螺杆钻具性能试验试验研究

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1、螺杆钻具性能试验试验研究王春阳 陆天明 李明谦 骆建勇（渤海装备中成机械公司）摘 要 螺杆钻具整机试验台测试排量、压力、转速、扭矩参数，通过对螺杆钻 具试验性能参数研究可以很好的掌握螺杆钻具的软特性。通过性能试验可以测 定启动压力、每级压力；得到制动扭矩与排量关系；确定中空分流水眼尺寸与 特性关系。完善试验大纲和检测标准，对判定螺杆钻具的性能非常重要。关键词 螺杆钻具 整机试验台 性能 启动压降 制动扭矩 分流水眼螺杆钻具作为井下动力马达在定向井、水平井乃至垂直钻井中得到广泛的 应用。近年来随着定向井、水平井、直井中使用螺杆钻具数量的增加，钻井作 业对螺杆钻具的需求量不断增大，估计每年国内使用

2、螺杆钻具 7 万多根。随之 钻井工艺的发展，对螺杆钻具的性能也有了更高的要求，不仅追求长寿命而且 追求高性能。需要对螺杆钻具的实际特性有更深的了解，这样才能针对不同的 作业状况，合理匹配螺杆钻具已达到提高机械钻速的目的。因此螺杆钻具特性 的研究非常重要，这就要依靠试验手段来完成。首先要拥有一台完善的试验设 备，其次要建立一套完整的试验大纲，最后要在大量试验的基础上制定出严格 的性能评价标准。目前国内对螺杆钻具的试验研究水平各不相同，由于受试验 条件的制约在这方面开展的研究也比国外有一定得差距。随着个性化螺杆钻具 的设计和螺杆钻具特性研究的深入开展，在这方面也将会有很大的发展。下面 就螺杆钻具试

3、验台建设、不同螺杆钻具试验性能研究、试验大纲及试验标准的 确立谈一些笔者的认识。 1、螺杆钻具试验设备的研制 国内早在 1985 年引进美国 DYNA-DRILL 螺杆钻具生产线时就引进了马达性 能试验台。它由电机带动转子，转子在定子内旋转驱动水循环，通过出口阀门 关闭后测试到压降来评定马达的性能。实际上这与螺杆钻具的使用刚好相反。 螺杆钻具是把液压能转化为机械能，而马达试验则是把电机转动的机械能转化 为液压能。由于该设备简单检测的参数也只有密封压力，所以它对螺杆钻具性 能的研究也只是仅仅提供一个方面的参考。一般采用固定电机转速的，所以测 到的压力只是受到不同马达的级数和定转子配合过盈量的影响

4、。 单靠马达试验台无法检测螺杆钻具的整机性能参数，所以国内外都在研制 整机综合性能试验台，检测的参数包括螺杆钻具的输入流量、入口压力、入口 温度、出口压力、出口流量、润滑分流流量、输出扭矩、输出转速。对于更多 参数研究的还要测试定子壳体三点温度，泥浆介质驱动试验和橡胶温度加热试 验。国内螺杆钻具试验台的建设也在不断完善，无论从测试参数、测试范围、 测试精度等方面都有很大的提高和完善。目前最大可以测试扭矩可以达到图2 螺杆钻具理论特性曲线20000 牛米，排量达到 42 升/秒，压力达到 8MPa，可以满足 244 以下规格、 中间排量、大部分性能的测试。但是由于排量过小、耐压太低，无法完成制动

5、 试验和极限排量试验。整机试验台流程基本相同（如图 1） ，原理都是模拟螺杆 钻具使用状况，采用电机带动泵从水箱供水到螺杆钻具然后回流，从分水传动 总成形成分流回到水罐循环。不同的是有的通过旁通水流控制测试流量，有的 采用变频器调节电机转速来调节输入流量。维持流量不变，通过加载器（加载 电机、磁粉制动器或涡流刹车）施加扭矩，逐步测试转速、压降等参数。通过计算可以得到输入功率、输出功率，进而计算出容积效率和整机效率。螺杆钻 具整机试验台性能也在不断的完善和提高，目前排量达到 100 升/秒、扭矩达到 30KN 牛米、压力达到 16MPa 的试验台也在研制当中。将来试验台能够满足性能 测试的同时还

6、向可做长寿命试验及高温试验以及泥浆性能试验，这将为更好地 研究螺杆钻具性能打下基础。 2、螺杆钻具试验性能研究 通过大量的螺杆钻具整机性能试验，对于螺杆钻具的特性有很好的认识， 使我们更能对螺杆钻具的设计参数进行验证，对制造质量进行检测。通过对试 验总结，我们得到以下认识： （1）螺杆钻具有实际的软特性 螺杆钻具是按照莫诺原理的井下动力马达，它的理论特性曲线如图 2，实 际特性曲线如图 3。从图 2 上可以看出理论上螺杆钻具具有以下“硬特性” ，即 输出的转速与输入排量成正比，与扭矩无关；压力降与输出扭矩成正比，与排 量无关。而实际特性却是如图 3 所示，显示出软特性，即随着扭矩增大，转速 会

7、降低。螺杆钻具的软特性有利于保护螺杆钻具，使螺杆钻具在制动的情况下， 全部液体从定子橡胶与转子密封缝隙中流过，避免制动后对其他件的过载冲击； 但是这对橡胶损害比较严重，所以在试验和使用过程中应避免长时间的制动。图 1 螺杆钻具整机试验台流程图 1、 加载电机；2、转矩-转速仪；3、分水传动箱；4、6 夹持钳口；5、移动钳口；7、高压软管；8、温度传感器；9、 进口压力表；10 出口流量计；11、离心泵；12、水箱；13 分流流量计，14、出口压力表图 3 5LZ172X7Y 螺杆钻具实际特性曲线（2）启动压降、每级压降 螺杆钻具启动时产生一个启动压降，这时虽然没有加载，但是由于要推动 螺旋转子

8、在多一头的定子橡胶内转动，克服转子与定子的摩擦形成压力，同时 也有消耗流体通过定转子容腔的沿程损失。不同的头数级数和导程马达具有不 同的启动压降。同一种马达的启动压降还与马达配合过盈量及输入流量有关， 通常过盈量越大启动压降越大。对于常规配合的马达在额定流量下启动压降一 般为 1.61.9MPa。如果额定排量下，启动压降超过 2.5MPa，则应考虑是否为 螺杆钻具传动部分出现问题，如果是新设计马达还应考虑马达是否接近自锁或 过盈量太大。注意这里指的是额定排量，如果超过额定排量，启动压降是完全 有可能超过 2MPa 的。 理论上螺杆钻具在额定排量、额定扭矩下正常工作的每级压降为 0.8MPa，但

9、实际试验中往往超过该值。这与定子橡胶密封性能有关，高性能的 橡胶每级压降可达 1.2 MPa，制动压降超过 1.5 MPa。 （3）制动扭矩、制动压降与排量有关 螺杆钻具的输入排量决定输出转速，因此在排量大时，转速会成比例升高。 在大的排量下施加扭矩，直到螺杆钻具制动，这时自然需要施加更大的扭矩， 压差也会增大。这也符合流体力学的原理，大排量制动时产生的沿程阻力更大， 压耗也更大。这在设计和使用中非常值得注意的，因为在超过设计排量范围时 使用螺杆钻具，其产生的扭矩往往超过传动件的极限强度，造成万向轴或传动 轴的失效。 （4） ）中空分流使螺杆钻具特性变得更软。 通过螺杆钻具整机试验可以很好的确

10、定螺杆钻具中空分流的效果；在喷 射钻井中，排量往往高于螺杆钻具的推荐排量范围，为了防止螺杆钻具在大 排量下造成损坏和控制钻头在合理转速范围内运行，螺杆钻具转子可以采用 中空分流。流经转子喷嘴水眼所产生压力差 P 的计算公式：PP1P214. 086. 4520 420vPD10Q1 . 676.6697Q Ld其中 P：马达两端压力差（PSI） ；P1：转子喷嘴所消耗的压力降 （PSI）P2：转子长孔所消耗的压力降（PSI） ；L：转子长孔长度（ft） ；：泥浆密度（lb/gal） ； Q。：流经转子水眼的流量（gal/min） ；D：转子长孔直径（in） ； d：喷嘴直径（in） ； P：泥

11、浆粘度 （cp）在上述计算公式中，P、P1、P2、D、P、L 在给定井况和螺杆 钻具规格后都是定值。因此，只要改变 d,就可以得到一个相应的 Q。值。再根 据相应井况的总流量和螺杆钻具马达推荐的最大流量和最小流量值，最终确定 Q。值和 d 值。 通过实验可以很好的了解螺杆钻具在中空情况下分流情况，可以掌握在一 定分流喷嘴下螺杆钻具特性变化。从图 4 和图 5 中可以看出，在 5LZ172X7Y 螺 杆钻具在加装 18#喷嘴时在同排量下。启动压降增大，而空转转速比实心的要 小，转速随扭矩下降的快，特性变得特别软。更加容易制动。所以在选用中空 转子水眼时一定要合适，否则过小的水眼达不到分流的效果；

12、过大的水眼则使 螺杆钻具转速降低和容易制动。3、螺杆钻具整机试验除了对螺杆马达性能做很好的评定外，还可以作为 质量检测的工具。首先试验过程中要观察旁通阀的关闭是否灵活，如果开泵时 从旁通阀出喷出水长时间不能关闭，或者需要超出排量很大还不能关闭，则需 检查旁通阀密封是否有效，弹簧是否卡死，另外也要检查阀芯阀套配合是否达 到要求。在正常运转过程中，不应有水从阀口渗出，如果有水渗出则需要检查 密封是否失效。在停泵时还要检查是否有喷出，如果喷出则可判断阀芯在弹簧 作用下正常弹起，如果没有则需拆检。其次在正常试验过程中，还要密切注意 传动轴 TC 轴承是否发热，有时甚至能够看到下 TC 润滑分流的水遇热

13、气化冒烟 现象。如果过热烫手，则认为是 TC 轴承滑动不畅，有报死的危险。这是则应考 虑 TC 轴承是否基体过软、配合面同轴度及垂直度是否达设计要求；同时也应考 虑传动轴组件是否同心度多大。另外在试验过程中还可以通过监听万向轴内部 是否有异响，用以检测万向轴运转是否灵活以及内部是否有干涉。所以螺杆钻 具试验台除用于做型式外，还可以作为检测工具对螺杆钻具进行质量抽检。为 保护螺杆钻具零部件免于锈蚀，便于保存，检测完的螺杆钻具一定要拆开，零 部件要按规定涂油或润滑脂后重新装配起来。 5、螺杆钻具整机性能试验还可以现场使用和螺杆马达选型的指导。现场 使用螺杆钻具后的钻头的转速无法直接测出，井队技术人

14、员往往是通过马达输 入排量计算出螺杆钻具钻具的传动轴转速再叠加上转盘驱动钻杆的转速而估算 出来的。由于钻压及地层的影响，螺杆钻具的转速往往是不均匀的，并且在不 同的扭矩下螺杆马达转速减低也不一样。而通过参考马达试验性能曲线和现场 螺杆钻具的反扭矩值则可很好的估算出钻头的实际转速，这对于钻井作业非常 有益。通过现场使用效果反馈也可以分析是否可以通过提高螺杆钻具转速或输 出扭矩来进一步提高钻井机械钻速，利用不同整机性能曲线选择合适头数级数 的螺杆钻具。前面提到的中空分流试验对现场分流嘴大小的确定具有非常重要 的指导意义，在不确定选择多大分流嘴才能得到最佳效能的情况下，我们可以 借助整机试验性能来作

15、为判断依据。另外把实际的性能曲线与现场的实际使用 工况结合形成选型数据库，可以很好的指导我们对类似工况的螺杆钻具的选型。6、螺杆钻具试验大纲制定和标准的确立 行业标准 SY/T5383 对螺杆钻具整机性能参数的指标只规定了效率指标， 检测参数有压力、温度、流量、输出转速、扭矩。对每一规格来说，这些指标 没有严格的定量标准。因此企业需要在行业标准的指导下，制定更细的试验大 纲和标准。通常是对照理论性能曲线和大量的实际性能曲线综合形成标准性能图 4 实螺杆钻具性能曲线 图 5 加 18#水眼中空螺杆钻具性能曲线曲线。然后把新的试验数据与之对比，找出偏离值，超过偏离极限的即为不合 格。这需要建立每种

16、马达的标准曲线数据库，而该标准曲线的确定需要大量的 试验数据研究。 总结:作为衡量螺杆钻具性能的整机试验台对于产品的设计开发和质量检 测非常重要，目前试验设备可以检测到压力、排量、转速、温度扭矩等参数， 计算容积效率、功率和整机效率。目前的螺杆钻具整机试验台还有一定的局限 性，还不能完全模拟螺杆钻具的井下使用工况。例如螺杆钻具试验台没有轴向 加载，不能模拟钻压；只能平稳加载，无法模拟钻井过程中的冲击和突然制动； 没有介质的加热功能，无法模拟高温井的试验。今后更加完善的试验台还需不 断完善功能，还应增加泥浆介质试验、高温介质及寿命试验。通过大量的试验 可以得到以下规律：螺杆钻具具有实际工作的软特性；启动压降受马达型号和 定转子配合影响；制动扭矩随着排量增加而加大，中空螺杆钻具的分流作用使 螺杆钻具特性变得更软。制定完善的试验大纲和检测标准是测量评定螺杆钻具 性能的有效手段，这需要大量的试验和数据统计分析做基础。 参考文献： 1、苏义脑 螺杆钻具研究及应用北京.石油