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行业知识|连续油管井下动力钻具-螺杆马达

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螺杆钻具又被称为容积式马达(Positive Displacement Motor),是上世纪 60年代中期发展起来的一种高性能容积式井底钻具。螺杆钻具在工作过程中,由地面泵注设备提供的高压流体,通过螺杆马达相邻空腔之间的液体的压力差推动转子转动,将高压液体的压力能转化为钻头转动的机械能,带动钻头转动。

连续油管螺杆马达通常用来钻除井筒内的桥塞、水泥塞等堵塞物,考虑到连续油管内径、井筒内径、连续油管管柱疲劳损耗、泵压等多方面因素,目前连续油管常用的螺杆马达外径多为73mm,比钻井用螺杆钻具要小得多。连续油管螺杆钻具主要由马达总成、万向轴总成和传动轴总成等部件组成。马达总成由转子和定子组成,两者的轮廓相互耦合,在泵注液体推动下形成连续旋转推进的空腔; 万向轴总成由内部的轴体和外部的壳体组成,轴体将转子的偏心旋转转变为定轴旋转,壳体通过弯角实现造斜; 传动轴总成主要由轴向推力轴承、径向扶正轴承和传动轴组成,承载钻压、钻头交变载荷并输出扭矩和转速。

防掉总成的作用时当井下螺杆壳体断裂或脱扣时,使得防掉部件发生相对位置变化,通过泵压异常信号的判断,及时正确判断起钻,从而避免造成落井事故。

马达总成的工作原理是莫诺泵(Mono pump)的逆向应用。它由定子和转子组成。转子与定子相互啮合,是用两者的导程差而形成的螺旋密封线,同时形成密封腔。随着转子在定子中的移动,密封腔沿着轴向移动,在高压液体的压力作用下,空腔下移使得转子一边自转一边绕定子轴线做行星运动。
常规螺杆钻具定子的螺旋曲面是在钢管内壁用橡胶压注而成,截面结构如下左图。构成螺旋线的橡胶厚度相差很多,为非等壁厚结构。存在以下几个缺点:(1)输出扭矩低。由于橡胶的机械强度、硬度较低,钻压加大时橡胶会变形;(2)热应力大、低寿命。由于橡胶厚度相差很多,定子工作时热扩散率相差很大,造成局部过热及不均匀变形,易出现橡胶掉块、撕裂和脱胶,导致马达过早失效;(3)工作不稳定。由于橡胶壁厚不均匀,抗变形能力低,单级承压小,磨损速度快,效率随使用时间的增长而降低,工作稳定性差。

等壁厚螺杆钻具是将马达金属定子内壁加工出与橡胶衬套相配合的螺旋曲面,使橡胶衬套成为等壁厚结构(如下右图),相当于为压注在定子内的橡胶加上了金属骨架。这一特殊结构使其克服和改进了常规螺杆钻具的诸多缺陷,而且使钻具寿命大幅度提高并具备了高输出扭矩的特点,因此比常规钻具更适合在复杂工况条件下工作。橡胶层厚度均匀具有以下显著优点: (1)可以避免常规定子橡胶滞后热的积聚效应,降低因之导致的橡胶破坏风险; (2)散热性好,可有效减缓橡胶的热老化,可以适应更高的井底温度; (3)热膨胀、溶胀均匀,有效保证马达线型,提高密封性; ④橡胶层薄,单级密封压力高。

通常,等壁厚的螺杆钻具单级压降要比常规螺杆钻具提高 50%-100%,橡胶层的抗变形能力提高,相同压力下,等壁厚定子橡胶层的变形量要远小于常规定子橡胶层的变形量,转子与橡胶层间只需较小的过盈量即可达到密封效果,大大提高了钻具的输出效率。

定子橡胶一般选用丁腈橡胶和氢化丁腈生胶。根据橡胶工作温度,如果温度不高于120℃,选择丁腈橡胶;使用温度超过120℃,优选氢化丁腈橡胶。

转子作为马达总成的重要组成部分,目前绝大多数为镀硬铬表面处理工艺,采用此工艺处理的表面光洁度较高,硬度也较高,在干摩擦环境下,摩擦系数较低,会提高马达转子的耐磨性。马达转子的螺旋线有单头和多头之分(定子的螺旋线头数比转子多1)。转子的头数越少,转速越高,扭矩越小,头数越多,转速越低,扭矩越大。

万向轴总成的作用时将马达总成行星运动转变为传动轴的定轴运动,将马达产生的扭矩及转速传递给传动轴至钻头。万向轴一般有瓣形和挠轴形两种。

传动轴总成主要由轴向推力轴承、径向扶正轴承和传动轴组成,承载钻压、钻头交变载荷并输出扭矩和转速。


螺杆马达作为典型的容积式钻具,在不计损失时,根据容积式钻具工作过程中的能量守恒,在单位时间内输出的机械能,应该等于螺杆马达输入的水力能,则有:

式中:MT-马达的理论扭矩,N.m;ωT-理论角速度,r/s;Δp-马达进出口的压力降,Mpa;Q-排量,m³/s;nT-马达理论转速,r/s;q -马达每转排量,m³/r;NT-理论功率,W。

由以上各式得出螺杆钻具的两个基本性能:

(1)理论转矩MT与马达进、出口间的压降Δp成正比。马达的输出扭矩与马达的压降成正比。正常工作状态下,循环液压降随钻压的增大而增大。随着钻压逐步增加,循环液压力逐渐上升,压降也相应增大,扭矩增加的同时也增加了井底切削力矩; 未达到临界钻压前,螺杆马达转速只是稍有下降,继续增加钻压,当钻压达到临界钻压,循环液在马达两端产生的压降达到临界值时,螺杆马达转速急剧降低到零,发生制动现象。这种情况对工具损害极大,应尽力避免。

(2)理论转速nT与循环液排量Q成正比而与钻压无关。一般在钻进过程中,流进螺杆马达的循环液排量是不变的,螺杆马达转速只与流量有关而受钻压影响很小,因此螺杆马达转速基本不变,不会因为加大钻压而使钻头转速明显减小。

实际作业过程中,为达到马达的较好工作状态,应格外注意以下几点:

(1)钻进速度的控制。转速增加,磨铣速度将同步增加,磨铣转速不影响循环效果,高转速有利于提高磨铣速度。即在同样磨铣速度下,提高转速,相应降低钻压,有助于保持良好的磨铣工况。钻时速度过快,有可能造成马达回转,发生事故。很多螺杆马达失速停转,是由于对钻磨工艺有些方面存在错误的认识,或者没有作任何优化。一旦没有进尺,首先尝试加大钻压,通过磨鞋施加到桥塞上来提高钻进速度。然而增加到马达上的负荷,可能导致后续马达停转,从而需要上提钻具再次开始钻磨,花费更多的时间。另一方面,如果对钻进速度在不同位置大幅下降,引起了足够的注意,就会考虑到导致进尺停滞,是由于有更坚硬物体需要钻磨掉,需要的钻压更大,从而造成马达停转。

(2)工作压差的控制。工作压差反映螺杆马达的工作状态。上提离开桥塞面,记录上提离塞泵压,加压钻进时,泵压升高,存在一定工作压差,施工过程中应根据工作压差调整钻压。钻压过大,虽然存在较大工作压差,但可能造成螺杆马达失速,造成无进尺,应根据失速临界钻压调整钻压。无工作压差说明螺杆马达已损坏,应起钻检查。工作压差较小说明螺杆马达效率低下,应起钻更换。


(3)工作液清洁度的把控。工作液的清洁与否关系到螺杆马达的是否能够正常工作,现场作业由于污水池太脏,含有一些大颗粒的机械杂质,但地面并未安装高精度过滤器,高压过滤器精度不够,液体中的砂或杂质在进入马达后,极有可能会在螺杆马达中沉淀,造成螺杆马达堵塞,出现压裂泵车压力过高,且出口液量小甚至无返出。钻磨工作液主要以回收压裂液为主,若未进行现场黏度检测,采取增黏措施,工作液携岩能力很难达到要求。工作液良好的携岩性将大大减少螺杆马达重复磨铣,降低卡钻风险和频率。由于复合桥塞牙块容易断碎成大块,导致磨铣过程中产生的碎屑颗粒大小不一,对钻磨使用的工作液的携岩性提出了更高的要求,及时将磨铣的碎屑循环带出井筒,可大大减少重复磨铣,提高钻磨效率。

螺杆马达在现场作业结束后应及时进行简单的维护保养,防止马达内部存在矿化度较高的工作液或者腐蚀性液体,造成马达定子、转子或其他部件的的腐蚀或损坏,提前结束螺杆马达寿命。现场若不具备保养条件,可以采用管钳将马达传动轴转动5-6圈转出螺杆内工作液,然后从螺杆马达上端导入清水,在使用管钳转动数圈直至清水流出,最后注入少量植物油到螺杆马达内。

因螺杆马达在实际钻磨过程中往往需承受包括轴向力、径向力、扭矩以及井眼轨迹等带来的多方面的叠加影响,长时间的井筒钻磨作业,除了会加快马达定子橡胶的老化程度,同时也会导致马达内部各种金属部件的疲劳,甚至出现裂纹。所以在最终进行螺杆马达维护保养的时候,不光要对螺杆马达的防掉总成进行加固确认,还需对螺杆马达各个金属部件进行探伤处理,防止再次入井作业时因金属部件裂纹导致螺杆马达断裂落井,造成难以挽回的井下事故。螺杆马达作为连续油管井下工具的重要组成部分,实际作业过程中,应由专人建立单根马达的运转台账,以记录和跟踪马达的使用及维护保养情况,确保在使用时心中有数,有的放矢,从而更好的提高钻磨效率和保障井下作业安全。

文章来源:连续油管

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