钻具的改进思路及原理
螺杆钻具的组成
螺杆钻具主要由旁通阀、液马达、万向轴和传动轴等四大总成组成. 螺杆马达是钻具的主要部件，很多实践和理论分析结果表明，如欲使马达正常有效地工作，每级马达所能承受的压降以不超过0.8Mpa为宜,否则马达就有漏失。转速很快降低，严重时则完全停止转动，马达损坏。（马达的一个导程为一级） 现场使用的泥浆流量应在推荐的使用范围内，否则将影响马达效率，甚至加大磨损。螺杆马达的性能参数是螺杆钻具的主要性能参数。马达的理论输出扭矩和马达压降成正比，输出转数与输入泥浆流量成正比，随着负荷的增加钻具转数降低，所以只要控制地面上的压力表的读数和泵的流量，就能控制井下钻具的扭矩和转速。
螺杆钻具的工作原理
螺杆钻具是一种以钻井液为动力，把液体压力能转为机械能的容积式井下动力钻具。当泥浆泵泵出的泥浆流经旁通阀进科马达，在马达的进、出口形成一定的压力差，推动转子绕定子的轴线旋转，并将转速和扭矩通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业。
资料来源：中国石油工具网
1 人工挖井方法
1973年出土于浙江余姚县的河姆渡古井是世界上目前已知的最古老的水井，经14C测定表明它是5700多年前的产物。
挖掘井阶段大约从远古到西周末年，我们的祖先用原始的工具，诸如石铲等手工挖井，井的深度很浅。在公元前15世纪前后我国的甲骨文中就出现有“井”字。
2 冲击钻井方法
冲击钻井方法经过了三个阶段，即顿钻大口井阶段、顿钻小口井（卓筒井）阶段和机械顿钻阶段。
1）顿钻大口井阶段
最初的顿钻设备，主要由“踩架”和井架组成。“踩架”上有碓板，碓板一端悬挂着钻头，它是直接钻凿岩石的工具；碓板另一端供人踩踏，使钻头反复上提、下顿，产生冲击运动。
2）顿钻小口井（卓筒井）阶段
从北宋开始，我国古代钻井技术又有了新的发展。一是顿钻大口井发展为顿钻小口井。当时把口径只有“碗口大小”的小口井称为卓筒井，卓筒井地面设备、井身结构示意图如图6-11所示。
图6-11 卓筒井地面设备、井身结构示意图
3）机械顿钻阶段
从19世纪中叶到20世纪初是用钢铁工具和设备，用蒸汽机作动力，进行冲击钻井的近代顿钻阶段，也称机械顿钻阶段。1842年，蒸汽动力用于石油钻井；1859年，德雷克使用蒸汽动力的绳式顿钻钻机钻出第一口具有商业开采价值的油井。绳式顿钻钻机此后独占主流，20世纪初被旋转钻机所取代。机械顿钻与卓筒井技术一脉相承，是在中国人的原创技术上，应用工业社会的成果发展起来的。
3 旋转钻井方法
石油钻井是在钻头上给所钻的地层加一定的压力，使钻头的牙齿嵌入地层，然后旋转钻头，利用旋转钻头的扭矩来切削岩石，并用循环的钻井液将岩屑带出井眼，以保证持续钻进。
转盘旋转钻井示意图见图6-12，石油钻井的地面配套设备称为钻机，石油钻机是由多种机器设备组成的一套大功率重型联合工作机组，它的每一种设备和机构都是为有针对性地满足钻井过程中某一工艺需要而设置的，整套钻井设备由六个系统组成：
图6-12 转盘旋转钻井示意图
1—天车；2—游动滑车；3—大钩；4—动力机；5—钻井泵；6—空气包；7—钻井液池；8—钻井液槽；9—旋流除砂器；10—钻井液振动器；11—表层套管；12—钻杆；13—钻铤；14—钻头；15—井眼；16—防喷器；17—转盘；18—绞车；19—方钻杆；20—水龙头
（1）动力系统。
钻井好像是一座流动性大的独立作业的小型工厂。钻机所需的各工作系统大多数是用柴油机作发动机，通过变速箱直接驱动或由柴油机发电来驱动钻井设备的。动力系统的作用是产生动力，并把动力传递给钻井泵、绞车和转盘。
（2）起升系统。
起升系统主要用来起升、下放或悬吊钻柱、套管柱等，主要完成起下钻、接单根和钻进时的钻压控制任务。这个系统主要由井架、天车、游车、大绳、大钩、吊环及绞车等组成。一般用最小的提升速度和最大的负载来确定提升系统的能力。
（3）旋转系统。
旋转系统主要由转盘、转盘变速箱、水龙头、方钻杆组成，主要功能是保证在洗井液高压循环的情况下，给井下钻具提供足够的旋转扭矩和动力，以满足破岩钻进和井下的其他要求。旋转系统还有接、卸钻柱和钻具的功能。
（4）循环系统。
钻机循环系统最主要的功能是在钻进中通过循环洗井液从井底清除岩屑、冷却钻头和润滑钻具。钻机循环系统主要包括钻井泵、钻井液净化装置（固相控制设备）和钻井液槽、罐等。整个循环系统的中心设备是钻井泵。
（5）气控系统。
气控系统主要包括控制面板（控制机构）、传输管线和阀门、执行机构（如气动离合器、气缸和气马达等）以及压风机等。气控系统的功能是确保对整个工作机构及其部件的准确、迅速控制，使整机协调一致地工作。
（6）井控系统。
在整个钻井作业过程中，井控系统要对井下可能发生的复杂情况进行控制和处理，以恢复正常作业。井控系统包括四个主要部分：防喷器组、储能器机组和防喷器组遥控面板、节流管汇、压井管汇。
按我国传统钻探工艺，以上技术要求中的(1)和(2)是不可能同时满足的，因为所有干钻法，如螺旋、冲击、岩心钻对土心几乎完全扰动。因此我们考虑将螺旋钻和双管单动岩心钻两种传统工艺结合起来，设计了一种空心螺旋钻，如图2-6b。该钻头在原双管单动钻头的基础上做了以下方面革新:
(1)双管单动钻头采用外管内径φ146mm，内管内径φ127mm，在外管外壁加宽300mm的螺旋叶片，其作用是通过回钻，使螺旋旋入土中钻进，并将外管外侧切削下的土挂在螺旋叶片上带出。
(2)在外管钻头底部加三个外侧与螺旋叶片外侧齐平，内侧与内管内径齐平的竖向叶片。竖向叶片在钻头的最下部起切削土的作用，即钻头旋转时，该叶片将内管以外的土刮下，刮下的土被送入螺旋叶片被带出。中心则保留了一个圆柱状土心，随着钻头深入被送入内管，内管不转动，因此土心不会被扰动。
(3)在靠下方螺旋叶片的外侧加数道竖肋。竖肋的作用是起到扩孔并刨光孔壁的作用，由此可大大减小孔壁的阻力，竖肋也具有导向作用，使钻孔保持垂直。这样使卡钻的情况大大减少，进一步提高钻探效率。
(4)对内管结构做进一步改进。目前采用的内管有整管、分段螺接或分段插接，将土样从内管中取出很费事费力，常造成人为扰动。为了便于取出土心，将内管设计成对分瓣式，类似于标准贯入器的探头，便于安装和拆卸。
内外管连接的轴承部分不变，改进后的钻头结合了岩心钻和螺旋钻的双重功能，通过螺旋叶片旋进土中，外围土体顺叶片上涌，贴在叶片间的外壁上;里面的空心部分则可以套取土样，使其免受扰动。钻具提出后，清掉外壁上的土体，卸下钻头，取出里面的土样，用于鉴定。该钻具采用低速回转钻进，转速不超过60r/min，依靠外壁螺旋掘进，因此不需要循环液。这样保证了土样不被浸湿，即使土样局部扰动开裂，其细观结构不会改变，仍有助于滑带的识别与鉴定。
干钻比加循环液钻探消耗的动力大，该项改进只用于φ146mm钻头。φ219mm钻头对150型钻机来说的动力明显不足，改用更大动力的钻机显然是不经济的。图2-7为改进后的钻头结构和钻探试验现场。
这种空心螺旋钻在国外已有类似设备，图2-6a为美国ASTM标准介绍的类似钻头(Hollowstemauger)，其结构较为复杂，适合在各种地层中钻进取样，我们设计的钻头也受国外该产品的启发。
图2-7 改进自制的空心螺旋钻现场试验
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