朱益輝，劉禹銘（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300000）

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新型軸承油密封大扭矩馬達(dá)在海上油田的應(yīng)用

朱益輝，劉禹銘
（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300000）

摘 要：海上油田鉆井作業(yè)過(guò)程中為提高機(jī)械鉆速，一般采用帶馬達(dá)鉆具組合，常規(guī)泥漿馬達(dá)工作時(shí)會(huì)有5%-10%泥漿通過(guò)軸承，冷卻潤(rùn)滑軸承，加快了軸承磨損，縮短了軸承壽命。文章介紹了一種軸承油密封、定子橡膠采用等壁厚設(shè)計(jì)的新型馬達(dá)，該型馬達(dá)軸承密封在液壓油腔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)軸承的冷卻潤(rùn)滑，增長(zhǎng)了軸承壽命，泥漿100%通過(guò)鉆頭，有助于提高鉆頭水馬力，等壁厚設(shè)計(jì)，輸出更大扭矩，有效提高機(jī)械鉆速。

關(guān)鍵詞：馬達(dá)；油密封；等壁厚

馬達(dá)作為一種常規(guī)井下動(dòng)力鉆具，廣泛應(yīng)用于直井與定向井作業(yè)中，馬達(dá)與PDC鉆頭配合，對(duì)于提高機(jī)械鉆速效果明顯［1］。

馬達(dá)工作過(guò)程中，在高壓泥漿推動(dòng)下，轉(zhuǎn)子相對(duì)定子旋轉(zhuǎn)，定子靜止，高壓泥漿作用在轉(zhuǎn)子上的壓力通過(guò)軸承傳遞到定子，軸承在馬達(dá)工作過(guò)程中起到動(dòng)靜接觸、壓力傳遞的作用，軸承損壞將導(dǎo)致憋泵、馬達(dá)失速、鉆具落井等復(fù)雜井下事故，嚴(yán)重影響現(xiàn)場(chǎng)正常作業(yè)，軸承的可靠性直接影響馬達(dá)的使用壽命。

常規(guī)泥漿馬達(dá)在工作時(shí)，為冷卻潤(rùn)滑軸承，允許5%-10%泥漿通過(guò)軸承，泥漿中的固相物質(zhì)加劇了軸承的磨損，影響了馬達(dá)的使用壽命，同時(shí)，每次保養(yǎng)馬達(dá)都需要更換軸承，增加了工具維保成本；本文介紹了一種軸承油密封馬達(dá)，該型馬達(dá)軸承依靠液壓油實(shí)現(xiàn)冷卻潤(rùn)滑，軸承與泥漿不直接接觸，提高了軸承的使用壽命，減少了摩阻，提高了鉆頭水馬力，提升了機(jī)械鉆速，在渤海油田及東海油田使用后，提速效果明顯。

1 結(jié)構(gòu)介紹

圖1 馬達(dá)軸承油密封結(jié)構(gòu)

馬達(dá)軸承油密封結(jié)構(gòu)主要由心軸、下部套筒、密封環(huán)、雙公接頭、軸承、軸承擋環(huán)、軸承套筒、活塞、活塞套筒組成。作業(yè)過(guò)程中由雙套筒與下部密封環(huán)、上部活塞組成密封油腔，冷卻潤(rùn)滑軸承，活塞可上下活動(dòng)平衡油壓。1.1 底部密封結(jié)構(gòu)

底部密封結(jié)構(gòu)主要由下部套筒、密封環(huán)與心軸組成，其中主要部件為密封環(huán)，如圖2所示，心軸與密封環(huán)通過(guò)波浪形橡膠密封圈密封，密封環(huán)內(nèi)側(cè)鑲嵌硬質(zhì)銅，防止密封槽磨損；密封環(huán)外側(cè)與下部套筒配合，外表面加工防轉(zhuǎn)鍵槽；下部套筒與心軸之間設(shè)計(jì)V型密封，防止井筒泥漿侵入密封腔。

圖2 密封環(huán)

1.2 頂部密封結(jié)構(gòu)

頂部密封結(jié)構(gòu)主要由心軸、活塞與活塞套筒組成，其中主要部件為活塞，如圖3所示，心軸與活塞之間通過(guò)波浪形橡膠密封圈密封，內(nèi)側(cè)鑲嵌硬質(zhì)銅，保護(hù)密封槽防止磨損；活塞外側(cè)與活塞套筒配合，依靠波浪形橡膠密封圈密封，活塞套筒內(nèi)表面鍍鉻；正常工作時(shí)活塞沿心軸在活塞套筒內(nèi)上下活動(dòng)，平衡密封腔內(nèi)部油壓。

圖3 活塞

1.3 軸承總成結(jié)構(gòu)

軸承組合主要由上下承托環(huán)與圓柱滾子軸承組成，承受轉(zhuǎn)子施加的壓力，軸承組合安裝于心軸上，通過(guò)軸承擋環(huán)與心軸固定，軸承組合下端與雙公短節(jié)上部端面配合，將轉(zhuǎn)子壓力傳遞至定子本體；軸承組合安裝于軸承套筒內(nèi)。

圖4 軸承總成結(jié)構(gòu)

2 與常規(guī)馬達(dá)參數(shù)對(duì)比

下面對(duì)目前海上常用馬達(dá)作業(yè)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，分析軸承油密封馬達(dá)作業(yè)優(yōu)勢(shì)：

表1 馬達(dá)作業(yè)參數(shù)對(duì)比

從上表可以看出軸承油密封馬達(dá)軸承間隙較小，說(shuō)明軸承磨損較小；等壁厚設(shè)計(jì)，馬達(dá)工作壓差大，馬達(dá)輸出扭矩大，有效提高馬達(dá)輸出功率，保證機(jī)械鉆速［2］。

表2 馬達(dá)本體尺寸參數(shù)對(duì)比

上表對(duì)馬達(dá)本體尺寸進(jìn)行對(duì)比分析，軸承油密封馬達(dá)因增加了軸承密封結(jié)構(gòu)，加長(zhǎng)了馬達(dá)彎角中心至驅(qū)動(dòng)頭端面長(zhǎng)度，影響了馬達(dá)造斜率。

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中注意的問(wèn)題

1）嚴(yán)格控制泥漿含砂量及固相含量，避免因定子橡膠磨損嚴(yán)重而影響馬達(dá)使用壽命。

2）馬達(dá)彎角中心與鉆頭之間距離較遠(yuǎn)，且存在多個(gè)扣連接短節(jié)，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，作業(yè)過(guò)程中需嚴(yán)格控制頂驅(qū)轉(zhuǎn)速，嚴(yán)禁在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)頭前端加裝其他短節(jié)。

3）馬達(dá)輸出扭矩大，作業(yè)過(guò)程中時(shí)刻關(guān)注馬達(dá)壓差，防止馬達(dá)憋停而出現(xiàn)井下倒扣事故。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

該馬達(dá)自引進(jìn)以來(lái)在渤海油田、東海油田多個(gè)區(qū)塊使用，使用后提速效果明顯，下面選取渤海油田遼東灣錦州25-1油田兩口定向井與東海油田某區(qū)塊兩口直井為例，對(duì)比分析該型馬達(dá)在定向井與直井中的使用效果。

4.1 渤海油田馬達(dá)使用效果分析

渤海油田遼東灣區(qū)塊油井由于受地層巖性影響，上部井段滑動(dòng)鉆進(jìn)托壓嚴(yán)重，采用NOV生產(chǎn)的大扭矩馬達(dá)后，托壓現(xiàn)象改善明顯，有效提升機(jī)械鉆速。

鉆具組合：Φ311.2mm牙輪鉆頭+Φ203.2mm馬達(dá)+浮閥接頭+Φ203.2mm鉆鋌2根+Φ311.2mm扶正器+Φ203.2mm鉆鋌13根+Φ203.2mm機(jī)械震擊器+配合接頭+Φ139.7mm加重鉆桿14柱+Φ139.7mm鉆桿。

本井為定向井，為使對(duì)比數(shù)據(jù)更真實(shí)，選取垂深相同的一段地層，對(duì)比分析作業(yè)參數(shù)。

表3 渤海油田遼東灣區(qū)塊大扭矩馬達(dá)使用效果對(duì)比

上表可以看出，使用馬達(dá)后鉆壓降低，平均機(jī)械鉆速提升明顯，說(shuō)明該型馬達(dá)在定向井滑動(dòng)鉆井過(guò)程中能夠有效減少托壓，提高施工效率，同時(shí)保證井下安全，避免粘卡。

4.2 東海油田馬達(dá)使用效果分析

東海油田儲(chǔ)層埋深一般在4 000m以上，選取某區(qū)塊兩口直井相同層段，對(duì)比分析馬達(dá)使用前后效果，其中，兩井相距較近，地質(zhì)條件相似，泥漿體系相同。

表4 馬達(dá)使用前后作業(yè)參數(shù)對(duì)比

通過(guò)上述圖表可以看出，作業(yè)過(guò)程中為保護(hù)馬達(dá)，減小了泥漿泵排量，降低了頂驅(qū)轉(zhuǎn)速與鉆壓，減小了井下管柱震動(dòng)，但排量降低影響了泥漿攜砂，同時(shí)，鉆時(shí)快井筒內(nèi)巖屑堆積較多，增加了鉆柱扭矩，但總體平均機(jī)械鉆速提升明顯，有效減少純鉆時(shí)間，提高了作業(yè)效率，降低了作業(yè)成本。

5 結(jié)論及建議

1）油密封式軸承，不需要泥漿冷卻潤(rùn)滑，增加軸承使用壽命，提高馬達(dá)井下作業(yè)時(shí)間，全部泥漿從鉆頭水眼處流出，增加鉆頭水馬力。

2）等壁厚設(shè)計(jì)，具備輸出扭矩大、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，安全性能高，有效地降低井下復(fù)雜情況，降低了鉆井作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。

3）高性能專(zhuān)利橡膠，耐磨性更好，可承受更高壓差。

4）馬達(dá)彎角中心至鉆頭距離過(guò)長(zhǎng)，影響了工具造斜率，扣連接短節(jié)過(guò)多，降低了工具整體強(qiáng)度，后續(xù)設(shè)計(jì)可以改進(jìn)該段長(zhǎng)度，減少扣連接，設(shè)計(jì)減應(yīng)力槽，提高工具強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

［1］ 張東海，劉俊山.復(fù)合鉆井技術(shù)提高深井鉆井速度［J］.斷塊油氣田，2003，（6）：79-82+94.

［2］ 苗同勇，劉永旺，趙偉，等.等壁厚螺桿鉆具及應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，（10）：72-76.

Application of New High-torque Motor With Oil Sealed Bearing in Offshore Oilfield

Zhu Yi-hui，Liu Yu-ming

Abstract：Generally，we use the BHA with motor to improve the ROP in the process of offshore oil drilling.Conventionally，the mud motor has 5%-10% mud getting through the bearing during the working process to cool and lubricate it.But at the same time，it can also speed up the abrasion and shorten the life of the bearing.This passage introduces a new motor with oil sealed bearing and uniform thickness of rubber bushing.The bearing is sealed in sealing cavity to cool and lubricate it.It can extend the service life of our tool.The mud will also get through our bit without any missing.This design can enhance the bit hydraulic horsepower.The design of uniform thickness can output high torque.All of this design can promote the ROP effectively.

Key words：motor；oil sealed bearing；uniform thickness

中圖分類(lèi)號(hào)：TH137

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1003–6490（2016）02–0036–02

收稿日期：2016–01–24

作者簡(jiǎn)介：朱益輝（1965.3—），男，湖南益陽(yáng)人，工程師，主要從事鉆井技術(shù)工作。