Гвинтовий забійний двигун: характеристики, пристрій, правила експлуатації

Нафтова, газовидобувна галузі потребують застосування спеціального обладнання. Для організації робочого циклу часто застосовується гвинтовий забійний двигун (ВЗД). Він бере участь у процесі видобутку рідких і газоподібних, а також твердих корисних копалин, а також може застосовуватися в процесі проведення ремонту вже існуючих свердловин.

Спеціальне обладнання має низку особливих технічних характеристик. Щоб агрегат повною мірою виконував покладені на нього функції, його потрібно правильно підбирати відповідно до існуючих умов експлуатації. Для цього необхідно розуміти пристрій конструкції ВЗД, а також правила його застосування на різних об’єктах.

Загальна характеристика

Гвинтовий забійний двигун застосовується у добувній промисловості для здійснення буріння глибоких, похило-спрямованих, горизонтальних і вертикальних свердловин. Він дозволяє розбурювати затори з піску, сольових відкладень, цементні мости.

Щоб двигун міг виконувати свої функції, він володіє певним крутячим моментом. Залежно від своїх технічних характеристик обладнання може руйнувати гірські породи з необхідною швидкістю. Це забезпечує високу ефективність технологічного циклу.

Діаметр ВЗД може становити від 54 до 230 мм. У конструкції застосовуються міцні, але еластичні зуби. Це дозволяє забезпечити високу жорсткість конструкції на вигин, зменшити витік рідин при їх прокачуванні.

Виробництво гвинтових забійних двигунів почалося в 1962 році. Його випустив американський виробник «Дайна-Дрілл». Це був одноінтовий насос. Подібну конструкцію придумав у 1930 р. французький інженер Муано.

Характеристики першого ВЗД дещо відрізнялися від сучасних агрегатів. Він забезпечував ефективне похиле буріння. При цьому його частота оборотів становила 200 об ./хв. У 1966 р. вітчизняними технологами був створений агрегат, який відрізнявся тихим ходом. Він мав можливість регулювати оберти від 100 до 200 об ./хв.

Згодом прилад удосконалювався. З’явилося безліч різновидів подібного обладнання. Вони застосовуються в різних галузях добувної промисловості. Щоб забезпечити правильне буріння в різних умовах, конструкція і принцип дії ВЗД можуть дещо відрізнятися. Однак головний принцип роботи залишається колишнім для всіх різновидів.

Конструкція

Конструкція представленого обладнання може дещо відрізнятися. Для прикладу можна розглянути пристрій гвинтового забійного двигуна ДР 95. Цей прилад є симетричним роторним обладнанням. При його роботі застосовується зубчасте зачеплення косого типу. Механізм приводиться в дію тиском поданої рідини.

Конструкція складається з вузла двигуна, а також робочої частини. Перший елемент системи є основним силовим компонентом. Саме від його характеристик залежать експлуатаційні особливості обладнання. У їх число входять потужність, ККД, крутний момент, а також частота обертання ротора.

Руховий вузол складається зі статора (корпусу) і еластомірної вставки з різьбою. За неї зачеплюється ротор. Під тиском рідини починається обертання. Еластична оболонка розділяє камеру на дві порожнини. Вона виготовляється з міцної гуми, стійкої до зносу. При потраплянні абразивних частинок на поверхню матеріалу він не руйнується.

На робочі характеристики гвинтового забійного двигуна впливає безліч факторів. Ротор конструкції має вигляд зверла. Його покриття дуже міцне, виготовлене з легованої сталі. Кількість зубів у ротора на один менша, ніж у статора. Руховий вузол має певне натягнення зубчастого зачеплення. Воно залежить від особливостей робочої рідини, температури експлуатації тощо.

Робочі органи представлені шпиндельним вузлом і регулятором кута. Перший з них передає крутячий момент робочому інструменту. Він піддається значним осьовим навантаженням. Шпиндельний вузол має корпус і дві опори. На них кріпиться вал. Вузол може бути відкритим або закритим.

Принцип дії

Принцип роботи гвинтового забійного двигуна визначається особливостями конструкції. Це об’ємні роторні машини. Статор їхнього двигуна з порожнинами примикає до камер низького і високого тиску. Гвинт-ротор є ведучим. Через нього передається крутячий момент на виконавчий механізм.

Гвинти-замикачі називаються відомими елементами конструкції. Вони ущільнюють двигун. За допомогою замикачів відбувається запобігання потраплянню рідини з камери з високим тиском у відділення з низьким тиском.

Рідина циркулює всередині конструкції через робочі органи. Це переміщення можливе завдяки перепаду тиску. При цьому на роторі відбувається крутячий момент. Гвинтові елементи робочих органів взаємно замикаються. Вони відокремлюють область високого і низького тиску.

Тому принцип роботи гвинтового забійного двигуна схожий на роботу поршневих різновидів обладнання. У робочих органах ВЗД створюються роз’єднані шлюзи. Для цього число зубів статора визначається більшим на одиницю, ніж у ротора (внутрішнього елемента). Довжина робочих органів не може бути меншою, ніж крок гвинтової поверхні зовнішнього елемента. Це визначає нормальне функціонування системи. Причому ставлення кроків зовнішніх і внутрішніх поверхонь гвинта пропорційно відношенню числа зубів. Їхні профілі характеризуються взаємоогинною формою. Це дозволяє їм перебувати в безперервному контакті на будь-якій ділянці зчеплення.

Кратність є одним з головних параметрів роботи обладнання. ВЗД вітчизняного виробництва володіють багатозахідними робочими органами. Іноземні компанії виготовляють представлені двигуни з одним або декількома заходами ротора.

Класифікація

Відповідно до різних факторів відбувається класифікація гвинтових забійних двигунів. За ознакою застосування розрізняють три основні категорії ВЗД:

1. Агрегати для буріння у вертикальному напрямку. Вони мають пряме виконання. Зовнішній діаметр подібних агрегатів становить від 172 до 240 мм.
2. Обладнання для горизонтального та похило-спрямованого буріння. Такі двигуни мають викривлену компоновку. Діаметр може становити від 76 до 240 мм.
3. Прилади для ремонтно-відновлювальних робіт. Вони мають пряме виконання. Зовнішній діаметр становить від 43 до 127 мм.

Силові агрегати можуть мати активну частину довжиною до 550 см. Гвинтовий забійний двигун 105, 127, 88, 76, 43 мм може мати пряме виконання. Також випускаються прилади з можливістю регулювання кута нахилу. Це дозволяє здійснювати також похиле або горизонтальне буріння. Для створення вертикальної свердловини застосовуються силові агрегати. Їх зовнішній діаметр, потужність повинні бути більше. Габарити діаметра для таких агрегатів не можуть бути менше 178 мм.

Найбільш простими і недорогими різновидами представленого обладнання є ВЗД для проведення ремонту свердловин. Це надійні агрегати, оснащені торсійною трансмісією, гумометалевими опорами.

Обладнання для буріння оснащується додатково протиаварійними вузлами. Це дозволяє виключити залишення деталей на забої при виникненні поломки. Шпиндельні відсіки двигунів для похилого і горизонтального буріння мають у своєму складі радіальні твердосплавні опори. Їхні підшипники мають високу вантажопідйомність.

У конструкцію ВЗД можуть додаватися фільтри-шламоуловителі, калібратори, центратори, зворотні та переливні клапани. Також в комплект поставки можуть входити різні елементи ЗІП.

Кількість секцій

Гвинтовий забійний двигун може мати одну, дві або три секції. Це визначає особливості конструкції та експлуатації приладу. Односекційні різновиди позначаються буквою «Д». Вони складаються з секції шпинделя і двигуна. Також у конструкції присутній переливний клапан.

Односекційні конструкції мають пряме виконання і застосовуються найчастіше для ремонту свердловин. Завдяки особливостям механізму, застосуванню спеціальних ущільнювачів буріння можливе при перепадах тиску на долоті до 8-10 МПа. Односекційні конструкції виготовляються в нашій країні і за кордоном. Їх широко застосовують у сучасній добувній промисловості.

Секційні гвинтові забійні двигуни для буріння свердловин можуть мати певні особливості конструкції. Їх застосування вважається більш доцільним. Односекційні різновиди значно втрачають свої енергетичні характеристики при зносі гвинтових пар.

Багатосекційні види обладнання сьогодні користуються більшою популярністю. Завдяки особливостям їх конструкції знижуються навантаження на робочі пари. Також знижується витрата бурового розчину. Залежно від їхнього класу у позначенні присутні 2 літери. Двигуни типу «ДС» можуть застосовуватися для буріння похилих і вертикальних тунелів різного призначення. Їх буровий розчин не може мати температуру вище 373 К.

Серія «ДГ» має меншу довжину. Необхідні потужність і ресурс забезпечує двошагова силова секція. У таких конструкціях застосовуються різні механізми викривлення корпусу. Можуть оснащуватися центруючими приладами.

Серія «ДО» представлена відхилниками. Вони мають жорсткий кривий перекладач. Кут викривлення шпиндельної секції нерегульований. Застосовується для створення похилих тунелів. Прилади типу «ДР» мають регулятор кута викривлення.

Турбогвинтові різновиди

Щодо новим різновидом обладнання є турбінно-гвинтові забійні двигуни. Вони характеризуються високою стійкістю і високою енергетичною ефективністю. Цей різновид агрегатів іноді відносять до класу редукторних турбобурів.

На гвинтову пару покладено функцію редуктора і стабілізатора. Це дозволяє оптимізувати роботу долота при навантаженні. Конструкція турбінно-гвинтових різновидів відрізняється високою складністю. При її створенні потрібно багато матеріалу. Тому вартість представленого обладнання залишається високою. Однак його робочий ресурс перевищує звичайні різновиди ВЗД.

Гвинтова пара представлених агрегатів може монтуватися над секцією турбін або між нею і шпиндельним відсіком. Перший варіант є більш простим. До складу агрегату входить у цьому випадку тільки один вузол з’єднання. Другий варіант гвинтової пари менш надійний через свою складність. Тут потрібно створити два роторні вузли з’єднання.

Характеристики ВЗД

Особливості буріння гвинтовими забійними двигунами визначають їх характеристики. Їх слід враховувати для правильного вибору параметрів буріння. Умови стабільного буріння повинні зберігатися протягом усього виробничого процесу. Сьогодні ВЗД вдосконалюються відповідно до існуючих вимог видобувних компаній.

Характеристики обладнання постійно поліпшуються. Це дозволяє правильно застосовувати нові технології у видобувній галузі. У сучасному світі стали використовуватися регульовані приводи насосів. Буріння може проводитися в похилих і горизонтальних напрямках. Також використовується метод із застосуванням безперервних труб. Щоб забезпечити високу продуктивність нових процесів, характеристики обладнання досліджують різними способами.

При розробці програми буріння проводяться стендові випробування ВЗД. Це дозволяє виявити їх фактичні параметри роботи. Це тягне за собою додаткові витрати виробника. Однак обладнання використовується більш ефективно. Виробничі цикли організовуються гармонійно. За тиском, який присутній у стояку, можна контролювати навантаження долота. Це тягне за собою підвищення ефективності буріння.

Гвинтові забійні двигуни для буріння свердловин можуть мати статичні або динамічні характеристики. У першому випадку відображається залежність між змінними, що спостерігаються у встановлених режимах. Динамічні характеристики відображають відношення показників у невстановлених режимах. Їх обумовлює інерційність спостережуваних процесів.

Стендові та навантажувальні характеристики

Буріння гвинтовими забійними двигунами вимагає дотримання встановлених виробником обладнання правил і норм. Їх визначають за допомогою стендових або навантажувальних характеристик. У першому випадку на виробництві тестуються функції крутячого моменту. Навантажувальні характеристики визначаються після стендових випробувань для певних умов створення свердловин.

Зі збільшенням крутячого моменту створюється певний перепад тиску. Цей показник збільшується лінійно. Частота обертання на початку випробування знижується незначно. При наближенні до повної зупинки перепад відбувається різко. Криві спільного ККД і потужності мають екстремальний вигляд.

Тестування проводиться в чотирьох основних режимах (оптимальний, холостий, екстремальний і гальмівний). Робочим режимом ВЗД при дослідженні в умовах виробництва є екстремальні умови. Відповідно до цього режиму позначаються паспортні дані обладнання.

Вважається оптимальним, якщо агрегат використовується в режимах, які зміщені ліворуч від екстремальних умов роботи. Крутний момент у цьому випадку матиме менше значення. При екстремальному режимі роботи визначаються найбільш ефективні руйнування порід. Межа цього режиму проходить поруч із зоною стійкості функціонування приладу. При подальшому підвищенні навантаження буріння гвинтовими забійними двигунами зупиняється. Настає режим гальмування.

Особливості експлуатації

За результатами тестування характеристик обладнання встановлюються правила експлуатації гвинтових забійних двигунів. У холодний період механізм відігрівається пором або гарячою водою. Промивальна рідина повинна мати певний рівень в’язкості і щільності. У ній не повинен знаходитися пісок.

Коли прилад буде опущений на глибину 10-15 м, потрібно включити насос, промити зону свердловини. Двигун у цей момент не вимикається. Якщо довготе нове, необхідно зробити його приробку при невеликому осьовому навантаженні.

Інструмент подається в свердловину плавно. Не повинно бути ривків. Періодично виконується провертання ВЗД. При цьому необхідно правильно задавати параметри витрати промивної рідини. Для цього необхідно врахувати особливості очищення забою.

У процесі роботи робоча пара поступово зношується. Щоб забезпечити високу ефективність при експлуатації гвинтового забійного двигуна, необхідно збільшити витрату промивки. Він повинен бути на 20-25% вище в кінці роботи порівняно з початковим рівнем.

Щоб у двигуні не накопичувався шлам, необхідно перед нарощуванням потужності або його підйомом при заміні долота промити свердловину. Тільки після цього інструмент піднімається над зоною забою на 10-12 м. Після цього можна зупинити насос, відкрити засувку.

Також у процесі функціонування обладнання необхідно виконувати перевірку його роботи. Двигун зі встановленою періодичністю відправляють на техобслуговування. При зниженні його потужності, експлуатаційних характеристик обладнання відправляють на ремонт. Ця процедура також необхідна при підвищенні зазору шпинделя. Також процедура обслуговування двигуна проводиться при зашламленні або неможливості провести запуск над свердловиною.

Насамкінець

Гвинтовий забійний двигун повинен мати певну швидкість потоку миючої рідини. Чим більше лопатей має ротор, тим більший обсяг промивки потрібно в процесі роботи обладнання. Однак це призводить і до збільшення зносу агрегату.

Коли відсутнє навантаження на обладнання (при піднятті зі свердловини), тиск всередині падає. Якщо ротор підвішений, привести обладнання важче. Для цього потрібна величезна кількість енергії.

Коли навантаження на ВЗД збільшується, в момент початку процедури спостерігається падіння тиску. Однак воно відновлюється при розкручуванні ротора.

При роботі агрегату необхідно враховувати гранично допустимий тиск в робочому вузлі. Якщо встановлено риску перевищити, еластомер деформується. Крутячий момент буде втрачено. При цьому робота не зможе просуватися далі, а робоча рідина буде вхолосту протікати через двигун.

Найменші втрати робочого тиску спостерігаються при збільшенні площі перерізу долота. Якщо ж його розмір зменшується, відбувається швидкий знос підшипників. Потік рідини не встигає їх охолоджувати.

Розглянувши, що собою являє гвинтовий забійний двигун, його основні характеристики та умови застосування, можна правильно підібрати оптимальну модель обладнання.