中空转子螺杆钻具工作特性分析_张玉英
空气螺杆钻具研制、特性分析及现场实验和应用
空气螺杆钻具研制、特性分析及现场实验与应用中国石油勘探开发研究院钻井所北京石油机械厂作为新型的钻井技术，以空气钻井为代表的气体钻井和欠平衡钻井在国外油气勘探与开发中取得普遍应用，在国内也正呈快速进展趋势。
空气螺杆钻具是应用这种新型钻井技术钻定向井及其他特殊工艺井所必需的工具。
一、概述近些年来，气体钻井和欠平衡钻井在国外取得了比较普遍的应用，取得了显著的技术效益和重大经济效益。
例如，在知足相应的前提下，气体钻井如空气钻井、天然气钻井、氮气钻井、尾气钻井等，可成倍提高机械钻速，明显缩短钻井周期，降低钻井本钱；欠平衡钻井，则可对储层进行有效保护，有利于提高钻遇率和开发率。
为推行和扩大空气钻井的应用规模，美国能源部曾规定2004年的空气钻井口数不低于本土总钻井口数的30%。
近些年来，我国也开始关注、尝试应用空气钻井技术，在必然规模上采用欠平衡钻井技术，取得了可喜的进展。
随着对这些技术在直井上应用经验的慢慢积累和日渐成熟，在定向井及其他特殊工艺井上应用这些技术，已成为必然的进展趋势，这将在专门大程度上扩展气体钻井与欠平衡钻井的应用领域。
空气螺杆钻具(或称气体螺杆钻具)是用气体钻井或欠平衡钻井技术钻定向井及各类特殊工艺井的必需工具。
但在2001年末以前，此类新型螺杆钻具产品在国内仍为空白。
中国石油集团长城钻井公司在伊朗承担的空气钻井项目，急需φ244(9-5/8")的空气螺杆钻具，经与外商询价，每台价钱在13万美元以上，无法经受，大量量的购买更无从谈起。
为了解决生产急需和节约外汇，集团公司科技进展部考虑利用国内技术力量解决伊朗项目的现场急需，并为国内欠平衡钻井与空气钻井提供工具，决定成立“伊朗欠平衡钻井空气螺杆钻具研制”课题组，由中国石油勘探开发研究院钻井所和北京石油机械厂承担，并录用苏义脑为课题组长，组织攻关。
在2001年5月~2002年11月这一年半时刻中，课题组克服了重重难关，终于完成了K7LZ120和K7LZ244两种系列的空气螺杆钻具样机的设计、制造、室内实验台架设计和空气钻井的有关理论研究工作，并于2002年7月进行了K7LZ120样机的地面实钻实验和2002年8月在长庆苏35－18井的下井实验，均取得成功。
螺杆钻具转子特性与磨损规律研究
螺杆钻具转子特性与磨损规律研究作者：冯相尧来源：《中国科技博览》2014年第06期摘要：转子是螺杆钻具的核心部件，与定子相配合，决定了螺杆钻具的工作效率和动力性能。
主要研究不同泥浆固相含量和添加剂对螺杆钻具转子表面磨损的影响，设计专用试验装置以模拟近井下条件工作时螺杆钻具转子的表面磨损情况，对其磨损规律开展研究，探索了转子在不同泥浆条件下的磨损规律，并结合相关磨损机理进行了进一步分析。
初步发现了对硬铬镀层损伤较大的因素是泥浆固相与盐类添加剂，进而确定了硬铬镀层磨损的主要形式是腐蚀磨损，从而形成了对转子的制造工艺及使用方法的有益建议。
关键词：螺杆钻具；转子；硬铬镀层；工作寿命；试验分析；磨损规律；腐蚀磨损中图分类号：TH327螺杆钻具是目前国内外应用最广泛的一种井下动力钻具，其应用领域遍布常规、非常规油气资源钻井，地质勘探和地下工程。
定转子构成的马达是螺杆钻具的核心部件之一，可以把通过二者间隙的泥浆中蕴藏的动能转化成钻头破岩钻进所需的机械能。
马达结构复杂，暴露在恶劣的泥浆环境中，受到磨蚀等作用影响，失稳失效问题也日趋普遍，严重影响着螺杆钻具的整体寿命。
1 转子表面磨损过程相互接触的物体在相对运动中，表层材料不断损失、转移或产生残余变形的现象称为磨损，它是伴随着摩擦而产生的必然结果，包括粘着磨损、腐蚀磨损和磨料磨损等。
据统计，约有 80% 左右的机械零件是由于磨损而报废或失效，马达转子也不例外。
转子相对于定子高速旋转，做类似于纯滚动的复杂运动，井下工作时，转子与定子暴露在井下泥浆环境中，同时还要受到来自泥浆中对转子有害的化学物质的腐蚀和固态颗粒的磨蚀。
这些有害化学物质主要包括为了满足其它钻井工艺需要而添加的各种添加剂和未被有效分离的地层中固有矿物质，而固态颗粒主要是由难以被有效分离的破碎岩屑组成。
由于定转子材料不同，转子表面材料强度较高，故粘着磨损轻微，主要磨损原因是腐蚀磨损和磨料磨损，而这二者都来自泥浆作用。
单螺杆钻具运动及啮合动力特性研究
单螺杆钻具运动及啮合动力特性研究
螺杆钻具是一种井下动力钻具,目前在油田钻井工程中的应用已非常广泛,由定子和转子构成的螺杆马达是螺杆钻具的核心部件,工作时,钻井液经由定子衬套和转子间的密封腔带动转子转动,将动力传递到钻头上从而完成钻井。
由于螺杆钻具结构特殊,工作环境复杂,导致了定子衬套磨损、钻具泄露等失效形式,因此对钻具型线以及定子和转子的啮合受力研究十分必要。
本文以外径为172mm 的五头等壁厚螺杆钻具为对象,进行了以下研究。
首先,将B样条曲线拟合算法应用于螺杆钻具廓形曲线设计中,得到转子截面廓形曲线,利用降阶法求得曲率,找出型线凹凸过渡处的尖点,结合截面廓形特性和数据特征,提出了以控制点坐标值的变化量为优化变量的遗传算法,对螺杆钻具截面廓形进行优化,为螺杆钻具型线设计提供参考。
然后,分析了螺杆钻具转子的运动机理,利用三维软件对螺杆钻具进行实体建模,检查钻具静态和动态下的干涉情况,研究螺杆钻具转子在衬套中的运动规律,由选定的转子截面上的点得到了其位置和速度的运动轨迹及变化规律,推导了定子和转子间相对滑动速度的计算公式并通过仿真实验研究其变化情况。
最后,从理论的角度分析螺杆钻具在工作中的力学特性,研究螺杆钻具密封腔在压力的作用下定转子之间的接触情况、变形规律,建立定子衬套和转子之间的接触力学模型,分析静力作用下转子和等壁厚定子衬套的形变和应力,然后对转子与定子衬套在相互啮合状态下的力学特性进行研究,找出应力集中位置,为螺杆钻具的结构优化提供了理论基础。
本文通过对转子截面廓形的优化和转子与定子的啮合力学特性分析,旨在降低钻具的泄露和磨损,提高钻具的使用寿命。
5种常规钻具组合的不同特点
螺杆式井下增压钻井装置原理及设计
螺杆式井下增压钻井装置原理及设计
张玉英;徐依吉;李翔
【期刊名称】《石油机械》
【年(卷),期】2010(038)012
【摘要】为了提高钻探效率,设计了螺杆式井下增压钻井装置,该装置主要由动力单元、动力转换单元、固液分离单元、增压单元以及高压流道单元组成.动力单元将钻井液的水力能量转换为螺杆泵马达转子的转动扭矩,动力转换单元将转子的旋转运动转化为增压缸柱塞的轴向往复运动,固液分离单元对被增压的钻井液进行过滤,增压单元通过柱塞的往复运动来压缩缸内的钻井液,对钻井液增压,高压流道单元将增压后的钻井液输送给钻头的高压喷嘴.现场试验表明,螺杆式井下增压钻井装置除换向机构有较大磨损外,其他零部件均无明显损伤.因此需对换向机构进行改进,以达到螺杆式井下增压钻井装置的寿命要求.
【总页数】4页(P34-37)
【作者】张玉英;徐依吉;李翔
【作者单位】中国石油大学(华东)石油工程学院;中国石油大学(华东)石油工程学院;中国石油大学(华东)石油工程学院
【正文语种】中文
【相关文献】
1.螺杆式井下增压钻井装置的原理及设计 [J], 徐义;周长李;刘永旺;赵红香
2.基于增压缸增压原理的钻井封井器试压装置设计 [J], 刘永旺;管志川;魏文忠;苗同勇;赵伟
3.脉冲式井下增压钻井装置增压特性研究 [J], 付加胜;李根生;牛继磊;史怀忠;田守嶒
4.脉冲式井下增压钻井装置关键参数设计与分析 [J], 付加胜;李根生;牛继磊;史怀忠;田守增
5.井下螺杆增压钻井装置设计与应用 [J], 郭文卿;徐义;杨洋洋;赵健
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高效导向螺杆钻具性能分析及其应用
高效导向螺杆钻具性能分析及其应用摘要：在井眼轨迹控制过程中，进行滑动导向与复合钻进时，利用常规导向螺杆会出现钻头加载困难以及形成螺旋井眼的问题，从而对井眼轨迹的控制效果产生影响。
为解决该问题，以前用过宽带的直棱和螺旋稳定器，本文特针对导向螺杆的结构做了改进与创新，准备在螺杆钻具驱动头位置设计带宽很窄螺旋稳定器。
本文就针对改进后的导向螺杆钻具进行讨论。
关键词：导向螺杆井眼轨迹控制钻具一、高效导向螺杆钻具由于利用常规螺杆会出现钻头加载困难、形成螺旋井眼等问题，因此对其进行结构创新，即在螺杆钻具驱动位置设计一种受螺杆钻具驱动旋转的窄带螺旋稳定器，其主要作用包括：首先，作为底部钻具组合的近钻头支点，从而有效的提高BHA的滑动导向能力；其次，近钻头近满眼设计可以修正井壁；最后，滑动导向钻进过程中，近钻头稳定器处于旋转状态，与常规的导向螺杆钻具相比，近钻头稳定器的滑动阻力更小，所以拖压问题即可得到彻底解决。
这种导向螺杆的结构变化使得钻井过程中BHA的力学特征发生了改变。
二、高效导向螺杆钻具的承载能力改变了高效导向螺杆钻具的结构，相应的就会改变钻进过程中螺杆钻具的受力特征。
传动轴是轴力与扭矩的核心承载部件，其有着十分复杂的受力特征，也是螺杆钻具中最薄弱的环节，所以要对其强度特征做全面分析，并提出结构优化方案。
下面以172mm高效导向相钻具为例进行分析。
（二）传动轴的应力计算与分析通过ANSYS系统可以将传动轴受到外载与约束作用状态下的应力分布计算出来，从计算结果可知，最大应力值为434 MPa，发生在传动轴过渡截面处。
针对不同外径计算其最大应力值，从计算结果可以得知，如果材质的条件不变，传动轴的外径越大，则作业的安全系数越高，如果把传动轴的外径由提高5mm，可以提升16%的承载能力，所以传动轴外径的取值为85mm。
三、近钻头稳定器的结构设计与螺杆动力系统的优化（一）优化近钻头稳定器的结构从某种意义上说，高效导向螺杆钻具的应用效果由近钻头稳定器的结构来决定，因此近钻头稳定器要具备两个条件，其一，稳定器基于旋转状态的支点效应、稳定性以及尽量低的额外扭矩；其二，要将岩屑及时排导出去。
螺杆钻具在油气钻井中的理论分析和应用选型
螺杆钻具在油气钻井中的理论分析和应用选型油气钻井是油气勘探与油气开发的主要手段。
螺杆钻具可以说是目前使用最广泛的一种井下动力钻具,特别是配合PDC钻头可以获得很好的经济效益。
在油气钻井中,螺杆钻具主要用于钻特殊工艺井,如定向井、水平井、丛式井、大位移井、大斜度井和多分支井等以及直井防斜打直打快。
螺杆钻具配合PDC
钻头的复合钻井技术,不但可以提高机械钻速,还可以提高单只钻头的实际进尺,从而实现快速钻进和提高钻进效率。
本文研究了螺杆钻具打快防斜的机理,采用螺杆钻具配PDC钻头的钻井方式能够提高机械钻速,其主要的原理就是提高了钻头的机械能量,主要是转速。
采用单弯螺杆钻具与高效PDC钻头配合钻进,可以很好地控制井身轨迹,提高井身质量,有效地提高机械钻速,可以取得良好的防斜打快效果。
螺杆钻具组合在使用过程之中,影响螺杆钻具防斜纠斜能力的因素,除了地质因素、不同的钻具组合形式外,同时还与螺杆钻具的结构弯角、螺杆钻具的长度、稳定器的安放位置、稳定器的尺寸大小、钻压的大小、转盘转速等因素有关。
在理论分析的基础上,结合实际,分析了在四川、塔河、濮阳、陕北区块上的几口井在钻井过程中采用螺杆钻具加PDC钻头的复合钻进技术提高机械钻速和防斜打快中的应用效果。
通过现场应用效果表明,只要选择与地层相适应的螺杆钻具和PDC钻头,采用螺杆钻具加PDC钻头的复合钻进技术,可以有效地提高机械钻速,也能很好地实现防斜稳斜打直打快。
结合理论与实践,分析对螺杆钻具如何进行合理选型,既要考虑螺杆钻具的自身结构和性能,又要考虑到螺杆钻具实际工作环境的多样性,为螺杆钻具研发生产和钻井现场在实际选型方面提供有力的理论依据。
螺杆加PDC钻头在钻井技术上的应用
螺杆加PDC钻头在钻井技术上的应用摘要：近几年来，中原工程公司钻井队伍外闯市场的定向井特别是大斜度、大位移定向井日益增多，钻井难度越来越大，对井身质量要求也越来越高，为追求钻井效益最大化，油田要求采用更为先进的定向井井下工具进行开发，通过实际操作我公司在推广应用螺杆加PDC钻头钻井技术上，见到了明显的效果，取得了很大的成功。
关键词：螺杆钻具 PDC钻头双驱钻进1、螺杆加PDC钻头组合钻具的特点螺杆钻具是一种把液体压力转换为机械能的容积式井下动力钻具。
当泥浆泵产生的高压泥浆流经旁通阀进入马达时，转子在高压泥浆的驱动下绕定子的轴线旋转，马达产生的扭矩和转速通过万向轴和传动轴传递给钻头，使钻头破碎地层岩石，从而实现快速高效钻井作业，提高钻井实效的目的。
1.1、螺杆钻具的组成与工作原理：螺杆钻具由旁通阀总成、马达总成、万向轴总成、传动轴总成组成。
其工作原理是：（1）、旁通阀总成的工作原理。
是在泥浆流量达到说明书推荐最小流量以前的某个流量时，该流量经阀芯内孔在孔两端产生压力差。
上端压力大于下端压力，此压力差克服弹簧力把阀芯压下，旁通孔被关闭。
此时泥浆流经马达，把压力能转换为机械能。
地面停泵或流量值过小，压力差不足以克服弹簧力，弹簧把阀芯顶起，旁通孔关闭。
总之，正常情况下旁通阀的启闭完全由流量大小决定的。
（2）、马达总成的工作原理：由转子和定子两部分组成。
转子是一根经过加工并有耐磨抗腐蚀镀层的左旋螺杆。
定子是在经过机械加工的钢管内壁上有用特制的压胶芯轴压铸并粘牢的丁晴橡胶，它耐磨并抗碳氢化合物。
在转子装入定子后，任意截取一个垂直于轴线的截面，它们两者均是共轭啮合的，因此，绕轴线的左旋螺杆上有一系列啮合点，这些啮合点封闭起来的容腔组成一个密封腔，而且此容腔体积是一定的。
随着螺杆在定子中的运动，逐步沿轴向下移动，把完成能量转换的泥浆由低压腔排出马达。
这就是螺杆马达的基本工作原理。
根据马达的头数钻具可分为高速、中速、低速。
螺杆钻具转子特性与磨损规律研究
测试不同泥浆作用下， 高速运动转子的表面材料径ห้องสมุดไป่ตู้磨损单位高度所需要
的时 间。 将 所得 试验 数据 绘制 图表 ， 以表 面处 理加工 工 艺试验 材料 类型 （ ｐ ｅ Ａ～Ｅ ） 为 横轴 ， 磨损 耗 时（ｍｉ ｎ ）为纵 轴 。 通 过试 验结 果 可 以看 出 ： （ １ ）等离 子 喷涂 碳化 钨 （Ｔ ｙ ｐ ｅ Ａ）和 氧化 铝 （ Ｔ ｙ ｐ ｅ Ｂ ）处 理 后 的转 子试 样 ， 在 各 种 工 况下 耐磨 效果 明显 好于 其它 工 艺处 理 的转子 ， 而 以等离 子喷 涂碳 化钨 （ Ｔ ｙ ｐ ｅ Ａ）效果 最 佳 ， 电镀硬 铬 （ Ｔ ｙ ｐ ｅ ｃ ）效果 最差 ； （ ２ ） 钻 井 液 中蕴 藏 的固 相对 化 学镀 镍（ ｐ ｅ Ｄ ） 和 喷焊硬 质 合金 （ Ｔ ｙ ｐ ｅ Ｅ ）的影 响明显 ， 对 其 他加 工处 理 工 艺 不构 成 影 响 ， （ ３ ）盐 水泥 浆 对喷 焊镍 基 合金 工 艺（Ｔ ｙ ｐ ｅ Ｅ ）和 电镀硬 铬 工 艺 （Ｔ ｙ ｐ ｅ Ｃ） 处理 的转 子 试件 的腐 蚀作 用 明显 ， 对 其 它处 理工 艺处 理 转子 试 件 影响 不大 ； （ ４ ） 在 各种 井下 工 况下 ， 各种 螺 杆钻 具转 子表 面材 料 加工 处理 工 艺 与材 料耐磨 性能 逐渐 降低 （ Ａ～Ｅ ）， 而 各种 工艺 与材 料对井 下环 境 的敏感 程
螺杆 钻具是 目前 国内外应用最 广泛的 一种井 下动力钻具 ， 其 应用领域遍 布 常规 、 非常规 油气资 源钻井 ， 地质 勘探和 地下工程 。 定 转子构 成的马 达是螺杆 钻 具的核 心部件 之一 ， 可 以把通 过二者 间隙 的泥浆 中蕴 藏 的动 能转化 成钻头破 岩 钻进所 需的机 械能 。 马达结 构复杂 ， 暴 露在恶劣 的泥浆环 境 中， 受 到磨蚀等 作用 影响， 失 稳 失效 问题 也 日趋 普遍 ， 严重 影响着 螺杆 钻 具的整 体 寿命 。 １转 子表 面 毫损过 程 相互接 触 的物体在 相对 运动 中 ， 表 层材料 不 断损失 、 转移 或产 生残余 变形 的现 象称为磨 损 ， 它是伴 随着摩 擦而产 生的必 然结果 ， 包括 粘着磨损 、 腐蚀 磨损 和 磨料磨 损 等 。 据 统计 ， 约有 ８ ０ ％ 左右 的机械 零件 是 由于磨 损而 报废 或失效 ， 马 达转子 也不例 外。 转 子相对 于定子高 速旋转 ， 做 类似于纯 滚动 的复杂运动 ， 井
螺杆钻具的前沿技术
制造商 规格 / mm 头数比 扭矩 / （ N·m） 压降 / MPa 43 5 /6 250 4. 2 Bico 公司 54 5 /6 270 2. 9 60 5 /6 270 2. 9
构设计上通过增加马达头数增大螺距来实现， 以 6. 75ESX 为例，其定子长达 7. 6 m，但是实现了低转 速 （ 90 r / min） 和大扭矩 （ 14. 2 kN · m ） ； Hemidril 公司通过壳体薄壁结构设计增大马达动力输出，以 4. 8 级 165Hemidril 为例，转速为 60 ～ 130 r / min，额 定扭矩为 11. 45 kN·m。 后一种途径中，DuraMax 是 Baker Hughes 公司 研制的耐磨砺型定子橡胶， 用于 Baker Hughes 的 Ultra － HP 系列螺杆钻具，在不影响寿命的前提下， 可以有效提高机械钻速，在其现场试验中机械钻速 比常规橡胶提升了 93% ； NBR － HR 是 Dyna Drill 的耐磨砺型橡胶，在相同的规格长度下比常规橡胶 NBR － 1A 的扭矩提升了 30% 。 1. 2 小尺寸螺杆钻具 小尺寸螺杆钻具通常指外径不大于 80 mm 的 螺杆钻具 （ 见表 1 ） ， 是连续管作业的重要工具。 小尺寸螺杆钻具的加工不同于常规螺杆钻具 ，属于 精密机械加工范畴，工艺更为复杂，而在钻井施工 中目前的主要问题是微尺度下零件磨损太快 ，使用 寿命 太 短， 为 此 Robbins＆Myers 公 司 研 制 了 73 mm 等壁厚定子螺杆钻具。 在尺寸上， 目前世界最 小规格的螺杆钻具是 Roper Pumps 公司 31. 75 mm 螺杆钻具。
钻井新技术
螺杆钻具的前沿技术
李 萌 于兴胜 罗西超 黄衍福 刘
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收稿日期:2007203201作者简介:张玉英(19612),男,山东鱼台人,高级工程师,工学硕士,现在中国石油大学(华东)油气井工程专业读博士研究生。
文章编号:100123482(2007)0920028203中空转子螺杆钻具工作特性分析张玉英,王永宏(胜利石油管理局渤海钻井管具公司,山东东营257200)摘要:介绍了中空转子螺杆钻具的结构、原理,导出了转矩、转速、功率、效率与马达两端压降的关系式,分析了其工作特性。
为了改善该类螺杆钻具转速软特性,对中空转子分流嘴结构提出了改进建议。
关键词:中空;螺杆钻具;特性;分析中图分类号:TE921.2 文献标识码:AWorking Performance of Scre w Drilling Tool Using H ollow RotorZHAN G Yu 2ying ,WAN G Y ong 2hong(B ohai D rilling Tools Com pany ,S hengli Pet roleum A dminist ration ,Dongy ing 257200,China )Abstract :This paper present s formulations of t he st ruct ure ,p rinciple ,outp ut torque ,speed ,power and p ressure drop between bot h ends of motor ,including working performance as well.In order to imp rove soft performance of drilling tools of such kind ,a hollow rotor dist ributary ’s nozzle is p ut forward for imp rovement.K ey w ords :hollow rotor ;screw drilling tool ;performance ;analysis 螺杆钻具主要用于定向井、大斜度井、水平井、大位移井、多分支井和丛式井等。
在特殊工艺井中,用螺杆钻具控制井眼轨迹,例如造斜、稳斜、降斜、纠斜及扭方位等。
在螺杆钻具本身工作的同时又开动转盘,即复合钻进,虽对螺杆钻具可能造成损坏,但可提高机械钻速。
总之,在油气钻井中,螺杆钻具所起的作用日益增大。
大井眼水平井施工中,需增大钻井液排量,携带岩屑;深井、超深井作业时,需增大钻井液排量,充分循环,降低井下高温,减轻高地温梯度对定子橡胶的损坏。
螺杆钻具转速与排量成正比,增大排量必然提高转子转速,转子围绕定子轴线公转的离心惯性力增大,转子向外侧压向定子衬里,改变转子与定子共轭副的理想啮合状态,造成磨损,同时加剧转子周期性横向振动。
排量大幅度增加,导致螺杆钻具非正常工作,先期损坏,因此,螺杆钻具工作排量有一额定值。
在常规实心转子螺杆钻具不能解决上述问题的情况下,中空转子螺杆钻具应运而生。
1 结构中空转子螺杆钻具由旁通阀总成、马达总成、万向轴总成和传动轴总成组成,如图1。
旁通阀总成包括阀体、阀套、阀芯,弹簧、密封圈、弹性挡圈及滤网。
马达总成包括定子、中空转子和固定分流嘴。
万向轴总成包括万向轴和万向轴外壳。
传动轴总成包括导流水帽、传动轴、上TC 轴承、圆弧键、推力球轴承、锁紧螺帽、隔套、下TC 轴承、密封圈及传动轴外壳。
2 原理中空转子螺杆钻具上接钻柱,下接钻头。
启动泥浆泵并达到一定排量,高压钻井液流经旁通阀,推 2007年第36卷 石油矿场机械 第9期第28页 OI L FIE LD EQUIPMENT 2007,36(9):28～30 动阀芯向下运动,压缩弹簧,关闭旁通孔。
小部分钻井液进入分流孔,其余流入马达,中空转子与定子形成的共轭密封腔沿轴向连续下移,钻井液循序向下推进。
高压钻井液由马达入口向出口移动中,消耗自身水功率对中空转子做功,钻井液压力能转换为中空转子旋转机械能。
万向轴将中空转子平面行星运动转换为旋转运动,并将中空转子的转矩和转速传递给传动轴。
传动轴再传递给钻头,实现破岩钻进。
图1 中空转子螺杆钻具结构3 工作特性分析[123]工作特性,即中空转子螺杆钻具转矩、转速、功率、效率与马达两端压降的关系。
中空转子中心有一细长分流孔,产生分流量,分流孔入口装固定分流嘴,转子下端出口与分流孔相通,如图1。
如果钻井液排量为Q ,马达流量为Q m ,分流量为Q f ,则Q =Q m +Q f 。
令马达两端压降为ΔP ,钻井液密度为ρ,分流量系数为Ψ,由Q f =Ψ(2ΔP/ρ)1/2,得Q m =Q -Q f =Q -Ψ(2ΔP/ρ)1/2,Q m 决定中空转子马达转速。
不计损失,若中空转子螺杆钻具理论转矩、转速、功率和效率分别为M T 、n T 、N T 和ηT ,钻头理论转矩亦为M T 。
设马达每转排量为q ,钻头理论角速度为ωT ,有n T =60Q m /q ,ωT =πn T /30。
容积式机械工作过程能量守恒,单位时间内钻头输出的机械能等于马达输入的水力能,M T ωT =ΔPQ m ,则 M T =ΔPQ m /ωT =ΔPq /(2π) n T =60Q m /q =60[Q -Ψ(2ΔP/ρ)1/2]/q N T =ΔPQ m =ΔP[Q -Ψ(2ΔP/ρ)1/2] ηT =Q m /Q =1-Q f /Q =1-Ψ(2ΔP/ρ)1/2/Q 实际上,中空转子和定子之间产生摩擦阻力,马达的共轭密封腔总有泄漏;传动轴轴承出现机械磨损和水力损失,因此,中空转子螺杆钻具存在机械效率ηm 和容积效率ηv 。
马达两端压降ΔP 分为马达启动压降ΔP 1和工作压降ΔP 2。
根据定义,马达转矩系数C =ηm ΔP/ΔP 2,负荷效率ηL =C ηv 。
中空转子螺杆钻具实际转矩、转速、功率和效率分别用M 、n 、N 、和η表示为 M =M T ηm =ΔPq ηm /(2π)=ΔP 2qC /(2π) n =n T ηv =60[Q -Ψ(2ΔP/ρ)1/2]ηv /q N =ΔP 2Q m ηL =ΔP 2[Q -Ψ(2ΔP/ρ)1/2]ηL η=ηT ηm ηv =ΔP 2Q m ηL /(ΔPQ )根据上述表达式作中空转子螺杆钻具实际工作特性曲线,如图2。
图2 中空转子螺杆钻具实际工作特性曲线中空转子螺杆钻具的M 与ΔP 成线性关系,M随ΔP 增大而增大,具有良好过载能力。
随ΔP 增大,Q f 增加,Q m 减少,n 显著降低,呈现转速软特性。
N 、η与ηm 、ηv 有关,还受中空转子分流孔影响。
该类螺杆钻具N 额外损失,η较低。
在油气钻井中,中空转子螺杆钻具的转速软特性导致机械钻速降低,建井周期长,增加了钻井成本。
4 结论与建议1) 钻压增大使马达两端压降增大,转矩增大。
但钻压增大,中空转子分流量增加,马达流量减少,转速显著降低;钻压增大至临界值,马达制动,中空转子、万向轴和传动轴承受最大制动力矩,严重损坏钻具,因此,钻井时施加钻压不能超过额定值。
(下转第44页)・92・ 第36卷 第9期 张玉英,等:中空转子螺杆钻具工作特性分析图4 前后盖板及轮毂的轴面剖视图5 叶轮模型3.2 叶轮的CAE 分析有限元法是一种求解复杂工程问题的重要方法。
有限单元离散化即网格划分非常关键,其目的是精确模拟原结构,网格划分的合理与否直接关系到计算结果的精度。
将Pro/E 构建的模型导入到ANS YS 中进行有限元模型分析。
采用高精度的SOL ID95单元对叶轮进行离散,利用其形函数精确地模拟曲线边界,以容忍不规则的叶片形状而保持足够的精度,如图6。
本例将叶轮模型离散为共16891个单元,31573个节点,对单元进行质量检测,所有单元均满足畸变要求。
图6 叶轮的有限元离散网格在有限单元离散化基础上,可以用ANS YS 对叶轮过流部分进行应力、应变以及温度场分析,并将检验结果反馈回设计上游,实时修改设计,为设计方案的优选提供依据。
4 基于虚拟现实技术的网络仿真为了加强团队合作,需要将设计结果进行网上发布,以便实现异地并行设计。
本文用Cult3D 进行网络虚拟仿真,结合J ava 程序以便增强仿真结果的交互性。
Cult3D 支持由3DS MAX 或MA YA 软件导出的文件。
因此本文使用Pro/E 创建的模型首先转换到MA YA 软件中,然后导出为Cult3D 所支持的格式,进行离心泵叶轮构型的虚拟仿真,通过实时控制,真实地反映了各组成部分的结构以及相互之间的相对位置,实现了网络展示及交互操作效果。
5 结论1) 对于叶片等复杂的构件,虚拟原型样机可由尺寸驱动进行改型设计,实现多样化、柔性化设计,对提高设计质量,缩短工期,具有很好的现实意义。
2) 未来的设计将集成地使用CAD 、CA E 及运动仿真技术,进行造型设计、装配、干涉检查、加工模拟,为结构有限元分析(FEA )和内部流场的计算流体动力学分析(CFD )提供计算模型,从而有效地进行零件应力分析、热场计算、速度场和压力场求解,实现基于虚拟现实的环境的“多兵种联合作战”。
参考文献:[1] 刘 敏.基于特征的离心泵叶片参数化三维造型[J ].农机化研究,2006(5):69271.[2] 吴 婷.离心泵叶轮CAD 系统开发[J ].现代制造工程,2006(3):46249.[3] 粱飞华.Pro/EN GIN EER 运动仿真功能在离心泵设计中的应用[J ].煤矿机械,2006(1):38241.[4] G aryWang G.Definition and review of virtual prototy 2ping[J ].Journal of Computingand Information Science in Engingeering ,2002(3):2322234. (上接第29页) 2) 中空转子螺杆钻具解决了大井眼携带岩屑需要增大排量而常规实心转子螺杆钻具受结构限制无法增大排量的矛盾,但表现出明显转速软特性。
若分流嘴由固定式改为可调式,稳定分流量,可改善中空转子螺杆钻具转速软特性。
参考文献:[1] 苏义脑.螺杆钻具研究及应用[M ].北京:石油工业出版社,2001.[2] SY/T5383—1999,螺杆钻具[S].[3] SY/T5547—2000,螺杆钻具使用、维修和管理[S].・44・石油矿场机械 2007年9月 。