Винтовой забойный двигатель конструкция работа

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.

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.

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.

  Ремонт автомобилей мерседес у дилеров

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.

  Краска для ремонта кожи салона автомобиля

Видео: Бурение при помощи ВЗД

Винтовой двигатель предназначен для бурения скважин долотами диаметром 215,9 – 244,5 мм при забойной температуре не свыше 120 0 С. По сравнению с другими гидравлическими забойными двигателями винтовой имеет преимущества:

• низкая частота вращения при высоком крутящем моменте на валу двигателя позволяет получить большую проходку за 1 рейс долота;
• по изменению давления в насосах можно контролировать работу двигателя;
• с винтовым двигателем эффективно сочетаются гидромониторные долота.

По принципу действия винтовой двигатель представляет собой планетарно-роторную гидравлическую машину объемного типа с косозубым зацеплением.

винтового забойного двигателя

Буровой раствор под давлением проходит через двигатель, при этом ротор вращается относительно статора по часовой стрелке. За счет разницы в числах зубьев ротора и статора обеспечивается пониженная частота вращения и высокий крутящий момент на выходе

Наивысшие показатели бурения винтовым двигателем достигаются в сочетании с низкооборотными долотами, а также с гидромониторными. Вооружение долота выбирают в зависимости от твердости породы.

• Винтовые двигатели обладают большей моментностью, чем турбобуры. Под моментностью двигателя понимают вращающий момент, развиваемый двигателем, отнесенный к его длине и диаметру:
• ,(30)
• где М- вращающий момент двигателя,
• L – длина двигателя,
• D – диаметр двигателя.

Благодаря этому винтовые двигатели можно конструировать меньшего диаметра по сравнению с турбобурами. Винтовые двигатели обладают большей, чем у турбобуров, удельной мощностью – это эффективная мощность, отнесенная к единице массы двигателя.

При спуске двигателя в скважину за 10-15 м до забоя следует включить буровой насос, при этом двигатель начинает работать. Незапуск двигателя фиксируется по резкому подъему давления в нагнетательной линии насосов. В таком случае двигатель нужно запускать с вращением бурильной колонны ротором при одновременном прокачивании раствора. Запуск двигателя ударами о забой не допускается.

  Замена опоры двигателя ваз 2121

Во избежание левого вращения инструмента под действием реактивного момента двигателя ведущую трубу фиксируют от проворачивания в роторе с помощью клиньев.

По своим энергетическим характеристикам винтовые двигатели позволяют создавать на долоте высокие осевые нагрузки: Д-195 до 250-300 кН; Д-85 до 30кН.

Наивысшие показатели бурения винтовым двигателем достигаются в сочетании с низкооборотными долотами, а также с гидромониторными. Вооружение долота выбирают в зависимости от твердости породы.

При бурении винтовым двигателем инструмент необходимо подавать плавно, без рывков. Периодически инструмент следует проворачивать. Расход промывочной жидкости следует выбирать исходя из условий необходимой очистки забоя. По мере износа рабочей пары расход промывочной жидкости необходимо увеличить на 20-25% от первоначальной величины для сохранения рабочей характеристики (рисунок 45).

При постоянном расходе жидкости двигатель характеризуется изменением вращающего момента М от перепада давления, частоты вращения, мощности и КПД.

Наибольшая частота вращения соответствует режиму холостого хода, а максимальный вращающий момент – режиму торможения при частоте вращения равной нулю. При увеличении момента торможения перепад давления возрастает, одновременно повышается мощность и КПД.

Режим максимальной мощности называется эффективным, а наивысшего КПД – оптимальным.Зона устойчивой работы двигателя находится между этими режимами при частоте вращения 50-100 об/мин. При достижении предельного момента торможения вал двигателя останавливается, а величина давления определяется герметичностью пары ротор-статор.

В рабочей области от режима холостого хода до оптимального частота вращения прямо пропорциональная расходу жидкости, поэтому при изменении расхода жидкости частота определяется по формуле (31):

где Q1, Q2 – изменение расхода жидкости, л/с.

Винтовые роторные двигатели имеют ряд преимуществ, что позволило использовать их как гидравлические забойные двигатели:

• отсутствие относительного перемещения трущихся деталей пары ротор – статор;
• отсутствие клапанных или золотниковых распределителей потока жидкости;
• 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 t должно быть пропорционально отношению их числа, т.е.

• отношение чисел зубьев ротора и статора называется передаточным отношением

(33)

Теоретически винтовой двигатель может любые передаточные отношение.

Двигатели с малозаходными винтовыми механизмами развивают большие частоты вращения при небольшом вращающем моменте.

По мере увеличения числа заходов ротора вращающий момент увеличивается и снижается частота вращения.

Это объясняется тем, что винтовой механизм с многозаходным ротором выполняет роль двигателя и одновременно редуктора, передаточное отношение которого пропорционально числу заходов ротора.

Дата добавления: 2016-06-18 ; просмотров: 3283 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Совершенствование конструкции винтовых забойных двигателей на основе опыта строительства скважин малого диаметра

Ташкалов, Э. М. Совершенствование конструкции винтовых забойных двигателей на основе опыта строительства скважин малого диаметра / Э. М. Ташкалов, А. Л. Петренко, Р. И. Халидуллин. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2018. — № 21 (207). — С. 89-92. — URL: https://moluch.ru/archive/207/50799/ (дата обращения: 14.01.2022).



На сегодняшнее время одна из важнейших проблем в производстве и эксплуатации винтового забойного двигателя является разрушение резиновой обкладки статора. Повреждения эластомерной обкладки ведут к значительному снижению энергетических характеристик двигателя вплоть до его полного отказа.

Во время работы двигателя ротор планетарно вращается внутри статора, постоянно соприкасаясь с его зубьями и образуя камеры высокого и низкого давления. Резиновые зубья статора при этом получают циклические деформации.

При бурении глубоких скважин с высокими температурами на забое на обкладку статора ВЗД одновременно воздействует высокое давление промывочной жидкости и температура. Так же, резина имеет высокий коэффициент температурного расширения. Под действием этих двух факторов происходит искажение проектного циклоидального профиля обкладки статора.

Все последние исследования ведутся в сторону улучшения энергетических характеристик ВЗД, а именно увеличение жёсткости винтовых зубьев рабочих органов и улучшении отвода тепла от резиновой обкладки.

Рассматривается стандартная конструкция статора, представляющая собой металлический остов с внутренней цилиндрической расточкой и прикрепленной резиновой обкладкой, имеющей внутреннюю винтовую поверхность циклоидального профиля.

Стандартная конструкция сравнивается с новой конструкцией статора, отличающейся тем, что металлический остов имеет внутреннюю винтовую поверхность циклоидального профиля и прикрепленную к нему резиновую обкладку. Известны следующие конструктивно-технологические решения по формированию внутреннего винтового профиля металлического корпуса статора:

• – фрезерование внутренней поверхности трубной или цилиндрической металлической заготовки;
• – ковка трубной металлической заготовки на винтовом сердечнике;
• – литье металла в полость между корпусом и винтовым сердечником;
• – пластическое деформирование методом обкатки роликами внутренней поверхности металлической заготовки;
• – набор металлических пластин или сегментов с вырезанным циклоидальным профилем;
• – установка в цилиндрический корпус тонкостенного винтового штампованного металлического вкладыша;
• – установка в сердцевину резинового зуба металлического прутка.

– Для устранения конструкционных и эксплуатационных недостатков стандартной конструкции статора предложена новая конструкция в двух вариантах конструктивного исполнения (рис. 1.1) — статор ВЗД, состоящий из металлического остова с внутренним винтовым циклоидальным профилем и прикрепленной к нему упругоэластичной обкладкой постоянной толщины.

а — винтовая оболочка армирована металлическим цилиндрическим прутком

б — винтовая оболочка армирована теплопроводным наполнителем

Рис. 1 Фрагмент новой конструкции экспериментальных статоров ВЗД

Для армирования резинового зуба статора используется тонкостенная винтовая металлическая оболочка. Оболочка изготовлена методом гидроштампирования. Кольцевая полость между цилиндрическим корпусом и гидроштампованной оболочкой заполняется теплопроводным наполнителем. В данную полость возможна установка металлического цилиндрического прутка.

Изготовление статора с остовом с внутренним винтовым металлическим профилем и резиновой обкладкой, профиль которой эквидистантен циклоидальному профилю металлического остова, приводит к повышению жесткости винтового зуба статора.

При увеличенной жесткости винтовой зуб статора имеет значительно сниженные перемещения под действием перепада давления промывочной жидкости в рабочих камерах героторного механизма и воздействием ротора, сохраняя при этом контактное взаимодействие рабочих органов. Уменьшаются утечки рабочей жидкости из камер высокого давления в камеры низкого давления.

За счет снижения объемных потерь новая конструкция статора позволяет увеличить межвитковый перепад давления промывочной жидкости в рабочих камерах статора при его работе.

1. Момент на выходном валу двигателя напрямую зависит от межвиткового перепада давления в статоре:
2. (1)
3. где
4. P — перепад давления в PO, Па
5. V — рабочий объем,

При увеличении перепада давления в статоре возрастает крутящий момент на выходном валу двигателя. Так по сравнению со стандартным статором новый статор с винтовым зубом повышенной жесткости увеличивает крутящий момент ВЗД.

При уменьшении объемных потерь в РО появляется возможность использовать меньший натяг в зацеплении без увеличения их длины и ухудшения энергетических характеристик, что должно снизить износ поверхностей скольжения ротора и статора, уменьшить механические потери на трение в механизме, а также уменьшить давление запуска двигателя.

Другим положительным моментом использования новой конструкции статора ВЗД является возможность уменьшения длины зацепления его РО без увеличения натяга в зацеплении и ухудшения энергетических характеристик.

Значительное уменьшение протоков промывочной жидкости из рабочих камер двигателя, образованных винтовыми поверхностями ротора и статора, должно уменьшить падение оборотов ротора при возрастающем тормозном моменте на него или, другими словами, улучшить нагрузочную характеристику героторного механизма (сделать её более «жесткой»). Зависимость частоты вращения ротора от увеличения тормозного момента на выходном валу двигателя на графике становится более пологой, как показано на рис. 1.8.

Рис. 2. Нагрузочная характеристика статоров габарита 95 мм сопоставимой длины с кинематическим отношением 5/6 при расходе 8 л/с

При бурении скважин винтовым забойным двигателем со статором новой конструкции его более жесткая нагрузочная характеристика обеспечивает значительно меньшее снижение частоты вращения ротора при увеличивающемся тормозном моменте на вал, который может возникнуть, например, при сужении ствола во время проработки скважины или увеличенной осевой нагрузке на забой. Также более жесткая нагрузочная характеристика нового статора позволит более точно регулировать частоту вращения выходного вала ВЗД изменением расхода промывочной жидкости на буровых насосах.

Помимо таких явных преимуществ как повышение крутящего момента для эффективного использования долот РБС, уменьшения длины статора и уменьшения натяга в зацеплении рабочих органов применение новых статоров за счет повышения мощности привода позволит снизить энергозатраты при бурении скважин.

Новый статор может использоваться с той же эффективностью углубления скважины, что и стандартный статор, но при этом затрачиваться будет часть от его максимальной мощности в то время, как стандартный будет работать на полную мощность.

Другими словами, новый статор позволит работать при меньшем расходе рабочей жидкости, буровые насосы будут работать при меньшей производительности, что обуславливает экономическую эффективность.

Литература:

1. Балденко Д. Ф. Отечественные винтовые забойные двигатели и прогресс буровой техники и технологии/ Ю. А. Коротаев//
2. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море.- 2003.- № 5.- С. 14–22.
3. Балденко Д. Ф. Одновинтовые гидравлические машины: в 2 т./ Ф. Д. Балденко, А. Н. Гноевых// — М.ЮОО «ИРЦ Газпром», 2007.
4. Бобров М. Г. Результаты исследований энергетической характеристики винтового забойного двигателя Д1–195/ A. M. Кочнев // Нефтяное хозяйство. -1988. -№ 6.
5. Писаренко Г. С. Сопротивление материалов: Учебник для вузов. -4-е изд., перераб. и доп. -Киев: Вища школа. Головное изд-во, 1979. -696 с.
6. Delpassand, Majid S., 1995, «Mud Motor Stator Temperature Analysis Technique», ASME Drilling Technology, Book No H00920. URL: http://www.bicodrilling.com/spirostar.php (дата обращения: 07.10.2007).
7. Захарченко П. И. Справочник резинщика. Материалы резинового производства / Ф. И. Яшунская, В. Ф. Евстратов, П. Н. Орловский // -М.: Химия, 1971.-608 с.
8. Балденко Ф. Д. Особенности трения рабочих органов' одновинтовых гидромашин. -М.: ВНИИОЭНГ. -1988. -№ 3.

Основные термины (генерируются автоматически): промывочная жидкость, статор, выходной вал двигателя, конструкция статора, крутящий момент, резиновая обкладка, циклоидальный профиль, винтовая оболочка, винтовой забойный двигатель, винтовой сердечник.

Винтовой забойный двигатель, ВЗД

Винтовой забойный двигатель (сокращенно – ВЗД), он же: гидравлический забойный двигатель (сокращенно – ГЗД) – представляет собой объемный роторный гидравлический механизм преобразующий давление нагнетаемой в полость статора жидкости (буровой раствор) во вращательное движение выходного вала.

Конструктивно винтовой забойный двигатель (взд) состоит из силовой секции (другое название — рабочая пара) и шпиндельной секции. Вырабатываемый на роторе рабочей пары (другое название — силовая секция) крутящий момент посредством гибкого вала (торсиона) или шарнирного соединения (кардана) передается на вал шпиндельной секции и соответственно на долото ВЗД.

Винтовые забойные двигатели (гидравлические забойные двигатели) классифицируются по типу применения: для ремонтно-восстановительных работ (двигатели прямого исполнения наружным диаметром 43 ..

— 127 мм), для бурения вертикальных скважин (двигатели прямого исполнения наружным диаметром 240..-172 мм), для наклонно-направленного и горизонтального бурения (двигатели искривленной компоновки наружным диаметром 76..

— 240 мм).

Винтовые забойные двигатели, или ВЗД, являются одним из направления нашей деятельности.

Нашим предприятием на сегодня освоен выпуск двигателей применяемых для капитального ремонта скважин (КРС) (76, 88, 106, 127 габарита), для вертикального и наклонно-направленного бурения (76, 95-98, 106, 120-127, 172-178, 195, 240 габарита), а также силовых секций с активной частью до 5500мм.

Особенности производимых нами винтовых забойных двигателей

Наши гидравлические винтовые забойные двигатели (ВЗД) подразделены на две линейки:

• двигатели прямого исполнения — для капитального ремонта скважин (габаритом 43, 55, 63, 76, 88, 106, 127 мм) и бурения вертикальных скважин (габаритом 178, 195, 240 мм);
• двигатели с регулятором угла для наклонно-направленного бурения и горизонтального бурения (габаритом 76, 98, 106, 120, 127, 178, 195, 240 мм).

Двигатели для капитального ремонта скважин – недорогие, простые и надежные двигатели с торсионной трансмиссией и резинометаллическими опорами.

Двигатели для бурения оснащены ловильными (противоаварийными) узлами исключающими оставление деталей двигателя на забое в случае аварий.

Шпиндельные секции двигателей для наклонно-направленного и горизонтального бурения оснащены надежными твердосплавными радиальными опорами и осевыми подшипниками повышенной грузоподъемности.

Максимальное приближение к долоту нижней опоры и минимальная длина нижнего плеча (расстояние от вала шпинделя до точки искривления) улучшают управление двигателем при горизонтальном и направленном бурении.

По заказу двигатели могут комплектоваться необходимым перечнем ЗиП, а также фильтрами-шламоуловителями, центраторами, калибраторами, переливными и обратными клапанами.

Обозначение выпускаемых ВЗД

Например: Д-106.2000.78-100

• Двигатель тип «Д» – двигатель в прямом исполнении, предназначен для бурения и капитального ремонта вертикальных скважин.
• Двигатель тип «ДО» – двигатель-отклонитель с жестким кривым переводником (нерегулируемым углом искривления шпиндельной) секции для бурения наклонно-направленных скважин.
• Двигатель тип «ДР» — двигатель с регулятором угла (регулируемым углом искривления шпиндельной секции) для бурения наклонно-направленных скважин.
• .106 – наружный диаметр (габарит) двигателя в мм
• .2000 – длина активной части статора в мм
• .78 – заходность (7/8)
• — 100 – осевой шаг статора.
• Секция двигательная
• Секция двигательная, она же: силовая секция (power section), секция рабочих органов, рабочая пара – силовой компонент винтового забойного двигателя задающий его основные энергетические характеристики (момент силы на выходном валу, частоту вращения вала шпинделя, мощность и КПД).

Секция двигательная (рабочая пара) представляет собой объемный роторный гидравлический механизм (винтовой героторный механизм), элементами рабочих органов которого являются статор и ротор.

Статор имеет эластичную обкладку с внутренней винтовой поверхностью образующий полости камер высокого и низкого давления. Ротор – металлический винт с износостойкой поверхностью, через который крутящий момент передается исполнительному механизму (валу шпиндельной секции двигателя).

При циркуляции жидкости подаваемой насосом в рабочую область статора под действием перепада давления на роторе вырабатывается крутящий момент.

Рабочая пара

«Рабочая пара» гидравлического винтового забойного двигателя (сокращенно: ГЗД или ВЗД) – это одно из названий двигательной секции ВЗД. Можно даже с уверенностью сказать, что это самое популярное «народное» название двигательной секции среди отечественных нефтяников.

Рабочая пара (она же двигательная секция, силовая секция, секция рабочих органов, «power section», турбинная секция, винтовая пара) – это основной узел двигателя, где гидравлическая энергия потока рабочей жидкости передается в механическую, генерируя крутящий момент.

Основных элементов двигательной секции (рабочей пары) два, т. е. пара: статор и ротор.

Обкладка статора – эластомер (специальная резина устойчивая к абразивному воздействию и работоспособная в среде бурового раствора) определенного винтового профиля.

Ротор (изготавливается из легированной стали с износоустойчивым покрытием) – ответная часть статора аналогичного профиля с числом зубьев меньшим на один, чем у статора. Профиль рабочей пары – это то, что задает энергетические характеристики ВЗД.

Пара ротор-статор изготавливается с определенным натягом зубчатого зацепления ротор-статор. Значение натяга зависит от диаметральных и осевых размеров рабочей пары, свойств рабочей жидкости (бурового и промывочного растворов), забойной температуры, свойств эластомера статора и оказывает существенное влияние на энергетические и ресурсные характеристики двигателя.

Рабочая пара – это сердце ВЗД, задающее основные энергетические параметры забойного двигателя, а также его ресурс и межремонтный период (МРП).

К основным энергетическим характеристикам рабочей пары относятся: обороты, момент и мощность.

Теоретические энергетические характеристики задаются с помощью геометрии профиля секции: диаметр секции, координаты винтового профиля, длина активной части (часть статора, где непосредственно создается крутящий момент – винтовая часть ротора и статора), число шагов винтового зуба статора, количество зубьев пары ротор-статор.Фактические энергетические характеристики рабочей пары (реальные характеристики двигательной секции после её изготовления) могут отличаться от теоретических в несколько раз. Это связано с погрешностью изготовления основных элементов пары: ротор-статор. Ротор рабочей пары, а также пресс-форма статора – сложное изделие, чистота и точность изготовления которого, оказывают существенное влияние на рабочие характеристики двигателя.

Для рабочих пар малогабаритных двигателей, применяемых при капитальном ремонте скважин (наружный диаметр статора 43-127 мм и длина активной части до 2000мм), МРП, как правило, составляет от 30 до 100 часов наработки (общий ресурс 300 мото-часов).

Рабочие пары, которые используются в бурении (габарит 106 – 240мм, длина активной части статора от 3000 мм и выше) отличаются большей ресурсностью – МРП таких ВЗД и двигательных секций уже составляет минимум 200 мото-часов, а общий ресурс доходит до 600 и более часов наработки. Это достигается за счет увеличения длины активной части статора, применения более износоустойчивых материалов и деталей двигателя (более качественные материалы эластомера и ротора, применение твердосплавных радиальных опор и осевых подшипников повышенной грузоподъемности).

Но, даже идеально изготовлена рабочая пара (с полученными идеальными энергетическими характеристиками) не гарантирует стопроцентный результат при проведении бурильных работ — всё может быть перечеркнуто неправильными условиями эксплуатации. Есть ряд определенных факторов, которые отрицательно влияют, как на рабочие характеристики винтовой пары, так и на весь забойный двигатель в целом.

К факторам, негативно влияющим на ресурс рабочей пары (двигательной секции), относятся:

• низкая степень очистки рабочей жидкости;
• химический состав рабочей жидкости, не соответствующий применяемому виду эластомера (высокое содержание нефти, соли, хлорид-ионов, применение азотосодержащих и кислотосодержащих растворов);
• не соответствие температуры на забое типу эластомера статора рабочей пары (двигательной секции);
• запуск при минусовой температуре без предварительного прогрева двигательной секции;
• превышение рабочих режимов бурения (постоянная работа на максимальных режимах и превышение их);
• применение рабочей пары с фактическим натягом зацепления ротор-статор несоответствующим внутрискважинной температуре.

1. Секция рабочих органов
2. Секция рабочих органов – это одно из названий двигательной секции ВЗД (она же рабочая пара, двигательная секция, силовая секция, турбинная секция, «power section», винтовая пара).
3. Шпиндельная секция

Шпиндельная секция (шпиндель) – второй основной узел ВЗД, передающий крутящий момент и осевую нагрузку силовой секции (рабочей пары) на породоразрушающий (аварийный) инструмент, используемый при бурении или проведении аварийных работ. Шпиндель воспринимает реакцию забоя и гидравлическую осевую нагрузку, действующие в рабочей паре, радиальные нагрузки от долот и трансмиссии.

По конструктивному исполнению шпиндельные секции бывают двух типов:

• открытые — рабочие детали (узлы трения) смазываются и охлаждаются рабочей жидкостью;
• маслонаполненные — герметизированный шпиндель, рабочие детали (узлы трения) которого находятся в масляной ванне с избыточным давлением на 10-20 атм., превышающим давление окружающей среды.

В двигателях, серийно изготавливаемых в России, применяются шпиндельные секции открытого типа.

Шпиндель состоит из следующих элементов:

• корпус
• вал
• осевая и радиальные опоры.

Вращение ротора двигательной секции через элементы трансмиссии (карданный вал или торсион) передается на вал шпиндельной секции. Осевые и радиальные опоры служат для восприятия осевых и радиальных нагрузок шпинделя и являются основными быстроизнашиваемыми расходными элементами секции.

Регулятор угла

Cпециальный узел ВЗД, представляющий собой сложный механизм искривления (изменения), на заданный диапазон углов, оси перекоса ВЗД относительно нижней части бурильной колонны.

Конструктивно регулятор состоит из двух переводников (верхнего и нижнего), сердечника и зубчатой муфты, которая в целях повышения износоустойчивости армирована твердосплавными зубками.

Добыча нефти и газа

При  бурении нефтяных и газовых скважин применяют гидравлические и электрические забойные двигатели , преобразующие соответственно гидравлическую энергию бурового раствора и электрическую энергию в механическую на выходном валу двигателя. Гидравлические забойные двигатели выпускают гидродинамического и гидростатического типов. Первые из них называют турбобурами, а вторые – винтовыми забойными двигателями. Электрические забойные двигатели получили наименование электробуров.

• ТУРБОБУРЫ
•       Турбобур представляет собой  многоступенчатую гидравлическую турбину, к валу которой непосредственно или через редуктор присоединяется долото.
•       Каждая ступень турбины состоит из диска статора и диска ротора . 

В статоре, жестко соединенном с корпусом турбобура, поток  бурового раствора меняет свое направление и поступает в ротор , где отдает часть своей гидравлической мощности на вращение лопаток ротора относительно оси турбины.

При этом на лопатках статора создается  реактивный вращающий момент, равный  по величине и противоположный по направлению вращающему моменту ротора. Перетекая из ступени в ступень буровой раствор отдает часть своей гидравлической мощности каждой ступени.

В результате   вращающие моменты всех ступеней  суммируются на валу турбобура и передаются долоту. Создаваемый при этом в статорах реактивный момент воспринимается корпусом турбобура и БК.

       Работа турбины  характеризуется частотой вращения вала n , вращающим моментом на валу М, мощностью N, перепадом давления DР  и  коэфициентом полезного действия h.

      Как показали стендовые испытания турбины, зависимость момента от частоты вращения ротора почти прямолинейная. Следовательно, чем больше n  , тем меньше  М, и наоборот.

      В этой связи различают два режима работы турбины: тормозной, когда n = 0, а М достигает максимального значения , и холостой, когда n достигает максимального , а М=0. В первом случае необходимо к валу  турбины приложить такую нагрузку, чтобы его вращение прекратилось, а во втором – совершенно снять нагрузку.

       Максимальное  значение мощности достигается при частоте вращения турбины n = n0.

       Режим, при котором мощность турбины достигает максимального значения  называется экстремальным. Все технические характеристики  турбобуров даются для значений  экстремального режима. В этом режиме  работа турбобура наиболее устойчива, так как небольшое изменение нагрузки на вал турбины не приводит к сильному изменению n

 и, следовательно, к возникновению вибраций, нарушающих работу турбобура.

       Режим, при котором коэфициент полезного действия h турбины достигает максимального значения называется оптимальным. При работе на оптимальном режиме , т.е. при одной определенной частоте вращения ротора турбины для данного расхода бурового раствора Q, потери напора на преодоление гидравлических сопротивлений в турбине DР минимальны.

      При выборе профиля  лопаток турбины стремятся найти такое конструктивное решение, чтобы при работе турбины кривые максимальных значений N и h располагались близко друг к другу.  Линия давления  DР таких турбин располагается почти симметрично относительно вертикали, на которой лежит максимум мощности.

1.       Таким образом, при постоянном расходе бурового раствора Q  параметры характеристики турбины определяются частотой вращения ее  ротора  n, зависящей от нагрузки на вал турбины (на долото).
2.       При изменении  расхода бурового раствора Q параметры характеристики турбины изменяются совершенно по другому.
3.       Пусть при расходе бурового раствора Q1   и соответствующей этому значению частоте вращения  ротора турбины n1  при оптимальном режиме турбина создает мощность N1
4. и вращающий момент М1 , а перепад давления в турбине составляет DР1. Если расход бурового раствора увеличить до Q2  , параметры характеристики турбины изменятся следующим образом:
5.  n1  /  n2   =    Q1  /  Q2    ;
6. N1  /  N2   =   (Q1  /  Q2)3
7. М1  /  М2    =    (Q1  /  Q2)2
8. DР1  /  DР2   =   (Q1  /  Q2)2

      Видно, что эффективность турбины значительно зависит от расхода бурового раствора Q. Однако увеличение расхода  Q ограничивается  допустимым давлением в  скважине.

•       Параметры характеристики турбины изменяются также пропорционально изменению плотности бурового раствора r.
• N1  /  N2   = М1  /  М2    =    Р1  /  DР2   =   r1  /  r2
•       Частота вращения  ротора  турбины n  от изменения плотности r не зависит.
•       Параметры характеристики турбины изменяются также пропорционально изменению числа ступеней.
• ГОСТ 26673-90 предусматривает изготовление бесшпиндельных (ТБ) и шпиндельных (ТШ) турбобуров.

 Турбобуры ТБ применяются при бурении вертикальных и наклонных скважин малой и средней глубины без гидромониторных долот. Применение гидромониторных долот невозможно по тем причинам, что через нижнюю радиальную опору (ниппель) даже при незначительном перепаде давления протекает 10 – 25% бурового раствора.

Значительное снижение потерь бурового раствора достигается в турбобурах, нижняя секция которых, названная шпинделем, укомплектована многорядной осевой опорой и радиальными опорами, а турбин не имеет.

Присоединяется секция шпиндель к одной (при бурении неглубоких скважин), двум или трём последовательно соединённым турбинным секциям.

Поток бурового раствора, пройдя турбинные секции, поступает в секцию – шпиндель, где основная его часть направляется во внутрь вала шпинделя и далее к долоту, а незначительная часть – к опорам шпинделя, смазывая трущиеся поверхности дисков пяты и подпятников, втулок средних опор и средних опор. Благодаря непроточной конструкции опор и наличию уплотнений вала, значительно уменьшены потери бурового раствора через зазор между валом шпинделя  и ниппелем .

Для бурения наклонно – направленных скважин разработаны шпиндельные турбобуры – отклонители типа ТО.

Турбобур – отклонитель состоит из турбинной секции и укороченного шпинделя. Корпуса турбинной секции и шпинделя соединены кривым переводником.

Для бурения с отбором керна предназначены колонковые турбобуры типа КТД, имеющие полый вал , к которому через переводник  присоединяется бурильная головка . Внутри полого вала размещается съёмный керноприёмник .

Верхняя часть керноприёмника снабжена головкой  с буртом для захвата его ловителем, а нижняя – кернорвателем, вмонтированным в переводник .

Для выхода бурового раствора, вытесняемого из керноприёмника по мере заполнения его керном, вблизи верхней части керноприёмника имеются радиально расположенные отверстия в его стенке, а несколько ниже их – клапанный узел . Последний предотвращает попадание выбуренной породы внутрь керноприёмника, когда он не заполняется керном, и в это время клапан закрыт.

Керноприёмник подвешан на опоре , установленной между переводником к БК и распорной втулкой . Под действием гидравлического усилия, возникающего от перепада давления в турбобуре и долоте, и сил собственного веса, керноприёмник прижимается к опоре и во время работы турбобура не вращается.

1. ВИНТОВОЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
2.       Рабочим органом винтового забойного двигателя (ВЗД) является винтовая пара: статор  и ротор .
3.       Статор представляет собой металлическую трубу, к внутренней поверхности которой привулканизирована резиновая обкладка, имеющая 10 винтовых зубьев левого направления, обращённых к ротору.
4.       Ротор выполнен из высоколегированной стали с девятью винтовыми зубьями левого направления и расположен относительно оси статора эксцентрично

Кинематическое отношение винтовой пары 9: 10 и соответствующее профилирование её зубьев обеспечивает при движении бурового раствора планетарное обкатывание ротора по зубьям статора и сохранение при этом непрерывного контакта ротора и статора по всей длине. В связи с этим образуются полости высокого и низкого давления и осуществляется рабочий процесс двигателя.

Вращающий момент от ротора передаётся с помощью двухшарнирного соединения на вал шпинделя, укомплектованного многорядной осевой шаровой опорой  и радиальными резино – металлическими опорами . К валу шпинделя  присоединяется долото . Уплотнение вала достигается с помощью торцевых сальников.

ВЗД изготовляют согласно ТУ 39-1230-87.

Типичная характеристика ВЗД при постоянном расходе бурового раствора следующая . По мере роста момента М перепад давления в двигателе Р увеличивается почти линейно, а частота вращения вала двигателя снижается вначале незначительно, а при торможении – резко.

Зависимости изменения мощности двигателя и К.П.Д. от момента М имеют максимумы. Когда двигатель работает с максимальным, режим называют оптимальным, а с максимальной мощностью – экстремальным.

Увеличение нагрузки на долото после достижения экстремального режима работы двигателя приводит к торможению вала двигателя и к резкому ухудшению его характеристики.

• Неэффективны и нагрузки на долото, при которых момент, развиваемый двигателем, меньше момента, обеспечивающего оптимальный режим его работы.
• Характер изменения от момента М при любом расходе бурового раствора остаётся примерно одинаковым.
• Значения при увеличении растут почти линейно, — несколько уменьшается, а возрастает по зависимости, близкой к квадратичной.
• ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Птр	ТБ-172	ТБ-195	ТШ-195М1	ТШ-240	Д1-195
Расход рабочей жидкости, л/с	25-28	45-50	24-30	32-34	25-35
Перепад давления, МПа	2,85-3,5	2,9-3,6	6,5-10	5,5-6,2	3,9-4,9
Частота вращения вала, об/с	10,5-11,7	9,7-10,8	9,3-11,7	7,4-7,8	1,33-1,83
Крутящий момент, Н*м	559-687	714-882	1961-1060	2648-2991	3138-3726
Присоединительная резьба долото/БК	З-117/147	З-117/147	З-152/171	З-152/171	З-117/147
Диаметр, мм	172	195	195	240	195
Длина, мм	7940	8060	25870	23225	7700
Масса, кг	1057	1440	4745	5975	1350