中空转子螺杆钻具工作特性分析_张玉英

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:A

Working Performance of Scre w Drilling Tool Using H ollow Rotor

ZHAN 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

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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 /(2

π)　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(2

ΔP/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 /(2

π)=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)

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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