新型氣液驅動式螺桿鉆具設計及研究*

賀俊偉，陳浩東，胡開元，何 勇，宮欣悅，匡延科，劉 洋

（1.長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023；2.中國石油塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000）

隨著石油天然氣需求量的飛速增長，對鉆井技術和成本提出了更高要求，其中氣體鉆井可有效減少鉆井成本和提高鉆井效率，因此，氣體鉆井技術在油氣勘探開發中占據一定比例，已成為非常規能源開采的重要環保手段[1-3]。但是目前的技術裝備遠遠達不到高效開發的目的，不能高效完成大斜度井段、長水平井段等復雜井的作業，嚴重地限制了氣體鉆井的應用范圍。為了克服難鉆地層中常規動力鉆具的使用問題，需要設計和開發一套高效井下設備——氣體鉆井螺桿鉆具[4-5]。

常規氣體螺桿鉆具經常出現飛車、憋泵的現象，為了輸送平穩的鉆壓和扭矩，本研究開發了一種用于鉆長水平井氣的新型氣液驅動式（氣驅液動） 螺桿鉆具，利用氣驅液動自循環功能平穩輸出扭矩的螺桿鉆具。該工具借鑒汽車發動機原理，經過多次設計改進，利用地面輸送的高壓氣體推動定子腔內液體的循環往復運動，從而帶動萬向軸和轉子轉動，平穩傳遞扭矩給鉆頭，實現高效氣體鉆井作業。

1 新型氣體螺桿鉆具概念設計

1.1 新型氣體螺桿鉆具結構及工作原理

常規螺桿鉆具基于液體的不可壓縮性以及容積式機械的相關特性，在過載性能方面、機械特性方面都表現出較好的工作效果；而在水平井和大位移井中氣體螺桿鉆具卻比液動螺桿鉆具有更加穩定的機械鉆速，克服了常規螺桿鉆具中難以避免的壓持效應。但通過分析目前的氣體螺桿鉆具，其仍存在著許多問題，因此常規氣體螺桿鉆具在實際現場中的實際應用越來越少。

目前的氣體螺桿鉆具由于氣體所具有的可壓縮性，當氣體通過螺桿轉子時，所產生的壓差現象會導致嚴重的飛車和制動現象；而液動螺桿鉆具是通過不可壓縮的鉆井液驅動轉子轉動，克服了常規氣體螺桿鉆具的缺陷。故本設計的新型氣體螺桿鉆具具備常規液動螺桿鉆具的不可壓縮性這一特性，同時保留了當氣體進入井底發生攜巖返排的特性，即沿用液動螺桿鉆具的工作機理：利用液體進行驅動螺桿轉子，而目前的氣體螺桿鉆具通常是利用氣體驅動轉子轉動，并利用氣體進入完成井底攜巖返排，故將該新型氣體螺桿鉆具又稱作新型氣液驅動式（氣驅液動） 螺桿鉆具。基于國內外相關文獻調研，本文首先完成新型氣液驅動式螺桿鉆具的概念設計。圖1 為新型氣體螺桿鉆具結構圖，從左至右依次由配氣裝置、馬達總成、萬向軸總成及傳動軸總成組裝配合。

圖1 新型氣體螺桿鉆具結構圖

1.2 傳動軸總成的基本組成

圖2 為傳動軸總成正視圖，其主要由徑向軸承、傳動軸及傳動軸總成殼體等部件構成，傳動軸設置安裝于傳動軸殼體內，而在傳動軸殼體與傳動軸連接處放置徑向軸承。

圖2 傳動軸總成正視圖

為保證傳動軸在運行時的可靠性和穩定性，傳動軸總成還配置了徑向軸承動圈及靜圈結構。同時為了在裝置內部形成潤滑腔，分別將上徑向軸承靜圈設置在傳動軸殼體與傳動軸裝置之間，將下徑向軸承靜圈設置在傳動軸殼體和傳動軸裝置之間，配合形成有效的潤滑腔結構，從而保證傳動軸裝置實現穩定輸出扭矩和鉆壓的傳遞。

2 傳動軸力學強度分析

新型氣液驅動式螺桿鉆具的傳動軸其上部連接萬向軸，下端連接鉆頭，傳動軸受到徑向推力以及軸承組產生的約束，使其作定軸轉動，從而在其鉆頭與萬向軸之間完成扭矩的傳遞[6]。傳動軸材料采用40CrNiMoA 或其他較高強度的合金鋼制造，一般使用左端直螺紋的方式進行連接，而右端錐螺紋可直接連接鉆頭，傳動軸總成結構圖見圖3。

圖3 傳動軸總成結構圖

傳動軸總成通過傳動軸連接鉆頭，將產生的扭矩及鉆壓通過傳動軸傳輸給鉆頭。在動力的傳遞過程中，通過徑向軸承對傳動軸進行徑向位移的約束，通過推力軸承組對傳動軸進行軸向位移的約束。從而確定傳動軸相關的具體力學參數，并對傳動軸進行強度計算。在有限元仿真模擬分析中，40CrNiMoA 的具體材料屬性參數見表1。

表1 40CrNiMoA 的具體材料屬性參數

圖4 為傳動軸有限元網格模型圖。在計算過程中，其邊界條件為：固定傳動軸右端，對傳動軸左端施加扭矩10 000 N·m，彎矩570 N·m，軸向力8 000 N。

圖4 傳動軸有限元網格模型圖

圖5 為計算得出的傳動軸應力和位移云圖。從圖5 中可知，在小徑的退刀槽處和圓角半徑的過渡連接處產生最大應力，由圖5 可知，最大馮·米塞斯（von Mises） 應力為287.3 MPa。說明截面尺寸生成突變的位置會發生應力集中現象，同時該位置也是最易產生失效的部位。在傳動軸小徑軸端面處，扭矩產生最大位移，其位移為1.32 mm。

圖5 傳動軸左端施加載荷應力云圖及位移云圖

基于以上分析可以看出，通過在傳動軸的兩端處施加約束和載荷，得到的最大應力位置一般都發生在傳動軸的退刀槽處。按照上述分析發現，所設計的傳動軸最大應力雖在安全可控范圍之內，但在退刀槽處的應力偏大，接近于材料的許用應力。傳動軸的強度在衡量軸的工作性能中起重要作用，由于軸是空心軸，其強度主要由軸的內徑與外徑決定。外徑保持不變而減小內徑將會增大軸的強度；同樣，內徑保持不變而增大外徑也可增大軸的強度。為了提高傳動軸的強度，主要就是從以下兩點著手：一是增加傳動軸兩個徑向軸承之間的徑向尺寸，增加傳動軸小徑處的直徑，由原來的80 mm 變為90 mm，并使螺紋中徑與推力軸承外圈直徑保持一致，內孔直徑保持不變；二是去除螺紋退刀槽結構，減少應力集中結構。圖6 為改進后的傳動軸有限元網格模型圖。

圖6 改進后的傳動軸有限元網格模型圖

固定傳動軸右端，并在傳動軸左端施加相同的約束和載荷，進行力學分析計算，得到改進后的傳動軸左端施加載荷應力云圖和位移云圖，見圖7。

圖7 改進后的傳動軸左端施加載荷應力云圖及位移云圖

基于分析得出，在相同約束和載荷情況下，改進后的傳動軸的最大馮·米塞斯（von Mises） 應力由改進前的287.3 MPa 降為181 MPa，同時傳動軸小徑處應力在101～151 MPa 范圍內波動。

由圖7 可知，傳動軸左端產生的最大位移為0.996 mm，較改進前產生的位移減少了0.319 mm。

3 結論

通過上述新型氣體螺桿鉆具結構設計和關鍵結構有限元分析，得到如下結論。

1） 改進前的傳動軸最大應力接近于材料的許用應力，改進后的結構可有效減小傳動軸應力和變形，增強傳動軸的強度。

2） 外徑保持不變而減小內徑，以及內徑保持不變而增大外徑，均可增大傳動軸的強度。

3） 對氣驅液螺桿鉆具的設計和分析可得，改進設計可以提高傳動軸的安全系數和壽命，表明該設計的氣驅液螺桿鉆具可以滿足鉆井需要。