螺杆钻具等壁厚衬套性能分析_韩传军
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参考文献 :
[ 1 ] 魏恒 ,何伟亚. 全漏失深孔螺杆钻具失速的探讨及解决 途径 [ J ]. 探矿工程 (岩土钻掘工程 ) , 1995 ( 4 ) : 22 24.
[ 2 ] 李明谦 ,黄继庆. 螺杆钻具的应用现状及未来发展建议 [ J ]. 石油机械 , 2006, 34 (5) : 73 - 76.
另经计算 ,和等壁厚衬套相比 ,过盈量对常规衬 套与转子接触时力学性能的影响基本保持一致 ,即 过盈越小 ,其对应接触时的 M ises应力 、接触压力和 剪切应力值都会下降 ,但等壁厚衬套接触性能变化 对过盈量非常敏感 。具体对比见表 3。
表 3 不同过盈值下等壁厚衬套接触性能对比
过盈量 最大 M ises应力 最大接触压力
1 力学模型
本文研究的螺杆钻具衬套线型为四头普通内摆 线外等距线 ,等距半径系数 r0 = 1, 内腔最大外径为 114 mm,等壁厚衬套厚度为 10 mm,常规衬套最薄处 也为 10 mm。两种衬套的截面结构如图 1、2所示 。
衬套材料为 NBR,邵尔 A型硬度为 70。标准橡胶 压缩试件采用了施加压缩力的金属板经润滑剂润滑 的方法 , 试件和金属板达到充分润滑 , 以使实验结果 准确可靠 [7] 。室温下弹性模量的测定结果见表 1。
[ 5 ] 杨兆春 ,周海. 单螺杆泵衬套磨损分析 [ J ]. 流体机械 , 1999, 27 (7) : 20 - 23.
[ 6 ] 张劲 ,张士诚. 常规螺杆泵衬套有限元求解策略 [ J ]. 机 械工程学报 , 2004, 40 (5) : 189 - 193.
[ 7 ] GB / T 7757—1993硫化橡胶或热塑性橡胶压缩应力应 变性能的测定 [ S ]. 北京 :中国标准出版社 , 1993.
常规衬套和等壁厚衬套与转子接触时 ,其剪切 应力和 M ises应力分布规律相似 。但相同过盈值下 , 等壁厚衬套的剪切应力较常规定子大 ,而且 ,剪切应 力扩散到了衬套和定子壳体的结合处 (衬套外壁 ) 。 由于衬套和定子壳体是粘接在一起的 ,其结合处的 剪切应力较大 ,会要求更高的接强度和粘接质量 。
在相同增压情况下 ,等壁厚衬套的 M ises应力增 长速度也较常规衬套慢。2种衬套性能对比见表 2。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 4期 韩传军等 : 螺杆钻具等壁厚衬套性能分析
165
压力 /M Pa
10 16
表 2 不同压力下常规衬套和等壁厚衬套力学性能综合对比
最大位移 /mm
最大 M ises应力 /MPa
最大剪切应力 /MPa
常规 等壁厚
常规
等壁厚
常规
等壁厚
0. 162 0. 260
0. 066 0. 106
E0 = 6 ( C10 + C01 ) 依据橡胶压缩实验 ,由于 E0 = 11. 49,取不同的
( C01 /C10 ) 用 AN SYS进行计算 [ 10 ] , 并用仿真结果与 实测结果比较 , C01 /C10 在取 0. 02 时 , 仿真计算值与 实测值最吻合 。此时 , C10 = 1. 879, C01 = 0. 038。
W
= C10 Hale Waihona Puke Baidu I1
- 3)
+ C01 ( I2
- 3)
+ 1 (J - 1) 2 d
(1)
一般而言 ,对橡胶类物理非线性材料 , 假定橡胶
不可压缩 ,则式 ( 1) 变为
W = C10 ( I1 - 3) + C01 ( I2 - 3)
(2)
式中 , C10 , C01 —R ivlin系数 ,均为正定常数 。
的 M ises应力规律相同 ,常规衬套和等壁厚衬套的 最大 M ises应力都分布在衬套内部的凹陷处 。
10MPa下 ,常规衬套的最大 M ises应力为 0. 113 MPa,等壁厚衬套的最大 M ises应力为 0. 093 MPa。而 16 MPa下 ,对应的值为 0. 182MPa (图 5)和 0. 149 MPa (图 6) ,各自的增加量分别为 0. 069和 0. 056 MPa。
目前针对螺杆泵衬套的性能研究较多 ,如杨兆 春等 [ 5 ]研究了螺杆泵衬套的磨损情况 ,张劲等 [ 6 ]对 螺杆泵衬套进行了有限元分析 ,但对高压下螺杆钻 具衬套的研究较少 。本文研究了四头等壁厚衬套和 常规衬套的抗压能力 、不同过盈下的接触性能 。由 于用到橡胶材料 ,所以先进行了丁腈橡胶的力学性 能实验 ,拟合了材料的本构方程系数 ,然后进行了有 限元模拟计算 。
对于大多数橡胶而言 , 在应变为 150% 以内时
可得到合理的近似 。对于橡胶材料 , 其弹性模量 E0
与剪切模量 G有下述关系
G
=
2
/
E0
( 1 +μ)
(3)
由橡胶的不可压缩性得泊松比μ = 0. 5,从而 E0 = 3G, G或 E0 与材料常数的关系为
G = 2 ( C10 + C01 )
[ 8 ] 魏泳涛 ,于建华. 橡胶有限元分析之研究 [ J ]. 四川联合 大学学报 (工程科学版 ) , 1997, 1 (5) : 78 - 82.
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
164
西南石油大学学报 (自然科学版 ) 2008年
弹应用而言 , AN SYS程序本身从求解器 、单元技术 以及解算策略等方法上都进行了完善的设计 , 具有 良好的效率和效果 。工程计算中常用的是 Mooney2 R ivlin双参数模型 [8 - 9 ]
第 30卷 第 4期 西南石油大学学报 (自然科学版 ) Vol. 30 No. 4
2008年 8月 Journal of Southwest Petroleum University ( Science & Technology Edition) Aug. 2008
E0 平均值 11. 49
AN SYS超弹性材料模型有很多种类 , 用户应根 据实际材料的实验特性来选择合适的模型 。对于超
3 收稿日期 : 2007 - 04 - 24 基金项目 : 国家自然科学基金项目 (50474040) 。 作者简介 : 韩传军 (1979 - ) ,男 (汉族 ) ,河南虞城人 ,讲师 ,博士 ,主要从事石油钻采设备现代设计与仿真方面的教学和科研工作 。
引 言
等壁厚定子是螺杆钻具产品中近几年开发的最 新技术 ,该技术的特点是在定子注胶之前 ,在定子壳 体中预先加工出定子的螺旋形状 ,然后再实施注胶 技术 。该技术提高了每一级的密封压力 ,由原来的 每级 0. 8 M Pa提高了 50% ～100% ,在同等扭矩下定 子长度最短 ,寿命也有所提高 [ 1 - 4 ] 。
[ 3 ] Mark McGurk. New PDM motor Iimp roves performance, op2 erating range [ J ]. Reel Reporter, 2002, 7 (3) : 2 - 4.
[ 4 ] Frans Hazenberg, Thorsten Regener. Latest technology equi2 distant power section increases overall performance of a workover motor[ C ]. SPE 74825, 2002.
/mm
/M Pa
/M Pa
最大剪切应力 /M Pa
0. 2
0. 309
0. 4
0. 619
0. 576 1. 091
0. 157 0. 262
3 结 论
(1) 建立了常规螺杆钻具衬套和等壁厚衬套的 力学计算模型 ,利用超弹性有限元法 ,分析了橡胶衬 套在不同压力 、不同过盈量下的形变 、应力和接触情 况 。研究表明 ,和常规衬套相比 ,等壁厚螺杆钻具衬 套有更好的抗压能力 ,能在较高泥浆压力下保持较
2 计算与结果分析
ANSYS超弹性单元类型为 HYPER56,使用相同 的单元尺寸 ,常规衬套共划分 10 012个单元 , 10 427 个节点 ;等壁厚衬套共 4 006 个单元 , 4 384 个节点 (常规衬套比等壁厚衬套横截面积大 ) 。
(1) 不同泥浆压力下的衬套形变及应力 用 10 M Pa和 16 M Pa的泥浆压力分别作用在衬 套内壁 ,计算结果表明 ,随着压力的增高 ,衬套内壁 位移也随之增大 , 16 M Pa内压时常规橡胶衬套的位 移值最大达到了 0. 26 mm (图 3) 。 如果螺杆马达在井下 16 M Pa的压力下正常工 作 ,即保证各个密封腔室之间不互相窜通 、泄漏 (正 常工作中的螺杆钻具允许一定的泄漏存在 ) ,则至少 要保证马达的过盈量要达到 0. 52 mm。而等壁厚衬 套的最大位移值只有 0. 106 mm (图 4) ,在相同的井 底压力下 ,只需要过盈值达到 0. 22即可保证腔室之 间的密封 。 16 M Pa内压下和 10 M Pa内压下衬套各自对应
摘 要 : 螺杆钻具以其独特的优势在定向钻井生产中得到青睐 ,但仍不能广泛应用于深井 、高密度泥浆井以及小曲率 半径的水平井 。目前 ,常规螺杆钻具衬套的内表面是螺旋曲面 ,橡胶衬套厚薄不均 ,衬套抗变形能力低 ,单级承压小 , 泄漏沿程长 ,机械特性软 ,热膨胀不均 、磨损速度快 ,故导致效率持续降低 。因此 ,长度短 、大功率 、高压降 、低转速螺 杆钻具的开发与应用 ,已成为提高钻井效率 、节约钻井成本的重要环节 。为此 ,进行了螺杆钻具橡胶衬套力学性能实 验 ,建立了螺杆钻具等壁厚衬套和常规衬套的力学计算模型 。结果表明 ,在相同压力下 ,等壁厚衬套比常规衬套有更 好的抗形变能力 ;在相同的过盈量下 ,等壁厚衬套有更好的密封能力 。在同等扭矩下 ,等壁厚定子螺杆钻具的定子长 度可以得到缩短 。 关键词 : 钻井 ;螺杆钻具 ;橡胶 ;有限元 中图分类号 : TE821 文献标识码 : A DO I: 10. 3863 / j. issn. 1000 - 2634. 2008. 04. 042
0. 114 0. 182
0. 093 0. 149
0. 064 0. 103
0. 052 0. 083
(2) 不同过盈量下常规衬套和等壁厚衬套的接 触性能
以转子的过盈量分别为 0. 4 mm 和 0. 2 mm 进行 建模计算 , 0. 2 mm 的过盈量使接触时的 M ises应力 、 接触压力和剪切应力值都显著下降 。在 0. 4 mm 过 盈时 ,明显可以看出等壁厚衬套的接触压力较常规 定子大 。所以可以推知 ,相同过盈量下等壁厚衬套 的密封性能要比常规衬套好 。
文章编号 : 1000 - 2634 (2008) 04 - 0163 - 03
螺杆钻具等壁厚衬套性能分析3
韩传军 1 ,邱亚玲 1 ,刘清友 2 ,王国荣 1
(1. 西南石油大学机电工程学院 ,四川 成都 610500; 2.“油气藏地质及开发工程 ”国家重点实验室 ·西南石油大学 ,四川 成都 610500)
小的形变 ;在相同过盈值下 ,有更高的接触压力 。 (2) 等壁厚衬套与定子壳体结合处 ,剪切应力
有一定的增大 ,应用等壁厚衬套要注意其与定子壳 体的粘结强度 ;等壁厚衬套接触性能变化对过盈量 非常敏感 ,转子和衬套间要选择合适的过盈值 。
(3) 等壁厚螺杆钻具抗压能力的提高 ,可以在 提供相同转矩和功率的情况下缩短钻具长度 ,更适 宜应用于小曲率半径的井 。
表 1 试件压缩模量和弹性模量计算表 M Pa
试件编号 N 25 21 N 25 22 N 25 23 N 25 24 N 25 25
压缩模量 Ec 10% 应变 E0 平均值
10. 51
9. 46
13. 48
12. 13
12. 92
11. 62
13. 21
11. 89
13. 72
12. 35
[ 1 ] 魏恒 ,何伟亚. 全漏失深孔螺杆钻具失速的探讨及解决 途径 [ J ]. 探矿工程 (岩土钻掘工程 ) , 1995 ( 4 ) : 22 24.
[ 2 ] 李明谦 ,黄继庆. 螺杆钻具的应用现状及未来发展建议 [ J ]. 石油机械 , 2006, 34 (5) : 73 - 76.
另经计算 ,和等壁厚衬套相比 ,过盈量对常规衬 套与转子接触时力学性能的影响基本保持一致 ,即 过盈越小 ,其对应接触时的 M ises应力 、接触压力和 剪切应力值都会下降 ,但等壁厚衬套接触性能变化 对过盈量非常敏感 。具体对比见表 3。
表 3 不同过盈值下等壁厚衬套接触性能对比
过盈量 最大 M ises应力 最大接触压力
1 力学模型
本文研究的螺杆钻具衬套线型为四头普通内摆 线外等距线 ,等距半径系数 r0 = 1, 内腔最大外径为 114 mm,等壁厚衬套厚度为 10 mm,常规衬套最薄处 也为 10 mm。两种衬套的截面结构如图 1、2所示 。
衬套材料为 NBR,邵尔 A型硬度为 70。标准橡胶 压缩试件采用了施加压缩力的金属板经润滑剂润滑 的方法 , 试件和金属板达到充分润滑 , 以使实验结果 准确可靠 [7] 。室温下弹性模量的测定结果见表 1。
[ 5 ] 杨兆春 ,周海. 单螺杆泵衬套磨损分析 [ J ]. 流体机械 , 1999, 27 (7) : 20 - 23.
[ 6 ] 张劲 ,张士诚. 常规螺杆泵衬套有限元求解策略 [ J ]. 机 械工程学报 , 2004, 40 (5) : 189 - 193.
[ 7 ] GB / T 7757—1993硫化橡胶或热塑性橡胶压缩应力应 变性能的测定 [ S ]. 北京 :中国标准出版社 , 1993.
常规衬套和等壁厚衬套与转子接触时 ,其剪切 应力和 M ises应力分布规律相似 。但相同过盈值下 , 等壁厚衬套的剪切应力较常规定子大 ,而且 ,剪切应 力扩散到了衬套和定子壳体的结合处 (衬套外壁 ) 。 由于衬套和定子壳体是粘接在一起的 ,其结合处的 剪切应力较大 ,会要求更高的接强度和粘接质量 。
在相同增压情况下 ,等壁厚衬套的 M ises应力增 长速度也较常规衬套慢。2种衬套性能对比见表 2。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 4期 韩传军等 : 螺杆钻具等壁厚衬套性能分析
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压力 /M Pa
10 16
表 2 不同压力下常规衬套和等壁厚衬套力学性能综合对比
最大位移 /mm
最大 M ises应力 /MPa
最大剪切应力 /MPa
常规 等壁厚
常规
等壁厚
常规
等壁厚
0. 162 0. 260
0. 066 0. 106
E0 = 6 ( C10 + C01 ) 依据橡胶压缩实验 ,由于 E0 = 11. 49,取不同的
( C01 /C10 ) 用 AN SYS进行计算 [ 10 ] , 并用仿真结果与 实测结果比较 , C01 /C10 在取 0. 02 时 , 仿真计算值与 实测值最吻合 。此时 , C10 = 1. 879, C01 = 0. 038。
W
= C10 Hale Waihona Puke Baidu I1
- 3)
+ C01 ( I2
- 3)
+ 1 (J - 1) 2 d
(1)
一般而言 ,对橡胶类物理非线性材料 , 假定橡胶
不可压缩 ,则式 ( 1) 变为
W = C10 ( I1 - 3) + C01 ( I2 - 3)
(2)
式中 , C10 , C01 —R ivlin系数 ,均为正定常数 。
的 M ises应力规律相同 ,常规衬套和等壁厚衬套的 最大 M ises应力都分布在衬套内部的凹陷处 。
10MPa下 ,常规衬套的最大 M ises应力为 0. 113 MPa,等壁厚衬套的最大 M ises应力为 0. 093 MPa。而 16 MPa下 ,对应的值为 0. 182MPa (图 5)和 0. 149 MPa (图 6) ,各自的增加量分别为 0. 069和 0. 056 MPa。
目前针对螺杆泵衬套的性能研究较多 ,如杨兆 春等 [ 5 ]研究了螺杆泵衬套的磨损情况 ,张劲等 [ 6 ]对 螺杆泵衬套进行了有限元分析 ,但对高压下螺杆钻 具衬套的研究较少 。本文研究了四头等壁厚衬套和 常规衬套的抗压能力 、不同过盈下的接触性能 。由 于用到橡胶材料 ,所以先进行了丁腈橡胶的力学性 能实验 ,拟合了材料的本构方程系数 ,然后进行了有 限元模拟计算 。
对于大多数橡胶而言 , 在应变为 150% 以内时
可得到合理的近似 。对于橡胶材料 , 其弹性模量 E0
与剪切模量 G有下述关系
G
=
2
/
E0
( 1 +μ)
(3)
由橡胶的不可压缩性得泊松比μ = 0. 5,从而 E0 = 3G, G或 E0 与材料常数的关系为
G = 2 ( C10 + C01 )
[ 8 ] 魏泳涛 ,于建华. 橡胶有限元分析之研究 [ J ]. 四川联合 大学学报 (工程科学版 ) , 1997, 1 (5) : 78 - 82.
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
164
西南石油大学学报 (自然科学版 ) 2008年
弹应用而言 , AN SYS程序本身从求解器 、单元技术 以及解算策略等方法上都进行了完善的设计 , 具有 良好的效率和效果 。工程计算中常用的是 Mooney2 R ivlin双参数模型 [8 - 9 ]
第 30卷 第 4期 西南石油大学学报 (自然科学版 ) Vol. 30 No. 4
2008年 8月 Journal of Southwest Petroleum University ( Science & Technology Edition) Aug. 2008
E0 平均值 11. 49
AN SYS超弹性材料模型有很多种类 , 用户应根 据实际材料的实验特性来选择合适的模型 。对于超
3 收稿日期 : 2007 - 04 - 24 基金项目 : 国家自然科学基金项目 (50474040) 。 作者简介 : 韩传军 (1979 - ) ,男 (汉族 ) ,河南虞城人 ,讲师 ,博士 ,主要从事石油钻采设备现代设计与仿真方面的教学和科研工作 。
引 言
等壁厚定子是螺杆钻具产品中近几年开发的最 新技术 ,该技术的特点是在定子注胶之前 ,在定子壳 体中预先加工出定子的螺旋形状 ,然后再实施注胶 技术 。该技术提高了每一级的密封压力 ,由原来的 每级 0. 8 M Pa提高了 50% ～100% ,在同等扭矩下定 子长度最短 ,寿命也有所提高 [ 1 - 4 ] 。
[ 3 ] Mark McGurk. New PDM motor Iimp roves performance, op2 erating range [ J ]. Reel Reporter, 2002, 7 (3) : 2 - 4.
[ 4 ] Frans Hazenberg, Thorsten Regener. Latest technology equi2 distant power section increases overall performance of a workover motor[ C ]. SPE 74825, 2002.
/mm
/M Pa
/M Pa
最大剪切应力 /M Pa
0. 2
0. 309
0. 4
0. 619
0. 576 1. 091
0. 157 0. 262
3 结 论
(1) 建立了常规螺杆钻具衬套和等壁厚衬套的 力学计算模型 ,利用超弹性有限元法 ,分析了橡胶衬 套在不同压力 、不同过盈量下的形变 、应力和接触情 况 。研究表明 ,和常规衬套相比 ,等壁厚螺杆钻具衬 套有更好的抗压能力 ,能在较高泥浆压力下保持较
2 计算与结果分析
ANSYS超弹性单元类型为 HYPER56,使用相同 的单元尺寸 ,常规衬套共划分 10 012个单元 , 10 427 个节点 ;等壁厚衬套共 4 006 个单元 , 4 384 个节点 (常规衬套比等壁厚衬套横截面积大 ) 。
(1) 不同泥浆压力下的衬套形变及应力 用 10 M Pa和 16 M Pa的泥浆压力分别作用在衬 套内壁 ,计算结果表明 ,随着压力的增高 ,衬套内壁 位移也随之增大 , 16 M Pa内压时常规橡胶衬套的位 移值最大达到了 0. 26 mm (图 3) 。 如果螺杆马达在井下 16 M Pa的压力下正常工 作 ,即保证各个密封腔室之间不互相窜通 、泄漏 (正 常工作中的螺杆钻具允许一定的泄漏存在 ) ,则至少 要保证马达的过盈量要达到 0. 52 mm。而等壁厚衬 套的最大位移值只有 0. 106 mm (图 4) ,在相同的井 底压力下 ,只需要过盈值达到 0. 22即可保证腔室之 间的密封 。 16 M Pa内压下和 10 M Pa内压下衬套各自对应
摘 要 : 螺杆钻具以其独特的优势在定向钻井生产中得到青睐 ,但仍不能广泛应用于深井 、高密度泥浆井以及小曲率 半径的水平井 。目前 ,常规螺杆钻具衬套的内表面是螺旋曲面 ,橡胶衬套厚薄不均 ,衬套抗变形能力低 ,单级承压小 , 泄漏沿程长 ,机械特性软 ,热膨胀不均 、磨损速度快 ,故导致效率持续降低 。因此 ,长度短 、大功率 、高压降 、低转速螺 杆钻具的开发与应用 ,已成为提高钻井效率 、节约钻井成本的重要环节 。为此 ,进行了螺杆钻具橡胶衬套力学性能实 验 ,建立了螺杆钻具等壁厚衬套和常规衬套的力学计算模型 。结果表明 ,在相同压力下 ,等壁厚衬套比常规衬套有更 好的抗形变能力 ;在相同的过盈量下 ,等壁厚衬套有更好的密封能力 。在同等扭矩下 ,等壁厚定子螺杆钻具的定子长 度可以得到缩短 。 关键词 : 钻井 ;螺杆钻具 ;橡胶 ;有限元 中图分类号 : TE821 文献标识码 : A DO I: 10. 3863 / j. issn. 1000 - 2634. 2008. 04. 042
0. 114 0. 182
0. 093 0. 149
0. 064 0. 103
0. 052 0. 083
(2) 不同过盈量下常规衬套和等壁厚衬套的接 触性能
以转子的过盈量分别为 0. 4 mm 和 0. 2 mm 进行 建模计算 , 0. 2 mm 的过盈量使接触时的 M ises应力 、 接触压力和剪切应力值都显著下降 。在 0. 4 mm 过 盈时 ,明显可以看出等壁厚衬套的接触压力较常规 定子大 。所以可以推知 ,相同过盈量下等壁厚衬套 的密封性能要比常规衬套好 。
文章编号 : 1000 - 2634 (2008) 04 - 0163 - 03
螺杆钻具等壁厚衬套性能分析3
韩传军 1 ,邱亚玲 1 ,刘清友 2 ,王国荣 1
(1. 西南石油大学机电工程学院 ,四川 成都 610500; 2.“油气藏地质及开发工程 ”国家重点实验室 ·西南石油大学 ,四川 成都 610500)
小的形变 ;在相同过盈值下 ,有更高的接触压力 。 (2) 等壁厚衬套与定子壳体结合处 ,剪切应力
有一定的增大 ,应用等壁厚衬套要注意其与定子壳 体的粘结强度 ;等壁厚衬套接触性能变化对过盈量 非常敏感 ,转子和衬套间要选择合适的过盈值 。
(3) 等壁厚螺杆钻具抗压能力的提高 ,可以在 提供相同转矩和功率的情况下缩短钻具长度 ,更适 宜应用于小曲率半径的井 。
表 1 试件压缩模量和弹性模量计算表 M Pa
试件编号 N 25 21 N 25 22 N 25 23 N 25 24 N 25 25
压缩模量 Ec 10% 应变 E0 平均值
10. 51
9. 46
13. 48
12. 13
12. 92
11. 62
13. 21
11. 89
13. 72
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