井下動力鉆具用容積式金屬葉片馬達原理研究

于興勝，米凱夫，聶潔凈，羅西超

(中國石油集團鉆井工程技術研究院 北京石油機械廠，北京 100083)①

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井下動力鉆具用容積式金屬葉片馬達原理研究

于興勝，米凱夫，聶潔凈，羅西超

(中國石油集團鉆井工程技術研究院 北京石油機械廠，北京 100083)①

容積式金屬葉片馬達是一種適用于微小井眼鉆修井作業、高溫井、復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的運動特性，基于圓柱繞流理論，研究了馬達內部高、低壓腔的形成機理。建立了閥口節流棒升力數學模型，分析了閥口節流棒渦運動的規律以及配流殼體開口的特殊方式對壓力分布的影響。研究內容及結果可為容積式金屬葉片馬達的設計提供理論依據。

鉆具；井下液壓馬達；原理

螺桿鉆具是目前油氣鉆井中應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]。隨著勘探開發進一步面向深層、復雜區塊和低品位油氣資源，井下工況更趨復雜，安全、快速鉆井及油氣藏高效開發對井下動力鉆具產品提出了更高要求[4-6]，尤其是面向微小井眼鉆/修井作業、高溫井、復雜泥漿體系，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發展的特殊需求。為此，北京石油機械廠研制了一種全新結構的容積式金屬葉片馬達，其定子采用全金屬材料，在不降低輸出性能的前提下，克服了傳統螺桿鉆具馬達定子橡膠材料的不足，更好地適應復雜泥漿體系及井底高溫，為油氣勘探開發鉆/修井作業提供了一種新技術、新工具。

1　工作原理及運動分析

金屬葉片馬達的總體結構主要包括定子、轉子、閥口節流棒、配流殼體、軸承組、連接軸和傳動軸總成等。整個金屬葉片馬達至少需要兩級構成，且兩級轉子之間相位差為90°，從而實現轉子360°連續旋轉。

在鉆進過程中，流體通過兩級轉子形成兩個高壓區和兩個低壓區，在壓力作用下產生力偶驅動轉子旋轉。當驅動第1級轉子旋轉90°后，壓力處于平衡狀態，此時處于相對位置的第2級轉子繼續旋轉90°，以此循環完成圓周運動。流體在高壓區形成壓力做功，按照流體勢能減少方向流動排泄到馬達外。上述馬達轉子的運動屬于同心旋轉運動，既可以在結構上省略萬向節的設計，又可降低鉆柱的振動，提高作業效率，改善井眼質量。

2　壓力腔形成機理研究

如上所述，實現金屬葉片馬達轉子同心旋轉運動的關鍵在于高、低壓力腔的形成，而閥口節流棒和配流殼體是形成壓力腔的關鍵部件。

2.1壓力差理論基礎

在馬達設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力造成的，一般來說，壓力差是起主導作用的因素[8-9]。

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

圖1　圓柱繞流理論模型

2.2閥口節流棒升力數學模型

基于圓柱繞流理論，假設流體密度為ρ，無窮遠處來流速度為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。

設阻力系數為

(4)

式中：CP為壓力系數；Cf為摩擦因數。

壓力系數

(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)，壓力系數又可表示為：

(7)

設表面摩擦因數

(8)

由于摩擦切應力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

流體作用在閥口節流棒如圖3所示。閥口節流棒質量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。

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圖3　流體作用在閥口節流棒示意

根據已知條件p=p0，代入式(10)得到CP=1。

故當θ=0→90°時，

推導出

故

因此，當最小滯止壓力p0=50 kPa時，來流可以將100 g的閥口節流棒自如浮起來，即當流體壓力達到50 kPa時，閥口節流棒能夠將葉片馬達內腔分割成高壓腔和低壓腔。

3　閥口節流棒壓力分布研究

3.1閥口節流棒渦運動的特點

分離流和渦運動是流體運動中的基本物理現象。粘性流體繞過圓柱時，會在圓柱表面形成流體邊界層。當雷諾系數較大時，流體可能在圓柱尾部分離，并不斷產生漩渦，形成尾流渦街，使得圓柱表面的阻力和升力增大，產生振動和噪聲。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，從而導致流體的分離點后移，圓柱尾流中流體分離的區域減少，故壓差阻力減少，避免流體分離點靠近圓柱，進而避免引起渦爆，使圓柱產生振動和噪聲。

圖4　配流殼體開口圓柱繞流流態

3.2閥口節流棒壓力分布

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

圖5　閥口節流棒圓周角度定義

閥口節流棒周向壓力系數分布趨勢如圖6所示，圓柱壓力系數在1個周期內是變化的，其分布特點如下：

1)圓柱駐點處(θ=0°)壓力系數CP有最大值，在1附近。

2)隨著來流向圓柱左側擴展，壓力系數迅速減少。在θ=80°附近，流體產生分離，圓柱駐點后方的壓力在不同時刻呈現出較為規律的周期性變化。

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

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

6)圓柱區域(θ=60～ 180°)的壓力系數CP為負值，此時圓柱具有負升力。

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

圖6　閥口節流棒周向壓力系數分布趨勢

4　結論

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

2)設計容積式葉片金屬馬達的關鍵在于利用圓柱繞流迫使閥口節流棒產生一個方向的升力，將馬達內部分割成高壓腔和低壓腔，從而驅動轉子做同心旋轉運動。

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

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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

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

于興勝(1972-)，男，內蒙古呼倫貝爾人，高級工程師，碩士，2006年畢業于中國石油集團勘探開發研究院機械工程專業，主要從事鉆井機械科研設計相關工作，E-mail：mikaifu@sina.com。

TE921.201

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.004