Avtoargon.ru

АвтоАргон
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Устройство и принцип работы винтового забойного двигателя

Устройство и принцип работы винтового забойного двигателя.

Винтовой двигатель представляет собой забойный агрегат с гидравлическим объемным двигателем, приводи­мый в действие потоком бурового раствора, который закачи­вается в бурильную колонну с поверхности насосами.

Винтовой двигатель состоит из статора и эксцентрично рас­положенного винтового ротора, представляющего собой как бы зубчатую пару с внутренним зацеплением с винтовыми зубьями. Число зубьев статора на один больше зубьев ротора, что позво­ляет ему совершать планетарное движение, как бы обкатываясь по зубьям статора: ось ротора при этом движется по окружно­сти диаметром, равным двойному эксцентриситету е. Для соеди­нения ротора с валом шпинделя, соосно расположенного с кор­пусом, служит шаровая двухшарнирная муфта, компенсирую­щая эксцентриситет.

1 — статор; 2 — ротор; 3 — радиальная резинометаллическая опора; 4 — осевая шаровая опора; 5 — вал шпинделя; 6 — долото.

Шпиндель винтового двигателя сходен по конструкции со шпинделем турбобура. Он укреплен на радиальных резинометаллических подшипниках и снабжен шаровой пятой для вос­приятия осевой нагрузки. Вал шпинделя — пустотелый, в верх­ней части снабжен каналами для прохода жидкости к долоту,присоединяемому через переводник к нижней части вала двигателя. Корпус последнего через переводник прикрепляется к ниж­ней части бурильной колонны.

По принципу действия винтовые двигатели относятся к объ­емным роторным машинам. Основными элементами рабочих органов таких машин являются:

— статор — корпус с полостями, примыкающими по концам и камерам высокого и низкого давления;

— ведущий ротор — винт, вращающий момент которого пере­дается валу шпинделя;

Винтовые поверхности статора и ротора делят рабочий объ­ем двигателя на ряд полостей. Полости, связанные с областя­ми высокого и низкого давления, называются камерами, а замкнутые полости — шлюзами. В поперечном сечении имеются ка­меры, разделенные между собой контактной линией. Каждая камера по мере вращения периодически связывается с полостя­ми высокого и низкого давления и в каждый заданный момент времени становится шлюзом. Теоретически на длине одного шага происходит разобщение полостей, находящихся выше и ниже рабочих органов.

Поверхности винтовых зубьев ротора и статора, взаимно пе­ресекаясь, отсекают область высокого давления жидкости от области низкого давления и препятствуют ее свободному пере­току. Под действием перепада давления жидкости на ведущем винте образуется вращающий момент, передаваемый на вал шпинделя. Чем больше перепад давления на двигателе, тем больше вращающий момент. По принципу действия винтовой двигатель можно сравнить с поршневым гидравлическим двига­телем, снабженным поршнем, который перемещается вдоль оси ротора по винтовой линии. Роль поршня выполняют отсекаю­щие поверхности винтового ротора.

Винтовые двигатели и насосы имеют ряд преимуществ, что позволило использовать их как гидравлические забойные двига­тели:

— отсутствие клапанных и золотниковых распределителей пото­ка жидкости;

— отсутствие относительного перемещения трущихся деталей пары ротор — статор;

— непрерывное изменение положения линии контакта рабочих органов при вращении ротора позволяет потоку бурового рас­твора удалять абразивные частицы из камер и шлюзов.

Условия создания шлюзов в паре ротор — статор объемных винтовых двигателей следующие:

— число зубьев или заходов статора z1 должно быть на единицу больше зубьев ротора z2;

— отношение шага зубьев статора Т к шагу зубьев ротора t должно быть пропорционально отношению их числа, т. е.

Отношение чисел зубьев статора и ротора называется пере­даточным числом

Теоретически винтовой двигатель может иметь любое пере­даточное число.

Дата добавления: 2015-04-18 ; просмотров: 111 ; Нарушение авторских прав

Классификация винтовых двигателей

Винтовые забойные двигатели могут быть классифицированы по следующим признакам:

1. По кратности действия рабочих органов различают двигатели с однозаходным ротором (Ζ2 = 1) и многозаходные двигатели (Ζ1 > 1), в которых ротор и статор имеют многозаходные винтовые поверхности. Кратность действия определяет число циклов в рабочих камерах гидромашины за один оборот вала. Цикл одновинтовой гидромашины соответствует процессу вытеснения объема замкнутой камеры (шлюза) и совершается на периоде между контактом смежных зубьев ротора с фиксированной впадиной статора.

Кратность действия, зависящая от кинематического отношения рабочих органов, равна числу заходов внутреннего элемента Ζ2 и определяет рабочий объем винтового героторного механизма.

Рисунок 10. Зависимости выходных параметров винтовых забойных двигателей диаметром 172 мм от кинематического соотношения героторного механизма (Q=const,Δp=const).

Кратность действия является основным параметром винтового забойного двигателя, что иллюстрируется теоретическими кривыми (рис. 10), повсеместно используемыми при обосновании выбора рабочих органов винтового забойного двигателя. Отечественные винтовые забойные двигатели имеют многозаходные рабочие органы. Зарубежные компании производят двигатели как с однозаходным ротором, так и с многозаходными рабочими органами.

2. По кинематике рабочих органов. Согласно классификации винтовых героторных механизмов, для осуществления рабочего процесса необходимо и достаточно, чтобы кинематика ротора и статора соответствовала одному из четырех вариантов взаимодействия, приведенных на рис. 11.

Рисунок 11. Варианты взаимодействия ротора и статора винтового героторного механизма.

Компоновка двигателя во многом определяется конструктивными средствами, обеспечивающими возможность выполнения планетарного движения одного из элементов рабочих органов. Наиболее распространен вариант I компоновки, характеризующийся неподвижным наружным элементом и планетарно-вращающимся внутренним. Этот вариант имеет следующие преимущества:

— разделение полостей высокого и низкого давления осуществляется внутри рабочих органов, т.е. не требуется каких-либо дополнительных сальниковых устройств;

— имеется возможность непосредственно соединять статор с колонной бурильных труб (реактивный момент на статоре закручивает резьбовые соединения бурильных труб). Двигатели с рабочими органами по варианту II, целесообразно применять в компоновках низа бурильной колонны (КНБК), предназначенных для поддержания вертикальности скважины или при необходимости расширения ствола, поскольку на наружной поверхности вращающегося статора весьма просто разместить опорно-центрирующие или режущие элементы. Однако этот вариант имеет существенный недостаток — необходимость уплотнения между неподвижным корпусом и вращающимся статором.

Читать еще:  Что поступает в цилиндр карбюраторного двигателя при такте впуска

На практике вариант II компоновки был использован французской фирмой «Schlumberger» в двигателе «Gerotor», а также в экспериментальном отечественном двигателе для стабилизации КНБК без вращения колонны бурильных труб.

В начале 70-х годов ВНИИБТ предложил конструкцию винтового забойного двигателя с подвижным статором, кинематически аналогичную варианту III. От известных двигателей он отличается тем, что соединение подвижного статора и колонны бурильных труб выполнено в виде гибкой трубы. Компоновка забойного двигателя позволяет использовать в качестве гибкой трубы элемент бурильной колонны.

Практическое применение варианта IV компоновки пока неизвестно, хотя теоретически использование его может способствовать повышению эффективности разрушения горных пород и увеличению скорости бурения.

3. По конструктивной компоновке различают шпиндельные и бесшпиндельные двигатели. Большая часть двигателей выпускается в шпиндельном исполнении, с вынесением осевой и радиальных опор в отдельный автономный узел, расположенный под рабочими органами. Таким образом, конструктивная схема винтового двигателя аналогична турбобурной схеме.

Принципиально возможны конструкции двигателей в бесшпиндельном исполнении. Наиболее актуальна такая компоновка для двигателей с ограниченным осевым габаритом т.е. двигатели малого диаметра. Собственно, как дальше будет показано, в винтовых двигателя используются радиальные и осевые опоры, используемые в турбобурах и это естественно.

4. По конструкции силовой секции (секции где располагаются рабочие органы) различают монолитные и секционные двигатели. В большинстве случаев рабочие органы двигателей выполняются в монолитном исполнении длиной в 2-3 шага статора. Секционные двигатели характеризуются последовательным расположением стандартных рабочих органов. Роторы секционных двигателей обычно соединяются между собой посредством гибких валов или шарниров, статоры — резьбовыми переводниками. Основная цель секционирования — повышение крутящего момента двигателя или снижение контактных напряжений в рабочих органах.

В ряде случаев при создании многошаговых конструкций рабочих органов используются модульные варианты. Так, двигатель типа ДММ имеет составной статор, выполненный из нескольких втулок, собранных в корпусе, и составной ротор, набранный из модулей, закрепленных на общем вале.

По конструкции секционных двигателей различают безориентированные и ориентированные модификации. При ориентированной сборке секции соединяются таким образом, что они образуют единую винтовую нарезку и в идеале подобны монолитным рабочим органам. Преимущество ориентированного соединения секций — снижение межвиткового перепада давления и перекашивающего момента.

5. По характеру распределения потока жидкости различают двигатели обычные и с разделенным потоком. Разделенный поток используется в схемах винтовых забойных двигателей, когда по технологическим соображениям необходимо часть жидкости пропустить через полый ротор, минуя камеры рабочих органов, и в схемах с параллельным соединением секций рабочих органов.

6. По конструкции ротора рабочих органов различают двигатели с цельным и полым ротором. Двигатели с наружным диаметром 88 мм и более, как правило, выполняются с полым ротором. Такое исполнение позволяет разместить в расточке ротора гибкий вал, а также снизить инерционные силы в машине.

Двигатели с наружным диаметром менее 88 мм выполняются с цельным ротором. Однако с развитием прогрессивных технологий (гидроштамповка, горячая прокатка) в будущем не исключено использование полых роторов во всех типоразмерах двигателей.

7. По конструкции узла соединения ротора и вала шпинделя винтового забойного двигателя выполняются в двух вариантах: шарнирном или торсионном (с гибким валом).

Первые отечественные двигатели (Д2-172М, ДЗ-172) оснащались двухшарнирными соединениями. В настоящее время почти во всех двигателях используются гибкие валы. В некоторых случаях в двигателях с большим перекосом осей (более 1,5°) силовой и шпиндельной секций для повышения надежности используется комбинированная шарнирно-торсионная компоновка.

8. По конструкции шпинделя различают винтовые забойные двигатели с открытым и маслозаполненным шпинделем. В открытых шпинделях (они используются во всех серийных отечественных двигателях) узлы трения смазываются и охлаждаются буровым раствором. В маслонаполненных шпинделях узлы трения находятся в масляной ванне с избыточным давлением на 0,1-0,2 МПа, превышающим давление окружающей среды.

9. По типу осевой опоры в шпинделе различают забойные двигатели с опорами качения и скольжения. Опоры качения выполняются в виде многоступенчатых радиально-упорных или упорных шарикоподшипников. Опоры скольжения представлены многорядными упорными подшипниками. В отечественных конструкциях используется пара «обрезиненный подпятник — металлический диск», т.е. осевую опору, которая в турбобуре называется пятой-сальником. Однако наибольшее распространение получил винтовой забойный двигатель с осевыми опорами качения.

10. По конструкции уплотнения вала шпинделя различают шпиндели с торцевыми и многорядными лабиринтными уплотнениями. Уплотнения вала устанавливаются для обеспечения эффективной работы гидромониторных работ.

11. По назначению различают двигатели:

— универсального применения (общего назначения);

— для наклонно направленного бурения;

— для горизонтального бурения;

— для ремонта скважин (буровых работ внутри обсадных колонн и насосно-компрессорных труб);

— специального применения (например, двигатели для горизонтального бурения с вращением КНБК).

12. По наружному диаметру выделяют винтовые забойные двигатели:

— обычного исполнения (диаметром 127 мм и более);

Читать еще:  Глохнет двигатель на холостом ходу митсубиси галант

— малогабаритные (диаметром от 54 до 127 мм);

— миниатюрные (диаметром менее 54 мм).

13. По термостойкости различают двигатели:

— в обычном исполнении для температуры до 100 °С;

— термостойкие, предназначенные для бурения при забойной температуре 120-150 °С.

Термостойкость винтового забойного двигателя определяется физико-химическими свойствами эластичной обкладки статора клея, обеспечивающего крепление обкладки с металлом. Для повышения термостойкости винтового забойного двигателя используются специальные эластомеры, а также особые конструкции статоров, например со шлицевым креплением обкладки. В отечественной практике термостойкие двигатели серийно не выпускаются. За рубежом ряд компаний предлагают винтовые забойные двигатели, предназначенные для работы в условиях забойной температуры до 150 °С.

14. По частоте вращения выходного вала различают двигатели:

— обычные (n = 80-150 об/мин);

— быстроходные (n > 150 об/мин);

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Забойные двигатели для направленного бурения. Типы, ограничения

Забойный двигатель — 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 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.

ТУРБОБУР представляет собой многоступенчатую гидравлическую турбину, к валу которой непосредственно или через редуктор присоединяется долото. Каждая ступень турбины состоит из диска статора и диска ротора.

В статоре, жестко соединенном с корпусом турбобура, поток бурового раствора меняет свое направление и поступает в ротор, где отдает часть своей гидравлической мощности на вращение лопаток ротора относительно оси турбины. При этом на лопатках статора создается реактивный вращающий момент, равный по величине и противоположный по направлению вращающему моменту ротора. Перетекая из ступени в ступень буровой раствор отдает часть своей гидравлической мощности каждой ступени. В результате вращающие моменты всех ступеней суммируются на валу турбобура и передаются долоту. Создаваемый при этом в статорах реактивный момент воспринимается корпусом турбобура и БК.

Турбобуры применяются при бурении вертикальных и наклонных скважин малой и средней глубины без гидромониторных долот. Применение гидромониторных долот невозможно по тем причинам, что через нижнюю радиальную опору (ниппель) даже при незначительном перепаде давления протекает 10 – 25% бурового раствора.

В разведочном бурении для отбора керна в полом валу Т. размещается съёмная грунтоноска. Для бурения в условиях борьбы с кривизной ствола скважины используют Т. с вращающимся корпусом.

ВИНТОВОЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ — гидравлический забойный двигатель объёмного типа, рабочие органы которого выполнены по схеме планетарного механизма, приводимого в действие за счёт энергии промывочной жидкости. Многозаходный винтовой забойный двигатель — героторный планетарный механизм, статор которого выполнен в виде стального цилиндра с привулканизированным к его внутренней поверхности многозаходным резиновым винтом.

Ротор (однозаходный или многозаходный винт с числом заходов, на единицу меньшим, чем у винта статора) расположен внутри статора. Под давлением промывочной жидкости ротор, обкатываясь по внутренней поверхности статора, совершает планетарное движение, которое через универсальные шарниры передаётся валу шпинделя, вращающему породоразрушающий инструмент. Диаметр винтового забойного двигателя 54-195 мм, частота вращения около 2-6 с-1, вращающий момент 80-5000 Нм, перепад давления 4-6 МПа, расход промывочной жидкости 0, 0015-0, 036 м3/с и более. Наиболее эффективны винтовые забойные двигатели при проходке глубинных интервалов.

ЭЛЕКТРОБУР — забойная буровая машина с погружным электродвигателем, предназначенная для бурения глубоких скважин, преимущественно на нефть и газ. Идея электробура для ударного бурения принадлежит русскому инженеру В. И. Делову (1899). Электробур состоит из маслонаполненного электродвигателя и шпинделя. Мощность трёхфазного электродвигателя зависит от диаметра электробура и составляет 75-240 кВт. Для увеличения вращающего момента электробура применяют редукторные вставки, монтируемые между двигателем и шпинделем и снижающие частоту вращения до 350, 220, 150, 70 об/мин. Частота вращения безредукторного электробура 455-685 об/мин. Длина электробура 12-16 м, наружный диаметр 164-290 мм.

Читать еще:  Ваз 21099 инжектор двигатель глохнет при холостых

При бурении электробур, присоединённый к низу бурильной колонны, передаёт вращение буровому долоту. Электроэнергия подводится к электробуру по кабелю, смонтированному отрезками в бурильных трубах. При свинчивании труб отрезки кабеля сращиваются специальными контактными соединениями. К кабелю электроэнергия подводится через токоприёмник, скользящие контакты которого позволяют проворачивать колонну бурильных труб. Для непрерывного контроля пространственного положения ствола скважины и технологических параметров бурения при проходке наклонно направленных и разветвлённо-горизонтальных скважин используется специальная погружная аппаратура (в том числе телеметрическая). При бурении электробуром очистка забоя осуществляется буровым раствором, воздухом или газом.

Винтовой забойный двигатель

Винтовой забойный двигатель — гидравлический забойный двигатель объёмного типа, рабочие органы которого выполнены по схеме планетарного механизма, приводимого в действие за счёт энергии промывочной жидкости. 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.

Многозаходный винтовой забойный двигатель (рис.) — героторный планетарный механизм, статор которого выполнен в виде стального цилиндра с привулканизированным к его внутренней поверхности многозаходным резиновым винтом.

Ротор (однозаходный или многозаходный винт с числом заходов, на единицу меньшим, чем у винта статора) расположен внутри статора. Под давлением промывочной жидкости ротор, обкатываясь по внутренней поверхности статора, совершает планетарное движение, которое через универсальные шарниры передаётся валу шпинделя, вращающему породоразрушающий инструмент. Диаметр винтового забойного двигателя 54-195 мм, частота вращения около 2-6 с-1, вращающий момент 80-5000 Нм, перепад давления 4-6 МПа, расход промывочной жидкости 0,0015-0,036 м3/с и более. Наиболее эффективны винтовые забойные двигатели при проходке глубинных интервалов.

Долота

Основным элементом бурового инструмента для механического разрушения горной породы в процессе бурения скважины является долото. Термин «долото» сохранился от раннего периода развития техники бурения, когда единственным способом проходки скважины было ударное бурение, при котором буровое долото имело сходство с плотничным инструментом того же наименования.

Долота бывают лопастные, шарошечные, алмазные и твердосплавные.

Лопастные долота (рис. 17) выпускаются трех типов: двухлопастные, трехлопастные и многолопастные. Под действием нагрузки на забой их лопасти врезаются в породу, а под влиянием вращающего момента — скалывают ее. В корпусе долота имеются отверстия, через которые жидкость из бурильной колонны направляется к забою скважины со скоростью не менее 80 м/с. Лопастные долота применяются при бурении в мягких высокопластичных горных породах с ограниченными окружными скоростями (обычно при роторном бурении).

Рис. 17. Лопастное долото:

1 — головка с присоединительной резьбой; 2 — корпус; 3 — лопасть;

4 — промывочное отверстие; 5 — твердосплавное покрытие;

6 — режущая кромка.

Шарошечные долота (рис. 18) выпускаются с одной, двумя, тремя, четырьмя и даже с шестью шарошками. Однако наибольшее распространение получили трехшарошечные долота. При вращении долота шарошки, перекатываясь по забою, совершают .сложное вращательное движение со скольжением. При этом зубцы шарошек наносят удары по породе, дробят и скалывают ее. Шарошечные долота успешно применяются при вращательном бурении пород самых разнообразых физико-механических свойств. Изготавливают их из высококачественных сталей с последующей химико-термической обработкой наиболее ответственных и быстроизнашивающихся деталей, а сами зубки изготавливаются из твердого сплава.

Рис. 18. Шарошечное долото:

1 — корпус с резьбовой головкой;

2 — лапа с опорой; 3 — шарошка.

Алмазные долота (рис. 19) состоят из стального корпуса и алмазонесущей головки, выполненной из порошкообразной твердосплавной шихты. Центральная часть долота представляет собой вогнутую поверхность в форме конуса с каналами для промывочной жидкости, а периферийная зона — шаровую поверхность, переходящую на боковых сторонах в цилиндрическую.

Рис. 19. Алмазное долото:

1 — корпус; 2 — матрица; 3 — алмазные зерна.

Алмазные долота бывают трех типов: спиральные, радиальные и ступенчатые. В спиральных алмазных долотах рабочая часть имеет спирали, оснащенные алмазами и промывочные отверстия. Долота этого типа предназначены для турбинного бурения малоабразивных и среднеабразивных пород. Радиальные алмазные долота имеют рабочую поверхность в виде радиальных выступов в форме сектора, оснащенных алмазами; между ними размещены промывочные каналы. Долота данного типа предназначены для бурения малоабразивных пород средней твердости и твердых пород как при роторном, так и при турбинном способах бурения. Ступенчатые алмазные долота имеют рабочую поверхность ступенчатой формы. Они применяются как при роторном, так и турбинном способах бурения при проходке малоабразивных мягких и средней твердости пород.

Применение алмазных долот обеспечивает высокие скорости бурения, снижение кривизны скважин. Отсутствие опор качения и высокая износостойкость алмазов повышают их срок службы до 200. 250 ч непрерывной работы. Благодаря этому сокращается число спуско-подъемных операций. Одним алмазным долотом можно пробурить столько же, сколько 15. 20 шарошечными долотами.

Твердосплавные долота отличаются от алмазных тем, что вместо алмазов они армированы сверхтвердыми сплавами.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector