楊濤，喻開安

（1.國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司新疆煤制天然氣外輸管道有限責(zé)任公司，北京 100029； 2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102200）

1 井下電動(dòng)鉆具總體結(jié)構(gòu)和工作原理

用于長(zhǎng)輸管道定向鉆的獾式鉆井井下電動(dòng)鉆具主要由電流接引頭、儲(chǔ)油補(bǔ)償密封裝置、三相異步電機(jī)、電機(jī)散熱裝置、行星齒輪減速器、支承節(jié)等六大部分組成，井下電動(dòng)鉆具通過獾式鉆探器中存儲(chǔ)的電纜將地面的電流傳輸?shù)饺喈惒诫姍C(jī)，電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，旋轉(zhuǎn)的電機(jī)軸經(jīng)行星齒輪減速器減速后輸出轉(zhuǎn)速和扭矩，驅(qū)動(dòng)最下端的PDC鉆頭旋轉(zhuǎn)破巖。

2 井下電動(dòng)鉆具的異步電機(jī)散熱分析

2.1 井下電動(dòng)鉆具中電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

電機(jī)是井下電動(dòng)鉆具的動(dòng)力部分，它將動(dòng)力傳遞給與電動(dòng)鉆具下部連接的行星齒輪減速器輸入軸，經(jīng)減速后，帶動(dòng)PDC鉆頭旋轉(zhuǎn)破巖。

經(jīng)相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)：采油領(lǐng)域使用的潛油電機(jī)大多為兩極三相鼠籠型交流異步電機(jī)。而對(duì)于本文所研究的用于獾式鉆井的井下電動(dòng)鉆具中的電機(jī)，考慮到獾式鉆井新工藝中無鉆井液循環(huán)的這一特殊工藝，正常鉆進(jìn)時(shí)電機(jī)產(chǎn)生熱量無法通過循環(huán)流體帶走，因而選擇的電機(jī)功率較小，初選功率約8kW左右的兩極三相鼠籠異步電機(jī)，它主要由定子、轉(zhuǎn)子、扶正軸承、止推軸承、散熱系統(tǒng)、儲(chǔ)油補(bǔ)償密封系統(tǒng)、接頭等組成，形狀像一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的柱形圓筒。

2.2 電機(jī)散熱系統(tǒng)

2.2.1 電機(jī)油路循環(huán)散熱裝置的結(jié)構(gòu)組成

針對(duì)獾式鉆井上部井眼被填埋的實(shí)際情況，只能從電機(jī)外殼尺寸、電機(jī)內(nèi)電機(jī)油的循環(huán)流動(dòng)速度、相變儲(chǔ)熱等方面來考慮電機(jī)的散熱問題。

該散熱裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。最上端是止推軸承，該止推軸承裝在電機(jī)頭總成里，電機(jī)頭總成通過螺紋與電機(jī)外殼連接。電機(jī)軸加長(zhǎng)，在加長(zhǎng)電機(jī)軸上安裝一個(gè)離心式葉輪，該葉輪通過鍵聯(lián)接在空心電機(jī)軸上，與電機(jī)軸同步旋轉(zhuǎn)。葉輪的外圍安裝有一個(gè)散熱外殼，該散熱殼體的上接頭通過螺紋連接在電機(jī)外殼上。散熱外殼的上、下端分別以螺紋聯(lián)接上、下接頭。在上接頭內(nèi)從上至下依次安裝上導(dǎo)殼、葉輪、下導(dǎo)殼和壓緊環(huán)，壓緊環(huán)通過螺紋與上接頭聯(lián)接，并將上接頭內(nèi)的各部件壓緊。在上、下接頭內(nèi)安裝有扶正軸承，用于支撐加長(zhǎng)空心電機(jī)軸。在加長(zhǎng)電機(jī)軸的最上端和最下端開有徑向油孔。油路循環(huán)的通道是由定、轉(zhuǎn)子間的氣隙，加長(zhǎng)空心電機(jī)軸壁厚的軸向小孔、徑向油孔等連通組成。其循環(huán)介質(zhì)是特殊的電機(jī)潤(rùn)滑油，這種潤(rùn)滑油有一定的粘度，絕緣強(qiáng)度也很高。

圖1 電機(jī)油內(nèi)循環(huán)流動(dòng)散熱示意圖

2.2.2 散熱裝置的油路循環(huán)過程

在電動(dòng)鉆具正常鉆進(jìn)時(shí)，葉輪隨同空心電機(jī)軸一起旋轉(zhuǎn)，葉輪對(duì)潤(rùn)滑油做功，使其動(dòng)能和壓能增加，在離心力的作用下，轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪對(duì)潤(rùn)滑油產(chǎn)生抽吸作用，并對(duì)散熱殼體內(nèi)的潤(rùn)滑油產(chǎn)生一定的壓力。密封在電機(jī)內(nèi)的高溫潤(rùn)滑油在抽吸作用下吸入散熱殼體內(nèi)，高溫潤(rùn)滑油在散熱殼體內(nèi)散熱后，葉輪將散熱殼體內(nèi)的低溫潤(rùn)滑油經(jīng)電機(jī)軸的徑向油孔壓入空心電機(jī)軸壁厚上的縱向孔內(nèi)，經(jīng)電機(jī)軸上端的甩油孔甩入電機(jī)氣隙內(nèi)。就形成了這樣一個(gè)閉合的油路循環(huán)：氣隙→散熱殼體→空心電機(jī)軸壁厚上的縱向孔→氣隙。如此不間斷地往復(fù)循環(huán)，不僅對(duì)電機(jī)內(nèi)部的各種運(yùn)動(dòng)構(gòu)件進(jìn)行了潤(rùn)滑，而且把電機(jī)產(chǎn)生的熱量通過散熱殼體散到外界，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)潤(rùn)滑和散熱的雙重目的。

這種散熱裝置在電機(jī)外殼下端連接了一個(gè)散熱殼體，在滿足殼體強(qiáng)度的前提下，可適當(dāng)增加散熱外殼的軸向尺寸。另外，隨電機(jī)軸同步旋轉(zhuǎn)的葉輪可加快潤(rùn)滑油的流速。這種加大散熱面積和加快潤(rùn)滑油流速的方法可加速電機(jī)散熱，對(duì)延長(zhǎng)電機(jī)壽命很有利。

2.3 電機(jī)部分穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的計(jì)算與分析

2.3.1 外表面對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)循環(huán)出口電機(jī)油溫度場(chǎng)的影響

電機(jī)氣隙中的高溫電機(jī)油經(jīng)過散熱腔和空心軸的流道，主要是通過散熱殼體和空心軸與井筒的流體進(jìn)行對(duì)流換熱來散熱。鑒于對(duì)流散熱系數(shù)計(jì)算的復(fù)雜性，本節(jié)簡(jiǎn)單對(duì)散熱外殼外表面對(duì)流換熱系數(shù)1α、空心軸內(nèi)表面對(duì)流換熱系數(shù)2α分別取幾組不同的值，在其它條件相同的情況下，對(duì)比分析外表面對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)電機(jī)散熱效果的影響。

在電機(jī)下端散熱腔模型的邊界條件中分別施加上述幾組不同外表面的對(duì)流換熱系數(shù)（表1），在入口電機(jī)油流速為0.01m/s，散熱腔入口電機(jī)油溫度為108°C，湍流度為5%，散熱殼體長(zhǎng)度為0.1m的條件下，得到出口電機(jī)油（即電機(jī)氣隙入口）的溫度分布情況。

從分析結(jié)果可以看出，隨著散熱殼體外對(duì)流換熱系數(shù)的增大，腔體進(jìn)出口電機(jī)油的溫降亦隨之增大，說明提高殼體外的對(duì)流換熱系數(shù)是降低電機(jī)溫升的有效措施。

表1 對(duì)流換熱系數(shù)參數(shù)表

2.3.2 散熱腔體長(zhǎng)度對(duì)出口電機(jī)油溫度場(chǎng)的影響

由傳熱學(xué)的原理可知，增加換熱表面積可增加向井筒流體的散熱量。因此，本文對(duì)電動(dòng)鉆具散熱腔體的長(zhǎng)度分別取幾組不同的值來進(jìn)行散熱仿真，以上文中假設(shè)工況計(jì)算的邊界表面對(duì)流換熱系數(shù)作為實(shí)際計(jì)算參數(shù)，在其它條件相同的情況下，來對(duì)比分析散熱腔體長(zhǎng)度對(duì)出口電機(jī)油溫度場(chǎng)分布的影響。從幾組不同長(zhǎng)度的散熱腔體仿真溫度來看，散熱腔體長(zhǎng)度的增加對(duì)溫降的影響非常有限。

2.3.3 內(nèi)循環(huán)電機(jī)油的速度對(duì)出口電機(jī)油溫度場(chǎng)的影響

散熱腔內(nèi)的葉輪對(duì)氣隙中的電機(jī)油有一定的抽吸作用，使內(nèi)循環(huán)潤(rùn)滑油的速度增大，影響該速度的大小的因素很多，如葉輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)，電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速等等。限于篇幅，本節(jié)只取幾組不同的入口速度，來對(duì)比分析電機(jī)油速度對(duì)散熱腔內(nèi)電機(jī)油溫降的影響。

從分析結(jié)果看出，在入口速度為湍流的最小流速時(shí)，溫降效果最明顯。隨著入口速度增大，電機(jī)油的進(jìn)出口溫降反而減小，達(dá)到一定速度后，溫降基本不變。

2.3.4 內(nèi)循環(huán)電機(jī)油的湍流度對(duì)出口電機(jī)油溫度場(chǎng)的影響

影響單相熱流體對(duì)流換熱強(qiáng)度的因素很多：流動(dòng)狀態(tài)、換熱壁面粗糙度狀況、流道尺寸和形狀、流體物性等。但歸根結(jié)底，最主要的影響因素是層流底層，設(shè)法減薄層流底層的厚度可減少層流底層的熱阻，從而達(dá)到增強(qiáng)熱流體的湍流強(qiáng)度。對(duì)于強(qiáng)化湍流流動(dòng)的散熱，主要原則是減薄邊界層流底層的厚度。

散熱腔體內(nèi)的電機(jī)油在葉輪的作用下，電機(jī)油在散熱腔體內(nèi)做湍流流動(dòng)。整個(gè)散熱殼體內(nèi)電機(jī)油的流動(dòng)分為3個(gè)區(qū)域，即靠近管壁的層流底層區(qū)，管子中間部分的紊流區(qū)和介于層流底層與紊流區(qū)的過渡區(qū)。要提高熱電機(jī)油和散熱殼體的對(duì)流換熱效果，需減小這3個(gè)區(qū)域的熱阻。本文在其它條件相同的情況下，分別取幾組不同的湍流強(qiáng)度值，來對(duì)比分析湍流強(qiáng)度對(duì)出口電機(jī)油溫度分布的影響。

由分析結(jié)果可知，在一定程度上，提高湍流度能增加換熱效果。結(jié)合相關(guān)強(qiáng)化傳熱技術(shù)的原理和該電動(dòng)鉆具的具體結(jié)構(gòu)，可以從散熱殼的結(jié)構(gòu)方面來增強(qiáng)散熱腔內(nèi)電機(jī)油的湍流度。

可將散熱腔的外殼做成螺紋槽管，其管壁是具有外凸和內(nèi)凹的螺旋形槽道的異形管。電機(jī)油流過螺紋槽管時(shí)，即有軸向流動(dòng)，也有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，還有電機(jī)油受到螺紋凸出物周期性擾動(dòng)引起的流動(dòng)，熱的電機(jī)油在離心力的作用下造成二次流動(dòng)，從而加強(qiáng)了流動(dòng)邊界層的擾動(dòng)，促進(jìn)邊界層流體和中間層流體的混合，近管壁處的電機(jī)油湍流強(qiáng)度得以提高，從而有效地強(qiáng)化高溫電機(jī)油與管壁的對(duì)流換熱過程，其換熱效果比直管好。

3 結(jié)語(yǔ)

綜合上述4個(gè)影響參數(shù)的分析結(jié)果可知，提高電機(jī)外殼的對(duì)流換熱系數(shù)是降低電機(jī)溫升的最有效措施，其次是在一定范圍內(nèi)增加散熱腔內(nèi)循環(huán)電機(jī)油的湍流度，而通過增加散熱腔體的長(zhǎng)度對(duì)降低電機(jī)溫升的效果非常不明顯。如果鉆遇的地層無任何流體，可嘗試通過在散熱腔體內(nèi)安裝一定量的相變材料來吸收電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱。