長輸管道定向鉆中獾式鉆井的 井下電動鉆具電機散熱設計研究

楊濤，喻開安

（1.國家石油天然氣管網集團有限公司新疆煤制天然氣外輸管道有限責任公司，北京 100029； 2.中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京 102200）

1 井下電動鉆具總體結構和工作原理

用于長輸管道定向鉆的獾式鉆井井下電動鉆具主要由電流接引頭、儲油補償密封裝置、三相異步電機、電機散熱裝置、行星齒輪減速器、支承節等六大部分組成，井下電動鉆具通過獾式鉆探器中存儲的電纜將地面的電流傳輸到三相異步電機，電機將電能轉化為機械能，旋轉的電機軸經行星齒輪減速器減速后輸出轉速和扭矩，驅動最下端的PDC鉆頭旋轉破巖。

2 井下電動鉆具的異步電機散熱分析

2.1 井下電動鉆具中電機的基本結構

電機是井下電動鉆具的動力部分，它將動力傳遞給與電動鉆具下部連接的行星齒輪減速器輸入軸，經減速后，帶動PDC鉆頭旋轉破巖。

經相關文獻調研發現：采油領域使用的潛油電機大多為兩極三相鼠籠型交流異步電機。而對于本文所研究的用于獾式鉆井的井下電動鉆具中的電機，考慮到獾式鉆井新工藝中無鉆井液循環的這一特殊工藝，正常鉆進時電機產生熱量無法通過循環流體帶走，因而選擇的電機功率較小，初選功率約8kW左右的兩極三相鼠籠異步電機，它主要由定子、轉子、扶正軸承、止推軸承、散熱系統、儲油補償密封系統、接頭等組成，形狀像一個細長的柱形圓筒。

2.2 電機散熱系統

2.2.1 電機油路循環散熱裝置的結構組成

針對獾式鉆井上部井眼被填埋的實際情況，只能從電機外殼尺寸、電機內電機油的循環流動速度、相變儲熱等方面來考慮電機的散熱問題。

該散熱裝置的結構如圖1所示。最上端是止推軸承，該止推軸承裝在電機頭總成里，電機頭總成通過螺紋與電機外殼連接。電機軸加長，在加長電機軸上安裝一個離心式葉輪，該葉輪通過鍵聯接在空心電機軸上，與電機軸同步旋轉。葉輪的外圍安裝有一個散熱外殼，該散熱殼體的上接頭通過螺紋連接在電機外殼上。散熱外殼的上、下端分別以螺紋聯接上、下接頭。在上接頭內從上至下依次安裝上導殼、葉輪、下導殼和壓緊環，壓緊環通過螺紋與上接頭聯接，并將上接頭內的各部件壓緊。在上、下接頭內安裝有扶正軸承，用于支撐加長空心電機軸。在加長電機軸的最上端和最下端開有徑向油孔。油路循環的通道是由定、轉子間的氣隙，加長空心電機軸壁厚的軸向小孔、徑向油孔等連通組成。其循環介質是特殊的電機潤滑油，這種潤滑油有一定的粘度，絕緣強度也很高。

圖1 電機油內循環流動散熱示意圖

2.2.2 散熱裝置的油路循環過程

在電動鉆具正常鉆進時，葉輪隨同空心電機軸一起旋轉，葉輪對潤滑油做功，使其動能和壓能增加，在離心力的作用下，轉動的葉輪對潤滑油產生抽吸作用，并對散熱殼體內的潤滑油產生一定的壓力。密封在電機內的高溫潤滑油在抽吸作用下吸入散熱殼體內，高溫潤滑油在散熱殼體內散熱后，葉輪將散熱殼體內的低溫潤滑油經電機軸的徑向油孔壓入空心電機軸壁厚上的縱向孔內，經電機軸上端的甩油孔甩入電機氣隙內。就形成了這樣一個閉合的油路循環：氣隙→散熱殼體→空心電機軸壁厚上的縱向孔→氣隙。如此不間斷地往復循環，不僅對電機內部的各種運動構件進行了潤滑，而且把電機產生的熱量通過散熱殼體散到外界，實現了對電機潤滑和散熱的雙重目的。

這種散熱裝置在電機外殼下端連接了一個散熱殼體，在滿足殼體強度的前提下，可適當增加散熱外殼的軸向尺寸。另外，隨電機軸同步旋轉的葉輪可加快潤滑油的流速。這種加大散熱面積和加快潤滑油流速的方法可加速電機散熱，對延長電機壽命很有利。

2.3 電機部分穩態溫度場的計算與分析

2.3.1 外表面對流換熱系數對循環出口電機油溫度場的影響

電機氣隙中的高溫電機油經過散熱腔和空心軸的流道，主要是通過散熱殼體和空心軸與井筒的流體進行對流換熱來散熱。鑒于對流散熱系數計算的復雜性，本節簡單對散熱外殼外表面對流換熱系數1α、空心軸內表面對流換熱系數2α分別取幾組不同的值，在其它條件相同的情況下，對比分析外表面對流換熱系數對電機散熱效果的影響。

在電機下端散熱腔模型的邊界條件中分別施加上述幾組不同外表面的對流換熱系數（表1），在入口電機油流速為0.01m/s，散熱腔入口電機油溫度為108°C，湍流度為5%，散熱殼體長度為0.1m的條件下，得到出口電機油（即電機氣隙入口）的溫度分布情況。

從分析結果可以看出，隨著散熱殼體外對流換熱系數的增大，腔體進出口電機油的溫降亦隨之增大，說明提高殼體外的對流換熱系數是降低電機溫升的有效措施。

表1 對流換熱系數參數表

2.3.2 散熱腔體長度對出口電機油溫度場的影響

由傳熱學的原理可知，增加換熱表面積可增加向井筒流體的散熱量。因此，本文對電動鉆具散熱腔體的長度分別取幾組不同的值來進行散熱仿真，以上文中假設工況計算的邊界表面對流換熱系數作為實際計算參數，在其它條件相同的情況下，來對比分析散熱腔體長度對出口電機油溫度場分布的影響。從幾組不同長度的散熱腔體仿真溫度來看，散熱腔體長度的增加對溫降的影響非常有限。

2.3.3 內循環電機油的速度對出口電機油溫度場的影響

散熱腔內的葉輪對氣隙中的電機油有一定的抽吸作用，使內循環潤滑油的速度增大，影響該速度的大小的因素很多，如葉輪的結構參數，電機軸的轉速等等。限于篇幅，本節只取幾組不同的入口速度，來對比分析電機油速度對散熱腔內電機油溫降的影響。

從分析結果看出，在入口速度為湍流的最小流速時，溫降效果最明顯。隨著入口速度增大，電機油的進出口溫降反而減小，達到一定速度后，溫降基本不變。

2.3.4 內循環電機油的湍流度對出口電機油溫度場的影響

影響單相熱流體對流換熱強度的因素很多：流動狀態、換熱壁面粗糙度狀況、流道尺寸和形狀、流體物性等。但歸根結底，最主要的影響因素是層流底層，設法減薄層流底層的厚度可減少層流底層的熱阻，從而達到增強熱流體的湍流強度。對于強化湍流流動的散熱，主要原則是減薄邊界層流底層的厚度。

散熱腔體內的電機油在葉輪的作用下，電機油在散熱腔體內做湍流流動。整個散熱殼體內電機油的流動分為3個區域，即靠近管壁的層流底層區，管子中間部分的紊流區和介于層流底層與紊流區的過渡區。要提高熱電機油和散熱殼體的對流換熱效果，需減小這3個區域的熱阻。本文在其它條件相同的情況下，分別取幾組不同的湍流強度值，來對比分析湍流強度對出口電機油溫度分布的影響。

由分析結果可知，在一定程度上，提高湍流度能增加換熱效果。結合相關強化傳熱技術的原理和該電動鉆具的具體結構，可以從散熱殼的結構方面來增強散熱腔內電機油的湍流度。

可將散熱腔的外殼做成螺紋槽管，其管壁是具有外凸和內凹的螺旋形槽道的異形管。電機油流過螺紋槽管時，即有軸向流動，也有旋轉運動，還有電機油受到螺紋凸出物周期性擾動引起的流動，熱的電機油在離心力的作用下造成二次流動，從而加強了流動邊界層的擾動，促進邊界層流體和中間層流體的混合，近管壁處的電機油湍流強度得以提高，從而有效地強化高溫電機油與管壁的對流換熱過程，其換熱效果比直管好。

3 結語

綜合上述4個影響參數的分析結果可知，提高電機外殼的對流換熱系數是降低電機溫升的最有效措施，其次是在一定范圍內增加散熱腔內循環電機油的湍流度，而通過增加散熱腔體的長度對降低電機溫升的效果非常不明顯。如果鉆遇的地層無任何流體，可嘗試通過在散熱腔體內安裝一定量的相變材料來吸收電機運行時產生的熱。