библиотека нефтяника / Бурение скважин / Глава 4

Рис. 4.14. Типичная стендовая характеристика ВЗД (ДГ-155)

вые характеристики (как функции от крутящего момента) определяют в результате испытаний гидродвигателя. Нагрузочные характеристики (как функции от осевой нагрузки) чаще всего рассчитывают по стендовым для конкретных условий бурения.

Типичные стендовые характеристики винтового двигателя представлены на рис. 4.14. По мере роста момента Ì перепад давления ð увеличивается практически линейно, а частота вращения ï снижается вначале незна- чительно, а при приближении к тормозному режиму – резко. Кривые мощности N и общего КПД η имеют экстремальный характер.

Различают четыре основных режима: холостой (Ì = 0); оптимальный (максимального КПД); экстремальный (максимальной мощности) и тормозной (ï = 0).

Рабочий режим ВЗД принимается соответствующим экстремальному (паспортные данные двигателя приводятся для данного режима) или режиму максимально допустимого перепада давлений (ограниченного объемным КПД или контактными напряжениями в паре). Некоторые фирмы в своих каталогах приводят конкретные значения допускаемого ð.

Оптимальный режим смещен влево по отношению к экстремальному, т.е. наступает при меньших значениях крутящего момента. Как правило, экстремальный режим, соответствующий условиям наиболее эффективного разрушения горных пород, расположен рядом с границей зоны устойчивой работы ВЗД, при достижении которой дальнейшее увеличение нагрузки приводит к торможению двигателя.

Влияние различных факторов на характеристики ВЗД

ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧИХ ОРГАНОВ

Кинематическое отношение i. При заданных расходах жидкости и контурном диаметре кинематическое отношение оказывает определяющее влияние на характеристики ВЗД. Из рис. 4.10 видно, что многозаходные

111

ВЗД обладают повышенным крутящим моментом при низкой частоте вращения, т.е. обладают высоким значением критерия эффективности Ì/ï, определяющего показатели процесса бурения. Хотя по своему КПД многозаходные ВЗД немного уступают двигателям с однозаходным ротором, в целом КПД гидродвигателей с различными значениями i остается на одном уровне.

Контурный диаметр Dê. При заданном кинематическом отношении увеличение контурного диаметра РО приводит к возрастанию рабочего объема ВЗД и соответственному изменению его характеристик. Вместе с тем, возможность варьирования Dê на стадии проектирования ограничена, поскольку исходным параметром является диаметр скважины.

Øàãè ÐÎ (Ò, t ). При заданных Dê è Q характеристики ВЗД можно изменять путем изменения шагов винтовых поверхностей статора Ò и ротора t. С увеличением шагов возрастает рабочий объем V и критерий эффективности Ì/ï гидродвигателя. При выборе шагов РО необходимо учитывать, что увеличение Ò приводит к увеличению длины РО и общей длины гидродвигателя (это усложняет технологию изготовления РО и снижает эффективность использования ВЗД в наклонно направленном и горизонтальном бурении); снижение Ò может привести к выходу из оптимального диапазона изменения коэффициента формы поверхности и ухудшению пусковых свойств двигателя (возможность незапуска).

Число шагов РО k. Влияние числа шагов (длины) РО на характеристики в первую очередь связано с изменением числа камер, отделяющих вход и выход гидромашины.

Результаты исследований (рис. 4.15) показали, что с уменьшением длины ротора существенно снижаются такие показатели экстремального режима, как крутящий момент, мощность и перепад давления, а также тормозной момент.

Данные эксперименты подтверждают целесообразность применения многошаговых конструкций РО с целью повышения крутящего момента и мощности ВЗД. Опыт эксплуатации двигателей показывает, что применение многошаговых пар также обеспечивает существенное увеличение их стойкости.

Натяг в паре σ. Натяг в РО влияет на объемные и механические потери ВЗД. С увеличением σ объемные потери снижаются, а механические возрастают.

Рис. 4.15. Влияние числа шагов рабочих элементов на характеристику ВЗД:

1, 2, 3 – рабочие элементы делают соответственно два, четыре и шесть шагов

112

Рис. 4.16. Влияние натяга в рабочих элементах на характеристику ВЗД:

1 – зазор 0,15 мм; 2, 3, 4 – натяг соответственно 0; 0,15 и 0,3 мм

Исследования влияния натяга в паре на характеристики ВЗД, например при испытаниях двигателя Д1-195 в интервале от зазора 0,9 мм до натяга 0,6 мм, продемонстрировали, что с уменьшением натяга характеристика p – Ì становится более «мягкой» (рис. 4.16): снижается тормозной момент и перепад давлений, крутящий момент в экстремальном режиме. Вследствие возрастания утечек при уменьшении натяга (увеличении зазора) снижается частота вращения и перепад давления в холостом режиме. При уменьшении σ частота вращения в номинальном режиме (для двигателя Д1-195 номинальный крутящий момент принят равным 4 кН м) существенно снижается (в 2–3 раза при зазоре 0,6 мм по сравнению с натягом 0,3–0,6 мм). Перепад давления в номинальном режиме мало зависит от натяга. При уменьшении натяга снижаются амплитуда поперечных колебаний корпуса двигателя и динамические нагрузки в РО и опорах шпинделя.

По мере износа РО, что равносильно снижению натяга или появлению зазора в паре, рекомендуется в процессе бурения увеличивать расход жидкости.

Влияние расхода жидкости

Расход жидкости Q – один из параметров режима бурения. Чаще всего возможный диапазон изменения Q определяют исходя из технологии бурения скважины и задают конструктору ВЗД вместе с другими исходными данными.

Стендовые испытания ВЗД различных типоразмеров показывают, что с увеличением расхода (рис. 4.17) повышаются как тормозной момент и перепад давления, так и мощность, крутящий момент, частота вращения и

113

Рис. 4.17. Влияние расхода бурового раствора на характеристику ВЗД (рабо- чий режим)

перепад давления в экстремальном режиме. КПД гидродвигателя при увеличении Q в допустимом диапазоне изменяется незначительно.

Нижний предел расхода жидкости ограничивается нагрузочной способностью или устойчивостью работы двигателя. Верхний предел допустимого расхода жидкости ограничивается тремя факторами:

высокими инерционными нагрузками при увеличении частоты вращения;

КПД двигателя: при заданном натяге с определенного расхода жидкости происходит снижение объемного η. Это объясняется тем, что с увели- чением частоты вращения и перепада давления на длине линии контакта образуется односторонний зазор, приводящий к разгерметизации РО и росту утечек. Кроме того, с увеличением расхода растут и гидравлические потери в двигателе;

износом РО вследствие повышенных контактных напряжений и скоростей скольжения в рабочей паре, а также скорости жидкости в каналах РО.

В случае, если ограничения по расходу не удовлетворяют требованиям гидравлической программы бурения, используется способ разделения потока жидкости через полый ротор двигателя с помощью регулятора расхода.

114