螺桿鉆具試驗臺應用研究

摘 要:本文通過螺桿鉆具實際工作特性和螺桿鉆具試驗臺的試驗原理及組成部分分析，對試驗臺的試驗結果進行了分析研究。

關鍵詞:螺桿鉆具 工作特性 試驗臺 組成 分析

中圖分類號:TB47文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)04(a)-0057-01

1 引言概述

隨著鉆井大提速的進行和油田中后期的開采，螺桿鉆具起到了無可替代的作用，對其性能要求提出了更高要求的同時，對檢驗試驗工作也提出了更高的要求。為此，在充分了解螺桿鉆具工作特性的的基礎上，應用現代檢測技術、計算機技術，并考慮到螺桿鉆具本身的工作特點，設計的基于計算機的螺桿鉆具試驗系統，是未來螺桿鉆具必不可少的檢測方法。

2 螺桿簡介

螺桿鉆具，又稱定排量馬達(PDM)是一種容積式井下動力鉆具，由旁通閥總成，馬達總成，萬向軸總成，傳動軸總成組成。

3 螺桿鉆具的工作特性

理論上螺桿鉆具的出輸出扭矩(M)與馬達壓降成正比;輸出轉速(n)與輸入泥漿流量成正比。隨著負荷的增加，轉速降低很少，地面控制容易，只要控制地面上壓力表的數及泵的流量就控制住了井下鉆具的轉矩M及轉速N。

事實上，螺桿馬達存在轉子與定子間的摩擦阻力和密封腔間的漏失，其它部分(如傳動軸的軸承節)也存在機械損失和水力損失，因此，螺桿鉆具存在機械效率ηm和水力效率ηv，其總效率為:η=ηmηv，因此螺桿鉆具實際特性與理論特性間存在差異。受水力效率ηv的影響，導致實際轉速n隨△p的增大而降低，△n=nT-n是由于馬達定子橡膠襯套在△p作用下的變形和漏失所引起的，同時，轉矩M仍與△p成線性關系，M隨△p的增大而線性增加，表明螺桿鉆具實際上仍有良好的過載能力，當鉆壓PB變大時，導致鉆頭阻力矩增加，此時馬達壓降△p增大導致馬達轉矩M增大，以克服阻力矩，但同時引起相應的轉速降低。當△p增大到臨界值△pc時n=0，即鉆頭轉速為零出現制動，此時轉矩M達到Mmax，稱為制動力矩。

4 螺桿鉆具試驗臺試驗原理及組成系統

4.1 整機試驗原理

從模擬螺桿鉆井的實際使用工況出發，高壓液體驅動螺桿鉆具運轉，在額定流量范圍內，通過電磁剎車加載，完成對螺桿鉆具的性能測試，并對相關的參數進行測量(MT，nT，Q，△p)，再通過試驗分析軟件，對試驗數據進行分析研究，得出試驗結論。

4.2 整機試驗系統組成

試驗臺的組成部分可以分為包括動力、加載系統，水路系統，液壓系統，電控系統，數據采集處理系統。

當試驗開始后，計算機會根據設定的合理采樣頻率及數據采集實時采樣，并通過二次儀表在控制室內顯示，實時監測試驗情況，最后通過軟件加處理系統加以處理，并輸出試驗報告。

5 試驗數據分析

圖1為某165加長螺桿的試驗曲線

試驗過程中，采集的參數包括出入口壓力(pi，po)，轉速(N)，扭矩(M)，流量(Q)，輸入、輸出功率(Pi，Po)和總效率(η)。

輸入功率:

Pi=△p·Q=(pi-po)…………………(2)

輸出功率:

Po=1.04691×10-4M·N……………(3)

總效率:

η=Pi/Po……………………………(4)

由式(2)(3)(4)可以得出

η=Pi/Po=1.04691×10-4M·N/(△p·Q) ……………………………………………(5)

由式(5)可以看出，總效率(η)與M，N和△p，Q有關。試驗中當流量(Q)，出口壓力(po)基本不變時，總效率(η)只與扭矩(M)，轉速(N)和入口壓力(pi)有關。由圖1可以看出，加載過程中，轉速(N)逐漸降低，而扭矩(M)和輸入功率(Pi)逐漸增大，而效率(η)有一個先增后降的過程，在鉆具的額定扭矩附近達到最高點。所以我們可以看出總效率是判定螺桿鉆具的性能重要依據，再結合螺桿鉆具的額定扭矩和轉速來對螺桿鉆具作出判斷。

圖中△p-M，△p-n，△p-P，△p-η4條曲線和螺桿鉆具的實際工作曲線相吻合。這表明整機試驗臺的試驗結果符合實際使用要求，而且通過能量之間的關系很好的解決了馬達的效率測量的問題。

6 結論

該螺桿鉆具試驗臺具有以下特點:

(1)流量通過變頻電機頻率控制，調節方便，可以在25L/S的流量范圍內對螺桿鉆具進行整機檢驗。

(2)通過二次儀表，在操作室內顯示扭矩(M)，轉速(N)，流量(Q)，溫度(T)等重要參數，便于觀察試驗情況和及時發現問題。數據采集系統自動、實時記錄所有試驗數據，便于查詢和對試驗數據進行分析。

(3)加載系統采用電磁渦流剎車原理，加載過程容易控制;加載調節范圍廣，可實現從空載運轉到鉆具制動(n=0)，最大可實現20000N·m的扭矩加載。

(4)整個試驗過程可按照標準SY/T 5383-1999螺桿鉆具的檢驗要求實現螺桿鉆具的性能測試，可實現表格和圖標的輸出，試驗結果清晰明了。

但是，螺桿鉆具試驗臺和實際使用中也存在一定的差異，試驗中存在一些問題需要我們改進:

循環介質為水，與泥漿的粘度存在一定差別。由于泥漿的粘度比水大，使得漏失量減小，所以實際測得的效率相比實際使用效率偏小。

溫度受限，螺桿的試驗溫度為常溫試驗，而實際使用溫度比試驗溫度要高很多，溫度對定子橡膠的影響很大，在實際工作中，特別是深井、超深井的鉆探中這也是值得我們考慮的。

參考文獻

[1]SY/T 5383-1999 螺桿鉆具.

[2]蘇義腦.螺桿鉆具研究及應用.

[3]胡三恩，等.螺桿鉆具動態測試系統的研制.