螺杆钻具（等壁厚／大扭矩）技术与应用研究

经纬智汇信息咨询有限公司（北京）

摘要

螺杆钻具（Positive Displacement Motor，PDM；又称井下动力钻具、泥浆马达）是基于法国工程师 René Moineau 于 20 世纪 30 年代发明的"渐进腔（progressing cavity）"原理的容积式液动马达，是定向井、水平井、大位移井导向钻井与深井超深井提速的核心动力工具。其中，等壁厚（Even Wall Thickness，EWT）定子技术与大扭矩、高功率密度技术路线，已成为当前非常规油气（页岩气、致密油）规模化开发与深地工程提速的主流升级方向。

本报告以"现状—对标—瓶颈—趋势／应用"四段式框架展开：第一部分系统梳理螺杆钻具的工作机理、头数比特性、等壁厚与常规不等壁厚定子的本质差异、大扭矩技术路径与弹性体材料体系；第二部分对标国际领先厂商（斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克休斯、NOV、威德福）与中国厂商（天津立林、德州联合、渤海中成、北京石油机械及央企钻探板块）的产品参数与技术水平，厘清国内外差距；第三部分分析全球市场规模的多机构口径差异、竞争格局、深层超深层应用案例与提速实证数据，并阐述国产替代与政策驱动；第四部分研判高功率密度、全金属定子、智能螺杆、螺杆与旋转导向系统（RSS）竞合等未来趋势。最后给出分阶段立项路径、选型决策要点与投资视角的结论建议，并对厂商性能宣称、市场数据口径及核心技术风险作出限定与提示。

报告核心判断为：螺杆钻具是成熟但仍在快速迭代的"钻井提速"核心工具，等壁厚是当下主流升级、全金属与智能化是未来制高点；中国已跨过"能造"门槛，正处"造好、造高端"攻坚期，国产替代叠加深地工程构成确定性需求窗口。

第一部分　现状：技术原理、分类与产业全景

1.1　容积式动力钻具的能量转换机理

螺杆钻具是一种容积式液动马达，其核心动力源是基于 Moineau 渐进腔原理的螺杆—定子（rotor-stator）马达总成。1930 年，法国航空先驱 René Moineau 在研制航空发动机压缩机时发现"偏心转子在型线定子内旋转可形成连续渐进的密封腔"这一全新工作原理，并于 1932 年获得法国与美国发明专利，同年与 Gevelot 集团合资创立 PCM 公司。该原理早期作为渐进腔泵（Progressing Cavity Pump，PCP）广泛应用于黏稠介质输送；20 世纪 50 年代中期被"反用"为液动马达——以高压钻井液驱动转子旋转输出机械功——从而成为井下动力钻具的核心，并沿用至今。

PDM 的能量转换链条为：钻井泵泵出的高压钻井液进入马达总成，在马达进、出口之间形成压差（differential pressure）；压差作用于转子与定子之间的螺旋密封腔，推动转子绕定子轴线作行星（偏心）运动；万向轴总成（U-joint／transmission assembly）将转子的偏心运动转化为绕马达轴线的定轴转动；传动轴总成进而将扭矩与转速传递至钻头，同时承受钻压（WOB）产生的轴向与径向载荷。

该机理决定了 PDM 的两条关键参数规律：其一，输出扭矩与马达压差近似成正比——这一特性使操作极为简便，司钻在地面通过立管压力（standpipe pressure）的变化即可实时监测井下扭矩负荷与钻头工作状态；其二，转速与排量（流量）近似成正比——通过调节泵排量即可调节转速。马达运行时通常需要约 5%～8% 的钻井液旁通流量用于冷却与润滑。

一支完整的螺杆钻具由六大功能部件构成：

• 旁通阀（bypass valve）：位于顶部，开泵时关闭、停泵时开启，连通钻具内外，便于起下钻时灌入与排放钻井液、防止抽吸与激动压力。
• 马达总成（power section）：转子—定子配合的能量转换核心，是性能差异的根本所在。
• 万向轴总成（transmission／U-joint assembly）：含直外壳或可调弯外壳（bent housing），弯外壳带 0°～3°（或 0°～4°）可调弯角，是滑动定向钻进实现造斜的关键。
• 传动轴总成（drive shaft assembly）：传递扭矩与转速。
• 轴承总成（bearing assembly）：含止推轴承组，承受钻压产生的轴向载荷与径向载荷。
• 钻头连接螺纹：与钻头匹配连接。

万向轴结构主要有花瓣式、球铰接式与柔性轴（挠轴）式三类，各有承载能力与寿命特点。国内弯外壳弯角的刻槽标记存在行业规律：窄槽代表 15′（角分），宽槽代表 1°，组合读取即为实际弯角。

*图 1 螺杆钻具结构与能量转换原理图*

1.1bis　技术发展脉络（全时间轴）

螺杆钻具的技术演进可划分为四个阶段，呈现清晰的"原理诞生—工具转化—性能升级—智能高温化"脉络：

原理诞生期（1930s）：René Moineau 发明渐进腔原理，最初应用于泵送领域，奠定了螺杆—定子配合的几何与水力学基础。

工具转化期（1950s—1970s）：渐进腔原理被反用为井下液动马达，单头（1∶2）泥浆马达率先应用于定向钻井，使"地面驱动转盘"之外多了一条"井下直接驱动钻头"的技术路线，开启了导向钻井的工具基础。

性能升级期（1980s—2000s）：多头数定子（5∶6、7∶8）实现大扭矩输出，可调弯外壳提升造斜能力，NBR 之外的高性能弹性体逐步引入。这一时期，螺杆钻具从"能定向"走向"能提速"，成为水平井与大位移井的标准配置。

等壁厚与智能高温化期（2000s—至今）：等壁厚定子技术大幅提升承压与扭矩，配合页岩气革命驱动的水平井工厂化钻井需求快速普及；同时，HNBR 等高温弹性体、全金属定子、智能传感集成等前沿技术相继涌现，应对深地深海与地热等极端工况。当前正处于"等壁厚规模应用、全金属与智能化加速突破"的关键阶段。

这一发展脉络表明，螺杆钻具的每一次技术跃迁，都与油气勘探开发的需求升级（定向→水平→深层→超深层／高温）紧密耦合，技术演进具有明确的需求牵引特征。

1.2　头数比（lobe ratio）对扭矩—转速特性的决定作用

转子头数∶定子头数（lobe ratio，如 1∶2、4∶5、5∶6、7∶8、9∶10）是决定马达性能特性的根本几何参数。其基本规律为：在转子、定子长度一定的条件下，头数越多，输出扭矩越大、转速越低；头数越少，扭矩越小、转速越高。

具体而言：

• 1∶2（单头）马达：高速低扭，适配 PDC 钻头在软—中硬地层实现高机械钻速（ROP）；
• 多头（5∶6、7∶8、9∶10）马达：低速大扭，适配牙轮钻头、取心钻进及硬地层、研磨性地层。

学术研究（Nguyen 等，AADE-17-NTCE-026）通过理论建模指出，当定子头数大于 5 时，扭矩在特定无量纲几何条件下达到最大；头数超过 12 后，继续增加头数对扭矩的提升急剧衰减（由 12 增至更高时，增扭幅度不足约 3.6%），因此工程上 PDM 的头数一般不超过 12。这一规律为大扭矩马达的头数选型提供了量化边界。

国内螺杆型号命名具有规律性，以"C7LZ172×7.0"为例：首字母"C"表示大扭矩多级结构；"7"表示转子头数（即 7∶8 头数比，对应高扭低速）；"LZ"为"螺杆钻具"拼音缩写；"172"为钻具外径（mm）；"7.0"为额定工作压差（MPa）；尾部罗马数字表示马达级数（stage）。掌握命名规律是正确选型与对标的基础。

1.3　等壁厚（EWT）与常规不等壁厚定子：本质区别

这是本报告的技术核心。理解二者差异，是把握螺杆钻具技术升级方向的关键。

常规（不等壁厚／contoured rubber）定子：在等壁厚的金属外管内壁直接注入橡胶，并模压出螺旋型线。由于金属外管内壁为光滑圆柱面，最终橡胶层在凸瓣（lobe crest）处薄、在凹槽（valley）处厚，厚薄差异显著（厚处可达薄处数倍）。

等壁厚（Even Wall Thickness，EWT）定子：先在定子金属壳体内壁机加工出与型线一致的螺旋轮廓（contoured tube ID），再在其上注入厚度基本均匀的薄橡胶衬层，由型线化的金属壳体在橡胶背后提供刚性支撑。

橡胶壁厚均匀化，带来一系列本质性的性能改善，归纳如下表：

国际权威手册（IADC《钻井手册》）指出，等壁厚动力段由"轮廓化的定子管内径加上均匀薄壁弹性体衬层"构成，借助金属背衬的支撑，更薄的弹性体衬层可在比常规定子高约 75% 的压差下保持密封能力。这是等壁厚技术能够大幅提升承压与扭矩的物理根源。

国内现场试验数据进一步佐证（《石油钻探技术》2012 年相关研究）：等壁厚螺杆在不维修情况下累计下井使用时间平均达 193 h，比常规螺杆提高 40% 以上，机械钻速提高约 22%。专业供应商在新一代等壁厚产品上，通过将橡胶用量较上一代减少约 30%，在保持转速的同时进一步提高了扭矩输出——这从产品迭代角度印证了"减薄＋均匀化"的技术演进方向。

需要客观指出，等壁厚技术亦有其代价与约束：薄橡胶衬层一旦磨损，密封性能下降速度比厚橡胶更快；疲劳失效（fatigue）是其主要失效形式；对过盈量（interference fit）设计、注胶工艺一致性与转子表面粗糙度的要求显著高于常规定子。因此，等壁厚定子的核心竞争力，本质上沉淀在材料配方、型线设计与精密注胶／机加工工艺三者的协同上。

*图 2 等壁厚与常规不等壁厚定子横截面对比图*

1.4　大扭矩／高性能技术路径

在等壁厚之外，提升螺杆钻具扭矩与功率密度的工程路径主要包括：

• 多头数定子：采用 5∶6、7∶8、9∶10 等高头数比，以扭矩换转速；
• 增加级数（stage）与长导程（long lead）：级数越多、密封腔越多，承压与扭矩越大；
• 加大排量：在材料与水力允许范围内提升流量；
• 高承载传动系：高强度万向轴／传动轴与止推轴承组设计，匹配大扭矩输出对传动系的承载要求；
• 等壁厚动力段：如前述，是当前主流的高性能升级路径；
• 全金属定子（all-metal stator）：以金属—金属配合替代橡胶，突破温度天花板，是面向超高温的前沿路径。

对于超大口径或特殊工况，工程上还发展出"组合螺杆钻具"——将多个独立螺杆通过分流接头并联，实现更大扭矩与一次成大孔。在水平定向钻（HDD）等非开挖领域，已有双通道钻杆配套方案实现最大扭矩 12 kN·m、最大拉力 732 kN 的能力，体现了大扭矩技术路线的延展性。

1.5　弹性体材料与高温高压适应性

定子橡胶是螺杆钻具"最大的工程亮点，也是最大的工程软肋"。其材料体系直接决定了马达的耐温、耐压差、抗介质侵蚀与使用寿命上限。主流材料及其特性如下：

HNBR 的技术意义尤为关键：通过对丁腈橡胶分子主链加氢饱和，大幅提升其耐热老化与耐介质性能。相关弹性体供应商数据显示，特定配方 HNBR 在 100℃、12 MPa CO₂ 环境测试后无裂纹，抗 H₂S／CO₂ 与抗溶胀能力显著优于 NBR，使马达可适应更高温度与酸性气藏环境。

从厂商产品口径看（均为厂商宣称值，需作相对参考）：高性能 NBR 配方可标称耐温约 160℃（320°F），并在北美各盆地累计运行超过 15 万小时；提高耐温的 HNBR 配方可标称至约 204℃（400°F）并保持良好粘接强度；极端抗磨弹性体可标称抗磨性为传统弹性体的约 8 倍、在高压差下多工作约 20%；高温材料经实验室验证可达约 95 万总循环（含约 15.1 万次高温循环）及超过 1000 次停转（stall）。

橡胶定子的根本天花板在约 177℃（350°F）。 超过该温度，弹性体开始加速降解、溶胀与热失效。这正是地热（井底温度可达 >300℃）与超深高温油气井必须转向全金属定子或涡轮钻具的根本技术原因，也是本报告后续讨论高温瓶颈与全金属趋势的逻辑起点。

1.6　失效机理、寿命管理与可靠性

理解螺杆钻具的失效机理，是高端化与国产替代攻关的另一条主线。统计与现场经验表明，螺杆钻具的失效主要集中在三个部位：定子橡胶、传动系（万向轴／传动轴）与轴承总成。

定子橡胶失效是最普遍、也最具技术挑战的失效形式，主要包括：① 热溶胀与热老化——在高温与油基钻井液环境中，橡胶吸收介质后体积膨胀（溶胀率可达百分之十数量级），导致过盈量异常增大、扭矩损失甚至卡钻；② 疲劳脱落（chunking）——橡胶在交变应力下产生疲劳裂纹并逐块剥落，是等壁厚薄衬层定子的主要失效模式；③ 化学降解——H₂S、CO₂ 等酸性介质侵蚀橡胶分子链。这些机理共同决定了"温度—介质—压差—寿命"之间的强耦合关系，也解释了为何高温弹性体配方是核心技术壁垒。

过盈配合（interference fit）的设计与控制，是平衡密封性与寿命的关键工程问题。过盈量过大，则摩擦发热加剧、橡胶过早疲劳；过盈量过小，则密封压差不足、扭矩输出下降并易发生窜动（漏失）。等壁厚定子由于橡胶薄、刚性强，对过盈量的设计窗口更窄、容差要求更高——这既是其性能优势的来源，也是其工艺难度的根源。国内研究通过有限元仿真，已能对橡胶衬套在不同温度、压差工况下的应力分布与变形进行较精确的预测，为型线优化与过盈量设计提供了仿真依据，正在推动设计方法从"经验试错"向"仿真驱动"转变。

寿命管理与维保翻新是螺杆钻具商业模式的重要组成。一支螺杆钻具在累计工作一定时长后，需返厂更换定子橡胶、检修传动系与轴承（即 refurbishment）。翻新市场不仅是稳定的售后现金流来源，也是检验产品可靠性、积累失效数据、反哺设计改进的关键闭环。国际巨头正是通过庞大的服务网络与失效数据库，持续优化材料配方与设计，形成了难以快速追赶的数据壁垒。

1.7　产业链全景

螺杆钻具产业链可划分为三个层级：上游为特种弹性体（NBR／HNBR／FKM）、高强度合金钢、精密机加工与表面处理（转子镀铬／镀碳化钨）等原材料与基础工艺供应；中游为螺杆钻具整机制造与动力段（power section）专业供应；下游为油气勘探开发企业与油田技术服务公司（定向钻井服务）。

值得关注的是，上游特种弹性体配方与精密注胶工艺，是整条产业链中技术含量最高、附加值最大、也最易形成"卡脖子"的环节。国际市场上，专业动力段／弹性体供应商（如 BICO、Roper、Viking、Artemis 等）凭借材料与工艺专长，向整机厂与服务商供货，形成了相对独立的细分市场。中国若要实现高端螺杆的真正自主可控，突破口正在上游弹性体材料与精密注胶工艺，而非中游整机组装。

第二部分　对标：国际领先厂商与中国厂商技术水平

2.1　国际领先厂商技术水平与代表产品

国际市场由斯伦贝谢（SLB）、哈里伯顿（Halliburton）、贝克休斯（Baker Hughes）三大巨头主导高端等壁厚、高温与一体化定向钻井服务，NOV（含动力段供应）、威德福（Weatherford）紧随其后，BICO、Roper、Viking、Artemis 等专业动力段／弹性体供应商构成上游配套层。主要厂商代表产品与技术宣称对标如下表：

说明：上表中"2 倍／2.5 倍扭矩功率""300℃""耐温 400°F"等参数，均为厂商或单一项目宣称值，未经独立第三方统一台架验证，应作为相对技术参考而非既定事实。

国际巨头的真正壁垒，并不在单一定子产品，而在于"钻具＋定向钻井服务＋随钻测量（MWD／LWD）"的一体化能力，以及百余年竞争中沉淀的核心研发投入与材料配方体系。以高温马达研发为例，国际巨头在其技术中心曾测试 40 余种涂层、筛选出 10 种进入现场进一步测试，体现了材料工程的系统化深度——这种"系统化试错—筛选—迭代"的研发组织能力，是单点技术追赶难以快速复制的深层壁垒。

2.2　中国厂商技术现状与国产化进程

中国主要螺杆钻具生产企业包括：天津立林石油机械、德州联合石油科技（创业板上市企业）、渤海石油装备中成机械、北京石油机械（隶属中石油，品牌 BPM，企业成立于 1955 年）、石化机械江钻、四川深远石油、奥瑞拓、河北中荣、盐城金峰、盐城新永佳等。央企钻探板块——川庆钻探、大庆钻探、渤海钻探、胜利石油工程、中海油服（COSL）——既是最大终端用户，也具备工具研发与定向钻井一体化服务能力。

国产螺杆钻具典型规格参数（以行业通用 5LZ 系列性能表为可引用基准）：

常规定子橡胶耐温通常 ≤120℃，深井应用需定制耐高温橡胶。从厂商口径看，国内头部企业宣称其等壁厚螺杆扭矩与功率输出较常规马达提高 50% 以上，高温型螺杆耐温可达 150℃ 以上；部分企业已可批量生产等壁厚（equal wall thickness）马达并取得 API、CE 认证。需注意上述提升幅度均为厂商宣称，缺乏统一第三方实测口径。

总体而言，在常规螺杆与等壁厚螺杆的产品化层面，中国已基本实现规模国产替代；与高度依赖进口的旋转导向系统相比，螺杆钻具是国产化最成功的井下动力工具之一。

2.3　国内外技术差距与瓶颈梳理

尽管国产化在中低端已较充分，但在高端环节仍存在系统性差距：

核心瓶颈与突破方向可归纳为四点：① 高温弹性体材料——HNBR 及特种弹性体的国产化配方与批次一致性；② 金属橡胶复合定子与全金属定子——突破温度天花板的根本路径；③ 智能螺杆——集成传感器与随钻测量，实现井下工况感知；④ 定子型线优化与流体—结构—热多场耦合仿真——以仿真驱动设计替代经验试错。

国内学界与工业界已在国家重点研发计划框架下系统布局：多家高校（中国地质大学（北京）、中国石油大学（北京）、西南石油大学）与中石油钻井院已将"全金属螺杆钻具、长寿命涡轮钻具"列为万米级特深井提速工具的攻关方向，标志国产高端动力钻具研发体系正在成形。