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2023-02-23
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美国在20世纪50年代中期开始研制螺杆钻具国内外生产制造现状,1962年用于生产国内外生产制造现状,有迪纳钻具(Dyna Drill)公司,纳维钻具(Navi Drill)公司和波斯钻具等。目前,螺杆钻具国内外生产制造现状的发展主要以美、英、法、原苏联等国为代表。国内螺杆钻具的研制起步较晚,从20世纪80 年代中后期形成一定规模到目前常规螺杆钻具已规格化、系列化,各主要生产厂家中大港、北京、德州等厂家产品已覆盖国内绝大部分市场。在工作寿命、易损件耐磨性、特种螺杆的设计制造等方面与国外有一定的差距。国内马达数一般为4级,不能完全满足水平井等一些特殊工艺的需要,短半径水平井钻井作业的钻具在国内尚属空白,作为短半径水平井的铰接马达,国内也只处于研究阶段。
国外螺杆钻具的生产厂家主要集中在美国和加拿大。西方国家从事螺杆钻具制造的公司主要有:Baker Hughse 公司、Telco(美国)、DERCO(加拿大)、ANADRILL(美国),National Oilwell Inc(美国)、Nryrfor-Weir Ltd(法英夸国联营)、Simth公司以及DANA-DRILL公司、DRILL MOTOR SERVICES 公司。另外还有许多研究机构像苏联VNIIBT、ВНИИВТ彼尔姆分院、法国石油研究院(IFP)。国外螺杆钻具寿命一般都在200~300h以上,主要以美国的产品为代表,著名的品牌有Dyna-Drill、Navi-Drill、Power Park、Speey-sun、д型钻具。Anadrill公司的螺杆钻具自1991年问世以来,采用国内外生产制造现状了先进技术,是当今最好的马达,螺杆钻具的外径从73mm~287.5mm可选。
国内生产螺杆钻具的厂家有十多个,主要有大港油田中成公司、北京石油机械厂、德州石油机械厂、贵州高峰机械厂、天津立林石油机械有限公司及山东潍坊等,研究机构有中国石油大学(华东)、中国科学技术研究院、北京石油勘探开发研究院、西南石油大学等。国内螺杆钻具寿命一般都在100~200h之间,也已形成规格化、系列化。螺杆钻具从Φ60mm~Φ244mm各种规格,配有可调弯壳体(AKO)、可换扶正器,基本能够满足国内各种钻井、修井作业。
随着螺杆钻具研发技术水平的提高,加之新材料、新工艺的不断涌现,螺杆钻具的泵体技术发展较快,出现了以下几类能够解决专项问题、满足不同需要的螺杆钻具。
1)长寿命螺杆钻具:Dyna-Drill 公司成功研制出硬对硬的PDC止推轴承用于F2000型螺杆钻具,使传动轴总成的寿命得到很大的提高,使用寿命可达200~300h。国内由于马达寿命和传动轴寿命短,造成螺杆钻具寿命在100~200h。
2)低速大扭矩螺杆钻具:这种螺杆钻具的低速大扭矩特性将很好地配合牙轮钻头和PDC钻头的改进、能够有效地延长钻头的使用寿命和增加机械钻速。可通过多种结构来实现,其中典型的结构有3种:①加长马达,也称多级马达。就是把动力段加长,使马达的输出扭矩增加。贝克·休斯公司生产的XL系列加长马达在许多国家和地区得到应用。②串联多级马达(DPS-PDM)。串联马达的动力段总成增加了一节动力段,中间用一钛挠性轴相连,使马达输出的扭矩和功率增加。③多头螺杆,加拿大的DRECO公司TRGDRILL型螺杆钻具由单头螺杆与行星齿轮减速器和支撑节组成,在保持高的马达效率的同时,实现低速大扭矩。中空转子马达大斜度井和水平井需要大排量洗井以利于清砂,实心转子马达额定排量小,中空转子的额定排量可以提高20%以上。北京石油勘探开发研究院研制出一种带稳流阀的中空螺杆,这一特别设计的稳流阀改善了普通中空螺杆钻具过载时严重丢转的问题,提高了钻具的抗过载能力和水功率利用率。
3)等壁厚螺杆钻具:橡胶衬套厚薄不均,螺杆钻具定子在工作时,容易导致定子过早失效,从而缩短了螺杆钻具的使用寿命,通过合理改变定子壳体的形状,使定子橡胶层薄且均匀,以克服常规螺杆钻具定子技术的不足,能有效地改善螺杆钻具的工作环境,提高其使用寿命。与常规螺杆钻具相比,等壁厚螺杆钻具的泵体短、扭矩小、易于洗井。该型钻具具有以下优点:散热效率提高、橡胶溶胀、热胀均匀、适应范围更广、结构更加优化、整体质量更轻。
4)导向钻井系统用螺杆钻具:导向钻井系统所用井下马达主要有带衬垫的弯外壳螺杆钻具、双倾万向螺杆(DTU)等,这些马达与随钻测量系统(MWD)、聚晶金刚石钻头配合在一起,进行长时间地钻井并实时收集井下情况,保证井眼沿设计轨道钻到目的层。Anadrill公司研制的地面可调弯壳体螺杆钻具寿命长达1000h。
5)开环/闭环系统中用定向螺杆钻具:国外出现了井下可调螺杆钻具,井下可调螺杆钻具的应用分两种类型,一是地面遥控可调角度型,另一种是井下自动调整系统。贝克休斯公司成功开发的AutoTrak旋转闭环钻井系统采用在井下马达上安装导向肋与近钻头MWD相配合实现导向功能,与可调弯壳体配套出现了可换扶正器的螺杆钻具,使扶正器的形状、尺寸可以根据钻井需要在井口改变,目前还出现了在井下可调尺寸的扶正器。
6)直井钻进用螺杆钻具:贝克休斯INTEQ公司开发的VertiTrak直井钻井装置成功地将直井用高能螺杆钻具与垂直倾角精确到0.1°的近钻头MWD组合在一起,已在地中海地区、意大利、南美洲和墨西哥深水区等世界许多地区得到应用。PDC钻头与直螺杆钻井技术在国内外生产制造现状我国也得到推广应用,这种专门用于直井钻进的螺杆钻具在提高钻进速度的同时能够很好地纠斜和避免井下事故的发生。
7)取心用螺杆钻具:螺杆钻具专门用于地质勘探钻井的取心作业。德国已研制出螺杆钻具取心系统(KIBM),我国也很早就研制出取心专用螺杆钻具。近期,大港油田中成公司生产的螺杆钻具在中国大陆科钻1井中应用于“绳索取心+螺杆马达+液动锤三合一”取心技术中,取得了良好的效果。
8)空气螺杆钻具:空气螺杆钻具是专为空气钻井设计的一种马达。国外主要是贝克休斯公司有能力生产空气螺杆钻具。国内中国石油勘探开发研究院钻井所、北京石油机械厂2002年共同研制了K7LZ120×7.0空气螺杆钻具样机。当年7月在河北遂州成功进行了空气螺杆钻具的模拟钻井试验,结果表明试验样机完全符合设计要求,同时克服了“飞车”、“难启动”等技术难点。
我国对螺杆钻具的研制起步较晚,螺杆钻具应用仍处于初级阶段。近年来,通过国外技术的引进,许多油田和厂家正致力于螺杆钻具的研究并开始现场应用和试验。为满足大规模工业应用的需要,建议后期研究课题主要是围绕探索新型螺杆钻具、优选螺杆钻具结构参数、合理选择衬套与转子配合过盈量、智能化控制、长寿命高效平稳运行、满足特殊井需要、扩大应用领域等方面开展技术攻关。经过大量的文献调研,螺杆钻具的研究工作主要可从以下几个方面来进行:
1)螺杆钻具结构参数优化:主要研究螺杆钻具定子在不同压力、转速、流量等条件下的受力状态和变形规律,以及材料对变形规律、使用寿命的影响;螺杆钻具转子在不同压力、转速、流量等条件下的受力状态和变形规律,以及材料对变形规律、使用寿命的影响;使定、转子具有良好的力学性能及较好的工作性能。结构参数的好坏会影响钻具的压力和密封性能,也会影响定子衬套的工作寿命。
2)衬套与转子合理配合过盈量:研究螺杆钻具在不同扬程、不同钻井液黏度下最优工作状态时定、转子的合理过盈量;研究定、转子摩擦产生的温度场对定、转子线型及过盈量的影响。根据不同的橡胶材料、不同的工作环境条件,选择不同的配合过盈量。
3)扩大螺杆钻具应用范围:研制非油气井用螺杆钻具具有重要的意义,如煤层气井抗腐蚀螺杆、地热井抗高温螺杆等。非油气井的井下工作环境更加恶劣,值得进一步研究和探讨。
4)螺杆钻具的标准化、系列化:国内外生产螺杆钻具的厂家较多,目前螺杆钻具制造和质量检测没有统一的标准,各制造厂的螺杆钻具结构参数和工作参数不相同,产品的互换性相当差,造成现场使用和维修相当不便,严重影响了螺杆钻具技术优势的发挥。因此,有必要实现标准化和系列化,从而提出螺杆钻具生产制造、质量检测标准,提供螺杆钻具定子材料以及特殊材质标准、型号等。
行业内主要企业:航发动力(600893)、中航西飞(000768)、中航沈飞(600760)、中直股份(600038)、洪都航空(600316)、中航重机(600765)、日发精机(002520)
本文核心数据:中国民用飞机交付量、中国军用飞机机队规模
行业概况
1、定义
根据《中国制造2025》中的介绍,我国目前的飞机整机制造主要是指由由喷气发动机,螺旋桨或火箭发动机产生的推力向前推动的固定翼飞机的制造。
2、产业链剖析:结构复杂,参与者以国有企业为主
飞机产业链包括前期设计研发、原材料供应、部件制造、整机总装制造、售后维修等环节。飞机制造业通常采取“整机制造商——多级供应商”的制造模式。产业链的第一级为整机制造商,主要从事产品设计、总装制造、市场营销、客户服务和适航取证环节;第二级为关键航空子系统制造商,所提供的子系统包括机体、发动机、航空电子等主要机载设备;第三级主要包括众多为产业链上层的整机a与子系统制造商提供零部件与材料的供应商。
从飞机制造行业产业链参与企业来看,由于极高的技术与资金壁垒,我国的飞机制造行业主要参与企业多为国有大型集团,虽然民营企业也有参与,但多为原材料、零部件等。
行业发展历程:处于行业发展的黄金时期
从发展历程来看,我国早在1911年就开始涉猎飞机制造领域,仅比1903年莱克兄弟晚了8年,我国航空先驱冯如先生更是在1909年就在美国驾驶冯如1号成功试飞,所以在航空领域开始阶段,我国并没有比国际晚太多。但是受制于当时国内的政治经济环境,建国之前中国的航空装备制造发展存在着“积贫积弱”的发展特点。建国后,随着国内政局稳定和国家的大力支持,我国的航空事业才开始有起色。
进入新世纪后,随着中国“世界工厂”地位的逐步确立,中国在制造业领域长期的技术积累,中国航空产业逐步进入发展黄金时期。尤其是在国产C919成功试飞后,中国航空装备制造真正开始走向国际尖端领域。
行业政策背景:国家战略化行业
飞机作为现代工业制造业领域的高端装备之一,零件多、结构复杂,制造过程中涉及的工艺装备种类多、成本高,生产工艺准备工作量大、周期长。因此,飞机整机制造是对于一个国家高端制造业的巨大挑战。
近年来,国家陆续出台了各项产业政策,引导国产飞机制造行业往产业化、商业化、高端化发展。
行业发展状况
1、民用领域:
——民用飞机交付量快速增加
对于民用飞机来说,我国国内的一级民用飞机制造商只有航空工业集团和中国商飞两家。根据两家企业的社会责任报告,近年来我国民用飞机的交付量在不断上升,2021年,我国民用飞机的总交付量共计590架,较2020年增多了90架。
——民用航空机队规模不断增大
从民用领域的航空机队数量来说,近年来我国航空机队的整体规模不断上升。根据民航局的统计数据,2021年末我国航空机队的数量为4054架,较2020年新增151架。
2、军用领域:
——中国空军规模不断扩大
从我国空军的机队规模来看,近年来我国军用飞机数量在不断增加。截至2021年末,我国空军机队规模达到3285架,同比增长0.77%。
——中国空军换代需求明确
从中美两国的空军飞机代际来看,截至2021年末,在中国服役的战斗机中以歼7/歼8为代表的二代机数量占比约为47%,而以歼10、歼11、歼15为代表的三代机占比约为52%,而歼20、歼31为代表的四代机目前尚未大规模列装部队,其中歼20的服役数量仅19架,占比2%。
对比美国来看,以F15、F16和F18为主的三代机,在目前美国空军机队中的占比达到了82%,而以F22、F35为代表的四代机的装备占比则达到了约18%,远高于中国。
行业竞争格局:
1、区域竞争格局:陕西省是我国重要的飞机制造产业基地
我国的飞机制造业已经初步显现集聚特征,聚群化分布、区域分工日趋显现。目前已基本形成六大聚集区,包括环渤海、长三角、珠三角、中部地区、西部地区和东北地区。具体形成以长三角及中部的西安为核心,以珠三角、东北地区为两翼,以北京、天津、四川等研发、制造为支撑的航空产业格局。在热力图中可以清晰的看到,以西安市为代表的陕西省是中国最重要的航空产业生产基地之一。
2、企业竞争格局:以国有大型集团企业为主导
依托于航空装备制造行业的自然垄断行业特质,我国飞机制造行业主要由航空领域的国有大型企业集团主导,历经数次战略性和专业化重组,形成中国航空工业集团、中国航发、中国商飞以及中外合资企业为主,众多原材料和零部件配套供应商为辅的企业格局。
行业发展前景及趋势预测:
1、民用飞机制造:国产民用飞机制造需求量接近2200架
结合波音发布的《2021年民用航空市场展望》和《中国商飞公司2021-2040年民用飞机市场预测年报》,在未来20年中,我国民用飞机市场将新增民航飞机约8892架,对应市场规模91840亿元。
考虑到我国ARJ21支线飞机、C919大飞机以及CR929飞机的研发、生产、交付进程,我国国产民用飞机的需求量为2223架。
注:美元兑人民币汇率为6.4。
2、军用飞机制造:预计2027年我国军用飞机规模突破3800架
随着中国的和平崛起,以美国为首的西方国家单边主义、保护主义盛行,为了保证我国主权和领土完整,我国空军部队的“换装”与“增量”势在必行。中国军用飞机制造的发展方向主要可以分为战略轰炸机、军用运输机、军用直升机和军用无人机四大方向。预计到2027年末,我国军用飞机机队规模将突破3800架。
以上数据参考前瞻产业研究院《中国民用飞机制造行业市场需求预测与战略规划分析报告》。
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