龍 靜

(中石化江鉆石油機(jī)械有限公司，武漢 430223)

隨著石油天然氣勘探開發(fā)的發(fā)展，越來(lái)越多的螺桿鉆具應(yīng)用于深井、超深井等鉆井作業(yè)中。螺桿鉆具包括旁通閥總成、馬達(dá)總成、萬(wàn)向軸總成和傳動(dòng)軸總成，各個(gè)部分分別自上而下依次連接。螺桿鉆具以鉆井液為動(dòng)力，把液體壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。泥漿泵泵出的泥漿流經(jīng)旁通閥總成，進(jìn)入馬達(dá)總成，在馬達(dá)總成處產(chǎn)生轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，萬(wàn)向軸總成和傳動(dòng)軸總成將轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩傳遞給鉆頭，實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)。傳動(dòng)軸總成在傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的同時(shí)，還要承受鉆頭的軸向壓力，是螺桿鉆具極為關(guān)鍵的部件，其結(jié)構(gòu)和性能直接關(guān)系到螺桿鉆具的效率和使用壽命。

1 傳動(dòng)軸總成結(jié)構(gòu)方案分析

目前，螺桿鉆具傳動(dòng)軸總成主要有開放式和密封式2種結(jié)構(gòu)形式。開放式傳動(dòng)軸總成是以鉆井液作為軸承潤(rùn)滑和冷卻的介質(zhì)。密封式傳動(dòng)軸總成是在1個(gè)密閉腔內(nèi)使用油或油脂作為軸承潤(rùn)滑和冷卻的介質(zhì)。

密封式傳動(dòng)軸總成大都采用活塞式的密封平衡技術(shù)，也就是在軸承上方裝有活塞式上密封裝置，在軸承下方安裝下密封裝置。其缺點(diǎn)是：由于鉆頭噴嘴會(huì)產(chǎn)生壓降，所以從活塞式上密封裝置到下密封裝置會(huì)產(chǎn)生壓降。這個(gè)壓降會(huì)推動(dòng)活塞式上密封裝置沿軸線往下移動(dòng)，導(dǎo)致潤(rùn)滑油不斷從下密封裝置泄露。

開放式傳動(dòng)軸總成是目前螺桿鉆具傳動(dòng)軸總成的主流結(jié)構(gòu)形式，其軸承采用的是推力球軸承組(如圖1所示)。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是：軸承組在井下工作時(shí)承受軸向沖擊載荷,鉆井液磨粒磨損及高速旋轉(zhuǎn),連續(xù)工作120～150 h，推力球軸承組的滾珠就發(fā)生碎裂和磨損(如圖2所示)。螺桿鉆具推力球軸承組的結(jié)構(gòu)空間有限，如果增大滾珠的直徑，可改善其受力狀態(tài)，但是每列中的滾珠數(shù)目就會(huì)減少，整個(gè)軸承的承載能力就降低了，軸承內(nèi)外圈的結(jié)構(gòu)變薄，容易引起套圈的過早斷裂，降低軸承的壽命[1-2]。

圖1 推力球軸承傳動(dòng)軸總成

圖2 推力球軸承組失效形貌

聚晶金剛石復(fù)合片(Polycrystalline Diamond Compacts，簡(jiǎn)稱 PDC)具有高硬度和高耐磨性(硬度約為10 000 HV)、摩擦因數(shù)低(摩擦因數(shù)為0.05～0.08)、熱導(dǎo)率高的特點(diǎn)，可以與金屬材料通過焊接的方式加工制造成PDC滑動(dòng)止推軸承[3-4]。采用PDC滑動(dòng)止推軸承代替推力球軸承組，在螺桿鉆具傳動(dòng)軸總成中使用，可提高傳動(dòng)軸總成的使用壽命。

2 PDC軸承傳動(dòng)軸總成結(jié)構(gòu)及工作原理

1) 傳動(dòng)軸總成結(jié)構(gòu)。

PDC軸承主要由軸承動(dòng)環(huán)和軸承靜環(huán)2部分組成，如圖3所示。軸承靜環(huán)與殼體，調(diào)整套、擋套、上TC靜套，通過上TC靜套與殼體之間的螺紋連接，將固定在殼體上的這些零件壓緊，在工作過程中不發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。傳動(dòng)軸、下TC動(dòng)套、軸承動(dòng)環(huán)、隔套、中間隔套、上TC動(dòng)套、上調(diào)整套、水帽，通過水帽與傳動(dòng)軸的螺紋連接，將固定在傳動(dòng)軸上這些零件壓緊，在工作過程中不發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

1-傳動(dòng)軸；2-下TC靜套；3-下TC動(dòng)套；4-調(diào)整套；5-隔套；6-軸承動(dòng)環(huán)；7-中間隔套；8-軸承靜環(huán)；9-擋套；10-殼體；11-上TC動(dòng)套；12-上TC靜套；13-上調(diào)整套；14-水帽。圖3 螺桿鉆具PDC軸承傳動(dòng)軸總成結(jié)構(gòu)示意

2) 工作原理。

螺桿鉆具動(dòng)力馬達(dá)帶動(dòng)傳動(dòng)軸及鉆頭旋轉(zhuǎn)的同時(shí)進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆桿施加的鉆壓傳遞到鉆頭上，增加鉆頭對(duì)地層的切削力。鉆頭承受的鉆壓傳遞給傳動(dòng)軸，當(dāng)鉆壓大于水力載荷+自重力時(shí)，水力載荷+自重力平衡掉一部分鉆壓，剩余的鉆壓載荷推動(dòng)傳動(dòng)軸向上移動(dòng)，軸承動(dòng)環(huán)和靜環(huán)端面相接觸，并發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承靜環(huán)將載荷通過擋套、殼體傳遞給鉆桿，此時(shí)靠近鉆頭端的一副PDC軸承承受載荷，反裝的一副PDC軸承動(dòng)環(huán)和軸承靜環(huán)分開，且不承受載荷。反之亦然。

3 PDC滑動(dòng)推力軸承設(shè)計(jì)

PDC軸承在高轉(zhuǎn)速、重載荷條件下使用，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮有一定的鉆井液通過PDC軸承，將其工作時(shí)相互摩擦產(chǎn)生的熱量帶走，以防止軸承的復(fù)合片在高溫條件下表面碳化而快速失效。主要考慮3個(gè)因數(shù)：復(fù)合片之間的間隙、軸承承載面積、軸承承載串?dāng)?shù)[5]。

3.1 軸承復(fù)合片之間間隙

設(shè)計(jì)復(fù)合齒在軸承圓周方向上的間隙δ(如圖4所示)，要保證軸承摩擦產(chǎn)生的熱量H小于等于流動(dòng)的液體所帶走的熱量H1與軸承散發(fā)的熱量H2(軸承的金屬表面通過傳導(dǎo)和輻射把一部分熱量散發(fā)到周圍介質(zhì)中去)之和,以防止金剛石復(fù)合片在約750 ℃的溫度下受到熱降解作用，以及金剛石復(fù)合片表面發(fā)生碳化失效、硬度和耐磨性急劇降低[6]，如圖5所示。

圖4 PDC軸承齒間間隙

圖5 金剛石復(fù)合片表面碳化失效形貌

熱量計(jì)算式為[7]：

H≤H1+H2

(1)

軸承工作時(shí)產(chǎn)生的熱量H為：

H=fpv

(2)

流出的液體帶走的熱量H1為：

H1=CPρQ(t0-t1)

(3)

軸承散發(fā)的熱量H2為：

H2=αsπdB(t0-t1)

(4)

式中：f為軸承的摩擦因數(shù)；p為軸承的平均壓力，Pa；v為軸承的線速度，m/s；Cp為液體的比熱容，鉆井泥漿比熱容為3.2～3.5 J/(g·℃)；ρ為泥漿密度，g/cm3，取ρ=1.1～1.3 g/cm3；Q為流量，m3/s；t0為液體的出口溫度，℃；t1為液體的入口溫度，℃；αs為軸承表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；πdB為軸承散熱面積 。

3.2 軸承承載面積

考慮動(dòng)環(huán)和靜環(huán)之間是相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的，設(shè)計(jì)時(shí)，盡量保證動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的復(fù)合片最大接觸面積和最小接觸面積之差較小，復(fù)合片數(shù)量以奇數(shù)和偶數(shù)相接觸為最佳[3]。

以?172 mm螺桿鉆具傳動(dòng)軸總成結(jié)構(gòu)為例，根據(jù)工況條件、復(fù)合片之間的間隙大小及傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計(jì)了軸承動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的復(fù)合片分布。動(dòng)環(huán)和靜環(huán)以某一顆復(fù)合片重合為起始基準(zhǔn)，繞著圓心以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0.25°的數(shù)量增加進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，如圖6所示，動(dòng)環(huán)和靜環(huán)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為1°時(shí)，從圖6中可以看出動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的重合面積與0°時(shí)重合面積相等，動(dòng)環(huán)和靜環(huán)復(fù)合片在旋轉(zhuǎn)1周過程中，重合面積大小的變化以無(wú)數(shù)個(gè)周期在進(jìn)行變化。

圖6 動(dòng)、靜環(huán)合金齒接觸示意

3.3 軸承承載串?dāng)?shù)

PDC軸承串?dāng)?shù)的確定是首先計(jì)算出單副PDC軸承的線速度大小，軸承尺寸如圖7所示。根據(jù)螺桿鉆具PDC傳動(dòng)軸總成承受的最大鉆壓，計(jì)算出單副PDC軸承的復(fù)合片接觸壓力。根據(jù)圖8和圖9[8]確定合適的軸承串?dāng)?shù)和軸承的理論壽命值。

圖7 軸承尺寸示意

PDC軸承的線速度為：

v=π×D0×n

(5)

式中：v為PDC軸承的線速度；D0為PDC復(fù)合片中心的直徑；D0=(D1+D2)/2；D1為軸承內(nèi)徑；D2為軸承外徑；n為軸承轉(zhuǎn)速。

單副軸承接觸壓力：

p0=P/(l×κ)

(6)

式中：P為鉆壓；l為軸承串?dāng)?shù)；κ為載荷不均勻系數(shù)。

圖8 線速度與接觸壓力關(guān)系

圖9 pv值與磨損量關(guān)系

3.4 軸承游隙

為保證組裝后的PDC軸承在傳動(dòng)軸總成中能正常工作和長(zhǎng)時(shí)間的使用，設(shè)計(jì)時(shí)需要確定合適的軸承軸向游隙值。軸向游隙值太小,在軸承組裝后，零件被壓縮變形，導(dǎo)致軸承卡死而無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)。軸向游隙太大，PDC軸承之間相互軸向移動(dòng)距離太多，復(fù)合片抗沖擊能力弱，在工作過程中容易被沖擊而碎裂[9]。

4 有限元分析

PDC軸承的設(shè)計(jì)采用有限元法進(jìn)行PDC軸承的軸向載荷分析和PDC軸承的熱固耦合及流熱耦合分析。

4.1 力學(xué)計(jì)算分析

在UG軟件中創(chuàng)建需要計(jì)算的受力零件的三維模型。為提高軟件分析計(jì)算的準(zhǔn)確性，減少零件的部分尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果的干擾，在ABACUS分析中將零件的非關(guān)鍵尺寸進(jìn)行刪除，PDC軸承的簡(jiǎn)化計(jì)算模型如圖10所示。

圖10 PDC軸承簡(jiǎn)化后的模型

固定靜環(huán)和隔套，將動(dòng)環(huán)和中間隔套沿著軸向設(shè)定一定位移值的邊界條件；建立動(dòng)環(huán)復(fù)合片與靜環(huán)復(fù)合片、動(dòng)環(huán)與中間隔套、靜環(huán)與調(diào)整套的接觸關(guān)系，法向采用硬接觸，側(cè)向接觸為無(wú)摩擦接觸關(guān)系。在動(dòng)環(huán)的表面施加“Coupling”的集中力，值為120 kN，方向沿著軸向。模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元類型為C3D8R，單元尺寸為1～4 mm。PDC動(dòng)靜環(huán)軸向載荷分布如圖11所示。

圖11 PDC動(dòng)靜環(huán)軸向載荷分布示意

分析結(jié)果表示，當(dāng)動(dòng)環(huán)承受軸向載荷為120 kN時(shí)，計(jì)算出相應(yīng)動(dòng)環(huán)PDC、靜環(huán)PDC承受軸向載荷的值，經(jīng)多組計(jì)算結(jié)果比較，其軸向載荷力值在傳遞過程中逐漸減小。

4.2 熱固耦合分析

為驗(yàn)證PDC復(fù)合片之間摩擦生熱情況，及流體對(duì)PCD復(fù)合片的冷卻情況的計(jì)算是否正確或合理, 采用Abaqus/Explicit和Fluent軟件對(duì)PDC軸承進(jìn)行軸承熱-固及流-熱耦合分析。

在Abaqus/Explicit中計(jì)算PCD復(fù)合片間摩擦生熱，即，熱-固耦合；在Fluent中計(jì)算流體對(duì)PCD復(fù)合片的冷卻，即，流-熱耦合。最后分析在同一時(shí)間段內(nèi)，流體對(duì)PCD復(fù)合片摩擦升高的溫度能否進(jìn)行有效的冷卻，如圖12所示[10-13]。分析的數(shù)據(jù)如表1～2。

圖12 溫度云圖和速度矢量云圖

表1 PCD復(fù)合片固體域的初始化溫度分析數(shù)據(jù)

表2 PCD復(fù)合片的冷卻速率分析數(shù)據(jù)

5 PDC軸承傳動(dòng)軸總成現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

?172 mm螺桿鉆具PDC軸承傳動(dòng)軸總成在某油田使用，鉆井工況為：井段2 487～2 812 m，鉆井液排量32～36 L/s，泥漿密度1.1～1.3 g/cm3，在井下連續(xù)工作153 h后正常起鉆。對(duì)螺桿鉆具PDC軸承傳動(dòng)軸總成進(jìn)行拆卸、檢查，測(cè)量軸承高度和內(nèi)外徑尺寸，檢測(cè)復(fù)合片表面失效情況。檢測(cè)結(jié)果表明：高度尺寸未發(fā)生變化，復(fù)合齒表面完整、無(wú)損傷，表現(xiàn)出高耐磨性特點(diǎn)。如圖13所示。

圖13 下井使用后的軸承動(dòng)環(huán)

6 結(jié)語(yǔ)

PDC軸承因其耐磨損、高承載力的特點(diǎn)，應(yīng)用在螺桿鉆具傳動(dòng)軸總成中，使螺桿鉆具傳動(dòng)軸總成壽命提高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易拆卸，同時(shí)也使傳動(dòng)軸總成長(zhǎng)度減小700 mm以上。PDC軸承具有多次重復(fù)利用的特點(diǎn)，既提高了傳動(dòng)軸總成的使用壽命，又降低了螺桿鉆具的修復(fù)成本[14-15]。

本文根據(jù)螺桿鉆具的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種高耐磨性的PDC軸承傳動(dòng)軸總成，對(duì)其中的重要部件PDC軸承進(jìn)行了結(jié)構(gòu)、力學(xué)、熱耦合的分析，在常規(guī)的傳動(dòng)軸總成的基礎(chǔ)上提出了多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，例如，軸承更換為高耐磨高承載的PDC軸承、對(duì)TC扶正軸承優(yōu)化結(jié)構(gòu)和工藝、優(yōu)化總成使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單安裝拆卸更快捷等。井下試驗(yàn)表明，該P(yáng)DC軸承傳動(dòng)軸總成的使用壽命比常用的推力球軸承傳動(dòng)軸總成的壽命增加2～3倍。

采用PDC軸承的傳動(dòng)軸總成雖然具備諸多優(yōu)點(diǎn)，但是其生產(chǎn)制造難度大、工藝控制復(fù)雜，因此后期需要在產(chǎn)品的生產(chǎn)制造工藝方面加大研究，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率，降低制造成本。該類產(chǎn)品的市場(chǎng)應(yīng)用尚未大量普及，推廣應(yīng)用時(shí)間短，所以尚未得到市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可，產(chǎn)品產(chǎn)量低、售價(jià)稍高。

PDC軸承傳動(dòng)軸總成除了用于螺桿鉆具外，還可用于渦輪鉆具、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向螺桿等多種井下鉆井工具。隨著產(chǎn)品的逐步推廣和應(yīng)用，加之生產(chǎn)工藝的成熟和穩(wěn)定，PDC軸承傳動(dòng)軸總成將具有廣泛的應(yīng)用前景和市場(chǎng)價(jià)值。