Новые конструкции статоров винтовых забойных двигателей производства ООО «ВНИИБТ-Буровой инструмент»

New designs of stators of screwy downhole engines made by VNIIBT-Drill instrument Co. Ltd.

O. FUFACHEV, D. GOLDOBIN, V. PLOTNIKOV, V. KHOKHLOV, S. TRAPEZNIKOV,
VNIIBT-DRILL INSTRUMENT CO. LTD

Разработанные и изготавливаемые двигатели подтвердили свою эффективность в работе и улучшенные энергетические характеристики.

Developed and manufactured engines confirmed the efficiency in work and bettering of energy characteristics.

Совершенствование винтовых забойных двигателей (далее ВЗД) с целью повышения технико-экономических показателей бурения нефтяных и газовых скважин ведется с момента их создания в 1966 г. Повышение удельных мощностных характеристик ВЗД вызвано необходимостью повышения эффективности использования современных долот режущего типа и уменьшения длины рабочих органов. Удельными являются характеристики, отнесенные к длине рабочих органов ВЗД, равной ходу винтовой линии статора. Особым образом также стоит вопрос о повышении долговечности рабочих органов ВЗД. Как показывает анализ [1] последних исследований по улучшению энергетических и эксплуатационных характеристик ВЗД, среди зарубежных и отечественных производителей актуальным сегодня является направление повышения мощностных характеристик забойного привода созданием новой конструкции статора. Известна стандартная серийно выпускаемая конструкция статора ВЗД, представляющая собой корпус с внутренней цилиндрической расточкой и привулканизированной к нему эластомерной обкладкой [2]. Современная тенденция такова, что новые конструкции статоров ВЗД отличаются от стандартной увеличенной жесткостью винтовых зубьев и улучшенным отводом теплоты от резиновой обкладки.

Специалистами «ВНИИБТ – Буровой инструмент» предложены и запатентованы два варианта конструктивного исполнения нового статора ВЗД [3, 4], в которых повышение жесткости винтовых зубьев реализуется за счет применения винтовой тонкостенной металлической оболочки, полученной методом гидроштамповки [5] (рис.1). Кольцевая полость между цилиндрической расточкой корпуса и наружной винтовой поверхностью оболочки заполнена жестким металлическим элементом. Уменьшение разогрева резиновой обкладки достигается применением в конструкции нового статора значительно меньшего объема резиновой смеси.

Рис. 1. Секция рабочих органов ВЗД в составе со статором новой конструкции

Новая конструкция статора ВЗД, разработанная специалистами «ВНИИБТ – Буровой инструмент», обладает увеличенной жесткостью винтовых зубьев, что уменьшает их отгибание от действия перепада давления жидкости в рабочих камерах героторного механизма и воздействия момента ротора. Расчетами методом конечных элементов определено, что новый статор диаметром 95 мм с резиновой обкладкой постоянной толщины имеет втрое увеличенное контактное давление в зоне уплотнения рабочих камер высокого и низкого давления (контакт выступа зуба статора с выступом зуба ротора) при действии внутреннего перепада давления рабочей жидкости в статоре [6]. Камеры остаются герметично разделенными и, следовательно, уменьшаются объемные потери в рабочих органах ВЗД, увеличивается крутящий момент и улучшается нагрузочная характеристика ВЗД [7]. На рис. 2 приведены результаты стендовых испытаний нового статора.

Стендовые испытания экспериментальных секций рабочих органов диаметром 95 мм, кинематическим соотношением 5/6 и длиной зацепления 3000 мм (рис. 2) показали, что новые секции рабочих органов имеют повышенные энергетические характеристики по сравнению с серийными секциями рабочих органов: увеличенный на 40% крутящий момент на режиме максимального КПД, более «жесткую» нагрузочную характеристику работы винтового героторного механизма и увеличение КПД на 10% при расходе воды 8 л/с. Из-за ограниченных возможностей стенда на данном расходе не удалось достичь режима максимальной мощности при испытаниях секции рабочих органов в составе со статором новой конструкции. Повышение силовых характеристик ВЗД и более жесткая нагрузочная характеристика позволят с большей эффективностью использовать современные долота режущего типа.

Рис. 2. Энергетические характеристики новой секции рабочих органов диаметром 95 мм
а – нагрузочная характеристика, б – зависимость мощности от момента, в – зависимость перепада давления в рабочих органах от момента, г – зависимость КПД от момента

Увеличение удельного крутящего момента и мощности ВЗД в составе со статорами новой конструкции позволяет значительно уменьшить длину рабочих органов без изменения энергетических характеристик при неизменном натяге в рабочих органах. Значительное уменьшение длины статора повысит эффективность бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин. Стендовые испытания рабочих органов диаметром 195 мм и кинематическим соотношением 6/7 показали уменьшение длины зацепления рабочих органов с 3600 мм до 2100 мм (в 1,7 раза) без изменения энергетических характеристик ВЗД при натяге рабочих органов 0,2 мм. При этом удельный крутящий момент на режиме максимального КПД секции рабочих органов в составе с новым статором превысил показатель серийной секции на 60%. А удельная максимальная мощность новой секции рабочих органов увеличена на 64% по сравнению с показателем серийной секции.

Одновременно еще одним направлением развития статоров новой конструкции при достигнутой герметичности рабочих камер и отсутствии объемных потерь является возможность уменьшения натяга в рабочих органах ВЗД при неизменной длине зацепления без потери силовых характеристик гидромашины. Это позволит значительно уменьшить износ рабочих поверхностей деталей, снизить механические потери на трение в героторном механизме и, следовательно, повысить долговечность рабочих органов ВЗД.

Таким образом, переход к новой конструкции статора предоставляет конструктору выбор в зависимости от поставленных перед ним задач: либо повысить силовые характеристики секции рабочих органов ВЗД, либо уменьшить длину рабочих органов, либо уменьшить износ рабочих органов.

ООО «ВНИИБТ – Буровой инструмент» совместно с ОАО «Павловский машзавод» разработаны секции рабочих органов ВЗД в составе со статором новой конструкции внешним диаметром 178 мм с кинематическим соотношением 9/10 и 4/5 и длиной зацепления 1800 мм и 2500 мм соответственно. Особенностью данной конструкции является биметаллический остов, имеющий внутренние винтовые зубья и изготовленный методом литья (рис. 3). Необходимая прочность соединения цинкового сплава со стальным корпусом обеспечивается технологией литья и специальными канавками, выполненными в корпусе [8, 9].

Рис. 3. Статор с биметаллическим остовом

Резиновая обкладка приклеена к внутренней винтовой поверхности биметаллического остова с применением специальной технологии крепления [10].

Стендовые испытания новой секции рабочих органов диаметром 178 мм с кинематическим соотношением 9/10, использующих в своем составе биметаллический остов, выявили повышение удельных мощностных характеристик по сравнению со стандартной парой в 2 раза (рис. 4). В ООО «ВНИИБТ – Буровой инструмент» ведутся работы по созданию высокооборотной секции рабочих органов новой конструкции. В состоянии изготовления опытного образца находится статор диаметром 178 мм с кинематическим соотношением 4/5 и длиной активной части резиновой обкладки 2500 мм.

Рис. 4. Энергетические характеристики новой секции рабочих органов диаметром 178 мм
а – нагрузочная характеристика, б – зависимость мощности от момента, в – зависимость перепада давления в рабочих органах от момента, г – зависимость КПД от момента

Зубья статора, армированные цинковым сплавом, обладают хорошим отводом тепла от резиновой обкладки, поэтому статор такой конструкции можно применять как для изготовления забойных двигателей, работающих в тяжелых условиях, так и для изготовления насосных перекачивающих станций.

Секции рабочих органов ВЗД диаметром 95 мм и кинематическим соотношением 5/6 прошли промысловые испытания на буровых предприятиях России. Секция рабочих органов Д-95Х.5/6 №2 испытывалась в составе двигателя ДР-95М №173 в ОАО «Азнакаевский горизонт» в период сентябрь-октябрь 2007 г. и в ООО «Нефтекамское УБР» в ноябре 2007 г. Хорошие технико-экономические показатели получены при проведении промысловых испытаний секции рабочих органов Д-95Х.5/6 №5 в филиале «Центр горизонтального бурения» ООО «Газпром Бурение» в составе двигателя ДР-95М №3-2. В январе 2010 г. на скважине №1093 данным двигателем были пробурены интервалы 1921 – 2108 м за 120 час. и 2278 – 2306 м за 15 час. На скважине №1051/1 ОНГКМ с февраля по март 2010 г. двигателем пробурено 219 м в интервале 1981 – 2200 м за время 136 час. В марте 2010 г. на скважине №1084/2 двигателем пробурен интервал 1901 – 2114 м за 150 час. Суммарная наработка на секцию рабочих органов Д-95Х.5/6 №5 составляет 421 час. с суммарной проходкой 707 м. По состоянию на май 2010 г. промысловые испытания секции рабочих органов продолжаются.

Таким образом, разработанные и изготавливаемые ООО «ВНИИБТ – Буровой инструмент» двигатели, имеющие в своем составе статоры новой конструкции, показали свою работоспособность, эффективность и улучшение энергетических характеристик, обеспечивающих при сопоставимых длинах статора увеличение мощности винтового забойного двигателя в 1,5 – 2 раза. Положительные результаты проведенных промысловых испытаний дают право говорить об эффективности использования винтовых забойных двигателей со статором, имеющим равномерную толщину резиновой обкладки.

Комментарии посетителей сайта