螺桿鉆具馬達(dá)定子部分失效因素分析與解決方案

張洪霖 于興勝 郭添鳴

(中國石油鉆井技術(shù)開發(fā)研究院北京石油機(jī)械廠)

螺桿鉆具馬達(dá)定子部分失效因素分析與解決方案

張洪霖*于興勝 郭添鳴

(中國石油鉆井技術(shù)開發(fā)研究院北京石油機(jī)械廠)

對螺桿鉆具馬達(dá)定子部分的失效因素進(jìn)行了系統(tǒng)性理論分析，歸納總結(jié)了失效的主要因素，并根據(jù)失效因素提出了配方改進(jìn)、動力鉆具選擇、粘結(jié)劑工藝控制、工裝設(shè)計及過盈量選用等針對性解決方案。

螺桿鉆具 馬達(dá)定子 橡膠 失效分析 解決方案

螺桿鉆具是一種井下動力鉆具，在定向井、水平井中起著不可替代的作用。隨著鉆井深度的日益加深，地下溫度也在不斷升高。但過高的地下溫度會導(dǎo)致井下螺桿鉆具馬達(dá)定子的橡膠部分發(fā)生變形、掉膠等現(xiàn)象[1]；鉆井液堿度過高會造成橡膠性能改變，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時造成定子橡膠受力不均、密封不嚴(yán)等現(xiàn)象[2]，這兩種情況均會加速定子橡膠的失效，甚至?xí)霈F(xiàn)較大塊橡膠脫落堵塞水眼，導(dǎo)致泵壓升高、鉆進(jìn)速度減慢。此時，只能通過提鉆更換馬達(dá)定子來解決此類問題，而這會造成極大的工程經(jīng)濟(jì)損失，延誤工期。

目前，塔里木油田井的井深多在6km左右，溫度梯度約每100m變化2.6℃；塔北哈拉哈塘區(qū)塊井下溫度最高可達(dá)180℃左右，井下循環(huán)溫度在160℃左右。此溫度對于普通丁腈橡膠(NBR)(耐受溫度120℃左右)有著極大的影響；對于氫化丁腈橡膠(HNBR)(耐受溫度150℃左右)，其使用壽命也會下降[3]。此外，定子橡膠在螺桿鉆具使用過程中不僅要面對溫度的考驗，還要受到來自轉(zhuǎn)子剪切力和橡膠與金屬粘接方面的挑戰(zhàn)[4,5]。在橡膠應(yīng)用遇到瓶頸的情況下，改善鉆具其他零部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)則成為提升鉆具使用壽命的重要手段，其中定轉(zhuǎn)子配合的選定、橡膠粘接質(zhì)量的提升是提高鉆具質(zhì)量的重點(diǎn)內(nèi)容。在此，筆者通過對常見的螺桿鉆具馬達(dá)定子部分失效因素進(jìn)行歸納、分析，形成成熟、有效的解決方案，延長馬達(dá)定子的使用壽命，避免橡膠襯套的失效、撕裂破壞等。

1 螺桿鉆具馬達(dá)定子部分的失效因素分析

1.1 橡膠性能

橡膠本身的物理、化學(xué)性能決定了其使用介質(zhì)和使用溫度，超越使用溫度或橡膠與泥漿體系之間的極性相容問題均會造成橡膠本身的快速失效。例如，新疆塔中地區(qū)某井使用聚合物磺酸鹽類鉆井液，某隨鉆儀器裝備高腈耐油螺桿，儀器入井工作四十五小時即出現(xiàn)故障，起鉆發(fā)現(xiàn)馬達(dá)定子橡膠損壞嚴(yán)重(圖1、2)。

圖1 螺桿鉆具定子損壞

圖2 定子橡膠脫落

1.2 過盈量

過盈量對于馬達(dá)內(nèi)壓及其分布規(guī)律起著決定性作用[6]。由于端面線型的影響，普通螺桿鉆具存在徑向厚薄不均的問題，導(dǎo)致裝配芯軸后應(yīng)力應(yīng)變不均勻[6]。由于螺桿鉆具馬達(dá)是容積式馬達(dá)，過大的過盈量會增加定轉(zhuǎn)子的磨損，并且由于摩擦生熱，熱量的堆積會形成遲滯熱，導(dǎo)致橡膠溫度升高，使橡膠膨脹程度進(jìn)一步加大，加速定子的損壞[2]，同時橡膠是熱的不良導(dǎo)體，熱積聚也會加速橡膠老化，進(jìn)而縮短定子使用壽命；而過小的過盈量會造成密封不嚴(yán)，泥漿泄漏將導(dǎo)致鉆速下降，甚至造成轉(zhuǎn)子丟轉(zhuǎn)。因此將過盈量控制在一個合理的范圍內(nèi)極其重要。

1.3 粘結(jié)與涂覆問題

粘結(jié)問題主要體現(xiàn)在定子殼體與橡膠襯套的粘結(jié)失效。橡膠襯套與定子殼體間主要通過介質(zhì)粘結(jié)，目前廣泛采用底涂與面涂相結(jié)合的粘合方式。襯套與殼體粘結(jié)失效會導(dǎo)致馬達(dá)在運(yùn)轉(zhuǎn)中脫膠、掉膠。

涂覆工藝主要通過不同的涂覆方式來保證粘結(jié)劑均勻一致的覆蓋于粘結(jié)面。橡膠硫化過程中受壓的均衡性是保證粘結(jié)劑反應(yīng)的重要因素，尤其對于異形粘結(jié)面襯套，粘結(jié)劑涂覆的均勻程度和厚度決定了其使用壽命。

實(shí)驗室壓制剝離試片表面平直，與管體內(nèi)表面有較大差異。由于試片是在壓力、溫度均穩(wěn)定的環(huán)境中成型的，與實(shí)際工況有明顯區(qū)別，粘合后的剝離強(qiáng)度值僅能夠在一定范圍內(nèi)反映粘結(jié)質(zhì)量。而破壞定子殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行解剖雖然可以準(zhǔn)確地反映粘結(jié)情況，但成本過高，不宜采用。

1.4 人為因素

一般來講，人為因素主要包括異物的進(jìn)入和鉆井液的腐蝕。一般螺桿鉆具上都有篩網(wǎng)等過濾裝置，但有的井隊在使用鉆具時并未將它打開，導(dǎo)致異物進(jìn)入，損壞馬達(dá)定子。另外，鉆井液與橡膠的相容性也有影響，尤其是某些化合物的加入會對橡膠部件構(gòu)成較大損壞。因此為延長定子壽命，需要盡可能地降低令橡膠發(fā)生化學(xué)失效的化合物比例，如果該化合物的使用不可避免，則需要在設(shè)計階段考慮溶脹因素，如通過調(diào)整過盈量來減少橡膠因疲勞而發(fā)生的破壞。

1.5 注膠工裝和工藝參數(shù)

橡膠脫落會導(dǎo)致鉆進(jìn)時的壓力升高，為避免此種現(xiàn)象除了需保證定子殼體質(zhì)量以外，還涉及到工裝設(shè)計和工藝控制。工裝設(shè)計不合理會導(dǎo)致粘結(jié)面受損從而導(dǎo)致粘結(jié)質(zhì)量下降；工藝控制的效果則直接決定了粘結(jié)力的強(qiáng)弱。工藝參數(shù)主要包括工裝預(yù)熱溫度、裝配溫度、橡膠的注射成型壓力、硫化溫度、時間參數(shù)及出膠孔的開孔尺度控制等。

2 解決方案

2.1 橡膠配方的改進(jìn)

目前對于超高溫井(循環(huán)溫度超過150℃)，一種方式是采用HNBR作為定子橡膠，通過各種手段使其氫鍵飽和度提升，借此來提升HNBR的耐高溫性能[7]。表1為普通NBR與HNBR在油基泥漿含2%H2S(mol)、不同溫度下的性能參數(shù)對比[8]，可以看出HNBR在常溫與高溫中的性能均優(yōu)于普通NBR。

表1 NBR與HNBR在不同條件下的性能參數(shù)對比

注：(常)代表材料于室溫條件下進(jìn)行測試，(高)代表材料經(jīng)高溫環(huán)境后于室溫條件下進(jìn)行測試。

另一種方式則是采用特種橡膠共混的方法[9]，氟橡膠是其中的代表，它可耐210℃左右的高溫。但由于其流動性較差，國內(nèi)廠家無法實(shí)現(xiàn)氟橡膠的生產(chǎn)，且粘輥?zhàn)⑺軙r需要極大的壓力，目前工藝壓力下試注無法成功，需要改變注塑工藝與注膠工裝。而且，氟橡膠的共硫化工藝也與現(xiàn)有硫化體系區(qū)別較大，一般不用硫磺硫化，而是采用兩段硫化，第一段是在150～180℃、10～30MPa下進(jìn)行，第二段則是在200～250℃的空氣中常壓12～24h。目前常用于氟橡膠的硫化體系包括機(jī)二胺類、雙酚類、有機(jī)過氧化物類和輻射類[10]。經(jīng)雙酚類硫化后的橡膠較二胺類具有更好的物性保持能力和更好的抗酸堿能力，但上述兩種硫化物均有不飽和鍵存在，因此需要加入促進(jìn)劑，同時由于產(chǎn)生酸，還需要金屬氧化物作吸酸劑中和。有機(jī)過氧化物硫化體系穩(wěn)定性較好，但流動性較差，注膠需要極大壓力。輻射類一般用于半導(dǎo)體工業(yè)，石油工業(yè)一般不予考慮。因此，應(yīng)首選雙酚類作為氟橡膠硫化劑應(yīng)用于定子馬達(dá)上[10,11]。

2.2 適宜的過盈量

馬達(dá)過盈量的選擇關(guān)系到馬達(dá)的密封性能，而過盈量會根據(jù)井溫有一定幅度的變化，需要根據(jù)定轉(zhuǎn)子尺寸、馬達(dá)輸出效率和橡膠的種類來尋找最佳的配合尺寸。每個生產(chǎn)企業(yè)都會根據(jù)自身橡膠性能、產(chǎn)品規(guī)格型號歸納出一套溫度與過盈量的關(guān)系，以某廠某型號代號SX的HNBR為例，其過盈量隨溫度的升高而逐漸增大(圖3)。

圖3 過盈量隨溫度的變化曲線

2.3 新型動力鉆具

等壁厚螺桿鉆具(圖4)是一種馬達(dá)定子內(nèi)表面加工成與轉(zhuǎn)子相配合的螺旋曲面的鉆具，其橡膠襯套厚度均勻、相等，遲滯熱產(chǎn)生量、變形量均小于常規(guī)定子襯套(圖5)。在同樣的工作點(diǎn)，等壁厚螺桿鉆具由于提高了容積效率而轉(zhuǎn)得更快，由于提高了機(jī)械效率而產(chǎn)生更大的扭矩；在同樣的輸入功率下，等壁厚定子螺桿鉆具比常規(guī)螺桿鉆具具有更高的輸出功率[12]。此外還可采用金屬馬達(dá)鉆具等。

圖4 等壁厚定子馬達(dá)

圖5 普通定子馬達(dá)

2.4 涂覆工藝與粘結(jié)劑的選用

工程上通常采用刷涂、噴涂、浸涂及倒涂等方式進(jìn)行涂覆?？紤]到部分定子的線型問題，為保證粘結(jié)劑和粘結(jié)面的充分浸潤，需采用浸涂方式進(jìn)行，如果將定子管整體浸入粘結(jié)劑池，由于管體外表面沒有經(jīng)過處理，銹蝕、油污會對粘結(jié)劑造成污染，此外粘接劑厚度難以控制，故整體浸涂不宜采用。目前，采用部分浸涂方式取得了較好的應(yīng)用效果，此工藝控制管體的轉(zhuǎn)速、傾斜角度及粘結(jié)劑配比、時間等因素，在規(guī)定的溫度下進(jìn)行涂覆，以得到所需的涂層厚度和涂層范圍，比倒涂、整體浸涂等方法效果更好。

粘結(jié)劑的選用極大地影響粘結(jié)性能。粘結(jié)劑提前失效是最常見但也是最難以發(fā)現(xiàn)的影響粘結(jié)效果的因素，即粘結(jié)劑未與橡膠發(fā)生共硫化，而是它自身發(fā)生硫化，失去粘結(jié)作用，該現(xiàn)象可能出現(xiàn)在定子馬達(dá)注膠前、注膠中和橡膠硫化過程中。圖6所示為將某廠生產(chǎn)的粘結(jié)劑涂覆于管體上的效果，晾放一段時間待粘結(jié)劑干燥后發(fā)現(xiàn)，管體出現(xiàn)大面積花白(圖7)，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)其粘結(jié)性能的各項指標(biāo)均有不同程度的下降。為防止此類現(xiàn)象出現(xiàn)，需嚴(yán)格按照工藝進(jìn)行操作，控制粘結(jié)劑配比與晾放溫度和時間。

圖6 正常情況下的管體

圖7 管體發(fā)生花白

需要注意的是，在高溫井中粘結(jié)劑會因為井底溫度超過其自身耐受溫度而失效，出現(xiàn)鉆壓升高的現(xiàn)象，因此高溫井中應(yīng)用的粘結(jié)劑應(yīng)做特殊考慮。

2.5 過程控制與壓力控制

壓力控制貫穿于整個馬達(dá)的生產(chǎn)過程中。橡膠作為一種彈性體，其硫化反應(yīng)需要足夠的壓力，若壓力小則橡膠與面涂交聯(lián)不充分，有脫膠的風(fēng)險；壓力大則橡膠本身的回彈力會使粘結(jié)效果不理想，因此適宜的壓力對提高粘結(jié)效果具有一定的幫助。在馬達(dá)生產(chǎn)過程中，壓力來源主要有注射設(shè)備給定的推動橡膠流動的沖模壓力和橡膠硫化時產(chǎn)生的壓力。因此，壓力控制主要集中在注射設(shè)備參數(shù)的選定與工裝排氣孔和流道的設(shè)計方面。

經(jīng)剝離強(qiáng)度對比試驗發(fā)現(xiàn)，在工藝溫度、等時間長度條件下，硫化壓力的不斷增大會使剝離強(qiáng)度值變大，且在某個強(qiáng)度值時出現(xiàn)平衡點(diǎn)，即剝離強(qiáng)度值波動范圍變小。

3 結(jié)論

3.1橡膠本身的性能決定了其耐溫性能，采用HNBR可適當(dāng)減少井溫對橡膠鉆具的影響。氟橡膠可提高井下動力鉆具的耐溫等級，若克服成型工藝難題，可提高鉆具在高溫井中的使用壽命。

3.2過盈量的選擇與井溫、橡膠種類、產(chǎn)品規(guī)格尺寸及鉆井液成分等因素有著密切關(guān)系，需要綜合考慮各種因素的影響，恰當(dāng)?shù)倪^盈量可提高產(chǎn)品使用壽命。

3.3等壁厚型鉆具的遲滯熱明顯小于普通鉆具，較普通鉆具可耐受更高的井下溫度。

3.4粘結(jié)劑的選用、配比和工裝的設(shè)計對粘結(jié)效果有很大影響。此外，適宜的壓力控制和恰當(dāng)?shù)墓に嚋囟葘μ嵘@具品質(zhì)具有一定的幫助。

[1] 王春陽,李連強(qiáng),李良君,等.井溫對螺桿鉆具使用性能的影響[J].石油礦場機(jī)械,2012,41(11):9～11.

[2] 焦衛(wèi)東,張清,張耀宗.CO2/H2S對油氣管材的腐蝕規(guī)律[J].化工機(jī)械,2003,30(4):250～253.

[3] 李敏.氫化丁腈橡膠性能研究[J].世界橡膠工業(yè),2002,29(1):2～13.

[4] 閆科委,蘇景武.橡膠襯里施工工藝中的難題處理[J].化工機(jī)械,2014,41(5):678～679.

[5] 孫國,李朋,韓拉讓.丁腈橡膠聚合釜機(jī)械密封改造及探究[J].化工機(jī)械,2011,38(4):504～505.

[6] 鄭華林,郭高壘,馬建祿.新型等壁厚螺桿鉆具定子結(jié)構(gòu)設(shè)計及力學(xué)分析[J].石油礦場機(jī)械,2011,40(8):74～77.

[7] 黃安民,王小萍,賈德民.氫化丁腈橡膠耐熱和耐介質(zhì)性能[J].彈性體,2006,16(2):63～68.

[8] 禹權(quán),黃承亞,葉素娟.氫化丁腈橡膠的研究進(jìn)展[J].特種橡膠制品,2006,27(2):56～62.

[9] 郭建華,曾幸榮,李紅強(qiáng),等.過氧化物對246型氟橡膠壓縮永久變形的影響[J].橡膠工業(yè),2011,58(12):724～728.

[10] 付鐵柱,蔡懷勛,汪星平.氟橡膠及硫化機(jī)理概述[J].化工生產(chǎn)與技術(shù),2011,18(5):1～5.

[11] 段棟.不同硫化體系氟橡膠硫化特性及物理性能的對比[J].特種橡膠制品,2010,31(6):41～45.

[12] 苗同勇,劉永旺,趙偉,等.等壁厚螺桿鉆具及應(yīng)用[J].石油礦場機(jī)械,2011,40(10):72～76.

*張洪霖，男，1986年8月生，工程師。北京市，102206。

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