新型軸承油密封大扭矩馬達在海上油田的應用

朱益輝，劉禹銘（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300000）

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新型軸承油密封大扭矩馬達在海上油田的應用

朱益輝，劉禹銘
（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300000）

摘 要：海上油田鉆井作業(yè)過程中為提高機械鉆速，一般采用帶馬達鉆具組合，常規(guī)泥漿馬達工作時會有5%-10%泥漿通過軸承，冷卻潤滑軸承，加快了軸承磨損，縮短了軸承壽命。文章介紹了一種軸承油密封、定子橡膠采用等壁厚設(shè)計的新型馬達，該型馬達軸承密封在液壓油腔內(nèi)，實現(xiàn)軸承的冷卻潤滑，增長了軸承壽命，泥漿100%通過鉆頭，有助于提高鉆頭水馬力，等壁厚設(shè)計，輸出更大扭矩，有效提高機械鉆速。

關(guān)鍵詞：馬達；油密封；等壁厚

馬達作為一種常規(guī)井下動力鉆具，廣泛應用于直井與定向井作業(yè)中，馬達與PDC鉆頭配合，對于提高機械鉆速效果明顯［1］。

馬達工作過程中，在高壓泥漿推動下，轉(zhuǎn)子相對定子旋轉(zhuǎn)，定子靜止，高壓泥漿作用在轉(zhuǎn)子上的壓力通過軸承傳遞到定子，軸承在馬達工作過程中起到動靜接觸、壓力傳遞的作用，軸承損壞將導致憋泵、馬達失速、鉆具落井等復雜井下事故，嚴重影響現(xiàn)場正常作業(yè)，軸承的可靠性直接影響馬達的使用壽命。

常規(guī)泥漿馬達在工作時，為冷卻潤滑軸承，允許5%-10%泥漿通過軸承，泥漿中的固相物質(zhì)加劇了軸承的磨損，影響了馬達的使用壽命，同時，每次保養(yǎng)馬達都需要更換軸承，增加了工具維保成本；本文介紹了一種軸承油密封馬達，該型馬達軸承依靠液壓油實現(xiàn)冷卻潤滑，軸承與泥漿不直接接觸，提高了軸承的使用壽命，減少了摩阻，提高了鉆頭水馬力，提升了機械鉆速，在渤海油田及東海油田使用后，提速效果明顯。

1 結(jié)構(gòu)介紹

圖1 馬達軸承油密封結(jié)構(gòu)

馬達軸承油密封結(jié)構(gòu)主要由心軸、下部套筒、密封環(huán)、雙公接頭、軸承、軸承擋環(huán)、軸承套筒、活塞、活塞套筒組成。作業(yè)過程中由雙套筒與下部密封環(huán)、上部活塞組成密封油腔，冷卻潤滑軸承，活塞可上下活動平衡油壓。1.1 底部密封結(jié)構(gòu)

底部密封結(jié)構(gòu)主要由下部套筒、密封環(huán)與心軸組成，其中主要部件為密封環(huán)，如圖2所示，心軸與密封環(huán)通過波浪形橡膠密封圈密封，密封環(huán)內(nèi)側(cè)鑲嵌硬質(zhì)銅，防止密封槽磨損；密封環(huán)外側(cè)與下部套筒配合，外表面加工防轉(zhuǎn)鍵槽；下部套筒與心軸之間設(shè)計V型密封，防止井筒泥漿侵入密封腔。

圖2 密封環(huán)

1.2 頂部密封結(jié)構(gòu)

頂部密封結(jié)構(gòu)主要由心軸、活塞與活塞套筒組成，其中主要部件為活塞，如圖3所示，心軸與活塞之間通過波浪形橡膠密封圈密封，內(nèi)側(cè)鑲嵌硬質(zhì)銅，保護密封槽防止磨損；活塞外側(cè)與活塞套筒配合，依靠波浪形橡膠密封圈密封，活塞套筒內(nèi)表面鍍鉻；正常工作時活塞沿心軸在活塞套筒內(nèi)上下活動，平衡密封腔內(nèi)部油壓。

圖3 活塞

1.3 軸承總成結(jié)構(gòu)

軸承組合主要由上下承托環(huán)與圓柱滾子軸承組成，承受轉(zhuǎn)子施加的壓力，軸承組合安裝于心軸上，通過軸承擋環(huán)與心軸固定，軸承組合下端與雙公短節(jié)上部端面配合，將轉(zhuǎn)子壓力傳遞至定子本體；軸承組合安裝于軸承套筒內(nèi)。

圖4 軸承總成結(jié)構(gòu)

2 與常規(guī)馬達參數(shù)對比

下面對目前海上常用馬達作業(yè)參數(shù)進行對比，分析軸承油密封馬達作業(yè)優(yōu)勢：

表1 馬達作業(yè)參數(shù)對比

從上表可以看出軸承油密封馬達軸承間隙較小，說明軸承磨損較??；等壁厚設(shè)計，馬達工作壓差大，馬達輸出扭矩大，有效提高馬達輸出功率，保證機械鉆速［2］。

表2 馬達本體尺寸參數(shù)對比

上表對馬達本體尺寸進行對比分析，軸承油密封馬達因增加了軸承密封結(jié)構(gòu)，加長了馬達彎角中心至驅(qū)動頭端面長度，影響了馬達造斜率。

3　現(xiàn)場應用中注意的問題

1）嚴格控制泥漿含砂量及固相含量，避免因定子橡膠磨損嚴重而影響馬達使用壽命。

2）馬達彎角中心與鉆頭之間距離較遠，且存在多個扣連接短節(jié)，容易產(chǎn)生應力集中，作業(yè)過程中需嚴格控制頂驅(qū)轉(zhuǎn)速，嚴禁在馬達驅(qū)動頭前端加裝其他短節(jié)。

3）馬達輸出扭矩大，作業(yè)過程中時刻關(guān)注馬達壓差，防止馬達憋停而出現(xiàn)井下倒扣事故。

4 現(xiàn)場應用效果分析

該馬達自引進以來在渤海油田、東海油田多個區(qū)塊使用，使用后提速效果明顯，下面選取渤海油田遼東灣錦州25-1油田兩口定向井與東海油田某區(qū)塊兩口直井為例，對比分析該型馬達在定向井與直井中的使用效果。

4.1 渤海油田馬達使用效果分析

渤海油田遼東灣區(qū)塊油井由于受地層巖性影響，上部井段滑動鉆進托壓嚴重，采用NOV生產(chǎn)的大扭矩馬達后，托壓現(xiàn)象改善明顯，有效提升機械鉆速。

鉆具組合：Φ311.2mm牙輪鉆頭+Φ203.2mm馬達+浮閥接頭+Φ203.2mm鉆鋌2根+Φ311.2mm扶正器+Φ203.2mm鉆鋌13根+Φ203.2mm機械震擊器+配合接頭+Φ139.7mm加重鉆桿14柱+Φ139.7mm鉆桿。

本井為定向井，為使對比數(shù)據(jù)更真實，選取垂深相同的一段地層，對比分析作業(yè)參數(shù)。

表3 渤海油田遼東灣區(qū)塊大扭矩馬達使用效果對比

上表可以看出，使用馬達后鉆壓降低，平均機械鉆速提升明顯，說明該型馬達在定向井滑動鉆井過程中能夠有效減少托壓，提高施工效率，同時保證井下安全，避免粘卡。

4.2 東海油田馬達使用效果分析

東海油田儲層埋深一般在4 000m以上，選取某區(qū)塊兩口直井相同層段，對比分析馬達使用前后效果，其中，兩井相距較近，地質(zhì)條件相似，泥漿體系相同。

表4 馬達使用前后作業(yè)參數(shù)對比

通過上述圖表可以看出，作業(yè)過程中為保護馬達，減小了泥漿泵排量，降低了頂驅(qū)轉(zhuǎn)速與鉆壓，減小了井下管柱震動，但排量降低影響了泥漿攜砂，同時，鉆時快井筒內(nèi)巖屑堆積較多，增加了鉆柱扭矩，但總體平均機械鉆速提升明顯，有效減少純鉆時間，提高了作業(yè)效率，降低了作業(yè)成本。

5 結(jié)論及建議

1）油密封式軸承，不需要泥漿冷卻潤滑，增加軸承使用壽命，提高馬達井下作業(yè)時間，全部泥漿從鉆頭水眼處流出，增加鉆頭水馬力。

2）等壁厚設(shè)計，具備輸出扭矩大、壽命長等特點，安全性能高，有效地降低井下復雜情況，降低了鉆井作業(yè)的風險。

3）高性能專利橡膠，耐磨性更好，可承受更高壓差。

4）馬達彎角中心至鉆頭距離過長，影響了工具造斜率，扣連接短節(jié)過多，降低了工具整體強度，后續(xù)設(shè)計可以改進該段長度，減少扣連接，設(shè)計減應力槽，提高工具強度。

參考文獻

［1］ 張東海，劉俊山.復合鉆井技術(shù)提高深井鉆井速度［J］.斷塊油氣田，2003，（6）：79-82+94.

［2］ 苗同勇，劉永旺，趙偉，等.等壁厚螺桿鉆具及應用［J］.石油礦場機械，2011，（10）：72-76.

Application of New High-torque Motor With Oil Sealed Bearing in Offshore Oilfield

Zhu Yi-hui，Liu Yu-ming

Abstract：Generally，we use the BHA with motor to improve the ROP in the process of offshore oil drilling.Conventionally，the mud motor has 5%-10% mud getting through the bearing during the working process to cool and lubricate it.But at the same time，it can also speed up the abrasion and shorten the life of the bearing.This passage introduces a new motor with oil sealed bearing and uniform thickness of rubber bushing.The bearing is sealed in sealing cavity to cool and lubricate it.It can extend the service life of our tool.The mud will also get through our bit without any missing.This design can enhance the bit hydraulic horsepower.The design of uniform thickness can output high torque.All of this design can promote the ROP effectively.

Key words：motor；oil sealed bearing；uniform thickness

中圖分類號：TH137

文獻標志碼：B

文章編號：1003–6490（2016）02–0036–02

收稿日期：2016–01–24

作者簡介：朱益輝（1965.3—），男，湖南益陽人，工程師，主要從事鉆井技術(shù)工作。