Устройство и принцип работы винтового забойного двигателя

Устройство и принцип работы винтового забойного двигателя.

Винтовой двигатель представляет собой забойный агрегат с гидравлическим объемным двигателем, приводи­мый в действие потоком бурового раствора, который закачи­вается в бурильную колонну с поверхности насосами.

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.

1 — статор; 2 — ротор; 3 — радиальная резинометаллическая опора; 4 — осевая шаровая опора; 5 — вал шпинделя; 6 — долото.

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 t 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.

Дата добавления: 2015-04-18 ; просмотров: 111 ; Нарушение авторских прав

Устройство и принцип работы винтового забойного двигателя. Характеристика винтового двигателя. 6622

Винтовые забойные двигатели предназначены для бурения нефтяных и газовых скважин шарошечными, лопастными и алмазными долотами. Винтовой двигатель может работать с использованием промывочных жидкостей любой плотности от аэрированных растворов плотностью меньше 1г/см 3 до утяжелённых плотностью более 2г/см 3 .

Основной особенностью винтового двигателя по сравнению с турбобуром является то, что он обладает относительно жёсткой рабочей характеристикой. По принципу действия ВЗД относятся к роторным машинам объёмного (гидростатического) типа. Объёмные двигатели действуют от гидростатического напора в результате наполнения жидкостью рабочих камер и перемещения вытеснителей. Под вытеснителем понимается рабочий орган, совершающий работу под действием на него давления жидкости. Ротор расположен в статоре с эксцентриситетом. Вследствие разницы чисел заходов в винтовых линиях статора и ротора их контактирующие поверхности образуют ряд замкнутых полостей – шлюзов между камерами высокого и низкого давления. Шлюзы перекрывают свободный ток жидкости через двигатель, в них давление жидкости создаёт вращающий момент, передаваемый долоту.

К особенностям принципа действия следует отнести:

— отсутствие быстроизнашивающихся распределительных устройств, поскольку распределение жидкости по шлюзам рабочих органов осуществляется автоматически за счёт соотношения числа зубьев и шагов винтовых поверхностей ротора и статора;

— кинематику рабочих органов, в движении которых сочетается качение со скольжением при относительно невысоких скоростях последнего, что снижает износ рабочей пары;

— непрерывное изменение положения контактной линии в пространстве, в результате чего механические примеси, находящиеся в перекачиваемой жидкости, имеют возможность выноситься потоком из рабочих органов.

Двигатель состоит из трёх основных узлов: секции двигательной, секции шпинделя и переливного клапана, которые соединяются между собой с помощью замковых резьб.

Переливной клапан предназначен для сообщения внутренней полости бурильной колонны с затрубным пространством при спуско-подъёмных операциях на скважине.

Секция двигательная и шпиндельная включает статор 1 и ротор 2, двухшарнирное соединение 3 и корпусные переводники 4 и 5. Рабочие органы, ротор и статор представляют собой зубчатую пару с внутренним косозубым зацеплением с разницей в числах зубьев, равной единице.

Статор 1 имеет десять внутренних винтовых зубьев левого направления, выполненных на обкладке из эластомера, привулканизированной к расточке корпуса.

Ротор 2, на наружной поверхности которого нарезаны девять винтовых зубьев левого направления, выполняется из коррозионностойкой стали или конструкционной стали с хромированием зубьев.

Верхний конец полого ротора 2 закрыт пробкой и свободен, а к нижнему присоединено двухшарнирное соединение 3, преобразующее планетарное движе-ние ротора в соосное вращение вала шпинделя.

Опора 6 предназначена для восприятия осевых нагрузок действующих на вал шпиндельной секции и на ротор двигателя. Осевая нагрузка на ротор двигате-ля сопоставима по величине с осевыми нагрузками на долото и может оказывать существенное влияние на работоспособность двухшарнирного соединения и на радиальные подшип-ки 7.

1-статор; 2-ротор; 3-двухшарнирное соед-ние; 4,5,11-верхний, сред-й и ниж-й переводники; 6-многорядная упорная шаровая опора; 7-радиальный подшипник; 8-вал шпинделя; 9-корпус шпинделя; 10-муфта соединительная; 12-ниппель; 13-распорное кольцо

Техническая характеристика дв-ляД-195(L,мм;Æ,мм, Заходность ротора и статора, Расход раб жидкости, л/с,

ω вала, с -1 ,ΔΡ, МПа; М-ент силы на валу, кН м)

Рабочая хар-ка забойного винтового двигателя типа Д2-172М:

:а — холостой ход двигателя (М = 0; п = max); 6 — режим максимального к.п.д. (оптимальный режим); в — режим максимальной мощности (экстре­мальный режим); г — тормозной реж (л = 0; М = max)

Забойные двигатели

Для выполнения процесса бурения скважин используется специальное оборудование – забойные двигатели. Существует несколько разновидностей оборудования данного вида, каждый из которых имеет свое предназначение и технические характеристики.

Забойные двигатели для бурения скважин

Одним из видов погружных устройств, которые применяются для бурения скважин, разного типа являются забойные двигатели.

Принцип работы механизмов заключается в том, что происходит преобразование электрической энергии в гидравлическую или пневматическую. В результате этого происходит вращение бурового долота, что приводит к разрушению породы в середине забоя скважины.

Оборудование можно условно подразделить на несколько видов:

• вращательные;
• ударные;
• пневматические;
• гидравлические (объемного типа и гидродинамические);
• электронные.

Энергия проходит по колонне, расположенной в середине бурильной трубы посредством использования специального типа кабеля.

Применение забойного двигателя способствует повышению скорости выполнения рабочего процесса, уменьшению стоимости рабочего процесса, понижения затрат энергии, уменьшает возможность возникновения аварийных ситуаций.

Стоит также отметить довольно высокий показатель эффективности эксплуатации забойных двигателей при их использовании для бурения скважин.

Принцип работы винтового забойного двигателя

Независимо от типа забойных двигателей, они состоят из таких составных частей:

• узел перепускного клапана;
• отсек преобразования энергетического потока раствора;
• механизм, соединяющий валы шринделя и мотора;
• механизм приводного вала с подшипниками.

Узел клапана перепускного приводит к тому, что колонна наполняется или освобождается. Если забойный двигатель настроен на минимальный показатель мощности, происходит придавливание клапана в нижней части колонны. Это приводит к его выходу из внетрубного в затрубное пространство. В результате этого раствор перенаправляется в двигатель.

При уменьшении скорости воздушного потока, пружина приводит к вращению поршня клапана. Он выставляется в положение «открыто», что приводит к открыванию перепускного отверстия.

Для того чтобы избежать возможности попадания твердых частиц, которые находятся в затрубном пространстве, необходимо установить переходник с клапаном максимально близко к мотору.

Забойный двигатель имеет также возможность функционировать без клапана. Но этот вариант значительно понижает эффективность работы оборудования.

Турбинные и турбинно-винтовые забойные двигатели

Отличительной особенностью забойных двигателей турбинного типа заключается в том, что их конструкция включает в себя турбины.

Такие двигатели могут быть выполнены в нескольких вариантах:

• цельнолитые металлические;
• составные металлические с точным литьем;
• составные пластмассовые, представляют комплект ступицы из металла и проточной части из пластмассы.

Современные технологии позволяют разрабатывать и внедрять в производство новые модели турбинных забойных двигателей.

Для выполнения процесса бурения скважин на большой глубине, используются турбовинтовые забойные двигатели. При помощи использования оборудования данного типа можно выполнять бурение скважин в двух направлениях: вертикальном и наклонном.

Кроме этого, турбинно-винтовые двигатели успешно используются и в качестве забойного привода или двигателя-отклонителя.

Гидравлические забойные двигатели

Гидравлические забойные двигатели применяются при необходимости выполнения бурения скважин или капитальном ремонте нефтяных скважин. Они также используются в горной промышленности.

Конструкция гидравлического забойного двигателя состоит из статора с выходными и входными каналами, а также лопастями поворотного типа. Его полость имеет элипсообразное поперечное сечение.

Забойные двигатели гидравлического типа отличаются высокий уровень надежности и рабочего ресурса. Это стало возможным в результате их упрощенной конструкции.

Стоит также возможность простоту процесса их обслуживания, который можно выполнять непосредственно на месте работы оборудования.

Специалисты работают над повышением уровня надежности данного типа оборудования при его работе с растворами, в состав которых включены абразивные частицы. Это является слабой стороной гидравлических забойных двигателей.

Забойный двигатель Д 105

Забойный двигатель Д 105 – это одна из моделей гидравлического (винтового) забойного двигателя, который часто применяется для выполнения бурения скважин на большой глубине в вертикальном или горизонтальном направлении.

Довольно активно данная модель используется при необходимости выполнения процесса выбуривания песчаных пробок или отложения солей.

Его диаметр достигает 106 мм, а диаметр долот, которые используются для его работы, колеблется в пределах 120 – 151 мм. На холостых оборотах выходной вал вращается со скоростью в пределах 192 – 313 оборотов за 1 минуту.

Основные области применения забойного двигателя Д 105 – нефтегазовая и нефтедобывающая отрасли.

Где купить забойные двигатели

Забойные двигатели можно купить, как через посредников, так и в компаниях, которые непосредственно занимаются их производством.

В первом случае не избежать довольно внушительной переплаты, так как каждый из посредников делает наценку стоимости оборудования от цены производителя.

Второй вариант наиболее выгоден. Подобным образом, можно приобрести забойные двигатели по реально низкой цене.

Есть также возможность купить оборудование данного типа не новое, а бывшее в употреблении. Но при этом не исключена возможность того, что двигатели прослужат короткий промежуток времени.

Производители и поставщики забойных двигателей

В стране немало компаний, которые специализируются на производстве и поставке забойных буровых двигателей.

Среди известных организаций можно назвать следующие:

1. «Завод Уралнефтемаш» известен не только на территории нашей страны, но и в странах СНГ. Основное направление деятельности компании заключается в выпуске буровых установок, винтовых забойных двигателей, а также запчастей и комплектующих к ним. Каждое наименование выпускаемой заводом продукции, отличается высоким качеством.
2. ООО «БурТехРесурс» специализируется на выпуске нефтепромышленного оборудования, а также систем, предназначенных для очистки буровых растворов от сторонних фракций. Среди клиентов компании не только отечественные, но и зарубежные предприятия.

Это только некоторые компании, которые занимаются поставкой и производством забойных буровых двигателей.

Забойные двигатели на выставке

На выставке «Нефтегаз» будут представлены современные модели разных типов забойных двигателей от отечественных и зарубежных производителей. Участие в выставке ведущих нефтегазовых компаний, производителей оборудования и правительственных представителей говорит об особом статусе мероприятия.

Посетители выставки «Нефтегаз» могут ознакомиться и с другим оборудованием, предназначенным для добычи, транспортировки и переработки углеводородов, в том числе забойные двигатели. В рамках выставки проходят тематические конференции, семинары и деловые встречи.

Винтовые забойные двигатели (ВЗД)

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

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).

Винтовые забойные двигатели имеют в своем составе:

• шарошечные долота
• Безопорные долота
• бурильные головки (обеспечивают требуемый зазор мажду корпусом двигателя и стенками скважин)

ВЗД эксплуатируются при использовании буровых растворов плотностью не более 2000 кг/м 3 , 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.

(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.