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谢竹庄与国产螺杆钻具

谢竹庄与国产螺杆钻具
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　                李恩贵2011-3-31 20:55:09　

　　谢竹庄先生，祖籍浙江宁波，1932年6月出生于天津市，大学文化，生前是北京石油勘探开发研究院机械所正高工，硕士生导师。
　　
　　一、美国技术引起了他的兴趣
　　
　　1980年,我国处于改革开放的初期,与国际先进国家的技术交流日益频繁，其中美国克里斯坦森石油工具公司来京讲授，介绍他们的产品，简称纳维螺杆钻具，主要用于定向井钻井技术,它是由特殊井下工具、测量仪器和工艺技术有效控制井眼轨迹，造斜扭方位，使钻头沿着预定方向钻达井下预定目标的先进钻井工艺技术。
　　
　　同时定向井还具备三大优点：（一）节约土地.（二）节省套管.（三）节省搬家。
　　
　　螺杆钻具是一种以钻井泥浆为动力液，用高压泵输入到螺杆定子与转子配合的型腔中，沿螺旋通道将液压能转换成机械能的容积式井下动力钻具。它主要由旁通阀、螺杆马达（定子和转子）、万向轴、传动轴几部分组成。其核心是螺杆马达与传动轴。当泥浆泵泵出的泥浆流经旁通阀进入马达，在马达的进出口形成一定的压力差，推动转系绕定子的轴线旋转，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。
　　
　　美国专家在介绍螺杆钻具时，提到设计是根据莫诺泵原理进行的，那么螺杆马达部分（定子和转子）的线型设计就是他们的技术核心。谢老对此产生了浓厚的兴趣，在此之前，他曾经成功地设计制造油气混输地面螺杆泵，螺杆钻具不就是螺杆泵原理的逆应用吗？再加上他自1952年燕京大学毕业后，一直在清华大学和北京石油学院讲授材料力学，理论力学，他本人尤其擅长高等数学，对曲线，摆线均有过较深入的研究，早在1974年2月谢老就在国内石油机械杂志上发表过关于”单螺杆泵的基本原理”的论文.于是在课堂上谢老就开始计算，推导了一个公式给老师提问，当时老外没有回答他，说带回去研究。过了几天，美国专家再来北京授课时，干脆就回避了线型设计这个核心技术问题，人家担心提防我国的技术人员尤其是有可能搞懂其中奥妙的人。同时也激起了谢老自主创新，为国争光，为中国人争口气的雄心壮志。
　　
　　讲座结束后，谢老把他的想法向石油机械所的领导做了详细的汇报，得到了组织上的大力支持。
　　
　　二、研制出国内第一套用于定向钻井的螺杆钻具
　　
　　从1980年到1985年，谢老作为课题组长，负责螺杆钻具的攻关，他和他的团队做了大量艰苦细致的工作，他们不是把国外产品拿来解剖分析，测绘，而是根据基本原理重新设计，探索材料，测试性能，推敲结构，自主创新，螺杆钻具从组成来说，在当时哪个部分都是难题。首先，螺杆马达，它由定子和转子组成，国内根本没有螺杆加工机床，谢老就在卧式50*8米的普通车床进行改装，设计加工可以铣削定子芯轴的专用铣头，设计铣螺旋槽的专用铣刀，然后又设计螺杆转子的专用铣头及扶正装置。工件在操作者的外怀，进行多头转子铣削加工，在加工螺杆的运行过程中，不是简单的轴向旋转运动，而是要有一定的偏心和螺距的有规则的运动，偏心的控制与调整就是一个很大的难题，谢老凭借着在北京石油机械厂二十多年的摸爬滚打，精雕细刻，车、钳、铣、刨、磨无所不能，甚至锻工、铸工热处理工的工艺，无所不通，机床已有的螺距他利用，没有的他重新配置齿轮，达到螺杆钻具所需要的螺距，实践证明，后来国外进口的螺杆铣数控机床，在加工多头转子的方法与谢老自行设计的基本类似，当然控制部分人家要先进多了，刀的数量，刀盘直径也比我们的大多了。
　　
　　谢老及其团队，从设计到图纸，从图纸再到工艺，从产品到工艺装备，不仅仅是从理论到理论，而是从理论到实践，从现有设备改造成专用设备，他们又搞了拆装架，螺杆钻具试验台，可以说机械所当时具有了核心部件的加工能力，整机的检测手段，要是没有谢老这样一位基础扎实、学识渊博、锲而不舍、踏实肯干的科学带头人，同样要是没有像陈粉荣，刘忠信等同志的配合，马家骥所长的支持也是不可能集合这么多的骨干力量，也不可能投入这么大的财力物力的，是不可能取得成功的。
　　
　　1985年经过四年多的上下努力，取得了阶段性成果。谢老设计的5LZ165型螺杆钻具，运到辽河油田钻井一公司，首次试验。经过测试、排量、扭矩、转速均达到钻井的要求，并在现场连续钻进10多小时，完成一口井的造斜和定向任务。以后陆续现场试验了更多的定向井和不同区块.
　　
　　通过几年的实践，大家逐步认识到螺杆钻具是一种难度较大的，具有特殊功能，对各种部件性能要求较严格的高新技术产品，要想让其在定向井中发挥作用，必须要把螺杆钻具当做一个系统工程，提高每个部件的可靠性，才能保证整体的质量，进而保证进尺的延深。
　　
　　三、螺杆钻具被列国家七五项目和八五项目
　　
　　1985年，石油部科技司在辽河油田召开了5LZ165型螺杆钻具的技术鉴定会，对前段工作给予了充分的肯定，同时也要求课题组再接再厉，克服现有缺陷，改善性能，研制出更好的钻具。同年螺杆钻具被列为国家七五重点科技项目,名称为<丛式钻井>的子项目----<螺杆钻具>.谢竹庄继续担任课题组长.
　　
　　然而，成熟一项技术，搞好一个产品太难了，它不是以我们的主观愿望来发展，而是依据当时当地的技术发展水平以及人们对事物的系统认识来决定的。在1987年6月谢老发表了关于“螺杆钻具马达短幅内摆线等距线形分析”，还有“螺杆钻具和多头单螺杆马达的基本原理”等专业文章，对螺杆钻具的认识和推广起到了很大的作用，可以说我们很多人是读着谢老的文章走过来的，他培养了一代人。
　　
　　尽管谢老对于钻具像对待孩子那样精心细致，一个部件一个部件地去研究，一个零件一个零件地去把关，但是螺杆钻具定子必须外协，当时以中国的技术状况，达不到橡胶与金属粘结的性能要求，经常出现掉块，脱胶等问题，而定子出现脱胶和掉块，就使得螺杆马达不能正常运转，更无法检测出传动轴、万向节、径向轴承的性能，因此它是螺杆钻具的关键部分。
　　
　　1985年-1989年又成了螺杆定子衬胶技术攻关的艰难岁月，谢老对橡胶原本不是内行，但是它钻研学习，请教，实践,与油田橡胶厂的同志紧密配合，严格工艺，探讨最佳技术方案，寻求较好的技术路线。
　　
　　首先是螺杆定子的加工成型工艺，螺杆钻具一般直径165-244（6½-95/8              ）定子长度3-4米，，橡胶壁厚最薄处只有6毫米，也就是定子模芯必须与定子壳体保持精确的通心度，还要让橡胶均匀地填满整根定子的环形空间，还要考虑橡胶硫化后，定子型腔的收缩率。模具的结构形式、注射成型方式，橡胶的流动性能，芯轴的扶正装置，注射设备的选择，都是考验你是否具备定子生产能力的必要条件。
　　
　　其次，橡胶与金属的粘结技术，它包括两个工艺，1.橡胶配方加工工艺，2.粘结工艺。两者缺一不可。仅就正常使用螺杆钻具而论，整体寿命应该可以达到200小时以上，钻井方向上，不仅能打斜井，还可以打直井。这样应该说更能得到用户的欢迎。然而谁也不能脱离当年的历史背景和技术条件去奢谈优越的性能和较长的寿命。
　　
　　功夫不负有心人，在谢老及其团队的帮助下，大港油田橡胶配件厂在定子制造方面，取得长足的进步，新的工艺技术、配方，用于新设计的短幅内摆线型的5LZ197型螺杆钻具，基本克服脱胶、掉块的缺陷，使得73/4钻具得到了用户的好评。1989年8月在潍坊召开了规模较大的技术鉴定会。
　　
　　在89年潍坊鉴定会上，参加人有中油总公司、科技司、主管院局的领导，还有油田的用户、国内各行业的相关专家，对谢老及团队的螺杆钻具项目予以很高的评价，充分肯定了他们所取得的成果。
　　
　　在鉴定会晚宴上，他举杯向大家致意：“谢谢这么多年支持我的同志们，朋友们。是你们给了我信心和勇气，是大家的努力，我们才构筑了今日的辉煌，成功靠大家。”发自内心肺腑的声音，二十多年的右派生涯，使得他习惯了有成绩应该记在党和同志们的头上。面对着来之不易的鲜花和掌声，谢老很淡然。他曾经深情地对我说：“一个人一辈子能搞好一个产品，就很不容易了。”他还说：“我赞成这样三句话：做人要知足，做事要知不足，做学问要不知足。”多么富有哲理。一晃我们也是奔“六”的人了，时间愈久，他的话愈加值得品味。
　　
　　会后，他很快又投入到螺杆钻具随钻测试控制装置的研究，也就是平常我们说的：“MWD”随钻测试技术。
　　
　　四、为螺杆钻具产业化奠定坚实基础
　　
　　在学术上，谢老是个很聪明的人，他能够把设计的每个部分如数家珍，有时我们翻出多年以前的图纸，他依然能够准确的说出尺寸与公差，叫人不由得发自内心的佩服。
　　
　　尤其是螺杆马达的设计、计算与加工，他对其中的内涵认识是全方位的。
　　
　　他在设计每个部件的同时就考虑了材料、设备、工艺、刀具、测量、检验以及可能出现的问题、故障，解决问题的措施和办法。产品的图纸和所实施的工艺与操作者所用的机床紧密吻合，连操作位置尺寸控制值都能预测在先，谢老对机械技术的炉火纯青，对工艺的了如指掌，为钻具的产业化奠定了坚实的基础。
　　
　　由于改革开放的深入开展，潍坊生建机械厂承担了螺杆钻具的批量生产制造任务。该厂的郭洪志厂长非常欣赏谢老的才华，组成强有力的班子投入大量人力、物力、财力实施谢老及其团队的全部技术方案，在89-95年期间，成为国产螺杆钻具行业的领跑者。
　　
　　1994年谢老正式办理了退休手续，但是他并没有放弃对定向井的研究，他将其中的螺杆钻具部分用计算机语言编辑了几套设计软件，非常实用可靠方便,可以直接生成线型并作出模拟运行，转子、定子的横截面尺寸，控制可以达到20-50个点的精确值。为便于加工还专门有定子芯轴的设计专篇，刀具的专篇，为以后的螺杆数控机床自动化加工与控制留下了宝贵的财富。
　　
　　2002年4月谢老不幸患病，经过数个月的精心治疗，终未能挽回他的生命，于9月离开了我们，为她送行那天，从四面八方来自北京，上海、天津、山东专程赶来大约有200多人向这位一生坎坷、坚韧不拔的卓有成就的科技工作者告别。
　
　　作者简介：李恩贵天津市人,工程师
　　
　　国家科技项目<螺杆钻具定子衬胶技术>完成者之一
　　
　　石油行业标准标准起草人之一.
　　
　　本文在《石油与装备》2011年第四期发表，因为某些原因有删节，谨在此发表全部原文以纪念德高望重的良师益友，为了我们国家做出了重大贡献的自然科学家——谢竹庄先生。