双螺旋槽螺杆马达井下增压器设计

赵军友,徐依吉,孙培先,祁万军,周长李

(中国石油大学(华东)a.机电工程学院;b.石油工程学院,山东东营257061) *

双螺旋槽螺杆马达井下增压器设计

赵军友a,徐依吉b,孙培先a,祁万军b,周长李b

(中国石油大学(华东)a.机电工程学院;b.石油工程学院,山东东营257061)*

针对井下增压器存在的问题,设计了双螺旋槽螺杆马达井下增压器。该增压器以螺杆马达作为动力源,通过动力转向机构将旋转运动转换成直线往复运动,带动柱塞泵增压,将部分泥浆压力提高到100 MPa,从而提高钻井速度。对动力旋转体、销轴滑动轴套等关键零件进行了强度校核,均安全可靠。

双螺旋槽;螺杆马达;增压器;动力旋转体;销轴滑动轴套

随着钻井深度的不断增加,机械钻速越来越低,研究发现充分利用水力能量是提高钻井速度的有效途径之一。中硬岩石的抗压强度为45～85 MPa,只要射流压力超过这一数值,就可以明显提高钻井速度,降低钻井成本[1]。20世纪70年代,美国在5口3 000 m左右深井进行了试验,将整个钻井循环液压力提高到 68～105 MPa,机械钻速提高了 2～3倍[2-9]。

实现钻井液增压的方法有地面增压、井下部分增压2种。考虑到前者整个系统的可靠性与安全问题,国内外专家大多在研究井下增压技术,而这一技术的关键是设计出高压水射流的增压装置。目前报道的静压式增压器[10]和射流式增压器[11]都有一套复杂的换向阀系统和较多的流道,降低了可靠性,同时增加了加工难度,因此这些增压器一直没有推广使用[12]。为此,利用现有成熟的螺杆马达作动力,研制出了一种运行可靠的双螺旋槽螺杆马达井下增压器。

1 工作原理

如图1所示,螺杆马达作为动力源,通过螺纹与动力旋转体连接,带动旋转体一起转动;旋转体上装有2个滚动销轴,销轴在换向机构内侧的双螺旋槽内滚动,带动该机构作直线往复运动。换向机构与过滤体通过T形榫槽连接,过滤体与柱塞通过螺纹连接,在换向机构的驱动下,过滤体与柱塞一起作上下往复运动;上升时,装在柱塞下端的进液阀打开,下降时,装在泵体下端的排液阀打开,从而达到增压的目的。其中,过滤体保证吸入的液体中不会有大颗粒,避免高压流道堵塞,同时还起到保护泵体的作用。本过滤装置由于设计在主液流的通道中,受到液流的冲洗,故具有自清洗功能,过滤网不会堵塞。进液阀设计在柱塞内部,以减小泵体部分的体积。

图1 增压泵结构

2 参数确定

设定增压泵出口压力 p=100 MPa;活塞直径dH=63 mm;螺旋槽升角α=15.27°,如图2所示。

图2 螺旋槽受力分析

则活塞推力为

所需的螺杆马达扭矩为

由选定的螺杆马达参数可以计算出增压器高压射流排量为

式中,n为螺杆马达转速,r/min。

正常工作时高压射流实际输出压力为90～100 MPa。

3 关键零部件的设计及强度校核

3.1 动力旋转体强度校核

动力旋转体是增压装置的关键部件之一(如图1),它的主要作用是通过其上安装的2个销轴,将螺杆马达输出的扭矩传递到双螺旋槽花键轴上。通过受力分析可知,动力旋转体主要承受螺杆马达输出的扭矩和来自活塞的反推力。在销轴安装处,动力旋转体的横截面上由于加工有流道、销轴安装孔,削弱了动力旋转体扭矩的承载能力,如图3a所示,此处为最危险截面,所以在此处需要对动力旋转体的强度进行校核。

3.1.1 动力旋转体所受剪应力

图3a是动力旋转体在销轴处的横截面,此处最危险。为了便于求出惯性矩,现将图3a简化为如图3b所示的薄壁圆筒形状,只要薄壁圆筒校核安全,实际截面更加安全,其相关计算公式如下。

图3 动力旋转体危险截面

薄壁圆筒横截面对圆心极惯性矩的求解为

式中,IP为薄壁圆筒横截面对圆心的极惯性矩,m4; ρ为横截面上一点离圆心的距离,m;A为薄壁圆筒的积分域,为薄壁圆筒的整个横截面,m2。

由图3b可以看出,薄壁圆筒的积分域为7π/4个薄壁圆周。将薄壁圆筒的已知参数内径 Di= 90 mm、外径Do=100 mm代入公式(1)得

积分得

根据材料力学扭矩剪应力的求法,最大剪应力发生在外圆周上,即

式中,M为薄壁圆筒所受的扭矩,N·m,最大扭矩为滞动扭矩M=11 000 N·m;R=0.05 m;代入式(3)得

3.1.2 动力旋转体所受轴向压应力

对应于最大滞动扭矩 M=11 000 N·m,轴向压力 F=-5.76×105N,截面积 A=3.284×10-3m2,轴向压应力σy= F/A=-175.4 MPa。

3.1.3 强度校核

3个主应力分别为:σ1=118.1 MPa,σ2=0,σ3= -293.5 MPa;根据第三强度理论:σr3=σ1-σ3=411.6 MPa;根据第四强度理论:σr4=367 MPa;动力旋转体的材料选用40CrMnMo;屈服极限为800 MPa;安全系数ns=1.4～1.7,为安全起见,取 ns=1.7;[σ]= 800/1.7=470 MPa>σr,故设计是安全的。

3.2 销轴滑动轴套强度校核

为了尽可能地减小销轴与螺旋槽之间的摩擦力,在销轴上设计了一个由自润滑轴承材料制成的轴承套,如图4所示。将销轴与螺旋槽之间的滑动摩擦转化为轴套与螺旋槽之间的滚动摩擦,极大地减小了销轴与螺旋槽之间的摩擦力,从而提高销轴的使用寿命。

图4 销轴轴套结构

3.2.1 轴与轴套挤压应力

轴与轴套之间的相对运动相当于轴与滑动轴承的相对运动,为了防止滑动轴承的过度磨损,需要对滑动轴承套所受的平均挤压应力进行验算,确保滑动轴承套在轴承材料的许用挤压载荷下工作,其计算公式为

式中,F为滑动轴承套所受的径向载荷,N;B为滑动轴承套的轴承宽度,mm;d为滑动轴承套内径, mm;[p]为滑动轴承套材料的许用挤压应力,MPa。

根据最大滞动扭矩 M=11 000 N·m,可以算出最大径向载荷 Fmax=2.985×105N。将已知参数B=L-L1=31 mm,d=36 mm代入式(4)得

3.2.2 滑动轴承套的 pv值

轴承套安装在2个销轴上,销轴随动力旋转体一起旋转,在摩擦力的带动下,2个销轴上的轴承套开始在螺旋槽内沿着2个轨道滚动;动力旋转体每旋转1周(公转),轴承套就需绕着销轴转动若干圈(自转),轴套转速为

式中,L为螺旋槽的展开长度,L=470 mm;D为销轴轴承套的外径,D=50 mm;n为螺杆马达的转速, n=150 r/min。

代入式(5)可得 nz=449 r/min。

滑动轴承线速度为

pv值是决定轴承使用寿命的主要参数。为了防止轴承套在工作中温度过高,防止胶合,因此必须对滑动轴承套的pv值进行验算。

螺杆马达的额定扭矩M=5 500 N·m,可以算出挤压应力p=133.75 MPa,则pv=113 MPa·m/s。

轴套选用的材料为JM合金钢,经过电炉冶炼及高温高压焙烧而成。该材料具有强度高、韧性好、耐高温、自润滑、耐磨损的特性。材料许用压力为620 MPa,许用线速度为5 m/s,许用 pv值为150 MPa·m/s,均大于上述计算所得的实际值,故满足使用要求。

4 结论

1) 双螺旋槽螺杆马达井下增压器利用成熟的螺杆马达作动力源,通过精心设计的运动转换机构将旋转运动转换成直线往复运动,带动柱塞泵将部分泥浆压力增至100 MPa左右,从而大幅提高钻井速度。该增压器能够克服以前井下增压器的缺点,结构简单,具有广泛的应用前景。

2) 通过对动力旋转体和销轴滑动轴套2个最危险的零件进行强度校核,证明设计是安全可靠的。

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Design of Downhole Supercharger of Double Helical Slots Driven by Screw Motor

ZHAO Jun-youa,XU Yi-jib,SUN Pei-xiana,QI Wan-junb,ZHOU Chang-lib
(a.College of Mechanical and Electrical Engineering;b.College ofPetroleum Engineering, China University ofPetroleum,Dongying257061,China)

The new downhole supercharger was designed for solving the problems of the old one. The new booster uses screw motor as a power source,changing the rotational movement into linear reciprocating motion by power steering body,driven trunk piston pump to increase part of the mud pressure into ultra high pressure 100 MPa,thus increasing the drilling speed.The strength examination was down in the paper for the key parts of dynamic rotation body and pin sliding bushing,proving to be safe and reliable.

double helical slots;screw motor;supercharger;power rotational body;pin sliding bushing

1001-3482(2010)12-0034-04

TE933

A

2010-06-12

赵军友(1963-),男,山东东明人,副教授,硕士,主要从事工程图学和石油机械方面的教学和科研工作,E-mail:zhaojy@upc.edu.cn。