雙螺旋槽螺桿馬達井下增壓器設計

趙軍友,徐依吉,孫培先,祁萬軍,周長李

(中國石油大學(華東)a.機電工程學院;b.石油工程學院,山東東營257061) *

雙螺旋槽螺桿馬達井下增壓器設計

趙軍友a,徐依吉b,孫培先a,祁萬軍b,周長李b

(中國石油大學(華東)a.機電工程學院;b.石油工程學院,山東東營257061)*

針對井下增壓器存在的問題,設計了雙螺旋槽螺桿馬達井下增壓器。該增壓器以螺桿馬達作為動力源,通過動力轉向機構將旋轉運動轉換成直線往復運動,帶動柱塞泵增壓,將部分泥漿壓力提高到100 MPa,從而提高鉆井速度。對動力旋轉體、銷軸滑動軸套等關鍵零件進行了強度校核,均安全可靠。

雙螺旋槽;螺桿馬達;增壓器;動力旋轉體;銷軸滑動軸套

隨著鉆井深度的不斷增加,機械鉆速越來越低,研究發現充分利用水力能量是提高鉆井速度的有效途徑之一。中硬巖石的抗壓強度為45～85 MPa,只要射流壓力超過這一數值,就可以明顯提高鉆井速度,降低鉆井成本[1]。20世紀70年代,美國在5口3 000 m左右深井進行了試驗,將整個鉆井循環液壓力提高到 68～105 MPa,機械鉆速提高了 2～3倍[2-9]。

實現鉆井液增壓的方法有地面增壓、井下部分增壓2種。考慮到前者整個系統的可靠性與安全問題,國內外專家大多在研究井下增壓技術,而這一技術的關鍵是設計出高壓水射流的增壓裝置。目前報道的靜壓式增壓器[10]和射流式增壓器[11]都有一套復雜的換向閥系統和較多的流道,降低了可靠性,同時增加了加工難度,因此這些增壓器一直沒有推廣使用[12]。為此,利用現有成熟的螺桿馬達作動力,研制出了一種運行可靠的雙螺旋槽螺桿馬達井下增壓器。

1 工作原理

如圖1所示,螺桿馬達作為動力源,通過螺紋與動力旋轉體連接,帶動旋轉體一起轉動;旋轉體上裝有2個滾動銷軸,銷軸在換向機構內側的雙螺旋槽內滾動,帶動該機構作直線往復運動。換向機構與過濾體通過T形榫槽連接,過濾體與柱塞通過螺紋連接,在換向機構的驅動下,過濾體與柱塞一起作上下往復運動;上升時,裝在柱塞下端的進液閥打開,下降時,裝在泵體下端的排液閥打開,從而達到增壓的目的。其中,過濾體保證吸入的液體中不會有大顆粒,避免高壓流道堵塞,同時還起到保護泵體的作用。本過濾裝置由于設計在主液流的通道中,受到液流的沖洗,故具有自清洗功能,過濾網不會堵塞。進液閥設計在柱塞內部,以減小泵體部分的體積。

圖1 增壓泵結構

2 參數確定

設定增壓泵出口壓力 p=100 MPa;活塞直徑dH=63 mm;螺旋槽升角α=15.27°,如圖2所示。

圖2 螺旋槽受力分析

則活塞推力為

所需的螺桿馬達扭矩為

由選定的螺桿馬達參數可以計算出增壓器高壓射流排量為

式中,n為螺桿馬達轉速,r/min。

正常工作時高壓射流實際輸出壓力為90～100 MPa。

3 關鍵零部件的設計及強度校核

3.1 動力旋轉體強度校核

動力旋轉體是增壓裝置的關鍵部件之一(如圖1),它的主要作用是通過其上安裝的2個銷軸,將螺桿馬達輸出的扭矩傳遞到雙螺旋槽花鍵軸上。通過受力分析可知,動力旋轉體主要承受螺桿馬達輸出的扭矩和來自活塞的反推力。在銷軸安裝處,動力旋轉體的橫截面上由于加工有流道、銷軸安裝孔,削弱了動力旋轉體扭矩的承載能力,如圖3a所示,此處為最危險截面,所以在此處需要對動力旋轉體的強度進行校核。

3.1.1 動力旋轉體所受剪應力

圖3a是動力旋轉體在銷軸處的橫截面,此處最危險。為了便于求出慣性矩,現將圖3a簡化為如圖3b所示的薄壁圓筒形狀,只要薄壁圓筒校核安全,實際截面更加安全,其相關計算公式如下。

圖3 動力旋轉體危險截面

薄壁圓筒橫截面對圓心極慣性矩的求解為

式中,IP為薄壁圓筒橫截面對圓心的極慣性矩,m4; ρ為橫截面上一點離圓心的距離,m;A為薄壁圓筒的積分域,為薄壁圓筒的整個橫截面,m2。

由圖3b可以看出,薄壁圓筒的積分域為7π/4個薄壁圓周。將薄壁圓筒的已知參數內徑 Di= 90 mm、外徑Do=100 mm代入公式(1)得

積分得

根據材料力學扭矩剪應力的求法,最大剪應力發生在外圓周上,即

式中,M為薄壁圓筒所受的扭矩,N·m,最大扭矩為滯動扭矩M=11 000 N·m;R=0.05 m;代入式(3)得

3.1.2 動力旋轉體所受軸向壓應力

對應于最大滯動扭矩 M=11 000 N·m,軸向壓力 F=-5.76×105N,截面積 A=3.284×10-3m2,軸向壓應力σy= F/A=-175.4 MPa。

3.1.3 強度校核

3個主應力分別為:σ1=118.1 MPa,σ2=0,σ3= -293.5 MPa;根據第三強度理論:σr3=σ1-σ3=411.6 MPa;根據第四強度理論:σr4=367 MPa;動力旋轉體的材料選用40CrMnMo;屈服極限為800 MPa;安全系數ns=1.4～1.7,為安全起見,取 ns=1.7;[σ]= 800/1.7=470 MPa>σr,故設計是安全的。

3.2 銷軸滑動軸套強度校核

為了盡可能地減小銷軸與螺旋槽之間的摩擦力,在銷軸上設計了一個由自潤滑軸承材料制成的軸承套,如圖4所示。將銷軸與螺旋槽之間的滑動摩擦轉化為軸套與螺旋槽之間的滾動摩擦,極大地減小了銷軸與螺旋槽之間的摩擦力,從而提高銷軸的使用壽命。

圖4 銷軸軸套結構

3.2.1 軸與軸套擠壓應力

軸與軸套之間的相對運動相當于軸與滑動軸承的相對運動,為了防止滑動軸承的過度磨損,需要對滑動軸承套所受的平均擠壓應力進行驗算,確保滑動軸承套在軸承材料的許用擠壓載荷下工作,其計算公式為

式中,F為滑動軸承套所受的徑向載荷,N;B為滑動軸承套的軸承寬度,mm;d為滑動軸承套內徑, mm;[p]為滑動軸承套材料的許用擠壓應力,MPa。

根據最大滯動扭矩 M=11 000 N·m,可以算出最大徑向載荷 Fmax=2.985×105N。將已知參數B=L-L1=31 mm,d=36 mm代入式(4)得

3.2.2 滑動軸承套的 pv值

軸承套安裝在2個銷軸上,銷軸隨動力旋轉體一起旋轉,在摩擦力的帶動下,2個銷軸上的軸承套開始在螺旋槽內沿著2個軌道滾動;動力旋轉體每旋轉1周(公轉),軸承套就需繞著銷軸轉動若干圈(自轉),軸套轉速為

式中,L為螺旋槽的展開長度,L=470 mm;D為銷軸軸承套的外徑,D=50 mm;n為螺桿馬達的轉速, n=150 r/min。

代入式(5)可得 nz=449 r/min。

滑動軸承線速度為

pv值是決定軸承使用壽命的主要參數。為了防止軸承套在工作中溫度過高,防止膠合,因此必須對滑動軸承套的pv值進行驗算。

螺桿馬達的額定扭矩M=5 500 N·m,可以算出擠壓應力p=133.75 MPa,則pv=113 MPa·m/s。

軸套選用的材料為JM合金鋼,經過電爐冶煉及高溫高壓焙燒而成。該材料具有強度高、韌性好、耐高溫、自潤滑、耐磨損的特性。材料許用壓力為620 MPa,許用線速度為5 m/s,許用 pv值為150 MPa·m/s,均大于上述計算所得的實際值,故滿足使用要求。

4 結論

1) 雙螺旋槽螺桿馬達井下增壓器利用成熟的螺桿馬達作動力源,通過精心設計的運動轉換機構將旋轉運動轉換成直線往復運動,帶動柱塞泵將部分泥漿壓力增至100 MPa左右,從而大幅提高鉆井速度。該增壓器能夠克服以前井下增壓器的缺點,結構簡單,具有廣泛的應用前景。

2) 通過對動力旋轉體和銷軸滑動軸套2個最危險的零件進行強度校核,證明設計是安全可靠的。

[1] 趙國珍,王德玉.井下增壓器水力設計的探討[J].石油鉆采工藝,1995,17(4):34-39.

[2] 成 海,王甲昌,楊本靈.國內外井底增壓噴射鉆井技術研究現狀[J].石油礦場機械,2008,37(6):34-38.

[3] 王太平,程廣存,李衛剛,等.國內外超高壓噴射鉆井技術研究探討[J].石油鉆探技術,2003,31(2):6-8.

[4] 張文華,李 玲.淺析井下增壓超高壓噴射鉆井的影響因素[J].鉆采工藝,2003,26(4):13-14.

[5] 秦紅祥.超高壓射流輔助鉆井技術[J].西部探礦工程, 2002,75(2):30-35.

[6] 熊繼有,付建紅.井下增壓研究新進展[J].天然氣工業,2003,23(6):91-93.

[7] 李洪敏,朱明亮,潘 欣,等.井下增壓鉆井技術前景展望[J].石油鉆采工藝,1998,20(3):20-24.

[8] S.D.Veenhuizen etc.Development and Testing of Downhole Pump for High-Pressure Jet-Assist Drilling[G]. SPE/IADC 38581.

[9] Kolle J J.Laboratory and Field Testing of an Ultrahigh-pressure Jet-Assisted Drilling System[G].SPE/ IADC 22000.

[10] 汪志明,薛 亮,鄒和均,等.活塞式井下增壓器設計理論研究[J].石油機械,2007,35(11):17-19.

[11] 張文華,汪志明,王小秋,等.射流式井下增壓裝置的設計[J].石油機械,2005,33(11):32-33.

[12] 孟慶國.用螺桿泵作井下增壓器的理論探討[J].石油鉆采工藝,1997,19(2):50-51.

Design of Downhole Supercharger of Double Helical Slots Driven by Screw Motor

ZHAO Jun-youa,XU Yi-jib,SUN Pei-xiana,QI Wan-junb,ZHOU Chang-lib
(a.College of Mechanical and Electrical Engineering;b.College ofPetroleum Engineering, China University ofPetroleum,Dongying257061,China)

The new downhole supercharger was designed for solving the problems of the old one. The new booster uses screw motor as a power source,changing the rotational movement into linear reciprocating motion by power steering body,driven trunk piston pump to increase part of the mud pressure into ultra high pressure 100 MPa,thus increasing the drilling speed.The strength examination was down in the paper for the key parts of dynamic rotation body and pin sliding bushing,proving to be safe and reliable.

double helical slots;screw motor;supercharger;power rotational body;pin sliding bushing

1001-3482(2010)12-0034-04

TE933

A

2010-06-12

趙軍友(1963-),男,山東東明人,副教授,碩士,主要從事工程圖學和石油機械方面的教學和科研工作,E-mail:zhaojy@upc.edu.cn。