Винтовой забойный двигатель

Винтовой забойный двигатель (ВЗД) - гидравлический забойный двигатель объёмного типа, рабочие органы которого выполнены по схеме планетарного механизма, приводимого в действие за счёт 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.

Рисунок 3 – Винтовой забойный двигатель

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. 

ВЗД состоит из следующих основных узлов и деталей:

• двигательной секции: включающей в себя ротор и статор;

• шпиндельной секции: включающей в себя многорядную упорно-радиальную опору, радиальные опоры и торцевой сальник;

• переливного клапана, соединительных и рабочих переводников.

 Стальной статор внутри имеет привулканизированную резиновую обкладку с винтовыми зубьями левого направления. На стальном роторе, с хромированным покрытием, нарезаны зубья также левого направления. Число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев статора. Специальный профиль зубьев ротора и статора обеспечивает их непрерывный контакт между собой, образуя на длине шага статора единичные рабочие камеры.

Промывочная жидкость, поступающая в двигатель от насосов, может пройти к долоту только в том случае, если ротор проворачивается относительно статора, обкатываясь под действием неуравновешенных сил.

 Ротор, совершая планетарное движение, поворачивается по часовой стрелке (абсолютное движение), в то время как геометрическая ось ротора перемешается относительно оси статора против часовой стрелки (переносное движение).

За счёт разности в числах зубьев ротора и статора (передаточное соотношение в зависимости от типа ВЗД может быть 9/10, 6/7 и др.) переносное движение редуцируется в абсолютное с передаточным числом, что обеспечивает сниженную частоту вращений и высокий крутящий момент на валу двигателя.

 Шпиндельная секция служит для передачи осевого усилия с бурильных труб на долото, восприятия гидравлической нагрузки и реакции забоя, снижения радиальных колебаний долота.

Переливной клапан предназначен для слива промывочной жидкости из бурильных труб при подъёме колонны с ВЗД и заполнении бурильной колонны при спуске в скважину.

 Винтовой забойный двигатель доставляется на буровую в собранном виде с навернутыми предохранительными пробками.

 Перед пуском в работу двигатель должен быть подвержен наружному осмотру. Особое внимание следует обратить на отсутствие трещин и вмятин на статоре и корпусе шпинделя, на состояние присоединительных резьб к бурильным трубам и к долоту, а также на плотность свинчивания промежуточных резьб, соединяющих корпусные детали двигателя.

 Двигатель должен эксплуатироваться, если:

• в качестве промывочной жидкости используется техническая вода или глинистый раствор плотностью не более 210 кг/м;

• содержание песка не более 2% по весу;

• размер твердых частиц не более 1 мм;

• при забойной температуре не выше +100 ºС.

Повышенное содержание твердых частиц в промывочной жидкости приведёт к быстрому износу рабочих органов (ротор-статор). Повышение температуры в призабойной зоне влияет на прочность эластомера статора и понижает ресурс двигателя. Буровой раствор, содержащий реагенты на углеводородной основе, приводит к набуханию резиновой обкладки (эластомера) статора и преждевременному выходу  из строя двигателя. Дифференциальное давление, превышающее рекомендуемое максимальное рабочее значение на приводе объёмного двигателя, сокращает срок работы статора.

При эксплуатации винтовых забойных двигателей необходимо следить, чтобы количество осадка в приёмных мерниках буровых насосов не превышало 25% от объёма мерников и под ведущую бурильную трубу (квадрат) и УБТ был установлен фильтр.

Патентный обзор

Авторское свидетельство №2186188

Изобретение относится к горному делу, а именно к винтовым забойным двигателям, применяемым при бурении наклонных и горизонтальных участков скважины. Сущность изобретения заключается в том, что корпуса двигательной и шпиндельной секций винтового забойного двигателя соединены шарнирным узлом. Он выполнен в виде трех последовательно расположенных трубчатых элементов. Крайние элементы соединены соответственно с корпусами двигательной и шпиндельной секций. Средний элемент соединен с каждым крайним элементом посредством пары осей и установлен с зазорами, обеспечивающими перекос осей каждой пары соседних элементов до 2^o30'. Ротор и вал соединены шарнирным узлом. Он выполнен в виде двух шлицевых валов и шлицевой муфты. Один шлицевой вал соединен посредством торсиона с ротором, а другой - с валом шпиндельной секции. Шлицевая муфта установлена по отношению к шлицевым валам с зазорами, обеспечивающими перекос осей двигательной и шпиндельной секций до 5^o. Изобретение позволяет повысить долговечность шарнирных узлов винтового забойного двигателя.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена двигательная секция винтового забойного двигателя; на фиг.2 - шарнирные узлы; на фиг.3 - шпиндельная секция; на фиг.4 - разрез А-А на фиг.2; на фиг.5 - разрез Б-Б на фиг.2.

Винтовой забойный двигатель содержит двигательную секцию, включающую корпус 1 со статором 2 и размещенным внутри него ротором 3, и шпиндельную секцию, включающую корпус 4 с установленным в нем посредством подшипникового узла валом 5. Корпус 1 двигательной секции соединен с корпусом 4 шпиндельной секции шарнирным узлом. Он выполнен в виде последовательно расположенных трубчатых элементов 6, 7 и 8. Крайние трубчатые элементы 6 и 8 соединены соответственно с корпусом 1 двигательной секции и с корпусом 4 шпиндельной секции. Средний трубчатый элемент 7 соединен с каждым крайним трубчатым элементом 6 и 8 посредством пары осей 9 и установлен по отношению к ним с зазорами, обеспечивающими перекос осей каждой пары трубчатых элементов 6 и 7, 7 и 8 до 2^o30'. Зазоры между трубчатыми элементами 6, 7 и 8 уплотнены упругими кольцами 10. Ротор 3 двигательной секции соединен с валом 5 шпиндельной секции шарнирным узлом. Он выполнен в виде шлицевых валов 11 и 12, находящихся в зацеплении с шлицевой муфтой 13. Шлицевой вал 11 соединен с ротором 3 посредством торсиона (гибкого вала) 14, шлицевой вал 12 соединен с валом 5 шпиндельной секции. Шлицевая муфта 13 установлена по отношению к шлицевым валам 11 и 12 с зазорами, обеспечивающими перекос осей двигательной и шпиндельной секций до 5^o. Уплотняющие упругие элементы 15 фиксируют шлицевую муфту 13 относительно шлицевых валов 11 и 12. Для уменьшения длины шпиндельной секции подшипниковый узел выполнен четырехрядным. Для снижения контактного напряжения на беговых дорожках 16 установлены тела 17 качения увеличенного диаметра. Для стабилизации вращения вала 5 шпиндельной секции на нем установлен с возможностью вращения стабилизатор 18.

Винтовой забойный двигатель работает следующим образом. Двигатель спускают в наклонный ствол скважины, ориентируют при помощи телеметрической аппаратуры по заданному азимуту и осуществляют бурение ствола с большой интенсивностью набора зенитного угла. При спуско-подъемных операциях при прохождении искривленных участков с малым радиусом кривизны шарнирные узлы обеспечивают двигателю возможность самопроизвольно изгибаться, что позволяет доходить до забоя горизонтальной скважины без посадок и при подъеме без затяжек. В процессе бурения шарнирный узел, соединяющий корпус 1 двигательной секции с корпусом 4 шпиндельной секции, имеет одну степень свободы, что обеспечивает поддержание заданного азимута. Вследствие использования с торсионом 14 шлицевого зацепления муфты 13 с валами 11 и 12 в шарнирном узле, соединяющем ротор 3 и вал 6 обеспечивается долговечность данного шарнирного узла при больших знакопеременных нагрузках.