螺杆钻具马达线型评价体系研究
陈治++肖苏宸
摘 要：螺杆钻具马达性能参数对于螺杆钻具整体工作效率具有重要意义。比较分析马达常用线型技术特点，确定螺杆钻具马达线型。归纳总结影响钻具和马达性能的主要技术参数，以幅长系数、等距半径系数作为研究因素，提出一套合理的马达线型评价体系。研究成果对于螺杆钻具马达线型参数设计具有指导作用。
关键词：预轮廓；螺杆钻具；马达；线型
引言：近几年，随着石油资源不断开采，螺杆钻具作为一种重要的井下动力钻具，广泛应用于油气钻井、地质勘探、煤层气开采等领域[1]。马达总成由定、转子两部分组成，是螺杆钻具主要部件，其工作可靠性直接影响着螺杆钻具整体工作寿命，同时马达定转子线型参数又直接决定着马达总成的工作可靠性，因此马达线型参数设计研究具有重要意义。笔者以预轮廓螺杆钻具马达型线作为研究对象，分析比较了五种马达线型特点，优选预轮廓螺杆钻具定转子线型，并探讨了线型参数选取对马达和钻具特性的影响，提出了一套合理的螺杆钻具马达线型评价体系。
一、线型分析
目前，螺杆钻具马达定转子线型主要以摆线类线型为主，分为外摆线和内摆线。根据幅长系数K的取值，摆线线型又可分为短幅摆线、普通摆线和长幅摆线。理论研究分析可得，长幅摆线存在打扣现象，无法应用于马达线型设计。
普通内摆线是短幅内摆线在K=1时的特例，普通外摆线是短幅外摆线在K=1时的特例。根据理论计算，对于多头的普通内摆线等距线型，无论等距半径系数选得何等小，线型都存在打扣现象，但可通过定子橡胶变形加以解决。普通外摆线线型因打扣严重而无法在工程中实际应用[2]。内外摆线法线型是普通内摆线线型和普通外摆线线型的结合。根据五种摆线线型特点，以及查阅相关文献资料，初步确定预轮廓螺杆钻具马达采用短幅内摆线线型，并对线型进行分析计算。
螺杆马达的线型采用短幅内摆线，以短幅内摆线作为定子线型的骨线，骨线的外等距线为定子的轮廓线。转子线型为假设定子轮廓作特定的行星运动时，由定子轮廓曲线生成的内共轭曲线。在线性分析计算中，马达定转子共轭曲线需满足密封条件。在保证定转子接触良好的前提下，选取合理的结构参数，力求获得较大的过流面积和较小的偏心距，提高马达和钻具的工作特性。
二、评价体系
在马达线型设计中，合理选取线型结构参数才是关键。马达线型参数取值的合理性直接决定着马达工作可靠性和效率。当定子型线大径和转子头数确定后，马达定转子型线和马达的主要技术参数取决于幅长系数和等距半径系数。综合预轮廓螺杆钻具马达性能参数，以幅长系数、等距半径系数作为研究因素，采用正交方法拟定马达线型参数。同时寻求线型几何量的计算方法和公式，分析线型几何参数对钻具和马达性能的影响，提出一套合理的螺杆钻具马达线型评价体系，为马达线型参数的设计提供理论依据。
（一）马达过流面积。 AG=As-Ar 。式中As为定子型腔横截面积；Ar为转子轮廓横截面积；为马达过流面积。过流面积大，有利于获得低速大扭矩特性，这是马达型线设计的重要因素。
（二）马达每转排量。q= AGNTs。式中N为转子头数；Ts为定子导程。
（三）马达的转速。n=uv。式中Q为螺杆马达工作排量，L/s；n为马达实际转速，r/min；uv为容积效率，取0.9～1。螺杆钻具转速与排量Q和结构有关，而与钻井工况无关。随着循环排量Q的变化，转速n呈线性变化，因此可通过调节排量Q改变转速。
（四）马达输出扭矩。T=9549η。式中△p为马达有效压差，η为马达效率。工作扭矩与压降△p和结构有关，而与转速无关，因此增大马达每转排量，可获得适合于钻井作业的低速大扭矩特性。
（五）马达总压降。△p=式中T为螺杆马达扭矩；q为螺杆钻具每转排量；ηm为螺杆钻具机械效率。 螺杆钻具具有硬转速特性和良好的过载能力，不因负载T增大而降低转速，△p增大可导致工作扭矩T变大。
（六）马达转子与定子间的最大滑动速度。Vmax=式中Dr1为转子轮廓大径；e为偏心距。定转子间的最大滑动速度越小，可降低马达磨损，提高马达工作寿命。
（七）马达转子离心力。Fa=ArLrpN2（）2e式中Lr为转子长度，取为定子型腔长度，Lr=Ls=TsKs，K为定子级数；p为转子材料密度。当偏心距小时，有利于降低转子离心力，从而减小马达横向振动，同时也能降低挠性万向轴的横向载荷。
结论：马达定转子线型参数直接决定着马达总成的工作可靠性，影响着螺杆钻具工作效率。综合分析线型结构参数对钻具和马达性能的影响，以幅长系数、等距半径系数作为研究因素，提出了一套合理的螺杆钻具马达线型评价体系。
参考文献：
[1]陆天明.预轮廓螺杆钻具研制及应用[J].石油矿场机械，2012，41（9）：69～72.
[2] 苏义脑.螺杆钻具研究及应用[M].石油工业出版社，2001.
摘 要：螺杆钻具马达性能参数对于螺杆钻具整体工作效率具有重要意义。比较分析马达常用线型技术特点，确定螺杆钻具马达线型。归纳总结影响钻具和马达性能的主要技术参数，以幅长系数、等距半径系数作为研究因素，提出一套合理的马达线型评价体系。研究成果对于螺杆钻具马达线型参数设计具有指导作用。
关键词：预轮廓；螺杆钻具；马达；线型
引言：近几年，随着石油资源不断开采，螺杆钻具作为一种重要的井下动力钻具，广泛应用于油气钻井、地质勘探、煤层气开采等领域[1]。马达总成由定、转子两部分组成，是螺杆钻具主要部件，其工作可靠性直接影响着螺杆钻具整体工作寿命，同时马达定转子线型参数又直接决定着马达总成的工作可靠性，因此马达线型参数设计研究具有重要意义。笔者以预轮廓螺杆钻具马达型线作为研究对象，分析比较了五种马达线型特点，优选预轮廓螺杆钻具定转子线型，并探讨了线型参数选取对马达和钻具特性的影响，提出了一套合理的螺杆钻具马达线型评价体系。
一、线型分析
目前，螺杆钻具马达定转子线型主要以摆线类线型为主，分为外摆线和内摆线。根据幅长系数K的取值，摆线线型又可分为短幅摆线、普通摆线和长幅摆线。理论研究分析可得，长幅摆线存在打扣现象，无法应用于马达线型设计。
普通内摆线是短幅内摆线在K=1时的特例，普通外摆线是短幅外摆线在K=1时的特例。根据理论计算，对于多头的普通内摆线等距线型，无论等距半径系数选得何等小，线型都存在打扣现象，但可通过定子橡胶变形加以解决。普通外摆线线型因打扣严重而无法在工程中实际应用[2]。内外摆线法线型是普通内摆线线型和普通外摆线线型的结合。根据五种摆线线型特点，以及查阅相关文献资料，初步确定预轮廓螺杆钻具马达采用短幅内摆线线型，并对线型进行分析计算。
螺杆马达的线型采用短幅内摆线，以短幅内摆线作为定子线型的骨线，骨线的外等距线为定子的轮廓线。转子线型为假设定子轮廓作特定的行星运动时，由定子轮廓曲线生成的内共轭曲线。在线性分析计算中，马达定转子共轭曲线需满足密封条件。在保证定转子接触良好的前提下，选取合理的结构参数，力求获得较大的过流面积和较小的偏心距，提高马达和钻具的工作特性。
二、评价体系
在马达线型设计中，合理选取线型结构参数才是关键。马达线型参数取值的合理性直接决定着马达工作可靠性和效率。当定子型线大径和转子头数确定后，马达定转子型线和马达的主要技术参数取决于幅长系数和等距半径系数。综合预轮廓螺杆钻具马达性能参数，以幅长系数、等距半径系数作为研究因素，采用正交方法拟定马达线型参数。同时寻求线型几何量的计算方法和公式，分析线型几何参数对钻具和马达性能的影响，提出一套合理的螺杆钻具马达线型评价体系，为马达线型参数的设计提供理论依据。
（一）马达过流面积。 AG=As-Ar 。式中As为定子型腔横截面积；Ar为转子轮廓横截面积；为马达过流面积。过流面积大，有利于获得低速大扭矩特性，这是马达型线设计的重要因素。
（二）马达每转排量。q= AGNTs。式中N为转子头数；Ts为定子导程。
（三）马达的转速。n=uv。式中Q为螺杆马达工作排量，L/s；n为马达实际转速，r/min；uv为容积效率，取0.9～1。螺杆钻具转速与排量Q和结构有关，而与钻井工况无关。随着循环排量Q的变化，转速n呈线性变化，因此可通过调节排量Q改变转速。
（四）马达输出扭矩。T=9549η。式中△p为马达有效压差，η为马达效率。工作扭矩与压降△p和结构有关，而与转速无关，因此增大马达每转排量，可获得适合于钻井作业的低速大扭矩特性。
（五）马达总压降。△p=式中T为螺杆马达扭矩；q为螺杆钻具每转排量；ηm为螺杆钻具机械效率。 螺杆钻具具有硬转速特性和良好的过载能力，不因负载T增大而降低转速，△p增大可导致工作扭矩T变大。
（六）马达转子与定子间的最大滑动速度。Vmax=式中Dr1为转子轮廓大径；e为偏心距。定转子间的最大滑动速度越小，可降低马达磨损，提高马达工作寿命。
（七）马达转子离心力。Fa=ArLrpN2（）2e式中Lr为转子长度，取为定子型腔长度，Lr=Ls=TsKs，K为定子级数；p为转子材料密度。当偏心距小时，有利于降低转子离心力，从而减小马达横向振动，同时也能降低挠性万向轴的横向载荷。
结论：马达定转子线型参数直接决定着马达总成的工作可靠性，影响着螺杆钻具工作效率。综合分析线型结构参数对钻具和马达性能的影响，以幅长系数、等距半径系数作为研究因素，提出了一套合理的螺杆钻具马达线型评价体系。
参考文献：
[1]陆天明.预轮廓螺杆钻具研制及应用[J].石油矿场机械，2012，41（9）：69～72.
[2] 苏义脑.螺杆钻具研究及应用[M].石油工业出版社，2001.
