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.

Так же применяется 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 и применимы в бурении и капитальном ремонте скважин.

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 капитальном ремонте скважин), 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.

Винтовой забойный двигатель: характеристики, устройство, правила эксплуатации

Нефтяная, газодобывающая отрасли нуждаются в применении специального оборудования. Для организации рабочего цикла часто применяется винтовой забойный двигатель (ВЗД ). Он участвует в процессе добычи жидких и газообразных, а также твердых полезных ископаемых, а также может применяться в процессе проведения ремонта уже существующих скважин.

Специальное оборудование обладает рядом особых технических характеристик. Чтобы агрегат в полной мере выполнял возложенные на него функции, его требуется правильно подбирать в соответствии с существующими условиями эксплуатации. Для этого необходимо понимать устройство конструкции ВЗД, а также правила его применения на различных объектах.

Общая характеристика

Винтовой забойный двигатель применяется в добывающей промышленности для осуществления бурения глубоких, наклонно-направленных, горизонтальных и вертикальных скважин. Он позволяет разбуривать пробки из песка, солевых отложений, цементные мосты.

Чтобы двигатель мог выполнять свои функции, он обладает определенным крутящим моментом. В зависимости от своих технических характеристик оборудование может разрушать горные породы с требуемой скоростью. Это обеспечивает высокую эффективность технологического цикла.

Диаметр ВЗД может составлять от 54 до 230 мм. В конструкции применяются прочные, но эластичные зубья. Это позволяет обеспечить высокую жесткость конструкции на изгиб, уменьшить утечку жидкостей при их прокачке.

Производство винтовых забойных двигателей началось в 1962 году. Его выпустил американский производитель «Дайна-Дрилл». Это был одновинтовой насос. Подобную конструкцию придумал в 1930 г. французский инженер Муано.

Характеристики первого ВЗД несколько отличались от современных агрегатов. Он обеспечивал эффективное наклонное бурение. При этом его частота оборотов составляла 200 об./мин. В 1966 г. отечественными технологами был создан агрегат, который отличался тихим ходом. Он имел возможность регулировать обороты от 100 до 200 об./мин.

Со временем прибор совершенствовался. Появилось множество разновидностей подобного оборудования. Они применяются в различных отраслях добывающей промышленности. Чтобы обеспечить правильное бурение в различных условиях, конструкция и принцип действия ВЗД могут несколько отличаться. Однако главный принцип работы остается прежним для всех разновидностей.

Конструкция

Конструкция представленного оборудования может несколько отличаться. Для примера можно рассмотреть устройство винтового забойного двигателя ДР 95. Этот прибор является симметричным роторным оборудованием. При его работе применяется зубчатое зацепление косого типа. Механизм приводится в действие давлением подаваемой жидкости.

Конструкция состоит из узла двигателя, а также рабочей части. Первый элемент системы является основным силовым компонентом. Именно от его характеристик зависят эксплуатационные особенности оборудования. В их число входят мощность, КПД, крутящий момент, а также частота вращения ротора.

Двигательный узел состоит из статора (корпуса) и эластомерной вставки с резьбой. За нее зацепляется ротор. Под давлением жидкости начинается вращение. Эластичная оболочка разделяет камеру на две полости. Она изготавливается из прочной резины, устойчивой к износу. При попадании абразивных частиц на поверхность материала он не разрушается.

На рабочие характеристики винтового забойного двигателя влияет множество факторов. Ротор конструкции имеет вид сверла. Его покрытие очень прочное, изготовленное из легированной стали. Количество зубьев у ротора на один меньше, чем у статора. Двигательный узел имеет определенное натяжение зубчатого зацепления. Оно зависит от особенностей рабочей жидкости, температуры эксплуатации и т. д.

Рабочие органы представлены шпиндельным узлом и регулятором угла. Первый из них передает крутящий момент рабочему инструменту. Он подвергается значительным осевым нагрузкам. Шпиндельный узел имеет корпус и две опоры. На них крепится вал. Узел может быть открытым или закрытым.

Принцип действия

Принцип работы винтового забойного двигателя определяется особенностями конструкции. Это объемные роторные машины. Статор их двигателя с полостями примыкает к камерам низкого и высокого давления. Винт-ротор является ведущим. Через него передается крутящий момент на исполнительный механизм.

Винты-замыкатели называются ведомыми элементами конструкции. Они уплотняют двигатель. При помощи замыкателей происходит предотвращение попадания жидкости из камеры с высоким давлением в отделение с низким давлением.

Жидкость циркулирует внутри конструкции через рабочие органы. Это перемещение возможно благодаря перепаду давления. При этом на роторе происходит крутящий момент. Винтовые элементы рабочих органов взаимно замыкаются. Они отделяют область высокого и низкого давления.

Поэтому принцип работы винтового забойного двигателя похож на работу поршневых разновидностей оборудования. В рабочих органах ВЗД создаются разобщенные шлюзы. Для этого число зубьев статора определяется большим на единицу, чем у ротора (внутреннего элемента). Длина рабочих органов не может быть меньше, чем шаг винтовой поверхности наружного элемента. Это определяет нормальное функционирование системы. Причем отношение шагов наружных и внутренних поверхностей винта пропорционально отношению числа зубьев. Их профили характеризуются взаимоогибаемой формой. Это позволяет им находиться в непрерывном контакте на любом участке сцепления.

Кратность является одним из главных параметров работы оборудования. ВЗД отечественного производства обладают многозаходными рабочими органами. Иностранные компании изготавливают представленные двигатели с одним или несколькими заходами ротора.

Классификация

В соответствии с различными факторами происходит классификация винтовых забойных двигателей. По признаку применения различают три основные категории ВЗД:

1. Агрегаты для бурения в вертикальном направлении. Они имеют прямое исполнение. Наружный диаметр подобных агрегатов составляет от 172 до 240 мм.
2. Оборудование для горизонтального и наклонно-направленного бурения. Такие двигатели имеют искривленную компоновку. Диаметр может составлять от 76 до 240 мм.
3. Приборы для ремонтно-восстановительных работ. Они имеют прямое исполнение. Наружный диаметр составляет от 43 до 127 мм.

Силовые агрегаты могут иметь активную часть длиной до 550 см. Винтовой забойный двигатель 105, 127, 88, 76, 43 мм может иметь прямое исполнение. Также выпускаются приборы с возможностью регулировки угла наклона. Это позволяет осуществлять также наклонное или горизонтальное бурение. Для создания вертикальной скважины применяются силовые агрегаты. Их наружный диаметр, мощность должны быть больше. Габариты диаметра для таких агрегатов не могут быть менее 178 мм.

Наиболее простыми и недорогими разновидностями представленного оборудования являются ВЗД для проведения ремонта скважин. Это надежные агрегаты, оснащенные торсионной трансмиссией, резинометаллическими опорами.

Оборудование для бурения оснащается дополнительно противоаварийными узлами. Это позволяет исключить оставление деталей на забое при возникновении поломки. Шпиндельные отсеки двигателей для наклонного и горизонтального бурения имеют в своем составе радиальные твердосплавные опоры. Их подшипники обладают высокой грузоподъемностью.

В конструкцию ВЗД могут добавляться фильтры-шламоуловители, калибраторы, центраторы, обратные и переливные клапаны. Также в комплект поставки могут входить различные элементы ЗИП.

Количество секций

Винтовой забойный двигатель может иметь одну, две или три секции. Это определяет особенности конструкции и эксплуатации прибора. Односекционные разновидности обозначаются буквой «Д». Они состоят из секции шпинделя и двигателя. Также в конструкции присутствует переливной клапан.

Односекционные конструкции имеют прямое исполнение и применяются чаще всего для ремонта скважин. Благодаря особенностям механизма, применению специальных уплотнителей бурение возможно при перепадах давления на долоте до 8-10 МПа. Односекционные конструкции изготавливаются в нашей стране и за границей. Их широко применяют в современной добывающей промышленности.

Секционные винтовые забойные двигатели для бурения скважин могут иметь определенные особенности конструкции. Их применение считается более целесообразным. Односекционные разновидности значительно теряют свои энергетические характеристики при износе винтовых пар.

Многосекционные виды оборудования сегодня пользуются большей популярностью. Благодаря особенностям их конструкции снижаются нагрузки на рабочие пары. Также снижается расход бурового раствора. В зависимости от их класса в обозначении присутствуют 2 буквы. Двигатели типа «ДС» могут применяться для бурения наклонных и вертикальных тоннелей различного назначения. Их буровой раствор не может иметь температуру выше 373 К.

Серия «ДГ» имеет меньшую длину. Необходимые мощность и ресурс обеспечивает двухшаговая силовая секция. В таких конструкциях применяются различные механизмы искривления корпуса. Могут оснащаться центрирующими приборами.

Серия «ДО» представлена отклонителями. Они имеют жесткий кривой переводник. Угол искривления шпиндельной секции нерегулируемый. Применяется для создания наклонных тоннелей. Приборы типа «ДР» имеют регулятор угла искривления.

Турбовинтовые разновидности

Относительно новой разновидностью оборудования являются турбинно-винтовые забойные двигатели . Они характеризуются высокой стойкостью и высокой энергетической эффективностью. Эту разновидность агрегатов иногда относят к классу редукторных турбобуров.

На винтовую пару возложена функция редуктора и стабилизатора. Это позволяет оптимизировать работу долота при нагрузке. Конструкция турбинно-винтовых разновидностей отличается высокой сложностью. При ее создании требуется много материала. Поэтому стоимость представленного оборудования остается высокой. Однако его рабочий ресурс превышает обычные разновидности ВЗД.

Винтовая пара представленных агрегатов может монтироваться над секцией турбин или между ней и шпиндельным отсеком. Первый вариант является более простым. В состав агрегата входит в этом случае только один узел соединения. Второй вариант винтовой пары менее надежен из-за своей сложности. Здесь необходимо создать два роторных узла соединения.

Характеристики ВЗД

Особенности бурения винтовыми забойными двигателями определяют их характеристики. Их необходимо учитывать для правильного выбора параметров бурения. Условия стабильного бурения должны сохраняться на протяжении всего производственного процесса. Сегодня ВЗД совершенствуются в соответствии с существующими требованиями добывающих компаний.

Характеристики оборудования постоянно улучшаются. Это позволяет правильно применять новые технологии в добывающей отрасли. В современном мире стали использоваться регулируемые приводы насосов. Бурение может проводиться в наклонных и горизонтальных направлениях. Также используется метод с применением непрерывных труб. Чтобы обеспечить высокую продуктивность новых процессов, характеристики оборудования исследуют различными способами.

При разработке программы бурения производятся стендовые испытания ВЗД. Это позволяет выявить их фактические параметры работы. Это влечет за собой дополнительные затраты производителя. Однако оборудование используется более эффективно. Производственные циклы организуются гармонично. По давлению, которое присутствует в стояке, можно контролировать нагрузку долота. Это влечет за собой повышение эффективности бурения.

Винтовые забойные двигатели для бурения скважин могут иметь статические или динамические характеристики. В первом случае отражается зависимость между наблюдаемыми переменными в установившихся режимах. Динамические характеристики отражают отношение показателей в неустановившихся режимах. Их обуславливает инерционность наблюдаемых процессов.

Стендовые и нагрузочные характеристики

Бурение винтовыми забойными двигателями требует соблюдения установленных производителем оборудования правил и норм. Их определяют при помощи стендовых или нагрузочных характеристик. В первом случае на производстве тестируются функции крутящего момента. Нагрузочные характеристики определяются после стендовых испытаний для определенных условий создания скважин.

С увеличением крутящего момента создается определенный перепад давления. Этот показатель увеличивается линейно. Частота вращения в начале испытания снижается незначительно. При приближении к полной остановке перепад происходит резко. Кривые общего КПД и мощности имеют экстремальный вид.

Тестирование производится в четырех основных режимах (оптимальный, холостой, экстремальный и тормозной). Рабочим режимом ВЗД при исследовании в условиях производства являются экстремальные условия. В соответствии с этим режимом обозначаются паспортные данные оборудования.

Считается оптимальным, если агрегат используется в режимах, которые смещены влево от экстремальных условий работы. Крутящий момент в этом случае будет иметь меньшее значение. При экстремальном режиме работы определяются наиболее эффективные разрушения пород. Граница этого режима проходит рядом с зоной устойчивости функционирования прибора. При дальнейшем повышении нагрузки бурение винтовыми забойными двигателями останавливается. Наступает режим торможения.

Особенности эксплуатации

По результатам тестирования характеристик оборудования устанавливаются правила эксплуатации винтовых забойных двигателей. В холодный период механизм отогревается паром или горячей водой. Промывочная жидкость должна иметь определенный уровень вязкости и плотности. В ней не должен находиться песок.

Когда прибор будет опущен на глубину 10-15 м, нужно включить насос, промыть зону скважины. Двигатель в этот момент не выключается. Если долото новое, необходимо произвести его приработку при небольшой осевой нагрузке.

Инструмент подается в скважину плавно. Не должно быть рывков. Периодически выполняется проворачивание ВЗД. При этом необходимо правильно задавать параметры расхода промывочной жидкости. Для этого необходимо учесть особенности очистки забоя.

В процессе работы рабочая пара постепенно изнашивается. Чтобы обеспечить высокую эффективность при эксплуатации винтового забойного двигателя , необходимо увеличить расход промывки. Он должен быть на 20-25% выше в конце работы сравнительно с начальным уровнем.

Чтобы в двигателе не накапливался шлам, необходимо перед наращиванием мощности или его подъемом при замене долота промыть скважину. Только после этого инструмент приподнимается над зоной забоя на 10-12 м. После этого можно остановить насос, открыть задвижку.

Также в процессе функционирования оборудования необходимо выполнять проверку его работы. Двигатель с установленной периодичностью отправляют на техобслуживание. При снижении его мощности, эксплуатационных характеристик оборудование отправляют на ремонт. Эта процедура также необходима при повышении зазора шпинделя. Также процедура обслуживания двигателя производится при зашламлении или невозможности произвести запуск над скважиной.

В заключение

Винтовой забойный двигатель должен обладать определенной скоростью потока моющей жидкости. Чем больше лопастей имеет ротор, тем больший объем промывки требуется в процессе работы оборудования. Однако это приводит и к увеличению износа агрегата.

Когда отсутствует нагрузка на оборудование (при поднятии со скважины), давление внутри падает. Если ротор подвешен, привести оборудование тяжелее. Для этого требуется огромное количество энергии.

Когда нагрузка на ВЗД увеличивается, в момент начала процедуры наблюдается падение давления. Однако оно восстанавливается при раскручивании ротора.

При работе агрегата необходимо учитывать предельно допустимое давление в рабочем узле. Если установленную черту превысить, эластомер деформируется. Крутящий момент будет потерян. При этом работа не сможет продвигаться дальше, а рабочая жидкость будет вхолостую протекать через двигатель.

Наименьшие потери рабочего давления наблюдаются при увеличении площади сечения долота. Если же его размер уменьшается, происходит быстрый износ подшипников. Поток жидкости не успевает их охлаждать.

Рассмотрев, что собой представляет винтовой забойный двигатель, его основные характеристики и условия применения, можно правильно подобрать оптимальную модель оборудования.