螺桿鉆具馬達檢測方法的研究

王可，王斌，孫興偉

(沈陽工業大學機械工程學院，遼寧沈陽110870)

隨著油氣田開發的不斷進步，以及深孔瓦斯礦井規模的不斷擴大，一批高效能、低成本的鉆井新裝備得到了迅猛發展。這使得螺桿鉆具在油、氣、煤炭鉆采行業有了非常廣泛的應用前景，螺桿鉆具作為油氣鉆采行業使用最為廣泛的一種井下動力工具，是當前國內、外深孔鉆進技術中應用最為廣泛的鉆進器具之一，因此其性能直接決定著現場鉆井作業的生產效率。但是目前螺桿鉆具的使用帶有較大的盲目性，主要是對螺桿鉆具的動力部件——螺桿馬達的使用條件不夠了解，對其輸出特性與地層的相關研究不夠充分。因此，對螺桿馬達輸出性能的研究具有重要的理論與實際意義［1－6］。

1 螺桿鉆具的構成和工作原理

螺桿鉆具是一種以泥漿為動力的井下工具，自上而下由旁通閥總成、防掉總成、馬達總成、萬向軸總成和傳動軸總成5 大部分組成。其結構示意圖如圖1所示［7］。

圖1 螺桿鉆具的結構簡圖

螺桿鉆具最基本的工作原理就是把泥漿泵輸出的泥漿，經旁通閥進入馬達。在馬達進出口形成一定壓差推動馬達的轉子旋轉，并將扭矩和轉速通過萬向軸和傳動軸傳遞給鉆頭，從而破巖鉆進。

螺桿鉆具的性能特點是由其動力部件——螺桿馬達決定的。馬達的轉子與定子相互嚙合(見圖2)，用兩者的導程差形成螺旋密封線，同時形成密封腔。隨著轉子的轉動，密封腔沿著軸向移動，不斷地生成與消失，完成其能量轉換。這種容積式馬達雖然結構簡單，但卻有以下兩個突出特點:

(1)理論轉矩與馬達進出口間的壓差成正比;

(2)理論轉速與通過的流量有關而與鉆壓無關(見圖3)［8］。

圖2 馬達的結構

圖3 馬達理論特性圖

2 螺桿馬達測試原理

螺桿馬達檢測試驗裝置研制的目的是:測試新購置和修復后的螺桿鉆具馬達的性能，避免鉆具的報廢和盲目使用，為馬達能否使用提供科學依據。

結合螺桿馬達的工作原理，該檢測試驗是將馬達總成作為泵來進行檢測，即由驅動裝置連接輸入軸，將其能量轉化成軸的機械能。驅動軸轉動，帶動水利部分的轉子作偏心運動，使轉子與定子之間形成腔室。轉子的偏心運動驅動密封腔室內流體“移動”，使流體沿軸線方向從入口“移動”到出口。在此過程中，能夠測試螺桿馬達的扭矩、轉速、流量及出口的壓力，進而推算出螺桿馬達的效率、性能等參數，為定量評價螺桿馬達的維修質量及使用性能提供準確、全面的科學依據。這種檢測方法的優點是設備簡單，可以在很大程度上降低產品的檢測成本，是生產廠商衡量螺桿馬達性能優劣的重要手段。

檢測系統需要測定的參數有:驅動馬達旋轉的扭矩M;轉速n;流經螺桿馬達的流量Q;出口壓力p。

被檢測螺桿馬達效率的計算:

(1)容積效率

由于在液體壓力的作用下，鉆具馬達定子的橡膠襯套會發生徑向變形引起一部分液體Q'從轉子與襯套之間泄漏，所以容積效率的定義為

其中:Qa為動力液有效流量(即Qa=Q－Q')。驅動螺桿轉子旋轉的有效流量可表示為［9］

式中:q 為轉子每轉1 周所通過的理論流量即每轉流量。在馬達空轉時，認為此時內部泄漏很小或不發生內部泄漏，因此q 可表示為

式中:Q0為空載流量，n0為空載轉速。將式(2)、(3)代入式(1)計算得

(2)螺桿馬達的總效率

式中:Δp 為馬達壓降;Md為電機輸出扭矩;i 為減速比;n 為馬達轉速。

(3)螺桿馬達的機械效率

3 螺桿馬達測試方案及測試過程

螺桿馬達檢測試驗方案如圖4 所示。

圖4 螺桿鉆具馬達檢測試驗方案圖

首先，測試系統對螺桿鉆具各工況下各個參數進行收集，收集到的數據是反映被測鉆具性能的關鍵。所以，收集數據精度的高低也會決定被測鉆具的質量。為此，數據收集成為了測試系統的關鍵部分之一。為確保數據采集的準確性和有效性，各通道同時進行數據采集。為消除其偶然誤差，每次采集100 個點，取其平均值作為測量值。

其次，測試系統實現了對鉆具各工況點的調節、各參數的采集及試驗數據的處理。該系統根據各傳感器信號輸出方式，由A/D 端采集壓力、流量和溫度數據，通過RS232C 接口傳輸扭矩和轉速數據。

測試系統硬件組成如圖5 所示。

圖5 螺桿馬達檢測試驗方案硬件組成

根據《中華人民共和國石油天然氣行業標準》，螺桿馬達試驗和抽查檢驗須要進行的測試過程有:空載試驗、負載試驗、連續運轉試驗和超載試驗。不同實驗項目的區別在于轉速、循環流量、加載扭矩和運轉時間的不同。作者只對公司設計的直徑為172 mm螺桿馬達進行了空載試驗、負載試驗及超載試驗。被測試馬達理論設計的主要參數為:

馬達壓降為4.3 ～5.3 MPa;流量范圍為22.5 ～40 L/s;工作扭矩為7 150 N·m;輸出功率為80 ～120 kW。

(1)空載試驗

試驗目的:檢驗螺桿馬達的裝配質量。試驗中測出馬達空載運轉時在額定轉速下的輸入流量，以便評價馬達定、轉子襯套副的工作狀態。

試驗方法:

①將待檢測的馬達放在夾持機構上，再將馬達的轉子與進水機構中的軸相連接，用夾持機構夾緊定子殼體，用推拉液缸推送前行，直至定子兩端得到密封。②打開水路系統中的閥門，水從管路進入水路系統。開啟電機，逐漸加大轉速。當鉆具啟動時，記錄此時的輸入流量Q0。

(2)負載試驗

試驗目的:測出馬達的性能參數，檢驗性能是否達到設計要求，為用戶使用和質量評價提供依據。

試驗方法:在額定轉速下，保持試驗介質的溫度平衡，通過馬達末端的水閥門按比例逐漸關閉，在每一負載點運轉平穩后，檢測馬達的出口壓力p、入口流量Q 和輸入扭矩Md。

(3)超載試驗

試驗目的:對馬達的工作可靠性進行考核。

試驗方法:在循環工況下，關閉出水閥門。由于轉子轉動而使水不斷地從入水口被輸送到后接頭端及與其連接的管路中，因而后接頭端與出水閥門之間的管路中壓力不斷升高，直至定子與轉子之間形成的密封腔再不能承受過高壓力而使密封失效，這時檢測得到水路進出口的最高壓差便是所要測試的馬達密封壓差Δp。

對馬達進行上述測試，并記錄測試數據。截取拐點處3 個測試點的數據，將這些數據歸納于表1。

表1 馬達試驗數據

從表1 中可以看出超載試驗的壓力值是具有某個極限值的，這說明螺桿鉆具作為容積式水力機械還有一個優點，就是由于定子襯套上存在彈性襯墊使制動轉矩有某個極限值。

根據實驗檢測的數據，計算機自動生成螺桿鉆具的實際工作特性曲線，如圖6—8 所示。

圖6 效率特性曲線

圖7 輸出功率特性曲線

圖8 流量特性曲線

將圖7、8 和圖3 進行對比，可發現螺桿鉆具實際工作特性與理論工作特性之間的差異。實際輸出功率有一定的極限范圍，當實際工作施加的鉆壓達到臨界值時，馬達出現制動，即進入馬達的鉆井液流量Q全部由轉子和變形的定子橡膠襯里間的縫隙泄漏，ηv=0，制動工況使鉆具的轉子、萬向軸和傳動軸承受最大扭矩，密封線承受最大壓差，對工具危害甚大，因此應予避免。

由于容積效率ηv的影響， 導致了實際輸入流量隨Δp 的增大而降低，流量特性曲線Q—Δp 的前面部分相對平緩，下降速率相對較小，所對應的總效率值ηz較大(見圖6)。總效率最大的工況為螺桿馬達的工作點，工作點對應的工作參數應是螺桿馬達工作的最優參數，如產品說明書上推薦的額定排量、額定鉆壓、額定扭矩、額定轉速和額定功率。按照規定，用戶在現場應用中應盡量使螺桿鉆具工作在其工作點附近。綜合上述分析可以發現被測馬達效率達到了《中華人民共和國石油天然氣行業標準》對螺桿馬達總效率的要求［10］(即35%以上)。但是與理論設計數據相比偏小，主要是由于馬達中定子與轉子之間的配合并不是理想狀態，存在配合誤差。當然數據采集系統中存在的誤差也是導致數據有偏差的原因之一。但從總體試驗效果來說，該方案為定量評價螺桿馬達的維修質量及使用性能提供準確、全面的科學依據。

4 結論

采用螺桿鉆具馬達檢測試驗法可以有效地縮短檢測時間，降低檢測成本，提高檢測效率。整套系統簡潔、可靠，生成的報表直觀、實用。此法只是類比試驗，上述試驗結果表明，被測馬達的性能完全滿足《中華人民共和國石油天然氣行業標準》對螺桿馬達的出廠要求。并可以利用試驗數據與理論參數的誤差來進一步完善馬達的設計。由此可見，此法完全滿足檢測要求，所得到結果是可信的，可用于測試新購置和修復后的螺桿鉆具馬達的性能，為馬達能否使用提供科學依據。

【1】汪蕓，姚寧平，王敬國.煤礦用螺桿鉆具性能測試及應用分析［J］.探礦工程，2011，38(2):60 －62

【2】許志倩，張作龍.螺桿鉆具正向檢測試驗臺設計［J］.液壓與氣動，2007(10):34 －35.

【3】張強，李明謙，成占春，等.大扭矩螺桿試驗臺的研制及應用［J］.石油機械，2007，35(7):31 －34.

【4】李萌，于興勝，羅西超，等.螺桿鉆具的前沿技術［J］.石油機械，2011，39(9):19 －22.

【5】王春陽，黃繼慶，陸天明. 螺桿鉆具整機性能試驗研究［J］.鉆采工藝，2010，33(1):73 －75，89.

【6】左運峰，周文華，檀驚濤，等.降低螺桿鉆具失效的現場技術措施［J］.石油鉆采工藝，2009，31(2):36 －38.

【7】楊森，趙映輝.螺桿鉆具失效情況統計分析［J］.鉆采工藝，2010，33(3):81 －82.

【8】屈文濤，路玥，何文濤.螺桿鉆具現場操作數據庫的設計與實現［J］.石油機械，2009，37(12):82 －84.

【9】任憲可，李艷霞，楊保軍. 螺桿鉆具定子壽命分析［J］.石油礦場機械，2011，40(9):45 －48.

【10】全國石油鉆采設備和工具標準化技術委員會. SY/T 5383-2010 螺桿鉆具［S］. 北京:石油工業出版社，2010.