Винтовые забойные двигатели устройство и принцип работы

ВЗД. Винтовой Забойный двигатель

• Доброго дня вам, уважаемые читатели.
• безумно приятно понимать, что мои посты оказываются кому-то интересны.
• и вдвойне приятно понимать, что такой важный аспект нашей Экономики, как Нефть (не случайно с большой буквы) интересует граждан нашей необъятной Родины. (не случайно с большой Буквы)))

Ну и по пожеланию @Alexeich56, этот пост я решил написать не из аэропорта. И не с телефона. (Посмотрим, отразится ли это на его содержании, а так-же орфографии и пунктуации.))

в общем, перейдем к теме.

Ранее мы уже рассмотрели принцип работы породоразрушающего инстрмуента Бурение. Как добывают нефть.Породоразрушающий инструмент. Лопастные долота PDC

и основы наклонно направленного бурения  Как добывают нефть.Наклонно направленное бурение

и, продолжая разговор, в разрезе Компановки низа бурильной колонны (далее КНБК), скажу что между долотом (породоразрушающий инструмент) и Телесистемой (прибор для набора параметров кривизны скв.

, если очень упрощенно) в КНБК как раз и находится ВЗД (Винтовой Забойный Двигатель).

Забегая вперед, скажу: что ВЗД это далеко не единственное технологическое решение, но мы рассмотрим его, как самое широко распространенное и самое применяемое в нашей стране, в настоящее время. Насколько мне известно — более 75% всех скважин в России в бурится с ВЗД.

итак, ВЗД (движок, мотор, Дшка, турбина, Клюшка и т.д.) — это машина гидростатического действия, основными элементами конструкции которой являются:

Двигательная секция.

предназначена для превращения энергии потока жидкости во вращательное движение. (а мы не забываем, что ВЗД, это в первую очередь труба, через которую проходит раствор (под давлением в среднем 150-250 атм. (значения могут быть и иными))

своими словами: раствор течет по трубе под большим давлением, которое приводит во вращение по планетарной оси ротор.

Ротор же, в свою очередь, за счет своего строения, под действием сил давления раствора, приходит в движение и передает это движение (вращение) на шпиндель двигателя.

(Прежде чем мы перейдем к шпиндельной секции, необходимо отметить, что самая важная часть конструкции пары (Ротор/статор) это во первых, отличие в числе зубьев ротора (на единицу меньше числа зубьев статора), именно этот факт и придает всей конструкции планетарную ось вращения. А так-же необходимо понимать, что внутри стального статора, как и по внешней площади ротора привулканизирован резиновый слой.

который иногда и приводит к выходу из строя движка, или забитию гидромониторных насадок на долоте. Но, без него, к сожалению, никак…

это соответственно, часть ВЗД, прикрепленная к ротору и превращающая планетарное вращение ротора в соосное вращение вала шпинделя и служащая для предачи гидравлической энергии ротора на подшипник шпинделя.

своими словами: раствор течет, ротор крутится, ротор приводит во вращение шпиндель, шпиндель приводит во вращение долото, долото бурит скважину, скважина дает нефть, Сечин покупает новый дворец, ну и так далее…

Важно отметить: так как ВЗД имеет возожность установки угла перекоса т.е. труба то, по факту, не прямая, а несколько изогнутая ( +- до 3 градусов, что вроде немного, но, в разрезе размера трубы, визуально довольно хорошо видно).

так-вот, дабы минимизировать проблемы связанные с изломом этой самой трубы, узел соединения ротора и выходного вала шпинделя, бывает либо гибким (здесь вопросов быть не должно, гибкий он и есть гибкий), либо двухшарнирным карданным соединением (что чаще всего) разнесенным между собой на Максимальное расстояние и соединенных по конусным поверхностям по средством промежуточной трубы.

в случае если непонятно, готов пояснить в х)

В общих чертах шпиндель имееет: корпус, выходной вал (на который установлен переводник, на который установлено долото), а так-же осевую и радиальные опоры.

так-же, как правило, в верху двигателя установлен переливной клапан, он нужен для снижения гидродинамики, а так-же минимизации вращения ВЗД в процессе СПО (спуско подьемных операций ( это когда трубы по тем или иным причинам гоняют туда сюда) (причин для таких опреаций бывает огромное количество), а так-же потерь бурового раствора при этих процессах.)

а над клапаном установлен фильтр. (его предназначение думаю очевидно)

таким образом, у нас осталась нетронутой одна часть ВЗД — регулятор угла перекоса.

1. верху для наглядности картинка, как все это выглядит в реальности.
2. по сути своей, регулятор угла перекоса состоит из кривого вала, с наружными шлицами; муфты, с торцевыми зубьями (это сделано для фиксации угла перекоса в нужном положении); и переводника.
3. они соединены между собой не соосно, и именно это факт и позваляет нам искривить ВЗД (сломать движок, выставить угол перекоса)

принцип следующий: расслабляем муфту, на которой заводом изготовителем обозначены деления, соответствующие тому или иному значению перекоса ( у ВЗД разных производителей, значения могу отличаться друг от друга) соединяем необходимое значение на муфте с таким-же значением на валу при помощи вышеупомянутых шлицев и зубьев. Затягиваем все обратно.

В идеале, это единственная резьба в конструкции ВЗД которую необходимо расслаблять на буровой, все остальное должно быть затянуто заводом изготовителем, однако перед спуском ВЗД в скважину, ответственное лицо (как правило инженер ННБ), все-таки должен протянуть резьбы и убедиться в прочности их затяжки.

Но даже если эта, единственная тронутая на буровой резьба вдруг раскрутится, то конструктивно Двигатель выполнен таким образом, что если мы оперативно среагируем, на падение давления и поднимем КНБК для ревизии, он останется. Отвернутым, но целым. что спасет скважину и дальнейшие работы от аварии, а бригаду от лишения премии.

так-что мое почтения господам конструкторам, которые продумали и эти моменты.

• после всех манипуляций с ВЗД, сверху устанавливается телесистема, снизу долото и можно бурить.
• Главное перед этим не забыть опрессовать ВЗД на устье и убедиться в его работоспособности.
• вот в принципе и все, что хотелось рассказать о винтовых забойных двигателях.
• конечно, это далеко не все элементы КНБК, о других приспособлениях я продолжу рассказывать в следующих постах.
• спасибо тем, кто осилил очередной пассаж, надеюсь было интересно.
• вахтовикам хорошей вахты.
• остальных поздравляю с окончанием праздников)
• на этот раз, никуда не лечу.
• Акумба.

Винтовые гидравлические двигатели

4.4.1. Принцип действия и устройство

Винтовой двигатель состоит из статора и эксцентрично расположенного винтового ротора, представляющего собой как бы зубчатую пару с внутренним зацеплением с винтовыми зубьями.

Число зубьев статора на один больше зубьев ротора, что позволяет ему совершать планетарное движение, как бы обкатываясь по зубьям статора: ось ротора при этом движется по окружности диаметром, равным двойному эксцентриситету е.

Для соединения ротора с валом шпинделя, соосно расположенного с корпусом, служит шаровая двухшарнирная муфта, компенсирующая эксцентриситет.

Шпиндель винтового двигателя сходен по конструкции со шпинделем турбобура. Он укреплен на радиальных резинометаллических подшипниках и снабжен шаровой пятой для восприятия осевой нагрузки.

Вал шпинделя — пустотелый, в верхней части снабжен каналами для прохода жидкости к долоту, присоединяемому через переводник к нижней части вала двигателя.

Корпус последнего через переводник прикрепляется к нижней части бурильной колонны.

По принципу действия винтовые двигатели относятся к объемным роторным машинам. Основными элементами рабочих органов таких машин являются: статор — корпус с полостями, примыкающими по концам и камерам высокого и низкого давления; ведущий ротор — винт, вращающий момент которого передается валу шпинделя;

Винтовые поверхности статора и ротора делят рабочий объем двигателя на ряд полостей. Полости, связанные с областями высокого и низкого давления, называются камерами, а замкнутые полости — шлюзами.

В поперечном сечении имеются камеры, разделенные между собой контактной линией. Каждая камера по мере вращения периодически связывается с полостями высокого и низкого давления и в каждый заданный момент времени становится шлюзом.

Теоретически на длине одного шага происходит разобщение полостей, находящихся выше и ниже рабочих органов.

Поверхности винтовых зубьев ротора и статора, взаимно пересекаясь, отсекают область высокого давления жидкости от области низкого давления и препятствуют ее свободному перетоку. Под действием перепада давления жидкости на ведущем винте образуется вращающий момент, передаваемый на вал шпинделя.

Чем больше перепад давления на двигателе, тем больше вращающий момент. По принципу действия винтовой двигатель можно сравнить с поршневым гидравлическим двигателем, снабженным поршнем, который перемещается вдоль оси ротора по винтовой линии.

Роль поршня выполняют отсекающие поверхности винтового ротора.

• Винтовые двигатели и насосы имеют ряд преимуществ, что позволило использовать их как гидравлические забойные двигатели:
• · отсутствие клапанных и золотниковых распределителей потока жидкости;
• · отсутствие относительного перемещения трущихся деталей пары
• ротор — статор;
• · непрерывное изменение положения линии контакта рабочих органов при вращении ротора позволяет потоку бурового раствора удалять абразивные частицы из камер и шлюзов.
• Условия создания шлюзов в паре ротор — статор объемных винтовых двигателей следующие:
• число зубьев или заходов статора z1 должно быть на единицу больше зубьев ротора z2

отношение шага зубьев статора Т к шагу зубьев ротора должно быть пропорционально отношению их числа, т. е.

Отношение чисел зубьев статора и ротора называется передаточным числом

Теоретически винтовой двигатель может иметь любое передаточное число.

4.4.2. Основные параметры винтовых двигателей

Винтовые двигатели имеют разные передаточные числа, зависящие от соотношения числа зубьев ротора и статора. Двигатели, имеющие

u = 1:2, развивают максимальные частоты вращения и минимальные вращающие моменты. Их применяют, когда требуется высокая частота вращения.

По мере увеличения числа заходов ротора (т. е. передаточного отношения) уменьшается частота вращения и увеличивается вращающий момент.

Это объясняется тем, что многозаходный роторный механизм, каким является винтовой двигатель, в отличие от других механизмов представляет собой соединение гидравлического двигателя и понижающего планетарного редуктора, причем передаточное число редуктора пропорционально заходности ротора.

Многозаходные рабочие органы имеют большую протяженность контактных линий по сравнению с рабочими органами, имеющими отношение u=1:2. Это предопределяет снижение механического и общего к. п. д.

винтовых двигателей с многозаходными рабочими органами.

В то же время двигатели с многозаходными рабочими органами обладают большой нагрузочной способностью и более жесткой характеристикой, что обусловило выбор для забойного винтобура Д2-172М передаточного числа

и = 9: 10.

Вращающий момент — основная характеристика винтового двигателя. При анализе его рабочего процесса рассматривается действие перепада давления жидкости в камерах пары ротор — статор, так как на этой длине происходит разобщение камер с полостями высокого и низкого давления, расположенных выше и ниже рабочих органов. В каждом поперечном сечении на длине шага ротора возникает неуравновешенная гидравлическая сила R1, действующая на центр вращения ротора (рис. 4.9).

В двигателях с многозаходным ротором площадка, на которую действует гидравлическая сила, непостоянна по длине шага. Если провести второе сечение на некотором расстоянии от рассматриваемого, то возникает гидравлическая сила на единице длины рабочего органа. Вращающий момент (в Н·м) на длине шага ротора

1. Mt=pDtez1/2, (4.18)
2. где р — перепад давления, Па; D — расчетный диаметр ротора, м; t — шаг зубьев ротора, м; е — эксцентриситет, м; z1 — число зубьев статора.
3. Поперечная удельная сила (в Н/м) на длине половины шага ротора

Вращающий момент винтовых двигателей

где М0 — удельный момент винтового двигателя

(се — безразмерный параметр, являющийся отношением эксцентриситета е к радиусу зуба зацепления r).

Удельный момент зависит от числа заходов ротора и безразмерного параметра се. По физическому смыслу он представляет собой момент винтового механизма с единичными размерами (D, е и t) и единичным перепадом давления. Удельный момент минимален для однозаходных механизмов и возрастает с увеличением числа заходов.

Частота вращения вала винтовых двигателей объемного действия

где Q — расход жидкости, подаваемой в двигатель, м3/с; V0 — объем камеры рабочего органа двигателя, м3

Здесь Fш — площадь поперечного сечения шлюза, м2; Т — шаг винтовой поверхности статора, м; z2 — число зубьев ротора.

В винтовых двигателях с гипоциклоидальным центроидным зацеплением площадь сечения шлюза

• Кроме того, поскольку передаточное число определяет скорости переносного ωпер и относительного ωот движений, можно записать
• (4.25)
• После подстановок и соответствующих преобразований получим выражение для расчета частоты вращения выходного вала винтового двигателя:
• (4.26)
• где no — удельная частота вращения выходного вала безразмерный параметр, определяемый заходностью рабочего органа двигателя и коэффициентом се.
• (4.27)

По физическому смыслу величина no представляет собой частоту вращения винтового механизма с единичными геометрическими размерами и единичным расходом жидкости.

Винтовые двигатели с однозаходным ротором являются высокоскоростными, поэтому более рациональны многозаходные винтовые механизмы.

В частности, для получения частоты вращения выходного вала двигателя в пределах 100 — 200 об/мин число заходов ротора должно быть не менее восьми. В двигателях Д1-195 и

Д2-172м выбрано число заходов ротора, равное девяти.

4.4.3. Характеристика забойного винтового двигателя

Энергетические параметры винтового гидравлического двигателя определяются его передаточным числом, перепадом давления и расходом рабочей жидкости. При постоянном расходе Q двигатель характеризуется изменением вращающего момента М от перепада давления Dр, частоты вращения п вала шпинделя, мощности N и к.п.д. η.

На рис. 4.10 приведена рабочая характеристика винтового забойного двигателя Д2-172м.

Наибольшая частота вращения соответствует режиму холостого хода, а максимальный вращающий момент — режиму торможения при n = 0. Двигатель запускается при перепаде давления Dр = 1÷2 МПа. Это давление расходуется на механические и гидравлические потери. При увеличении момента торможения перепад давления возрастает, одновременно повышаются мощность и к. п. д.

Режим максимальной мощности называется эффективным, а наивысшего к. п. д. — оптимальным. Обычно в этих двигателях они не совпадают. Зона устойчивой работы двигателя находится между этими режимами. В рабочем режиме гидромеханический к. п. д.

составляет 0,4 — 0,5, объемный — 0,8 — 0,9, а общий достигает 0,5 — 0,55. При достижении предельного момента торможения вал двигателя останавливается, а величина давления определяется герметичностью пары ротор — статор.

При нарушении герметичности раствор протекает через двигатель.

В рабочей области от режима холостого хода до оптимального частота вращения п прямо пропорциональна расходу Q, поэтому при изменении расхода Q1 на Q2частота вращения

n2 = nIQ2/Ql. (4.28)

С увеличением расхода раствора диапазон устойчивой работы двигателя расширяется. В винтовых двигателях частота вращения существенно зависит от величины вращающего момента. В этих двигателях по мере их износа характеристики ухудшаются. Это объясняется повышением утечек жидкости через зазоры по мере их увеличения при износе.

Износ ротора и статора по выступам и профилю зубьев приводит к нарушению герметичности рабочей пары, увеличению объемных потерь и снижению нагрузочной характеристики. Износ рабочей пары определяет межремонтный срок службы двигателя, составляющий 50 — 200 ч в зависимости от качества двигателя и свойств бурового раствора.

Техническая характеристика винтовых двигателей

Типоразмер	Д1-195	Д2-172М	Д-127	Д-85	Д1-54
Частота вращения, об/мин	100-130	115-220	200-250	225-290	180-480
Вращающий момент, кН·м	5,0-6,1	2,9-4,1	1,0-1,2	0,27-0,34	0,06-1,08
Мощность, кВт	50-80	33-92	20-30	6-10	1,3-3,1
Расход жидкости, м3/с	30-40	23-36	12-15	5,7	1,0-2,5
Перепад давления, МПа	5-6	4,5-6	3,5-4,5	2,7-3,0	3,8-4,2
Наружный диаметр, мм	5,4
Длина, м	6,23	6,90	4,40	3,19	2,0
Масса, кг

Винтовые забойные двигатели (ВЗД)

Винтовые забойные двигатели предназначены для бурения глубоких вертикальных, наклонно направленных и горизонтальных скважин различного

ИА Neftegaz.RU.

Винтовой забойный двигатель (screw downhole motor) — гидравлический забойный двигатель объемного типа, многозаходные рабочие органы которого выполнены по схеме героторного планетарного механизма, приводимого в действие за счет энергии промывочной жидкости.

Винтовые забойные двигатели предназначены:

• для бурения наклонно-направленных, глубоких, вертикальных, горизонтальных и других скважин;
• для разбуривания песчанных пробок, цементных мостов, солевых отложений и тд. Применяется в нефтегазовой и нефтегазодобывающей областях

• Диаметр винтовых забойных двигателей обычно составляет 54-230 мм, они применимы в бурении и капитальном ремонте скважин (КРС).
• Составляющие
• Винтовые забойные двигатели имеют в своем составе:
• ВЗД эксплуатируются при использовании буровых растворов плотностью не более 2000 кг/м3, включая аэрированные растворы (и пены при КРС), с содержанием песка не более 1 % по весу, максимальным размером твердых частиц не более 1 мм, при забойной температуре не выше 373 К.
• По принципу действия ВЗД является объемной (гидростатической) машиной, многозаходные рабочие органы которой представляют собой планетарно-роторный механизм с внутренним косозубым зацеплением.
• Односекционные ВЗД типа Д включают двигательную и шпиндельную секции и переливной клапан, корпусы которых соединяются между собой с помощью конических резьб (рисунок).

Рабочими органами двигательной секции являются многозаходные винтовые ротор и статор.

Внутри стального статора привулканизирована резиновая обкладка с винтовыми зубьями левого направления. На наружной поверхности стального ротора нарезаны зубья того же направления.

Число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев статора, а отношение шагов винтовых линий пропорционально числу зубьев.

Узел соединения ротора и выходного вала шпинделя, который может быть выполнен в виде двухшарнирного карданного соединения или гибкого вала, предназначен для преобразования планетарного движения ротора в соосное вращение вала шпинделя и передачи осевой гидравлической силы с ротора на подшипник шпинделя.

С целью уменьшения угла перекоса шарниры разнесены по длине и соединены между собой по конусным поверхностям посредством промежуточной (соединительной) трубы. Присоединение карданного вала к ротору и валу шпинделя достигается с помощью конусно-шлицевых соединений.

Благодаря такой конструкции на выходной вал двигателя передается высокий момент силы при низкой его частоте вращения, а также обеспечивается высокая долговечность и надежность работы двигателя, что позволяет эффективно использовать его в сочетании с современными высокопроизводительными долотами с герметизированными маслонаполненными опорами при сравнительно высоких осевых нагрузках.

Шпиндельная секция ВЗД различных типоразмеров имеет отличительные особенности и в общем виде включает корпус, выходной вал, осевую опору — многорядный упорно-радиальный подшипник качения и радиальные резинометаллические опоры.

На нижнем конце выходного вала установлен наддолотный переводник для соединения вала с долотом.

Для применения гидромониторных долот с целью снижения утечек бурового раствора в опорном узле двигателя монтируется уплотнение (сальниковое устройство торцевого типа с твердосплавными уплотняющими элементами), обеспечивающее бурение при перепадах давления на долоте до 8…10 МП а.

Переливной клапан служит для сообщения внутренней полости бурильной колонны с затрубным пространством в процессе проведения спуско-подъемных операций в скважине с целью снижения гидродинамического воздействия па проходимые породы при спуске и подъеме бурильной колонны, исключения холостого вращения вала двигателя и потерь бурового раствора при указанных операциях.

Основные конструктивные параметры односекционных ВЗД типа Д и их энергетические характеристики при различных расходах бурового раствора плотностью 1000 кг/м3 (на воде) приведены в табл. 104.

ВЗД разработаны на уровне лучших мировых образцов. Большинство отечественных конструкторских и технологических решений выполнены на уровне изобретений, защищены авторскими свидетельствами и запатентованы во многих зарубежных странах.

Секционные винтовые забойные гидравлические двигатели типа ДС (ДС-195) предназначены для бурения вертикальных и наклонно направленных скважин различного назначения с использованием буровых растворов при температуре не выше 373 К.

Поскольку энергетическая характеристика односекционного ВЗД ухудшается по мере износа рабочих винтовых пар и при зазоре в них свыше 1,0 мм, применение такого двигателя становится практически нецелесообразным, то секционирование рабочих органов, в т. ч.

с повторным использованием отработанных винтовых пар, является одним из наиболее перспективных направлений повышения долговечности винтовых пар — межремонтного периода работы ВЗД в целом.

Последнее обстоятельство обусловливается тем, что при таком конструктивном решении снижаются удельные нагрузки в рабочей паре, а требуемый момент силы на выходном валу обеспечивается при сниженном расходе бурового раствора, вследствие чего уменьшается износ рабочих пар.

Благодаря этому расширяется область эффективного применения ВЗД в районах с осложненными условиями бурения с промывкой буровыми растворами различных типов: от облегченных (аэрированных) до утяжеленных.

* Завод-изготовитель:

(1) — Павловский машиностроительный завод им. Мясникова. (2) — Кунгурский машиностроительный завод. (3) — Пермский машинострои-тельный завод им. Ленина.

(4) — Бердичевский машиностроительный завод. (5) — Производство Пф ВНИИБТ.

(6) — Производство ВНИИБ. (Экспериментальный и Опытный заводы).

Секционный забойный двигатель ДС-195 собирается в промысловых условиях из двух-трех двигательных секций, состоящих из винтовых пар серийных двигателей Д 1-195 и одной шпиндельной секции с шаровой или резинометаллической опорой.

Они выпускаются наружным диаметром 195 мм и применяются при бурении скважин шарошечными и безопорнымн долотами различных типоразмеров и серий в соответствии с рекомендуемыми технологически требуемыми зазорами между корпусом этих двигателей и стенками скважин в конкретных геолого-технических условиях месторождений.

Для секционирования рабочих органов двигателя разработаны различные варианты сочленения роторов и статоров и приспособления для осуществления их сборки. Конструктивное исполнение секционных винтовых двигателей может быть следующим:

? сборка с ориентированием рабочих органов по винтовой линии с жестким соединением статоров и роторов с помощью переводника (рисунок);

? сборка без ориентирования рабочих органов с жестким соединением статоров и соединением роторов с помощью шарнира (рисунок) или гибкого вала (рисунок).

Сочленение на конусах может быть надежным при выполнении обязательного условия установки сверху винтовой пары с меньшим зазором, т. е. верхняя секция должна быть ведущей. В противном случае возможен подъем верхней секции ротора и рассоединение конусов и, как следствие, нарушение сочленения.

Для соединения ротора двигательной секции с валом шпиндельной секции может применяться карданный или гибкий вал.

Секционный двигатель позволяет работать при перепадах давления в насадках используемых долот до 8…10 МПа.

Основные конструктивные параметры секционных ВЗД типа Д2 и их энергетические характеристики при различных расходах бурового раствора плотностью 1000 кг/м3 (на воде) приведены в табл. 104.

Изготовители: См. табл. 104

Винтовые забойные двигатели с полым ротором (рисунок). Отличительной особенностью этих двигателей является выполнение полого ротора и соединение ротора с валом шпинделя через торсион, размещенный внутри ротора. Ротор изготавливается из трубной заготовки методом фрезерования или еще более перспективным методом штамповки из тонкостенной трубы.

Уменьшение массы ротора и применение торснона, размещенного в роторе, позволили уменьшить длину и массу двигателей на 10…15 %, а также существенно (в 3…4 раза) увеличить стойкость узла соединения ротора с валом двигателя. Кроме того, такая конструкция двигателя позволяет улучшить энергетическую характеристику двигателя, повысить его КПД и в 2…4 раза снизить уровень вибраций двигателя.

За счет унификации присоединительных элементов рабочих органов и торсиона эти двигатели могут быть секционированы, что позволяет повысить момент силы на валу и мощность, а также значительно увеличить срок службы рабочих органов.

В двигателях применяется простой и надежный переливной клапан манжетного типа.

Технические решения, использованные в конструкции ВЗД, защищены авторскими свидетельствами и патентами во многих странах.

Основные конструктивные параметры ВЗД с полым ротором и их энергетические характеристики при различных расходах бурового раствора плотностью 1000 кг/м3 (на воде) приведены в табл. 104.

Винтовые забойные двигатели типа ДГ предназначены для бурения горизонтальных скважин, в т. ч. с малым радиусом искривления.

В отличие от других ВЗД двигатель имеет укороченный шпиндель, оснащен опорноцентрирующими элементами и корпусными шарнирами, обеспечивающими эффективную проводку горизонтальных скважин по заданной траектории.

Основные конструктивные параметры и энергетические характеристики винтовых забойных двигателей типа ДГ при различных расходах бурового раствора плотностью 1000 кг/м-1 (на воде) приведены в табл. 104.

Винтовой забойный двигатель в нефтяной промышленности

Для добычи нефти и/или газа либо для проведения капитального ремонта скважин используют винтовой забойный двигатель (ВЗД), обладающий необходимым крутящим моментом и способный осуществлять бурение в различных направлениях в зависимости от типа используемой конструкции. Такой выбор обусловлен необходимостью разрушения горных пород с высокой эффективностью и достаточной скоростью. Использование в конструкции эластичных, но прочных зубьев статора позволяют достичь высокой жёсткости на изгиб, а также существенно сократить утечки жидкости при её прокачке. 

Конструкция ВЗД

Винтовой забойный двигатель представляет собой симметричный роторный агрегат с применением зубчатого косого зацепления, приводимый в действие за счёт давления подаваемой жидкости. 

Конструктивно состоит из:

1. Двигательного узла.
2. Рабочей части.

Двигательный узел

Двигательная секция ВЗД — основной силовой компонент двигателя и поэтому определяет его основные технические характеристики, такие как мощность, крутящий момент, КПД и частота вращения ротора.

Состоит из роторного механизма в виде корпуса (статора), внутри которого закреплена эластомерная вставка с винтовой поверхностью, за которую зацепляется ротор и затем под давлением подаваемой жидкости начинает вращаться.

Эластичная оболочка позволяет разделить две полости камер с высоким градиентом давления. Она изготавливается из износостойкой резины, которая пластична, но в то же время способна выдерживать значительные силы трения при попадании абразивных частиц на её поверхность.

Ротор имеет конструкцию похожую на сверло, но с высокопрочным износостойким покрытием, так как предназначен для передачи крутящего момента. Его изготавливают из высокопрочной легированной стали. Количество зубьев у него меньше на одну единицу, чем у статора. Двигательный узел выполняют с определённым натяжением зубчатого зацепления, который зависит от параметров рабочей жидкости, свойств эластомера, температуры эксплуатации, а также других характеристик. От того, насколько точно они будут подобраны зависит прочность двигателя в целом и его ресурс работы.

На ресурс работы рабочей пары влияют следующие факторы:

1. Присутствие в рабочей жидкости абразивных твёрдых частиц и дополнительных примесей.
2. Использование в составе жидкости веществ, которые разъедают эластомер или изменяют его механические свойства. К ним относятся: соли, жидкость с высоким содержанием нефтепродуктов, хлориды, кислоты и соли.
3. Превышение допустимых норм по температурным условиям в точке забоя, которые могут влиять на эластомер.
4. Недостаточный прогрев рабочей пары при старте двигателя.
5. Использование неправильного натяжения статор-ротор.

Рабочие органы ВЗБ

Винтовой забойный двигатель состоит из следующих рабочих органов:

• шпиндельного узла;
• регулятора угла.

1 – осевой подшипник; 2 – радиальная опора; 3 – центратор; 4 – противоаварийный бурт

Шпиндельный узел является вторым по важности конструктивным элементом двигателя.

Он предназначен для передачи крутящего момента от рабочей пары рабочему инструменту для разрушения плотных пород грунта.

При этом он способен выносить значительные осевые нагрузки, вызванные не только необходимостью передачи крутящего момента, а и силу трения о стенки креплений при угловом или горизонтальном бурении.

Шпиндельный узел представляет собой корпус с двумя опорами (радиальной и осевой), на которых закреплён вал. Вращение ротора передаёт крутящий момент посредством торсиона или карданного вала на вал шпиндельного узла, который начинает вращаться и передавать момент уже рабочей части.

Данный узел может быть выполнен в двух конструктивных исполнениях:

1. Открытом, когда рабочие узлы смазываются рабочей жидкостью.
2. Закрытом или герметизированном. Все рабочие элементы находятся в масляной ванне под давлением до 20 атм, которое выбирается таким, чтобы значительно превышало давление окружающей их среды.

Бурение винтовыми забойными двигателями под углом может быть осуществлено только при помощи регулятора угла. Он представляет собой сложный механизм, который состоит из верхнего и нижнего переводников, сердечника и зубчатой муфты.

По сути он немного напоминает по конструкции карданный вал, но из-за тяжёлых условий эксплуатации и необходимости обеспечения определённой функциональности он был существенно усложнён.

Все детали изготавливаются из прочной твердосплавной стали, с выполнением армирования поверхностного слоя.

Основные особенности ВЗД, влияющие на его технические параметры

1. Скорость потока жидкости должна соответствовать типу используемого двигателя и его технических параметров рабочей пары. Чем больше лопастей на роторе и витков на статоре, тем больше поток жидкости, но при этом повышается и износ за счёт увеличения сил трения.

   Поэтому для конкретных условий бурения нужно варьировать эти параметры для достижения нужного результата.

2. Во время отсутствия нагрузки на забойную часть в ней происходит падение давления: когда ротор находится в подвешенном состоянии нужно затратить огромную энергию на приведение его в движение.

   При этом потеря давления будет пропорциональна скорости потока рабочей жидкости. Обычно она составляет примерно 7 атм.

3. При нагрузке на винтовой забойный двигатель в момент начала забоя происходит падение давления в системе, но со временем восстанавливается по мере раскручивания ротора.

4. Для двигателя существует предельное давление, которое возникает при бурении в рабочем узле. При необходимости увеличении усилия на долото требуется увеличить давление в системе, что приводит к деформации эластомера и потере крутящего момента.

   В результате полезной работы не производится, а рабочая жидкость просто протекает через двигатель.

5. Чем больше площадь поперечного сечения долота, тем меньше потери рабочего давления. При уменьшении размеров долота происходит быстрый износ подшипников, так как потока жидкости не хватает, чтобы их охладить.

6. Использование насадок на сопло ротора позволяет изменять поток жидкости через ВЗБ и, таким образом, учитывать особенности бурения конкретного вида горных пород при минимальном износе деталей и узлов.

Классификация двигателей по их назначению

Винтовые забойные двигатели для бурения скважин по основному назначению подразделяются на следующие виды:

1. Универсальные двигатели используются при бурении рабочих и разведывательных скважин, а также для их ремонта. Они имеют внешний диаметр от 127 до 240 мм. Конструктивно состоят из рабочего и шпиндельного узлов. Корпусные части имеют модульную конструкцию и соединяются с помощью резьбовых, конусных и конусно-шлицевых соединений. Все детали изготовлены из высокопрочной легированной стали, позволяющей обеспечивать одинаковый уровень производительности в различных условиях работы.
2. Для бурения под наклоном применяют двигатели типа ДГ. Их диаметр составляет 60-172 мм, что позволяет существенно нарастить скорость вращения ротора и повысить производительность в целом. Длина силовой и шпиндельной секции существенно уменьшена, по сравнению с универсальным двигателем. Обычно применяют ротор с двухзаходной резьбой, которого достаточно для центровки и обеспечения достаточной мощности вращения. Для обеспечения наклонного бурения установлены два переводника с высокоточной регулировкой наклона и надёжными шарнирами. Также предусмотрено крепление опорно-центрирующих устройств. Соединение ротора и вала выполнено таким образом, чтобы были минимальные потери крутящего момента и обеспечивалась высокая надёжность работы под разными углами в забое.
3. Винтовой забойный двигатель для проведения ремонтных работ в скважинах. Их размеры составляют до 108 мм. Это позволяет их применять в различных условиях нарушения структуры скважины. Основное их назначение – разбуривание цементных мостов, удаление песчаных пробок, фрезерование труб и прочих конструкций. За счёт небольших размеров появляется возможность исправлять любые повреждения, не разрушая ствол скважины. При этом они относительно недорогие, имеют простую конструкцию и весьма надёжны в работе. Обычно оснащаются торсионной трансмиссией и прорезинеными опорами. Иногда их изготавливают с полыми роторами, что позволяет уменьшить массу двигателя и увеличить КПД.

Видео: Бурение при помощи ВЗД