一．螺杆钻具发展历程

螺杆钻具，又称井下动力马达，其用途是在钻井或修井作业时在井底为钻头提供动力。螺杆钻具的名称是源于其关键零件——转子的形状为一螺旋状的细长杆而来的。螺杆钻具实质上是一种容积泵。

美国在20世纪50年代中期开始研制螺杆钻具，1962年用于钻井施工作业中，主要有迪纳钻具（Dyna Drill）、纳维钻具（Navi Drill）等。

国内螺杆钻具的研制起步较晚，从20世纪80年代初期开始，经过不断的消化和吸收国外先进的技术，历经30余年的发展，目前已有几十家工厂可以研发和生产螺杆钻具，并且常规螺杆钻具已形成了系列化。随着定向井技术的普及和推广，国产螺杆钻具已成为主要的钻井工具。

近二十多年来，定向井、水平井、分支井的大量涌现，促使螺杆钻具的发展产生了质的飞跃，其工作寿命也大幅度的提高，同时，用于特殊工况下的具有特殊功能的螺杆钻具也纷纷登场，如：耐高温螺杆钻具、高抗盐螺杆钻具、空气钻井用螺杆钻具等。

二．螺杆钻具的结构组成

螺杆钻具主要由旁通阀总成、防掉总成、马达总成、万向轴总成和传动轴总成五大部分组成。其核心部分是马达总成，是由转子和定子两个部件组成。 有的螺杆钻具在传动轴总成上设有专门的防脱机构。

三．螺杆钻具各结构及工作原理

1、旁通阀总成的功能

主要由阀体、阀芯、阀套、弹簧、筛板、密封件、孔用挡圈组成。

它有旁通和关闭两个位置。在起下钻作业时，弹簧把阀芯顶起，旁通阀处于旁通位置，可使钻柱中的泥浆进入井眼与钻柱的环形空间，使起下钻时泥浆不溢于钻台上。

当泥浆流量和压力达到一定值时（即开泵时），阀芯下移，关闭旁通阀的旁流孔，此时泥浆流经马达做功。

2、防掉总成的功能

由于异常原因造成防掉总成以下的螺杆钻具的壳体断裂或脱扣时，防掉锁母可座在防掉接头的内台阶上，将转子的下部分带出，以免造成井下落物。

3、马达总成的功能

它由定子和转子组成。定子是在钢管内壁上压注橡胶衬套而成，橡胶内孔是具有一定几何参数的螺旋曲面。转子通常是一根有镀层的多头螺杆。

转子与定子相互啮合，是用两者的导程差而形成的螺旋密封线，同时形成密封腔。钻井液进入马达后，推动转子在定子中转动，随着转子在定子中的转动，密封腔沿着轴向移动，不断的生成与消失，完成其能量转换。即：将液体的压力能转化为机械能。输入螺杆马达的是具有一定压力的液体，螺杆马达消耗的是液体的压力（压力能），输出的是扭矩和转速（机械能）。

转子头数与定子头数比一般为 1：2、3：4、5：6、7：8、9：10 ，常用的有5：6、7：8两种。转子头数为奇数，定子的头数比转子的头数大1。在转子螺旋线头数不同而其他设计参数及输入参数相同时，转子螺旋线的头数越少，转速越高，扭矩越小;反之，转子螺旋线的头数越多，转速越低，扭矩越大。

4、万向轴总成的功能

万向轴总成由两个元件组成：壳体和万向轴。万向轴的作用是将马达的行星运动转变为传动轴的定轴转动，将马达产生的扭矩及转速传递给传动轴直至钻头。万向轴的结构主要有花瓣式、球铰接式和柔性轴（挠轴）式三种。

万向轴壳体通过螺纹分别与定子壳体下端及传动轴壳体上端相连接。直螺杆钻具的万向轴壳体无结构弯角，而弯螺杆钻具的万向轴壳体则是带有结构弯角的弯壳体，壳体上有弯向标示槽，还有沿圆周方向的弯角标记槽，一窄槽代表15′，一宽槽代表1°。

可调弯壳体的角度调节范围有0～2°、0～3°、0～4°。

5.传动轴总成的功能

传动轴的作用是将马达的旋转动力传递给钻头，同时承受因钻压所产生的轴向和径向负荷。

主要结构有： （1）碟簧式传动轴总成

（2）串轴承式传动轴总成

（3）油密封传动轴总成

6、螺杆钻具型号说明

四．开采页岩气对螺杆钻具性能要求

伴随世界油气需求的持续增长与常规油气产量的不断下降，具有较大资源潜力的非常规油气逐渐受到各个国家的高度重视。现在我们国家的能源形势严峻，油气的对外依存度逐年攀升，一旦国际形势发生变化，将严重威胁我们国家的能源安全。非常规油气储量远远超过了常规油气的储量，其中仅致密气、煤层气和页岩气三种主要非常规天然气就相当于常规天然气可采资源的3至4倍。非常规油气资源总量大，对保障能源安全、稳定能源供给具有重要的意义。

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。页岩气作为我国新能源领域的重点开发对象，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，改善常规螺杆钻具的各项工作性能可以有效得改善页岩气开采效率。

耐油基。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。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。

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。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。

大扭矩。螺杆扭矩越高，现场就可以施加更大的钻压，提供更加恒定的转速与更大的破岩功率，从而提高机械钻速。此外大扭矩螺杆不容易憋停钻头，钻头寿命也会更长。

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。

五、钻井振荡螺杆

钻井振荡螺杆是通过短节配合螺杆马达一起在马达旋转提供扭矩的同时，产生高频的纵向冲击力来提高钻进过程中钻压的传递及钻进的效率。

适用的环境包括：

1．定向井，水平井，大斜度井的定向钻进中缓解托压及提速，复合钻的提速。

该工具和水力振荡器相比轴向力直接来自于螺杆，可以更好的稳定钻压的传递缓解托压，因此具备更高的造斜率。

2．硬地层及塑性地层的钻进的提速工作。

在难打的硬地层及塑性地层有效增加地层尤其是橡皮地层及较硬地层微裂缝。可以大大提高难打地层钻进效率。

工具结构及原理组成：

1. 工具的轴向拉拽振荡力由PG振荡短节产生 ，下部螺杆提供破岩力及一部分动力给PG振荡短节使用

2. PG冲击力短节动力部分采用全金属的设计不产生压耗及过量的水击力防止影响钻头工作和仪器工作 。

3. 工作中少量改变过流面积，产生托举力将振荡装置中的金属球高频的抬起，金属球随即被泥浆液力压下急速下坠产生振荡冲击力。

4. 振荡装置系统内含有金属球跳动作为增幅装置，产生的力道传递到螺杆本体，螺杆本体产生拉拽力带动钻柱向下高频低幅蠕动。