深井高温环境下螺杆钻具定子衬套热老化效应及工作力学特性研究

As the oil exploration and development to the deep well and ultra deep well, downhole temperature rising, therefore, it is urgent to improve the working efficiency and service life of positive displacement motor (PDM) in high temperature deep well. The foundation question research insufficiently, which include PDM stator lining linetype deformation regularity, temperature field and fatigue life prediction in the process of rubber thermal aging, restricts the development and application of PDM in high temperature deep well. Combining experimental study, numerical simulation and theoretical analysis, and stator rubber lining as the research object, the three-dimension dynamic model of PDM motor, which is coupled with high temperature, high pressure, contact friction and rubber viscoelastic dissipation, is established based on the rubber constitutive model considering the effects of thermal aging. The stator lining linetype deformation regularity and temperature field affected by rotate speed and interference magnitude change is studied, in order to reveal the efficiency decline and leakage mechanism of motor. Then the equivalent strain is selected as the fatigue damage parameter, combining finite element method and S-N curve method, building the fatigue life prediction model. The research results are of great significance to reveal the thermal ageing properties deterioration rule, and also can provide scientific basis for designing reasonable stator lining structure parameter and evolving the whole life cycle optimal evaluation method.

随着石油勘探开发向深井、超深井迈进，井底温度不断升高，迫切需要提高螺杆钻具在深井高温环境下的工作效率和使用寿命。由于深井高温环境下螺杆钻具定子衬套橡胶逐渐热老化过程中的衬套线型变形规律、温度场分布及疲劳寿命预测等基础问题研究不充分，制约了螺杆钻具在深井高温环境下的发展和应用。本课题拟采用实验研究、数值模拟和理论分析相结合的方法，以定子橡胶衬套为研究对象，基于考虑热老化影响的橡胶本构模型，建立高温、高压、接触摩擦、橡胶粘弹性损耗等因素耦合作用的螺杆钻具马达三维动力学模型；研究转速、过盈量变化对定子衬套线型变形规律及温度场分布的影响，揭示马达工作效率衰退及漏失机理；以及采用等效应变为疲劳损伤参量，通过有限元方法与S-N曲线法相结合，建立定子衬套疲劳寿命预测模型。研究成果对揭示定子衬套橡胶热老化性能变质规律具有重要意义，为合理设计定子衬套结构参数及制订马达全寿命周期最优评价方法提供科学依据。

随着石油勘探开发向深井、超深井迈进，井底温度不断升高，迫切需要提高螺杆钻具在深井高温环境下的工作效率和使用寿命。由于深井高温环境下螺杆钻具定子衬套橡胶逐渐热老化过程中的衬套线型变形规律、温度场分布及疲劳寿命预测等基础问题研究不充分，制约了螺杆钻具在深井高温环境下的发展和应用。本课题通过对比分析不同厂家的橡胶力学实验数据，计算得到了不同热老化温度下的Mooney-Rivlin模型参数和Yeoh模型参数，两种橡胶模型参数均随热老化温度变化而变化，通过计算对比两种本构模型精度可得，对于A厂家橡胶，Yeoh模型精度更高，对于B厂家橡胶，M-R模型精度更高。因此，进行螺杆钻具马达工作性能数值模拟时，需要恰当选取橡胶本构模型，保证有限元计算结果准确。以定子橡胶衬套为研究对象，基于考虑热老化影响的橡胶本构模型，建立了高温、高压、接触摩擦、橡胶粘弹性损耗等因素耦合作用的螺杆钻具马达三维动力学模型；研究了转速、过盈量变化对定子衬套线型变形规律及温度场分布的影响，在相同条件下，常规壁厚定子最大位移位于弧顶，最小位移位于弧底，而等壁厚定子是相反的，等壁厚定子衬套内腔位移曲线波动较弱，这使得等壁厚马达结构在保障定子衬套和转子之间的密封性能方面更有优势。根据分析结果揭示了马达工作效率衰退及漏失机，定子衬套的热滞后对比分析表明，常规壁厚定子衬套的温度分布集中在衬套最 厚壁厚度上，这与橡胶材料的导热性差有关；较高的温度导致定子衬套的烧心失效，有限元分析结果失效位置与定子衬套实际失效位置一致；等壁厚定子衬套的最高温度低于常规壁厚衬套的最高温度，衬套散热性能好，并且在井深较浅的情况下，这种优势更加明显。通过有限元方法与S-N曲线法相结合，建立了定子衬套疲劳寿命预测模型，分析获得的衬套疲劳寿命与现场数据较为吻合。研究成果对揭示定子衬套橡胶热老化性能变质规律具有重要意义，为合理设计定子衬套结构参数及制订马达全寿命周期最优评价方法提供科学依据。