对于轨迹复杂，垂直井段浪费大的定向井，提高其技术经济指标是一项紧迫的任务，而引入电动钻具有助于该问题的成功解决。该技术结合了有线通讯的电缆钻杆和直驱电机的优点，具有调速范围大、钻头扭矩恒定以及与钻井清洗介质无关的特点。电钻基于电能方便远距离传输的思想---电能可以很方便地转换为机械能，并且地面和井下设备之间可以实时双向通讯。

尽管基于钻井液的遥传系统和数据压缩技术在迅速发展，但该方式仍受制于：数据传输与钻井清洗介质的参数和类型、泵的工作特性和钻井液排量变化范围相关。其他问题包括隐含的非生产时间，包括测量、发送指令和定向操作花费的时间、井底参数接收存在延时、钻井液不循环时无法接收和记录数据，钻井液中固相含量影响的消除。通常这些问题不被关注，从而阻碍了寻找先进的技术方案来改善钻井施工，可以说，钻井液传输数据技术更接近技术极限。

可通过有线实时数据传输方案进一步提高钻井速度、钻井质量和降低施工风险，如最新一代的电缆钻杆（NOV Intelliserv）可以显著提高钻井速度，甚至提高两倍。然而，现有的电缆钻杆并非没有缺点：限于电池容量或电缆钻杆的电力输入功率（500W--Reelwell，300W--TDE集团）需要中继器放大信号（NOV）；与旋导系统（РУС）一起使用时通过井下动力钻具传输数据困难。

与液动钻具和转盘钻井相比，电动钻具钻井具有以下优点：

l 井下电机的能量输入与钻井液的排量和密度无关。无论钻头钻压、钻井液排量和钻头扭矩如何，电机的输出转速都可在一定范围内进行调控；
l 电缆通信可以超高速传输钻井工况和井眼轨迹、岩石特性、井筒压力和温度分布的数据，因为电力可以传输到井下电机、底部钻具组合和钻杆上分布的传感器上；
l 井下电机几乎没有压耗（不超过钻铤），对于相同直径的电缆钻杆也可以优化水力程序；
l 井下电机工作特性与循环时间无关，因为没有使用寿命取决于水力参数的螺杆钻具的定子橡胶或涡轮钻具的叶轮；
l 将计算从井底设备转移到地面，在地面控制井下设备。减少井底设备中电子设备的数量可简化旋转导向系统、定向仪器和测井仪器，从而降低在井底高压、高温和动态载荷下设备出现故障的风险；

l 电流的变化能够实时反映破岩能量，使得：
-- 可以通过电流控制钻头钻压；
--获取不同工况下钻头的性能参数，并为特定岩性和钻头确定最佳使用参数；
--防止钻头过度磨损；
--对井眼剖面进行详细的地质和岩相分析；
--确定井下动态过程：振动和冲击的机理；
--精确控制钻井参数（钻头转速、扭矩、钻压），实时监测钻井效率（机械比能，钻头吃入岩石深度）；
l 可以自动优化钻井参数，最大限度地提高机械钻速，降低破岩比能，使井眼实际轨迹接近设计。
现有广泛使用的电动钻具规格与目前井底钻具组合包括连续油管一致，允许有效使用经过验证的可靠设备。

苏联电钻使用经验

第一个有效的电动钻具是在1940年研制和测试的，钻井深度1500m。与1930年代后期多级涡轮钻具几乎同时出现。测试验证了电动钻具的钻井效率，需要进一步进行技术改进：解决与减速器可靠性相关的连接技术问题，以及为确保整个钻杆长度上电缆的连续性而导致电缆钻杆过流截面被占据所导致的压耗增大的问题。测试结果表明，电动钻具能够在高压和动载下的腐蚀性环境中工作。与转盘钻井相比，其钻井性能对钻井速度的显著提高产生了积极影响。
第一台电动钻具采用了70千瓦的三相四极井下电机、将转速从1450r/min降低到363r/min的行星减速器和传动轴。直径和长度分别为324mm和8.5m。
电动钻具由一个潜水式异步电动机、减速器和传动轴组成，传动轴承受钻井过程中的轴向和径向力，钻头用螺纹连接在传动轴上。电机内充满油，以保护电机免受腐蚀性环境的影响。油位由压力补偿器保证。电机由分段的电缆供电，每段电缆由双芯电缆，电接头和钻杆组成。钻杆用作第三根导线。
第二次世界大战将电动钻具和电缆钻杆的改进推迟了6年。从1948年到1963年，开发了一系列电动钻具，在阿塞拜疆、土库曼斯坦、巴什基尔和乌克兰的油田商业使用。钻井效率比涡轮钻具平均高15~20%，但并非所有油井都是这样。钻井指标不稳定的原因在于电机维修车间少且距离井场远，维修人员需要专门培训。由于电缆与钻杆接头内径的间隙小，电接头可靠性低、电缆钻杆压耗很大。由于无法使用电缆测斜仪指导定向作业，电动钻具只能用于垂直井段。
1963年到1970年，全苏钻井技术科学研究所（ВНИИБТ）与哈尔科夫特别设计技术局（СКТБ）开发了一系列减速电动钻具及商业应用的附属设备，包括电弯头、遥测模块、电缆钻杆、钻头进给调节器、控制室和为井下电机供电的变压器（图1）.制定了一项标准，其中包括直径127mm到240mm的井下电动钻具的技术参数。
 
20世纪70年代电动钻具技术经济分析表明，与转盘钻井和涡轮钻井对比，在可比地质条件下，使用电动钻具可将每米钻井成本平均减少10~25%，钻头进尺和机械钻速平均提高16~18%。

遥测系统是电动钻具最重要的组成部分，因为它通过双向实时信息传输为井底设备的管控提供了新的能力，电能通过钻杆内的电缆传输到井下，地面上对于旋转钻杆采用集电器的滑动触点传输电能。

90年代后，电钻的研发停止了，使用量很小--占全国总钻井量的1.5~2%。由于苏联解体，钻井活动普遍减少，电动钻具停止生产。但是乌法钻井公司到2013年仍在使用电动钻具钻井。电钻工业化期间，在巴什基尔用电动钻具钻了2500多口井，进尺约750万米，而在前苏联所有的国家使用电动钻具钻井累计进尺1250万米。

电动钻具特别适用于复杂地层条件下3000至5500米井深的井钻进。通过对系统不断的改进，电动钻具和电缆钻杆的修理间隔时间得到了延长。

尽管电钻技术与现有钻井技术相比有明显的优势，但由于各种原因，电动钻具并没有成为主流的井下动力钻具。上世纪60年代开发的电动钻具的可靠性和使用寿命已不再满足钻井行业日益增长的需求。电缆钻杆（БКС）是最薄弱的环节。异步电机最大起动电流是其供电电流的6~7倍，这显著增加了电接头在其密封性略有降低时发生电击穿的可能性，特别是在高静水压力下深井钻进情况下。

80年代末到90年代，水平井越来越重要，关于电动钻具应用的讨论再次恢复。结合国内（俄罗斯）不同地区的钻井施工，分析了该方法的不足，得出了新技术（直驱、直流输电、光滑频率控制）具有潜在前景的结论。

1997年6月6日，在俄罗斯联邦能源部石油工业专家委员会科学进步和开发、生产和钻探联系会议上，企业和机构代表再次讨论了俄罗斯电动钻具发展的问题。与会者一致认为，受控电钻是最有前途的钻井方法之一，它结合了转盘钻井的优点---无论地层岩石参数和钻井清洗介质类型如何，钻头转速都可调节，以及电动钻具钻井时，钻柱可以不旋转。
到1990年代中期，一些外国公司开始有兴趣在电钻技术研发方面进行合作，因为他们认为该方法在改进水平井和多分支井钻井并提高其技术经济性方面是可行的，同时对井底到地面的电力通信也表现出极大的兴趣。

关于电动连续油管

上世纪90年代中期，随着连续油管技术的发展，国外对电动钻具的兴趣开始增长。

1995年天然气研究所（GRI）在其报告《连续油管钻井用电钻电机》的第一章叙述了电钻的简要历史和φ4.75”（120.65mm）电动钻具的概念。

1996年洛斯阿拉莫斯实验室（LANL）通过微钻实验表明，研发小直径电动连续油管技术上是可行的。外径35mm到105mm的直驱电动钻具（ВЭБ）的功率和扭矩是相同直径螺杆钻具的1.2~1.4倍。

1999年，SPE/IADC会议上Turner介绍了一个开发直径3.75”（95mm）和直径3-1/8”（79.3mm）电动连续油管钻定向井的项目。

该系统的优点如下;
l 驱动功率与钻井液排量无关；
l 对钻井液参数的适应性高；
--侧钻
--水下钻井
l 在高温下钻井；
l 实时反馈井下信息，方便灵活控制井下电机，用于闭环钻井，优化钻井效率；
l 电动连续油管功能可以增强：同一驱动装置可用于辅助操作，如定向，在油井中主动移动、地层测试；
l 井下数据可实时传输到地面；
l 电机寿命长；
l 振动（影响陀螺仪定向和核磁共振仪器的可靠性）降低；
l 电机可反转（被动或主动）。

1995年到2005年电动连续油管研发停顿，井下电机替换为传统的液动钻具。可能是因为在3000m~4000m的井中施工，考虑到连续管承重能力和强度，选择的电机类型和电缆在受限的直径范围内不能有效驱动钻头。

电动连续油管已成为在不稳定地层侧钻的钻井方法。设备快速调用和减少钻井准备时间使连续油管钻井具有经济性，与传统侧钻方法对比，该方法可以带来更好的开采指标。在使用连续油管钻井时，不同类型的定向仪器（液动的和电动的）可用于通过安装在连续油管内部的电缆控制螺杆钻具钻井的钻具组合。因此，带电缆的连续油管是一个已知的系统，所提出的技术主要是钻具组合设计。

井下动力钻具对比

正确应用三种钻井方法（转盘、液动钻具和电动钻具），以最大限度地发挥每种方法的潜力。

70年代末随着密封镶齿钻头的出现，转盘钻井得到发展，钻井模式的方向变化为低转速（60~70r/min）和高钻压。在伏尔加地区和西西伯利亚进行了大量的转盘钻井和涡轮钻井与新型钻头（包括进口钻头）的比较测试。但电动钻具仍继续在四个油区使用，典型的例子是土库曼石油公司的共青城32井，井深5250米，商业速度是492米/小时。在巴什石油公司的Узыбашевской 地区2000~2200米的斜井中，电动钻具的钻井速度比涡轮钻具高1.5~1.6倍。在阿塞拜疆石油公司的Заглы-Зейва地区和乌克兰石油公司的Надворнянском继续使用电动钻具钻定向井。乌克兰石油公司的 Долинском 和Бориславском的泡沫和空气钻井中，在井的下部井段使用带遥测系统和减速器的电动钻具钻井，与涡轮钻具相比，温度大幅升高。对上述钻井结果的分析表明，先前关于不同深度和油井类型下不同钻井方法可行性的结论仍然有效。根据最高效率准则，使用井下动力钻具在很宽的钻头转速范围内优化钻井。
约2008年以来，PDC钻头的应用成为钻井技术的发展方向，它成功地提高了硬地层和软硬交错地层的钻进能力，全面取代了牙轮钻头。这一变化导致优先选择螺杆钻具钻井或转盘钻井。随着旋转导向系统用于定向钻井，后者变得更加重要。因此，现在钻井大多保持低速（80~120r/min）。与此同时，提高钻头转速从而提高机械钻速的规律仍有效，大扭矩井下动力钻具具有现实意义。越来越多地使用带螺杆钻具的旋导系统，钻头转速提高到200~300r/min，然而螺杆钻具的结构特性使这一方法受到限制。
图2为螺杆钻具、涡轮钻具、减速涡轮和直驱电动钻具性能的定性对比。尽管液动钻具的材料和结构有所改善，但仍存在一些阻止其达到钻井技术极限的缺陷。
 
涡轮钻具的转速（400~1200r/min）与扭矩成反比，其转速变化范围大，且与轴向载荷相关，工作状态下的转速比空转转速低一半；通常情况下，涡轮钻具的压差与工况关系不大。在涡轮和轴承没有因操作不当而意外损坏的情况下，涡轮钻具工作时的动力参数变化不大。涡轮钻具可用于泥浆密度高达2.0g/cm^3或更高的情况，耐温高达250℃，可以用于各种类型的钻头。在深井硬地层中使用涡轮钻具配合孕镶钻头可以最大限度地降低每米进尺成本。
螺杆钻具则是一种低速动力钻具，工作转速在90~300r/min之间，其转速也与轴向载荷相关，工作状态下的转速比空转转速会略有下降（5~15%）。螺杆压差在轴向负荷增加时会显著增加。螺杆工作时，其定、转子会磨损，从而导致其工作参数显著降低。
螺杆钻具的转速和扭矩的实际值与计算值大不相同，最大和最小扭矩可以相差2到3倍，在压差恒定时可以观察到扭矩的波动。
样本中标称的螺杆钻具工作特性只能在短时间内具备。由于定子橡胶的磨损以及钻井液的泄漏，螺杆钻具的扭矩会随其使用时间而变化，图3显示，在使用一段时间后，螺杆钻具的效率会下降75%，这一现象直接影响着破岩机械比能和最佳、有效钻井参数的计算，而涡轮钻具效率随使用时间变化较小，电动钻具则几乎不变。
 
图4中，液动钻具可以适用很大的转速范围，但对于一个特定型号的液动钻具，它只能在有限的转速范围内稳定有效地工作，并且需要通过改变钻井液排量和钻头钻压来调节转速，使得确定和控制转速及最佳工作参数非常困难。
 
电动钻具的转速可无级调节，与有线通讯结合，能进行过程控制和参数的快速调节，参数调节范围大，能达到更高的效率指标。
以Новобур公司生产的样机来评估电动钻具的实际性能，见图5。该样机的设计依据为被证明可靠和高效的Новомет公司的驱动系统设计方法。
 
 
表1比较了各种类型的井下动力钻具的主要优缺点

	减速涡轮	涡轮	螺杆	减速电动钻具
原理	流体力学	流体力学	水力学	电力学
输出特性	↑扭矩 ↓转速	↓扭矩 ↑转速	↑扭矩 ↓转速	↓—↑扭矩 ↓—↑转速
旋转特征	同轴	同轴	行星	同轴
振动水平	↓	↓	↑	↓
结构复杂性	↑	↓	↓	↑↑
反扭矩	↑↑	↑	↑↑↑	—
钻井介质	钻井液，对于使用信号钻杆则任何类型都可以			任何类型
橡胶	静密封	无密封件	定子	静密封
钻井参数直接控制	泵压 排量	泵压 排量	泵压 排量	泵压 取决于转速的泥浆排量
数据传输能力	数据上传速率调整范围较大，仅在使用信号钻杆或动力钻杆时才具备实时传输数据的能力			电缆钻杆 电缆连续油管
自动化	↓	↓	↓	↑↑

电动钻具的研发
Новобур公司（彼尔姆）从2017年开始基于永磁转子井下电机（ВЭД）的电动钻具（ЭБК）研制。该型电机已在Новомет公司直径80~240mm的潜油电泵中使用。正在与合作伙伴共同研制特殊的钻杆，将钻杆内的电缆同心分布，并致力于研制用于电动连续油管的钻具组合。
新技术的主要应用领域是配合电缆钻杆钻探高科技井。已研制出电动钻具样机ВЭБ-178 和ВЭБ-127、减速器、直径102mm和127mm的短钻杆、安装在电动钻具轴上的电动导向装置，并提出井下电视系统的概念。开展了各种项目的研究，规划好了所有必要的测试--单元测试和整机测试。电动钻具目前的技术水平对应于УГТ3，关键的功能和/或特性已通过分析和实验验证（ГОСТ Р 58048—2017）。

Новомет公司现有台架可以进行单元测试，正在研发一个水平测试台架БГС用于整机测试（图9），这是一个在长达50m的人造岩块上进行定向钻井的井底钻具组合测试关键设施。钻具在通过整机测试后再进行现场测试。
БГС台架将用于定向井整机测试服务，验证产品和技术是否符合УГТ 5水平：组件和/或整机在接近真实或УГТ 6的环境中进行测试；系统/子系统模型或样机在接近真实的环境中工作。该台架既可以测试Новобур的电动钻具，也可以测试其他公司新的旋转导向系统、液动钻具、遥测系统等。
用于电动连续油管的钻具组合正在研发，该钻具组合基于ВЕБ-89，钻头直径108~120mm，连续油管直径60~73mm，还包括类似用于螺杆钻具的标准化井下工具。该钻具组合计划用于老井侧钻。
 
结论
1）电钻应视为一种商业化钻井方法，类似于世界各地使用的转盘钻井方法和液动钻具钻井方法。这点已为50年来在不同类型的深井、直井和定向井中商业化应用系列电钻钻进1250万米进尺的事实所证实；
2）基于井下电机的电钻结合了转盘钻井和液动钻井的优势。在最佳钻头扭矩情况下有较大的调速范围；与传输到井底的液能无关；可适用于各种钻井清洗介质；可在线控制钻井；可有效实施控压钻井；
3）电钻可有效用于复杂地层钻井，可在高温和高压条件下钻裂缝地层和断层、长水平井段（托压、充气泥浆）；
4）电钻可配合带预装电缆的连续油管，用于小尺寸定向井、水平井和多分支井（侧钻井）钻井。在连续油管钻机实施电钻不需要安装常规钻井井架和使用电缆钻杆，使得电钻技术有望在基于电缆钻杆的电钻之前推向市场；
5）电钻重返钻井市场可能会与俄罗斯引进、部分国产化的高科技定向钻井方法形成必要的竞争，从而提高钻井效率；
6）Новобур 已完成为相关的基础研究，用于制定项目：配备电缆钻杆的电动钻具、水平钻井测试台架和电动连续油管的研发计划。