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

р, МПа; М, кН-м

„г

-    0,5-

0,25

и, с

Рис. 4.17. Влияние расхода бурового раствора на характеристику ВЗД (рабо­чий режим)

О      10   20    30   40    50    Q,nlc

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 т|. Это объясняется тем, что с увели­чением 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.

Гибкие валы

 Существенный шаг, оказавший влияние на подходы к конструированию ВЗД в целом был сделан в середине 70-х годов, когда ВНИИБТ выполнил комплекс научно-исследовательских работ и впервые в практике проектирования ВЗД предложил конструкцию гибкого вала, за­щищенную патентами СССР и других стран.

К началу 90-х годов в большинстве типоразмеров ВЗД, выпускаемых в России, для соединения ротора и выходного вала применяются гибкие ва­лы. В двигателях с наружным диаметром 88 мм и более гибкий вал разме­щается в расточке ротора, а в малогабаритных двигателях ниже ротора.

В большинстве случаев гибкий вал ВЗД представляет собой металличе­ский стержень круглого сечения с утолщенными концами. На концах вы­полняются присоединительные элементы: гладкий конус или коническая резьба. Иногда гибкий вал выполняется полым со сквозным цилиндриче­ским каналом для подвода рабочей жидкости высокого давления непосред­ственно к долоту. Для повышения циклической прочности в месте перехода от заделки к рабочей части вала имеется конус с утлом 5—15° или галтель с отношением радиуса галтели к диаметру вала в пределах от 0,1 до 0,2. Ти­пичные конструкции гибких валов приведены на рис. 4.13.

Преимущества использования гибких валов заключаются в простоте конструкции и высокой технологичности, большом сроке службы, соизме­римом с ресурсом корпусных деталей двигателя, а также возможностью реализации различных компоновок двигателей.

Опыт эксплуатации двигателей в наклонно направленном и горизон­тальном бурении выявил недостаточную стойкость гибких валов при углах перекоса секций более 1°30'. В связи с этим в последних конструкциях двигатели типа ДГ стали оснащать шарнирно-торсионными соединениями.

Турбовинтовые двигатели

 

В последние годы отечественный парк забойных гидравлических дви­гателей пополнился новым представителем — турбовинтовым двигателем.

Впервые схема турбовинтового агрегата была предложена в 1970 г. ав­торским коллективом ВНИИБТ в составе М.Г. Гусмана, Д.Ф. Болденко, A.M. Кочнева и С.С. Никомарова.

Турбовинтовые двигатели ТВД органично сочетают высокую стой­кость, свойственную турбобурам, и оптимальную энергетическую характе­ристику (высокий уровень отношения М/п при незначительном палении частоты вращения при погрузке двигателя), типичную для ВЗД.

Турбовинтовой двигатель можно отнести к редукторным турбобурам; в нем винтовая пара выполняет функции не только редуктора, но и стабили­зирующего элемента при перегрузках долота. Несмотря на большую метал­лоемкость и сложность конструкции, турбовинтовые двигатели в ряде слу­чаев успешно конкурируют с ВЗД. Это объясняется прежде всего их суще­ственно большим ресурсом, что особенно привлекательно при использова­нии современных высокопроизводительных долот.

 

Двигательные секции ТВД конструктивно могут выполняться в двух вариантах:

винтовая пара монтируется над турбинной секцией;

винтовая пара монтируется между турбинной и шпиндельной сек­циями.

В первом варианте упрощается конструкция двигателя — проектиру­ется лишь один узел соединения планетарного ротора. Кроме того, упро­щены силы, возникающие в винтовой паре, практически не воспринима­ются долотом.

Второй вариант менее предпочтителен, так как требует двух узлов со­единения ротора.

Двигатели для ремонта скважин

 

Двигатели, применяемые для ремонта нефтяных и газовых скважин, выпускаются под шифром Д с наружным диаметром 108 мм и менее (см. табл. 4.10). Диапазон наружных диаметров, конструкция двигателей, а так­же их характеристики позволяют использовать эти машины для всевоз­можных буровых работ при ремонте скважин.

ВЗД используются при разбуривании цементных мостов, песчаных и гидратных пробок, фрезеровании труб, кабелей электропогружных насосов и прочих предметов. Эти двигатели могут производить бурение как внутри насосно-компрессорных труб, так и внутри эксплуатационных.

 

При проведении капитального ремонта внутри колонны можно ис­пользовать также двигатель Д1-127.

По своей конструкции ВЗД для ремонта скважин принципиально не отличаются от двигателей общего назначения.

По заказу РАО «Газпром» ВНИИБТ разработан многофункциональный двигатель ДК-108, особенностью которого является широкий диапазон его

энергетических параметров, обеспечивающийся наличием в его комплекте трех модификаций рабочих органов с различными рабочими объемами, что позволяет использовать эти машины для самых разнообразных видов ре-монтно-восстановительных работ при капитальном ремонте скважин.

Двигатели для наклонно направленного и горизонтального бурения

Эта серия представлена двигателями с наружным диаметром от 60 до 172 мм и предназначена для бурения наклонно направленных (с большой интенсивностью искривления) и горизонтальных скважин.

Обладая рядом конструктивных особенностей и рациональным крите­рием эффективности М/п, двигатели этой серии, в отличие от турбобуров, эффективно используются в различных технологиях наклонно направлен-

Таблица 4.10

Винтовые забойные двигатели для бурения горизонтальных скважин, дополнительных стволов и капитального ремонта (новая серия - разработки 90-х годов)

 

		Длина, мм
Марка двига-	Диаметр, мм			Шаг статора,	Число шагов	Расход жид-	Крутящий	Частота вра-	Перепад дав-
теля		общая	нижнего плеча	мм		кости, л/с	момент, Нм	щения, с~'	ления, МПа
Ä-48	48	1850		200	3	0,5-1,5	60-80	4,1-6,7	4,0-5,0
ÄÃ-60	60	2550	1350	225	3	1-2	70-100	3,0-6,0	4,5-5,5
Ä-95	95	2855		630	2	600	600-900	2,0-3,3	4,5-6,0
Ä-295	95	3580		630	3	6-10	900-1200	2,0-3,3	6,0-9,0
Ä-595	95	3580		945	2	6-10	900-1400	1,3-2,2	4,5-6,0
ÄÃ-95	95	2680	530	530	2	600	600-900	2,0-3,3	4,5-6,0
Ä-108	108	2930		640	2	6-12	800-1300	1,3-2,5	3,5-5,5
Ä2-108	108	3690		640	3	6-12	1200-1800	1,3-2,5	5,0-7,5
Ä5-108	108	3690		880	2	6-12	1300-1900	0,8-1,6	3,5-5,5
ÄÃ-108	108	2600	620	640	2	6-12	800-1300	1,3-2,5	3,5-5,5
ÄÊ- 108-I	108	5000		975	1,5	3-6	2000-2700	0,3-0,65	0,3-0,65
ÄÊ-108-II	108	3000		640	2	6-12	800-1300	1,3-2,5	3,5-5,5
ÄÊ-108-III	108	3000		625	2	6-12	500-800	1,9-3,8	3,0-5,0
ÄÃ-155	155	4330	1600	680	3	24-30	3500-4000	2,2-2,7	6,5-7,5

ного и горизонтального бурения, в том числе при зарезке и бурении вто­рых (дополнительных) стволов через окно в эксплуатационной колонне.

При использовании ВЗД в горизонтальном бурении реализуются их преимущества по сравнению с турбобурами, в частности меньшая зависи­мость от диаметра, а также повышенный удельный момент двигателя. Это позволяет сконструировать силовую секцию длиной 1 — 2 м с наружным диаметром, существенно меньшим, чем у турбобура для аналогичных целей.

В 90-х годах НИОКР ВНИИБТ создана новая серия забойных двигате­лей типа ДГ диаметром 60—172 мм (табл. 4.10) для проводки новых гори­зонтальных скважин и бурения дополнительных стволов. При проектиро­вании этой серии двигателей использовался двадцатипятилетний опыт кон­струирования ВЗД общего назначения и в то же время учитывались требо­вания технологии горизонтального бурения.

Основные особенности двигателей серии ДГ:

уменьшенная длина, достигаемая сокращением как силовой, так и шпиндельной секций, при этом силовая секция, как правило, двухшаговая, что обеспечивает необходимую мощность и ресурс РО;

уменьшенный наружный диаметр (108 против 120 мм; 155 против 172 мм), что при сохранении оптимальных характеристик ВЗД, обеспечива­ет надежную проходимость двигателя с опорно-центрирующими элемента­ми в стволе скважины и улучшенную гидродинамическую ситуацию в за-трубном пространстве;

многообразие механизмов искривления корпуса (жесткий искривлен­ный переводник, регулируемый переводник, корпусные шарниры с одной или двумя степенями свободы), что позволяет использовать различные тех­нологии проводки скважин;

возможность размещения на корпусе двигателя опорно-центрирующих элементов;

усовершенствованное соединение ротора и вала шпинделя, гаранти­рующее надежную работу с большими углами перекоса.

Технические характеристики двигателей серии ДГ представлены в  4.10.

Двигатели универсального применения

Отечественные двигатели этой модификации охватывают диапазон на­ружных диаметров от 127 до 240 мм и предназначены для привода долот диаметром 139,7 — 295,3 мм
(табл. 4.9). Они создавались на основе много­летнего опыта конструирования турбобуров и в них использовались апро­бированные конструкции опорных узлов шпиндельной секции, резьбовых соединений, элементов соединения валов и др.

Таблица  4.9

Винтовые забойные двигатели для бурения и капитального ремонта скважин (второе поколение двигателей - 80-е годы)

Марка двигателя	Диаметр, мм	Длина, мм	Шаг ста­тора, мм	Число шагов	Расход жидкости, л/с	Крутящий момент, Н'М	Частота вращения,	Перепад давления, МПа
Ä1-54 Ä1-88 Ä1-27 Ä3-172 Ä2-195 Д1-240	54 88 127 172 195 240	1890 3225 5800 6880 6550 7570	222 390 650 850 850 880	2 2 2 2 2 3	1,0-2,5 4,5-7,0 15-20 25-35 25-35 30-50	70-110 800-950 2200-3000 3100-3700 3100-3700 10 000-14 000	3,0-7,5 2,7-5,0 3,3-4,3 1,3-1,8 1,3-1,8 1,2-2,2	7,54,5 2,7-5,0 5,5-8,5 3,9-4,9 3,9-4,9 6,0-8,0

V

А-А

Рис. 4.11. Винтовой забойный двигатель ДЗ-172:

1 — статор; 2 — ротор; 3 — гибкий вал; 4, 5 — кор­пусные переводники; 6 — корпус; 7 — вал; 8, 9 — осевая и радиальная опоры; 10 — наддолотный пере­водник

В то же время специфические узлы и детали двигателей (рабочие ор­ганы, соединение ротора и выходного вала, переливной клапан) не имеют аналогов и разрабатывались по результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований.

Выпускаемые в России и за рубежом ВЗД выполняются по единой схеме и имеют неподвижный статор и планетарно-вращающиися ротор.

На рис. 4.11 показано устройство двигателя модели ДЗ-172 в продоль­ном и поперечном разрезах. Это типичная конструкция двигателя. Двига­тель состоит из двух секций: силовой и шпиндельной.

Конусные детали секций соединяются между собой замковыми резь­бами, а валы — с помощью конусных, конусношлицевых или резьбовых соединений. Третий узел двигателя — переливной клапан, как правило, размещается в автономном переводнике непосредственно над двигателем или между трубами бурильной колонны.

Силовая секция включает в себя статор 1, ротор 2, соединение ротора и выходного вала 3 и корпусные переводники 4 и 5.

Шпиндельная секция состоит из корпуса 6, вала 7 с осевыми 8 и ради­альными 9 опорами, наддолотного переводника 10.