王克雄，王鎮(zhèn)全，鞏立根

(中國石油大學石油工程學院·北京)

隨著油氣田的勘探和開發(fā)向陸地深部和深海(深水)的發(fā)展，涌現(xiàn)出了大量的深井、超深井、大位移井和水平井等復雜結(jié)構(gòu)井，復雜結(jié)構(gòu)井的鉆井必須采用井下動力鉆具(螺桿鉆具及渦輪鉆具等)配合高效PDC鉆頭的復合鉆井技術(shù)達到提速和定向的目的［1－4］。目前復合鉆井技術(shù)常用的井下動力鉆具主要為螺桿鉆具，具有低中速大扭矩的硬特性、過載能力強、操作方便、結(jié)構(gòu)簡單及維修方便等優(yōu)點，得到了廣泛地應用，如何提高螺桿鉆具壽命、避免疲勞失效是目前急待解決的問題;螺桿鉆具失效除了本身的設(shè)計制造水平外，還與螺桿鉆具使用方式、地層因素、鉆井液性能控制、鉆進參數(shù)優(yōu)化及操作規(guī)范等現(xiàn)場應用技術(shù)有關(guān)。

萬向軸構(gòu)件在螺桿鉆具結(jié)構(gòu)中是僅次于馬達的重要部件，其作用有兩方面:一是把馬達轉(zhuǎn)子的偏心運動轉(zhuǎn)化為傳動軸的同心運動;二是傳遞馬達的轉(zhuǎn)速和扭矩。萬向軸作為鉆具中最易失效的部件(據(jù)統(tǒng)計萬向軸失效在螺桿鉆具常見的失效類型中約占1/3)，往往導致鉆具落井事故和不必要的起下鉆，對鉆井作業(yè)造成了很大影響，所以萬向軸的工作穩(wěn)定性直接決定了螺桿鉆具的工作壽命［5－9］。

筆者在分析了常規(guī)萬向軸結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點和運動特性的基礎(chǔ)上，提出了新型萬向軸的設(shè)計原則，繼而設(shè)計出了新型萬向軸結(jié)構(gòu)，并對該萬向軸易損件進行了強度校核驗算，研制的新型萬向軸配合高溫螺桿在塔里木油田深井鉆井中進行了現(xiàn)場試驗，使得螺桿鉆具壽命提高40%以上，滿足了深井鉆井復合鉆井技術(shù)的要求，達到了提高鉆井速度、降低鉆井成本的目的。

一、新型萬向軸結(jié)構(gòu)設(shè)計

1．常規(guī)萬向軸對比分析

目前螺桿鉆具最常用的萬向軸［10－12］有撓性萬向軸、瓣式萬向軸、球型萬向軸三種類型。

撓性萬向軸是利用撓性軸的彈性變形來實現(xiàn)傳動方向改變的，由于萬向軸不僅承擔很大的扭矩，還要承受一定的軸向壓力，所以要求軸的直徑很大，撓性軸的長度不能太短，這就增加了動力鉆具的總長度，不利于定向鉆具的定向施工，對于大位移斜度井和水平井就不適合使用。瓣式萬向軸的特點是中間軸體兩端分別連接一個瓣式萬向節(jié)，萬向節(jié)均是由各種形狀的瓣體進行相互嚙合，在正常情況下，瓣體間的扭矩傳遞主要是通過嚙合瓣齒進行的，而中間軸體一般起到輔助傳遞的作用，有的瓣式萬向軸會通過結(jié)構(gòu)上的設(shè)計，使瓣齒和中間軸一起傳遞扭矩。但其缺點是在運動過程中，瓣齒之間屬于滑動摩擦，磨損較快;結(jié)構(gòu)限制其外徑的大小，不能適應當今可調(diào)彎殼體螺桿鉆具的使用。為了克服以上兩類萬向軸的缺點，出現(xiàn)了球型萬向軸，其結(jié)構(gòu)特點是接觸面為點接觸或線接觸，不論鋼球的運動方式是摩擦式還是滾動式，連桿以傳動鋼球為軸心擺動一定角度的同時平穩(wěn)地傳遞轉(zhuǎn)速和扭矩，實現(xiàn)了可調(diào)彎殼體螺桿鉆具的應用，拓寬了螺桿鉆具的應用范圍。球型萬向軸的缺點是需要對某些部件進行特殊強化處理，例如連桿、活鉸等，增加其表面耐磨性;另外密封設(shè)計要求非常嚴格，導致設(shè)計加工難度增大。

2．新型萬向軸設(shè)計

在對三種常規(guī)萬向軸的對比分析的基礎(chǔ)上提出了新型萬向軸的設(shè)計原則:①結(jié)構(gòu)不能過于復雜，傳遞扭矩要大，傳遞效率要高;②萬向軸內(nèi)部構(gòu)件摩擦要小，能承擔較大抗力，傳遞扭矩時能減少損失;③以鋼球的運動方式傳遞扭矩，增加受力面積，減小了接觸應力;④萬向軸萬向節(jié)方向可調(diào)節(jié)性好;⑤潤滑具有自動補償功能。

根據(jù)設(shè)計原則設(shè)計出了新型萬向軸結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，新型萬向軸球形關(guān)節(jié)(萬向節(jié))的牙嵌采用上下相對垂直的兩組牙嵌(如圖2所示)，接頭與球形關(guān)節(jié)形成一組單方向旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)，軸與球形關(guān)節(jié)形成另一組單方向旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)，這兩組單方向關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)方向相互垂直，組合后可形成可任意方向彎轉(zhuǎn)的萬向關(guān)節(jié)。這樣，每個關(guān)節(jié)牙嵌的接觸面可設(shè)計成平面，接觸面為面接觸，可大大增大牙嵌的承載能力，降低磨損速度，提高萬向軸的使用壽命。萬向軸的密封采用球面橡膠圈密封，并增設(shè)了潤滑油壓力補償系統(tǒng)，保證密封腔內(nèi)壓力高于外部壓力，以提高密封性能。

圖1新型萬向軸結(jié)構(gòu)示意圖

新型萬向軸的工作原理為在同一球體的兩個半球上分別加工出兩個相互垂直的球形牙嵌，這兩個牙嵌可分別實現(xiàn)兩個相互垂直的單方向彎轉(zhuǎn)，與內(nèi)牙嵌結(jié)構(gòu)組合配裝之后可以實現(xiàn)任意方向的彎轉(zhuǎn)，能在實現(xiàn)傳遞扭矩的同時適應可調(diào)彎殼體螺桿鉆具的使用。

圖2新型萬向軸萬向關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

二、新型萬向軸萬向節(jié)有限分析

1．新型萬向軸萬向節(jié)有限分析分析模型的建立

萬向軸受力最大即最容易損壞的部位是球體牙嵌工作表面［13－15］，因此主要是對球體牙嵌的強度進行驗算，是否滿足深井超深井(井深4 000 m以下)的鉆井要求，一般認為球體牙嵌的壓強沿徑向呈三角形分布規(guī)律，工作面最大壓力計算公式為:

式中:P—工作面壓強，MPa;L—工作面對球體中心軸的距離，mm;SA—工作面面積，mm2;Tc—萬向軸扭矩，N·m;dA—球面半徑，mm。

由此得出萬向軸球體牙嵌的強度計算公式為:

式中:［p］—中間軸端面與球體牙嵌接觸面的許用壓力，MPa。

2．新型萬向軸萬向節(jié)有限元分析

以直徑為197 mm新型萬向軸(配合?197 mm高溫高壓螺桿應用)易損部件萬向節(jié)結(jié)構(gòu)進行了有限元分析［16］。

2．1球齒結(jié)構(gòu)簡化

球體零件是新型萬向軸結(jié)構(gòu)的主要受力部件之一，它的幾何結(jié)構(gòu)和受力情況比較復雜，主要受力部位為球體外側(cè)的四個牙嵌，由于四個牙嵌結(jié)構(gòu)相同，相對于球體中間球面對稱，因此可以取球體的一半進行有限元分析。

2．2網(wǎng)格劃分及施加載荷

由于模型為三維實體模型，因此選擇三維單元，采用10節(jié)點的四面體單元(有中間節(jié)點)SOLID92，其曲面邊界能夠更好地逼近結(jié)構(gòu)的曲面邊界，所以當結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則，應力分布或變形較為復雜時，可以采用這種結(jié)構(gòu)單元，如圖3所示。

圖3半球體有限元模型

根據(jù)實際工作情況，對半球體的底面施加全約束(ALL DOF)，位移值為0，限制半球體底面上節(jié)點在6個方向的移動。

3．結(jié)果分析

利用ANSYS軟件的結(jié)果處理器對求解結(jié)果進行分析，可得到單元、節(jié)點的各應力、應變的云圖變化結(jié)果，通過對輸出結(jié)果進行分析，可以得到球體球齒工作過程中的應力、應變情況，并校核球體的工作強度是否滿足要求。由于圖片數(shù)據(jù)較多，下面列出60 MPa、80 MPa載荷下的應力、應變云圖，從這些數(shù)據(jù)中可以得到應力、應變的數(shù)據(jù)變化關(guān)系。

工作面載荷60 MPa時的應力、應變云圖如圖4所示。工作面載荷80 MPa時的應力、應變云圖如圖5所示。

圖4等效應力及Sum位移云圖(工作面載荷60 MPa)

圖5等效應力及Sum位移云圖(工作面載荷80 MPa)

根據(jù)圖4和圖5的應力分布和位移云圖情況可以看出，新型萬向軸的受力比較均勻，減少了應力集中造成的損毀。

根據(jù)ANSYS有限元分析結(jié)構(gòu)可得到關(guān)于不同載荷作用下，萬向軸球體結(jié)構(gòu)應力、應變的變化情況如表1所示。

表1不同載荷作用的最大應力、應變值

利用ANSYS數(shù)據(jù)表輸出功能得到球齒的主應力最大值為SEQUmax，依據(jù)形狀改變比能理論及分析可知，保證不發(fā)生失效的強度校核條件為:

式中:N—許用安全系數(shù)(1．5～2．5)。

根據(jù)所得數(shù)據(jù)可求得安全系數(shù)選取范圍如表2所示。

利用SPSS統(tǒng)計分析軟件，可以求出萬向軸球體結(jié)構(gòu)施加載荷值與安全系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，對各種函數(shù)進行曲線擬合之后得出模型函數(shù)，可知載荷值與安全系數(shù)函數(shù)公式如下:

表2不同載荷作用的安全系數(shù)

安全系數(shù)為1．5～2．5時，載荷值的取值范圍為57．6～81．7 MPa。

根據(jù)載荷值與扭矩值之間的函數(shù)關(guān)系得出萬向軸球體結(jié)構(gòu)在安全系數(shù)取值范圍內(nèi)承受的扭矩值為1 423～2 018 N·m，扭矩值較大，可以有效承受較大扭矩，增強了大扭矩工作條件下的傳動軸壽命。

三、現(xiàn)場應用

研制了新型萬向軸配合?197 mm高溫高壓螺桿在塔里木哈拉哈塘油田進行了6口井的現(xiàn)場試驗(1～4號井為新型萬向軸的使用情況，5～6號井為常規(guī)萬向軸的使用情況)，試驗及分析結(jié)果如表3所示。

表3現(xiàn)場試驗結(jié)果分析表

從表3可以得知，1～4號井采用新型萬向軸的高溫高壓螺桿平均鉆進時間達到400 h以后起鉆，起鉆后檢查萬向軸完好無損，主要失效原因是由于馬達失效引起。5～6號井采用常規(guī)萬向軸高溫高壓螺桿鉆進291 h后由于機械鉆速急劇下降而起鉆，起鉆后檢查螺桿鉆具萬向軸失效，說明新型萬向軸平均壽命比常規(guī)萬向軸壽命提高40%以上，高效PDC鉆頭的使用壽命一般也在450 h左右。應用結(jié)果表明，利用新型萬向軸的高溫高壓大扭矩螺桿配合高效鉆頭的復合鉆井技術(shù)可以滿足深井超深井鉆井提速的施工要求。

四、結(jié)論

(1)在分析比較常規(guī)新型萬向軸的優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上提出了新型萬向軸的設(shè)計原則，設(shè)計出新型萬向軸結(jié)構(gòu)，萬向軸萬向節(jié)牙嵌接觸面采用面接觸，承載能力強，耐磨損，增設(shè)了潤滑油壓力補償系統(tǒng)，保證密封腔內(nèi)壓力高于外部壓力，提高密封性能。

(2)有限元分析得出應力及云位移新型萬向軸的受力比較均勻，減少了應力集中造成的損毀。

(3)在建立萬向軸萬向節(jié)強度驗算模型的基礎(chǔ)上采用形狀改變比能理論對球型牙嵌結(jié)構(gòu)進行了強度校核，球形牙嵌結(jié)構(gòu)的載荷值的最優(yōu)取值范圍為57．6～81．7MPa，萬向軸球體結(jié)構(gòu)在安全系數(shù)取值范圍內(nèi)承受的扭矩值為1 423～2 018 N·m，扭矩值較大，可以有效承受較大扭矩，增強了大扭矩工作條件下的傳動軸壽命。

(4)通過在塔里木油田深井中的試驗得出新型萬向軸使用壽命比常規(guī)萬向軸提高40%以上，平均壽命達到400 h以上，滿足了深井復合鉆井技術(shù)提速的要求。現(xiàn)場應用結(jié)果表明，該新型萬向軸可以在渦輪鉆具、葉片式動力鉆具、螺桿鉆具等井下動力鉆具中推廣使用，達到提高井下動力鉆具的整體使用壽命、降低鉆井成本的目的。