Винтовые забойные двигатели (ВЗД)

Развитие гидравлических забой­ных двигателей (ГЗД) в последние десятилетия прошлого века тесно связано с появление новых высоко­производительных трехшарошечных долот с герметизированными масло- наполненными опорами. Для эффек­тивной отработки этих долот потре­бовались низкие частоты вращения - от 60 до 300 об/мин (1 - 5 с - 1). Од­нако серийно выпускаемые быстро­ходные турбобуры не могли обеспечивать такие режимы работы. По­требовалось создание новых забойных двигателей с низкой частотой мращения выходного вала.

Французский инженер Р. Муано в 1930 г. получил патент на ро­торный винтовой насос, который стал родоначальником нового прин­ик на объемных гидравлических машин. Это в большей степени во­площение идеи Архимедова винта в новый объемный насос.

Первая конструкция объемного двигателя в СССР была предло­жена Г.А. Любимовым еще в 1932 г., однако успеха она не имела. Не нашли промышленного применения и ряд других конструкций совет­ских и зарубежных авторов.

Винтовые двигатели (рис. 5.13 и 5.14), применяемые за рубежом, представляют собой обращенный винтовой насос с однозаходным пиитом. Они имеют характеристику, близкую к характеристике турбо­буров, незначительно уступая им по мощности. Например, американ­ский двигатель «Дайна Дрилл» выпущенный в 1962 г., диаметром 197 мм при расходе жидкости 28 л/с имеет частоту вращения 320 об/мин, вра­щающий момент 1300 Н, мощность 42 кВт и перепад давления 17 МПа, что соответствует примерно характеристике турбобура А7Н4С.

В отличие от «Дайна Дрилл» в отечественных двигателях применен многозаходной винтовой механизм, который одновременно является объемным двигателем и планетар­ным редуктором. Такой двигатель был создан в 1966 г. в Пермском филиале ВНИИБТ М.Т. Гусманом, С.С. Никомаровым, Ю.В. Заха­ровым, Д.Ф. Балденко и др. Боль­шой вклад в развитие современных конструкций ВЗД внесли также Ю.А. Коротаев, A.M. Кочнев, М.Г. Боборов, В.В. Голдобин и др.

Они широко и эффективно используются во многих нефтяных регионах нашей страны и за рубежом. Ротор и статор этого двигателя представляют собой как бы пару зубчатых колес внутреннего зацепле­ния. Зубья расположены по винтовой линии, поэтому ротор можно рассматривать как многозаходной винт, а статор - как многозаходную гайку, имеющие разные шаги. Число зубьев (заходов) статора на один больше, чем у ротора. Ротор располагается в статоре наклонно и пол­ностью разделяет входную и выходную полости двигателя. Буровой раствор, поступая под давлением в замкнутый объем, давит на поверх­ность ротора и заставляет его обкатывать поверхность статора, совер­шая планетарное движение.

Таким образом, под давлением жидкости образуются и замыка­ются камеры, через которые промывочная жидкость, как сквозь шлю­зы, проходит двигатель, формируя на роторе вращающий момент и мощность. С помощью шарниров последние преобразуются во враща-

гельное движение шпинделя, который по назначению и устройству аналогичен шпинделю турбобура.

Поскольку ротор в двигателе перемещается с эксцентриситетом, вращающий момент с ротора на вал шпинделя передается двухшар- нирным карданным соединением. Шпиндель имеет осевую многоряд­ную опору, радиальную металлорезиновую опору и сальниковое уп­лотнение для снижения утечек через опоры шпинделя.

При расходе промывочной жидкости 23 - 36 л/с и перепаде давле­ния 4-6 МПа двигатель Д2-172М развивает мощность 33 - 91,9 кВт при частоте вращения вала 115 - 220 об/мин. На рис. 5.16 представлена характеристика двигателя Д2 - 172.

Таким образом, объемный двигатель имеет вполне приемлемую для работы породоразрушающего инструмента характеристику, и в первую очередь для шарошечных долот. Он имеет невысокие разгон­ные частоты и обладает большой нагрузочной способностью.

Целесообразность применения винтового двигателя для создания забойного гидравлического вращателя объясняется следующими ос­новными преимуществами:

1) отсутствие клапанных и золотниковых распределителей потока жидкости;

2) трение в паре «ротор-статор» характеризуется в основном ка­чением, так как в точках контакта рабочих органов имеют место мгно­венные скольжения;

3) непрерывное изменение положения линии контакта рабочих органов при вращении ротора позволяет потоку промывочной жидко­сти удалять абразивные частицы, попадающие в камеры и шлюзы.

Условия создания шлюзов в паре «ротор-статор» объемных дви­гателей следующие:

3- число зубьев или заходов статора z\ должно быть на единицу больше, чем число зубьев ротора гг,

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

Зависимость рабочих параметров винтовых двигателей от кине­матического отношения представлена на рис. 5.15. Винтовой механизм с многозаходным ротором выполняет роль двигателя и одновременно понижающего редуктора, передаточное число которого пропорцио­нально заходности ротора.

Характеристика винтового двигателя отличается от характери­стики турбобура (рис. 5.16). Теоретически частота вращения его про­порциональна расходу промывочной жидкости и не зависит от вра-

щающего момента. По мере роста перепада давления увеличивается крутящий момент на долоте:

Практически вследствие значительного трения в двигателе и утечек раствора вращающий момент не прямо пропорциона­лен перепаду давления, а частота вращения несколько уменьшает­ся по мере роста вращающего момента, но гораздо меньше, чем у турбобура. В объемном двига­теле при повышении крутящего момента давление продолжает расти пока или не сработает пре­дохранительный клапан, или рас­твор, отгибая резиновые элементы статора, не начнет проходить частично на забой. При этом снизится и частота вращения. Теоретически частота вращения:

В винтовом двигателе энергия частично теряется на преодоление гидравлических сопротивлений, трение ротора о статор, трение в шпинделе, деформирование резины статора. Поэтому общий началь­ный КПД в режиме максимальной мощности винтовых двигателей равен 48 - 55 %. При этом мощность винтового двигателя

По мере износа контактирующих поверхностей статора и ротора характеристика двигателя ухудшается. Поэтому одна из главных про­блем - повышение износостойкости статора и ротора.

Стойкость статора в среднем 30 - 50 ч (редко до 180 ч). При буре­нии объемными винтовыми двигателями в твердых породах проходки на долото увеличивается более, чем в 2 раза, а в мягких - на 20 - 50 % по сравнению с турбинным, механическая скорость ниже на 20 - 25 % в обоих случаях. Он дает возможность контролировать отработку до­лота по изменению крутящего момента, поскольку одновременно с ростом момента увеличивается и давление на стояке.

Так, при изнашивании опор долота в условиях неизменной осевой нагрузки момент и давление на стояке увеличиваются, при изнашива­нии зубьев долота - уменьшаются.

Винтовой двигатель менее чувствителен к уменьшению диаметра ствола, что в сочетании с меньшим перепадом давления в нем делает его более перспективным для бурения глубоких скважин (вертикаль­ных и.наклонных) и особенно скважин с горизонтальным окончанием ствола.

Одним из возможных путей повышения энергетических параметров объемного двигателя является создание многосекционного варианта.

По своей характеристике объемный винтовой двигатель - весьма перспективная забойная машина и после усовершенствования и повы­шения ресурса работа, получит самое широкое применение в бурении.

Разработанные во ВНИИБТ С.С. Никомаровым, М.Т. Гусманом, Д.Ф. Балденко и др, впервые в мировой практике в конце 60-х годов винтовые забойные двигатели с многозаходными рабочими органами получили широкое распространение в бурении и капитальном ремонте нефтяных и газовых скважин. В последние годы ВЗД, являясь состав­ной частью многофункционального технологического комплекса, обеспечивают проводку горизонтальных скважин и дополнительных стволов.

Опытные образцы и промышленные партии двигателей выпуска­ются на заводах ОАО НПО «Буровая техника». Двигатели конструк­ции ВНИИБТ характеризуются следующими особенностями:

- Двигатели серии Д диаметром от 42 до 127 мм предназначены для капитального ремонта скважин. Двигатели этой серии также могут быть использованы при бурении прямолинейно-наклонных и горизонтальных участков вторых стволов скважин, проводимых из эксплуатационных колонн.

- Двигатели серии ДК также предназначены для ремонтно- восстановительных и аварийных работ при капитальном ремонте скважин. Особенность двигателя - наличие в комплекте трех взаимозаменяемых модификаций винтовых пар, что позволяет изменять частоту вращения от 0,3 до 4,0 с'¹.

- Двигатели серии ДГ диаметром от 60 до 195 мм предназначе­ны для бурения участков набора кривизны наклонно направлен­ных и горизонтальных скважин. Двигатели диаметром 108, 127 и 155 мм могут выпускаться с регулируемым углом перекоса кор­пуса между шпиндельной секцией и рабочей парой.

- Двигатели диаметром 95, 106 и 108 мм выпускаются с различ­ными рабочими органами, обеспечивающими рациональные ре­жимы работы породоразрушающего инструмента (частоту вра­щения и вращающий момент).

- Двигатели диаметром от 145 до 240 мм предназначены для бу­рения вертикальных, наклонно направленных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин.

При бурении скважин на средних и больших глубинах в диапазо­не частот и = 100 -250 мин"¹ целесообразно применять ВЗД (рис. 5.17, табл. 5.11, табл. 5.12).