新型气液驱动式螺杆钻具设计及研究*

贺俊伟，陈浩东，胡开元，何 勇，宫欣悦，匡延科，刘 洋

（1.长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023；2.中国石油塔里木油田分公司，新疆 库尔勒 841000）

随着石油天然气需求量的飞速增长，对钻井技术和成本提出了更高要求，其中气体钻井可有效减少钻井成本和提高钻井效率，因此，气体钻井技术在油气勘探开发中占据一定比例，已成为非常规能源开采的重要环保手段[1-3]。但是目前的技术装备远远达不到高效开发的目的，不能高效完成大斜度井段、长水平井段等复杂井的作业，严重地限制了气体钻井的应用范围。为了克服难钻地层中常规动力钻具的使用问题，需要设计和开发一套高效井下设备——气体钻井螺杆钻具[4-5]。

常规气体螺杆钻具经常出现飞车、憋泵的现象，为了输送平稳的钻压和扭矩，本研究开发了一种用于钻长水平井气的新型气液驱动式（气驱液动） 螺杆钻具，利用气驱液动自循环功能平稳输出扭矩的螺杆钻具。该工具借鉴汽车发动机原理，经过多次设计改进，利用地面输送的高压气体推动定子腔内液体的循环往复运动，从而带动万向轴和转子转动，平稳传递扭矩给钻头，实现高效气体钻井作业。

1 新型气体螺杆钻具概念设计

1.1 新型气体螺杆钻具结构及工作原理

常规螺杆钻具基于液体的不可压缩性以及容积式机械的相关特性，在过载性能方面、机械特性方面都表现出较好的工作效果；而在水平井和大位移井中气体螺杆钻具却比液动螺杆钻具有更加稳定的机械钻速，克服了常规螺杆钻具中难以避免的压持效应。但通过分析目前的气体螺杆钻具，其仍存在着许多问题，因此常规气体螺杆钻具在实际现场中的实际应用越来越少。

目前的气体螺杆钻具由于气体所具有的可压缩性，当气体通过螺杆转子时，所产生的压差现象会导致严重的飞车和制动现象；而液动螺杆钻具是通过不可压缩的钻井液驱动转子转动，克服了常规气体螺杆钻具的缺陷。故本设计的新型气体螺杆钻具具备常规液动螺杆钻具的不可压缩性这一特性，同时保留了当气体进入井底发生携岩返排的特性，即沿用液动螺杆钻具的工作机理：利用液体进行驱动螺杆转子，而目前的气体螺杆钻具通常是利用气体驱动转子转动，并利用气体进入完成井底携岩返排，故将该新型气体螺杆钻具又称作新型气液驱动式（气驱液动） 螺杆钻具。基于国内外相关文献调研，本文首先完成新型气液驱动式螺杆钻具的概念设计。图1 为新型气体螺杆钻具结构图，从左至右依次由配气装置、马达总成、万向轴总成及传动轴总成组装配合。

图1 新型气体螺杆钻具结构图

1.2 传动轴总成的基本组成

图2 为传动轴总成正视图，其主要由径向轴承、传动轴及传动轴总成壳体等部件构成，传动轴设置安装于传动轴壳体内，而在传动轴壳体与传动轴连接处放置径向轴承。

图2 传动轴总成正视图

为保证传动轴在运行时的可靠性和稳定性，传动轴总成还配置了径向轴承动圈及静圈结构。同时为了在装置内部形成润滑腔，分别将上径向轴承静圈设置在传动轴壳体与传动轴装置之间，将下径向轴承静圈设置在传动轴壳体和传动轴装置之间，配合形成有效的润滑腔结构，从而保证传动轴装置实现稳定输出扭矩和钻压的传递。

2 传动轴力学强度分析

新型气液驱动式螺杆钻具的传动轴其上部连接万向轴，下端连接钻头，传动轴受到径向推力以及轴承组产生的约束，使其作定轴转动，从而在其钻头与万向轴之间完成扭矩的传递[6]。传动轴材料采用40CrNiMoA 或其他较高强度的合金钢制造，一般使用左端直螺纹的方式进行连接，而右端锥螺纹可直接连接钻头，传动轴总成结构图见图3。

图3 传动轴总成结构图

传动轴总成通过传动轴连接钻头，将产生的扭矩及钻压通过传动轴传输给钻头。在动力的传递过程中，通过径向轴承对传动轴进行径向位移的约束，通过推力轴承组对传动轴进行轴向位移的约束。从而确定传动轴相关的具体力学参数，并对传动轴进行强度计算。在有限元仿真模拟分析中，40CrNiMoA 的具体材料属性参数见表1。

表1 40CrNiMoA 的具体材料属性参数

图4 为传动轴有限元网格模型图。在计算过程中，其边界条件为：固定传动轴右端，对传动轴左端施加扭矩10 000 N·m，弯矩570 N·m，轴向力8 000 N。

图4 传动轴有限元网格模型图

图5 为计算得出的传动轴应力和位移云图。从图5 中可知，在小径的退刀槽处和圆角半径的过渡连接处产生最大应力，由图5 可知，最大冯·米塞斯（von Mises） 应力为287.3 MPa。说明截面尺寸生成突变的位置会发生应力集中现象，同时该位置也是最易产生失效的部位。在传动轴小径轴端面处，扭矩产生最大位移，其位移为1.32 mm。

图5 传动轴左端施加载荷应力云图及位移云图

基于以上分析可以看出，通过在传动轴的两端处施加约束和载荷，得到的最大应力位置一般都发生在传动轴的退刀槽处。按照上述分析发现，所设计的传动轴最大应力虽在安全可控范围之内，但在退刀槽处的应力偏大，接近于材料的许用应力。传动轴的强度在衡量轴的工作性能中起重要作用，由于轴是空心轴，其强度主要由轴的内径与外径决定。外径保持不变而减小内径将会增大轴的强度；同样，内径保持不变而增大外径也可增大轴的强度。为了提高传动轴的强度，主要就是从以下两点着手：一是增加传动轴两个径向轴承之间的径向尺寸，增加传动轴小径处的直径，由原来的80 mm 变为90 mm，并使螺纹中径与推力轴承外圈直径保持一致，内孔直径保持不变；二是去除螺纹退刀槽结构，减少应力集中结构。图6 为改进后的传动轴有限元网格模型图。

图6 改进后的传动轴有限元网格模型图

固定传动轴右端，并在传动轴左端施加相同的约束和载荷，进行力学分析计算，得到改进后的传动轴左端施加载荷应力云图和位移云图，见图7。

图7 改进后的传动轴左端施加载荷应力云图及位移云图

基于分析得出，在相同约束和载荷情况下，改进后的传动轴的最大冯·米塞斯（von Mises） 应力由改进前的287.3 MPa 降为181 MPa，同时传动轴小径处应力在101～151 MPa 范围内波动。

由图7 可知，传动轴左端产生的最大位移为0.996 mm，较改进前产生的位移减少了0.319 mm。

3 结论

通过上述新型气体螺杆钻具结构设计和关键结构有限元分析，得到如下结论。

1） 改进前的传动轴最大应力接近于材料的许用应力，改进后的结构可有效减小传动轴应力和变形，增强传动轴的强度。

2） 外径保持不变而减小内径，以及内径保持不变而增大外径，均可增大传动轴的强度。

3） 对气驱液螺杆钻具的设计和分析可得，改进设计可以提高传动轴的安全系数和寿命，表明该设计的气驱液螺杆钻具可以满足钻井需要。