预轮廓定子螺杆钻具性能研究

王春阳,夏秀文,李良君,陆天明,李艳霞,李 鹏

(渤海石油装备中成机械制造有限公司,天津300280) *

预轮廓定子螺杆钻具性能研究

王春阳,夏秀文,李良君,陆天明,李艳霞,李 鹏

(渤海石油装备中成机械制造有限公司,天津300280)*

为了研究预轮廓定子螺杆钻具的性能,进行了整机台架试验、马达压降试验及定子温升试验。结果表明,预轮廓定子螺杆钻具比常规定子螺杆钻具有许多优点,例如,单级承压能力强,相同长度下提供扭矩大,硬特性好,耐温性能高。预轮廓螺杆钻具替代常规螺杆钻具,能为定向井、特别是短半径侧钻井提供强有力的钻井动力。实践表明,要充分发挥预轮廓定子的性能,必须在橡胶设计、注胶工艺及匹配零部件方面做相应的研究。

螺杆钻具;定子;预轮廓;扭矩;压降

预轮廓定子最早出现在贝克休斯 INTEQ公司,它最先应用在垂直钻井系统AU TOTRA K上,后来推广应用在高性能螺杆钻具上,称为 XTREME螺杆钻具。R&M公司也开发出预轮廓定子螺杆钻具,称为PCS螺杆钻具。随后,DYNA公司、威德福等国际上知名的螺杆钻具制造厂家都相应开发出自己的预轮廓定子螺杆钻具。国内从2005年开始研究,直到2008年才掌握该项技术。预轮廓定子的核心技术是在定子钢体上加工出预轮廓定子线型,使定子橡胶接近等壁厚形状,橡胶在拥有刚体骨架后改变了其螺杆钻具的输出性能(如图1)。国内对于预轮廓定子的加工方法等开展了一些研究[1],而对于其性能,特别是动力性能、耐温性能、动力硬特性等研究则很少。笔者利用功能完备的螺杆钻具整机试验台、马达试验台等开展了预轮廓螺杆钻具性能研究,对于充分发挥预轮廓螺杆钻具在钻井中的作用有重要的指导意义。

图1 定子截面对比

1 预轮廓定子对螺杆钻具输出特性的影响

1.1 单级承压能力

通常,预轮廓定子螺杆钻具的承压能力比常规螺杆钻具提高50%～100%,表1给出相同头数、相同导程且过盈量分别为0.5 mm和0.2 mm下马达压降台架试验的数值对比。从表1数据可以看出,预轮廓定子螺杆钻具承压值远高于普通螺杆钻具,即,它转化压力能为机械能的能力比普通螺杆钻具大得多,这也是预轮廓定子螺杆钻具能够提供更加强劲动力的有力证据。

表1 相同设计参数的螺杆钻具加压值对比

耐压能力的提高主要是因为预轮廓定子的型腔头部(骨架)对橡胶形成了有力的支撑,橡胶厚度与谷底相同。其头部比传统定子的头部提供更多的抗变形力,在高压下定子变形率相同而变形量减小,因此密封腔漏失少,能保持更高的容积效率,提高了密封性能,得到了更大的耐压值。

1.2 输出扭矩

通过整机台架试验表明,在相同设计、同等长度下,预轮廓定子螺杆钻具的输出扭矩比常规螺杆钻具增大约1倍。同时,螺杆钻具的效率也得到了提高。

为比较预轮廓定子技术和常规技术,选择外径为«172 mm预轮廓螺杆钻具与外径为«172 mm的常规技术螺杆钻具进行比较,选用的这些螺杆钻具有着同样的设计参数(例如腔室体积)。由于设计参数相同,才能够对其性能和效率进行真正的比较。

图2比较了上述讨论的2种螺杆钻具。2种螺杆钻具具有相同级数、相同线型、相同腔室和相同的定/转子配合(0.2 mm间隙)以及相同的定子长度(2 750 mm)。沿着2 400 L/min流量线从下向上,可以在0.8 MPa压降下找到相同的输出功率。2种螺杆钻具在230 r/min时扭矩达1 100 N·m。增加载荷及压降,预轮廓螺杆钻具的出众性能特征变得明显了。在2 400 L/min和4 MPa压降下,常规螺杆钻具的转速下降至175 r/min,扭矩是4 700 N·m;预轮廓螺杆钻具转速为 205 r/min,产生5 350 N·m扭矩。在同样的工作点,这种螺杆钻具由于提高了容积效率而转得更快,并且由于提高了机械效率而产生更多的扭矩。在同样的输入功率下,预轮廓定子螺杆钻具比常规螺杆钻具有更多的输出功率。

图2 在腔室体积相同时预轮廓和常规技术螺杆钻具性能比较

预轮廓定子螺杆钻具在相同扭矩的条件下可以使定子长度缩短1倍,因此这会使同样输出性能的螺杆钻具长度缩短,可以带来2方面的好处:①使螺杆钻具上部的测量仪器(MWD/LWD)距离钻头更近,更有利于提高测量精度和及时性,使定向井、水平井井眼轨迹控制变得更容易;②可以提高造斜率和小曲率半径井眼的通过性[2]。

1.3 硬特性和动力衰减速度

同样由于橡胶预轮廓,所受流体压力均匀,变形量一致,因此密封性能更好。在扭矩增加时预轮廓定子螺杆钻具转速下降的比较慢,这就得到一个很好的硬特性,对于保持良好的钻头速度,提高机械效率非常重要。另外,预轮廓也使橡胶的支撑均匀,这样橡胶在使用过程中磨损均匀,在橡胶磨损后仍保持相对好的密封性能,而不像常规螺杆钻具橡胶头部磨损快,局部漏失量大。因此预轮廓螺杆钻具的动力衰减要比常规螺杆钻具慢得多,这也是预轮廓定子螺杆钻具比普通螺杆钻具寿命长的一个原因。

1.4 耐温性能

预轮廓螺杆钻具有利于减少迟滞热的聚集,防止局部升温。螺杆钻具橡胶属于粘弹性材料,在吸收高温泥浆热量的同时,将压力能转化为机械能的变形过程中还不断地产生热量,热量集中在瓣型根部形成迟滞热,迟滞热如果不能及时散去会造成局部升温,进而造成局部橡胶老化,预轮廓橡胶螺杆钻具由于其壁厚相等,散热均匀,所以不容易形成迟滞热[3]。

图3为预轮廓定子和常规定子温升试验对比图,图中第1点为连续加载试验1 h后,测量记录定子管外表所的温度,然后在下一个扭矩载荷下继续连续运行1 h,测量记录定子管外表的温度。依次做4次试验。

图3 定子温升对比

结果表明:预轮廓定子相对薄的橡胶层产生热更少,热量散失更快,减少了迟滞热生成和定子掉块几率,使螺杆钻具能够工作在更高温度下。通常,预轮廓定子螺杆钻具橡胶耐温比普通螺杆钻具提高10℃。在同等耐温级别的橡胶情况下预轮廓螺杆钻具可以在更高温度下正常使用。

预轮廓定子螺杆钻具耐温性能好的另一方面是橡胶壁厚相等,受热膨胀量相同,有利于保持好的啮合线型,有利于密封。同样,预轮廓定子螺杆钻具在油基泥浆环境下其橡胶溶胀量均匀,也不易破坏定子和转子啮合线型,保持良好的密封性能。

2 影响预轮廓定子螺杆钻具性能的因素

预轮廓定子螺杆钻具有许多优点,但是它的制造工艺更加复杂,在设计和加工制造方面需要更多的考虑,否则不但不会发挥其全部功能,还会适得其反,造成更快的失效[4]。要充分发挥其优点需要注意3个方面:

1) 应该注意橡胶种类、厚度和粘接强度。常规定子所用的丁腈橡胶完全可以用在预轮廓定子螺杆钻具上,但是考虑到预轮廓螺杆钻具作为高端产品,为了发挥其更高的性能,采用氢化丁腈橡胶(HNBR)将更有利于发挥其性能。

2) 注胶工艺是预轮廓定子制造技术的关键,与常规螺杆钻具定子橡胶工艺不同,预轮廓定子在注胶、粘接、硫化过程中有更多要考虑的因素。

3) 其他部件很好的匹配也是发挥预轮廓螺杆钻具的性能要考虑的因素。现场使用发现,预轮廓定子的使用寿命>500 h,而传动轴、万向轴寿命通常<200 h。因此,为了更大限度地发挥预轮廓定子长寿命的特点,提高传动轴、万向轴的强度和寿命也是非常有必要的。

3 结论

1) 预轮廓螺杆钻具的创新技术是其在定子刚体上制造出啮合线性轮廓,使橡胶等壁厚。定子每级压降大,相同长度的预轮廓定子输出扭矩提高约1倍。

2) 预轮廓螺杆钻具动力硬特性强、动力持久,寿命长,可以提高钻井速度,减少起下钻次数,使钻井效率最大化。

3) 预轮廓定子螺杆钻具橡胶受井眼中温度和油基泥浆介质的损害更小。耐温级别可以提高约10℃。

4) 预轮廓定子螺杆钻具在设计、加工和应用方面还不成熟,要想充分发挥预轮廓螺杆钻具的优点,还需要充分考虑橡胶选择、厚度及粘接性能等影响因素,改进注胶工艺,并提高其他匹配零部件的寿命。

[1] 邱亚玲,杨德胜,韩传军,等.等壁厚螺杆钻具定子螺旋槽拉刀设计[J].石油矿场机械,2008,37(5):56-58.

[2] 王树龙,樊奖平,葛党科,等.螺杆钻具在侧钻井钻进过程中相关问题的探讨[J].石油矿场机械,2007,36(6): 66-68.

[3] 李明谦,赵洪超.螺杆钻具定子失效机理及措施分析[J].石油机械,2008,36(10):8-11.

[4] 韩传军,邱亚玲,刘清友,等.螺杆钻具预轮廓衬套的设计和仿真分析[J].钻采工艺,2007,30(6):88-90.

Study of Pre-contour Stator Downhole Motor

WANG Chun-yang,XIA Xiu-wen,LI Liang-jun,LU Tian-ming,LI Yan-xia,LI Peng
(Zhongcheng Machinery Manuf acutring Co.,Bohai Equipment Co.,Ltd.,CN PC,Tianjin300280,China)

In order to research the pre contour stator downhole motor performance,carries on the bench test,motor pressure drop test and stator temperature-rise test.Studies show that pre contour stator than conventional stator has many advantages,such as strong pressure at single-stage produced,more torque obtained in the same length.The pre contour stator downhole motor instead of conventional downhole motor can greatly enhance the performance of the downhole motor,a directional well,especially in the short radius of the well and provide a strong power tools. In order to give full play to the performance of the Pre contour stator needs more study in the rubber design plastic injection process and matching of parts and components accordingly.

downhole motor;rotor;pre contour stator;torque;pressure drop

1001-3482(2011)05-0090-03

TE921.2

B

2010-12-29

王春阳(1972-),河南南阳人,高级工程师,1997年毕业于中国石油大学(华东)机械设计及制造专业,现从事螺杆钻具技术研究,E-mail:wangchunyang@cnpc.com.cn。