螺杆钻具马达定子部分失效因素分析与解决方案

张洪霖 于兴胜 郭添鸣

(中国石油钻井技术开发研究院北京石油机械厂)

螺杆钻具马达定子部分失效因素分析与解决方案

张洪霖*于兴胜 郭添鸣

(中国石油钻井技术开发研究院北京石油机械厂)

对螺杆钻具马达定子部分的失效因素进行了系统性理论分析，归纳总结了失效的主要因素，并根据失效因素提出了配方改进、动力钻具选择、粘结剂工艺控制、工装设计及过盈量选用等针对性解决方案。

螺杆钻具 马达定子 橡胶 失效分析 解决方案

螺杆钻具是一种井下动力钻具，在定向井、水平井中起着不可替代的作用。随着钻井深度的日益加深，地下温度也在不断升高。但过高的地下温度会导致井下螺杆钻具马达定子的橡胶部分发生变形、掉胶等现象[1]；钻井液碱度过高会造成橡胶性能改变，在转子转动时造成定子橡胶受力不均、密封不严等现象[2]，这两种情况均会加速定子橡胶的失效，甚至会出现较大块橡胶脱落堵塞水眼，导致泵压升高、钻进速度减慢。此时，只能通过提钻更换马达定子来解决此类问题，而这会造成极大的工程经济损失，延误工期。

目前，塔里木油田井的井深多在6km左右，温度梯度约每100m变化2.6℃；塔北哈拉哈塘区块井下温度最高可达180℃左右，井下循环温度在160℃左右。此温度对于普通丁腈橡胶(NBR)(耐受温度120℃左右)有着极大的影响；对于氢化丁腈橡胶(HNBR)(耐受温度150℃左右)，其使用寿命也会下降[3]。此外，定子橡胶在螺杆钻具使用过程中不仅要面对温度的考验，还要受到来自转子剪切力和橡胶与金属粘接方面的挑战[4,5]。在橡胶应用遇到瓶颈的情况下，改善钻具其他零部件结构特点则成为提升钻具使用寿命的重要手段，其中定转子配合的选定、橡胶粘接质量的提升是提高钻具质量的重点内容。在此，笔者通过对常见的螺杆钻具马达定子部分失效因素进行归纳、分析，形成成熟、有效的解决方案，延长马达定子的使用寿命，避免橡胶衬套的失效、撕裂破坏等。

1 螺杆钻具马达定子部分的失效因素分析

1.1 橡胶性能

橡胶本身的物理、化学性能决定了其使用介质和使用温度，超越使用温度或橡胶与泥浆体系之间的极性相容问题均会造成橡胶本身的快速失效。例如，新疆塔中地区某井使用聚合物磺酸盐类钻井液，某随钻仪器装备高腈耐油螺杆，仪器入井工作四十五小时即出现故障，起钻发现马达定子橡胶损坏严重(图1、2)。

图1 螺杆钻具定子损坏

图2 定子橡胶脱落

1.2 过盈量

过盈量对于马达内压及其分布规律起着决定性作用[6]。由于端面线型的影响，普通螺杆钻具存在径向厚薄不均的问题，导致装配芯轴后应力应变不均匀[6]。由于螺杆钻具马达是容积式马达，过大的过盈量会增加定转子的磨损，并且由于摩擦生热，热量的堆积会形成迟滞热，导致橡胶温度升高，使橡胶膨胀程度进一步加大，加速定子的损坏[2]，同时橡胶是热的不良导体，热积聚也会加速橡胶老化，进而缩短定子使用寿命；而过小的过盈量会造成密封不严，泥浆泄漏将导致钻速下降，甚至造成转子丢转。因此将过盈量控制在一个合理的范围内极其重要。

1.3 粘结与涂覆问题

粘结问题主要体现在定子壳体与橡胶衬套的粘结失效。橡胶衬套与定子壳体间主要通过介质粘结，目前广泛采用底涂与面涂相结合的粘合方式。衬套与壳体粘结失效会导致马达在运转中脱胶、掉胶。

涂覆工艺主要通过不同的涂覆方式来保证粘结剂均匀一致的覆盖于粘结面。橡胶硫化过程中受压的均衡性是保证粘结剂反应的重要因素，尤其对于异形粘结面衬套，粘结剂涂覆的均匀程度和厚度决定了其使用寿命。

实验室压制剥离试片表面平直，与管体内表面有较大差异。由于试片是在压力、温度均稳定的环境中成型的，与实际工况有明显区别，粘合后的剥离强度值仅能够在一定范围内反映粘结质量。而破坏定子壳体结构进行解剖虽然可以准确地反映粘结情况，但成本过高，不宜采用。

1.4 人为因素

一般来讲，人为因素主要包括异物的进入和钻井液的腐蚀。一般螺杆钻具上都有筛网等过滤装置，但有的井队在使用钻具时并未将它打开，导致异物进入，损坏马达定子。另外，钻井液与橡胶的相容性也有影响，尤其是某些化合物的加入会对橡胶部件构成较大损坏。因此为延长定子寿命，需要尽可能地降低令橡胶发生化学失效的化合物比例，如果该化合物的使用不可避免，则需要在设计阶段考虑溶胀因素，如通过调整过盈量来减少橡胶因疲劳而发生的破坏。

1.5 注胶工装和工艺参数

橡胶脱落会导致钻进时的压力升高，为避免此种现象除了需保证定子壳体质量以外，还涉及到工装设计和工艺控制。工装设计不合理会导致粘结面受损从而导致粘结质量下降；工艺控制的效果则直接决定了粘结力的强弱。工艺参数主要包括工装预热温度、装配温度、橡胶的注射成型压力、硫化温度、时间参数及出胶孔的开孔尺度控制等。

2 解决方案

2.1 橡胶配方的改进

目前对于超高温井(循环温度超过150℃)，一种方式是采用HNBR作为定子橡胶，通过各种手段使其氢键饱和度提升，借此来提升HNBR的耐高温性能[7]。表1为普通NBR与HNBR在油基泥浆含2%H2S(mol)、不同温度下的性能参数对比[8]，可以看出HNBR在常温与高温中的性能均优于普通NBR。

表1 NBR与HNBR在不同条件下的性能参数对比

注：(常)代表材料于室温条件下进行测试，(高)代表材料经高温环境后于室温条件下进行测试。

另一种方式则是采用特种橡胶共混的方法[9]，氟橡胶是其中的代表，它可耐210℃左右的高温。但由于其流动性较差，国内厂家无法实现氟橡胶的生产，且粘辊注塑时需要极大的压力，目前工艺压力下试注无法成功，需要改变注塑工艺与注胶工装。而且，氟橡胶的共硫化工艺也与现有硫化体系区别较大，一般不用硫磺硫化，而是采用两段硫化，第一段是在150～180℃、10～30MPa下进行，第二段则是在200～250℃的空气中常压12～24h。目前常用于氟橡胶的硫化体系包括机二胺类、双酚类、有机过氧化物类和辐射类[10]。经双酚类硫化后的橡胶较二胺类具有更好的物性保持能力和更好的抗酸碱能力，但上述两种硫化物均有不饱和键存在，因此需要加入促进剂，同时由于产生酸，还需要金属氧化物作吸酸剂中和。有机过氧化物硫化体系稳定性较好，但流动性较差，注胶需要极大压力。辐射类一般用于半导体工业，石油工业一般不予考虑。因此，应首选双酚类作为氟橡胶硫化剂应用于定子马达上[10,11]。

2.2 适宜的过盈量

马达过盈量的选择关系到马达的密封性能，而过盈量会根据井温有一定幅度的变化，需要根据定转子尺寸、马达输出效率和橡胶的种类来寻找最佳的配合尺寸。每个生产企业都会根据自身橡胶性能、产品规格型号归纳出一套温度与过盈量的关系，以某厂某型号代号SX的HNBR为例，其过盈量随温度的升高而逐渐增大(图3)。

图3 过盈量随温度的变化曲线

2.3 新型动力钻具

等壁厚螺杆钻具(图4)是一种马达定子内表面加工成与转子相配合的螺旋曲面的钻具，其橡胶衬套厚度均匀、相等，迟滞热产生量、变形量均小于常规定子衬套(图5)。在同样的工作点，等壁厚螺杆钻具由于提高了容积效率而转得更快，由于提高了机械效率而产生更大的扭矩；在同样的输入功率下，等壁厚定子螺杆钻具比常规螺杆钻具具有更高的输出功率[12]。此外还可采用金属马达钻具等。

图4 等壁厚定子马达

图5 普通定子马达

2.4 涂覆工艺与粘结剂的选用

工程上通常采用刷涂、喷涂、浸涂及倒涂等方式进行涂覆。考虑到部分定子的线型问题，为保证粘结剂和粘结面的充分浸润，需采用浸涂方式进行，如果将定子管整体浸入粘结剂池，由于管体外表面没有经过处理，锈蚀、油污会对粘结剂造成污染，此外粘接剂厚度难以控制，故整体浸涂不宜采用。目前，采用部分浸涂方式取得了较好的应用效果，此工艺控制管体的转速、倾斜角度及粘结剂配比、时间等因素，在规定的温度下进行涂覆，以得到所需的涂层厚度和涂层范围，比倒涂、整体浸涂等方法效果更好。

粘结剂的选用极大地影响粘结性能。粘结剂提前失效是最常见但也是最难以发现的影响粘结效果的因素，即粘结剂未与橡胶发生共硫化，而是它自身发生硫化，失去粘结作用，该现象可能出现在定子马达注胶前、注胶中和橡胶硫化过程中。图6所示为将某厂生产的粘结剂涂覆于管体上的效果，晾放一段时间待粘结剂干燥后发现，管体出现大面积花白(图7)，经测试发现其粘结性能的各项指标均有不同程度的下降。为防止此类现象出现，需严格按照工艺进行操作，控制粘结剂配比与晾放温度和时间。

图6 正常情况下的管体

图7 管体发生花白

需要注意的是，在高温井中粘结剂会因为井底温度超过其自身耐受温度而失效，出现钻压升高的现象，因此高温井中应用的粘结剂应做特殊考虑。

2.5 过程控制与压力控制

压力控制贯穿于整个马达的生产过程中。橡胶作为一种弹性体，其硫化反应需要足够的压力，若压力小则橡胶与面涂交联不充分，有脱胶的风险；压力大则橡胶本身的回弹力会使粘结效果不理想，因此适宜的压力对提高粘结效果具有一定的帮助。在马达生产过程中，压力来源主要有注射设备给定的推动橡胶流动的冲模压力和橡胶硫化时产生的压力。因此，压力控制主要集中在注射设备参数的选定与工装排气孔和流道的设计方面。

经剥离强度对比试验发现，在工艺温度、等时间长度条件下，硫化压力的不断增大会使剥离强度值变大，且在某个强度值时出现平衡点，即剥离强度值波动范围变小。

3 结论

3.1橡胶本身的性能决定了其耐温性能，采用HNBR可适当减少井温对橡胶钻具的影响。氟橡胶可提高井下动力钻具的耐温等级，若克服成型工艺难题，可提高钻具在高温井中的使用寿命。

3.2过盈量的选择与井温、橡胶种类、产品规格尺寸及钻井液成分等因素有着密切关系，需要综合考虑各种因素的影响，恰当的过盈量可提高产品使用寿命。

3.3等壁厚型钻具的迟滞热明显小于普通钻具，较普通钻具可耐受更高的井下温度。

3.4粘结剂的选用、配比和工装的设计对粘结效果有很大影响。此外，适宜的压力控制和恰当的工艺温度对提升钻具品质具有一定的帮助。

[1] 王春阳,李连强,李良君,等.井温对螺杆钻具使用性能的影响[J].石油矿场机械,2012,41(11):9～11.

[2] 焦卫东,张清,张耀宗.CO2/H2S对油气管材的腐蚀规律[J].化工机械,2003,30(4):250～253.

[3] 李敏.氢化丁腈橡胶性能研究[J].世界橡胶工业,2002,29(1):2～13.

[4] 闫科委,苏景武.橡胶衬里施工工艺中的难题处理[J].化工机械,2014,41(5):678～679.

[5] 孙国,李朋,韩拉让.丁腈橡胶聚合釜机械密封改造及探究[J].化工机械,2011,38(4):504～505.

[6] 郑华林,郭高垒,马建禄.新型等壁厚螺杆钻具定子结构设计及力学分析[J].石油矿场机械,2011,40(8):74～77.

[7] 黄安民,王小萍,贾德民.氢化丁腈橡胶耐热和耐介质性能[J].弹性体,2006,16(2):63～68.

[8] 禹权,黄承亚,叶素娟.氢化丁腈橡胶的研究进展[J].特种橡胶制品,2006,27(2):56～62.

[9] 郭建华,曾幸荣,李红强,等.过氧化物对246型氟橡胶压缩永久变形的影响[J].橡胶工业,2011,58(12):724～728.

[10] 付铁柱,蔡怀勋,汪星平.氟橡胶及硫化机理概述[J].化工生产与技术,2011,18(5):1～5.

[11] 段栋.不同硫化体系氟橡胶硫化特性及物理性能的对比[J].特种橡胶制品,2010,31(6):41～45.

[12] 苗同勇,刘永旺,赵伟,等.等壁厚螺杆钻具及应用[J].石油矿场机械,2011,40(10):72～76.

*张洪霖，男，1986年8月生，工程师。北京市，102206。

TQ055

B

0254-6094(2016)04-0554-05

2015-07-28，

2016-07-10)