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石油机械

—34—CHINAPETROLEUMMACHINERY2010年第38卷第12期

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钻井新技术

螺杆式井下增压钻井装置原理及设计

张玉英徐依吉李翔(中国石油大学(华东)石油工程学院)

摘要为了提高钻探效率，设计了螺杆式井下增压钻井装置，该装置主要由动力单元、动力转换单元、固液分离单元、增压单元以及高压流道单元组成。动力单元将钻井液的水力能量转换为螺杆泵马达转子的转动扭矩，动力转换单元将转子的旋转运动转化为增压缸柱塞的轴向往复运动，固液分离单元对被增压的钻井液进行过滤，增压单元通过柱塞的往复运动来压缩缸内的钻井液，对钻井液增压，高压流道单元将增压后的钻井液输送给钻头的高压喷嘴。现场试验表明，螺杆式井下增压钻井装置除换向机构有较大磨损外，其他零部件均无明显损伤。因此需对换向机构进行改进，以达到螺杆式井下增压钻井装置的寿命要求。

关键词螺杆马达钻井液井下增压钻井装置旋转体动力转换体

0引言

超高压喷射钻井技术是提高钻井速度的有效途径之一，在提高机械钻速和增加钻头进尺等方面取得了突破性进展，为高效勘探开发深层油气开辟了一条新路，是钻井技术变革的一项重大成果1-3]。

井下增压器是实现超高压喷射钻井技术的关键设备。为了提高钻探效率，它必须长时间、高效率地工作于井下，这与井下狭小的空间、恶劣的工况相矛盾。国外S.D.Veenhuizen等率先把高压泵送到井下，进行井下超高压泵形成射流破岩或辅助破岩的试验研究，可实现井下增压100MPa以上，在相同条件下可提高机械钻速2倍左右。但其仅能在井下工作40～60h,与一般钻井工具寿命相差很大，难以得到推广应用。自20世纪90年代初，我国就有众多学者提出了各种增压设计理论，并对1997年提出的用螺杆马达作为井下增压器的理论进行了探讨。螺杆工具具有简单可靠、增压流道简单等优点，可以解决复杂工具的寿命问题，而想做到增压到预定压力，材料问题有待解决。为此，国内外学者提出了多种井下增压器的设计方案，目前正在研究的井下增压器有：静压式井下增压器[4]、分隔式井下增压器[S]、射流式井下增压器[6]、离心式井下增压器[7-8]以及井下减振增压装置[9-10等。笔者对一种新型井下增压装置——螺杆式井下

增压钻井装置进行了设计。

1结构特点

按照增压钻井装置各个部件的功能，将其分解为5个功能单元，即动力单元、动力转换单元、固液分离单元、增压单元及高压流道单元。

1.1动力单元

动力单元的核心部件是螺杆马达。该单元的作用是将钻井液的水力能量通过螺杆马达以扭矩的形式输出传递给旋转接头。可以通过改变马达的头数和流量来满足其对输出扭矩和转速的要求。为了将现有螺杆钻具作为本设计中的动力源，需要对其外部结构进行重新设计。传统螺杆钻具传动轴外部连接的是钻头，而在本设计中传动轴连接的是一个旋转接头，并且传动轴的连接端置于长筒内，长筒再与传动轴外筒相连。这就要求马达传动轴下端的外径必须减小，传动轴外筒的厚度也需加厚。此外，为了给润滑马达轴承的钴井液留出通道，在马达传动轴的设计中，需要将原来较大的内接头改为尺寸较小的外接头，其目的是为动力转换体的连接留出空间。改进后结构如图1所示。

1.2动力转换单元

动力转换单元的核心部件是旋转体和动力转换体。该单元的作用是将沿旋转体的旋转运动转换为沿动力旋转体轴向的往复运动；在转换过程中，必

2010年第38卷第12期张玉英等：螺杆式井下增压钻井装置原理及设计—35—

然有未完全转换的扭矩存在，而这个扭矩对增压过程是无用的。因此需要通过动力转换体下端的花键来抵消这个扭矩。

图1螺杆马达传动轴结构示意图

动力转换体的主要功能是将螺杆马达传递给旋转体的扭矩转换为柱塞沿旋转体轴线轴向往复运动的动力。这个转换过程是由动力转换体内部斜置的圆柱凸轮槽实现的。因此，该凸轮槽的设计是否合理将直接影响动力转换的效率。将设计的凸轮槽轨迹平面展开，其简化轨迹如图2所示。

图2圆柱内凸轮槽轨迹平面展开简图

由前面的讨论可知，无论柱塞是在压缩还是在提升阶段都存在一部分未完全转换的扭矩，这部分扭矩将作用在动力转换体外部的花键上，表现在当柱塞总成做往复运动时，花键部位就会产生很大的摩擦阻力来阻碍柱塞的运动。因此，为了满足增压需要，在设计圆柱内凸轮槽轨迹时必须首先确定合适的压缩角α和提升角β。由图2可见，α小于β,故只需对提升过程进行受力分析，确定一个机构