井下動力鉆具用容積式金屬葉片馬達(dá)原理研究

于興勝，米凱夫，聶潔凈，羅西超

(中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院 北京石油機(jī)械廠，北京 100083)①

?

井下動力鉆具用容積式金屬葉片馬達(dá)原理研究

于興勝，米凱夫，聶潔凈，羅西超

(中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院 北京石油機(jī)械廠，北京 100083)①

容積式金屬葉片馬達(dá)是一種適用于微小井眼鉆修井作業(yè)、高溫井、復(fù)雜泥漿體系等條件下的新型井下動力鉆具。其定子材料為金屬，克服了螺桿鉆具定子橡膠的不足。為了分析金屬葉片馬達(dá)的運(yùn)動特性，基于圓柱繞流理論，研究了馬達(dá)內(nèi)部高、低壓腔的形成機(jī)理。建立了閥口節(jié)流棒升力數(shù)學(xué)模型，分析了閥口節(jié)流棒渦運(yùn)動的規(guī)律以及配流殼體開口的特殊方式對壓力分布的影響。研究內(nèi)容及結(jié)果可為容積式金屬葉片馬達(dá)的設(shè)計提供理論依據(jù)。

鉆具；井下液壓馬達(dá)；原理

螺桿鉆具是目前油氣鉆井中應(yīng)用最為廣泛的一種消耗性井下動力鉆具，因定子采用性能相對薄弱的橡膠材料，故其耐溫和耐腐蝕性能成為了鉆井工程中難以克服的“瓶頸”問題[1-3]。隨著勘探開發(fā)進(jìn)一步面向深層、復(fù)雜區(qū)塊和低品位油氣資源，井下工況更趨復(fù)雜，安全、快速鉆井及油氣藏高效開發(fā)對井下動力鉆具產(chǎn)品提出了更高要求[4-6]，尤其是面向微小井眼鉆/修井作業(yè)、高溫井、復(fù)雜泥漿體系，迫切需要一種新型井下動力鉆具來滿足油氣鉆井工程技術(shù)發(fā)展的特殊需求。為此，北京石油機(jī)械廠研制了一種全新結(jié)構(gòu)的容積式金屬葉片馬達(dá)，其定子采用全金屬材料，在不降低輸出性能的前提下，克服了傳統(tǒng)螺桿鉆具馬達(dá)定子橡膠材料的不足，更好地適應(yīng)復(fù)雜泥漿體系及井底高溫，為油氣勘探開發(fā)鉆/修井作業(yè)提供了一種新技術(shù)、新工具。

1　工作原理及運(yùn)動分析

金屬葉片馬達(dá)的總體結(jié)構(gòu)主要包括定子、轉(zhuǎn)子、閥口節(jié)流棒、配流殼體、軸承組、連接軸和傳動軸總成等。整個金屬葉片馬達(dá)至少需要兩級構(gòu)成，且兩級轉(zhuǎn)子之間相位差為90°，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)子360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

在鉆進(jìn)過程中，流體通過兩級轉(zhuǎn)子形成兩個高壓區(qū)和兩個低壓區(qū)，在壓力作用下產(chǎn)生力偶驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。當(dāng)驅(qū)動第1級轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)90°后，壓力處于平衡狀態(tài)，此時處于相對位置的第2級轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)90°，以此循環(huán)完成圓周運(yùn)動。流體在高壓區(qū)形成壓力做功，按照流體勢能減少方向流動排泄到馬達(dá)外。上述馬達(dá)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動屬于同心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，既可以在結(jié)構(gòu)上省略萬向節(jié)的設(shè)計，又可降低鉆柱的振動，提高作業(yè)效率，改善井眼質(zhì)量。

2　壓力腔形成機(jī)理研究

如上所述，實現(xiàn)金屬葉片馬達(dá)轉(zhuǎn)子同心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的關(guān)鍵在于高、低壓力腔的形成，而閥口節(jié)流棒和配流殼體是形成壓力腔的關(guān)鍵部件。

2.1壓力差理論基礎(chǔ)

在馬達(dá)設(shè)計中采用圓柱繞流原理，即將一個圓柱體放在靜止的流體中，無窮遠(yuǎn)處的平行流從與該圓柱體軸垂直的方向繞過一個半徑為R的無限長圓柱[7]。由于流體具有黏性，因此在圓柱表面產(chǎn)生阻力。這種阻力是由流體繞圓柱所引起的壓力差和摩擦應(yīng)力造成的，一般來說，壓力差是起主導(dǎo)作用的因素[8-9]。

根據(jù)上述理論，將閥口節(jié)流棒放置在配流殼體內(nèi)部，利用配流殼體開口的特殊方式迫使閥口節(jié)流棒產(chǎn)生一個升力，保證閥口節(jié)流棒隨著流體流動向同一方向運(yùn)動，從而將馬達(dá)內(nèi)部空間分割成高、低壓密封腔。如圖1所示，流場中υ1<υ2，高速處形成低壓區(qū)，閥口節(jié)流棒受到向上的升力。因此，閥口節(jié)流棒升力的確定，是設(shè)計容積式金屬葉片馬達(dá)的關(guān)鍵參數(shù)。

圖1　圓柱繞流理論模型

2.2閥口節(jié)流棒升力數(shù)學(xué)模型

基于圓柱繞流理論，假設(shè)流體密度為ρ，無窮遠(yuǎn)處來流速度為u∞，來流壓力為p∞，如圖2所示，圓柱體上取某一微元面積，在單位長度上由壓力差p和摩擦切應(yīng)力τ引起的微元阻力為：

δFD=(pcosθ+τsinθ)δs

(1)

(2)

式中：R為圓柱半徑；d為圓柱半徑；δθ為微元對應(yīng)的圓心角。

圖2　圓柱繞流微元受力模型

繞整個封閉曲線積分得到：

(3)

式中：FD為圓柱所受升力；θ為圓心角；dS為微元投影面積。

設(shè)阻力系數(shù)為

(4)

式中：CP為壓力系數(shù)；Cf為摩擦因數(shù)。

壓力系數(shù)

(5)

來流的動壓力

(6)

式中：p0為滯止壓力，即θ=0時的壓力。

因此，將式(6)代入式(5)，壓力系數(shù)又可表示為：

(7)

設(shè)表面摩擦因數(shù)

(8)

由于摩擦切應(yīng)力τ造成的阻力很小，可忽略不計，故

(9)

從而求得流體所受的阻力，即升力：

(10)

式中：A0為與流速方向垂直的影流投影面積。

2.3最小滯止壓力的確定

流體作用在閥口節(jié)流棒如圖3所示。閥口節(jié)流棒質(zhì)量100 g，直徑10 mm，平行流體作用在圓柱體表面0到90°位置，其壓力p=p0。

一是有利于開拓教學(xué)新陣地。院校各系部、各教研室可以結(jié)合自身特點開設(shè)專欄，及時發(fā)布并更新政府部門制定的一系列會計、稅收、工商等財經(jīng)法規(guī)，引入在線精品課程、在線題庫、在線交流、掌上高校等教學(xué)資源，作為會計教學(xué)的出發(fā)點和落腳點。同時，積極回應(yīng)學(xué)生、企事業(yè)單位、學(xué)生家長和社會關(guān)注的問題，利用微博、微信及時處理學(xué)生反應(yīng)的問題，解疑釋惑。

圖3　流體作用在閥口節(jié)流棒示意

根據(jù)已知條件p=p0，代入式(10)得到CP=1。

故當(dāng)θ=0→90°時，

推導(dǎo)出

故

因此，當(dāng)最小滯止壓力p0=50 kPa時，來流可以將100 g的閥口節(jié)流棒自如浮起來，即當(dāng)流體壓力達(dá)到50 kPa時，閥口節(jié)流棒能夠?qū)⑷~片馬達(dá)內(nèi)腔分割成高壓腔和低壓腔。

3　閥口節(jié)流棒壓力分布研究

3.1閥口節(jié)流棒渦運(yùn)動的特點

分離流和渦運(yùn)動是流體運(yùn)動中的基本物理現(xiàn)象。粘性流體繞過圓柱時，會在圓柱表面形成流體邊界層。當(dāng)雷諾系數(shù)較大時，流體可能在圓柱尾部分離，并不斷產(chǎn)生漩渦，形成尾流渦街，使得圓柱表面的阻力和升力增大，產(chǎn)生振動和噪聲。因此，需有效控制圓柱繞流渦的形式。

圓柱受到的阻力包括壓差阻力和摩擦阻力，應(yīng)盡量使圓柱表面附近的流體沿表面切線方向的動量增加，流動加速，從而導(dǎo)致流體的分離點后移，圓柱尾流中流體分離的區(qū)域減少，故壓差阻力減少，避免流體分離點靠近圓柱，進(jìn)而避免引起渦爆，使圓柱產(chǎn)生振動和噪聲。

圖4　配流殼體開口圓柱繞流流態(tài)

3.2閥口節(jié)流棒壓力分布

閥口節(jié)流棒壓力分布是否合理，是馬達(dá)高壓腔和低壓腔形成的基本條件，也關(guān)系到金屬馬達(dá)輸出性能。其圓周角度定義如圖5所示。

圖5　閥口節(jié)流棒圓周角度定義

閥口節(jié)流棒周向壓力系數(shù)分布趨勢如圖6所示，圓柱壓力系數(shù)在1個周期內(nèi)是變化的，其分布特點如下：

1)圓柱駐點處(θ=0°)壓力系數(shù)CP有最大值，在1附近。

2)隨著來流向圓柱左側(cè)擴(kuò)展，壓力系數(shù)迅速減少。在θ=80°附近，流體產(chǎn)生分離，圓柱駐點后方的壓力在不同時刻呈現(xiàn)出較為規(guī)律的周期性變化。

3)對比t=T/4和t=T/2時刻可以看出，來流區(qū)域(θ=0～ 60°)的壓力系數(shù)CP接近1，在區(qū)域(θ=60～ 90°)，圓柱壓力系數(shù)CP減少至0左右。在上述兩個區(qū)域，圓柱具有正升力；在區(qū)域(θ=90～180°)，此時圓柱壓力系數(shù)CP為負(fù)值，即此時的壓力差不足以克服來流壓力。

4)對比t=T3/4和T時刻可以看出，來流區(qū)域(θ=0～60°)的壓力系數(shù)CP迅速減少至0左右，此時圓柱仍具有正升力；圓柱區(qū)域(θ=60～180°)的壓力系數(shù)CP為負(fù)值，即此時的壓力差不足以克服來流壓力。

5)在t=T/4和T時刻圓柱區(qū)域(θ=0～ 60°)的壓力系數(shù)CP迅速減少至0左右，此時圓柱仍具有正升力。

6)圓柱區(qū)域(θ=60～ 180°)的壓力系數(shù)CP為負(fù)值，此時圓柱具有負(fù)升力。

由此，升力完成了1個渦街脫落周期中由最大正升力向負(fù)升力的轉(zhuǎn)變過程。上述過程不斷進(jìn)行，就形成了升力的變化。圖6所示，閥口節(jié)流棒的正升力始終大于負(fù)升力，保證了閥口節(jié)流棒向一個方向運(yùn)動。通過以上分析，可以得出閥口節(jié)流棒壓力系數(shù)分布合理。

圖6　閥口節(jié)流棒周向壓力系數(shù)分布趨勢

4　結(jié)論

1)容積式金屬葉片馬達(dá)是一種新型的井下動力鉆具，其定子采用全金屬材料，克服了傳統(tǒng)螺桿鉆具馬達(dá)定子橡膠材料的不足，更好地適應(yīng)復(fù)雜泥漿體系及井底高溫。

2)設(shè)計容積式葉片金屬馬達(dá)的關(guān)鍵在于利用圓柱繞流迫使閥口節(jié)流棒產(chǎn)生一個方向的升力，將馬達(dá)內(nèi)部分割成高壓腔和低壓腔，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子做同心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

3)閥口節(jié)流棒壓力分布是通過配流殼體上的“喇叭口”在閥口節(jié)流棒圓周形成合理漩渦，使流體驅(qū)動閥口節(jié)流棒始終產(chǎn)生一個正升力，保證了金屬馬達(dá)高壓腔和低壓腔的密封性。

[1]李明謙，趙紅超．螺桿鉆具馬達(dá)定子失效機(jī)理及措施分析[J]．石油機(jī)械，2008，36(10)：8-11．

[2]宋少波，馬清明．新型馬達(dá)解決了欠平衡鉆井和高溫高壓鉆井問題[J]．國外石油機(jī)械，1999，10(2)：1-3．

[3]朱虎軍，祝效華，司念亭，等．直井復(fù)合鉆螺桿鉆具失效分析[J]．石油礦場機(jī)械，2008，37(9)：62-64．

[4]符達(dá)良．井下動力鉆具的發(fā)展及其在推廣應(yīng)用中的問題[J]．石油機(jī)械，1999，27(12)：1-4．

[5]殷鳳玲，于衛(wèi)東，孫偉，等．螺桿鉆具馬達(dá)轉(zhuǎn)子不同處理工藝的應(yīng)用[J]．石油礦場機(jī)械，2010，39(3)：82-84．

[6]陸天明，李連強(qiáng)，李良君，等．預(yù)輪廓螺桿鉆具研制及應(yīng)用[J]．石油礦場機(jī)械，2012，41(9)：69-72．

[7]吳望一.流體力學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2006.

[8]楊紀(jì)偉，付曉麗．圓柱繞流研究進(jìn)展[J]．中國水運(yùn)，2008，8(5)：156-158．

[9]鄧見，黃鈺期，任安祿．分塊法研究圓柱繞流升阻力[J]．力學(xué)與實踐，2004，26(1)：24-26．

Research on Principle of Metal Vane Motor for Drilling Downhole Tools

YU Xingsheng，MI Kaifu，NIE Jiejing，LUO Xichao

(BeijingPetroleumMachineryCompany，CNPCDrillingResearchInstitute，Beijing100083，China)

Metal vane motor is a new kind of downhole motor which can fit slimhole drilling，high temperature and complex mud system.The material of stator is metal，which overcomes the defects of the stator rubber layer of the screw drill tool.Aiming at the kinematic mechanism of metal vane motor，based on the theory of flow around a cylinder，the mechanism of forming high pressure parts and low pressure parts was studied systematically in this paper.The mechanical model used to describe the lift force was adopted to analyze the kinematic regularity of valve diverter rod and influencing factors of pressure distribution.The research can be provided as a reference for the design and development of metal vane motor.

drill tool；downhole hydraulic motor；principle

1001-3482(2016)09-0018-04

2016-03-02

中國石油集團(tuán)公司“鉆井新技術(shù)新方法研究”項目下設(shè)專題“全金屬井下動力鉆具研制”(2014A-4211)

于興勝(1972-)，男，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，高級工程師，碩士，2006年畢業(yè)于中國石油集團(tuán)勘探開發(fā)研究院機(jī)械工程專業(yè)，主要從事鉆井機(jī)械科研設(shè)計相關(guān)工作，E-mail：mikaifu@sina.com。

TE921.201

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.004