Винтовые Забойные Двигатели

Винтовые Забойные Двигатели. Винтовые забойные двигатели

Винтовой забойный двигатель Википедия

Винтовой забойный двигатель (англ. positive displacement motor; mud motor; drilling motor) — это машина объемного (гидростатического) действия. Основными элементами конструкции являются: двигательная секция, шпиндельная секция, регулятор угла. Винтовой забойный двигатель (ВЗД) применяет для бурения скважин различной глубины, широко применяются для наклонно-направленного и горизонтального бурения.

История внедрения в России[ | код]

СССР является родиной турбинного бурения. Первый промышленный образец был изготовлен еще в 1922—1923 гг . Это был редукторный турбобур с одноступенчатой турбиной, начиная с 40-х годов основных техническим средством для бурения скважин являлся многоступенчатый турбобур. Широкое распространение турбинного бурения позволило получить высокие темпы роста добычи нефти и газа.[1]

Однако с увеличением средних глубин скважин, совершенствования долот и технологии роторного бурения отечественная нефтяная промышленность стала отставать по показателю проходки за рейс от мирового уровня. Так в 1981—1982 годах средняя проходка за рейс в США составляла 350 м, в то время как в СССР она не превышала 90 м. Такое отставание от США было связано с характеристикой турбобуров, которые не позволяли получать частоту вращения менее 400—500 об/мин с обеспечением необходимого крутящего момента и уровня давления насосов, и как следствие было невозможно применять современные низкооборотные шарошечные долота. И перед нефтяной промышленностью СССР встал вопрос о переходе на технологию низкооборотного бурения.[1]

Роторное бурение хоть и применялось, но технологически сильно отставало от мирового уровня: не имелось бурильных труб и буровых станков высокого технического уровня. Таким образом было принято решение о создании низкооборотного забойного двигателя для замены турбобуров. Работы по созданию опытных образцов винтовых забойных двигателей (ВЗД) начались в США и СССР в середине 60-х годов. В США первые ВЗД были альтернативой турбобурам для наклонно-направленного бурения, а в СССР они служили средством для привода низкооборотных долот[1].

В последние годы в технике и технологии бурения скважин произошли значительные изменения: появились новые технологии в наклонно-направленном бурении (бурение горизонтальных участков, бурение дополнительных стволов из ранее пробуренных скважин), распространение долот типа PDС, новейшие телеметрические системы для контроля забойных параметров во время бурения и др. И если раньше ВЗД рассматривались только как альтернативу турбобурам и их перспектива оценивалась неоднозначно, то сейчас в силу свои уникальных характеристик ВЗД стали основной частью современных технологий. В 2010 году в России выполнено ¾ всего объема бурения и ремонта скважин при помощи ВЗД и они были взяты на вооружение практически всеми российскими и зарубежными нефтегазовыми и сервисными компаниями[2].

Конструкция и принцип работы[ | код]

Винтовые забойные двигатели относятся к объемным роторным гидравлическим машинам и согласно общей теории таких машин элементами рабочих органов (РО) являются:

Статор двигателя с плоскостями, примыкающими по концам к камерам высокого и низкого давления.[3]
Ротор-винт, носящий название ведущего через который крутящий момент передается исполнительному механизму.[3]
Замыкатели-винты, носящие название ведомых, назначение которых уплотнять двигатель, то есть препятствовать перетеканию жидкости из камеры высокого давления в камеру низкого давления[3].

Сравнительно малая металлоемкость и простота конструкции является важным фактором, способствующим широкому их использованию в современной технике.

К отличительным особенностям ВЗД относятся:

Отсутствие быстроизнашивающихся распределительных устройств, поскольку распределение жидкости по камерам рабочих органов осуществляется автоматически за счет соотношения чисел зубьев и шагов винтовых поверхностей ротора и статора.[4]
Кинематика рабочих органов, в относительном движении которых сочетается качение и скольжение при относительно невысоких скоростях скольжения, что снижает износ рабочей пары.[4]
Непрерывное изменение положения контактной линии (геометрического места точек касания ротора и статора) в пространстве, в результате чего механические примеси, находящиеся в жидкости, имеют возможность выносится потоком из рабочих органов.[4]

Так как ВЗД находится в непосредственном контакте с жидкостью (буровым раствором), который и приводит его в действие, то благодаря указанным особенностям он является практически единственным типом объемных гидравлических двигателей, который сравнительно долговечны при использовании рабочих жидкостей, содержащих механические примеси[4].

Практически любой ВЗД можно разделить на несколько основных узлов: двигательная секция, шпиндельная секция, регулятор угла перекоса.[5]

Винтовые Забойные Двигатели

Винтовые забойные двигатели (ВЗД) downhole drilling motors

Винтовые забойные двигатели (Гидравлические 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, ГНБ.

Винтовой забойный двигатель (англ.: downhole drilling motors; нем.: Воhrlochschraubenmotor, Strebschrau- benmaschine; франц.: moteur d’attaque heliсоidal; итальянск.: motor de atague heliсоidal) — гидравлический забойный двигатель объёмного типа, рабочие органы которого выполнены по схеме планетарного механизма, приводимого в действие за счёт энергии промывочной жидкости. Первые винтовые забойные двигатели с высокой частотой вращения разработаны в США в 1962 Харрисоном на базе обращённого однозаходного героторного винтового насоса Муано. Многозаходный винтовой забойный двигатель с низкой частотой вращения создан в CCCP в 1966-70 С. С. Никомаровым, М. Т. Гусманом и др.

Диаметр винтовых забойных двигателей обычно составляет 43-240 мм и применимы в бурении и капитальном ремонте скважин.

Мы поставляем двигатели от 43 до 240 мм различных модификаций, как с регулируемым углом, так и прямые.

Винтовые забойные двигатели Ø 43-85 мм

Винтовые забойные двигатели Ø 95 мм

Винтовые забойные двигатели Ø 106 мм

Винтовые забойные двигатели Ø 120 мм, 127 мм, 165 мм

Винтовые забойные двигатели Ø 176-178 мм

Винтовые забойные двигатели Ø 195 мм

Винтовые забойные двигатели Ø 240/195 мм

Винтовые забойные двигатели Ø 240 мм

Технические характеристики, отпускные цены и условия поставки Вы можете уточнить в отделе продаж нашей компании.

Винтовые забойные двигатели

Использование ВЗД при проходке ствола скважины позволяет значительно увеличить скорость бурения, получить возможность проводки наклонно-направленных скважин, резко снизить аварий с бурильными трубами и т.д.

У нас Вы можете приобрести винтовые забойные двигатели до диаметра 240 мм. Вся линейка продукции сертифицирована и имеет разрешение для использования на территории РФ.

Берегите своё время, задайте вопрос через форму на сайте или по тел. 8 (342) 294-55-52 и мы подберём для Вас винтовой забойный двигатель с требуемыми рабочими характеристиками.

Производим и поставляем следующие модели ВЗД:

Д — прямое исполнение, для бурения и ремонта вертикальных скважин.
ДУ — универсальный винтовой.
ДРУ — универсальный винтовой с регулируемым углом искривления.
ДР — двигатель с регулятором угла искривления шпиндельной секции, для бурения наклонно-направленных скважин.
ДГР — двигатель с укороченным шпинделем и регулируемым углом искривления.
ДО — двигатель отклонитель с жестким, кривым переводником (с нерегулируемым углом искривления шпиндельной секции), для бурения наклонно-направленных скважин.

Составные части ВЗД

Рабочая пара (двигательная секция ВЗД, общий вид) Эластомер — специальная резина, устойчивая к абразивному воздействию и работоспособная в среде бурового раствора. Ротор изготавливается из легированной стали с износостойким покрытием.

Рабочая пара изготавливается с определенным натягом зубчатого зацепления ротор-статор. Значение натяга зависит от диаметральных и осевых размеров рабочей пары, свойств рабочей жидкости (бурового, промывочного растворов), температуры на забое, свойств эластомера и оказывает существенное влияние на характеристики ВЗД и его ресурс работы.

Заходность рабочей пары (соотношение числа зубьев статора и ротора, например 7:6)

Шпиндельная секция передаёт крутящий момент и осевую нагрузку двигательной секции (рабочей пары) на породоразрушающий инструмент.

Регулятор угла состоит из двух переводников, верхнего и нижнего, сердечника и зубчатой муфты армированной твердосплавными зубками.

ТСШ
АШ
Т
Т12РТ
Т12М3Б
ТПС
ТВ

Сертификат соответствия на ВЗД и турбобуры :

Сертификат соответствия ЕАЭС № RU Д-RU.АБ15.В.01363.

Срок действия: 20.02.2017-19.02.2022.

Винтовые забойные двигатели -Продукция

В двигателях используются твердосплавные радиальные опоры. Максимальное приближение к долоту нижней опоры улучшает управление двигателем при бурении горизонтальных скважин. Использование открытого, многорядного шарикоподшипника в качестве осевой опоры обеспечивает достаточно эффективную работу шпиндельной секции и упрощает ремонт двигателя. Шпиндельная секция обеспечена надежным противоаварийным устройством. Соединение вала шпиндельной секцией с ротором двигательной секции осуществляется с помощью маслонаполненного карданного вала.

Соединение корпуса шпиндельной секции и статора двигательной секции осуществляется с помощью регулятора угла, конструкция которого отработана в самых жестких условиях горизонтального бурения. Регулятор угла имеет высокую сопротивляемость изгибающим нагрузкам. Использование в компоновках двигателей рабочих пар с разными техническими характеристиками. Двигательная секция оснащена надежным ловильным устройством, позволяющим в случае отворота или слома корпусных деталей поднять двигатель на поверхность без проведения аварийных работ. Двигатели оснащаются центраторами, переливными, обратными клапанами и фильтрами надежной конструкции собственного производства. Использование надежных клеевых составов для свинчивания резьбовых соединений, подверженных раскреплению в процессе работы двигателя. Оптимальная длина, высокая жесткость и управляемость двигателей при бурении.

Двигатели.• 54, 60 ─ для проведения ремонтно-восстановительных работ в эксплуатационных колоннах;• 73, 75, 95, 98, 106 ─ для проведения ремонтно — восстановительных работ в эксплуатационных колоннах, бурения боковых стволов из эксплуатационной колонны, бурения горизонтальных и пологих нефтяных и газовых скважин;• 120, 127 ─ для бурения горизонтальных и пологих нефтяных и газовых скважин;• 172, 195 ─ для бурения вертикальных, наклонно-направленных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин;• 210, 240 ─ для бурения вертикальных, наклонно-направленных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин;• ДРУ1-98РС ─ двигатель, отличающийся повышенной надежностью.• ДРУ3-172РС ─ может устанавливаться центратор в нижней части шпинделя на буровой;• ДРУ5-172РС ─ в двигателе установлена вместо радиально-упорного подшипника осевая резинометаллическая опора с утопленной резиной;• ДРУ1-240РС — двигатель с радиально-упорным подшипником.

Винтовые забойные двигатели.

Винтовые забойные двигатели Д-85; Д-105, Д-106 и ДР-106 предназначены для бурения скважин, в том числе боковых стволов, и проведения ремонтно-восстановительных работ в эксплуатационных колоннах с использованием в качестве рабочей жидкости технической воды или бурового раствора плотностью не более 1,3 г/см 3 при забойной температуре не более 100 градусов. Двигатели хорошо зарекомендовали себя во многих регионах России и по отзывам потребителей имеют наработку на отказ до 300 ч.

Для бурения прямых участков скважин используется двигатель Д-106, в котором торсион размещен внутри ротора, что сокращает длину и массу двигателя. Для наклонно-направленного бурения применяют двигатель ДО-106 — вариант с жестким кривым переводником или ДР-106 — с регулируемым на буровой кривым переводником. Для повышения долговечности опорные поверхности кривых переводников имеют «пятку», армированную твердосплавными зубками. Двигатели могут комплектоваться рабочими органами с различной заходностью. Исходя из конкретных условий бурения и типа породоразрушающего инструмента выбирается рабочая пара с требуемой частотой вращения.

По принципу действия, винтовой забойный двигатель представляет собой планетарно-роторную гидромашину объемного типа с внутренним косозубым зацеплением рабочих органов. Основные детали двигателя — статор и ротор.

Статор выполнен в виде стального корпуса с концевыми резьбами, к расточке которого привулканизована резиновая обкладка, имеющая на внутренней поверхности винтовые зубья левого направления.

Стальной ротор имеет наружные винтовые зубья также левого направления, число которых на единицу меньше, чем у статора. Ось ротора смещена относительно статора на величину эксцентриситета, равную половине высоты зуба.

Шаги винтовых поверхностей ротора и статора пропорциональны числу зубьев этих деталей. Специальный профиль зубьев ротора и статора обеспечивает непрерывный контакт и образование замыкающихся по длине шага статора единичных рабочих камер.

Технические характеристики ВЗД

Обозначение двигателя	Д-43РС	Д1-75РС	УД-95РС	ДОТ3-106РС	ДРУ1-120РС	Д1-172РС	ДРУ1-195РС	ДРУ1-240РС
Диаметр применяемых долот, мм	49.0…69.9	83.0…98.4	114.3…124.0	120.6…149.2	151.0…177.8	190,5…250,8	215.9…269.9	285.8…660.4
Максимально допустимая нагрузка на долото, кгс
Максимально допустимый момент на корпусные детали, кгc·м
Присоединительная резьба к бурильным трубам	З-35	З-65 З-66	З-73 З-76	З-66 З-73 З-86 З-88	З-102	З-133	З-147 З-152	З-147 З-152 З-163 З-171
Максимальный диаметр шпиндельной секции, мм
Максимальный диаметр статора, мм
Длина двигателя, мм	3700-4700	5265-6265	5995-7165	5530-6530	7710-8710	7990-8990	8235-10235
Масса двигателя, кг	102-126	229-280	308-385	383-446	960-1112	1366-1452	2078-2390

Жидкость, поступающая в двигатель от насосов установки ремонта скважин, пройдет к долоту в том случае, если ротор двигателя проворачивается внутри обкладки статора, обкатываясь по его зубьям, под действием неуравновешенных гидравлических сил. При этом ротор совершает планетарное движение: геометрическая ось ротора вращается относительно оси статора против часовой стрелки, сам ротор поворачивается по часовой стрелке. За счет разности в числе зубьев ротора и статора переносное вращение редуцируется в абсолютное с передаточным числом, равным числу зубьев ротора, что обеспечивает сниженную выходную скорость вращения и высокий крутящий момент двигателя.

Планетарное движение ротора преобразуется в соосное вращение вала шпинделя при помощи карданного вала, передающего крутящий момент и гидравлическую осевую нагрузку от ротора.

Технические характеристики малогабаритных

Параметры	Типоразмер
ТГ-124	ТШ-108Б	ТВ1-102
турбинных секции	турбинных секции	турбинных секции
Наружный диаметр, мм
Общая длина, мм
Масса, кг
Диаметр долота, мм	139,7 -158,7	139,7 -158,7	120,6 -151	120,6 -151	118 -151	118 -151
Присоединительные резьбы
к долоту	3-88	3-88	3-76	3-76	3-76	3-76
к бурильным трубам	3-88	3-88	3-88	3-88	3-88	3-88
Расход жидкости, плотностью 1000кг/м 3 , л/с
Частота вращения, об/мин
Момент силы, Нм
Перепад давлений, МПа	8,9	9,3	9,4	9,0	9,0	12,0

Карданный вал состоит из двух двойных зубчатых шарниров, заполненных консистентной смазкой, и промежуточной трубы. Шарниры с трубой в двигателе Д-85 ротором и муфтой шпинделя соединяются посредством конических сопряжений с плоскими хвостовиками.

Шпиндель двигателя включает осевой многоступенчатый подшипник качения и радиальные резино-металлические опоры.

Д 105 характеристики винтовой забойный двигатель

Изобретение относится к области буровой техники (инструмента), в частности к винтовым забойным двигателям для бурения нефтяных и газовых скважин.

Известен винтовой забойный двигатель (ВЗД), содержащий секцию рабочих органов, включающую статор и эксцентрично расположенный внутри него ротор, шпиндельную секцию и внутренний соединительный узел, выполненный в виде карданного вала зубчатого или пальцевого типа или шарнирного устройства (Балденко Д.Ф. и др. Винтовые забойные двигатели: Справочное пособие. М.: Недра, 1999, с.68-71).

Недостатками известного винтового забойного двигателя с перечисленными соединительными узлами являются многодетальность, сложность изготовления и сборки, что, в свою очередь, отражается на недостаточно высоких ресурсе и надежности двигателя.

Известен ВЗД, включающий секцию рабочих органов, шпиндельную секцию и внутренний соединительный узел, выполненный в виде торсиона, соединенного с сопряженными деталями шлицевым, или резьбовым, или конусным соединениями (Балденко Д.Ф. и др. Винтовые забойные двигатели: Справочное пособие. М.: Недра, 1999).

Применение в известном винтовом забойном двигателе торсиона (гибкого вала) с шлицевым, или резьбовым, или конусным соединениями значительно упростило конструкцию винтового забойного двигателя, улучшило условия передачи крутящего момента, способствовало небольшому увеличению долговечности.

Однако, исходя из конструктивных особенностей и принципа работы винтового забойного двигателя, остро стоит проблема уменьшения влияния действующего на ротор перекашивающего момента, создаваемого гидравлическими силами, из-за которого происходит искажение геометрии зацепления рабочих органов, а значит, увеличение объемных утечек и механических потерь.

Указанный недостаток частично устраняет винтовой забойный двигатель (а.с. СССР №784397), содержащий секцию рабочих органов, шпиндельную секцию и торсион, соединенный с ротором выше рабочей зоны ротора и статора в отличие от обычной схемы установки торсиона ниже ротора.

Но и такое конструктивное решение, как в а.с. №784397, не решает основные проблемы нагрузочной способности двигателя от возникающих при его работе сил в комплексе: осевой силы, крутящего момента и отрицательных сил (перекашивающего момента, перерезывающей силы). Анализ математических расчетов на прочность, устойчивость и экспериментальных исследований показывает, что данная проблема зависит от правильного выбора геометрических размеров рабочей длины L и диаметра d торсиона.

Известен ВЗД (а.с. СССР №926208), который является наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению и выбран в качестве прототипа. ВЗД содержит секцию рабочих органов, включающую статор и расположенный внутри него ротор, шпиндельную секцию и торсион, причем рабочая длина L и диаметр d торсиона связаны соотношением L/d=10-60.

Недостатки прототипа заключаются в том, что указанное соотношение L/d=10-60 имеет очень широкий диапазон при определении диаметра d и длины L торсиона и не учитывает энергетические показатели назначения для конкретного ВЗД и величины действующих в нем сил, что приводит к снижению прочности, устойчивости, повышению отрицательных нагрузок, действующих со стороны торсиона на сопряженные детали, и в связи с этим к снижению надежности и ресурса двигателя.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение ресурса и надежности двигателя, стабилизации рабочих технических характеристик ВЗД за счет оптимизации геометрических размеров торсиона.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что в винтовом забойном двигателе, содержащем секцию рабочих органов, включающую статор и эксцентрично расположенный внутри него ротор, шпиндельную секцию и внутренний соединительный узел, соединяющий обе секции, согласно изобретению внутренний соединительный узел в виде S-образно изогнутого торсиона, размещенного ниже ротора или внутри него, имеет рабочую длину L и диаметр d, заданные соотношениями:

Z — число зубьев ротора;

Е — модуль упругости, МПа;

ρ — удельный вес, кг/м 3 ;

G — осевая сила, Н;

n — частота вращения, с -1 ;

a, b — безразмерные параметры-координаты, задающиеся из внутренней части области устойчивости торсиона, ограниченной линиями: а=-3b+19; а=0; a=b; а=-b+4.

Кроме того, согласно изобретению торсион винтового забойного двигателя изготовлен из титана или титановых сплавов.

Предлагаемое изобретение в отличие от прототипа позволяет определить геометрические размеры торсиона (рабочую длину L и диаметр d) для конкретного двигателя с учетом показателей назначения (частоты вращения, осевой гидравлической силы, зависящих от расхода бурового раствора, габарита двигателя и кинематического отношения в рабочей паре ротор-статор) и механических свойств материала (модуля упругости, удельного веса) через безразмерные параметры-координаты а и b области устойчивости, что приводит к повышению ресурса и надежности двигателя.

Выполнение торсиона с геометрическими размерами (L, d), определенными с учетом показателей назначения и механических свойств материала через безразмерные параметры-координаты а и b из внутренней части области устойчивости торсиона, ограниченной линиями а=-3b+19; а=0; а=b, а=-b+4, позволяет уменьшить отрицательное воздействие нагрузок, действующих со стороны торсиона на сопрягаемые детали и узлы двигателя, и улучшить работу двигателя.

Выполнение ВЗД с торсионом из титана или титановых сплавов имеет преимущества: такой торсион более легкий, гибкий и упругий, с меньшей жесткостью на изгиб по сравнению со стальным торсионом при одинаковых геометрических размерах, что приводит к уменьшению воздействия отрицательных сил, стабилизации контакта зацепления в рабочей паре, уменьшению износа основных деталей, узлов и объемных утечек, увеличению ресурса, повышению надежности и в итоге всех технико-экономических показателей бурения.

Значения предельных величин прочности у стали и титана практически равные, но значения модуля упругости (2·10 5 МПа) и удельного веса (4,5 г/см 3 ) титана в два раза меньше, чем у стали. Следовательно, при работе ВЗД с торсионом из титана (титановых сплавов) так же кратно снизится отрицательное влияние изгибающего момента и перерезывающей силы, износ деталей двигателя. Таким образом, винтовой забойный двигатель будет работать более стабильно, длительно, сохраняя технические показатели назначения в рабочем режиме.

Изобретение поясняется иллюстрациями.

На фиг.1 показан винтовой забойный двигатель (частичный разрез) с торсионом, установленным ниже ротора.

На фиг.2 показан винтовой забойный двигатель с торсионом, расположенным внутри ротора.

На фиг.3 изображена область устойчивости торсиона, где a, b — безразмерные параметры-координаты.

Винтовой забойный двигатель (фиг.1 и 2) содержит секцию рабочих органов 1, шпиндельную секцию 2 и торсион 3. Секция рабочих органов 1 включает статор 4 и расположенный внутри него ротор 5. Статор 4 выполнен в виде стального корпуса 6 с привулканизированной внутри него резиновой обкладкой 7, имеющей винтовые зубья левого направления. Стальной ротор 5 имеет наружные винтовые зубья также левого направления, число которых на единицу меньше, чем у статора 4. Ось ротора О₂ смещена относительно оси статора O₁ на величину эксцентриситета е, равную половине высоты зуба. Торсион 3 является внутренним соединительным узлом деталей винтового забойного двигателя и выполнен металлическим — из стали или титана (титановых сплавов). Торсион 3 устанавливают ниже ротора 5 (фиг.1) или внутри него (фиг.2).

Винтовой забойный двигатель работает следующим образом.

Зубья ротора 5 и статора 4, находясь в непрерывном контакте, образуют замыкающиеся на длине шага статора 4 единичные камеры. Буровой раствор, поступающий в двигатель от насосов, проходит к долоту при провороте ротора 5 двигателя внутри обкладки 7 статора 4, который обкатывается по зубьям статора 4 под действием неуравновешенных гидравлических сил. При этом ротор 5 совершает планетарное движение: геометрически ось О₂ ротора 5 вращается относительно оси O₁ статора 4 против часовой стрелки (переносное движение), а сам ротор 5 поворачивается по часовой стрелке (абсолютное движение). За счет разности в числах зубьев ротора 5 и статора 4 переносное движение редуцируется в абсолютное с передаточным числом, равным числу зубьев ротора 5, что обеспечивает пониженную частоту вращения и высокий момент силы на выходном валу двигателя.

Шпиндельная секция 2 служит для восприятия гидравлических нагрузок, возникающих в секции рабочих органов 1, реакции забоя и радиальных нагрузок от долота при бурении.

Торсион 3 преобразует планетарное движение ротора 5 в соосное вращение выходного вала двигателя и служит для передачи крутящего момента и осевой гидравлической нагрузки, возникающих в рабочих органах, на выходной вал шпинделя.

При этом торсион 3 должен выдерживать сложное напряженно-деформируемое состояние от передаваемых сил и возникающих отрицательных сил из-за непостоянной ориентации ротора при работе двигателя и оказывать минимальные отрицательные воздействия на сопряженные с ним детали для уменьшения износа и предотвращения поломки.

Для выполнения предъявляемых к торсиону требований в предлагаемом изобретении геометрические размеры (рабочая длина L и диаметр d) торсиона определяются через безразмерные параметры-координаты из внутренней части области устойчивости торсиона.

Область устойчивости торсиона получена теоретическим путем из математических расчетов, в которых принималось, что во время работы двигателя торсион обращается вокруг основной оси двигателя с частотой, равной частоте обращения ротора. Обращение торсиона рассматривается как изгибные колебания, описываемые дифференциальным уравнением в частных производных, решение которого проводится с учетом схемы соединения ротора с валом шпинделя (для вертикального бурения и отклонителя) и условий закрепления концов торсиона и его первоначальной S-изогнутости — соединение не соосных деталей (граничные условия для расчетов на устойчивость).

После решения дифференциального уравнения относительно амплитуды колебаний и проведения необходимых преобразований получаем трансцендентное уравнение для определения устойчивости торсиона:

где а, b — безразмерные параметры-координаты.

Решение трансцендентного уравнения относительно а и b получено численным методом и графически изображено на фиг.3 в виде кривой I (KF). Для инженерных расчетов допустимо кривую I аппроксимировать в прямую линию II а=-3b+19. Линия III (OF) a=0, ограничивающая область устойчивости, соответствует работе ВЗД в тормозном режиме, когда осевая сила G максимальна, частота вращения выходного вала n практически равна нулю. Линия IV (ОК) получена из расчетов, которые показали, что эту пограничную прямую можно минимизировать как a=b, что соответствует зоне рабочего режима винтового забойного двигателя от холостого хода до режима максимального КПД. Исходя из предназначения торсиона и требований, предъявляемых к нему, базы данных многочисленных расчетов на устойчивость торсиона и напряженно-деформируемого состояния сопрягаемых с ним деталей, анализа стендовых характеристик двигателя была получена линия V (DN) a=-b+4, которая разграничивает общую область устойчивости OKF на зоны ODN и DKFN.

Установлено, что торсион с рабочей длиной L и диаметром d, рассчитанными через безразмерные параметры-координаты а и b из внутренней части области ODN, устойчив, обладает высоким запасом прочности, но при этом имеет повышенную жесткость на изгиб. В винтовом забойном двигателе при работе с таким торсионом будут возникать большие по величине отрицательные силы: перекашивающий момент и перерезывающая сила, следствием действия которых будет повышенный износ в рабочей паре, ухудшение энергетических показателей назначения, стабильности его работы, заниженный ресурс.

Анализ испытаний двигателей и математические расчеты показали, что торсион с рабочей длиной L и диаметром d, определенными через безразмерные параметры-координаты, взятые из внутренней части области устойчивости DKFN, является устойчивым, имеет достаточный запас прочности и оказывает минимальные отрицательные воздействия на сопрягаемые с ним детали.

Например, винтовой забойный двигатель Д 1-105, содержащий секцию рабочих органов с кинематическим отношением z_p/z_c, равным 5/6, (z_p и z_c — числа зубьев ротора и статора соответственно), секцию шпиндельную и торсион, расположенный внутри ротора (фиг.2), у которого рабочая длина торсиона L и диаметр d определены по предлагаемому изобретению.

В расчете геометрических размеров торсиона (L, d) винтового забойного двигателя Д 1-105 по предлагаемому изобретению учтены следующие исходные данные:

— расход бурового раствора Q=10, л/с;

— осевая сила G=45,9, кН, частота вращения вала n=3,8, с -1 (режим максимальной мощности);

— свойства материала (сталь): модуль упругости Е=2·10 5 , МПа, удельный вес ρ=7,85, кг/м 3 ;

— безразмерные параметры-координаты из области устойчивости DKFN_a=2, b=3,2.

В итоге получены значения:

L=1540 мм и d=36,5 мм.

С учетом конструкторских возможностей винтового забойного двигателя были приняты значения геометрических размеров торсиона винтового забойного двигателя Д1-105 рабочая длина L=1520 мм, диаметр d=36 мм.

Винтовой забойный двигатель Д1-105 востребован на буровых предприятиях, очень стабилен в работе, обладает высокой надежностью, вырабатывает полный ресурс 600 часов без замены торсиона.

Таким образом, торсион с геометрическими размерами (рабочей длиной L и диаметром d), определенными по соотношениям, приведенным в предлагаемом изобретении, выдерживает сложное напряженно-деформируемое состояние от передаваемых сил и возникающих отрицательных сил из-за непостоянной ориентации ротора при работе винтового забойного двигателя и, кроме того, оказывает минимальные отрицательные воздействия на сопряженные с ним детали для уменьшения износа и их поломки, что повышает ресурс и надежность ВЗД.

Винтовые Забойные Двигатели

Винтовые забойные двигатели (ВЗД) downhole drilling motors

Винтовые забойные двигатели (Гидравлические 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, ГНБ.

Винтовой забойный двигатель (англ.: downhole drilling motors; нем.: Воhrlochschraubenmotor, Strebschrau- benmaschine; франц.: moteur d’attaque heliсоidal; итальянск.: motor de atague heliсоidal) — гидравлический забойный двигатель объёмного типа, рабочие органы которого выполнены по схеме планетарного механизма, приводимого в действие за счёт энергии промывочной жидкости. Первые винтовые забойные двигатели с высокой частотой вращения разработаны в США в 1962 Харрисоном на базе обращённого однозаходного героторного винтового насоса Муано. Многозаходный винтовой забойный двигатель с низкой частотой вращения создан в CCCP в 1966-70 С. С. Никомаровым, М. Т. Гусманом и др.

Мы поставляем двигатели от 43 до 240 мм различных модификаций, как с регулируемым углом, так и прямые.

Винтовые забойные двигатели Ø 43-85 мм