Гидравлические забойные двигатели и керноотборные устройства (стр. 4 )

Произвольно менять m и G нельзя.

Турбобур остановится и при n > nо, если критическая частота вращения его вала возникнет при n < nоп. Эту частоту предлагается определять по формуле:

,

где Zn - число зубцов на периферийном венце шарошки долота; hδ - амплитуда биений при осевых зубцовых вибрациях долота; g* - ускорение свободного падения низа бурильного инструмента в условиях скважины (снижается до 0,7 g); остальные обозначения расшифрованы ранее.

Когда n близка к nкр, начинается приотрыв долота от забоя, нарушается нормальный режим работы ГЗД, появляются его мгновенные перегрузки, что ускорит остановку вала двигателя.

Наиболее устойчивой работа турбобура может быть при Моп и n ≠ nкр, поэтому определяют "эффективную" Gст = GЭ:

GЭ = .

Максимальная величина Gз max, которую может «принять» турбобур, находится по формуле:

Gз max = (Моп + 0,5 МJ):Му.

Рабочая нагрузка G3 для турбобура определяется согласно выражению:

Gрз = .

Для турбобуров А7ПЗ nоп снижается до 0,42·nх, и, видимо, при этой частоте n необходимо брать Моп, хотя определенных рекомендаций в общеизвестной литературе, относительно расчетов Моп и nоп для этих двигателей нет.

Таким образом наиболее эффективная эксплуатация турбобура должна осуществляться при условии ny min < np < np max и правильно запроектированном режиме бурения с соответствующим скважинным оборудованием, с наиболее эффективным турбобуром Причем, с позиции экономии энергии выгодно эксплуатировать турбобур, когда Мп* = 0, но такой режим "плавающей пяты" практически нереализуем в связи с малым люфтом турбобура и воздействием вибраций (нагрузки Gд) на пяту двигателя. В какой-то мере это возможно при двигателях типа ТПС и с применением забойного устройства подачи долота, например типа ЗМП, . иногда с РПДЭ. Поэтому надо проектировать режим углубления скважины и параметры Gr, Тп, Рт, Рд так, чтобы бурильщик осуществлял поиск наиболее эффективной Gз (no Gгив) при возможно более узком диапазоне изменения n.

Экспериментальные данные о работе турбобуров типа ТС, ТС5Б и ЗТСШ показали, что nmin ≤ 0,9nx. Применение рациональных маховых масс на валу турбобуров позволяет достичь nmin < 0,8nоп.

6.2. Объемные забойные двигатели типа "Д".

Объемные или винтовые (ВЗД) гидравлические двигатели впервые были сконструированы за рубежом на базе обращенного винтового насоса с однозаходным ротором.

В нашей стране работы по созданию объемных двигателей начаты с 1966 г. В основу отечественных двигателей положена схема планетарного эксцентричного редуктора с внутренним зацеплением и винтовыми зубьями. Такие двигатели состоят из двигательной секции и шпинделя.

Двигательная секция включает (рис. 6.5) статор и ротор. Статор состоит из корпуса 1, внутри которого привулканизирована эластичная обкладка 2 (например, из нетрильной резины). Число винтовых зубцов статора в отечественных машинах "Д" составляет 6...10. Ротор 3 – стальной вал с меньшим числом зубьев (на один зуб), чем в статоре.

Рис. 6.5. Схема конструкции ВЗД

Зубья расположены по винтовой линии левого направления. Поверхности винтов статора и ротора, пересекаясь, образуют камеры высокого и низкого давления жидкости, прокачиваемой через винтовую пару. Под действием давления жидкости внутри камер высокого давления ротор проворачивается вправо, совершая планетарное движение. Длина шагов ротора и статора относится как число зубьев ротора и статора соответственно. В связи с разным числом заходов статора и ротора вращение ротора происходит со смещением относительно оси статора на величину эксцентриситета. Для снижения отрицательного влияния такого вращения ротор ШД соединяется с валом шпинделя шарнирным соединением или торсионом – гибким стальным валом.

Шпиндель 5 включает амортизированную осевую опору (типа ШШО), уплотнения - торцевые сальники, специальные распорные втулки. В последнее время чаще применяют резинометаллические осевые опоры (схема шпинделя такая же, как и на рис. 6.1 и 6.3).

Так как отечественные ВЗД одновременно являются объемными двигателями и редукторами, то с увеличением числа заходов винтовой пары возрастает вращающий момент и снижается частота вращения, причем передаточное число пропорционально количеству зубцов (заходов) ротора.

В нашей стране разработаны ВЗД диаметром 54, 85, 127 и 195 мм в одно - двухсекционном исполнении (например, ДС-195), с удлиненной рабочей парой (ДЗ-195), с полым ротором в котором расположен торсионный вал (Д2-195), ДОТ-195 - со шпинделем отклонителем Ш01-195 для изменения направления оси скважин. Причем имеется несколько моделей ВЗД диаметром 172 мм.

Техническую характеристику ВЗД графически изображают по-разному; так же как и для турбобуров и в виде (N, n,P) = f (М). На рис. 6.6 приведен первый вариант характеристики ВЗД (индекс «вз» - обозначает, что параметр относится к ВЗД), Графическая интерпретация указанной зависимости принята условно (так же, как и при турбинном бурении), так как от n непосредственно эти параметры не зависят.

Рис. 6.6. Техническая характеристика ВЗД

Мощность Nвз определяют в виде:

Nвз = Q·Pвз·ηвз.

Вращающий момент ВЗД находят по формуле:

Мвз = Мув·Рс·Двз·Э·tр,

где Мув – удельный вращающий момент объемного двигателя, причем Мув = f (Zp; г3; Э), где Zp, г3 - число заходов ротора и радиус зацепления в винтовой паре; Рс - давление в сечении по камере высокого давления; Двз - расчетный диаметр винтового механизма; Э - эксцентриситет оси ротора по отношению к оси статора; tp - шаг ротора (ниже tc - шаг статора). Частота n зависит от расхода Q и параметров ВЗД:

n = Q / Vк,

где Vк - объем камеры рабочего органа ВЗД;

Vк = f (Fш; tc; Zp; Э; г3),

где Fш - площадь сечения шлюза: Fш = f (Э; Zp; г3).

Характеристику ВЗД снимают в стендовых условиях при Q = const. Величина PВ3max Имеет место, когда Мвз = Мт. Зона устойчивых рабочих n находится между точками, соответствующими максимумам КПД и Nвз, при которых отмечают оптимальный и эффективный режимы работы ВЗД.

Величины Мвз, Рвз и частоты вращения вала ВЗД находят согласно интерполяционной формуле:

Пi = П1 + · (П2 – П1),

где Пi - значение искомого параметра при заданном (проектном) расходе Q; П1 и П2 - меньшее и большее значения параметра при табличных Q1 и Q2 соответственно.

Перепад давления Рвз при Мвз = Мс (назовем его Рвм) находят как

Рвм = (0,45…0,55)·Рi + ,

или в среднем

Рвм ~ 0,5·Рi·,

где Pi - табличное значение перепада Рвз, пересчитанное при Qi.

Разработанные конструкции ВЗД (без секционных) позволяют поддерживать частоты n = 130...500 об/мин (высокие n - для Д1-54) и Мвз=80...8000 Н·М при Tп до 100 кН и более.

По мере износа рабочих поверхностей ВЗД (особенно резиновой обкладки статоров) увеличивается свободный переток жидкости из камер высокого давления в камеры пониженного давления, снижается Рвз и уменьшается Мвз, но относительно постоянный контакт по длине рабочей пары ВЗД разделяет камеры высокого и низкого давления в паре. Поэтому для заполнения бурильной колонны при СПО над двигателем ставят переливной клапан, стойкость которого еще недостаточна.

Двигатели "Д" имеют длину порядка 8 м и могут применяться для бурения участков скважин с интенсивным увеличением зенитного угла. Повышенные Мвз и реальные n позволяют углублять скважину в разных (особенно в твердых и абразивных) породах с отличающимися по энергоемкости долотами. Одновременное изменение Мвз и Рвз дает возможность лучше контролировать работу долота и ВЗД.

Опыт бурения с такими двигателями показал возможность повышения проходки на долото до 2 раз, но со снижением VM до 50 %, по сравнению с турбинным бурением. Лучшие показатели получают с долотами типа ИСМ или "ГНУ". При этом применимы промывочные жидкости с высоким диапазоном их параметров. Но у двигателей ВЗД пока мал межремонтный период, обусловленный недостаточной стойкостью рабочей пары, в первую очередь обкладки статоров, в связи с чем, в Пермском филиале ВНИИВТ постоянно проводилась работа по совершенствованию ВЗД.

6.3. Технические характеристики выпускаемых

заводами-изготовителями забойных двигателей

6.3.1. Технические характеристики винтовых забойных двигателей для бурения и освоения скважин

Гидравлические забойные двигатели (секционные турбобуры, турбобуры-отклонители, винтовые забойные двигатели и керноотборные устройства) производятся согласно ГОСТ 26673-85, ТУ26-02-75-72, ТУ 266-02-574-74, ТУ 26-02-809-78, ТУ 26-02-823-78, ТУ 26-02-918-81, ТУ39-989-86, ТУ39-1118-86. Винтовые забойные двигатели предназначены для бурения вертикальных, наклонно-направленных и горизонтальных скважин и для проведения ремонтно-восстановительных работ в эксплуатационных колоннах. Высокая надежность двигателей достигается строгим соблюдением технологии изготовления, и обязательными стендовыми испытаниями каждого двигателя и рабочей пары. Типоразмеры и техническая характеристика винтовых забойных двигателей приведены в таблицах 6.1. - 6.8.

Рис. 6.7. Винтовой забойный двигатель:

1- клапан; 2- секция двигателя; 3- секция шпинделя; 4- торсион.

Таблица 6.1. Характеристики винтовых забойных двигателей

Шифр двигателя	Расход жидкости л/с	Рабочий режим	Присоединительная резьба	Длина мм	Масса кг
частота вращения вала, об/мин	момент на валу кН*м	перепад давления МПа	к долоту	к бурильной колонне
Д-60	2	396	0.14	7	З-42	З-42	3600	34
ДГ-60	2	360	0.08	3.5	З-42	З-42	3600	34
ДГ-75	3-5	156-264	0,5-0,7	6-10	З-66	З-66	3820	97
ДГ-76	3-5	156-264	0,5-0,7	6-10	З-66	З-66	4610	115
Д-85	4.8	144	0.5	5.6	З-66	З-66	3240	111
Д1-88	4.5-7	162-300	0.53-0.61	5.8-7	З-66	З-66	3240	110
ДО1-88	3-5	180-300	0.5-0.7	5.5-8	З-66	З-66	2930	100
ДГ-95	6-10	120-180	0.6-0.9	4-5	З-76	З-76	2640	108
ДГ1-95	6-10	170-280	0.55-0.75	4.5-6	З-76	З-76	2270	78
Д-105	6-12	80-160	0.8-1.3	3.5-5.5	З-76	З-88	5570	196
Д1-105	6-10	156-228	0.9-1.6	5-8	З-76	З-88	3770	180
ДГ-105М	6-10	144-240	0.6-1	4-7	З-76	З-88	2355	120
Д-106	6-12	72-144	1,5-3,0	5-10	З-76	З-88	4220	220
ДО-106	4-12	30-90	1,2-3,2	3-8	З-76	З-88	5245	270
ДР-106	6-12	114-222	1,3-2,6	6-12	З-76	З-88	5245	280
ДГ-108	6-12	78-150	0,8-1,3	3,5-5,5			2565
ДК-108.1	3-6	18-42	2,0-2,7	5,5-7,5			5000
Продолжение таблицы 6.1.
ДК-108.2	6-12	78-150	0,8-1,3	3,5-5,5			3000
ДК-108.3	6-12	120-240	0,5-0,8	3,0-5,0			3000
Д1-127	12-20	108-180	3-4,5	6-12	З-88	З-101	5800	400
ДР-127	12-20	108-180	3-4,5	6-12	З-88	З-101	5800	405
ДГ1-127	12-20	108-180	3-4,5	6-12	З-88	З-101	4830	360
ДГР-127	12-20	108-180	3-4,5	6-12	З-88	З-101	4830	370
Д1-145	15-20	120-180	3-4.5	7-9	З-88	З-117	4670	418
Д-155	24-30	126-162	3,0-4,0	6,5-7,5			4870
ДГ-155	24-30	126-162	3,0-4,0	6,5-7,5			4330
ДРУ-172	25-35	78-108	4,5-5,0	4,5-7,0	З-117	З-147	5135	750
ДОТ1-172Ш	25-35	78-108	4,5-5,0	4,5-7,0	З-117	З-147	4955	750
ДВ-172	25-35	150-240	5,5-7,0	9,0-12,0	З-117	З-147	6160
УДГС2-172Ш	25-35	78-108	4,5-5,0	4,5-7,0	З-117	З-147	5133	750
Д5-172	25-35	90-116	5,2-7	5-7	З-117	З-147	5650	610
Д5-172М	25-35	90-116	7-9	6-9	З-117	З-147	5830	770
ДГ1-172	25-35	120-210	4-5,5	7-9,5	З-117	З-147	3870	455
ДГ-176М	25-35	90-120	7-9	6-9	З-117	З-147	5315	750
ДР-176М	25-35	90-120	7-9	6-9	З-117	З-147	5330	780
ДЗ-176	25-35	90-120	9-12	8-11	З-117	З-147	6440	910
ДВ-176	25-35	150-240	5,5-7	8-12	З-117	З-147	5835	754
Д2-195	25-35	90-114	5.2-7	5-7	З-117	З-171	5330	890
Д5-195	25-35	90-120	7-9	6-9	З-117	З-171	6000	1030
ДГ-195	25-35	90-120	7-9	6-9	З-117	З-171	6870	1300
Д4-195	25-35	108-144	6-8	8-10	З-117	З-147	6000	1030
Д4-195М	25-35	108-144	8-10	9-12	З-117	З-147	6840	1060
ДЗ-195	25-35	90-120	9-11	8-11	З-117	З-171	6840	1135
ДВ-195	25-35	150-240	5,5-7	8-12	З-117	З-171	6375	1080
ДОТ-195	25-35	90-114	5,2-7,0	4,3-6,7	З-117	З-171	6550	1100
Д1-240	30-50	72-132	10-14	6-8	З-152	З-171	6985	1660
ДО-240	30-50	72-132	10-14	6-8	З-152	З-171	7280	1860

Д - двигатели общего назначения для бурения и капитального ремонта;