井下动力钻具用容积式金属叶片马达原理研究

于兴胜，米凯夫，聂洁净，罗西超

(中国石油集团钻井工程技术研究院 北京石油机械厂，北京 100083)①



井下动力钻具用容积式金属叶片马达原理研究

于兴胜，米凯夫，聂洁净，罗西超

(中国石油集团钻井工程技术研究院 北京石油机械厂，北京 100083)①

容积式金属叶片马达是一种适用于微小井眼钻修井作业、高温井、复杂泥浆体系等条件下的新型井下动力钻具。其定子材料为金属，克服了螺杆钻具定子橡胶的不足。为了分析金属叶片马达的运动特性，基于圆柱绕流理论，研究了马达内部高、低压腔的形成机理。建立了阀口节流棒升力数学模型，分析了阀口节流棒涡运动的规律以及配流壳体开口的特殊方式对压力分布的影响。研究内容及结果可为容积式金属叶片马达的设计提供理论依据。

钻具；井下液压马达；原理

螺杆钻具是目前油气钻井中应用最为广泛的一种消耗性井下动力钻具，因定子采用性能相对薄弱的橡胶材料，故其耐温和耐腐蚀性能成为了钻井工程中难以克服的“瓶颈”问题[1-3]。随着勘探开发进一步面向深层、复杂区块和低品位油气资源，井下工况更趋复杂，安全、快速钻井及油气藏高效开发对井下动力钻具产品提出了更高要求[4-6]，尤其是面向微小井眼钻/修井作业、高温井、复杂泥浆体系，迫切需要一种新型井下动力钻具来满足油气钻井工程技术发展的特殊需求。为此，北京石油机械厂研制了一种全新结构的容积式金属叶片马达，其定子采用全金属材料，在不降低输出性能的前提下，克服了传统螺杆钻具马达定子橡胶材料的不足，更好地适应复杂泥浆体系及井底高温，为油气勘探开发钻/修井作业提供了一种新技术、新工具。

1　工作原理及运动分析

金属叶片马达的总体结构主要包括定子、转子、阀口节流棒、配流壳体、轴承组、连接轴和传动轴总成等。整个金属叶片马达至少需要两级构成，且两级转子之间相位差为90°，从而实现转子360°连续旋转。

在钻进过程中，流体通过两级转子形成两个高压区和两个低压区，在压力作用下产生力偶驱动转子旋转。当驱动第1级转子旋转90°后，压力处于平衡状态，此时处于相对位置的第2级转子继续旋转90°，以此循环完成圆周运动。流体在高压区形成压力做功，按照流体势能减少方向流动排泄到马达外。上述马达转子的运动属于同心旋转运动，既可以在结构上省略万向节的设计，又可降低钻柱的振动，提高作业效率，改善井眼质量。

2　压力腔形成机理研究

如上所述，实现金属叶片马达转子同心旋转运动的关键在于高、低压力腔的形成，而阀口节流棒和配流壳体是形成压力腔的关键部件。

2.1压力差理论基础

在马达设计中采用圆柱绕流原理，即将一个圆柱体放在静止的流体中，无穷远处的平行流从与该圆柱体轴垂直的方向绕过一个半径为R的无限长圆柱[7]。由于流体具有黏性，因此在圆柱表面产生阻力。这种阻力是由流体绕圆柱所引起的压力差和摩擦应力造成的，一般来说，压力差是起主导作用的因素[8-9]。

根据上述理论，将阀口节流棒放置在配流壳体内部，利用配流壳体开口的特殊方式迫使阀口节流棒产生一个升力，保证阀口节流棒随着流体流动向同一方向运动，从而将马达内部空间分割成高、低压密封腔。如图1所示，流场中υ1<υ2，高速处形成低压区，阀口节流棒受到向上的升力。因此，阀口节流棒升力的确定，是设计容积式金属叶片马达的关键参数。

图1　圆柱绕流理论模型

2.2阀口节流棒升力数学模型

基于圆柱绕流理论，假设流体密度为ρ，无穷远处来流速度为u∞，来流压力为p∞，如图2所示，圆柱体上取某一微元面积，在单位长度上由压力差p和摩擦切应力τ引起的微元阻力为：

δFD=(pcosθ+τsinθ)δs

(1)

(2)

式中：R为圆柱半径；d为圆柱半径；δθ为微元对应的圆心角。

图2　圆柱绕流微元受力模型

绕整个封闭曲线积分得到：

(3)

式中：FD为圆柱所受升力；θ为圆心角；dS为微元投影面积。

设阻力系数为

(4)

式中：CP为压力系数；Cf为摩擦因数。

压力系数

(5)

来流的动压力

(6)

式中：p0为滞止压力，即θ=0时的压力。

因此，将式(6)代入式(5)，压力系数又可表示为：

(7)

设表面摩擦因数

(8)

由于摩擦切应力τ造成的阻力很小，可忽略不计，故

(9)

从而求得流体所受的阻力，即升力：

(10)

式中：A0为与流速方向垂直的影流投影面积。

2.3最小滞止压力的确定

流体作用在阀口节流棒如图3所示。阀口节流棒质量100 g，直径10 mm，平行流体作用在圆柱体表面0到90°位置，其压力p=p0。

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图3　流体作用在阀口节流棒示意

根据已知条件p=p0，代入式(10)得到CP=1。

故当θ=0→90°时，

推导出

故

因此，当最小滞止压力p0=50 kPa时，来流可以将100 g的阀口节流棒自如浮起来，即当流体压力达到50 kPa时，阀口节流棒能够将叶片马达内腔分割成高压腔和低压腔。

3　阀口节流棒压力分布研究

3.1阀口节流棒涡运动的特点

分离流和涡运动是流体运动中的基本物理现象。粘性流体绕过圆柱时，会在圆柱表面形成流体边界层。当雷诺系数较大时，流体可能在圆柱尾部分离，并不断产生漩涡，形成尾流涡街，使得圆柱表面的阻力和升力增大，产生振动和噪声。因此，需有效控制圆柱绕流涡的形式。

圆柱受到的阻力包括压差阻力和摩擦阻力，应尽量使圆柱表面附近的流体沿表面切线方向的动量增加，流动加速，从而导致流体的分离点后移，圆柱尾流中流体分离的区域减少，故压差阻力减少，避免流体分离点靠近圆柱，进而避免引起涡爆，使圆柱产生振动和噪声。

图4　配流壳体开口圆柱绕流流态

3.2阀口节流棒压力分布

阀口节流棒压力分布是否合理，是马达高压腔和低压腔形成的基本条件，也关系到金属马达输出性能。其圆周角度定义如图5所示。

图5　阀口节流棒圆周角度定义

阀口节流棒周向压力系数分布趋势如图6所示，圆柱压力系数在1个周期内是变化的，其分布特点如下：

1)圆柱驻点处(θ=0°)压力系数CP有最大值，在1附近。

2)随着来流向圆柱左侧扩展，压力系数迅速减少。在θ=80°附近，流体产生分离，圆柱驻点后方的压力在不同时刻呈现出较为规律的周期性变化。

3)对比t=T/4和t=T/2时刻可以看出，来流区域(θ=0～ 60°)的压力系数CP接近1，在区域(θ=60～ 90°)，圆柱压力系数CP减少至0左右。在上述两个区域，圆柱具有正升力；在区域(θ=90～180°)，此时圆柱压力系数CP为负值，即此时的压力差不足以克服来流压力。

4)对比t=T3/4和T时刻可以看出，来流区域(θ=0～60°)的压力系数CP迅速减少至0左右，此时圆柱仍具有正升力；圆柱区域(θ=60～180°)的压力系数CP为负值，即此时的压力差不足以克服来流压力。

5)在t=T/4和T时刻圆柱区域(θ=0～ 60°)的压力系数CP迅速减少至0左右，此时圆柱仍具有正升力。

6)圆柱区域(θ=60～ 180°)的压力系数CP为负值，此时圆柱具有负升力。

由此，升力完成了1个涡街脱落周期中由最大正升力向负升力的转变过程。上述过程不断进行，就形成了升力的变化。图6所示，阀口节流棒的正升力始终大于负升力，保证了阀口节流棒向一个方向运动。通过以上分析，可以得出阀口节流棒压力系数分布合理。

图6　阀口节流棒周向压力系数分布趋势

4　结论

1)容积式金属叶片马达是一种新型的井下动力钻具，其定子采用全金属材料，克服了传统螺杆钻具马达定子橡胶材料的不足，更好地适应复杂泥浆体系及井底高温。

2)设计容积式叶片金属马达的关键在于利用圆柱绕流迫使阀口节流棒产生一个方向的升力，将马达内部分割成高压腔和低压腔，从而驱动转子做同心旋转运动。

3)阀口节流棒压力分布是通过配流壳体上的“喇叭口”在阀口节流棒圆周形成合理漩涡，使流体驱动阀口节流棒始终产生一个正升力，保证了金属马达高压腔和低压腔的密封性。

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[2]宋少波，马清明．新型马达解决了欠平衡钻井和高温高压钻井问题[J]．国外石油机械，1999，10(2)：1-3．

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[4]符达良．井下动力钻具的发展及其在推广应用中的问题[J]．石油机械，1999，27(12)：1-4．

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[7]吴望一.流体力学[M].北京：北京大学出版社，2006.

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Research on Principle of Metal Vane Motor for Drilling Downhole Tools

YU Xingsheng，MI Kaifu，NIE Jiejing，LUO Xichao

(BeijingPetroleumMachineryCompany，CNPCDrillingResearchInstitute，Beijing100083，China)

Metal vane motor is a new kind of downhole motor which can fit slimhole drilling，high temperature and complex mud system.The material of stator is metal，which overcomes the defects of the stator rubber layer of the screw drill tool.Aiming at the kinematic mechanism of metal vane motor，based on the theory of flow around a cylinder，the mechanism of forming high pressure parts and low pressure parts was studied systematically in this paper.The mechanical model used to describe the lift force was adopted to analyze the kinematic regularity of valve diverter rod and influencing factors of pressure distribution.The research can be provided as a reference for the design and development of metal vane motor.

drill tool；downhole hydraulic motor；principle

1001-3482(2016)09-0018-04

2016-03-02

中国石油集团公司“钻井新技术新方法研究”项目下设专题“全金属井下动力钻具研制”(2014A-4211)

于兴胜(1972-)，男，内蒙古呼伦贝尔人，高级工程师，硕士，2006年毕业于中国石油集团勘探开发研究院机械工程专业，主要从事钻井机械科研设计相关工作，E-mail：mikaifu@sina.com。

TE921.201

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.004