Что такое заходность в взд что характеризует этот параметр

Винтовой забойный двигатель, ВЗД

Винтовой забойный двигатель (сокращенно – ВЗД), он же: гидравлический забойный двигатель (сокращенно – ГЗД) – представляет собой объемный роторный гидравлический механизм преобразующий давление нагнетаемой в полость статора жидкости (буровой раствор) во вращательное движение выходного вала.

Конструктивно винтовой забойный двигатель (взд) состоит из силовой секции (другое название – рабочая пара) и шпиндельной секции. Вырабатываемый на роторе рабочей пары (другое название – силовая секция) крутящий момент посредством гибкого вала (торсиона) или шарнирного соединения (кардана) передается на вал шпиндельной секции и соответственно на долото ВЗД.

Винтовые забойные двигатели, или ВЗД, являются одним из направления нашей деятельности. Нашим предприятием на сегодня освоен выпуск двигателей применяемых для капитального ремонта скважин (КРС) (76, 88, 106, 127 габарита), для вертикального и наклонно-направленного бурения (76, 95-98, 106, 120-127, 172-178, 195, 240 габарита), а также силовых секций с активной частью до 5500мм.

Особенности производимых нами винтовых забойных двигателей

Наши гидравлические винтовые забойные двигатели (ВЗД) подразделены на две линейки:

Двигатели для капитального ремонта скважин – недорогие, простые и надежные двигатели с торсионной трансмиссией и резинометаллическими опорами.

Двигатели для бурения оснащены ловильными (противоаварийными) узлами исключающими оставление деталей двигателя на забое в случае аварий. Шпиндельные секции двигателей для наклонно-направленного и горизонтального бурения оснащены надежными твердосплавными радиальными опорами и осевыми подшипниками повышенной грузоподъемности. Максимальное приближение к долоту нижней опоры и минимальная длина нижнего плеча (расстояние от вала шпинделя до точки искривления) улучшают управление двигателем при горизонтальном и направленном бурении.

По заказу двигатели могут комплектоваться необходимым перечнем ЗиП, а также фильтрами-шламоуловителями, центраторами, калибраторами, переливными и обратными клапанами.

Обозначение выпускаемых ВЗД

Двигатель тип «Д» – двигатель в прямом исполнении, предназначен для бурения и капитального ремонта вертикальных скважин.

Двигатель тип “ДО” – двигатель-отклонитель с жестким кривым переводником (нерегулируемым углом искривления шпиндельной) секции для бурения наклонно-направленных скважин.

Двигатель тип “ДР” – двигатель с регулятором угла (регулируемым углом искривления шпиндельной секции) для бурения наклонно-направленных скважин.

.106 – наружный диаметр (габарит) двигателя в мм

.2000 – длина активной части статора в мм

– 100 – осевой шаг статора.

Секция двигательная

Секция двигательная, она же: силовая секция (power section), секция рабочих органов, рабочая пара – силовой компонент винтового забойного двигателя задающий его основные энергетические характеристики (момент силы на выходном валу, частоту вращения вала шпинделя, мощность и КПД).

Секция двигательная (рабочая пара) представляет собой объемный роторный гидравлический механизм (винтовой героторный механизм), элементами рабочих органов которого являются статор и ротор. Статор имеет эластичную обкладку с внутренней винтовой поверхностью образующий полости камер высокого и низкого давления. Ротор – металлический винт с износостойкой поверхностью, через который крутящий момент передается исполнительному механизму (валу шпиндельной секции двигателя). При циркуляции жидкости подаваемой насосом в рабочую область статора под действием перепада давления на роторе вырабатывается крутящий момент.

Рабочая пара

«Рабочая пара» гидравлического винтового забойного двигателя (сокращенно: ГЗД или ВЗД) – это одно из названий двигательной секции ВЗД. Можно даже с уверенностью сказать, что это самое популярное «народное» название двигательной секции среди отечественных нефтяников. Рабочая пара (она же двигательная секция, силовая секция, секция рабочих органов, «power section», турбинная секция, винтовая пара) – это основной узел двигателя, где гидравлическая энергия потока рабочей жидкости передается в механическую, генерируя крутящий момент.

Основных элементов двигательной секции (рабочей пары) два, т. е. пара: статор и ротор. Обкладка статора – эластомер (специальная резина устойчивая к абразивному воздействию и работоспособная в среде бурового раствора) определенного винтового профиля. Ротор (изготавливается из легированной стали с износоустойчивым покрытием) – ответная часть статора аналогичного профиля с числом зубьев меньшим на один, чем у статора. Профиль рабочей пары – это то, что задает энергетические характеристики ВЗД.

Пара ротор-статор изготавливается с определенным натягом зубчатого зацепления ротор-статор. Значение натяга зависит от диаметральных и осевых размеров рабочей пары, свойств рабочей жидкости (бурового и промывочного растворов), забойной температуры, свойств эластомера статора и оказывает существенное влияние на энергетические и ресурсные характеристики двигателя.

Рабочая пара – это сердце ВЗД, задающее основные энергетические параметры забойного двигателя, а также его ресурс и межремонтный период (МРП).

К основным энергетическим характеристикам рабочей пары относятся: обороты, момент и мощность.Теоретические энергетические характеристики задаются с помощью геометрии профиля секции: диаметр секции, координаты винтового профиля, длина активной части (часть статора, где непосредственно создается крутящий момент – винтовая часть ротора и статора), число шагов винтового зуба статора, количество зубьев пары ротор-статор.Фактические энергетические характеристики рабочей пары (реальные характеристики двигательной секции после её изготовления) могут отличаться от теоретических в несколько раз. Это связано с погрешностью изготовления основных элементов пары: ротор-статор. Ротор рабочей пары, а также пресс-форма статора – сложное изделие, чистота и точность изготовления которого, оказывают существенное влияние на рабочие характеристики двигателя.

Для рабочих пар малогабаритных двигателей, применяемых при капитальном ремонте скважин (наружный диаметр статора 43-127 мм и длина активной части до 2000мм), МРП, как правило, составляет от 30 до 100 часов наработки (общий ресурс 300 мото-часов).

Рабочие пары, которые используются в бурении (габарит 106 – 240мм, длина активной части статора от 3000 мм и выше) отличаются большей ресурсностью – МРП таких ВЗД и двигательных секций уже составляет минимум 200 мото-часов, а общий ресурс доходит до 600 и более часов наработки. Это достигается за счет увеличения длины активной части статора, применения более износоустойчивых материалов и деталей двигателя (более качественные материалы эластомера и ротора, применение твердосплавных радиальных опор и осевых подшипников повышенной грузоподъемности).

Но, даже идеально изготовлена рабочая пара (с полученными идеальными энергетическими характеристиками) не гарантирует стопроцентный результат при проведении бурильных работ – всё может быть перечеркнуто неправильными условиями эксплуатации. Есть ряд определенных факторов, которые отрицательно влияют, как на рабочие характеристики винтовой пары, так и на весь забойный двигатель в целом.

К факторам, негативно влияющим на ресурс рабочей пары (двигательной секции), относятся:

Секция рабочих органов

Секция рабочих органов – это одно из названий двигательной секции ВЗД (она же рабочая пара, двигательная секция, силовая секция, турбинная секция, «power section», винтовая пара).

Шпиндельная секция

Шпиндельная секция (шпиндель) – второй основной узел ВЗД, передающий крутящий момент и осевую нагрузку силовой секции (рабочей пары) на породоразрушающий (аварийный) инструмент, используемый при бурении или проведении аварийных работ. Шпиндель воспринимает реакцию забоя и гидравлическую осевую нагрузку, действующие в рабочей паре, радиальные нагрузки от долот и трансмиссии.

По конструктивному исполнению шпиндельные секции бывают двух типов:

открытые – рабочие детали (узлы трения) смазываются и охлаждаются рабочей жидкостью;
маслонаполненные – герметизированный шпиндель, рабочие детали (узлы трения) которого находятся в масляной ванне с избыточным давлением на 10-20 атм., превышающим давление окружающей среды.
В двигателях, серийно изготавливаемых в России, применяются шпиндельные секции открытого типа.

Шпиндель состоит из следующих элементов:

Вращение ротора двигательной секции через элементы трансмиссии (карданный вал или торсион) передается на вал шпиндельной секции. Осевые и радиальные опоры служат для восприятия осевых и радиальных нагрузок шпинделя и являются основными быстроизнашиваемыми расходными элементами секции.

Регулятор угла

Cпециальный узел ВЗД, представляющий собой сложный механизм искривления (изменения), на заданный диапазон углов, оси перекоса ВЗД относительно нижней части бурильной колонны.

Конструктивно регулятор состоит из двух переводников (верхнего и нижнего), сердечника и зубчатой муфты, которая в целях повышения износоустойчивости армирована твердосплавными зубками.

Наша продукция

Наши контакты

614056, г. Пермь,
ул.Соликамская, 273, корпус «Л», офис №1
Почт. адрес: 614056, г. Пермь, а/я 20
ИНН/КПП 5906108309/590601001
ОГРН 1115906004026 ОКПО 92353781
ОКВЭД 29.1, 29.5, 29.2, 11.20.4, 51.7
р/с 407 028 101 027 000 00034
к/с 301 018 103 000 000 00881
БИК 042282881
Филиал Приволжский ПАО Банк «ФК Открытие»
Факс +7 (342) 258-00-31
Телефон: (342) 287-30-33, 8-932-337-30-33
E-mail: office@pskunb.ru

Наши основные клиенты расположены в Ханты-Мансийском автономном округе (ХМАО, Югра), Ямало-Ненецком автономном округе (ЯНАО), Татарстане (Татария), Башкирии, Самаре, Оренбурге, Казахстане. Мы работаем по всей России, ближнему зарубежью, а также с любыми другими странами, компании которых заинтересованы в сотрудничестве с нами.

Источник

Особенности рабочего процесса и характеристики винтовых забойных двигателей в режиме вращения бурильной колонны

Working process FEATURES and characteristics of positive displacement motors in the rotaTION mode of a drill string

BALDENKO D.F.1,
BALDENKO F.D.2
1 Scientific Production Association (SPA) Burovaya Technika OJSC
Moscow, 115114,
Russian Federation
2 Gubkin Russian State University of Oil and Gas
Moscow, 119991,
Russian Federation

Одним из направлений повышения эффективности строительства нефтяных и газовых скважин является выбор оптимальных способов бурения с учетом горнотехнических условий и конструктивных особенностей применяемого забойного оборудования. При бурении с использованием винтовых забойных двигателей (ВЗД) высокие технико-экономические показатели, как показывает отечественный и зарубежный опыт, могут быть достигнуты сочетанием режимов бурения, как в случае неподвижной бурильной колонны, так и при комбинированном способе с вращением труб. Вместе с тем, теория рабочего процесса ВЗД для комбинированного способа бурения и сравнение характеристик забойных компоновок для этих двух технологий до настоящего времени рассмотрены недостаточно полно, что во многом ограничивает возможности буровиков при назначении режимных параметров и разработчиков при проектировании двигателей для различных условий бурения.

One of the oil and gas well construction efficiency improvement areas is selection of optimized drilling methods taking into account mining conditions and design features of applied downhole equipment. In positive displacement motor (PDM) applications, as domestic and foreign experience shows, high technical and economic performance can be achieved by combining drilling modes, both in case of a stationary drill string and in case of combined drilling with drill string rotation. At the same time, the PDM operation process theory for combined drilling and BHA comparison for these two technologies have been understudied and this fact considerably limits the capabilities of drillers in setting mode parameters and developers in designing motors for various drilling conditions.

Развитие технологий бурения нефтяных и газовых скважин с использованием винтовых забойных двигателей (ВЗД) [1] и совершенствование бурового инструмента и оборудования (долота, трубы, системы верхнего привода) предопределяет все большее применение комбинированного способа бурения с постоянным вращением колонны труб, осуществляемым с поверхности при помощи регулируемого верхнего привода.
Так, при строительстве наклонно-направленных скважин с использованием ВЗД и долот типа PDC нефтяные компании повсеместно применяют сейчас технологию бурения интервалов под эксплуатационную колонну с вращением бурильных труб с частотой 40—100 об/мин.
По сравнению с традиционной технологией бурения забойным двигателем при неподвижной бурильной колонне (режим скольжения) комбинированный способ проводки скважин обеспечивает: увеличение мощности, подводимой к долоту; повышение механической скорости бурения; улучшение качества очистки скважины от выбуренной породы; стабилизацию траектории ствола скважины без смены компоновки нижней части бурильной колонны (КНБК); снижение вероятности возникновения прихвата элементов КНБК и предотвращение условий статического трения; доведение осевой нагрузки до породообразующего инструмента при больших отклонениях забоя.

Начало полномасштабного применения комбинированного способа бурения с использованием ВЗД с многозаходными рабочими органами следует вести с 1980-хгг., когда фирма Drilex, используя лицензионные советские двигатели диаметром 172 и 240 мм, получила рекордные по тем временам показатели отработки долот при проводке скважин в Северном море [2]. В дальнейшем на Западе, а потом и в России такая технология бурения получила широкое распространение при строительстве вертикальных и наклонно-направленных скважин и была взята на вооружение ведущими буровыми компаниями.
В общем случае можно выделить два основных направления, где переход к комбинированному способу бурения ВЗД обеспечивает наибольшую эффективность:
– бурение наклонно-направленных скважин, когда одной из проблем является сложность доведения и поддержания заданной нагрузки на долото;
– бурение с использованием долот типа PDC, когда для достижения возможных показателей отработки необходима увеличенная частота вращения, которую не представляется возможным реализовать отдельно ни при роторном способе, ни при режиме скольжения ВЗД.
Рабочий процесс ВЗД и характеристики системы в случае постоянного вращения бурильной колонны имеют особенности, которые необходимо учитывать при выборе режимных параметров и управлении процессом бурения с использованием различных типов долот и забойных двигателей.
Однако при всей актуальности и практической важности этой технологии бурения в научно-технической литературе и справочных материалах фирм-производителей до настоящего времени не представлено теоретических и экспериментальных исследований рабочего процесса системы «вращающаяся бурильная колонна—ВЗД—долото», которые могли бы стать основой для расчета винтового героторного механизма (ВГМ) с подвижным статором и повышения эффективности комбинированного способа бурения в различных условиях проводки скважин.

Известная предложенная модель рассматриваемой системы [3], несмотря на обоснованную постановку задачи и некоторые важные полученные выводы относительно эффективности процесса бурения при вращении забойного двигателя, не совсем точно отражает особенности рабочего процесса ВЗД при построении характеристик системы (поскольку тормозной момент принимается зависимым от частоты вращения колонны), что снижает значимость полученных результатов и требует уточнения основных допущений и расчетных схем.
В данной статье исследуются кинематика и характеристики ВЗД для случая вращения статора рабочих органов, что соответствует кинематическим условиям работы двигателя при комбинированном способе бурения скважин.
Для кинематической схемы ВГМ с вращающимся статором и планетарно движущимся ротором (рис. 1) суммарная абсолютная угловая скорость выходного вала
, (1)
где ω* – угловая скорость ротора относительно статора, пропорциональная расходу жидкости через двигатель и не зависящая от подвижности корпуса; ω1 – угловая скорость статора (бурильной колонны).
Скорость переносного движения ротора по отношению к неподвижной системе координат характеризуется угловой скоростью центра ротора Ω относительно центра статора (смещенных на расстояние эксцентриситета е) и определяется из формулы Виллиса для дифференциального механизма с двумя степенями свободы при разнице в числах зубьев статора (z1) и ротора (z2) равной единице:
, (2)
где ω2 = ω.
Скорость переносного движения ротора в большинстве случаев направлена против угловой скорости вала и только при условии, которое может соблюдаться для низкооборотных малозаходных ВЗД (когда ω1> z2 ω*), направления векторов ω и Ω будут совпадать.
При ω1=z2 ω* ВГМ превращается в бироторный механизм с неподвижными осями и шарнирной связью вращающихся ротора и выходного вала.
В частном случае ВЗД с закрепленным статором угловые скорости ротора в переносном и абсолютном движении отличаются в z2 раза [1]:
. (2а)
Переносная скорость центра ротора определяет нормальное ускорение an= eΩ2 и центробежную силу инерции Fин.n= m2an ротора, а также тангенциальное ускорение aτ=e•dΩ/dt при неравномерном вращении ротора. При прочих равных условиях переносная скорость ротора возрастает с увеличением числа заходов z2, что увеличивает вибрацию и ограничивает быстроходность многозаходных двигателей.
Из формулы (2) следует, что в случае одинакового направления угловых скоростей ω* и ω1 угловая скорость переносного движения центра ротора снижается по сравнению с типовой схемой планетарного механизма с неподвижным статором. Вращение статора способствует в некоторой степени снижению отрицательного влияния инерционной силы на роторе и тем самым позволяет повысить допустимую быстроходность винтовой пары.
В качестве примера рассмотрим кинематику двигателя в рабочем режиме, когда относительная скорость ротора и скорость статора равны (ω*=ω1). В этом случае
(3)
Следовательно, по сравнению с кинематическим режимом ВГМ с неподвижным статором угловая скорость переносного движения при использовании винтовой пары с заходностью 5:6 уменьшится на 20 %.
Чем меньше заходность рабочих органов, тем больше будет влияние вращения статора на скорость переносного движения.
В предельном режиме работы при заторможенном положении выходного вала (долота на забое) и вращающемся от бурильных труб статоре (ω=0; ω1≠0) ВГМ меняет свою кинематическую схему от варианта I к варианту II [1], переходя в насосный режим. При этом невращающийся ротор, шарнирно связанный с выходным валом, совершает переносное движение вокруг оси статора в том же направлении, а сечение ротора совершает поступательное криволинейное движение:
(4)
Переход ВГМ в насосный режим сопровождается скачкообразным изменением крутящего момента и перепада давления и распространением по бурильным трубам и столбу жидкости волн кручения, продольных деформаций и гидравлических ударов. Такие динамические процессы представляют опасность для двигателя и всей забойной компоновки и поэтому при управлении режимом бурения ВЗД необходимо предпринять все меры для предотвращения остановки двигателя при вращении колонны.
Суммарная мощность на долоте, затрачиваемая на разрушение забоя, складывается из мощности гидравлического двигателя и мощности, передаваемой бурильной колонной от верхнего привода:
(5)
Принципиальной особенностью характеристик забойной компоновки при комбинированном способе бурения является независимость перепада давления Р и крутящего момента М, развиваемого объемным двигателем, от частоты вращения колонны, поэтому суммарная характеристика ВЗД при вращении его статора приобретает вид, изображенный на рис. 2. Точка А, соответствующая тормозному моменту двигателя, определяет начальные условия рассмотренного выше перехода винтовой пары в насосный режим.
В случае, если рассматривать равномерное вращение колонны (ω1=const), то при изменении крутящего момента (нагрузки на долото) график суммарной мощности, реализуемой на долоте (рис. 3), подобно графику мощности ВЗД (согласно его характеристике при заданном расходе жидкости Q), будет иметь максимум, смещенный в сторону тормозного момента ВЗД.
Если аппроксимировать линию механической характеристики ВЗД ω*-М в виде степенной функции [1], тогда суммарная мощность (5) выражается как
(5а)
где α – показатель нелинейности механической характеристики; ωх – угловая скорость холостого хода ВЗД (относительно статора); Мт – тормозной момент при данном расходе жидкости.
В крайних точках рабочего диапазона, соответствующих холостому и тормозному режимам ВЗД, суммарная мощность составляет:
при М=0 N=0;
при М=Мт N=Мтω1 (=5 в относительных единицах на рис. 3).
При исследовании характеристики суммарной мощности, реализуемой на долоте, целесообразно вести построение линии N-M в виде (5а) для различных соотношений угловой скорости бурильной колонны и угловой скорости холостого режима вращения ВЗД (ω1/ωх), поскольку величина ωх, зависящая от рабочего объема ВЗД и расхода жидкости, является одним из параметров характеристики двигателя и достаточно точно определяется при его тестировании на устье скважины.
Коэффициент увеличения мощности, подводимой к долоту при вращении бурильной колонны,
(6)
зависит от соотношения угловых скоростей ω1/ω* или
ω1/ωх и объемного КПД двигателя (ηо):

Ниже приведены численные значения коэффициента увеличения мощности при различных отношениях угловых скоростей системы:

Таким образом, если бурильная колонна и ротор внутри статора ВЗД вращаются с одинаковыми скоростями, мощность на долоте увеличивается в два раза по сравнению с типовым случаем бурения в режиме скольжения колонны.
Рациональные значения момента и мощности привода долота, а также соотношение частот вращения бурильной колонны и вала двигателя (ω1/ω*) зависят от горно-геологических условий бурения, типоразмера породоразрушающего инструмента, допускаемого перепада давления ВЗД и диапазона устойчивой работы двигателя на забое скважины [1, 4].
Если, основываясь на опыте бурения скважин с использованием ВЗД, ориентировочно принять, что диапазон устойчивой работы ВЗД составляет половину от тормозного момента двигателя (М/Mт=0,5) при заданном расходе жидкости (т.е. находится левее точки =5 на характеристике рис. 3, примерно соответствующей оптимальному режиму ВЗД), то максимальная мощность, которую практически можно передать долоту в процессе комбинированного способа бурения, будет составлять
(7)

Для рассматриваемой характеристики системы (рис.3), построенной при ω1/ωх=0,5 и α=2, мощность, реализуемая на долоте в режиме М/Mт=0,5 (ηо=75 %), возрастает в 1,67 раза (6,2 против 3,7 в относительных единицах), но будет меньше максимальной мощности, развиваемой системой в заданных условиях и равной =7.
Другими факторами выбора рационального соотношения ω1/ω* при проектировании режимов бурения могут являться:
– частотная отстройка системы, основанная на оптимизации колебательных процессов (подавления резонансных явлений путем оптимального сочетания частоты вращения колонны и расхода бурового раствора), при которой достигаются максимальные показатели отработки шарошечных долот в заданных условиях бурения [5];
– предотвращение возникновения эффекта типа Stick-Slip при бурении долотами PDC как одной из задач численного моделирования системы при совместном рассмотрении продольных и крутильных колебаний бурильной колонны с учетом волновых процессов в протяженной гидравлической линии бурильных труб и затрубного пространства [6] с целью обеспечения режимов бурения с равномерным вращением долота на забое;
– угол перекоса силовой и шпиндельной секций двигателя для наклонно направленного бурения [1], ограничивающий допускаемую частоту вращения колонны труб, исходя из условий прочности забойной компоновки на прямолинейных и искривленных участках профиля.
Представленный материал может служить основой для дальнейших экспериментальных исследований рабочего процесса ВЗД при вращении бурильной колонны, обоснования выбора сочетаний между частотами вращения бурильных труб, геометрическими параметрами (кинематическое отношение, рабочий объем, число шагов) и основными техническими показателями (частота вращения и крутящий момент в рабочем режиме) ВЗД для различных условий бурения, а также оптимизации динамических режимов работы системы в отношении устойчивости и колебаний.

Источник