Лекция 5

5.1 Винтовые забойные двигатели: классификация, принцип действия

Винтовые забойные гидравлические двигатели подразделяются на следующие двигатели: общего назначения; для наклонно направленного и горизонтального бурения; для отбора керна; для ремонта скважин; с разделенным потоком; турбовинтовые.

По принципу действия ВЗД являются объемной (гидростатической) машиной, многозаходные рабочие органы которой представляют собой планетарно-роторный механизм с внутренним косозубым зацеплением.

Выпускаемые в России ВЗД общего назначения выполняются по еди­ной схеме, имеющей неподвижный статор и вращающийся ротор, соеди­няемые со шпинделем, и охватывают диапазон диаметров корпуса от 127 до 240 мм и предназначены для привода долот шарошечных и безопорных, бурголовок, фрезеров и райберов диаметром от 139,7 до 295,3 мм с обеспе­чением минимального технологически требуемого зазора между корпусом двигателя и стенками скважины в конкретных горно-геологических усло­виях разрезов нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений.

ВЗД эксплуатируются с использованием воды и буровых растворов плотностью (1000 кг/м³ и менее) до максимальной (2000 кг/м³), включая аэрированные растворы и пены (при бурении и капитальном ремонте скважин), с содержанием песка не более 1 % по весу, максимальным размером частиц не более 1 мм, при забойной температуре не выше +100 °С.

5.2 Двигатели общего назначения: типы, устройство, принцип действия

Двигатели общего назначения для бурения выпускаются под шифрами типов Д, Д0, Д1, Д2, Д3, Д4 и Д5.

Односекционные винтовые забойные двигатели типа Д (рис. 1) включают двигательную и шпиндельную секции и переливной клапан, корпусы которых соединяются между собой с помощью конической резьбы. 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 пребразования планетарного движения ротора во 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 частоте вращения, а также обеспечивается высокая долговечность и надежность работы двигателя, что позволяет эффективно использовать его в сочетании с современными конструкциями высокопроизводительных долот с герметизированными маслонаполнен-ными опорами при сравнительно высоких осевых нагрузках.

Рисунок 1 – Винтовой забойный двигатель типа Д:

1, 6 – переводник соединительный; 2 – статор; 3 – ротор; 4 – торсион;

5 – шпиндель

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 7,85 МПа. 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 на разбуриваемые породы при спуске и подъеме бурильной колонны, исключения холостого вращения вала двигателя и потерь бурового раствора при проведении указанных операций.

Секционные винтовые забойные двигатели предназначены для бурения вертикальных (ДС) и наклонно направленных (ДГ) скважин различного назначения с использованием буровых растворов при температуре не выше 100 °С.

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 том числе 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 на водной основе различных типов – от облегченных до утяжеленных.

Секционный забойный двигатель типа ДС-195 собирается в промысло­вых условиях из двух или трех двигательных секций, состоящих из винто­вых пар серийных двигателей типа Д1-195 (рис. 2) и одной шпиндельной секции с шаровой или резинометаллической опорой. Они выпускаются с наружным диаметром 195 мм и применяются при бурении скважин в кон­кретных горно-геологических условиях разрезов нефтяных, газовых и га-зоконденсатных месторождений.

Рисунок 2 – Двигательная секция двухсекционного двигателя типа Д1-195 с соединением рото­ров при помощи шарнира:

1 — клапан; 2 — переводник соединительный; 3 — втулка распорная; 4 — статор; 5 — ротор; 6 — муфта; 7,9, 10 — переводники; 8 — шарнир; 11 — вал

Для секционирования рабочих органов двигателя разработаны различ­ные варианты сочленения роторов и статоров и приспособления для осу­ществления их сборки. Конструктивное исполнение секционных двигате­лей может быть следующим:

сборка с ориентированием рабочих органов по винтовой линии с же­стким соединением статоров и роторов с помощью переводника;

сборка без ориентирования рабочих органов с жестким соединением статоров и соединением роторов с помощью шарнира или гибкого вала.

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 7,85 МПа.

Винтовые забойные двигатели с разделенным потоком предназначены для бурения вертикальных, наклонно направленных и горизонтальных скважин различного назначения с промывкой буровым раствором на водной основе плотностью до 1300 кг/м³ в условиях температуры до 100 °С.

Отличительной особенностью этих двигателей является то, что в них соединение полого ротора с валом шпинделя осуществляется 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 торсиона, 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 шпинделя. 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.

Винтовые забойные двигатели типа ДГ предназначены для бурения горизонтальных скважин, в том числе с малым радиусом искривления. В отличие от других ВЗД двигатель имеет укороченный шпиндель, оснащен опорно-центрирующими элементами и корпусными шарнирами, обеспечивающими эффективную проводку горизонтальных скважин по заданной проектом траектории. Кроме этого, созданы ВЗД типов ДР и ДГР, предназначенные для капитального ремонта скважин, отличающиеся от других типов наличием искривленного переводника с регулируемым углом перекоса.

Все винтовые двигатели выпускаются в шпиндельном исполнении. Под термином «шпиндель» подразумевается автономный узел двигателя, со­стоящий из корпуса, выходного вала, осевых и радиальных подшипников. Большинство конструкций ВЗД позволяет произвести отсоединение шпин­деля от силовой секции без ее демонтажа, в том числе в условиях буровой.

Все узлы трения шпинделя смазываются и охлаждаются буровым рас­твором. Он является одним из главных узлов двигателя и передает крутя­щий момент и требуемую осевую нагрузку на породоразрушающий инст­румент, а также воспринимает реакцию забоя и гидравлическую осевую нагрузку, действующую в рабочих органах двигателя, и радиальные на­грузки от долот и шарнирного соединения секций. При использовании до­лот с гидромониторными насадками шпиндель выполняет функции уплот­нения выходного вала, позволяя создавать необходимый перепад давления в насадках.

Шпиндель ВЗД является унифицированным узлом со шпинделями, применяемыми в турбобурах. Шпиндель состоит из корпуса, монолитного полого вала, соединяемого с помощью муфты вверху с шарниром или с гибким валом, и внизу с помощью наддолотного переводни­ка – с долотом. Для восприятия осевых нагрузок используются упорно-ра­диальные и осевые подшипники качения и скольжения. Осевые подшипни­ки выполняются многорядными и способны работать при износе до 5 – 7 мм.