陳治++肖蘇宸

摘 要：螺桿鉆具馬達性能參數對于螺桿鉆具整體工作效率具有重要意義。比較分析馬達常用線型技術特點，確定螺桿鉆具馬達線型。歸納總結影響鉆具和馬達性能的主要技術參數，以幅長系數、等距半徑系數作為研究因素，提出一套合理的馬達線型評價體系。研究成果對于螺桿鉆具馬達線型參數設計具有指導作用。

關鍵詞：預輪廓；螺桿鉆具；馬達；線型

引言：近幾年，隨著石油資源不斷開采，螺桿鉆具作為一種重要的井下動力鉆具，廣泛應用于油氣鉆井、地質勘探、煤層氣開采等領域[1]。馬達總成由定、轉子兩部分組成，是螺桿鉆具主要部件，其工作可靠性直接影響著螺桿鉆具整體工作壽命，同時馬達定轉子線型參數又直接決定著馬達總成的工作可靠性，因此馬達線型參數設計研究具有重要意義。筆者以預輪廓螺桿鉆具馬達型線作為研究對象，分析比較了五種馬達線型特點，優(yōu)選預輪廓螺桿鉆具定轉子線型，并探討了線型參數選取對馬達和鉆具特性的影響，提出了一套合理的螺桿鉆具馬達線型評價體系。

一、線型分析

目前，螺桿鉆具馬達定轉子線型主要以擺線類線型為主，分為外擺線和內擺線。根據幅長系數K的取值，擺線線型又可分為短幅擺線、普通擺線和長幅擺線。理論研究分析可得，長幅擺線存在打扣現象，無法應用于馬達線型設計。

普通內擺線是短幅內擺線在K=1時的特例，普通外擺線是短幅外擺線在K=1時的特例。根據理論計算，對于多頭的普通內擺線等距線型，無論等距半徑系數選得何等小，線型都存在打扣現象，但可通過定子橡膠變形加以解決。普通外擺線線型因打扣嚴重而無法在工程中實際應用[2]。內外擺線法線型是普通內擺線線型和普通外擺線線型的結合。根據五種擺線線型特點，以及查閱相關文獻資料，初步確定預輪廓螺桿鉆具馬達采用短幅內擺線線型，并對線型進行分析計算。

螺桿馬達的線型采用短幅內擺線，以短幅內擺線作為定子線型的骨線，骨線的外等距線為定子的輪廓線。轉子線型為假設定子輪廓作特定的行星運動時，由定子輪廓曲線生成的內共軛曲線。在線性分析計算中，馬達定轉子共軛曲線需滿足密封條件。在保證定轉子接觸良好的前提下，選取合理的結構參數，力求獲得較大的過流面積和較小的偏心距，提高馬達和鉆具的工作特性。

二、評價體系

在馬達線型設計中，合理選取線型結構參數才是關鍵。馬達線型參數取值的合理性直接決定著馬達工作可靠性和效率。當定子型線大徑和轉子頭數確定后，馬達定轉子型線和馬達的主要技術參數取決于幅長系數和等距半徑系數。綜合預輪廓螺桿鉆具馬達性能參數，以幅長系數、等距半徑系數作為研究因素，采用正交方法擬定馬達線型參數。同時尋求線型幾何量的計算方法和公式，分析線型幾何參數對鉆具和馬達性能的影響，提出一套合理的螺桿鉆具馬達線型評價體系，為馬達線型參數的設計提供理論依據。

（一）馬達過流面積。 AG=As-Ar 。式中As為定子型腔橫截面積；Ar為轉子輪廓橫截面積；為馬達過流面積。過流面積大，有利于獲得低速大扭矩特性，這是馬達型線設計的重要因素。

（二）馬達每轉排量。q= AGNTs。式中N為轉子頭數；Ts為定子導程。

（三）馬達的轉速。n=uv。式中Q為螺桿馬達工作排量，L/s；n為馬達實際轉速，r/min；uv為容積效率，取0.9～1。螺桿鉆具轉速與排量Q和結構有關，而與鉆井工況無關。隨著循環(huán)排量Q的變化，轉速n呈線性變化，因此可通過調節(jié)排量Q改變轉速。

（四）馬達輸出扭矩。T=9549η。式中△p為馬達有效壓差，η為馬達效率。工作扭矩與壓降△p和結構有關，而與轉速無關，因此增大馬達每轉排量，可獲得適合于鉆井作業(yè)的低速大扭矩特性。

（五）馬達總壓降?！鱬=式中T為螺桿馬達扭矩；q為螺桿鉆具每轉排量；ηm為螺桿鉆具機械效率。 螺桿鉆具具有硬轉速特性和良好的過載能力，不因負載T增大而降低轉速，△p增大可導致工作扭矩T變大。

（六）馬達轉子與定子間的最大滑動速度。Vmax=式中Dr1為轉子輪廓大徑；e為偏心距。定轉子間的最大滑動速度越小，可降低馬達磨損，提高馬達工作壽命。

（七）馬達轉子離心力。Fa=ArLrpN2（）2e式中Lr為轉子長度，取為定子型腔長度，Lr=Ls=TsKs，K為定子級數；p為轉子材料密度。當偏心距小時，有利于降低轉子離心力，從而減小馬達橫向振動，同時也能降低撓性萬向軸的橫向載荷。

結論：馬達定轉子線型參數直接決定著馬達總成的工作可靠性，影響著螺桿鉆具工作效率。綜合分析線型結構參數對鉆具和馬達性能的影響，以幅長系數、等距半徑系數作為研究因素，提出了一套合理的螺桿鉆具馬達線型評價體系。

參考文獻：

[1]陸天明.預輪廓螺桿鉆具研制及應用[J].石油礦場機械，2012，41（9）：69～72.

[2] 蘇義腦.螺桿鉆具研究及應用[M].石油工業(yè)出版社，2001.