Забойный двигатель
ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (а. face engine; н. Воhrlochsohlenantrieb; Воhrlochsohlenmotor; ф. moteur d’attaque; и. motor de frente de arranque) — погружная машина, преобразующая гидравлическую, пневматическую или электрическую энергию, подводимую с поверхности, в механическую работу породоразрушающего инструмента (долота) при бурении скважин. Энергия к забойному двигателю подводится от источника по колонне бурильных труб или кабелю. Преобразование подведённой энергии в механическую работу осуществляется в рабочих органах забойного двигателя. По типу движения, сообщаемого породоразрушающему инструменту, различают забойные двигатели вращательные и ударные, по виду энергоносителя — гидравлические, пневматические и электрические, по особенностям породоразрушающего инструмента — для бурения сплошным забоем и колонковые, по конструкции — одинарные, секционные, шпиндельные, редукторные и т.п.
Наиболее существенно отличаются по устройству и принципу действия забойные двигатели вращательного (турбобур, винтовой забойный двигатель и электробур) и ударного типов (гидро- и пневмоударник). Рабочим органом забойного двигателя вращательного типа (рис. 1, рис. 2, рис. 3) является система статор-ротор.
Статор фиксирован от проворота в корпусе забойного двигателя, а ротор — на валу. Корпус забойного двигателя соединён с колонной бурильных труб, вал — с долотом. Энергоноситель в рабочих органах забойного двигателя вращательного типа создаёт на роторе и статоре моменты силы, равные по величине и противоположные по направлению (так называемый активный и реактивный моменты). Активный момент используется на вращение долота, реактивный момент воспринимается колонной бурильных труб и гасится на стенках скважин и в приводных механизмах, размещённых на поверхности. Основные элементы забойного двигателя вращательного типа, помимо рабочих органов: осевая и радиальные опоры, уплотнение выхода вала.
Наибольшее использование забойного двигателя вращательного типа (табл. 1) имеют в бурении на нефть и газ (свыше 80% общего объёма).
Забойные двигатели ударного типа сообщают долоту возвратно-поступательные движение. Основным рабочим органом такого забойного двигателя является поршень-молоток, энергия удара которого передаётся долоту. Движение молотка вниз (рабочий ход) и вверх (обратный ход) обеспечивается автоматическим перепуском жидкости или сжатого газа. В различных конструкциях забойного двигателя ударного типа энергия подводимой жидкости (газа) используется как для совершения только прямого или только обратного хода поршня-молотка, так и для прямого и обратного ходов. Забойные двигатели ударного типа (табл. 2) приводятся в действие жидкостью (гидроударник) и сжатым газом (пневмоударник).
Гидро- и пневмоударники применяют главным образом при бурении скважин малого диаметра глубина до 1500 м на твёрдые полезные ископаемые и для бурения шпуров.
Использование забойного двигателя (по сравнению с ротором) обеспечивает повышение технико-экономических показателей бурения за счёт увеличения скорости бурения, сокращения количества аварий с бурильной колонной, снижения энергозатрат. Особенно эффективно применение забойного двигателя при бурении наклонно направленных скважин.
Винтовые забойные двигатели (ВЗД)
Винтовые забойные двигатели предназначены для бурения глубоких вертикальных, наклонно направленных и горизонтальных скважин различного
Винтовой забойный двигатель (screw downhole motor) — гидравлический забойный двигатель объемного типа, многозаходные рабочие органы которого выполнены по схеме героторного планетарного механизма, приводимого в действие за счет 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. Применяется в нефтегазовой и нефтегазодобывающей областях
Диаметр винтовых забойных двигателей обычно составляет 54-230 мм и применимы в бурении и капитальном ремонте скважин.
Винтовые забойные двигатели имеют в своем составе:
- Шарошечные долота
- Безопорные долота
- Бурильные головки (обеспечивают требуемый зазор мажду корпусом двигателя и стенками скважин)
ВЗД эксплуатируются при использовании буровых растворов плотностью не более 2000 кг/м 3 , включая аэрированные растворы (и пены при капитальном ремонте скважин), с содержанием песка не более 1 % по весу, максимальным размером твердых частиц не более 1 мм, при забойной температуре не выше 373 К.
По принципу действия ВЗД является объемной (гидростатической) машиной, многозаходные рабочие органы которой представляют собой планетарно-роторный механизм с внутренним косозубым зацеплением.
Односекционные ВЗД типа Д включают двигательную и шпиндельную секции и переливной клапан, корпусы которых соединяются между собой с помощью конических резьб (рисунок).
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 преобразования планетарного движения ротора в соосное 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 его частоте вращения, а также обеспечивается высокая долговечность и надежность работы двигателя, что позволяет эффективно использовать его в сочетании с современными высокопроизводительными долотами с герметизированными маслонаполненными опорами при сравнительно высоких осевых нагрузках.
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 8. 10 МП а.
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 па проходимые породы при спуске и подъеме бурильной колонны, исключения холостого вращения вала двигателя и потерь бурового раствора при указанных операциях.
Основные конструктивные параметры односекционных ВЗД типа Д и их энергетические характеристики при различных расходах бурового раствора плотностью 1000 кг/м3 (на воде) приведены в табл. 104.
ВЗД разработаны на уровне лучших мировых образцов. Большинство отечественных конструкторских и технологических решений выполнены на уровне изобретений, защищены авторскими свидетельствами и запатентованы во многих зарубежных странах.
Секционные винтовые забойные гидравлические двигатели типа ДС (ДС-195) предназначены для бурения вертикальных и наклонно направленных скважин различного назначения с использованием буровых растворов при температуре не выше 373 К.
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 т. ч. с 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 различных типов: от облегченных (аэрированных) до утяжеленных.
(1) — Павловский машиностроительный завод им. Мясникова. (2) — Кунгурский машиностроительный завод. (3) — Пермский машинострои-тельный завод им. Ленина.
(4) — Бердичевский машиностроительный завод. (5) — Производство Пф ВНИИБТ.
(6) — Производство ВНИИБ. (Экспериментальный и Опытный заводы).
Секционный забойный двигатель ДС-195 собирается в промысловых условиях из двух-трех двигательных секций, состоящих из винтовых пар серийных двигателей Д 1-195 и одной шпиндельной секции с шаровой или резинометаллической опорой. Они выпускаются наружным диаметром 195 мм и применяются при бурении скважин шарошечными и безопорнымн долотами различных типоразмеров и серий в соответствии с рекомендуемыми технологически требуемыми зазорами между корпусом этих двигателей и стенками скважин в конкретных геолого-технических условиях месторождений.
Для секционирования рабочих органов двигателя разработаны различные варианты сочленения роторов и статоров и приспособления для осуществления их сборки. Конструктивное исполнение секционных винтовых двигателей может быть следующим:
? сборка с ориентированием рабочих органов по винтовой линии с жестким соединением статоров и роторов с помощью переводника (рисунок);
? сборка без ориентирования рабочих органов с жестким соединением статоров и соединением роторов с помощью шарнира (рисунок) или гибкого вала (рисунок).
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 8. 10 МПа.
Основные конструктивные параметры секционных ВЗД типа Д2 и их энергетические характеристики при различных расходах бурового раствора плотностью 1000 кг/м3 (на воде) приведены в табл. 104.
Изготовители: См. табл. 104
Винтовые забойные двигатели с полым ротором (рисунок). Отличительной особенностью этих двигателей является выполнение полого ротора и соединение ротора с валом шпинделя 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 торснона, 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 двигателя. 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.
Технические решения, использованные в конструкции ВЗД, защищены авторскими свидетельствами и патентами во многих странах.
Основные конструктивные параметры ВЗД с полым ротором и их энергетические характеристики при различных расходах бурового раствора плотностью 1000 кг/м3 (на воде) приведены в табл. 104.
Винтовые забойные двигатели типа ДГ предназначены для бурения горизонтальных скважин, в т. ч. с малым радиусом искривления.
В отличие от других ВЗД двигатель имеет укороченный шпиндель, оснащен опорноцентрирующими элементами и корпусными шарнирами, обеспечивающими эффективную проводку горизонтальных скважин по заданной траектории.
Основные конструктивные параметры и энергетические характеристики винтовых забойных двигателей типа ДГ при различных расходах бурового раствора плотностью 1000 кг/м-1 (на воде) приведены в табл. 104.
Забойные двигатели: разновидности, принцип действия.
Забойные двигатели: разновидность, принцип действия.
Забойный двигатель – погружная машина, преобразующая гидравлическую, пневматическую или электрическую энергию, проводимую с поверхности, в мханическую работу инструмента при бурении скважины. Энергия к забойному двигателю проводится от источника по колонне бурильных труб или кабелю.
Различают: вращательные и ударные; пневматическиц, гидравлические и электронные.
Забойные гидравлические двигатели по принципу действия различают: гидравлические двигатели объемного типа и гидродинамические двигатели.
Объемные двигатели работают под действием гидростатического напора в результате наполнения жидкостью рабочих камер и перемещения вытеснителей (поршень, пластина или ротор). Гидродинамические двигатели – функционируют при изменении момента количества движения жидкости в рабочих органах машины.
Турбинное бурение. Турбобуры – гидравлическая турбина, приводящаяся возвращение с помощью нагнетаемой в скважину жидкости. Устанавливают над породоразрушающим инструментом. Поток промывочной жидкости подается на первую ступень турбобура через бурильную колонну. Жидкость приобретает направление. Потоки жидкости поступают на лопатки ротора под заданным углом и осуществляет силовое воздействие на ротор и возникновение силы, которая пытается повернуть ротор.
Винтовой забойный двигатель – разновидность забойного двигателя, в которой для преобразования энергии потока промывочной жидкости в механическую энергию, используя винтовой механизм.
