基于特深井环境的全金属螺杆马达综合性分析

陈福禄; 李玮; 曹梦雨; 宁网络; 赵欢

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2503951

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (11) :4652-4658 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2503951

石油、天然气工业

基于特深井环境的全金属螺杆马达综合性分析

陈福禄 ¹ ,
李玮 ¹^,²^,^* ,
曹梦雨 ³ ,
宁网络 ¹ ,
赵欢 ¹

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Comprehensive Analysis of All-metal Screw Motors Based on Ultra-deep Well Environment

CHEN Fu-lu ¹ ,
LI Wei ¹^,²^,^* ,
CAO Meng-yu ³ ,
NING Wang-luo ¹ ,
ZHAO Huan ¹

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摘要

传统带橡胶定子的螺杆式马达难以适用特深井高温高压工况,橡胶定子老化、变形、碳化,导致马达失效。为了开发可用于万米深度钻井的容积式动力钻井工具,设计了一种适用于特深井的全金属螺杆马达,通过数值模拟方法,对其在高温及高压环境下的形变规律进行了讨论,分析了该马达在不同因素下的形变规律。结果表明:在研究范围内,金属定子及转子产生最大变形量分别小于0.25 mm及0.16 mm;随着环境温度及钻井液动压升高时,马达产生的应力及形变程度均呈现增强的趋势;当环境温度升高时,马达的间隙值会增大,容积效率降低;环境温度相较于压力是影响马达发生形变的主要因素。因此,金属马达设计需重视温度在合理范围内的作用效应。

Abstract

Traditional screw motors with rubber stators are difficult to adapt to the high temperature and high pressure conditions of ultra-deep wells. Aging, deformation, and carbonization of the rubber stator lead to motor failure. In order to develop a volumetric power drilling tool that can be used for drilling at a depth of 10 000 meters, a full-metal screw motor suitable for ultra-deep wells was designed. The deformation law of the motor under high temperature and high pressure was discussed by numerical simulation, and the deformation law of the motor under different factors was analyzed. The results show that within the research range, the maximum deformation of the metal stator and rotor is less than 0.25 mm and 0.16 mm respectively. With the increase of ambient temperature and drilling fluid dynamic pressure, the stress and deformation degree of the motor show an increasing trend. When the ambient temperature increases, the gap value of the motor will increase and the volumetric efficiency will decrease. Ambient temperature is the main factor affecting the deformation of the motor compared to pressure. Therefore, the design of metal motors needs to pay attention to the effects of temperature within a reasonable range.

Graphical abstract

关键词

特深井 / 全金属螺杆马达 / 数值模拟 / 结构设计

Key words

extra-deep well / all-metal screw motor / numerical simulation / structural design

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陈福禄, 李玮, 曹梦雨, 宁网络, 赵欢. 基于特深井环境的全金属螺杆马达综合性分析[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(11): 4652-4658 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503951

CHEN Fu-lu, LI Wei, CAO Meng-yu, NING Wang-luo, ZHAO Huan. Comprehensive Analysis of All-metal Screw Motors Based on Ultra-deep Well Environment[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(11): 4652-4658 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503951

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随着全球能源需求的持续增长,传统油气资源开采难以满足市场需求,石油工业需向更深层次、更复杂的地质进军^[1-2]。超深、特深井钻井技术的出现为深层油气资源勘探开发提供了可能,目前特深井钻井深度已突破万米^[3-4]。然而,随着钻井深度增加,井下环境愈发复杂,高温高压等极端条件对钻井设备提出了更高要求。传统的常规螺杆钻具,橡胶定子难以承受高温高压的极端环境而导致钻井作业受阻、钻井效率低下^[5-6]。因此,研发适应超深、特深井极端环境的钻井设备成为石油工业亟待解决的问题。全金属螺杆钻具定子和转子均采用高合金耐磨钢材料,使其能够耐受更高温度及压力环境,克服了常规螺杆钻具因橡胶衬套高温失效的问题^[7-8]。该种钻具的应用相较于传统螺杆钻具能减少单井完钻起下钻次数,显著提高钻井效率^[9],节约采油成本。这些优势使得全金属螺杆钻具成为特深井钻井的理想选择,并吸引了石油公司及众多学者对其开展研究。

近些年来,国际石油装备制造公司对全金属螺杆钻具开展了丰富的研究与应用。20世纪中叶,法国PCM泵业公司依托技术与资金优势,其与道达尔TOTAL公司开始了全金属螺杆泵的研制,并利用液压成型的方式在2005年成功生产出了第一台全金属螺杆泵^[10];Weatherford公司研发了一种采用金属结构的容积式马达应用于铣井作业中,但这一容积式马达并不是采用螺杆式的结构^[11];Schlumberger公司研制了一种适用于高温深井工况的金属螺杆钻具,该钻具定子采用金属材料^[12],能够提升在极端环境下工作的稳定性与耐久性。除此之外,亚洲学者对此也开展了相关研究,陈舟圣等^[13]对金属单螺杆泵的工作特性进行了现场实验研究,为采油系统的优化设计提供了参考。许振强^[14]通过流体动力学仿真和结构参数优化,有效提高了泵的容积效率和性能,提出了适用于不同开采条件的结构改进方案。高运浩等^[15]通过对比分析不同线型及仿真分析间隙变化对马达性能的影响,为优化全金属螺杆马达设计参数提供了参考。沈涛^[16]等通过正交试验、方差分析及数值模拟,研究了全金属单螺杆泵转子最大转矩与各因素的相关性,发现转子半径和介质黏度对最大转矩有显著影响,为全金属螺杆的结构优化提供了参考。孟凡国^[17]研究了金属单螺杆泵中定、转子间隙值对泵性能的影响,对金属单螺杆泵的流场进行了数值模拟,分析了间隙值、转速、介质黏度等参数对泵性能的影响。经过多年研究,全金属螺杆钻具作为特深井钻井技术中的重要工具,已在钻井现场进行了应用并取得了令人瞩目的良好成果^[18-20]。

虽然全金属螺杆钻具能够解决常规螺杆钻具应用的耐久性问题,但高温高压下,全金属螺杆钻具的定、转子可能在膨胀过程中紧密接触^[21],加剧两者之间的磨损,严重情况下可能发生卡死制动情况。因此明确全金属马达在高温高压下的结构状态显得尤为重要,基于金属螺杆马达材料热膨胀及力学特性,现对Φ74 mm、10∶9头数比的特定金属马达工况范围305~425 ℃内进行热-力耦合分析,结合优化特定的内摆线线型设计,利用数值模拟方法系统讨论范围内全金属马达在特深井环境下的形变规律。同时,对比文献[7-8]及文献[15]的研究内容,讨论工具适用深井环境范围,进而为适用于金属螺杆马达个性化设计及实际应用提供参考。

1 全金属螺杆马达表面线性设计

全金属螺杆马达具有类似于普通橡胶螺杆马达的空间接合共轭面及振荡面线性类型,并依靠金属定子和转子之间的相互配合,实现密封室中液体的连续运动。摆线是在滚圆中纯滚动得到的特殊类型曲线,设计螺杆马达的主要线路类型为内摆线、外摆线、短幅度内摆线和短振幅外摆线。考虑到定子和转子的间隙适合度,设计了决定其结构形式的幅长系数K、偏心距e和转头数n等参数。提出的金属马达线性类型是优化形式的普通等距线性型内摆线,幅长系数K=1。

对于普通摆线有K=1,则普通内摆线在复平面柱坐标系中的方程为

(1)R(θ)=R₂(ne^j^θ+e^-j^nθ)

式(1)中:R₂为滚圆半径;R(θ)为单位摆线方程;0<θ<2π,θ为幅角。

利用欧拉公式可将普通内摆线在复平面柱坐标系中的表达式转换为平面直角坐标系下的方程,过程如下。

由欧拉公式

(2)eⁱ^x=cosx+isinx

得

(3)e^j^θ=cosθ+jsinθ

(4)e^-j^nθ=cos(nθ)-jsin(nθ)

结合普通内摆线在复平面柱坐标系中的矢量方程,可得

(5)R(θ)=R₂(ncosθ+cosnθ)+j{R₂[nsinθ-sin(nθ)]}

故普通内摆线在平面直角坐标系下的方程表达式为

(6)

$\left\{\begin{array}{l}x={R}_{2}[n\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta +\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}(n\theta \left)\right]\\ y={R}_{2}[n\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\theta -\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}(n\theta \left)\right]\end{array}\right.$

所设计金属螺杆马达的初始参数:偏心距e=2.6 mm,摆线类型为优化后普通内摆线的等距线型,取头数比λ=n/(n+1)=9/10。定子和转子骨线如图1(a)及图1(b)所示,对其进行等距曲线绘制,得到的末端面线形状,如图1(c)及图1(d)所示。

普通内摆线的等距线型可以分为内、外两个部分,内部以尖点为圆心,外部曲线是以内部曲线为基准得到的。随着头数的增加,内、外部曲线的尖点部会变得更加尖锐,导致定、转子的耐磨性显著降低,为提高定、转子的耐磨性,对普通内摆线的等距线型进行了修正,如图2所示。

2 技术分析

2.1 结构设计

取马达头数比为10∶9,定子长度为1 690 mm,转子长度为1 520 mm,偏心距为2.6 mm,定子外径为74 mm。得到相应的定子、转子及两者组合而成的装配体。全金属螺杆马达结构,如图3所示。

2.2 边界条件设置

为获得全金属螺杆马达在模拟工况下的变形情况,需要对其模型进行边界条件设置,如图4所示。

材料选用34CrAlNI7-10,弹性模量为190 GPa,泊松比为0.28,密度为7.8×10³kg/m³,热导率为14 W/(m·K),比热为440 J/(kg·K)。模型两端施加固定约束,针对不同工况,其内部施加特定的钻井液动压力及温度参数值。

2.3 网格划分

数值模拟结果的计算精度主要受网格质量的影响,而非网格数量或单元类型^[22]。为了通过数值模拟获得更准确的结果,模型采用六面体扫略网格划分方法提升网格质量,如图5所示。图5中给出了网格质量检查报告,网格的comp.QI值为3.11,表明整体网格质量较好。

设定钻井液动压为23 MPa、环境温度为320 ℃,在其余条件保持不变的前提下,以金属马达所产生的最大变形量为目标,开展了网格无关性验证。共划分了五个不同规模的网格模型,其单元数量依次为90 500、102 000、111 000、120 000及132 000。通过对上述五种网格模型进行数值模拟,所得计算结果如图6所示。

计算结果表明,当网格规模较小时,金属马达所产生的最大形变值显著高于其他网格划分方案下的结果;随着网格数量增加至120 000与132 000时,最大形变逐渐趋于稳定,数值变化不再显著。与此同时,计算结果的相对偏差由初始的9.96‰逐步降至1.17‰,然而计算耗时则呈现递增趋势。基于对计算资源与模拟精度之间平衡的综合考量,最终确定采用网格数量为120 000的模型进行仿真分析。

3 数值模拟

马达的初始温度假设为地面环境温度20 ℃。当温度均匀上升到某一数值时,马达内部会产生热应力及相应形变。对马达在温度作用下的变形进行有限元分析时,特别做了以下假设:环境温度不影响金属的材料参数和热力学参数;马达定子在轴向不存在温度梯度;深度每增加1 000 m,温度升高30 ℃。定义模拟工况井深为9 500~13 500 m,相应的环境温度及钻井液动压对应关系,如表1所示。

3.1 金属定子随钻井液动压的响应分析

不考虑温度对金属马达实际工作状态变形影响,只考虑马达随动压变化情况,分别对马达定子内腔施加如表1所示的均布载荷,利用数值模拟软件得到定子产生应力分布,如图7所示。

由图7可知,在不同程度动压作用下,金属定子内产生的应力变化均匀,呈近似圆形的周期分布。随动压升高,最大应力也随着增大,其最值分布在定子的内径凹陷部分(定子的大直径处)。具体表现为,当动压由22 MPa升高至30 MPa时,等效应力最值由192.947 MPa徒增至262.476 MPa。

为得出金属定子产生形变与钻井液动压关系,通过上述数值模拟操作参数设置,得到了定子承受动压下形变分布,如图8所示。

由图8不难得出,在不同动压作用下,整体形变均匀分布。金属定子的最大形变分布在凸面部分(定子的小直径部分);在22 MPa的内压作用下,定子凸面部分(即定子和转子直接接触的部分)最大形变达到0.012 73 mm;随动压的升高,定子发生的变形量逐渐增至0.017 36 mm,与定子和转子直接接触的部分相比,定子外壳部分的位移相对较小。

为了更直观地反映定子的变形情况,利用定义路径函数,以定子大直径任意一点为起点,在该路径上取若干个点,定义圆路径。得到该路径上的位移幅度,如图9所示。

全金属螺杆马达的定子位移曲线起伏平滑,凹陷处位移最小,凸起处位移最大,整体呈周期性变化。

3.2 金属马达随温度的响应分析

为了明确温度对全金属马达的影响,不考虑动压的情况下,对马达模型分别施加不同温度的热载荷,得到相应马达形变情况,如图10所示。

由图10可知,马达在热载荷下,金属定子内外表面发生向外膨胀,金属转子外表面向外膨胀。当温度为425 ℃时,金属定子外表面形变量达到最值0.223 67 mm。同时,定子最小形变分布在内表面凸面部分(定子的小直径部分),与压力单独作用在金属定子结果相同,但其在环境温度作用下的变形比在内压作用下的具有更高形变程度的数量级。环境温度由305 ℃升高至425 ℃时,定子及转子的形变率分别为39.75%和39.46%,说明温度对马达定子相较于其转子的影响更大,导致马达间隙增大,漏失量升高,马达容积效率减弱。因此,马达实际应用时应增强其钻井液携带热量的能力,减弱马达因温度因素所产生的形变量。

3.3 温度与动压联合影响下定子响应分析

上两节分别研究了受压及受温环境下金属螺杆马达定子的变形。但实际特深井钻井过程中,金属马达承受温度及压力联合影响。因此,对其进行了温度-压力耦合数值模拟,应力变化及形变程度,分别如图11及图12所示。

由图11可知,温度-动压影响下,金属定子应力随其数值的升高呈现变形增大的趋势。当动压为30 MPa,环境温度为425 ℃时,金属定子产生的应力值达到1 060.433 MPa。

由图12可知,金属定子在温度-动压联合影响,形变与应力呈现出相似分布规律,其数值均随耦合数值的增大呈上升的趋势。当耦合数值为研究范围内最值时,金属定子产生的变形量达到0.238 04 mm。

为了更加清晰地得出温度、动压力及温度-动压耦合时,金属定子产生的应力差异及形变程度,将其结果数据进行对比分析,如表2所示。

如表2所示数据显示,金属定子在温度-压力的共同作用的形变程度相较于其内压直接作用变化更大,具体表现为:当钻井液动压为22 MPa时,金属定子变形量为0.012 73 mm;而耦合条件下,其形变量激增至0.170 97 mm;当钻井液动压为30 MPa时,金属定子变形量为0.017 36 mm,耦合条件下其应变量升高至0.238 04 mm。而温度及压力联合作用并不是温度和压力单因素简单叠加效果,具体表现为:钻井液动压力为26 MPa,井下温度365 °C时,温度产生的变形量为0.191 70 mm,钻井液动压产生的变形量为0.015 04 mm;耦合时的形变量为0.204 41 mm。分析其原因,温度是金属定子形变的主要因素,其会削弱压力因素对其形变产生的影响。

4 结论

(1)金属马达受温度、钻井液压力及耦合作用下,随着环境因素的数值升高,其发生的形变及内部产生的应力均呈现出上升的趋势。

(2)针对设计的Φ74 mm全金属螺杆马达在研究范围内产生的应力及形变规律分析得到,当动压参数变化时,金属螺杆马达定子的最大应力及最大形变分别分布在凹陷部分(定子大直径部分)及凸面部分(定子小直径部分);而当温度参数变化时,金属定子最大变形位置在其外壁,金属转子最大形变位置位于其凸面部分(转子大直径部分)。

(3)金属定子在压力和温度联合作用下的发生的变形大于其单一温度下产生的变形,远大于单一动压下产生的变形。当钻井液动压力为24 MPa,井下温度335 ℃时,温度产生的变形量为0.176 10 mm,钻井液动压产生的变形量为0.013 88 mm;耦合时的形变量为0.187 58 mm。说明了温度比压力对全金属螺杆马达的影响更大。当考虑金属马达设计时,应着重考虑合理范围内的温度因素对金属马达产生的影响,井深越深,温度对其产生的影响越显著。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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