预轮廓定子螺杆钻具性能研究

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1、预轮廓定子螺杆钻具性能研究王春阳夏秀文李良君陆天明李艳霞李鹏（渤海装备中成机械制造公司）摘要：为了研究预轮廓定子螺杆钻具的性能，进行了螺杆钻具整机台架试验、马达压降试验及定子温升试验。研究表明预轮廓定子螺杆钻具比常规定子螺杆钻具有许多优点，表现为单级承压能力强，相同长度下提供扭矩大，硬特性好，耐温性能高。预轮廓螺杆钻具代替常规螺杆钻具能大幅度的提升螺杆钻具性能，为定向井、特别是短半径侧钻井提供强有力的动力工具。通过开发应用实践表明要充分发挥预轮廓定子的性能必须在橡胶设计、注胶工艺及匹配零部件方面做相应的研究。关键词：螺杆钻具预轮廓性能压降　

2、常规定子预轮廓定子图1定子截面对比图预轮廓定子最先出现在国外贝克休斯INTEQ公司，它最先应用在垂直钻井系统AUTOTRAK上，后来推广应用在高性能螺杆钻具上，叫做X-TREME螺杆钻具。R&M公司也开发出预轮廓定子螺杆钻具叫做PCS螺杆钻具，随后DYNA公司、威德福等国际上知名的螺杆钻具制造厂家都相应开发出自己的预轮廓定子螺杆钻具。国内从05年开始研究，直到08年才掌握该项技术。预轮廓定子的核心技术就是在定子钢体上加工出预轮廓定子线型，使定子橡胶接近等壁厚形状，橡胶的拥有刚体骨架后改变了其螺杆钻具的输出性能（见图1）。国内对于预轮廓定子的

3、加工方法等开展了一些研究[1]，而对于其性能特别是动力性能、耐温性能、动力硬特性等研究则很少。笔者利用功能完备的螺杆钻具整机试验台、马达试验台等开展了预轮廓螺杆钻具性能研究，对于充分发挥预轮廓螺杆钻具在钻井中的作用有重要的指导意义。1、预轮廓定子对螺杆钻具输出特性的影响1.1预轮廓定子的第一个特点是单级承压能力强。通常预轮廓定子螺杆钻具的承压能力比常规螺杆钻具提高50%～100%，表1给出同样头数、同样导程，过盈量分别为0.5mm和0.2mm下马达压降台架试验的数值对比。从表上数据可以看出预轮廓定子螺杆钻具承压值远高于普通螺杆钻具。反过来也

4、就是说它转化压力能为机械能的能力也相应的比普通螺杆钻具大得多，这也是预轮廓定子螺杆钻具能够提供更加强劲动力的有力证据。型号打压值0.5mm过盈量（0.2mm过盈量）常规螺杆钻具5LZ172X7Y2.4MPa2.0MPa预轮廓螺杆钻具5LZ172X7Y-PCS4.3MPa3.8MPa表1相同设计的螺杆钻具打压值对比表耐压能力的提高主要是因为预轮廓定子的型腔头部对橡胶形成了有力的支撑骨架，橡胶厚度与谷底相同。其头部比传统定子的头部提供更多的抗变形力，在高压下定子变形率相同而变形量减小，因此密封腔漏失少，能保持更高的容积效率，提高了密封性能，得到

5、了更大的耐压值。1.2预轮廓定子螺杆钻具的第二个特点是：相同设计的预轮廓定子螺杆钻具输出扭矩较大。通过整机台架试验表明在相同设计、同等长度下预轮廓定子螺杆钻具的输出扭矩比常规螺杆钻具增大将近一倍。同时螺杆钻具的效率也得到了提高。为比较预轮廓定子技术和常规技术，选一个172外径预轮廓螺杆钻具与一个172外径的常规技术螺杆钻具进行比较，选用的这些螺杆钻具有着同样的设计参数（例如腔室体积）。由于设计相同，才能够对其性能和效率进行真正的比较。图2比较了上述讨论的两种螺杆钻具。X轴表示转速，Y轴表示输出扭矩。图上的竖线表示固定的流量。此处为1200，

6、1800和2400L/min。图2在腔室体积相同时预轮廓和常规技术性能的比较常规172螺杆钻具的功率曲线显示为红色细实线，而预轮廓定子螺杆钻具的曲线显示为蓝色虚线。两种螺杆钻具具有相同级数，相同线型，相同腔室和相同的定/转子配合（0.2mm间隙）。沿着2400L/min流量线从下向上，可以在8bar压降下找到相同的输出功率。两种螺杆钻具在230rpm时扭矩达1100Nm。增加载荷及压降，预轮廓螺杆钻具的出众性能特征变得明显了。在2400Ｌ/min和40bar压降下，常规螺杆钻具的转速下降至175rpm，扭矩是4700Nm。预轮廓螺杆钻具转速

7、为205rpm，产生5350Nm扭矩。在同样的工作点，这种螺杆钻具由于提高了容积效率而转得更快，并且由于提高了机械效率而产生更多的扭矩。在同样的输入功率下，预轮廓定子螺杆钻具比常规螺杆钻具有比较多的输出功率。预轮廓定子螺杆钻具在相同扭矩的条件下可以使定子长度缩短一倍，因此这会使同样输出性能的螺杆钻具长度大大缩短，可以带来两方面的好处。一方面是螺杆钻具长度变短，会使螺杆钻具上部的测量仪器（MWD/LWD）距离钻头更近，更有利于提高测量精度和及时性，使定向井、水平井井眼轨迹控制变得更容易；另一方面螺杆钻具变短可以提高造斜率和小曲率半径井眼的通过

8、性。[2]1.3预轮廓定子螺杆钻具的第三个特点是硬特性好、动力衰减慢。同样由于橡胶预轮廓，受流体压力均匀，变形量一致，因此密封性能更好。在扭矩增加的时候预轮廓定子螺杆钻具转速下降