螺桿鉆具轉(zhuǎn)子表面磨損規(guī)律研究

岳偉民，史新慧，黃玉文，翁 煒，趙志濤

(北京探礦工程研究所，北京100083)

螺桿鉆具是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的一種井下動(dòng)力鉆具，其應(yīng)用領(lǐng)域遍布常規(guī)、非常規(guī)油氣資源鉆井，地質(zhì)勘探和地下工程。定轉(zhuǎn)子構(gòu)成的馬達(dá)是螺桿鉆具的核心部件之一，可以把通過(guò)二者間隙的泥漿中蘊(yùn)藏的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成鉆頭破巖鉆進(jìn)所需的機(jī)械能。馬達(dá)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，暴露在惡劣的泥漿環(huán)境中，受到磨蝕等作用影響，失穩(wěn)失效問(wèn)題也日趨普遍，嚴(yán)重影響著螺桿鉆具的整體壽命［1］。

1 轉(zhuǎn)子表面磨損過(guò)程

相互接觸的物體在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，表層材料不斷損失、轉(zhuǎn)移或產(chǎn)生殘余變形的現(xiàn)象稱為磨損，它是伴隨著摩擦而產(chǎn)生的必然結(jié)果，包括粘著磨損、腐蝕磨損和磨料磨損等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有80%左右的機(jī)械零件是由于磨損而報(bào)廢或失效，馬達(dá)轉(zhuǎn)子也不例外。轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子高速旋轉(zhuǎn)，做類似于純滾動(dòng)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，井下工作時(shí)，轉(zhuǎn)子與定子暴露在井下泥漿環(huán)境中，同時(shí)還要受到來(lái)自泥漿中對(duì)轉(zhuǎn)子有害的化學(xué)物質(zhì)的腐蝕和固態(tài)顆粒的磨蝕［2］。這些有害化學(xué)物質(zhì)主要包括為了滿足其它鉆井工藝需要而添加的各種添加劑和未被有效分離的地層中固有礦物質(zhì)，而固態(tài)顆粒主要是由難以被有效分離的破碎巖屑組成。由于定轉(zhuǎn)子材料不同，轉(zhuǎn)子表面材料強(qiáng)度較高，故粘著磨損輕微，主要磨損原因是腐蝕磨損和磨料磨損，而這二者都來(lái)自泥漿作用。為了避免轉(zhuǎn)子與泥漿的直接接觸，鉆井行業(yè)對(duì)轉(zhuǎn)子表面進(jìn)行處理，增加表面涂層來(lái)隔離泥漿與轉(zhuǎn)子，目前通常采用的方法是在轉(zhuǎn)子表面電鍍硬鉻鍍層，以增大轉(zhuǎn)子的耐腐蝕性、耐磨蝕性和表面硬度。然而，我國(guó)電鍍工藝水平較低，轉(zhuǎn)子表面復(fù)雜又面積較大，鍍層難免存在弱點(diǎn)，導(dǎo)致短時(shí)使用后，馬達(dá)效率顯著降低，難以滿足現(xiàn)場(chǎng)需要［3，4］。

圖1、圖2為轉(zhuǎn)子磨損后，硬鉻鍍層表面的形態(tài)，其中圖1為表面被氯化物腐蝕后出現(xiàn)的孔洞，圖為表面被固態(tài)顆粒磨損后出現(xiàn)的碎紋。碎紋和孔洞將導(dǎo)致泥漿與轉(zhuǎn)子基體材料的直接接觸，而基體材料的綜合性能要遠(yuǎn)小于硬鉻鍍層，從而磨損迅速加劇。轉(zhuǎn)子表面出現(xiàn)類似磨損后，定轉(zhuǎn)子無(wú)法密封泥漿，馬達(dá)效率迅速降低，不得不進(jìn)行返廠修理。

圖1 轉(zhuǎn)子表面的孔洞

圖2 轉(zhuǎn)子表面的碎紋

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)原理

在確定了主要研究對(duì)象的基礎(chǔ)上，對(duì)螺桿鉆具定轉(zhuǎn)子相互運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析。螺桿鉆具剖面結(jié)構(gòu)如圖3所示，轉(zhuǎn)子表面在復(fù)雜橡膠定子表面做純滾動(dòng)，而轉(zhuǎn)子自身則以定子為基準(zhǔn)做行星運(yùn)動(dòng)?？梢砸?guī)避了次要因素，將多頭轉(zhuǎn)子在定子中的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為單頭轉(zhuǎn)子在定子中的純滾動(dòng)(如圖3所示)［5］。

圖3 螺桿鉆具馬達(dá)剖面

2.2 試驗(yàn)裝置

設(shè)計(jì)了一套基于扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)，用于模擬井下工況，測(cè)試鍍鉻轉(zhuǎn)子表面在不同泥漿環(huán)境中磨損規(guī)律的試驗(yàn)裝置(如圖4所示)。通過(guò)行星機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)定轉(zhuǎn)子的純滾動(dòng)相互運(yùn)動(dòng)(如圖5所示)，以轉(zhuǎn)子作為行星輪，橡膠定子作為恒星輪，模擬圖3簡(jiǎn)化的定轉(zhuǎn)子相互運(yùn)動(dòng)形式［6，7］。

圖4 試驗(yàn)臺(tái)

圖5 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)圖

主動(dòng)軸輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速，帶動(dòng)模擬轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn);行星軸被固定，主動(dòng)軸在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，行星軸所帶軸承壓緊模擬定子，使得模擬轉(zhuǎn)子在模擬定子內(nèi)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，構(gòu)成定轉(zhuǎn)子摩擦”;將配置的泥漿充分淋浴在模擬試驗(yàn)裝置上，構(gòu)成井下泥漿環(huán)境。

2.3 試驗(yàn)測(cè)試對(duì)象

2.3.1 表面加工工藝

螺桿鉆具目前普遍采用的加工工藝是電鍍硬鉻，受到了使用效果和環(huán)保等限制，該工藝愈來(lái)愈多地受到詬病，亟待發(fā)展新型工藝，如陶瓷鍍層、等離子噴涂鍍層等。本文研究了5種表面加工處理工藝(如圖6所示)，分別是:等離子噴涂碳化鎢(Type A)、等離子噴涂氧化鋁(Type B)、電鍍硬鉻(Type C)、化學(xué)鍍鎳(Type D)、噴焊硬質(zhì)合金(Type E)。

圖6 試驗(yàn)用耐磨材料樣品

2.3.2 井下工況(泥漿類型)

泥漿添加劑與巖屑是導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磨損的主要原因，本文研究5種泥漿狀態(tài)(如圖7所示):無(wú)水狀態(tài)(僅對(duì)比分析用，Condition A)，清水(Condition B)、含固相磨粒水(Condition C)、含固相磨粒普通泥漿(Condition D)、含固相磨粒鹽水泥漿(Condition E)。

清水為日常試驗(yàn)室用水，普通泥漿和鹽水泥漿(飽和)均按照現(xiàn)有工藝配置。含砂指的是泥漿中含有體積分?jǐn)?shù)為0.5%的不能通過(guò)200目篩網(wǎng)(邊長(zhǎng)為74 μm)的沙粒。

如上所述，本試驗(yàn)的主要研究對(duì)象是多種轉(zhuǎn)子表面加工工藝在多種井下工況中的磨損情況，本試驗(yàn)在常溫常壓條件下進(jìn)行。

2.4 結(jié)果分析

測(cè)試不同泥漿作用下，高速運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)子的表面材料徑向磨損單位高度所需要的時(shí)間。

將所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制圖表，以表面處理加工工藝試驗(yàn)材料類型(Type A～E)為橫軸，磨損耗時(shí)(min)為縱軸，見(jiàn)圖8、圖9。

圖7 試驗(yàn)用鉆井液樣品

圖8 處理加工工藝與材料對(duì)比試驗(yàn)

圖9 井下工況對(duì)比試驗(yàn)

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出:

(1)等離子噴涂碳化鎢(Type A)和氧化鋁(Type B)處理后的轉(zhuǎn)子試樣，在各種工況下耐磨效果明顯好于其它工藝處理的轉(zhuǎn)子，而以等離子噴涂碳化鎢(Type A)效果最佳，電鍍硬鉻(Type C)效果最差;

(2)鉆井液中蘊(yùn)藏的固相對(duì)化學(xué)鍍鎳(Type D)和噴焊硬質(zhì)合金(Type E)的影響明顯，對(duì)其他加工處理工藝不構(gòu)成影響;

(3)鹽水泥漿對(duì)噴焊鎳基合金工藝(Type E)和電鍍硬鉻工藝(Type C)處理的轉(zhuǎn)子試件的腐蝕作用明顯，對(duì)其它處理工藝處理轉(zhuǎn)子試件影響不大;

(4)在各種井下工況下，各種螺桿鉆具轉(zhuǎn)子表面材料加工處理工藝與材料耐磨性能逐漸降低(A～E)，而各種工藝與材料對(duì)井下環(huán)境的敏感程度不同。

3 結(jié)論

本文通過(guò)測(cè)試不同泥漿條件下多種轉(zhuǎn)子表面材料的磨損情況，初步發(fā)現(xiàn)了不同螺桿鉆具轉(zhuǎn)子表面處理加工工藝與材料的損失規(guī)律。

在保持現(xiàn)有轉(zhuǎn)子表面處理工藝所具有硬度的前提下，如果能提高其抗腐蝕性，將可以提高現(xiàn)有轉(zhuǎn)子的有效工作壽命。工藝允許的情況下，可以在硬鉻鍍層中加入某些耐腐蝕材料，并在一次加工成型后，提高質(zhì)檢工作要求，對(duì)于露底(基體材料未被硬鉻鍍層有效覆蓋)等瑕疵，進(jìn)行修復(fù)，從而從根本上提高轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性和工作壽命。

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