井下动力钻具新型万向轴研制及应用研究

王克雄，王镇全，巩立根

(中国石油大学石油工程学院·北京)

随着油气田的勘探和开发向陆地深部和深海(深水)的发展，涌现出了大量的深井、超深井、大位移井和水平井等复杂结构井，复杂结构井的钻井必须采用井下动力钻具(螺杆钻具及涡轮钻具等)配合高效PDC钻头的复合钻井技术达到提速和定向的目的［1－4］。目前复合钻井技术常用的井下动力钻具主要为螺杆钻具，具有低中速大扭矩的硬特性、过载能力强、操作方便、结构简单及维修方便等优点，得到了广泛地应用，如何提高螺杆钻具寿命、避免疲劳失效是目前急待解决的问题;螺杆钻具失效除了本身的设计制造水平外，还与螺杆钻具使用方式、地层因素、钻井液性能控制、钻进参数优化及操作规范等现场应用技术有关。

万向轴构件在螺杆钻具结构中是仅次于马达的重要部件，其作用有两方面:一是把马达转子的偏心运动转化为传动轴的同心运动;二是传递马达的转速和扭矩。万向轴作为钻具中最易失效的部件(据统计万向轴失效在螺杆钻具常见的失效类型中约占1/3)，往往导致钻具落井事故和不必要的起下钻，对钻井作业造成了很大影响，所以万向轴的工作稳定性直接决定了螺杆钻具的工作寿命［5－9］。

笔者在分析了常规万向轴结构的优缺点和运动特性的基础上，提出了新型万向轴的设计原则，继而设计出了新型万向轴结构，并对该万向轴易损件进行了强度校核验算，研制的新型万向轴配合高温螺杆在塔里木油田深井钻井中进行了现场试验，使得螺杆钻具寿命提高40%以上，满足了深井钻井复合钻井技术的要求，达到了提高钻井速度、降低钻井成本的目的。

一、新型万向轴结构设计

1．常规万向轴对比分析

目前螺杆钻具最常用的万向轴［10－12］有挠性万向轴、瓣式万向轴、球型万向轴三种类型。

挠性万向轴是利用挠性轴的弹性变形来实现传动方向改变的，由于万向轴不仅承担很大的扭矩，还要承受一定的轴向压力，所以要求轴的直径很大，挠性轴的长度不能太短，这就增加了动力钻具的总长度，不利于定向钻具的定向施工，对于大位移斜度井和水平井就不适合使用。瓣式万向轴的特点是中间轴体两端分别连接一个瓣式万向节，万向节均是由各种形状的瓣体进行相互啮合，在正常情况下，瓣体间的扭矩传递主要是通过啮合瓣齿进行的，而中间轴体一般起到辅助传递的作用，有的瓣式万向轴会通过结构上的设计，使瓣齿和中间轴一起传递扭矩。但其缺点是在运动过程中，瓣齿之间属于滑动摩擦，磨损较快;结构限制其外径的大小，不能适应当今可调弯壳体螺杆钻具的使用。为了克服以上两类万向轴的缺点，出现了球型万向轴，其结构特点是接触面为点接触或线接触，不论钢球的运动方式是摩擦式还是滚动式，连杆以传动钢球为轴心摆动一定角度的同时平稳地传递转速和扭矩，实现了可调弯壳体螺杆钻具的应用，拓宽了螺杆钻具的应用范围。球型万向轴的缺点是需要对某些部件进行特殊强化处理，例如连杆、活铰等，增加其表面耐磨性;另外密封设计要求非常严格，导致设计加工难度增大。

2．新型万向轴设计

在对三种常规万向轴的对比分析的基础上提出了新型万向轴的设计原则:①结构不能过于复杂，传递扭矩要大，传递效率要高;②万向轴内部构件摩擦要小，能承担较大抗力，传递扭矩时能减少损失;③以钢球的运动方式传递扭矩，增加受力面积，减小了接触应力;④万向轴万向节方向可调节性好;⑤润滑具有自动补偿功能。

根据设计原则设计出了新型万向轴结构(如图1所示)，新型万向轴球形关节(万向节)的牙嵌采用上下相对垂直的两组牙嵌(如图2所示)，接头与球形关节形成一组单方向旋转的关节，轴与球形关节形成另一组单方向旋转的关节，这两组单方向关节的旋转方向相互垂直，组合后可形成可任意方向弯转的万向关节。这样，每个关节牙嵌的接触面可设计成平面，接触面为面接触，可大大增大牙嵌的承载能力，降低磨损速度，提高万向轴的使用寿命。万向轴的密封采用球面橡胶圈密封，并增设了润滑油压力补偿系统，保证密封腔内压力高于外部压力，以提高密封性能。

图1新型万向轴结构示意图

新型万向轴的工作原理为在同一球体的两个半球上分别加工出两个相互垂直的球形牙嵌，这两个牙嵌可分别实现两个相互垂直的单方向弯转，与内牙嵌结构组合配装之后可以实现任意方向的弯转，能在实现传递扭矩的同时适应可调弯壳体螺杆钻具的使用。

图2新型万向轴万向关节结构示意图

二、新型万向轴万向节有限分析

1．新型万向轴万向节有限分析分析模型的建立

万向轴受力最大即最容易损坏的部位是球体牙嵌工作表面［13－15］，因此主要是对球体牙嵌的强度进行验算，是否满足深井超深井(井深4 000 m以下)的钻井要求，一般认为球体牙嵌的压强沿径向呈三角形分布规律，工作面最大压力计算公式为:

式中:P—工作面压强，MPa;L—工作面对球体中心轴的距离，mm;SA—工作面面积，mm2;Tc—万向轴扭矩，N·m;dA—球面半径，mm。

由此得出万向轴球体牙嵌的强度计算公式为:

式中:［p］—中间轴端面与球体牙嵌接触面的许用压力，MPa。

2．新型万向轴万向节有限元分析

以直径为197 mm新型万向轴(配合Ø197 mm高温高压螺杆应用)易损部件万向节结构进行了有限元分析［16］。

2．1球齿结构简化

球体零件是新型万向轴结构的主要受力部件之一，它的几何结构和受力情况比较复杂，主要受力部位为球体外侧的四个牙嵌，由于四个牙嵌结构相同，相对于球体中间球面对称，因此可以取球体的一半进行有限元分析。

2．2网格划分及施加载荷

由于模型为三维实体模型，因此选择三维单元，采用10节点的四面体单元(有中间节点)SOLID92，其曲面边界能够更好地逼近结构的曲面边界，所以当结构形状不规则，应力分布或变形较为复杂时，可以采用这种结构单元，如图3所示。

图3半球体有限元模型

根据实际工作情况，对半球体的底面施加全约束(ALL DOF)，位移值为0，限制半球体底面上节点在6个方向的移动。

3．结果分析

利用ANSYS软件的结果处理器对求解结果进行分析，可得到单元、节点的各应力、应变的云图变化结果，通过对输出结果进行分析，可以得到球体球齿工作过程中的应力、应变情况，并校核球体的工作强度是否满足要求。由于图片数据较多，下面列出60 MPa、80 MPa载荷下的应力、应变云图，从这些数据中可以得到应力、应变的数据变化关系。

工作面载荷60 MPa时的应力、应变云图如图4所示。工作面载荷80 MPa时的应力、应变云图如图5所示。

图4等效应力及Sum位移云图(工作面载荷60 MPa)

图5等效应力及Sum位移云图(工作面载荷80 MPa)

根据图4和图5的应力分布和位移云图情况可以看出，新型万向轴的受力比较均匀，减少了应力集中造成的损毁。

根据ANSYS有限元分析结构可得到关于不同载荷作用下，万向轴球体结构应力、应变的变化情况如表1所示。

表1不同载荷作用的最大应力、应变值

利用ANSYS数据表输出功能得到球齿的主应力最大值为SEQUmax，依据形状改变比能理论及分析可知，保证不发生失效的强度校核条件为:

式中:N—许用安全系数(1．5～2．5)。

根据所得数据可求得安全系数选取范围如表2所示。

利用SPSS统计分析软件，可以求出万向轴球体结构施加载荷值与安全系数之间的函数关系，对各种函数进行曲线拟合之后得出模型函数，可知载荷值与安全系数函数公式如下:

表2不同载荷作用的安全系数

安全系数为1．5～2．5时，载荷值的取值范围为57．6～81．7 MPa。

根据载荷值与扭矩值之间的函数关系得出万向轴球体结构在安全系数取值范围内承受的扭矩值为1 423～2 018 N·m，扭矩值较大，可以有效承受较大扭矩，增强了大扭矩工作条件下的传动轴寿命。

三、现场应用

研制了新型万向轴配合Ø197 mm高温高压螺杆在塔里木哈拉哈塘油田进行了6口井的现场试验(1～4号井为新型万向轴的使用情况，5～6号井为常规万向轴的使用情况)，试验及分析结果如表3所示。

表3现场试验结果分析表

从表3可以得知，1～4号井采用新型万向轴的高温高压螺杆平均钻进时间达到400 h以后起钻，起钻后检查万向轴完好无损，主要失效原因是由于马达失效引起。5～6号井采用常规万向轴高温高压螺杆钻进291 h后由于机械钻速急剧下降而起钻，起钻后检查螺杆钻具万向轴失效，说明新型万向轴平均寿命比常规万向轴寿命提高40%以上，高效PDC钻头的使用寿命一般也在450 h左右。应用结果表明，利用新型万向轴的高温高压大扭矩螺杆配合高效钻头的复合钻井技术可以满足深井超深井钻井提速的施工要求。

四、结论

(1)在分析比较常规新型万向轴的优缺点的基础上提出了新型万向轴的设计原则，设计出新型万向轴结构，万向轴万向节牙嵌接触面采用面接触，承载能力强，耐磨损，增设了润滑油压力补偿系统，保证密封腔内压力高于外部压力，提高密封性能。

(2)有限元分析得出应力及云位移新型万向轴的受力比较均匀，减少了应力集中造成的损毁。

(3)在建立万向轴万向节强度验算模型的基础上采用形状改变比能理论对球型牙嵌结构进行了强度校核，球形牙嵌结构的载荷值的最优取值范围为57．6～81．7MPa，万向轴球体结构在安全系数取值范围内承受的扭矩值为1 423～2 018 N·m，扭矩值较大，可以有效承受较大扭矩，增强了大扭矩工作条件下的传动轴寿命。

(4)通过在塔里木油田深井中的试验得出新型万向轴使用寿命比常规万向轴提高40%以上，平均寿命达到400 h以上，满足了深井复合钻井技术提速的要求。现场应用结果表明，该新型万向轴可以在涡轮钻具、叶片式动力钻具、螺杆钻具等井下动力钻具中推广使用，达到提高井下动力钻具的整体使用寿命、降低钻井成本的目的。