。
（一）螺杆钻具常见使用方式
目前，钻井施工单位为提高机械钻速，经常采用螺杆钻具与转盘相配合的复合钻进技术,通过减少起下钻次数、合理控制井身轨迹，可以明显提高直井、定向井、水平井的机械钻速、缩短钻井周期。但由于螺杆钻具(尤指弯壳体式螺杆钻具)的结构设计主要适合定向或调方位作业,其正常工况是纯粹的水力马达作用,复合钻进使用方式改变了螺杆钻具的井下工况，传动轴在马达作用下转动的同时，旁通阀、定子、万向轴壳体、传动轴壳体在转盘作用下也在转动,钻具的受力状况极为复杂,定子、转子、万向轴、传动轴等磨损加快,因而导致整机工作寿命明显降低。
近年来,虽然国内螺杆钻具的制造加工水平显著提高,但随着复合钻进技术的普遍推广应用,螺杆钻具尤其是修复钻具的使用寿命仍无法满足现场施工需要,甚至引发脱扣、断轴等井下事故,其中这种非正常使用方式是重要影响因素。
（二）钻井液性能
国产螺杆钻具的传动轴总成一般均采用敞开式结构,径向轴承和止推轴承依靠工作介质钻井液润滑和冷却；橡胶定子和钢芯转子（表面镀铬处理）保持适当过盈配合。螺杆钻具工作时,钻井液中高硬度的颗粒状固相成分对传动轴总成的轴承部分和定转子啮合表面进行研磨、啃咬,使轴承润滑条件和马达工作环境严重恶化,在交变重载作用下,由于加速轴承和马达的磨损而导致止推轴承和马达总成先期损坏。目前,各油气田施工井中，浅到中深定向井、水平井占大多数。因其钻井周期短,为了控制成本,钻井液处理剂的使用数量减少,钻井液体系受到限制，净化能力降低。普遍采用的聚合物乳化体系没有达到低固相标准,尽管采用了振动筛、除砂器、除泥器等净化设备,但钻井液含砂量以及总固相含量仍经常出现高于使用要求的现象，对螺杆钻具传动轴总成和马达总成的工作寿命构成潜在危害。
（三）井身轨迹
在复合钻进工况下,井身轨迹对螺杆钻具的工作寿命也有一定影响。就其使用寿命而言,直井明显高于特殊工艺井,井斜小、轨迹平滑的钻进井段高于井斜大、轨迹复杂的使用井段。其原因是,在特殊工艺井的大井斜、复杂轨迹井段,螺杆钻具的旋转摆动效果加强,瞬间载荷急剧变化,对马达、万向轴、传动轴及其壳体等形成冲击，致使其工作寿命降低。
（四）地层因素
在均质地层中使用,螺杆钻具受力均匀、工作平稳,因而寿命较长；而在夹层多、软硬交替频繁的非均质地层,螺杆钻具易憋跳钻,负荷忽大忽小,径向和轴向冲击载荷对螺杆钻具造成较大的破坏作用。普通螺杆钻具的定子额定温度一般为120℃以下,可在3500m以内的井中工作。随着井深的不断增加,井底温度逐渐上升,过高的工作温度会使定子橡胶脆化而造成先期破坏。因此,在3500m以上的深井和超深井中使用螺杆钻具，建议选择使用装配耐高温定子的钻具。
（五）钻进参数
根据生产厂家推荐的螺杆钻具使用参数,并结合实际情况,合理优化钻进参数,可充分发挥其潜在工作寿命。若施加鉆压过大,转盘转速过高，易使螺杆钻具的负荷过重；若循环排量过大,则钻井液会加大对马达、传动轴水眼以及轴承组的冲蚀加重。
（六）操作因素
切菜式送钻,尤其是溜钻、顿钻,钻压忽大忽小,造成螺杆钻具频繁滞动,压力急剧波动,出现马达砂卡，定子橡胶衬套损坏严重,从而降低螺杆钻具的使用寿命。
三、提高螺杆钻具使用寿命的技术措施
影响螺杆钻具工作寿命的现场使用因素错综复杂,目前有些因素还不能完全控制,但通过采取合理的针对性技术措施,可有效延长其使用寿命，进一步提高钻井生产效率。
1．在复合钻进井段优选螺杆钻具。针对钻具强度和扩眼量的限制，弯壳体的结构弯角γ不能过大(通常γ≤1°),转盘转速一般低于65 r/min。同时,尽量使用新制钻具或新度较高的修复钻具,壳体稳定器型式宜采用螺旋式或直条均布式等非偏心式结构。
2．适当加大钻井液处理剂投入，严格控制钻井液中的有害固相含量。钻井液应具有良好的携岩性,能及时将钻屑带离井底,减少重复破岩的几率；提高钻井液抑制固相分散的能力,采用化学絮凝与机械除砂相结合的方法,做好地面净化,尽可能配备震动筛、除砂器、除泥器、离心机四级净化系统,控制钻井液含砂量低于0.3%。
3．根据地层岩性、井身轨迹、钻进速度等井下实际情况,动态控制并优选螺杆钻具的工作参数。正常情况下, 5LZ165螺杆钻具采用排量28~30 L/s,钻压30~80 kN; 5LZ197螺杆钻具采用排量30~33 L/s,钻压50~120 kN。在螺杆钻具的推荐工作参数范围内,钻压宜小不宜大,转盘转速宜低不宜高，排钻屑携至地面,又不会对螺杆钻具造成严重冲蚀。
4．精心操作,均匀送钻,防止顿钻、溜钻，保证螺杆钻具负荷均匀，平稳工作。
根据现场使用经验，螺杆钻具受使用因素的影响较大,改善井下工况有利于充分发挥其潜在寿命。在现场使用因素中,使用方式和钻井液中的有害固相含量对螺杆钻具的工作寿命影响很大,降低工作介质的含砂量，可有效延长使用寿命。优化螺杆钻具的使用条件,对提高其工作寿命潜力较大。
[关键词]螺杆钻具失效形式
中图分类号：TE2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0910121－01
一、螺杆钻具常见失效形式
螺杆钻具主要由旁通阀、马达、万向轴、传动轴等部分组成，高压钻井液由旁通阀进入钻具，迫使转子在定子中转动（定子和转子组成了马达），马达产生的扭矩和转速通过万向轴传递到传动轴和钻头上，达到钻井的目的。螺杆钻具作为井底动力装置，具有低转速、大扭矩、大排量等许多优点，被广泛应用于直井、定向井、水平井、开窗侧钻、修井等钻、修井工程施工。由于设计寿命和现场操作使用影响，螺杆钻具存在以下四种常见失效形式。
1.马达故障。由于操作使用不当或使用时间较长，以及钻井液固相颗粒较多，马达容易出现砂卡、转子磨蚀、定子橡胶磨损开裂等故障形式。
2.万向轴故障。万向轴由于磨损严重或顿钻等原因，容易出现间隙过大，瓣体损坏等故障。
3.传动轴故障。传动轴常见故障主要是止推轴承损坏，与水帽连接处轴端冲蚀等情况。
二、失效原因分析
螺杆钻具失效，既有钻具本身的质量原因,现场使用方式和工作环境的差异往往成为导致钻具失效的主要原因。
（一）螺杆钻具常见使用方式
目前，钻井施工单位为提高机械钻速，经常采用螺杆钻具与转盘相配合的复合钻进技术,通过减少起下钻次数、合理控制井身轨迹，可以明显提高直井、定向井、水平井的机械钻速、缩短钻井周期。但由于螺杆钻具(尤指弯壳体式螺杆钻具)的结构设计主要适合定向或调方位作业,其正常工况是纯粹的水力马达作用,复合钻进使用方式改变了螺杆钻具的井下工况，传动轴在马达作用下转动的同时，旁通阀、定子、万向轴壳体、传动轴壳体在转盘作用下也在转动,钻具的受力状况极为复杂,定子、转子、万向轴、传动轴等磨损加快,因而导致整机工作寿命明显降低。
近年来,虽然国内螺杆钻具的制造加工水平显著提高,但随着复合钻进技术的普遍推广应用,螺杆钻具尤其是修复钻具的使用寿命仍无法满足现场施工需要,甚至引发脱扣、断轴等井下事故,其中这种非正常使用方式是重要影响因素。
（二）钻井液性能
国产螺杆钻具的传动轴总成一般均采用敞开式结构,径向轴承和止推轴承依靠工作介质钻井液润滑和冷却；橡胶定子和钢芯转子（表面镀铬处理）保持适当过盈配合。螺杆钻具工作时,钻井液中高硬度的颗粒状固相成分对传动轴总成的轴承部分和定转子啮合表面进行研磨、啃咬,使轴承润滑条件和马达工作环境严重恶化,在交变重载作用下,由于加速轴承和马达的磨损而导致止推轴承和马达总成先期损坏。目前,各油气田施工井中，浅到中深定向井、水平井占大多数。因其钻井周期短,为了控制成本,钻井液处理剂的使用数量减少,钻井液体系受到限制，净化能力降低。普遍采用的聚合物乳化体系没有达到低固相标准,尽管采用了振动筛、除砂器、除泥器等净化设备,但钻井液含砂量以及总固相含量仍经常出现高于使用要求的现象，对螺杆钻具传动轴总成和马达总成的工作寿命构成潜在危害。
（三）井身轨迹
在复合钻进工况下,井身轨迹对螺杆钻具的工作寿命也有一定影响。就其使用寿命而言,直井明显高于特殊工艺井,井斜小、轨迹平滑的钻进井段高于井斜大、轨迹复杂的使用井段。其原因是,在特殊工艺井的大井斜、复杂轨迹井段,螺杆钻具的旋转摆动效果加强,瞬间载荷急剧变化,对马达、万向轴、传动轴及其壳体等形成冲击，致使其工作寿命降低。
（四）地层因素
在均质地层中使用,螺杆钻具受力均匀、工作平稳,因而寿命较长；而在夹层多、软硬交替频繁的非均质地层,螺杆钻具易憋跳钻,负荷忽大忽小,径向和轴向冲击载荷对螺杆钻具造成较大的破坏作用。普通螺杆钻具的定子额定温度一般为120℃以下,可在3500m以内的井中工作。随着井深的不断增加,井底温度逐渐上升,过高的工作温度会使定子橡胶脆化而造成先期破坏。因此,在3500m以上的深井和超深井中使用螺杆钻具，建议选择使用装配耐高温定子的钻具。
（五）钻进参数
根据生产厂家推荐的螺杆钻具使用参数,并结合实际情况,合理优化钻进参数,可充分发挥其潜在工作寿命。若施加鉆压过大,转盘转速过高，易使螺杆钻具的负荷过重；若循环排量过大,则钻井液会加大对马达、传动轴水眼以及轴承组的冲蚀加重。
（六）操作因素
切菜式送钻,尤其是溜钻、顿钻,钻压忽大忽小,造成螺杆钻具频繁滞动,压力急剧波动,出现马达砂卡，定子橡胶衬套损坏严重,从而降低螺杆钻具的使用寿命。
三、提高螺杆钻具使用寿命的技术措施
影响螺杆钻具工作寿命的现场使用因素错综复杂,目前有些因素还不能完全控制,但通过采取合理的针对性技术措施,可有效延长其使用寿命，进一步提高钻井生产效率。
1．在复合钻进井段优选螺杆钻具。针对钻具强度和扩眼量的限制，弯壳体的结构弯角γ不能过大(通常γ≤1°),转盘转速一般低于65 r/min。同时,尽量使用新制钻具或新度较高的修复钻具,壳体稳定器型式宜采用螺旋式或直条均布式等非偏心式结构。
2．适当加大钻井液处理剂投入，严格控制钻井液中的有害固相含量。钻井液应具有良好的携岩性,能及时将钻屑带离井底,减少重复破岩的几率；提高钻井液抑制固相分散的能力,采用化学絮凝与机械除砂相结合的方法,做好地面净化,尽可能配备震动筛、除砂器、除泥器、离心机四级净化系统,控制钻井液含砂量低于0.3%。
3．根据地层岩性、井身轨迹、钻进速度等井下实际情况,动态控制并优选螺杆钻具的工作参数。正常情况下, 5LZ165螺杆钻具采用排量28~30 L/s,钻压30~80 kN; 5LZ197螺杆钻具采用排量30~33 L/s,钻压50~120 kN。在螺杆钻具的推荐工作参数范围内,钻压宜小不宜大,转盘转速宜低不宜高，排钻屑携至地面,又不会对螺杆钻具造成严重冲蚀。
4．精心操作,均匀送钻,防止顿钻、溜钻，保证螺杆钻具负荷均匀，平稳工作。
根据现场使用经验，螺杆钻具受使用因素的影响较大,改善井下工况有利于充分发挥其潜在寿命。在现场使用因素中,使用方式和钻井液中的有害固相含量对螺杆钻具的工作寿命影响很大,降低工作介质的含砂量，可有效延长使用寿命。优化螺杆钻具的使用条件,对提高其工作寿命潜力较大。