新型轴承油密封大扭矩马达在海上油田的应用

朱益辉，刘禹铭（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300000）



新型轴承油密封大扭矩马达在海上油田的应用

朱益辉，刘禹铭
（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300000）

摘 要：海上油田钻井作业过程中为提高机械钻速，一般采用带马达钻具组合，常规泥浆马达工作时会有5%-10%泥浆通过轴承，冷却润滑轴承，加快了轴承磨损，缩短了轴承寿命。文章介绍了一种轴承油密封、定子橡胶采用等壁厚设计的新型马达，该型马达轴承密封在液压油腔内，实现轴承的冷却润滑，增长了轴承寿命，泥浆100%通过钻头，有助于提高钻头水马力，等壁厚设计，输出更大扭矩，有效提高机械钻速。

关键词：马达；油密封；等壁厚

马达作为一种常规井下动力钻具，广泛应用于直井与定向井作业中，马达与PDC钻头配合，对于提高机械钻速效果明显［1］。

马达工作过程中，在高压泥浆推动下，转子相对定子旋转，定子静止，高压泥浆作用在转子上的压力通过轴承传递到定子，轴承在马达工作过程中起到动静接触、压力传递的作用，轴承损坏将导致憋泵、马达失速、钻具落井等复杂井下事故，严重影响现场正常作业，轴承的可靠性直接影响马达的使用寿命。

常规泥浆马达在工作时，为冷却润滑轴承，允许5%-10%泥浆通过轴承，泥浆中的固相物质加剧了轴承的磨损，影响了马达的使用寿命，同时，每次保养马达都需要更换轴承，增加了工具维保成本；本文介绍了一种轴承油密封马达，该型马达轴承依靠液压油实现冷却润滑，轴承与泥浆不直接接触，提高了轴承的使用寿命，减少了摩阻，提高了钻头水马力，提升了机械钻速，在渤海油田及东海油田使用后，提速效果明显。

1 结构介绍

图1 马达轴承油密封结构

马达轴承油密封结构主要由心轴、下部套筒、密封环、双公接头、轴承、轴承挡环、轴承套筒、活塞、活塞套筒组成。作业过程中由双套筒与下部密封环、上部活塞组成密封油腔，冷却润滑轴承，活塞可上下活动平衡油压。1.1 底部密封结构

底部密封结构主要由下部套筒、密封环与心轴组成，其中主要部件为密封环，如图2所示，心轴与密封环通过波浪形橡胶密封圈密封，密封环内侧镶嵌硬质铜，防止密封槽磨损；密封环外侧与下部套筒配合，外表面加工防转键槽；下部套筒与心轴之间设计V型密封，防止井筒泥浆侵入密封腔。

图2 密封环

1.2 顶部密封结构

顶部密封结构主要由心轴、活塞与活塞套筒组成，其中主要部件为活塞，如图3所示，心轴与活塞之间通过波浪形橡胶密封圈密封，内侧镶嵌硬质铜，保护密封槽防止磨损；活塞外侧与活塞套筒配合，依靠波浪形橡胶密封圈密封，活塞套筒内表面镀铬；正常工作时活塞沿心轴在活塞套筒内上下活动，平衡密封腔内部油压。

图3 活塞

1.3 轴承总成结构

轴承组合主要由上下承托环与圆柱滚子轴承组成，承受转子施加的压力，轴承组合安装于心轴上，通过轴承挡环与心轴固定，轴承组合下端与双公短节上部端面配合，将转子压力传递至定子本体；轴承组合安装于轴承套筒内。

图4 轴承总成结构

2 与常规马达参数对比

下面对目前海上常用马达作业参数进行对比，分析轴承油密封马达作业优势：

表1 马达作业参数对比

从上表可以看出轴承油密封马达轴承间隙较小，说明轴承磨损较小；等壁厚设计，马达工作压差大，马达输出扭矩大，有效提高马达输出功率，保证机械钻速［2］。

表2 马达本体尺寸参数对比

上表对马达本体尺寸进行对比分析，轴承油密封马达因增加了轴承密封结构，加长了马达弯角中心至驱动头端面长度，影响了马达造斜率。

3　现场应用中注意的问题

1）严格控制泥浆含砂量及固相含量，避免因定子橡胶磨损严重而影响马达使用寿命。

2）马达弯角中心与钻头之间距离较远，且存在多个扣连接短节，容易产生应力集中，作业过程中需严格控制顶驱转速，严禁在马达驱动头前端加装其他短节。

3）马达输出扭矩大，作业过程中时刻关注马达压差，防止马达憋停而出现井下倒扣事故。

4 现场应用效果分析

该马达自引进以来在渤海油田、东海油田多个区块使用，使用后提速效果明显，下面选取渤海油田辽东湾锦州25-1油田两口定向井与东海油田某区块两口直井为例，对比分析该型马达在定向井与直井中的使用效果。

4.1 渤海油田马达使用效果分析

渤海油田辽东湾区块油井由于受地层岩性影响，上部井段滑动钻进托压严重，采用NOV生产的大扭矩马达后，托压现象改善明显，有效提升机械钻速。

钻具组合：Φ311.2mm牙轮钻头+Φ203.2mm马达+浮阀接头+Φ203.2mm钻铤2根+Φ311.2mm扶正器+Φ203.2mm钻铤13根+Φ203.2mm机械震击器+配合接头+Φ139.7mm加重钻杆14柱+Φ139.7mm钻杆。

本井为定向井，为使对比数据更真实，选取垂深相同的一段地层，对比分析作业参数。

表3 渤海油田辽东湾区块大扭矩马达使用效果对比

上表可以看出，使用马达后钻压降低，平均机械钻速提升明显，说明该型马达在定向井滑动钻井过程中能够有效减少托压，提高施工效率，同时保证井下安全，避免粘卡。

4.2 东海油田马达使用效果分析

东海油田储层埋深一般在4 000m以上，选取某区块两口直井相同层段，对比分析马达使用前后效果，其中，两井相距较近，地质条件相似，泥浆体系相同。

表4 马达使用前后作业参数对比

通过上述图表可以看出，作业过程中为保护马达，减小了泥浆泵排量，降低了顶驱转速与钻压，减小了井下管柱震动，但排量降低影响了泥浆携砂，同时，钻时快井筒内岩屑堆积较多，增加了钻柱扭矩，但总体平均机械钻速提升明显，有效减少纯钻时间，提高了作业效率，降低了作业成本。

5 结论及建议

1）油密封式轴承，不需要泥浆冷却润滑，增加轴承使用寿命，提高马达井下作业时间，全部泥浆从钻头水眼处流出，增加钻头水马力。

2）等壁厚设计，具备输出扭矩大、寿命长等特点，安全性能高，有效地降低井下复杂情况，降低了钻井作业的风险。

3）高性能专利橡胶，耐磨性更好，可承受更高压差。

4）马达弯角中心至钻头距离过长，影响了工具造斜率，扣连接短节过多，降低了工具整体强度，后续设计可以改进该段长度，减少扣连接，设计减应力槽，提高工具强度。

参考文献

［1］ 张东海，刘俊山.复合钻井技术提高深井钻井速度［J］.断块油气田，2003，（6）：79-82+94.

［2］ 苗同勇，刘永旺，赵伟，等.等壁厚螺杆钻具及应用［J］.石油矿场机械，2011，（10）：72-76.

Application of New High-torque Motor With Oil Sealed Bearing in Offshore Oilfield

Zhu Yi-hui，Liu Yu-ming

Abstract：Generally，we use the BHA with motor to improve the ROP in the process of offshore oil drilling.Conventionally，the mud motor has 5%-10% mud getting through the bearing during the working process to cool and lubricate it.But at the same time，it can also speed up the abrasion and shorten the life of the bearing.This passage introduces a new motor with oil sealed bearing and uniform thickness of rubber bushing.The bearing is sealed in sealing cavity to cool and lubricate it.It can extend the service life of our tool.The mud will also get through our bit without any missing.This design can enhance the bit hydraulic horsepower.The design of uniform thickness can output high torque.All of this design can promote the ROP effectively.

Key words：motor；oil sealed bearing；uniform thickness

中图分类号：TH137

文献标志码：B

文章编号：1003–6490（2016）02–0036–02

收稿日期：2016–01–24

作者简介：朱益辉（1965.3—），男，湖南益阳人，工程师，主要从事钻井技术工作。