Конструкторские решения в области совершенствования рабочих органов винтовых забойных двигателей

Design solutions to improve the working of downhole PDM

D. Baldenko, «SPU Drilling technics» JSC
F. Baldenko, the Gubkin Russian State oil and gas university
M. Dvoynikov, Tyumen’ State oil and gas university

В статье рассмотрены преимущества винтовых забойных двигателей с модульной конструкцией рабочих органов. Приводятся результаты стендовых и промышленных испытаний некоторых конструкций.

The article examines advantages of downhole positive displacement motors (PDM) with modular design of operating elements. There are given results of industrial and stand tests of these designs.

Одним из актуальных направлений развития технических систем является применение модульного принципа их конструирования. В нефтегазовой промышленности широко применяются модульные конструкции буровых установок, электропогружных насосов, энергетических и других систем. Модульный принцип конструирования позволяет расширить технологические возможности оборудования, повысить его монтажеспособность и ремонтопригодность.

Модульные конструкции рабочих органов ВЗД

Рис. 1. Рабочие органы ВЗД с модульным статором:
1 – корпус ВЗД; 2  – модуль статора; 3 – ротор; 4 – фиксируемый переводник
При строительстве нефтяных и газовых скважин широкое применение в качестве привода породоразрушающего инструмента нашли винтовые забойные двигатели (ВЗД) в широком диапазоне диаметров и кинематических отношений рабочих органов (РО). В различных регионах России ВЗД обеспечивают от 50 до 75% всего объема бурения и практически повсеместно применяются в буровых работах при капитальном ремонте скважин [1].

В результате многолетних конструкторских и технологических работ значительно улучшились энергетические и эксплуатационные характеристики двигателей. Особое внимание уделяется рабочим органам ВЗД, в последние годы отечественными производителями и НИИ выполнен ряд инновационных работ по повышению надежности и долговечности РО.

Эти работы велись в следующих направлениях [1 – 4]:
  • оптимизация геометрии РО;
  • применение новых материалов и покрытий для статора и ротора;
  • изменение конструкции статора;
  • разработка прогрессивных технологий изготовления.
Вместе с тем имеются и другие конструктивные пути улучшения энергетических характеристик ВЗД и повышения их эксплуатационных качеств, основанные в том числе на модульном принципе построения РО.

На первых порах модульные конструкции РО при ограниченных технологических возможностях производителей использовались как сборочные единицы с последовательным соединением модулей статоров и/или роторов с целью увеличения крутящего момента ВЗД.

В 1990-е гг. такие модульные двигатели применялись в опытных конструкциях ВНИИБТ. В настоящее время ВЗД с модульным статором серийно выпускаются Кунгурским машзаводом под шифром ДМ (рис.1).

Соединение модулей статора осуществляется посредством фрикционного крепления по торцам с использованием фиксируемых резьбовых переводников.

Модульные конструкции РО позволяют не только повысить энергетические характеристики двигателей, но и путем создания различных компоновок, выполненных по схеме ориентированной сборки, устранить или минимизировать отдельные недостатки, присущие винтовым героторным механизмам.

Схема уравновешенного ВЗД

Одним из существенных недостатков винтовой гидромашины является высокий уровень вибрации, связанный с планетарным движением ротора, эксцентричным положением его центра масс и неуравновешенностью инерционных сил и моментов, что характеризует ВЗД как статическую (а с учетом действия перекашивающего момента и как динамическую) неуравновешенную систему. Это приводит к ограничению быстроходности, снижению КПД и сроков службы ВЗД.
Рис. 2. Схема уравновешенного ВЗД
Для уравновешивания инерционных силовых факторов ВНИИБТ предложена модульная схема РО [5]. Она отличается тем, что внутри монолитного статора установлен модульный ротор (рис. 2), состоящий из трех последовательно расположенных частей с идентичной винтовой поверхностью, причем длина центрального модуля равна сумме длин двух крайних модулей, а оси смежных модулей ротора (центрального и крайнего) и вершины зубьев ротора в смежных торцовых сечениях расположены в противофазе.

Крайние модули ротора должны быть разнесены от центрального модуля на расстояния l, кратные осевому шагу t0 зубьев винтовых поверхностей РО. Для осуществления согласованной кинематики модулей составного ротора внутри общего статора модули соединяются посредством шарнирных соединений.

Благодаря указанному пространственному расположению модулей ротора (линейное смещение осей и поворот относительно друг друга на 180°) обеспечивается полное уравновешивание всех радиальных силовых факторов – гидравлических и инерционных (Fин) сил (рис. 2), а также перекашивающих моментов (причем при любой длине l). Все это дает основание рекомендовать данную схему для создания многозаходных ВЗД повышенной быстроходности.

Схема ВЗД для восстановления характеристики отработанных винтовых пар

Несколько лет назад Тюменским государственным нефтегазовым университетом была предложена конструкция ВЗД с оригинальным модульным ротором [6].

Известно, что в результате износа поверхностей РО изменяются геометрические размеры зацепления героторного механизма (диаметральный натяг, эксцентриситет и т. д.), влияющие на утечки в РО и энергетические показатели ВЗД. Для восстановления характеристик двигателя и сохранения запаса устойчивости его работы требуется устранение повышенных зазоров по длине контактных линий, снижающих нагрузочную способность ВЗД. Эта задача решается применением модульной компоновки ротора с ориентированным разворотом модулей относительно друг друга [7] с целью восстановления натяга и перераспределения направления векторов радиальных инерционных и гидравлических сил.
Рис. 3. Рабочие органы ВЗД с ротором модульного исполнения:
1, 2, 3 – модули ротора; 4 – статор; 5 – резьбовые соединения
После отработки ВЗД его изношенный ротор разрезается на три части (модуля), а затем средний модуль 2 разворачивается относительно двух крайних (1 и 3) на относительно небольшой угол Δφ (рис. 3).

При этом ось зубьев центрального модуля смещается по фазе относительно осей зубьев крайних модулей (см. разрезы А – А, Б – Б, В – В), сборка модульного ротора занимает определенное положение внутри статора 4, при котором происходит смещение общего центра поперечных сечений модулей, что в результате приводит к разрыву контактных винтовых линий (рис. 4), изменению эксцентриситета зацепления и способствует увеличению натяга и контактных напряжений в РО. Одновременно снижаются инерционные силы, влияющие на уровень крутильных колебаний ВЗД.
Рис. 4. Развертка винтовых линий поверхностей модулей:
1, 2 – модули; 3, 4 – линии вершин зубьев роторов; h – смещение винтовой линии модулей
В данной конструкции каждый модуль должен иметь длину, кратную шагу винтовой поверхности ротора t. Между собой модули жестко (бесшарнирно) соединяются при помощи резьбовых соединений 5 (рис. 3). Угловое смещение осей контролируется визуально с использованием специального визира. Неразъемность соединения обеспечивается применением сварки или пайки.
Рис. 5. Соединение модулей ротора с использованием дистанционных стержней:
1, 2, 3 – модули ротора; 4 – статор; 5 – дистанционные стержни
Разработан второй, более надежный способ сборки (рис. 5), позволяющий повысить срок службы ВЗД за счет применения резьбовых соединений без сварки [8]. В его основу положен способ ориентирования объединенных модулей посредством дистанционного стержня, длина l которого между торцами модулей устанавливается в зависимости от осевого шага зубьев t0 = t/z2(z2 – число зубьев ротора):

l = t0 ± Δ,

где Δ – удлинение (укорачивание) длины стержня, определяемое в зависимости от требуемого угла разворота модулей, Δ = t0 · Δφ/2π.
Табл. 1. Геометрические параметры РО ВЗД и результаты расчетов длины стержня
В табл. представлены результаты расчетов длины дистанционного стержня l в зависимости от требуемого угла разворота модулей Δφ для нескольких типоразмеров двигателей.
Рис. 6. Результаты стендовых испытаний исследуемых ВЗД (Q = 32 л/с)
В качестве опытного образца для оценки эффективности предложенной схемы модульного ротора использовался двигатель ДГР-178.7/8.57. В ходе стендовых испытаний были проведены исследования изменения энергетических характеристик (рис. 6):
  • нового ВЗД стандартного исполнения до спуска в скважину (красные линии);
  • после его отработки до технического состояния, не обеспечивающего требуемые показатели бурения (синие линии);
  • восстановленного двигателя с модульным исполнением ротора (черные линии).
Анализ результатов исследований показал, что после отработки двигателя в скважине энергетические характеристики снизились в среднем на 36%, например крутящий момент в тормозном режиме – с 7,5 до 4,2 кН·м. Испытания двигателя, модульный ротор которого был выполнен по предложенной конструктивной схеме, показали увеличение тормозного момента с 4,2 до 6,8 кН·м и частоты вращения в холостом режиме с 4,3 до 4,8 с-1 (с 258 до 288 об/мин.). При стендовых испытаниях было зафиксировано существенное снижение вибрации. Так, амплитуда колебаний модернизированного двигателя ДГР-178.7/8.57 не превышала 2,6 мм против 8,0 мм для двигателя с изношенными РО.

Промышленные испытания партии двигателей (Д1-195; ДГР-178.7/8.57) с долотами диаметром 214 мм на Заполярном, Ямбургском, Харвутинском месторождениях ОАО «Газпром» и 7LZ178*7.0L-5-914 на Правдинском месторождении ООО «РН-Юганскнефтегаз» подтвердили работоспособность рассматриваемой конструкции. Отработка ВЗД на глубине 1400 – 3600 м велась с осевой нагрузкой на долото от 110 до 150 кН. Расход бурового раствора поддерживался в пределах 30 – 32 л/с, давление на манифольде – от 11,5 до 14,0 МПа. В результате средняя механическая скорость бурения была несколько выше, чем у серийных двигателей (от 28 до 36 м/ч), и было достигнуто увеличение моторесурса на 50 – 70%.

Анализ технических характеристик известных ВЗД, а также результаты исследований двигателей с модульной конструкцией ротора и опыт их отработки показывают, что предложенное конструктивное решение может найти применение в компоновках двигателей с отработанными РО, а также в укороченных винтовых парах ВЗД для горизонтального бурения по короткому радиусу. Во втором случае применение модульных роторов позволит сократить в 1,5 – 2 раза длину РО по сравнению со стандартной конструкцией.

Таким образом, применение ориентированных модульных конструкций рабочих органов является дополнительным резервом повышения эффективности ВЗД и технологий бурения с их использованием.

Литература

  1. Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Одновинтовые гидравлические машины: В 2 т. М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2007.
  2. Коротаев Ю.А. Технологическое обеспечение долговечности многозаходных винтовых героторных механизмов гидравлических забойных двигателей. М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2003.
  3. Селиванов С.М., Балетинских Д.И. Новая страница в развитии конструкций ВЗД // Бурение и нефть. 2011. №7 – 8.
  4. Андоскин В.И., Астафьев С.П., Кобелев К.М. и др. Винтовые забойные двигатели фирмы «Радиус-Сервис» // Вестник ассоциации буровых подрядчиков, 2012. №2.
  5. Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Хабецкая В.А., Шардаков М.В. Забойная героторная винтовая гидромашина. Патент № 2318108 с приоритетом 15.11.2005.
  6. Овчинников В.П., Двойников М.В., Будько А.В. Совершенствование винтовых забойных двигателей для бурения скважин. Тюмень: Изд-во ООО «Печатник», 2010.
  7. Двойников М.В. Героторная машина. Патент № 70292 с приоритетом 10.07.2007.
  8. Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Двойников М.В. Винтовой героторный механизм. Заявка на изобретение № 2012147380 с приоритетом 07.11.2012

Комментарии посетителей сайта

    Функция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей


    Авторизация


    регистрация

    Балденко Д.Ф.

    Балденко Д.Ф.

    д.т.н., академик РАЕН, лауреат премий И.М. Губкина и Н.К. Байбакова, член редколлегии журнал «Бурение и нефть», главный научный сотрудник

    ОАО «НПО Буровая техника»

    Балденко Ф.Д.

    Балденко Ф.Д.

    к.т.н., доцент, лауреат премии им. Н.К. Байбакова

    РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина

    Двойников М.В.

    Двойников М.В.

    д.т.н., профессор

    кафедра «Бурение нефтяных и газовых скважин», Тюменский государственный нефтегазовый университет

    Просмотров статьи: 5263

    Rambler's Top100 Рейтинг@Mail.ru

    admin@burneft.ru