全金属螺杆式水力振荡器研究现状与关键技术

技术改造
294全金属螺杆式水力振荡器研究现状与关键技术
李盛华1，2
（1.中石化石油机械有限公司研究院，湖北武汉430223；2.中石化石油机械装备重点实验室，湖北武汉430223）摘要：螺杆式水力振荡器作为一种新型的减阻工具，可以有效减小钻柱与井壁之间的摩阻，是当前应用广泛的钻井提速提效工具
之一。

螺杆式水力振荡器的耐温性是其研究的热点所在，可以扩宽其工程应用范围和延长工作寿命，在深井超深井钻探领域，具有良好的发展前景。

本文在阐明全金属螺杆式水力振荡器的基本原理和工作特性基础上，调研分析国内外全金属螺杆式水力振荡器的发展，提出全金属螺杆式水力振荡器关键技术；最后优选定子材料，加工工艺及表面强化工艺，完成全金属螺杆式水力振荡器试制，为国内开展全金属螺杆式水力振荡器研发提供参考。

关键词：全金属螺杆式水力振荡器；高温高压；表面强化；金属材料
1引言
螺杆式水力振荡器作为一种新型的减阻工具，可以有效减小钻柱与井壁之间的摩阻，是当前应用广泛的钻井提速提效工具之一[1]。

然而随着钻井深度和井下温度的不断提高，常规螺杆式水力振荡器无法满足钻井需求，螺杆式水力振荡器的耐温性是其研究的热点所在。

全金属螺杆式水力振荡器由金属定子、金属转子组成的动力短接和振动短接组成，具有良好的耐温性，国内外对这新型钻井提速工具进行科技攻关，目前还处于实验室研究阶段，具有一定的先进性。

本文重点调研分析了全金属螺杆式水力振荡
器的研究现状，并从水力设计技术、定子成型技术、表面强化技术等4方面分析了全金属螺杆式水力振荡器研究的关键技术，并完成了样机试制，对国内全金属螺杆式水力振荡器的研发、制造具有重要意义。

2全金属螺杆式水力振荡器概述及研究现状
全金属螺杆式水力振荡器由振动短节、动力短节和动力阀3部分构成。

动力短节为1/2头螺杆马达结构，在转子下方设计有脉冲动力阀。

在钻井液作用下，转子驱动转子阀产生周期往复运动。

图1全金属螺杆式水力振荡器结构
全金属螺杆式水力振荡器在具体工作过程中，3个部分发挥的作用是不同的。

其中动力短节的作用主要是为后续的结构提供动力，其中动力源为钻井液，通过钻井液的驱动，使转子旋转产生压差。

动力阀主要是根据动力短节传输过来的压差进行操作，通过压力的改变形成不同的动力形式。

振荡短节根据动力短节传输过来的压力产生振荡，形成整个振荡器的连续的高频低幅振动，这种高频低幅连续振动冲击，使得钻柱与井壁的静摩擦转换为动摩擦，从而大幅度降低摩阻，减少钻头的托压现象，达到实现钻井提速的目的[3]。

2014年，美国贝克休斯公司开发了一种能够适应高温的定向钻井系统。

其中，马达选用了全金属螺杆马达，并成功制造出世界上第一台精密加工的全金属螺杆马达，解决了定转子加工精度控制、定转子表面耐磨技术、金属定转子的装配技术等3个主要问题[5]。

其中应用于水力振荡器的1/2头全金属马达还在试验论证阶段。

国内进行全金属螺杆式水力振荡器相关研究的科研院所有长江大学，渤海钻探、胜利钻井院等，但未实现商业化。

总体来说国内外全金属水力振荡器的研究工作都处于原理机研究阶段。

3关键技术
3.1水力设计技术
全金属螺杆马达是水力振荡器的核心部件，其性能及容积效率直接决定了水力振荡器的使用寿命和额定工作频率。

全金属螺杆马达水力设计的目的是最大提高容积效率和机械效率，其定、转子间隙的取值是定、转子设计的关键之一。

当定、转子之间的间隙选取过大时，将导致钻井液漏失过大，从而影响马达容积效率；而定、转子间隙较小又给加工制造带来难题，同时使得两者之间的机械摩擦加大，机械效率降低，相反降低了其工作效率和寿命。

考虑到转子受力条件复杂，工作状态多变，需要采用流固耦合仿真技术进行水力设计研究，优选定、转子配合间隙。

3.2定子成型技术
常规螺杆马达的定子为橡胶制造，定、转子之间为过盈配合，橡胶的弹性对两者之间的配合做了很好的补偿，而全金属螺杆马达的定子和转子均为金属制造，尤其是定子作为复杂的长内孔曲线，加工制造难度极大。

当前定子的加工方法包括机加工、机械成型、电解成型等[6-7]，这些方法优缺点如表1所示，在保证全金属螺杆马达的高效率前提下，结合不同加工经济性及成熟度分析，笔者建议选择机加工法中车削一体成型法。

表1全金属螺杆定子成型技术优缺点
成型技术
优点
缺点
机加工法
车削一体成型
加工精度高
需要专用机床，成本较高分瓣铣削组合成型加工范围不受导程、偏心距、大小径等线型参数制约
精度较低
多段组合焊接成型
多段组合存在累积误差，精度较差
机械成型法
挤压成型
材料消耗少，工件表面质量和尺寸精度
加工难度较大；两次成型，工作效率低，产品精度
《装备维修技术》2021年第14期
295高
较低
精铸成型生产效率高
铸件存在气孔和砂眼等缺陷，降低了定子的强度，直接影响定子性能和使用寿命
冲压成型
不受线型参数制约，成本低
不受线型参数制约，成本低；可靠性存疑电解成型法加工材料范围广、成型精度高、电级组件可重复利用技术不成熟，1/2头金属定子还未做过相关尝试液压成型法
精度高
技术不成熟，国外封锁
3.3表面强化技术
全金属螺杆式水力振荡器转子相对于金属定子高速旋转，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。

为了避免定、转子与泥浆的直接接触，需要对定转子表面进行处理，增加涂层隔离泥浆与定、转子，目前通常采用的方法是在转子表面电镀硬铬镀层，以增大转子的耐腐蚀性、耐磨蚀性和表面硬度，定子选择辉光渗氮处理方式。

该工艺较适合于螺杆马达定转子这种复杂曲面的表面处理，同时这种表面改性技术，可解决常规镀铬工艺镀铬层易于出现孔洞和裂纹的问题，大大提高了全金属螺杆定、转子的耐磨性和寿命。

3.4定转子材料技术
全金属马达中定子和转子相互啮合，磨损是难以避免的，这就要求摩擦副选择合理的材料。

摩擦副材料一般要求软硬搭配，铁基材料具有综合性能良好、价格低廉等特点，且在高温高负荷下有着优良的摩擦性能，机械强度高，但在低速时磨损量相当大。

铁基的热稳定性高，缺点是与对偶件具有亲和性，容易产生粘着胶合，摩擦系数波动较大，容易出现异常磨损，产生噪声等。

国
外研究单位在定子转子之间插入铜合金材料。

铜基材料虽然成本较高，但其性能稳定、磨合性好，已有研究证明，38CrMoA 与氟塑料青铜组合，具有更好的润滑性和抗磨能力，形成定子－铜棒－转子三者之间的啮合关系，避免硬度较高的两种金属直接接触，这类设计也为高温下全金属摩擦副配合提供了较好的设计思路。

国内出于经济性和加工技术限制，笔者建议定子材料选择38CrMoAl，转子材料选择42CrNiMo，通过对定子、转子表面硬度控制保证全金属摩擦副长时间运行。

4全金属螺杆式水力振荡器样机试制
结合钻井作业实际需要，研制的33/4”全金属螺杆式水力振荡器适用于直径在139.7mm 的井眼，其中技术参数如：工具外径95mm，推荐排量5.67~8.82L/S 额定排量7.57L/S，耐温220℃，额定频率25HZ，平均压降≤2.5Mpa，总长2.4m。

定、转子加工及表面处理等技术要求如下：定子材料38CrMoAl，转子材料42CrNiMo，定、转子低温氮化表面处理，渗氮层厚0.5mm，定子硬度HV900，转子硬度HV650。

同时样机完成了地面室内试验，试验效果达到预期。

图2全金属螺杆式水力振荡器样机地面试验
5结论与展望
（1）全金属螺杆式水力振荡器具有耐高温性，应用前景广阔，国内外对于全金属螺杆式水力振荡器的研究，主要还停留在样机研究阶段，距离商业应用需要进行多项技术攻关。

（2）全金属螺杆式水力振荡器研制难点主要在于螺杆马达中定子的制造加工，这是保证全金属螺杆式水力振荡器工作性能的前提，从技术成熟度、经济性考虑，机加工一体化车削成型制造工艺是一种目前适应长螺旋内孔的制造工艺。

(3)研制全金属螺杆式水力振荡器，必须在流固耦合水力设计，表面强化，定子成型等技术方面进行攻关，需要多学科之间的协同创新研究。

(4)全金属螺杆式水力振荡器的地面室内试验验证了全金属螺杆式水力振荡器原理可行性，下一步需结合钻井实际工况进行现场试验进一步验证其工业推广价值。

参考文献：
[1]明瑞卿,张时中,王海涛,洪毅,姜书龙.国内外水力振荡器的研究现
状及展望[J].石油钻探技术,2015,43(05):116-122.
[2]王智锋.水力脉冲破岩机理及应用研究[D].中国石油大学(华东),2005.
[3]田家林,李友,余长柏,杨琳,杨志,付传红,朱永豪.钻井减摩振荡器工作特性研究与试验分析[J].机械设计,2015,11:68-73.
[4]Kolle J J,Theimer A R,Fraser A W,et al.Predicting the Extended Reach Capabilities of a Water-Hammer Tool with Variable Bypass Control[C]//SPE/ICoTA
Coiled
Tubing
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Intervention
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[7].刘希敏，王树强.内螺旋齿面非典型成形铣削方法及应用技术.研究[J].现代制造工程，20145）：81-84。