王春陽,夏秀文,李良君,陸天明,李艷霞,李 鵬

(渤海石油裝備中成機(jī)械制造有限公司,天津300280) *

預(yù)輪廓定子螺桿鉆具性能研究

王春陽,夏秀文,李良君,陸天明,李艷霞,李 鵬

(渤海石油裝備中成機(jī)械制造有限公司,天津300280)*

為了研究預(yù)輪廓定子螺桿鉆具的性能,進(jìn)行了整機(jī)臺架試驗、馬達(dá)壓降試驗及定子溫升試驗。結(jié)果表明,預(yù)輪廓定子螺桿鉆具比常規(guī)定子螺桿鉆具有許多優(yōu)點,例如,單級承壓能力強(qiáng),相同長度下提供扭矩大,硬特性好,耐溫性能高。預(yù)輪廓螺桿鉆具替代常規(guī)螺桿鉆具,能為定向井、特別是短半徑側(cè)鉆井提供強(qiáng)有力的鉆井動力。實踐表明,要充分發(fā)揮預(yù)輪廓定子的性能,必須在橡膠設(shè)計、注膠工藝及匹配零部件方面做相應(yīng)的研究。

螺桿鉆具;定子;預(yù)輪廓;扭矩;壓降

預(yù)輪廓定子最早出現(xiàn)在貝克休斯 INTEQ公司,它最先應(yīng)用在垂直鉆井系統(tǒng)AU TOTRA K上,后來推廣應(yīng)用在高性能螺桿鉆具上,稱為 XTREME螺桿鉆具。R&M公司也開發(fā)出預(yù)輪廓定子螺桿鉆具,稱為PCS螺桿鉆具。隨后,DYNA公司、威德福等國際上知名的螺桿鉆具制造廠家都相應(yīng)開發(fā)出自己的預(yù)輪廓定子螺桿鉆具。國內(nèi)從2005年開始研究,直到2008年才掌握該項技術(shù)。預(yù)輪廓定子的核心技術(shù)是在定子鋼體上加工出預(yù)輪廓定子線型,使定子橡膠接近等壁厚形狀,橡膠在擁有剛體骨架后改變了其螺桿鉆具的輸出性能(如圖1)。國內(nèi)對于預(yù)輪廓定子的加工方法等開展了一些研究[1],而對于其性能,特別是動力性能、耐溫性能、動力硬特性等研究則很少。筆者利用功能完備的螺桿鉆具整機(jī)試驗臺、馬達(dá)試驗臺等開展了預(yù)輪廓螺桿鉆具性能研究,對于充分發(fā)揮預(yù)輪廓螺桿鉆具在鉆井中的作用有重要的指導(dǎo)意義。

圖1 定子截面對比

1 預(yù)輪廓定子對螺桿鉆具輸出特性的影響

1.1 單級承壓能力

通常,預(yù)輪廓定子螺桿鉆具的承壓能力比常規(guī)螺桿鉆具提高50%～100%,表1給出相同頭數(shù)、相同導(dǎo)程且過盈量分別為0.5 mm和0.2 mm下馬達(dá)壓降臺架試驗的數(shù)值對比。從表1數(shù)據(jù)可以看出,預(yù)輪廓定子螺桿鉆具承壓值遠(yuǎn)高于普通螺桿鉆具,即,它轉(zhuǎn)化壓力能為機(jī)械能的能力比普通螺桿鉆具大得多,這也是預(yù)輪廓定子螺桿鉆具能夠提供更加強(qiáng)勁動力的有力證據(jù)。

表1 相同設(shè)計參數(shù)的螺桿鉆具加壓值對比

耐壓能力的提高主要是因為預(yù)輪廓定子的型腔頭部(骨架)對橡膠形成了有力的支撐,橡膠厚度與谷底相同。其頭部比傳統(tǒng)定子的頭部提供更多的抗變形力,在高壓下定子變形率相同而變形量減小,因此密封腔漏失少,能保持更高的容積效率,提高了密封性能,得到了更大的耐壓值。

1.2 輸出扭矩

通過整機(jī)臺架試驗表明,在相同設(shè)計、同等長度下,預(yù)輪廓定子螺桿鉆具的輸出扭矩比常規(guī)螺桿鉆具增大約1倍。同時,螺桿鉆具的效率也得到了提高。

為比較預(yù)輪廓定子技術(shù)和常規(guī)技術(shù),選擇外徑為?172 mm預(yù)輪廓螺桿鉆具與外徑為?172 mm的常規(guī)技術(shù)螺桿鉆具進(jìn)行比較,選用的這些螺桿鉆具有著同樣的設(shè)計參數(shù)(例如腔室體積)。由于設(shè)計參數(shù)相同,才能夠?qū)ζ湫阅芎托蔬M(jìn)行真正的比較。

圖2比較了上述討論的2種螺桿鉆具。2種螺桿鉆具具有相同級數(shù)、相同線型、相同腔室和相同的定/轉(zhuǎn)子配合(0.2 mm間隙)以及相同的定子長度(2 750 mm)。沿著2 400 L/min流量線從下向上,可以在0.8 MPa壓降下找到相同的輸出功率。2種螺桿鉆具在230 r/min時扭矩達(dá)1 100 N·m。增加載荷及壓降,預(yù)輪廓螺桿鉆具的出眾性能特征變得明顯了。在2 400 L/min和4 MPa壓降下,常規(guī)螺桿鉆具的轉(zhuǎn)速下降至175 r/min,扭矩是4 700 N·m;預(yù)輪廓螺桿鉆具轉(zhuǎn)速為 205 r/min,產(chǎn)生5 350 N·m扭矩。在同樣的工作點,這種螺桿鉆具由于提高了容積效率而轉(zhuǎn)得更快,并且由于提高了機(jī)械效率而產(chǎn)生更多的扭矩。在同樣的輸入功率下,預(yù)輪廓定子螺桿鉆具比常規(guī)螺桿鉆具有更多的輸出功率。

圖2 在腔室體積相同時預(yù)輪廓和常規(guī)技術(shù)螺桿鉆具性能比較

預(yù)輪廓定子螺桿鉆具在相同扭矩的條件下可以使定子長度縮短1倍,因此這會使同樣輸出性能的螺桿鉆具長度縮短,可以帶來2方面的好處:①使螺桿鉆具上部的測量儀器(MWD/LWD)距離鉆頭更近,更有利于提高測量精度和及時性,使定向井、水平井井眼軌跡控制變得更容易;②可以提高造斜率和小曲率半徑井眼的通過性[2]。

1.3 硬特性和動力衰減速度

同樣由于橡膠預(yù)輪廓,所受流體壓力均勻,變形量一致,因此密封性能更好。在扭矩增加時預(yù)輪廓定子螺桿鉆具轉(zhuǎn)速下降的比較慢,這就得到一個很好的硬特性,對于保持良好的鉆頭速度,提高機(jī)械效率非常重要。另外,預(yù)輪廓也使橡膠的支撐均勻,這樣橡膠在使用過程中磨損均勻,在橡膠磨損后仍保持相對好的密封性能,而不像常規(guī)螺桿鉆具橡膠頭部磨損快,局部漏失量大。因此預(yù)輪廓螺桿鉆具的動力衰減要比常規(guī)螺桿鉆具慢得多,這也是預(yù)輪廓定子螺桿鉆具比普通螺桿鉆具壽命長的一個原因。

1.4 耐溫性能

預(yù)輪廓螺桿鉆具有利于減少遲滯熱的聚集,防止局部升溫。螺桿鉆具橡膠屬于粘彈性材料,在吸收高溫泥漿熱量的同時,將壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的變形過程中還不斷地產(chǎn)生熱量,熱量集中在瓣型根部形成遲滯熱,遲滯熱如果不能及時散去會造成局部升溫,進(jìn)而造成局部橡膠老化,預(yù)輪廓橡膠螺桿鉆具由于其壁厚相等,散熱均勻,所以不容易形成遲滯熱[3]。

圖3為預(yù)輪廓定子和常規(guī)定子溫升試驗對比圖,圖中第1點為連續(xù)加載試驗1 h后,測量記錄定子管外表所的溫度,然后在下一個扭矩載荷下繼續(xù)連續(xù)運行1 h,測量記錄定子管外表的溫度。依次做4次試驗。

圖3 定子溫升對比

結(jié)果表明:預(yù)輪廓定子相對薄的橡膠層產(chǎn)生熱更少,熱量散失更快,減少了遲滯熱生成和定子掉塊幾率,使螺桿鉆具能夠工作在更高溫度下。通常,預(yù)輪廓定子螺桿鉆具橡膠耐溫比普通螺桿鉆具提高10℃。在同等耐溫級別的橡膠情況下預(yù)輪廓螺桿鉆具可以在更高溫度下正常使用。

預(yù)輪廓定子螺桿鉆具耐溫性能好的另一方面是橡膠壁厚相等,受熱膨脹量相同,有利于保持好的嚙合線型,有利于密封。同樣,預(yù)輪廓定子螺桿鉆具在油基泥漿環(huán)境下其橡膠溶脹量均勻,也不易破壞定子和轉(zhuǎn)子嚙合線型,保持良好的密封性能。

2 影響預(yù)輪廓定子螺桿鉆具性能的因素

預(yù)輪廓定子螺桿鉆具有許多優(yōu)點,但是它的制造工藝更加復(fù)雜,在設(shè)計和加工制造方面需要更多的考慮,否則不但不會發(fā)揮其全部功能,還會適得其反,造成更快的失效[4]。要充分發(fā)揮其優(yōu)點需要注意3個方面:

1) 應(yīng)該注意橡膠種類、厚度和粘接強(qiáng)度。常規(guī)定子所用的丁腈橡膠完全可以用在預(yù)輪廓定子螺桿鉆具上,但是考慮到預(yù)輪廓螺桿鉆具作為高端產(chǎn)品,為了發(fā)揮其更高的性能,采用氫化丁腈橡膠(HNBR)將更有利于發(fā)揮其性能。

2) 注膠工藝是預(yù)輪廓定子制造技術(shù)的關(guān)鍵,與常規(guī)螺桿鉆具定子橡膠工藝不同,預(yù)輪廓定子在注膠、粘接、硫化過程中有更多要考慮的因素。

3) 其他部件很好的匹配也是發(fā)揮預(yù)輪廓螺桿鉆具的性能要考慮的因素?，F(xiàn)場使用發(fā)現(xiàn),預(yù)輪廓定子的使用壽命>500 h,而傳動軸、萬向軸壽命通常<200 h。因此,為了更大限度地發(fā)揮預(yù)輪廓定子長壽命的特點,提高傳動軸、萬向軸的強(qiáng)度和壽命也是非常有必要的。

3 結(jié)論

1) 預(yù)輪廓螺桿鉆具的創(chuàng)新技術(shù)是其在定子剛體上制造出嚙合線性輪廓,使橡膠等壁厚。定子每級壓降大,相同長度的預(yù)輪廓定子輸出扭矩提高約1倍。

2) 預(yù)輪廓螺桿鉆具動力硬特性強(qiáng)、動力持久,壽命長,可以提高鉆井速度,減少起下鉆次數(shù),使鉆井效率最大化。

3) 預(yù)輪廓定子螺桿鉆具橡膠受井眼中溫度和油基泥漿介質(zhì)的損害更小。耐溫級別可以提高約10℃。

4) 預(yù)輪廓定子螺桿鉆具在設(shè)計、加工和應(yīng)用方面還不成熟,要想充分發(fā)揮預(yù)輪廓螺桿鉆具的優(yōu)點,還需要充分考慮橡膠選擇、厚度及粘接性能等影響因素,改進(jìn)注膠工藝,并提高其他匹配零部件的壽命。

[1] 邱亞玲,楊德勝,韓傳軍,等.等壁厚螺桿鉆具定子螺旋槽拉刀設(shè)計[J].石油礦場機(jī)械,2008,37(5):56-58.

[2] 王樹龍,樊獎平,葛黨科,等.螺桿鉆具在側(cè)鉆井鉆進(jìn)過程中相關(guān)問題的探討[J].石油礦場機(jī)械,2007,36(6): 66-68.

[3] 李明謙,趙洪超.螺桿鉆具定子失效機(jī)理及措施分析[J].石油機(jī)械,2008,36(10):8-11.

[4] 韓傳軍,邱亞玲,劉清友,等.螺桿鉆具預(yù)輪廓襯套的設(shè)計和仿真分析[J].鉆采工藝,2007,30(6):88-90.

Study of Pre-contour Stator Downhole Motor

WANG Chun-yang,XIA Xiu-wen,LI Liang-jun,LU Tian-ming,LI Yan-xia,LI Peng
(Zhongcheng Machinery Manuf acutring Co.,Bohai Equipment Co.,Ltd.,CN PC,Tianjin300280,China)

In order to research the pre contour stator downhole motor performance,carries on the bench test,motor pressure drop test and stator temperature-rise test.Studies show that pre contour stator than conventional stator has many advantages,such as strong pressure at single-stage produced,more torque obtained in the same length.The pre contour stator downhole motor instead of conventional downhole motor can greatly enhance the performance of the downhole motor,a directional well,especially in the short radius of the well and provide a strong power tools. In order to give full play to the performance of the Pre contour stator needs more study in the rubber design plastic injection process and matching of parts and components accordingly.

downhole motor;rotor;pre contour stator;torque;pressure drop

1001-3482(2011)05-0090-03

TE921.2

B

2010-12-29

王春陽(1972-),河南南陽人,高級工程師,1997年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)機(jī)械設(shè)計及制造專業(yè),現(xiàn)從事螺桿鉆具技術(shù)研究,E-mail:wangchunyang@cnpc.com.cn。