预轮廓螺杆钻具马达设计分析研究.doc

预轮廓螺杆钻具马达设计分析研究本论文针对成都百施特金刚石钻头有限公司牵头承担的“高扭矩马达关键技术研究及样机开发”子课题中关于预轮廓螺杆钻具马达(Pre-contouredstatordownholemotor)设计的内容开展研究。海上疏松砂岩稠油油藏采用多枝导流适度出砂技术开发,大夹角的多枝导流井,井眼轨迹复杂,采用常规螺杆造斜效率低、摩阻大、输出扭矩有限,不能满足钻井作业要求。本论文的主要内容是研制一套高扭矩、高效率的预轮廓螺杆钻具马达,并进行室内试验,形成工程化能力,为海上稠油油田多枝导流井提供高扭矩马达钻井技术及工具。本论文系统探讨了螺杆马达摆线类线型设计过程,针对预轮廓螺杆钻具设计分析相关问题,提出求解马达共轭线型的新算法,并对现阶段常用的普通内摆线、短幅外摆线、短幅内摆线三种马达曲线进行新算法演算；借助VisualBasic6.0开发软件,完成螺杆马达线型分析系统软件,优选短幅系数k0、等幅系数r0等相关设计参数,提高马达工作性能；探讨预轮廓螺杆马达定转子加工方式,比较马达定子中间注胶、两端注胶的工艺区别,简述预轮廓螺杆马达注胶过程；在成都百施特公司的LSY-III马达测试台上进行预轮廓螺杆马达性能试验,预测预轮廓螺杆钻具整机性能参数；建立相同马达线型的Φ244mm常规、预轮廓螺杆马达定子橡胶三维模型,导入有限元分析软件,探讨2种类型螺杆马达定子橡胶衬套性能差异。通过上述设计与研究,获得了以下主要结论：1.针对预轮廓螺杆钻具设计分析相关问题,提出了求解共轭线型新算法,选取短幅外摆线、短幅内摆线、普通内摆线作为马达设计线型,完成一套《螺杆马达线型计算分析系统V1.0》软件。2.优选短幅内摆线作为预轮廓螺杆马达设计线型,并对线型的短幅系数k0和等距系数r0进行优选计算,得出当k0=0.8～0.9,r0=1.8～2.0时,马达性能各方面均能达到较为理想的结果,满足设计要求,并且进一步计算确定：k0=0.86,r0=1.96。3.预轮廓螺杆马达主要技术参数：定子和转子的螺距取175mmm,转子头数为5,马达每转排量22.92(升/转),马达级数为3.5级,设计计算流量55升/秒,理论转速为143.9rpm,有效工作压差为5.25MPa,最大有效压差为8.75MPa,工作扭矩17701.2N.m,最大扭矩29501.9N.m。4.阐述了预轮廓螺杆马达加工工艺,选取铣削工艺加工定子内螺旋曲面,采用LXY300X型数控螺旋槽铣床加工转子,并比较了螺杆马达中间注胶、两端注胶的工艺区别,确定螺杆马达采用中间注胶。5.借助预轮廓螺杆马达性能试验,获得马达“压差—定/转子副内部泄漏流量”的关系和“压差—驱动扭矩”的关系,预测螺杆钻具整机性能参数。马达单级工作压差为1.16～1.332MPa。预测螺杆钻具工作性能参数,当入口流量为45-65升/秒时,螺杆钻具工作扭矩为15203.0～17557.9N.m工作压差5.25~6.30MPa,最大输出扭矩约为20718.9～24447.9N.m,试验数据对于Φ244mm预轮廓螺杆马达的设计和现场作业具有重要意义。6.预轮廓马达定子橡胶厚度相等,在均布压力作用下橡胶变形量均匀,且其最大变形量小于常规马达定子橡胶衬套最大变形量,相对减小50%。常规马达橡胶衬套厚度不等,在均布压力作用下橡胶廓形会发生不均匀变形,从而影响马达密封性；同等载荷下,预轮廓马达橡胶衬套厚度增加,最大变形量逐渐增加,最大等效应力减小,且应力变化趋于平缓。