王可，王斌，孫興偉

(沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽110870)

隨著油氣田開發(fā)的不斷進(jìn)步，以及深孔瓦斯礦井規(guī)模的不斷擴(kuò)大，一批高效能、低成本的鉆井新裝備得到了迅猛發(fā)展。這使得螺桿鉆具在油、氣、煤炭鉆采行業(yè)有了非常廣泛的應(yīng)用前景，螺桿鉆具作為油氣鉆采行業(yè)使用最為廣泛的一種井下動力工具，是當(dāng)前國內(nèi)、外深孔鉆進(jìn)技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的鉆進(jìn)器具之一，因此其性能直接決定著現(xiàn)場鉆井作業(yè)的生產(chǎn)效率。但是目前螺桿鉆具的使用帶有較大的盲目性，主要是對螺桿鉆具的動力部件——螺桿馬達(dá)的使用條件不夠了解，對其輸出特性與地層的相關(guān)研究不夠充分。因此，對螺桿馬達(dá)輸出性能的研究具有重要的理論與實(shí)際意義［1－6］。

1 螺桿鉆具的構(gòu)成和工作原理

螺桿鉆具是一種以泥漿為動力的井下工具，自上而下由旁通閥總成、防掉總成、馬達(dá)總成、萬向軸總成和傳動軸總成5 大部分組成。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示［7］。

圖1 螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)簡圖

螺桿鉆具最基本的工作原理就是把泥漿泵輸出的泥漿，經(jīng)旁通閥進(jìn)入馬達(dá)。在馬達(dá)進(jìn)出口形成一定壓差推動馬達(dá)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并將扭矩和轉(zhuǎn)速通過萬向軸和傳動軸傳遞給鉆頭，從而破巖鉆進(jìn)。

螺桿鉆具的性能特點(diǎn)是由其動力部件——螺桿馬達(dá)決定的。馬達(dá)的轉(zhuǎn)子與定子相互嚙合(見圖2)，用兩者的導(dǎo)程差形成螺旋密封線，同時(shí)形成密封腔。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，密封腔沿著軸向移動，不斷地生成與消失，完成其能量轉(zhuǎn)換。這種容積式馬達(dá)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但卻有以下兩個(gè)突出特點(diǎn):

(1)理論轉(zhuǎn)矩與馬達(dá)進(jìn)出口間的壓差成正比;

(2)理論轉(zhuǎn)速與通過的流量有關(guān)而與鉆壓無關(guān)(見圖3)［8］。

圖2 馬達(dá)的結(jié)構(gòu)

圖3 馬達(dá)理論特性圖

2 螺桿馬達(dá)測試原理

螺桿馬達(dá)檢測試驗(yàn)裝置研制的目的是:測試新購置和修復(fù)后的螺桿鉆具馬達(dá)的性能，避免鉆具的報(bào)廢和盲目使用，為馬達(dá)能否使用提供科學(xué)依據(jù)。

結(jié)合螺桿馬達(dá)的工作原理，該檢測試驗(yàn)是將馬達(dá)總成作為泵來進(jìn)行檢測，即由驅(qū)動裝置連接輸入軸，將其能量轉(zhuǎn)化成軸的機(jī)械能。驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，帶動水利部分的轉(zhuǎn)子作偏心運(yùn)動，使轉(zhuǎn)子與定子之間形成腔室。轉(zhuǎn)子的偏心運(yùn)動驅(qū)動密封腔室內(nèi)流體“移動”，使流體沿軸線方向從入口“移動”到出口。在此過程中，能夠測試螺桿馬達(dá)的扭矩、轉(zhuǎn)速、流量及出口的壓力，進(jìn)而推算出螺桿馬達(dá)的效率、性能等參數(shù)，為定量評價(jià)螺桿馬達(dá)的維修質(zhì)量及使用性能提供準(zhǔn)確、全面的科學(xué)依據(jù)。這種檢測方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，可以在很大程度上降低產(chǎn)品的檢測成本，是生產(chǎn)廠商衡量螺桿馬達(dá)性能優(yōu)劣的重要手段。

檢測系統(tǒng)需要測定的參數(shù)有:驅(qū)動馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的扭矩M;轉(zhuǎn)速n;流經(jīng)螺桿馬達(dá)的流量Q;出口壓力p。

被檢測螺桿馬達(dá)效率的計(jì)算:

(1)容積效率

由于在液體壓力的作用下，鉆具馬達(dá)定子的橡膠襯套會發(fā)生徑向變形引起一部分液體Q'從轉(zhuǎn)子與襯套之間泄漏，所以容積效率的定義為

其中:Qa為動力液有效流量(即Qa=Q－Q')。驅(qū)動螺桿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的有效流量可表示為［9］

式中:q 為轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)1 周所通過的理論流量即每轉(zhuǎn)流量。在馬達(dá)空轉(zhuǎn)時(shí)，認(rèn)為此時(shí)內(nèi)部泄漏很小或不發(fā)生內(nèi)部泄漏，因此q 可表示為

式中:Q0為空載流量，n0為空載轉(zhuǎn)速。將式(2)、(3)代入式(1)計(jì)算得

(2)螺桿馬達(dá)的總效率

式中:Δp 為馬達(dá)壓降;Md為電機(jī)輸出扭矩;i 為減速比;n 為馬達(dá)轉(zhuǎn)速。

(3)螺桿馬達(dá)的機(jī)械效率

3 螺桿馬達(dá)測試方案及測試過程

螺桿馬達(dá)檢測試驗(yàn)方案如圖4 所示。

圖4 螺桿鉆具馬達(dá)檢測試驗(yàn)方案圖

首先，測試系統(tǒng)對螺桿鉆具各工況下各個(gè)參數(shù)進(jìn)行收集，收集到的數(shù)據(jù)是反映被測鉆具性能的關(guān)鍵。所以，收集數(shù)據(jù)精度的高低也會決定被測鉆具的質(zhì)量。為此，數(shù)據(jù)收集成為了測試系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一。為確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和有效性，各通道同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。為消除其偶然誤差，每次采集100 個(gè)點(diǎn)，取其平均值作為測量值。

其次，測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對鉆具各工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)、各參數(shù)的采集及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理。該系統(tǒng)根據(jù)各傳感器信號輸出方式，由A/D 端采集壓力、流量和溫度數(shù)據(jù)，通過RS232C 接口傳輸扭矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。

測試系統(tǒng)硬件組成如圖5 所示。

圖5 螺桿馬達(dá)檢測試驗(yàn)方案硬件組成

根據(jù)《中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》，螺桿馬達(dá)試驗(yàn)和抽查檢驗(yàn)須要進(jìn)行的測試過程有:空載試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)和超載試驗(yàn)。不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的區(qū)別在于轉(zhuǎn)速、循環(huán)流量、加載扭矩和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的不同。作者只對公司設(shè)計(jì)的直徑為172 mm螺桿馬達(dá)進(jìn)行了空載試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)及超載試驗(yàn)。被測試馬達(dá)理論設(shè)計(jì)的主要參數(shù)為:

馬達(dá)壓降為4.3 ～5.3 MPa;流量范圍為22.5 ～40 L/s;工作扭矩為7 150 N·m;輸出功率為80 ～120 kW。

(1)空載試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康?檢驗(yàn)螺桿馬達(dá)的裝配質(zhì)量。試驗(yàn)中測出馬達(dá)空載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在額定轉(zhuǎn)速下的輸入流量，以便評價(jià)馬達(dá)定、轉(zhuǎn)子襯套副的工作狀態(tài)。

試驗(yàn)方法:

①將待檢測的馬達(dá)放在夾持機(jī)構(gòu)上，再將馬達(dá)的轉(zhuǎn)子與進(jìn)水機(jī)構(gòu)中的軸相連接，用夾持機(jī)構(gòu)夾緊定子殼體，用推拉液缸推送前行，直至定子兩端得到密封。②打開水路系統(tǒng)中的閥門，水從管路進(jìn)入水路系統(tǒng)。開啟電機(jī)，逐漸加大轉(zhuǎn)速。當(dāng)鉆具啟動時(shí)，記錄此時(shí)的輸入流量Q0。

(2)負(fù)載試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康?測出馬達(dá)的性能參數(shù)，檢驗(yàn)性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，為用戶使用和質(zhì)量評價(jià)提供依據(jù)。

試驗(yàn)方法:在額定轉(zhuǎn)速下，保持試驗(yàn)介質(zhì)的溫度平衡，通過馬達(dá)末端的水閥門按比例逐漸關(guān)閉，在每一負(fù)載點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)后，檢測馬達(dá)的出口壓力p、入口流量Q 和輸入扭矩Md。

(3)超載試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康?對馬達(dá)的工作可靠性進(jìn)行考核。

試驗(yàn)方法:在循環(huán)工況下，關(guān)閉出水閥門。由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動而使水不斷地從入水口被輸送到后接頭端及與其連接的管路中，因而后接頭端與出水閥門之間的管路中壓力不斷升高，直至定子與轉(zhuǎn)子之間形成的密封腔再不能承受過高壓力而使密封失效，這時(shí)檢測得到水路進(jìn)出口的最高壓差便是所要測試的馬達(dá)密封壓差Δp。

對馬達(dá)進(jìn)行上述測試，并記錄測試數(shù)據(jù)。截取拐點(diǎn)處3 個(gè)測試點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)歸納于表1。

表1 馬達(dá)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1 中可以看出超載試驗(yàn)的壓力值是具有某個(gè)極限值的，這說明螺桿鉆具作為容積式水力機(jī)械還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是由于定子襯套上存在彈性襯墊使制動轉(zhuǎn)矩有某個(gè)極限值。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)檢測的數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)自動生成螺桿鉆具的實(shí)際工作特性曲線，如圖6—8 所示。

圖6 效率特性曲線

圖7 輸出功率特性曲線

圖8 流量特性曲線

將圖7、8 和圖3 進(jìn)行對比，可發(fā)現(xiàn)螺桿鉆具實(shí)際工作特性與理論工作特性之間的差異。實(shí)際輸出功率有一定的極限范圍，當(dāng)實(shí)際工作施加的鉆壓達(dá)到臨界值時(shí)，馬達(dá)出現(xiàn)制動，即進(jìn)入馬達(dá)的鉆井液流量Q全部由轉(zhuǎn)子和變形的定子橡膠襯里間的縫隙泄漏，ηv=0，制動工況使鉆具的轉(zhuǎn)子、萬向軸和傳動軸承受最大扭矩，密封線承受最大壓差，對工具危害甚大，因此應(yīng)予避免。

由于容積效率ηv的影響， 導(dǎo)致了實(shí)際輸入流量隨Δp 的增大而降低，流量特性曲線Q—Δp 的前面部分相對平緩，下降速率相對較小，所對應(yīng)的總效率值ηz較大(見圖6)?？傂首畲蟮墓r為螺桿馬達(dá)的工作點(diǎn)，工作點(diǎn)對應(yīng)的工作參數(shù)應(yīng)是螺桿馬達(dá)工作的最優(yōu)參數(shù)，如產(chǎn)品說明書上推薦的額定排量、額定鉆壓、額定扭矩、額定轉(zhuǎn)速和額定功率。按照規(guī)定，用戶在現(xiàn)場應(yīng)用中應(yīng)盡量使螺桿鉆具工作在其工作點(diǎn)附近。綜合上述分析可以發(fā)現(xiàn)被測馬達(dá)效率達(dá)到了《中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》對螺桿馬達(dá)總效率的要求［10］(即35%以上)。但是與理論設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)相比偏小，主要是由于馬達(dá)中定子與轉(zhuǎn)子之間的配合并不是理想狀態(tài)，存在配合誤差。當(dāng)然數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中存在的誤差也是導(dǎo)致數(shù)據(jù)有偏差的原因之一。但從總體試驗(yàn)效果來說，該方案為定量評價(jià)螺桿馬達(dá)的維修質(zhì)量及使用性能提供準(zhǔn)確、全面的科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

采用螺桿鉆具馬達(dá)檢測試驗(yàn)法可以有效地縮短檢測時(shí)間，降低檢測成本，提高檢測效率。整套系統(tǒng)簡潔、可靠，生成的報(bào)表直觀、實(shí)用。此法只是類比試驗(yàn)，上述試驗(yàn)結(jié)果表明，被測馬達(dá)的性能完全滿足《中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》對螺桿馬達(dá)的出廠要求。并可以利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論參數(shù)的誤差來進(jìn)一步完善馬達(dá)的設(shè)計(jì)。由此可見，此法完全滿足檢測要求，所得到結(jié)果是可信的，可用于測試新購置和修復(fù)后的螺桿鉆具馬達(dá)的性能，為馬達(dá)能否使用提供科學(xué)依據(jù)。

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