Энергетическая характеристика винтовые забойных двигателей

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

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 28.05.2018 2018-05-28

Статья просмотрена: 332 раза

Библиографическое описание:

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: 07.09.2021).

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.

Момент на выходном валу двигателя напрямую зависит от межвиткового перепада давления в статоре:

(1)

P — перепад давления в PO, Па

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

Читать еще:  Где смотреть температуру двигателя ситроен с4

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.

Забойный двигатель

Изобретение относится к забойным двигателям и предназначено для бурения скважин на полезные ископаемые. Известен турбобур с вращающимся кор пусом, содержащий рабочий элемент, вы« полненный в виде неподвижной системы статора, размещенной в центре, и подвиж ной системы ротора, находящий в корпусе и вращающейся вместе с ним. Рабочий элемент трубобура связан со щпинделем. Лопатки ротора и статора чередуются между собой и имеют противоположный наклон. Лоток промывочной жидкости направляется неподвижными лопатками статора на лопатки ротора и происходит вращение корпуса, к которому навернуто долото 1 Б известном трубобуре довольно сложная система неподвижного статора с подвижным ротором, имеющим более 300 деталей. При сработке подшипников щпин- деля детали, ротора начинают касаться деталей статора, в результате двигатель выходит из строя. Перекос вращающейся массы на периферию ухудшает условна работы радиальных опбр в рабочем элементе и снижает их стойкость. Известен также забойный двигатель, содержащий ротор с винтовыми каналами и шпиндель 2>. Недсх;.татком известного двигателя является низкая энергетическая х актеристика , обусловленная высокими скоростями вращения и низким крутящим моментом на долоте. Целью изобретения является улучшение энергетической характеристики забойного двигателя. Указанная цель достигается тем, что ротор выполнен в виде; корпуса, вмещающего концентрично установленные один в другой сердечники, на наружной поверхности которых выполнены винтовые каналы , причем винтовые канагц 1 выполнены с плавно уменьшающимся от входа к. лыходу сечением, а внутренние поверхности корпуса и сердечников облицованы элаотичным материалом. На фиг. 1 изображен забойный двигатель с вырывом места конусных соединений , разрез; на фиг. 2 — сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 — сечение Б-Б на фиг, 1. Ствол шпинделя 1, имеющий присоединительную резьбу на бурильные трубы (на чертеже не показан), шаровым подши НИКОМ 2 соединяется с корпусом шпинделя 3. В шпшзделе имеется уплотнение 4. К корпусу шпинделя 3 крепится корпус ротора 5. Внутренняя поверхность корпуса 5 облицована эластичной обкладкой 6, например резиновой. В нижней части корпус 5 имеет резьбу для присоединения долота (на чертеже не пока ,зано). В корпус ротора 5 помещается серде ник 7, имеющий на наружной поверхност винтовые каналы а и на внутренней поверхности обкладку 8 из эластичного ; материала. В сердечнике 7 концентрачно размещается сердечник 9, имеющий на поверхности винтовые каналы Ъ i подобные каналам d Полых сердечников 7, но разного диаметра и размещенных друг в друге, может быть 2, 3 и т.д. Сердечники 7 и 9 внизу имеют конусы с для жесткой связи мемаду собой и с корпусом 5. Винтовые каналы Q и Ъ от входа до выхода промывочной жидкости выполнены с плавно уменьшающимся сечением к могут иметь .один и тот же, угол к оси ротора или разный, например 45® и Ю . Забойный двигатель работает следующим образом. Пройдя шпиндель, поток 1фомывочной жидкости поступает в винтовые каналы сердечшжа ротора. При движении жидкости внутри винтового канала создаются сипы трения и возникает перепад давления по длине канала, Благод я криволинейности канала, возникающие реактивны силы не уравновешиваются и появляется сила, создающая крутящий момент. Сумма таких сил и вращает ротор. Изменением количества каналов, их длины, криволинейности и площадей сечения на вхоДе и выходе регулируются параметры энергетической характеристики, в том числе и скорость вращения ротора с долотом. Отсутствие в рабочем элементе двигателя деталей, вращающихся друг относительно друга, существенно упрощает конструкцию и снижает количество деталей . Стойкость ротора зависит от стойкости винтовых каналов, которые испытывают действие абразивных частиц в промывочной жидкости. Шпиндель забойного двигателя взаимозаменяем и может меняться на буровой. Использование предлагаемого забойного двигателя позволяет снизить скорость вращения вала и повысить крутящий мо-. мент на долоте. формула изобретения Забойный двигатель, соаержаший ротор с винтовыми каналами и шпиндель, отличающийся тем, что, с целью улучшения энергетической характеристики, ротор выполнен в виде корпуса, вмещающего концентрично установленные один в другой сердечники, на наружной поверхности которых выполнены винтовые каналы, причем винтовые каналы выполнены с плавно уменьшающимся от входа к выходу сечением, а внутренние поверхности корпуса и сердечников облицованы эластичным материалом. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР N 115725, кл. Е 21 В 3/12, 1957. 2.Патент США № 2753154, кл. 175/1О7, 1956.

Читать еще:  Шаговый двигатель 17hs8401 характеристики

научная статья по теме ВИНТОВЫЕ ЗАБОЙНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ФИРМЫ «РАДИУС-СЕРВИС» Геофизика

Цена:

Авторы работы:

Научный журнал:

Год выхода:

Текст научной статьи на тему «ВИНТОВЫЕ ЗАБОЙНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ФИРМЫ «РАДИУС-СЕРВИС»»

Винтовые забойные двигатели фирмы «Радиус-Сервис»

заместитель начальника службы скважинных сервисов — начальник отдела операционной поддержки

ведущий конструктор службы главного конструктора

начальник отдела перспективных технологий

начальник участка нанесения газотермических покрытий

ООО «Фирма «Радиус-Сервис»

В статье описываются преимущества двигательных секций R-Wall c профилированным остовом статора и технология их изготовления, а также технология нанесения твердосплавного покрытия роторов ВЗД.

RADIUS-SERVICE DOWNHOLE DRILLING MOTORS

V. ANDOSKIN, А. VYGUZOV, А. KUZNETSOV, D. KHAIRULLIN, R. NOVIKOV, Radius-Service LLC

This article describes the benefits of R-Wall series motor sections with a shaped stator frame and the process of its manufacturing, as well as the process of hardfacing of downhole motor rotors.

Keywords: Radius-Service, even wall power section, R-Wall, even rubber thickness, ERT, even wall stator, downhole motor, PDM, mud motor rotor WC, rotor coated with tungsten carbide WC, hardfacing for oil, tungsten carbide coating, HVAF WC, WC coating, high velocity air fuel, ECM, electrochemical machining

«Фирма «Радиус-Сервис» ^^^^^^ было создано в 1992 г и сегодня является ведущим предприятием России по производству буровой техники. У компании своя крупная производственная база с современным высокотехнологичным оборудованием. Самой известной продукцией являются винтовые забойные двигатели. Здесь же производятся ясы, керноотборные снаряды, турбобуры, оборудование для зарезки боковых стволов, наддолотные амортизаторы, центраторы и калибраторы, немагнитные утяжеленные бурильные трубы, клапаны, фильтры колонные, переводники, оборудование для сервисных центров.

Постоянный рост требований к технико-экономическим показателям бурения заставляет «Радиус-Сервис» искать новые пути увеличения энергетических характеристик, надежности и КПД винтовых забойных двигателей. Качественный прорыв в данном направлении невозможен без внедрения новых технологий.

Рис. 1. Поперечное сечение стандартной двигательной секции и секции

ДВИГАТЕЛЬНЫЕ СЕКЦИИ R-WALL С ПРОФИЛИРОВАННЫМ ОСТОВОМ СТАТОРА

В результате проведенных опытно-конструкторских работ была разработана и освоена технология изготовления монолитной конструкции профилированного остова статора с равномерной толщиной эласто-мерной обкладки, получившая название R-Wall. Остов статора представляет собой стальную трубу с профилированной внутренней поверхностью. Внутренний профиль остова выполнен таким образом, чтобы обеспечить равномерную толщину эластомерной обкладки в пределах 5 — 12 мм, в зависимости от габарита забойного двигателя.

Конструктивные особенности двигательных секций R-Wall показаны на рис. 1.

В двигательных секциях R-Wall за счет снижения деформации зуба статора резко снижаются гистерезисные и объемные потери, что приводит к существенному увеличению КПД зацепления и позволяет уменьшить длину двигательной секции при сохранении аналогичных энергетических характеристик. Так, энергетическая характеристика двигательной секции R-Wall габарита 172 мм с длиной активной части 3000 мм соответствует характеристике стандартной двигательной секции с длиной активной части 5000 мм, а энергетическая характеристика двигательной секции R-Wall с длиной активной части 4000 мм ее превосходит (рис. 2).

ВЗД с профилированным статором может эксплуатироваться при больших дифференциальных перепадах давления, чем обычный ВЗД.

В настоящее время эксплуатируются двигательные секции, изготовленные по технологии R-Wall, типоразмеров 172 мм (длина активной части до 5000 мм), 95 и 106 мм с длиной активной части 4000 мм.

инструмент и оборудование 1

На рис. 3 дано сравнение механической скорости при бурении под эксплуатационную колонну двигателями ДРУ2-172РС с различными двигательными секциями, в том числе секциями R-Wall. Скважины пробурены на Приразломном месторождении в Западной Сибири. Интервал, в котором использовались двигатели 750 -2850 м, пройден одним долблением из-под кондуктора до проектного забоя.

Механическая скорость, полученная при бурении двигателями с двигательной секцией R-Wall с длиной активной части 4000 мм, на 23 — 25% превышает аналогичный показатель для двигателей с двигательными секциями, выполненными по стандартной технологии.

ОСНОВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ДВИГАТЕЛЬНЫХ СЕКЦИЙ R-WALL

1. Резиновая обкладка статора постоянной толщины существенно повышает энергетическую характеристику двигателя. Максимальная развиваемая мощность по сравнению с «обычной» двигательной секцией при одной и той же длине увеличивается на 50%. Значительно повышается тормозной момент двигательной секции, что практически исключает вероятность торможения при увеличении нагрузки.

2. За счет уменьшения максимальной толщины резиновой обкладки статора снижается количество вырабатываемого и сохраняемого тепла, что минимизирует усталость эластомера, обусловленную эффектом гистерезиса. Это обеспечивает работоспособность статора при повышенных нагрузках. Как известно, под действием циклической нагрузки при вращении ротора в резиновой обкладке статора возникает явление гистерезиса, в результате которого при каждом цикле происходит выделение тепла. Теплопроводность резины в 10 раз меньше теплопроводности стали и фактически равна теплопроводности дерева. По этой причине в двигательных секциях, выполненных по традиционной технологии, при повышении развиваемой мощности и/или температуры в скважине выше определенной величины происходит саморазогрев резиновой обкладки до температуры, при которой резина начинает терять свои упругие свойства вплоть до перехода в хрупкое состояние. Увеличение температуры приводит к расширению резины и увеличению натяга, что в свою очередь повышает тепловыделение, то есть имеется положительная обратная связь. Сильнее всего разогревается центральная часть каждого зуба статора, что приводит к быстрому развитию трещин и разрушению резиновой обкладки. Вот как выглядят последствия такого саморазогрева на поперечном разрезе статора (рис. 4, 5).

Читать еще:  Что означает двигатель плита

Энергетическая характеристика винтовые забойных двигателей

ВИНТОВЫЕ ЗАБОЙНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Типы ВЗД производства ООО «РСБ Сервис»:

  • Двигатели прямые;
  • Двигатели с регулятором угла.

Обозначение винтового забойного двигателя:

ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ ВЗД

1. Верхнее ловильное устройство служит для исключения оставления в скважине частей двигателя при поломке его корпусных деталей.

Двигательная секция предназначена для преобразования энергии движущегося потока промывочной жидкости во вращательное движение ротора. В состав рабочей пары входят ротор и статор.

2. Карданный вал служит для передачи планетарного вращения эксцентрично расположенного ротора, в осевое вращение вала шпиндельной секции.

Регулятор угла или кривой переводник предназначены для придания двигателю необходимого угла искривления.

3. Шпиндельная секция служит для восприятия гидравлических нагрузок, реакции забоя и радиальных нагрузок от долота при бурении.

Нижнее ловильное устройство служит для исключения оставления в скважине частей двигателя при поломке его внутренних деталей.

ДВИГАТЕЛЬНАЯ СЕКЦИЯ

  • Высокое качество применяемых материалов обеспечивает долговечность двигательных секций и минимизацию аварийности во время бурения;
  • Проектирование оптимального профиля, достижение расчетного натяга в зацеплении ротор-статор дают возможность обеспечивать заявленные характеристики на протяжении длительного срока эксплуатации;
  • Использование секций двигательных разной длины и разной заходности (зацепление ротор-статор) позволяют обеспечить требуемые характеристики для различных долот.

По профилю обкладки статора двигательные секции различаются:

  • Стандартные (с зубчатым профилем обкладки статора);
  • Профилированные (с равномерной обкладкой статора).

По условиям эксплуатации двигательные секции различаются:

  • Для стандартных условий бурения — с высококачественным эластомером обкладки статора и хромовым покрытием ротора.
  • В качестве бурового раствора используется техническая вода или растворы с плотностью до 1,5*10³ кг/м³;
  • забойная температура — до 120°С;
  • массовое содержание абразива – до 1%;
  • массовое содержание хлорид-ионов до 50 кг/м³;
  • массовое содержание нефтепродуктов до 10%;

  • Для солевых растворов с высокой концентрацией хлорид-ионов (более 50 кг/м³) используются роторы с покрытием из твердых сплавов (карбид вольфрама);
  • Для бурения скважин с высокой температурой на забое (до 180°С) используются статоры с термостойкими эластомерами;
  • Для повышенного содержания в буровых растворах нефтепродуктов, более 10%, используются статоры с эластомерами с повышенной стойкостью к нефтепродуктам;
  • Для бурения скважин с использованием аэрированных растворов. При изготовлении статоров применяются специальные эластомеры.

КАРДАННЫЙ ВАЛ

Использование чехлов без хомутов упрощает сборку, разборку и замену деталей вала карданного.

Увеличенное количество шаров обеспечивает повышение ресурса работы, возможность выдерживать большие нагрузки, снижение наработки тангенциального люфта.

РЕГУЛЯТОР УГЛА

Регулятор угла перекоса имеет пяту, армированную твердосплавными зубками в месте соприкосновения со стенкой скважины.

Возможна замена на прямой переводник или переводник с фиксированным углом перекоса.

Стандартный диапазон установки углов перекоса 0°-2,5°. По требованию заказчика возможно изготовление регулятора угла с углом перекоса до 3,0°.

СЕКЦИЯ ШПИНДЕЛЬНАЯ

Секция шпиндельная предназначена для восприятия осевых и радиальных нагрузок, действующих на двигатель, и состоит из: корпуса, вала, многорядного шарикового радиально-упорного подшипника, верхней и нижней твердосплавных радиальных опор.

Особенности конструкции секции шпиндельной:

  • Уменьшенная длина обеспечивает высокую интенсивность набора угла при бурении наклонных участков;
  • Максимально технологичный процесс разборки, сборки и замены узлов секции шпиндельной;
  • Увеличенный межремонтный период и срок службы деталей.

ОПОРЫ РАДИАЛЬНЫЕ

В качестве верхней и нижней радиальных опор используются втулки скольжения с твердосплавными вставками из карбида вольфрама (возможно применение резинометаллических опор).
Оптимальное расположение нижней радиальной опоры приводит к снижению радиальных нагрузок и увеличению ресурса.

ПОДШИПНИКИ УПОРНО-РАДИАЛЬНЫЕ

Для восприятия осевых нагрузок применяются многорядные шариковые радиально-упорные подшипники с увеличенной динамической грузоподъёмностью;

Все детали секции шпиндельной производятся из высококачественной стали.

ПРОТИВОАВАРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА

Верхнее противоаварийное устройство предназначено для исключения оставления в скважине частей двигателя при поломке его корпусных деталей. В случае поломки корпуса вес частей двигателя ниже слома передаётся последовательно на вал шпинделя, вал карданный, ротор, шпильку ловильную, гайку и торец переводника верхнего (ловильного).

Нижнее противоаварийное устройство предназначено для исключения оставления в скважине частей двигателя при поломке вала карданного, вала секции шпиндельной.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector