螺桿鉆具馬達(dá)總成失效原因分析及改進(jìn)

劉社明 LIU She-ming

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710077）

1 概述

螺桿鉆具是一種以鉆井液為動(dòng)力，把液體壓力能轉(zhuǎn)為機(jī)械能的容積式井下動(dòng)力鉆具。高壓鉆井液經(jīng)旁通閥進(jìn)入馬達(dá)，在馬達(dá)進(jìn)出口處形成一定壓差推動(dòng)轉(zhuǎn)子繞定子的軸線旋轉(zhuǎn)，并將扭矩和轉(zhuǎn)速通過(guò)萬(wàn)向軸和傳動(dòng)軸傳遞給鉆頭達(dá)到鉆進(jìn)的目的。

螺桿鉆具也稱容積式馬達(dá)，整體長(zhǎng)度約為4m-8m[1]，作為井下動(dòng)力裝置，具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩、大排量等優(yōu)點(diǎn)，它可增加鉆頭扭矩和功率，提高進(jìn)尺率，減少鉆桿和套管的磨損和損壞，而且可以準(zhǔn)確進(jìn)行定向、造斜，廣泛應(yīng)用于直井、水平井、叢式井和修井作業(yè)[2]。實(shí)際使用過(guò)程中，為達(dá)到快速鉆進(jìn)，經(jīng)常使用帶彎角的螺桿鉆具，導(dǎo)致鉆壓升高、定轉(zhuǎn)子偏心、與井壁摩擦的作用下彎角處出現(xiàn)較大偏心并出現(xiàn)公轉(zhuǎn)，工作時(shí)承受著縱向、橫向、扭轉(zhuǎn)3個(gè)方向的作用力，復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境導(dǎo)致多種形式的螺桿鉆具失效事故發(fā)生。主要失效形式有定子脫膠、定子殼體斷裂、轉(zhuǎn)子斷裂、萬(wàn)向軸斷裂、傳動(dòng)軸頂部脫扣、軸承擠毀、傳動(dòng)軸下部斷裂等[3]。

馬達(dá)總成主要是由偏心螺旋體的螺桿（轉(zhuǎn)子）和呈螺旋面的襯套（定子）組成。定子是在鋼管內(nèi)壁上壓注橡膠襯套而成[4]。橡膠內(nèi)孔是具有一定幾何參數(shù)的螺旋。轉(zhuǎn)子是一根經(jīng)過(guò)特殊工藝加工而且耐磨、抗腐蝕左旋螺桿。轉(zhuǎn)子與定子相互嚙合，是用兩者的導(dǎo)程差而形成的螺旋密封線，同時(shí)形成密封腔[5]。在高壓鉆井液的作用下，轉(zhuǎn)子在定子里的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而密封腔沿著軸向移動(dòng)，不斷的生成與消失，完成其能量轉(zhuǎn)換。

圖2 馬達(dá)總成

2 馬達(dá)總成失效形式及原因分析

2.1 定子殼體在過(guò)載力作用下斷裂

原因分析：圖3可以看，螺桿上部接頭母扣端面存在嚴(yán)重?fù)p傷和凹陷情況，且外徑尺寸由原來(lái)的?89mm，扭脹為現(xiàn)在的?91.5mm，分析在施工過(guò)程中遇塌孔等特殊情況，螺桿扶正器部位遇卡，螺桿承載的推力和扭矩嚴(yán)重超出了自身的可承載彎扭矩能力。結(jié)合斷裂位置分析，該位置為整根定子的薄弱位置，在過(guò)載的推力和扭矩作用下，最終導(dǎo)致定子殼體相對(duì)薄弱位置產(chǎn)生斷裂。

圖3 定子管斷裂部位

2.2 定子殼體在機(jī)械外力作用下產(chǎn)生裂紋

原因分析：首先對(duì)管體裂縫周圍取點(diǎn)進(jìn)行硬度測(cè)量，如圖4所示，技術(shù)要求硬度HB280-320，實(shí)測(cè)硬度均值HB296，符合技術(shù)要求。同時(shí)追溯同一批次材料加工的其他定子管體均未發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題。隨后對(duì)管體外觀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)多處明顯的斜向劃傷痕跡，劃痕最深處約2mm，如圖5所示，同時(shí)對(duì)管體外徑進(jìn)行了對(duì)比測(cè)量，遠(yuǎn)離裂紋端處外徑實(shí)測(cè)?72.4mm，如圖6所示，靠近裂紋端外徑實(shí)測(cè)?73.4mm，如圖7所示，說(shuō)明裂紋處附近管體已經(jīng)發(fā)生擠壓膨脹。為了進(jìn)一步落實(shí)斷裂的原因，對(duì)管體裂縫部位進(jìn)行切片取樣，如圖8所示，通過(guò)觀察斷裂位置對(duì)應(yīng)的定子內(nèi)襯橡膠，可以觀察到該位置有明顯的磨損痕跡，如圖9所示，說(shuō)明此位置橡膠產(chǎn)生形變，與轉(zhuǎn)子配合的過(guò)盈量增大而產(chǎn)生了加劇磨損現(xiàn)象。假設(shè)是殼體本身材質(zhì)問(wèn)題導(dǎo)致的裂紋，內(nèi)襯橡膠不應(yīng)該產(chǎn)生形變，從而也說(shuō)明了殼體裂紋是受外力所致。通過(guò)上述測(cè)量數(shù)據(jù)及結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況分析推測(cè)：螺桿在鉗牙未完全松開(kāi)的情況下遭受到鉆機(jī)瞬間強(qiáng)大的推力及扭力作用或受外力鈍器所致的機(jī)械損傷，而產(chǎn)生崩開(kāi)式裂紋。由圖4可以看到裂紋中間部位缺肉，該位置為崩開(kāi)式裂紋的起點(diǎn)位置，裂紋由此位置向兩邊軸向延伸。

圖4 定子管裂縫部位

圖5 定子管劃傷部位

圖6 遠(yuǎn)離裂紋端外徑實(shí)測(cè)

圖7 靠近裂紋端外徑實(shí)測(cè)

圖8 管體裂縫部位切片取樣

圖9 定子內(nèi)襯橡膠磨損痕跡

2.3 定子殼體注膠孔位置斷裂

原因分析：斷裂位置均在馬達(dá)的后端，連接鉆頭端為前端，如圖10所示，馬達(dá)進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，交變應(yīng)力集中在后端部位。定子螺旋槽寬度較寬和槽底較薄，承載交變應(yīng)力比較薄弱。注膠孔對(duì)稱分布在較薄位置造成斷裂。逆止閥公螺紋較厚，定子殼體母螺紋相對(duì)較薄，應(yīng)力點(diǎn)在母螺紋根部，在交變力作用下，造成斷裂。

圖1 螺桿鉆具

圖10 注膠孔斷裂位置

2.4 轉(zhuǎn)子斷裂失效

原因分析：螺桿鉆具馬達(dá)總成外管從扶正器前端接頭公扣處斷裂，轉(zhuǎn)子從萬(wàn)向軸連接處斷裂，判斷是給進(jìn)壓力偏大，螺桿鉆具卡鉆，導(dǎo)致扭矩過(guò)大、超過(guò)轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度導(dǎo)致斷裂失效。

3 改進(jìn)措施

螺桿鉆具馬達(dá)總成最常見(jiàn)的失效主要是定子殼體機(jī)械損傷、轉(zhuǎn)子機(jī)械損傷。通過(guò)對(duì)機(jī)械損傷的原因深入分析研究，從設(shè)計(jì)改進(jìn)、材料升級(jí)、工藝優(yōu)化等方面提出優(yōu)化建議。

3.1 設(shè)計(jì)改進(jìn)

加大定子殼體有效厚度來(lái)提高抗交變力：定子內(nèi)孔由62改為60，外徑由82加厚至86，殼體厚度增加提高抗沖擊力；外徑螺旋槽由2線螺旋升級(jí)為3線圓弧螺旋槽，提高排屑能力；外螺旋槽避開(kāi)兩端螺紋位置，增加母螺紋強(qiáng)度。如圖12所示。

圖12 定子設(shè)計(jì)改進(jìn)前后對(duì)比圖

在定子兩端母螺紋增加與公螺紋配合的點(diǎn)設(shè)置應(yīng)力分散臺(tái)肩，使螺紋應(yīng)力分散到殼體非螺紋位置,從而能提高螺紋抗交變力，同時(shí)適當(dāng)加大公螺紋的孔徑，使公母螺紋受理均勻，如圖13所示。

圖13 定子母螺紋優(yōu)化前后對(duì)比圖

3.2 提高材料等級(jí)

圖11 轉(zhuǎn)子斷裂位置

鋼材中化學(xué)成分中硫使鋼熱脆，磷使鋼冷脆。降低有害成分含量以保證鋼材的強(qiáng)度。普通鋼的硫、磷含量高，硫含量≦0.055%，磷含量≦0.045%；優(yōu)質(zhì)鋼的硫、磷含量均≦0.04%；高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼硫含量≦0.03%，磷含量≦0.035%。將定子殼體材料牌號(hào)35CrMo由改為42CrMoA，可以有效降低硫、磷含量，42CrMoA的機(jī)械強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度較35CrMo均有所增加，如表1所示。顆粒度、金相組織、非金屬夾雜物等方面也有顯著的改善，GB/T3077-2015合金結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)。

表1 機(jī)械強(qiáng)度對(duì)比

3.3 優(yōu)化加工工藝

定子殼體由熱軋管料優(yōu)化升級(jí)為實(shí)心圓鋼鉆孔加工，可以消除熱軋管料內(nèi)外表面缺陷，殼體壁厚更加均勻，直線度有所提升，提高定子殼體的力學(xué)性能穩(wěn)定性。升級(jí)定子內(nèi)壁注膠方式，由傳統(tǒng)定子殼體工藝孔壓注橡膠改為通過(guò)注膠工裝進(jìn)行水平注膠，滿足注膠質(zhì)量的情況下減少工藝孔數(shù)量。

3.4 熟知使用注意事項(xiàng)，加強(qiáng)人員培訓(xùn)

螺桿鉆具使用時(shí)注意事項(xiàng)：①運(yùn)輸過(guò)程或者鉆具長(zhǎng)時(shí)間擱置時(shí)，封閉鉆具兩端，用護(hù)帽保護(hù)兩端螺紋，防止煤渣、巖屑等雜質(zhì)進(jìn)入鉆具內(nèi)部，對(duì)定子橡膠、密封件等造成腐蝕；②鉆具使用前注入清水，確保正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，空轉(zhuǎn)幾分鐘，確保馬達(dá)內(nèi)部干凈無(wú)雜質(zhì)且鉆速正常后，才可使用；③施工過(guò)程中，合理控制鉆具鉆速，不能瞬間急速提高鉆速，避免因馬達(dá)總成內(nèi)部進(jìn)入雜質(zhì)，導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子嚙合受限，導(dǎo)致馬達(dá)制動(dòng)，應(yīng)在進(jìn)尺一段距離后，擇機(jī)沖孔，避免馬達(dá)內(nèi)部吸入雜質(zhì)制動(dòng)；④接續(xù)鉆桿時(shí)，應(yīng)該先緩慢排出鉆具內(nèi)沖洗液，防止雜質(zhì)倒吸進(jìn)行馬達(dá)總成部位，接續(xù)鉆桿后，加入少量潤(rùn)滑液，確保馬達(dá)內(nèi)部充分潤(rùn)滑。

加強(qiáng)操作人員使用螺桿鉆具培訓(xùn)，提高操作人員操作技能及對(duì)應(yīng)故障的能力：①螺桿鉆具作為井下較復(fù)雜的動(dòng)力鉆具，操作人員必須對(duì)螺桿鉆具的工作原理、結(jié)構(gòu)形式有深入的了解，能夠嚴(yán)格按照螺桿鉆具操作規(guī)程施工；②施工作業(yè)前，編制經(jīng)過(guò)技術(shù)論證的鉆進(jìn)計(jì)劃，施工人員結(jié)合作業(yè)環(huán)境、施工煤層硬度情況、鉆孔直徑及配套鉆頭、泥漿泵工作壓力進(jìn)行科學(xué)施工；③施工人員具備排除常見(jiàn)故障的能力，例如出現(xiàn)鉆具憋壓制動(dòng)，施工人員應(yīng)立刻降低壓力，或者立即停止作業(yè)，避免馬達(dá)總成中進(jìn)入煤渣、巖屑等損壞定子內(nèi)壁橡膠；④復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)，對(duì)螺桿鉆具的磨損較大，應(yīng)該根據(jù)施工情況綜合考量，避免加快進(jìn)尺導(dǎo)致馬達(dá)總成失效；⑤螺桿鉆具使用完畢后，應(yīng)該及時(shí)排除馬達(dá)內(nèi)部泥漿液，用清水將內(nèi)部煤渣、巖屑等沖洗干凈，加注潤(rùn)滑油，確保馬達(dá)總成內(nèi)部干凈、潤(rùn)滑；超過(guò)三天未使用，應(yīng)該向螺桿鉆具內(nèi)部注入潤(rùn)滑油，現(xiàn)場(chǎng)具備條件，可以對(duì)螺桿鉆具各部件進(jìn)行充分潤(rùn)滑后，對(duì)鉆具兩端進(jìn)行封閉，做好螺紋保護(hù)。

4 總結(jié)

螺桿鉆具馬達(dá)總成的失效原因與鉆進(jìn)環(huán)境、鉆井液性能、鉆井軌跡、鉆進(jìn)參數(shù)、鉆進(jìn)工藝、操作人員熟練度等密切相關(guān)，本文通過(guò)對(duì)螺桿鉆具馬達(dá)總成在鉆進(jìn)施工中常見(jiàn)失效現(xiàn)象的原因分析，從設(shè)計(jì)改進(jìn)、材料升級(jí)、工藝優(yōu)化、人員培訓(xùn)等方面提出有效改進(jìn)措施，對(duì)提高螺桿鉆具使用壽命提供依據(jù)。