井下動(dòng)力鉆具新型萬(wàn)向軸研制及應(yīng)用研究

王克雄，王鎮(zhèn)全，鞏立根

(中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院·北京)

隨著油氣田的勘探和開(kāi)發(fā)向陸地深部和深海(深水)的發(fā)展，涌現(xiàn)出了大量的深井、超深井、大位移井和水平井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井，復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的鉆井必須采用井下動(dòng)力鉆具(螺桿鉆具及渦輪鉆具等)配合高效PDC鉆頭的復(fù)合鉆井技術(shù)達(dá)到提速和定向的目的［1－4］。目前復(fù)合鉆井技術(shù)常用的井下動(dòng)力鉆具主要為螺桿鉆具，具有低中速大扭矩的硬特性、過(guò)載能力強(qiáng)、操作方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及維修方便等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛地應(yīng)用，如何提高螺桿鉆具壽命、避免疲勞失效是目前急待解決的問(wèn)題;螺桿鉆具失效除了本身的設(shè)計(jì)制造水平外，還與螺桿鉆具使用方式、地層因素、鉆井液性能控制、鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)化及操作規(guī)范等現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用技術(shù)有關(guān)。

萬(wàn)向軸構(gòu)件在螺桿鉆具結(jié)構(gòu)中是僅次于馬達(dá)的重要部件，其作用有兩方面:一是把馬達(dá)轉(zhuǎn)子的偏心運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為傳動(dòng)軸的同心運(yùn)動(dòng);二是傳遞馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和扭矩。萬(wàn)向軸作為鉆具中最易失效的部件(據(jù)統(tǒng)計(jì)萬(wàn)向軸失效在螺桿鉆具常見(jiàn)的失效類型中約占1/3)，往往導(dǎo)致鉆具落井事故和不必要的起下鉆，對(duì)鉆井作業(yè)造成了很大影響，所以萬(wàn)向軸的工作穩(wěn)定性直接決定了螺桿鉆具的工作壽命［5－9］。

筆者在分析了常規(guī)萬(wàn)向軸結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)特性的基礎(chǔ)上，提出了新型萬(wàn)向軸的設(shè)計(jì)原則，繼而設(shè)計(jì)出了新型萬(wàn)向軸結(jié)構(gòu)，并對(duì)該萬(wàn)向軸易損件進(jìn)行了強(qiáng)度校核驗(yàn)算，研制的新型萬(wàn)向軸配合高溫螺桿在塔里木油田深井鉆井中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，使得螺桿鉆具壽命提高40%以上，滿足了深井鉆井復(fù)合鉆井技術(shù)的要求，達(dá)到了提高鉆井速度、降低鉆井成本的目的。

一、新型萬(wàn)向軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1．常規(guī)萬(wàn)向軸對(duì)比分析

目前螺桿鉆具最常用的萬(wàn)向軸［10－12］有撓性萬(wàn)向軸、瓣式萬(wàn)向軸、球型萬(wàn)向軸三種類型。

撓性萬(wàn)向軸是利用撓性軸的彈性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)方向改變的，由于萬(wàn)向軸不僅承擔(dān)很大的扭矩，還要承受一定的軸向壓力，所以要求軸的直徑很大，撓性軸的長(zhǎng)度不能太短，這就增加了動(dòng)力鉆具的總長(zhǎng)度，不利于定向鉆具的定向施工，對(duì)于大位移斜度井和水平井就不適合使用。瓣式萬(wàn)向軸的特點(diǎn)是中間軸體兩端分別連接一個(gè)瓣式萬(wàn)向節(jié)，萬(wàn)向節(jié)均是由各種形狀的瓣體進(jìn)行相互嚙合，在正常情況下，瓣體間的扭矩傳遞主要是通過(guò)嚙合瓣齒進(jìn)行的，而中間軸體一般起到輔助傳遞的作用，有的瓣式萬(wàn)向軸會(huì)通過(guò)結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)，使瓣齒和中間軸一起傳遞扭矩。但其缺點(diǎn)是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，瓣齒之間屬于滑動(dòng)摩擦，磨損較快;結(jié)構(gòu)限制其外徑的大小，不能適應(yīng)當(dāng)今可調(diào)彎殼體螺桿鉆具的使用。為了克服以上兩類萬(wàn)向軸的缺點(diǎn)，出現(xiàn)了球型萬(wàn)向軸，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是接觸面為點(diǎn)接觸或線接觸，不論鋼球的運(yùn)動(dòng)方式是摩擦式還是滾動(dòng)式，連桿以傳動(dòng)鋼球?yàn)檩S心擺動(dòng)一定角度的同時(shí)平穩(wěn)地傳遞轉(zhuǎn)速和扭矩，實(shí)現(xiàn)了可調(diào)彎殼體螺桿鉆具的應(yīng)用，拓寬了螺桿鉆具的應(yīng)用范圍。球型萬(wàn)向軸的缺點(diǎn)是需要對(duì)某些部件進(jìn)行特殊強(qiáng)化處理，例如連桿、活鉸等，增加其表面耐磨性;另外密封設(shè)計(jì)要求非常嚴(yán)格，導(dǎo)致設(shè)計(jì)加工難度增大。

2．新型萬(wàn)向軸設(shè)計(jì)

在對(duì)三種常規(guī)萬(wàn)向軸的對(duì)比分析的基礎(chǔ)上提出了新型萬(wàn)向軸的設(shè)計(jì)原則:①結(jié)構(gòu)不能過(guò)于復(fù)雜，傳遞扭矩要大，傳遞效率要高;②萬(wàn)向軸內(nèi)部構(gòu)件摩擦要小，能承擔(dān)較大抗力，傳遞扭矩時(shí)能減少損失;③以鋼球的運(yùn)動(dòng)方式傳遞扭矩，增加受力面積，減小了接觸應(yīng)力;④萬(wàn)向軸萬(wàn)向節(jié)方向可調(diào)節(jié)性好;⑤潤(rùn)滑具有自動(dòng)補(bǔ)償功能。

根據(jù)設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)出了新型萬(wàn)向軸結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，新型萬(wàn)向軸球形關(guān)節(jié)(萬(wàn)向節(jié))的牙嵌采用上下相對(duì)垂直的兩組牙嵌(如圖2所示)，接頭與球形關(guān)節(jié)形成一組單方向旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)，軸與球形關(guān)節(jié)形成另一組單方向旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)，這兩組單方向關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)方向相互垂直，組合后可形成可任意方向彎轉(zhuǎn)的萬(wàn)向關(guān)節(jié)。這樣，每個(gè)關(guān)節(jié)牙嵌的接觸面可設(shè)計(jì)成平面，接觸面為面接觸，可大大增大牙嵌的承載能力，降低磨損速度，提高萬(wàn)向軸的使用壽命。萬(wàn)向軸的密封采用球面橡膠圈密封，并增設(shè)了潤(rùn)滑油壓力補(bǔ)償系統(tǒng)，保證密封腔內(nèi)壓力高于外部壓力，以提高密封性能。

圖1新型萬(wàn)向軸結(jié)構(gòu)示意圖

新型萬(wàn)向軸的工作原理為在同一球體的兩個(gè)半球上分別加工出兩個(gè)相互垂直的球形牙嵌，這兩個(gè)牙嵌可分別實(shí)現(xiàn)兩個(gè)相互垂直的單方向彎轉(zhuǎn)，與內(nèi)牙嵌結(jié)構(gòu)組合配裝之后可以實(shí)現(xiàn)任意方向的彎轉(zhuǎn)，能在實(shí)現(xiàn)傳遞扭矩的同時(shí)適應(yīng)可調(diào)彎殼體螺桿鉆具的使用。

圖2新型萬(wàn)向軸萬(wàn)向關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

二、新型萬(wàn)向軸萬(wàn)向節(jié)有限分析

1．新型萬(wàn)向軸萬(wàn)向節(jié)有限分析分析模型的建立

萬(wàn)向軸受力最大即最容易損壞的部位是球體牙嵌工作表面［13－15］，因此主要是對(duì)球體牙嵌的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，是否滿足深井超深井(井深4 000 m以下)的鉆井要求，一般認(rèn)為球體牙嵌的壓強(qiáng)沿徑向呈三角形分布規(guī)律，工作面最大壓力計(jì)算公式為:

式中:P—工作面壓強(qiáng)，MPa;L—工作面對(duì)球體中心軸的距離，mm;SA—工作面面積，mm2;Tc—萬(wàn)向軸扭矩，N·m;dA—球面半徑，mm。

由此得出萬(wàn)向軸球體牙嵌的強(qiáng)度計(jì)算公式為:

式中:［p］—中間軸端面與球體牙嵌接觸面的許用壓力，MPa。

2．新型萬(wàn)向軸萬(wàn)向節(jié)有限元分析

以直徑為197 mm新型萬(wàn)向軸(配合?197 mm高溫高壓螺桿應(yīng)用)易損部件萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析［16］。

2．1球齒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

球體零件是新型萬(wàn)向軸結(jié)構(gòu)的主要受力部件之一，它的幾何結(jié)構(gòu)和受力情況比較復(fù)雜，主要受力部位為球體外側(cè)的四個(gè)牙嵌，由于四個(gè)牙嵌結(jié)構(gòu)相同，相對(duì)于球體中間球面對(duì)稱，因此可以取球體的一半進(jìn)行有限元分析。

2．2網(wǎng)格劃分及施加載荷

由于模型為三維實(shí)體模型，因此選擇三維單元，采用10節(jié)點(diǎn)的四面體單元(有中間節(jié)點(diǎn))SOLID92，其曲面邊界能夠更好地逼近結(jié)構(gòu)的曲面邊界，所以當(dāng)結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則，應(yīng)力分布或變形較為復(fù)雜時(shí)，可以采用這種結(jié)構(gòu)單元，如圖3所示。

圖3半球體有限元模型

根據(jù)實(shí)際工作情況，對(duì)半球體的底面施加全約束(ALL DOF)，位移值為0，限制半球體底面上節(jié)點(diǎn)在6個(gè)方向的移動(dòng)。

3．結(jié)果分析

利用ANSYS軟件的結(jié)果處理器對(duì)求解結(jié)果進(jìn)行分析，可得到單元、節(jié)點(diǎn)的各應(yīng)力、應(yīng)變的云圖變化結(jié)果，通過(guò)對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行分析，可以得到球體球齒工作過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變情況，并校核球體的工作強(qiáng)度是否滿足要求。由于圖片數(shù)據(jù)較多，下面列出60 MPa、80 MPa載荷下的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D，從這些數(shù)據(jù)中可以得到應(yīng)力、應(yīng)變的數(shù)據(jù)變化關(guān)系。

工作面載荷60 MPa時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D如圖4所示。工作面載荷80 MPa時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D如圖5所示。

圖4等效應(yīng)力及Sum位移云圖(工作面載荷60 MPa)

圖5等效應(yīng)力及Sum位移云圖(工作面載荷80 MPa)

根據(jù)圖4和圖5的應(yīng)力分布和位移云圖情況可以看出，新型萬(wàn)向軸的受力比較均勻，減少了應(yīng)力集中造成的損毀。

根據(jù)ANSYS有限元分析結(jié)構(gòu)可得到關(guān)于不同載荷作用下，萬(wàn)向軸球體結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變的變化情況如表1所示。

表1不同載荷作用的最大應(yīng)力、應(yīng)變值

利用ANSYS數(shù)據(jù)表輸出功能得到球齒的主應(yīng)力最大值為SEQUmax，依據(jù)形狀改變比能理論及分析可知，保證不發(fā)生失效的強(qiáng)度校核條件為:

式中:N—許用安全系數(shù)(1．5～2．5)。

根據(jù)所得數(shù)據(jù)可求得安全系數(shù)選取范圍如表2所示。

利用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件，可以求出萬(wàn)向軸球體結(jié)構(gòu)施加載荷值與安全系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，對(duì)各種函數(shù)進(jìn)行曲線擬合之后得出模型函數(shù)，可知載荷值與安全系數(shù)函數(shù)公式如下:

表2不同載荷作用的安全系數(shù)

安全系數(shù)為1．5～2．5時(shí)，載荷值的取值范圍為57．6～81．7 MPa。

根據(jù)載荷值與扭矩值之間的函數(shù)關(guān)系得出萬(wàn)向軸球體結(jié)構(gòu)在安全系數(shù)取值范圍內(nèi)承受的扭矩值為1 423～2 018 N·m，扭矩值較大，可以有效承受較大扭矩，增強(qiáng)了大扭矩工作條件下的傳動(dòng)軸壽命。

三、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

研制了新型萬(wàn)向軸配合?197 mm高溫高壓螺桿在塔里木哈拉哈塘油田進(jìn)行了6口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)(1～4號(hào)井為新型萬(wàn)向軸的使用情況，5～6號(hào)井為常規(guī)萬(wàn)向軸的使用情況)，試驗(yàn)及分析結(jié)果如表3所示。

表3現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析表

從表3可以得知，1～4號(hào)井采用新型萬(wàn)向軸的高溫高壓螺桿平均鉆進(jìn)時(shí)間達(dá)到400 h以后起鉆，起鉆后檢查萬(wàn)向軸完好無(wú)損，主要失效原因是由于馬達(dá)失效引起。5～6號(hào)井采用常規(guī)萬(wàn)向軸高溫高壓螺桿鉆進(jìn)291 h后由于機(jī)械鉆速急劇下降而起鉆，起鉆后檢查螺桿鉆具萬(wàn)向軸失效，說(shuō)明新型萬(wàn)向軸平均壽命比常規(guī)萬(wàn)向軸壽命提高40%以上，高效PDC鉆頭的使用壽命一般也在450 h左右。應(yīng)用結(jié)果表明，利用新型萬(wàn)向軸的高溫高壓大扭矩螺桿配合高效鉆頭的復(fù)合鉆井技術(shù)可以滿足深井超深井鉆井提速的施工要求。

四、結(jié)論

(1)在分析比較常規(guī)新型萬(wàn)向軸的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出了新型萬(wàn)向軸的設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)出新型萬(wàn)向軸結(jié)構(gòu)，萬(wàn)向軸萬(wàn)向節(jié)牙嵌接觸面采用面接觸，承載能力強(qiáng)，耐磨損，增設(shè)了潤(rùn)滑油壓力補(bǔ)償系統(tǒng)，保證密封腔內(nèi)壓力高于外部壓力，提高密封性能。

(2)有限元分析得出應(yīng)力及云位移新型萬(wàn)向軸的受力比較均勻，減少了應(yīng)力集中造成的損毀。

(3)在建立萬(wàn)向軸萬(wàn)向節(jié)強(qiáng)度驗(yàn)算模型的基礎(chǔ)上采用形狀改變比能理論對(duì)球型牙嵌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度校核，球形牙嵌結(jié)構(gòu)的載荷值的最優(yōu)取值范圍為57．6～81．7MPa，萬(wàn)向軸球體結(jié)構(gòu)在安全系數(shù)取值范圍內(nèi)承受的扭矩值為1 423～2 018 N·m，扭矩值較大，可以有效承受較大扭矩，增強(qiáng)了大扭矩工作條件下的傳動(dòng)軸壽命。

(4)通過(guò)在塔里木油田深井中的試驗(yàn)得出新型萬(wàn)向軸使用壽命比常規(guī)萬(wàn)向軸提高40%以上，平均壽命達(dá)到400 h以上，滿足了深井復(fù)合鉆井技術(shù)提速的要求。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，該新型萬(wàn)向軸可以在渦輪鉆具、葉片式動(dòng)力鉆具、螺桿鉆具等井下動(dòng)力鉆具中推廣使用，達(dá)到提高井下動(dòng)力鉆具的整體使用壽命、降低鉆井成本的目的。