對于軌跡復(fù)雜，垂直井段浪費大的定向井，提高其技術(shù)經(jīng)濟指標是一項緊迫的任務(wù)，而引入電動鉆具有助于該問題的成功解決。該技術(shù)結(jié)合了有線通訊的電纜鉆桿和直驅(qū)電機的優(yōu)點，具有調(diào)速范圍大、鉆頭扭矩恒定以及與鉆井清洗介質(zhì)無關(guān)的特點。電鉆基于電能方便遠距離傳輸?shù)乃枷?--電能可以很方便地轉(zhuǎn)換為機械能，并且地面和井下設(shè)備之間可以實時雙向通訊。

盡管基于鉆井液的遙傳系統(tǒng)和數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)在迅速發(fā)展，但該方式仍受制于：數(shù)據(jù)傳輸與鉆井清洗介質(zhì)的參數(shù)和類型、泵的工作特性和鉆井液排量變化范圍相關(guān)。其他問題包括隱含的非生產(chǎn)時間，包括測量、發(fā)送指令和定向操作花費的時間、井底參數(shù)接收存在延時、鉆井液不循環(huán)時無法接收和記錄數(shù)據(jù)，鉆井液中固相含量影響的消除。通常這些問題不被關(guān)注，從而阻礙了尋找先進的技術(shù)方案來改善鉆井施工，可以說，鉆井液傳輸數(shù)據(jù)技術(shù)更接近技術(shù)極限。

可通過有線實時數(shù)據(jù)傳輸方案進一步提高鉆井速度、鉆井質(zhì)量和降低施工風(fēng)險，如最新一代的電纜鉆桿（NOV Intelliserv）可以顯著提高鉆井速度，甚至提高兩倍。然而，現(xiàn)有的電纜鉆桿并非沒有缺點：限于電池容量或電纜鉆桿的電力輸入功率（500W--Reelwell，300W--TDE集團）需要中繼器放大信號（NOV）；與旋導(dǎo)系統(tǒng)（РУС）一起使用時通過井下動力鉆具傳輸數(shù)據(jù)困難。

與液動鉆具和轉(zhuǎn)盤鉆井相比，電動鉆具鉆井具有以下優(yōu)點：

l 井下電機的能量輸入與鉆井液的排量和密度無關(guān)。無論鉆頭鉆壓、鉆井液排量和鉆頭扭矩如何，電機的輸出轉(zhuǎn)速都可在一定范圍內(nèi)進行調(diào)控；
l 電纜通信可以超高速傳輸鉆井工況和井眼軌跡、巖石特性、井筒壓力和溫度分布的數(shù)據(jù)，因為電力可以傳輸?shù)骄码姍C、底部鉆具組合和鉆桿上分布的傳感器上；
l 井下電機幾乎沒有壓耗（不超過鉆鋌），對于相同直徑的電纜鉆桿也可以優(yōu)化水力程序；
l 井下電機工作特性與循環(huán)時間無關(guān)，因為沒有使用壽命取決于水力參數(shù)的螺桿鉆具的定子橡膠或渦輪鉆具的葉輪；
l 將計算從井底設(shè)備轉(zhuǎn)移到地面，在地面控制井下設(shè)備。減少井底設(shè)備中電子設(shè)備的數(shù)量可簡化旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)、定向儀器和測井儀器，從而降低在井底高壓、高溫和動態(tài)載荷下設(shè)備出現(xiàn)故障的風(fēng)險；

l 電流的變化能夠?qū)崟r反映破巖能量，使得：
-- 可以通過電流控制鉆頭鉆壓；
--獲取不同工況下鉆頭的性能參數(shù)，并為特定巖性和鉆頭確定最佳使用參數(shù)；
--防止鉆頭過度磨損；
--對井眼剖面進行詳細的地質(zhì)和巖相分析；
--確定井下動態(tài)過程：振動和沖擊的機理；
--精確控制鉆井參數(shù)（鉆頭轉(zhuǎn)速、扭矩、鉆壓），實時監(jiān)測鉆井效率（機械比能，鉆頭吃入巖石深度）；
l 可以自動優(yōu)化鉆井參數(shù)，最大限度地提高機械鉆速，降低破巖比能，使井眼實際軌跡接近設(shè)計。
現(xiàn)有廣泛使用的電動鉆具規(guī)格與目前井底鉆具組合包括連續(xù)油管一致，允許有效使用經(jīng)過驗證的可靠設(shè)備。

蘇聯(lián)電鉆使用經(jīng)驗

第一個有效的電動鉆具是在1940年研制和測試的，鉆井深度1500m。與1930年代后期多級渦輪鉆具幾乎同時出現(xiàn)。測試驗證了電動鉆具的鉆井效率，需要進一步進行技術(shù)改進：解決與減速器可靠性相關(guān)的連接技術(shù)問題，以及為確保整個鉆桿長度上電纜的連續(xù)性而導(dǎo)致電纜鉆桿過流截面被占據(jù)所導(dǎo)致的壓耗增大的問題。測試結(jié)果表明，電動鉆具能夠在高壓和動載下的腐蝕性環(huán)境中工作。與轉(zhuǎn)盤鉆井相比，其鉆井性能對鉆井速度的顯著提高產(chǎn)生了積極影響。
第一臺電動鉆具采用了70千瓦的三相四極井下電機、將轉(zhuǎn)速從1450r/min降低到363r/min的行星減速器和傳動軸。直徑和長度分別為324mm和8.5m。
電動鉆具由一個潛水式異步電動機、減速器和傳動軸組成，傳動軸承受鉆井過程中的軸向和徑向力，鉆頭用螺紋連接在傳動軸上。電機內(nèi)充滿油，以保護電機免受腐蝕性環(huán)境的影響。油位由壓力補償器保證。電機由分段的電纜供電，每段電纜由雙芯電纜，電接頭和鉆桿組成。鉆桿用作第三根導(dǎo)線。
第二次世界大戰(zhàn)將電動鉆具和電纜鉆桿的改進推遲了6年。從1948年到1963年，開發(fā)了一系列電動鉆具，在阿塞拜疆、土庫曼斯坦、巴什基爾和烏克蘭的油田商業(yè)使用。鉆井效率比渦輪鉆具平均高15~20%，但并非所有油井都是這樣。鉆井指標不穩(wěn)定的原因在于電機維修車間少且距離井場遠，維修人員需要專門培訓(xùn)。由于電纜與鉆桿接頭內(nèi)徑的間隙小，電接頭可靠性低、電纜鉆桿壓耗很大。由于無法使用電纜測斜儀指導(dǎo)定向作業(yè)，電動鉆具只能用于垂直井段。
1963年到1970年，全蘇鉆井技術(shù)科學(xué)研究所（ВНИИБТ）與哈爾科夫特別設(shè)計技術(shù)局（СКТБ）開發(fā)了一系列減速電動鉆具及商業(yè)應(yīng)用的附屬設(shè)備，包括電彎頭、遙測模塊、電纜鉆桿、鉆頭進給調(diào)節(jié)器、控制室和為井下電機供電的變壓器（圖1）.制定了一項標準，其中包括直徑127mm到240mm的井下電動鉆具的技術(shù)參數(shù)。
 
20世紀70年代電動鉆具技術(shù)經(jīng)濟分析表明，與轉(zhuǎn)盤鉆井和渦輪鉆井對比，在可比地質(zhì)條件下，使用電動鉆具可將每米鉆井成本平均減少10~25%，鉆頭進尺和機械鉆速平均提高16~18%。

遙測系統(tǒng)是電動鉆具最重要的組成部分，因為它通過雙向?qū)崟r信息傳輸為井底設(shè)備的管控提供了新的能力，電能通過鉆桿內(nèi)的電纜傳輸?shù)骄拢孛嫔蠈τ谛D(zhuǎn)鉆桿采用集電器的滑動觸點傳輸電能。

90年代后，電鉆的研發(fā)停止了，使用量很小--占全國總鉆井量的1.5~2%。由于蘇聯(lián)解體，鉆井活動普遍減少，電動鉆具停止生產(chǎn)。但是烏法鉆井公司到2013年仍在使用電動鉆具鉆井。電鉆工業(yè)化期間，在巴什基爾用電動鉆具鉆了2500多口井，進尺約750萬米，而在前蘇聯(lián)所有的國家使用電動鉆具鉆井累計進尺1250萬米。

電動鉆具特別適用于復(fù)雜地層條件下3000至5500米井深的井鉆進。通過對系統(tǒng)不斷的改進，電動鉆具和電纜鉆桿的修理間隔時間得到了延長。

盡管電鉆技術(shù)與現(xiàn)有鉆井技術(shù)相比有明顯的優(yōu)勢，但由于各種原因，電動鉆具并沒有成為主流的井下動力鉆具。上世紀60年代開發(fā)的電動鉆具的可靠性和使用壽命已不再滿足鉆井行業(yè)日益增長的需求。電纜鉆桿（БКС）是最薄弱的環(huán)節(jié)。異步電機最大起動電流是其供電電流的6~7倍，這顯著增加了電接頭在其密封性略有降低時發(fā)生電擊穿的可能性，特別是在高靜水壓力下深井鉆進情況下。

80年代末到90年代，水平井越來越重要，關(guān)于電動鉆具應(yīng)用的討論再次恢復(fù)。結(jié)合國內(nèi)（俄羅斯）不同地區(qū)的鉆井施工，分析了該方法的不足，得出了新技術(shù)（直驅(qū)、直流輸電、光滑頻率控制）具有潛在前景的結(jié)論。

1997年6月6日，在俄羅斯聯(lián)邦能源部石油工業(yè)專家委員會科學(xué)進步和開發(fā)、生產(chǎn)和鉆探聯(lián)系會議上，企業(yè)和機構(gòu)代表再次討論了俄羅斯電動鉆具發(fā)展的問題。與會者一致認為，受控電鉆是最有前途的鉆井方法之一，它結(jié)合了轉(zhuǎn)盤鉆井的優(yōu)點---無論地層巖石參數(shù)和鉆井清洗介質(zhì)類型如何，鉆頭轉(zhuǎn)速都可調(diào)節(jié)，以及電動鉆具鉆井時，鉆柱可以不旋轉(zhuǎn)。
到1990年代中期，一些外國公司開始有興趣在電鉆技術(shù)研發(fā)方面進行合作，因為他們認為該方法在改進水平井和多分支井鉆井并提高其技術(shù)經(jīng)濟性方面是可行的，同時對井底到地面的電力通信也表現(xiàn)出極大的興趣。

關(guān)于電動連續(xù)油管

上世紀90年代中期，隨著連續(xù)油管技術(shù)的發(fā)展，國外對電動鉆具的興趣開始增長。

1995年天然氣研究所（GRI）在其報告《連續(xù)油管鉆井用電鉆電機》的第一章敘述了電鉆的簡要歷史和φ4.75”（120.65mm）電動鉆具的概念。

1996年洛斯阿拉莫斯實驗室（LANL）通過微鉆實驗表明，研發(fā)小直徑電動連續(xù)油管技術(shù)上是可行的。外徑35mm到105mm的直驅(qū)電動鉆具（ВЭБ）的功率和扭矩是相同直徑螺桿鉆具的1.2~1.4倍。

1999年，SPE/IADC會議上Turner介紹了一個開發(fā)直徑3.75”（95mm）和直徑3-1/8”（79.3mm）電動連續(xù)油管鉆定向井的項目。

該系統(tǒng)的優(yōu)點如下;
l 驅(qū)動功率與鉆井液排量無關(guān)；
l 對鉆井液參數(shù)的適應(yīng)性高；
--側(cè)鉆
--水下鉆井
l 在高溫下鉆井；
l 實時反饋井下信息，方便靈活控制井下電機，用于閉環(huán)鉆井，優(yōu)化鉆井效率；
l 電動連續(xù)油管功能可以增強：同一驅(qū)動裝置可用于輔助操作，如定向，在油井中主動移動、地層測試；
l 井下數(shù)據(jù)可實時傳輸?shù)降孛妫?br /> l 電機壽命長；
l 振動（影響陀螺儀定向和核磁共振儀器的可靠性）降低；
l 電機可反轉(zhuǎn)（被動或主動）。

1995年到2005年電動連續(xù)油管研發(fā)停頓，井下電機替換為傳統(tǒng)的液動鉆具。可能是因為在3000m~4000m的井中施工，考慮到連續(xù)管承重能力和強度，選擇的電機類型和電纜在受限的直徑范圍內(nèi)不能有效驅(qū)動鉆頭。

電動連續(xù)油管已成為在不穩(wěn)定地層側(cè)鉆的鉆井方法。設(shè)備快速調(diào)用和減少鉆井準備時間使連續(xù)油管鉆井具有經(jīng)濟性，與傳統(tǒng)側(cè)鉆方法對比，該方法可以帶來更好的開采指標。在使用連續(xù)油管鉆井時，不同類型的定向儀器（液動的和電動的）可用于通過安裝在連續(xù)油管內(nèi)部的電纜控制螺桿鉆具鉆井的鉆具組合。因此，帶電纜的連續(xù)油管是一個已知的系統(tǒng)，所提出的技術(shù)主要是鉆具組合設(shè)計。

井下動力鉆具對比

正確應(yīng)用三種鉆井方法（轉(zhuǎn)盤、液動鉆具和電動鉆具），以最大限度地發(fā)揮每種方法的潛力。

70年代末隨著密封鑲齒鉆頭的出現(xiàn)，轉(zhuǎn)盤鉆井得到發(fā)展，鉆井模式的方向變化為低轉(zhuǎn)速（60~70r/min）和高鉆壓。在伏爾加地區(qū)和西西伯利亞進行了大量的轉(zhuǎn)盤鉆井和渦輪鉆井與新型鉆頭（包括進口鉆頭）的比較測試。但電動鉆具仍繼續(xù)在四個油區(qū)使用，典型的例子是土庫曼石油公司的共青城32井，井深5250米，商業(yè)速度是492米/小時。在巴什石油公司的Узыбашевской 地區(qū)2000~2200米的斜井中，電動鉆具的鉆井速度比渦輪鉆具高1.5~1.6倍。在阿塞拜疆石油公司的Заглы-Зейва地區(qū)和烏克蘭石油公司的Надворнянском繼續(xù)使用電動鉆具鉆定向井。烏克蘭石油公司的 Долинском 和Бориславском的泡沫和空氣鉆井中，在井的下部井段使用帶遙測系統(tǒng)和減速器的電動鉆具鉆井，與渦輪鉆具相比，溫度大幅升高。對上述鉆井結(jié)果的分析表明，先前關(guān)于不同深度和油井類型下不同鉆井方法可行性的結(jié)論仍然有效。根據(jù)最高效率準則，使用井下動力鉆具在很寬的鉆頭轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)優(yōu)化鉆井。
約2008年以來，PDC鉆頭的應(yīng)用成為鉆井技術(shù)的發(fā)展方向，它成功地提高了硬地層和軟硬交錯地層的鉆進能力，全面取代了牙輪鉆頭。這一變化導(dǎo)致優(yōu)先選擇螺桿鉆具鉆井或轉(zhuǎn)盤鉆井。隨著旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)用于定向鉆井，后者變得更加重要。因此，現(xiàn)在鉆井大多保持低速（80~120r/min）。與此同時，提高鉆頭轉(zhuǎn)速從而提高機械鉆速的規(guī)律仍有效，大扭矩井下動力鉆具具有現(xiàn)實意義。越來越多地使用帶螺桿鉆具的旋導(dǎo)系統(tǒng)，鉆頭轉(zhuǎn)速提高到200~300r/min，然而螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)特性使這一方法受到限制。
圖2為螺桿鉆具、渦輪鉆具、減速渦輪和直驅(qū)電動鉆具性能的定性對比。盡管液動鉆具的材料和結(jié)構(gòu)有所改善，但仍存在一些阻止其達到鉆井技術(shù)極限的缺陷。
 
渦輪鉆具的轉(zhuǎn)速（400~1200r/min）與扭矩成反比，其轉(zhuǎn)速變化范圍大，且與軸向載荷相關(guān)，工作狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速比空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速低一半；通常情況下，渦輪鉆具的壓差與工況關(guān)系不大。在渦輪和軸承沒有因操作不當而意外損壞的情況下，渦輪鉆具工作時的動力參數(shù)變化不大。渦輪鉆具可用于泥漿密度高達2.0g/cm^3或更高的情況，耐溫高達250℃，可以用于各種類型的鉆頭。在深井硬地層中使用渦輪鉆具配合孕鑲鉆頭可以最大限度地降低每米進尺成本。
螺桿鉆具則是一種低速動力鉆具，工作轉(zhuǎn)速在90~300r/min之間，其轉(zhuǎn)速也與軸向載荷相關(guān)，工作狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速比空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速會略有下降（5~15%）。螺桿壓差在軸向負荷增加時會顯著增加。螺桿工作時，其定、轉(zhuǎn)子會磨損，從而導(dǎo)致其工作參數(shù)顯著降低。
螺桿鉆具的轉(zhuǎn)速和扭矩的實際值與計算值大不相同，最大和最小扭矩可以相差2到3倍，在壓差恒定時可以觀察到扭矩的波動。
樣本中標稱的螺桿鉆具工作特性只能在短時間內(nèi)具備。由于定子橡膠的磨損以及鉆井液的泄漏，螺桿鉆具的扭矩會隨其使用時間而變化，圖3顯示，在使用一段時間后，螺桿鉆具的效率會下降75%，這一現(xiàn)象直接影響著破巖機械比能和最佳、有效鉆井參數(shù)的計算，而渦輪鉆具效率隨使用時間變化較小，電動鉆具則幾乎不變。
 
圖4中，液動鉆具可以適用很大的轉(zhuǎn)速范圍，但對于一個特定型號的液動鉆具，它只能在有限的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)穩(wěn)定有效地工作，并且需要通過改變鉆井液排量和鉆頭鉆壓來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使得確定和控制轉(zhuǎn)速及最佳工作參數(shù)非常困難。
 
電動鉆具的轉(zhuǎn)速可無級調(diào)節(jié)，與有線通訊結(jié)合，能進行過程控制和參數(shù)的快速調(diào)節(jié)，參數(shù)調(diào)節(jié)范圍大，能達到更高的效率指標。
以Новобур公司生產(chǎn)的樣機來評估電動鉆具的實際性能，見圖5。該樣機的設(shè)計依據(jù)為被證明可靠和高效的Новомет公司的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計方法。
 
 
表1比較了各種類型的井下動力鉆具的主要優(yōu)缺點

	減速渦輪	渦輪	螺桿	減速電動鉆具
原理	流體力學(xué)	流體力學(xué)	水力學(xué)	電力學(xué)
輸出特性	↑扭矩 ↓轉(zhuǎn)速	↓扭矩 ↑轉(zhuǎn)速	↑扭矩 ↓轉(zhuǎn)速	↓—↑扭矩 ↓—↑轉(zhuǎn)速
旋轉(zhuǎn)特征	同軸	同軸	行星	同軸
振動水平	↓	↓	↑	↓
結(jié)構(gòu)復(fù)雜性	↑	↓	↓	↑↑
反扭矩	↑↑	↑	↑↑↑	—
鉆井介質(zhì)	鉆井液，對于使用信號鉆桿則任何類型都可以			任何類型
橡膠	靜密封	無密封件	定子	靜密封
鉆井參數(shù)直接控制	泵壓 排量	泵壓 排量	泵壓 排量	泵壓 取決于轉(zhuǎn)速的泥漿排量
數(shù)據(jù)傳輸能力	數(shù)據(jù)上傳速率調(diào)整范圍較大，僅在使用信號鉆桿或動力鉆桿時才具備實時傳輸數(shù)據(jù)的能力			電纜鉆桿 電纜連續(xù)油管
自動化	↓	↓	↓	↑↑

電動鉆具的研發(fā)
Новобур公司（彼爾姆）從2017年開始基于永磁轉(zhuǎn)子井下電機（ВЭД）的電動鉆具（ЭБК）研制。該型電機已在Новомет公司直徑80~240mm的潛油電泵中使用。正在與合作伙伴共同研制特殊的鉆桿，將鉆桿內(nèi)的電纜同心分布，并致力于研制用于電動連續(xù)油管的鉆具組合。
新技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域是配合電纜鉆桿鉆探高科技井。已研制出電動鉆具樣機ВЭБ-178 和ВЭБ-127、減速器、直徑102mm和127mm的短鉆桿、安裝在電動鉆具軸上的電動導(dǎo)向裝置，并提出井下電視系統(tǒng)的概念。開展了各種項目的研究，規(guī)劃好了所有必要的測試--單元測試和整機測試。電動鉆具目前的技術(shù)水平對應(yīng)于УГТ3，關(guān)鍵的功能和/或特性已通過分析和實驗驗證（ГОСТ Р 58048—2017）。

Новомет公司現(xiàn)有臺架可以進行單元測試，正在研發(fā)一個水平測試臺架БГС用于整機測試（圖9），這是一個在長達50m的人造巖塊上進行定向鉆井的井底鉆具組合測試關(guān)鍵設(shè)施。鉆具在通過整機測試后再進行現(xiàn)場測試。
БГС臺架將用于定向井整機測試服務(wù)，驗證產(chǎn)品和技術(shù)是否符合УГТ 5水平：組件和/或整機在接近真實或УГТ 6的環(huán)境中進行測試；系統(tǒng)/子系統(tǒng)模型或樣機在接近真實的環(huán)境中工作。該臺架既可以測試Новобур的電動鉆具，也可以測試其他公司新的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)、液動鉆具、遙測系統(tǒng)等。
用于電動連續(xù)油管的鉆具組合正在研發(fā)，該鉆具組合基于ВЕБ-89，鉆頭直徑108~120mm，連續(xù)油管直徑60~73mm，還包括類似用于螺桿鉆具的標準化井下工具。該鉆具組合計劃用于老井側(cè)鉆。
 
結(jié)論
1）電鉆應(yīng)視為一種商業(yè)化鉆井方法，類似于世界各地使用的轉(zhuǎn)盤鉆井方法和液動鉆具鉆井方法。這點已為50年來在不同類型的深井、直井和定向井中商業(yè)化應(yīng)用系列電鉆鉆進1250萬米進尺的事實所證實；
2）基于井下電機的電鉆結(jié)合了轉(zhuǎn)盤鉆井和液動鉆井的優(yōu)勢。在最佳鉆頭扭矩情況下有較大的調(diào)速范圍；與傳輸?shù)骄椎囊耗軣o關(guān)；可適用于各種鉆井清洗介質(zhì)；可在線控制鉆井；可有效實施控壓鉆井；
3）電鉆可有效用于復(fù)雜地層鉆井，可在高溫和高壓條件下鉆裂縫地層和斷層、長水平井段（托壓、充氣泥漿）；
4）電鉆可配合帶預(yù)裝電纜的連續(xù)油管，用于小尺寸定向井、水平井和多分支井（側(cè)鉆井）鉆井。在連續(xù)油管鉆機實施電鉆不需要安裝常規(guī)鉆井井架和使用電纜鉆桿，使得電鉆技術(shù)有望在基于電纜鉆桿的電鉆之前推向市場；
5）電鉆重返鉆井市場可能會與俄羅斯引進、部分國產(chǎn)化的高科技定向鉆井方法形成必要的競爭，從而提高鉆井效率；
6）Новобур 已完成為相關(guān)的基礎(chǔ)研究，用于制定項目：配備電纜鉆桿的電動鉆具、水平鉆井測試臺架和電動連續(xù)油管的研發(fā)計劃。