Двигатель в сборке с шарошечным долотом. Винтовой забойный двигатель (англ. positive displacement motor; mud motor; drilling motor) — это машина объемного (гидростатического) действия. Основными элементами конструкции являются: двигательная секция, шпиндельная секция, регулятор угла. Винтовой забойный двигатель (ВЗД) применяет для бурения скважин различной глубины, широко применяются для наклонно-направленного и горизонтального бурения.
СССР является родиной турбинного бурения. Первый промышленный образец был изготовлен еще в 1922—1923 гг . Это был редукторный турбобур с одноступенчатой турбиной, начиная с 40-х годов основных техническим средством для бурения скважин являлся многоступенчатый турбобур. Широкое распространение турбинного бурения позволило получить высокие темпы роста добычи нефти и газа.[1]
Однако с увеличением средних глубин скважин, совершенствования долот и технологии роторного бурения отечественная нефтяная промышленность стала отставать по показателю проходки за рейс от мирового уровня. Так в 1981—1982 годах средняя проходка за рейс в США составляла 350 м, в то время как в СССР она не превышала 90 м. Такое отставание от США было связано с характеристикой турбобуров, которые не позволяли получать частоту вращения менее 400—500 об/мин с обеспечением необходимого крутящего момента и уровня давления насосов, и как следствие было невозможно применять современные низкооборотные шарошечные долота. И перед нефтяной промышленностью СССР встал вопрос о переходе на технологию низкооборотного бурения.[1]
Роторное бурение хоть и применялось, но технологически сильно отставало от мирового уровня: не имелось бурильных труб и буровых станков высокого технического уровня. Таким образом было принято решение о создании низкооборотного забойного двигателя для замены турбобуров. Работы по созданию опытных образцов винтовых забойных двигателей (ВЗД) начались в США и СССР в середине 60-х годов. В США первые ВЗД были альтернативой турбобурам для наклонно-направленного бурения, а в СССР они служили средством для привода низкооборотных долот[1].
В последние годы в технике и технологии бурения скважин произошли значительные изменения: появились новые технологии в наклонно-направленном бурении (бурение горизонтальных участков, бурение дополнительных стволов из ранее пробуренных скважин), распространение долот типа PDС, новейшие телеметрические системы для контроля забойных параметров во время бурения и др. И если раньше ВЗД рассматривались только как альтернативу турбобурам и их перспектива оценивалась неоднозначно, то сейчас в силу свои уникальных характеристик ВЗД стали основной частью современных технологий. В 2010 году в России выполнено ¾ всего объема бурения и ремонта скважин при помощи ВЗД и они были взяты на вооружение практически всеми российскими и зарубежными нефтегазовыми и сервисными компаниями[2].
Винтовые забойные двигатели относятся к объемным роторным гидравлическим машинам и согласно общей теории таких машин элементами рабочих органов (РО) являются:
Сравнительно малая металлоемкость и простота конструкции является важным фактором, способствующим широкому их использованию в современной технике.
К отличительным особенностям ВЗД относятся:
Так как ВЗД находится в непосредственном контакте с жидкостью (буровым раствором), который и приводит его в действие, то благодаря указанным особенностям он является практически единственным типом объемных гидравлических двигателей, который сравнительно долговечны при использовании рабочих жидкостей, содержащих механические примеси[4].
Практически любой ВЗД можно разделить на несколько основных узлов: двигательная секция, шпиндельная секция, регулятор угла перекоса.[5]
Силовая секция двигателя.Двигательная секция предназначена для преобразования потока жидкости в вращательное движение. Она состоит из стального ротора и статора, который имеет эластичную обкладку с внутренней винтовой поверхностью (эластомер), выполненную обычно из резины. Статор и ротор двигательной секции должны выполнять некоторые условия:[5]Зубья статора и ротора находятся в непрерывном контакте, образуя замыкающиеся по длине статора единичные камеры. Буровой раствор проходя через эти камеры проворачивает ротор внутри статора. По конструкции двигательной секции различают монолитные и секционные двигателе.[5]
Эластомер статора. Шпиндельная секция. Под термином «шпиндель» подразумевается автономный узел двигателя с выходным валом с осевыми и радиальными подшипниками. Шпиндель является одним из главных узлов двигателя. Он передает крутящий момент и осевую нагрузку на долото, воспринимает реакцию забоя и гидравлическую осевую нагрузку, действующую в РО, а также радиальные нагрузки от долот и гибкого вала (гибкий вал применяется для соединения ротора ВЗД и вала шпинделя).[6]
Шпиндель выполняется в виде монолитного полого вала, который соединяется посредством наддолотного переводника в нижней части с долотом, а с помощью муфты в верхней части — с гибким валом[6] По конструкции шпинделя бывают открытые и маслонаполненные. В открытых (используются почти во всех серийных отечественных двигателях) узлы трения смазываются и охлаждаются буровым раствором, а в маслонаполненных узлы трения находятся в масляной ванне с избыточным давлением на 0,1-0.2 МПа, превышающим давление окружающей среды.[7].
Регулятор угла предназначен для перекоса осей секций двигателя или самого двигателя относительно нижней части бурильной колонны. Устанавливается между силовой и шпиндельной секцией или над самим ВЗД. Обычно состоит из двух переводников, сердечника и зубчатой муфты.[5]
В большинство компоновок низа бурильной колоны включающих ВЗД устанавливаются переливные клапаны. Они предназначены для сообщения внутренней полости бурильной колонны с затрубным пространством при спуско-подъемных операциях. Применение клапана устраняет холостое вращение двигателя, а также уменьшает гидродинамическое воздействие на забой. Устанавливают над двигателем или входят непосредственно в конструкцию ВЗД[8].
wikipedia.green
ВИНТОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ — (забойный) гидравлический забойный двигатель объемного типа, многозаходные рабочие органы которого выполнены по схеме героторного планетарного механизма, приводимого в действие за счет энергии промывочной жидкости … Большой Энциклопедический словарь
винтовой двигатель — (забойный), гидравлический забойный двигатель объёмного типа, многозаходные рабочие органы которого выполнены по схеме героторного планетарного механизма, приводимого в действие за счёт энергии промывочной жидкости. * * * ВИНТОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ… … Энциклопедический словарь
Винтовой забойный двигатель — (a. downhole drilling motors; н. Bohrlochschraubenmotor, Strebschraubenmaschine; ф. moteur d attaque helicoidal; и. motor de atague helicoidal) гидравлич. Забойный двигатель объёмного типа, рабочие органы к рого выполнены по схеме… … Геологическая энциклопедия
Забойный двигатель — (a. face engine; н. Bohrlochsohlenantrieb; Bohrlochsohlenmotor; ф. moteur d attaque; и. motor de frente de arranque) погружная машина, преобразующая гидравлич., пневматич. или электрич. энергию, подводимую c поверхности, в механич. работу … Геологическая энциклопедия
забойный двигатель — погружённый в буровую скважину двигатель, передающий вращение непосредственно породоразрушающему инструменту. Различают турбобуры, электробуры,винтовые двигатели и гидроударники. * * * ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, погруженный в буровую… … Энциклопедический словарь
Компрессионный карбюраторный двигатель — Компрессионный двигатель на авиамодели … Википедия
Бурение — (Drilling) Бурение это процесс строительства скважины, а также разрушения слоев земли с последующим извлечением продуктов разрушения на поверхность Бурение: на воду, цена, виды бурения, типы бурения, нефть, газ Содержание >>>>>>>>>>>>>> Бурение… … Энциклопедия инвестора
Турбовинтовой самолёт — Аббревиатуры ТВД Турбо винтовой двигатель ТРД Турбо реактивный двигатель ТРДД Турбо реактивный двухконтурный двигатель … Википедия
ПРОПЕЛЛЕР — (англ.). Отталкиватель; двигатель; винт в аэропланах и вообще винтовой двигатель. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. пропеллер (лат. propellere гнать, толкать) воздушный винт устройство для получения… … Словарь иностранных слов русского языка
РВД — рукава высокого давления РВД ротор высокого давления РВД регулятор высокого давления РВД реактор с водой под давлением РВД … Словарь сокращений и аббревиатур
Мальцов Сергей Иванович — Мальцов, Сергей Иванович известный деятель промышленности (1810 1893). Служил в гвардейской кавалерии; был адъютантом принца Петра Ольденбургского. В 1849 г. вышел в отставку генерал майором и посвятил себя управлению своими заводами. Он создавал … Биографический словарь
translate.academic.ru
Энциклопедический словарь. 2009.
ВИНТОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ — (забойный) гидравлический забойный двигатель объемного типа, многозаходные рабочие органы которого выполнены по схеме героторного планетарного механизма, приводимого в действие за счет энергии промывочной жидкости … Большой Энциклопедический словарь
Винтовой забойный двигатель — (a. downhole drilling motors; н. Bohrlochschraubenmotor, Strebschraubenmaschine; ф. moteur d attaque helicoidal; и. motor de atague helicoidal) гидравлич. Забойный двигатель объёмного типа, рабочие органы к рого выполнены по схеме… … Геологическая энциклопедия
Забойный двигатель — (a. face engine; н. Bohrlochsohlenantrieb; Bohrlochsohlenmotor; ф. moteur d attaque; и. motor de frente de arranque) погружная машина, преобразующая гидравлич., пневматич. или электрич. энергию, подводимую c поверхности, в механич. работу … Геологическая энциклопедия
забойный двигатель — погружённый в буровую скважину двигатель, передающий вращение непосредственно породоразрушающему инструменту. Различают турбобуры, электробуры,винтовые двигатели и гидроударники. * * * ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, погруженный в буровую… … Энциклопедический словарь
Компрессионный карбюраторный двигатель — Компрессионный двигатель на авиамодели … Википедия
Бурение — (Drilling) Бурение это процесс строительства скважины, а также разрушения слоев земли с последующим извлечением продуктов разрушения на поверхность Бурение: на воду, цена, виды бурения, типы бурения, нефть, газ Содержание >>>>>>>>>>>>>> Бурение… … Энциклопедия инвестора
Турбовинтовой самолёт — Аббревиатуры ТВД Турбо винтовой двигатель ТРД Турбо реактивный двигатель ТРДД Турбо реактивный двухконтурный двигатель … Википедия
ПРОПЕЛЛЕР — (англ.). Отталкиватель; двигатель; винт в аэропланах и вообще винтовой двигатель. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. пропеллер (лат. propellere гнать, толкать) воздушный винт устройство для получения… … Словарь иностранных слов русского языка
РВД — рукава высокого давления РВД ротор высокого давления РВД регулятор высокого давления РВД реактор с водой под давлением РВД … Словарь сокращений и аббревиатур
Мальцов Сергей Иванович — Мальцов, Сергей Иванович известный деятель промышленности (1810 1893). Служил в гвардейской кавалерии; был адъютантом принца Петра Ольденбургского. В 1849 г. вышел в отставку генерал майором и посвятил себя управлению своими заводами. Он создавал … Биографический словарь
fr.academic.ru
Рабочим органом винтового забойного двигателя (ВЗД) является винтовая пара: статор и ротор (рис. 19).
Статор представляет собой металлическую трубу, к внутренней поверхности которой привулканизирована резиновая обкладка, имеющая 10 винтовых зубьев левого направления, обращённых к ротору.
Ротор выполнен из высоколегированной стали с девятью винтовыми зубьями левого направления и расположен относительно оси статора эксцентрично.
Кинематическое отношение винтовой пары 9: 10 и соответствующее профилирование её зубьев обеспечивает при движении бурового раствора планетарное обкатывание ротора по зубьям статора и сохранение при этом непрерывного контакта ротора и статора по всей длине. В связи с этим образуются полости высокого и низкого давления и осуществляется рабочий процесс двигателя.
Вращающий момент от ротора передаётся с помощью двухшарнирного соединения на вал шпинделя, укомплектованного многорядной осевой шаровой опорой и радиальными резино - металлическими опорами. К валу шпинделя присоединяется долото. Уплотнение вала достигается с помощью торцевых сальников.
Типичная характеристика ВЗД при постоянном расходе бурового раствора представлена на рис. 20. По мере роста момента М перепад давления в двигателе Dр увеличивается почти линейно, а частота
вращения вала двигателя снижается вначале незначительно, а при торможении - резко. Зависимости изменения мощности двигателя и КПД от момента М имеют максимумы. Когда двигатель работает с максимальным КПД, режим называют оптимальным, а с максимальной мощностью - экстремальным. Увеличение нагрузки на долото после достижения экстремального режима работы двигателя приводит к торможению вала двигателя и к резкому ухудшению его характеристики.
Неэффективны и нагрузки на долото, при которых момент, развиваемый двигателем, меньше момента, обеспечивающего оптимальный режим его работы.
Характер изменения N, n, Dp и hг от момента М при любом расходе бурового раствора остаётся примерно одинаковым. Значения М, n и Dp при увеличении Q растут почти линейно, hг - несколько уменьшается, а N возрастает по зависимости, близкой к квадратичной
По своей характеристике объемный винтовой двигатель весьма перспективная машина. По сравнению с турбобуром он проще по конструкции, имеет меньшие длину и массу, большой крутящий момент, большую мощность, относительно низкую частоту вращения, он менее чувствителен к уменьшению диаметра ствола скважины, позволяет контролировать отработку долота по изменению крутящего момента. Целесообразно применять объемный двигатель для бурения на средних и больших глубинах, для бурения долотами с герметизированными маслонаполненными опорами, при наборе зенитного угла наклонно-направленных скважин.
Лекция 5
БУРИЛЬНАЯ КОЛОННА
poznayka.org
НАЗНАЧЕНИЕ:
Винтовой забойный двигатель (ВЗД) предназначен для: -бурения нефтяных и газовых вертикальных и наклонно-направленных скважин;-геологоразведочного и структурно-поискового бурения;-капитального ремонта скважин;-прокладки подземных коммуникаций.
По принципу действия ВЗД являются объёмной (гидростатической) машиной, многозаходные рабочие органы которой представляют собой планетарно-роторный механизм с внутренним косозубым зацеплением. Конструктивно ВЗД состоят из секции рабочих органов (рабочей пары) и шпиндельной секции (шпинделя). Зубья ротора и статора секции рабочих органов находятся в непрерывном контакте между собой, в результате чего происходит разделение полостей высокого и низкого давления. При прокачивании рабочей жидкости через двигатель, ротор совершает планетарное движение относительно оси статора, обкатываясь по зубьям резиновой обкладки. Планетарное движение ротора преобразуется в соосное вращение вала шпинделя при помощи гибкого вала (или шарнирного устройства), передающего крутящий момент и гидравлическую осевую нагрузку. Рабочая пара и шпиндель соединяются переводником, который может быть прямым (шифр ВЗД – «Д»), жёстким искривлённым переводником-отклонителем («ДО») или регулируемым переводником-отклонителем («ДР»).
Схема назначения шифров винтовых двигателей выглядит следующим образом:
Например: Шифр ДР-190.6/7.56
Типы выпускаемых двигателей в габаритах 42-240 мм:
-"Д"(ДП) - двигатели прямые;
-"ДР" - двигатели с регулируемым узлом искривления;
-"ДГР" - двигатели с укороченным шпинделем;
-"ДВ" - двигатели с повышенной частотой вращения.
190 – наружный диаметр
6/7 – заходность винтовой пары (количество зубьев ротора/статора)
56 - число шагов винтового зуба статора х 10 (5 целых 6 десятых)
Д1 – цифра обозначает номер модели двигателя.
Шифры двигателей могут содержать дополнительные литеры, обозначающие опции, реализованные в двигателе (например, "П" - с профилированной секцией рабочих органов, "Н" -гибрид (Hybrid), "С" - с системой стабилизации ротора, "Т" - с термостойким эластомером, "К" - керноотборный и др.).
Технические характеристики некоторых пользующихся спросом ВЗД:
|
bno.su
The current status and Russian PDM perspectives of development
D. Baldenko, SPU Drill technics JSC, Yu. Korotaev, VNIIBT – Drilling instruments Co, Ltd.
Представлен анализ состояния производства и областей применения отечественных винтовых двигателей и сформулированы перспективы их дальнейшего развития.
It presents an analysis of the current status and Russian positive displacement downhole motors (PDM) production and application.
В 70-х годах прошлого века во ВНИИБТ и его Пермском филиале впервые в мире был создан винтовой забойный двигатель (ВЗД) с многозаходными рабочими органами.
В ходе разработки и усовершенствования отечественных ВЗД было получено более 120 авторских свидетельств и патентов, 18 из которых были запатентованы в промышленно-развитых странах. В результате комплекса НИОКР отечественными учеными и инженерами были разработаны научные основы конструирования и технологии изготовления двигателей, теория рабочего процесса и технология бурения нефтяных и газовых скважин [1 – 4].За тридцать пять лет существования ВЗД прошли эволюционный путь развития, превратившись в эффективное техническое средство для бурения и ремонта нефтяных и газовых скважин. Объемы бурения в России с применением ВЗД постоянно растут, и в настоящее время удельный вес проходки с применением ВЗД в основных регионах находится в пределах 40 – 80%, ВЗД успешно конкурируют с другими способами бурения. Так, например, объем эксплуатационного бурения винтовыми двигателями в ОАО «Сургутнефтегаз» в 2011 г. составил 3500 тыс. м (около 80% от общего объема бурения). На рис. 1 представлено соотношение объемов проходки различными способами бурения нефтяных и газовых скважин в СССР и России согласно публикации [5] с экстраполяцией за последние годы. Такое широкое распространение ВЗД получили, в частности, в связи с развитиеburneft.ru
Использование в двигателестроение. Сущность: винтовой двигатель работает в цикле д.в.с. с самовоспламенением от повышения температуры воздушно-топливной смеси, в котором полости сжатия и расширения образуются попеременно корпусом роторов и роторами вместе с перепускной трубой, при этом каждый винтовой ротор выполнен с эпициклоидальным симметричным профилем в торцевом сечении. 2 з. п. ф-лы, 9 ил.
Изобретение относится к области двигательного машиностроения, а конкретно к двигателям объемного сгорания с самовоспламенением и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства, а также военной.
Известен двигатель объемного сгорания с самовоспламенением (1). Он включает в себя цилиндр, поршень, клапаны, шатун, коленчатый вал. Известна также конструкция винтового двигателя, работающего в цикле детандера, использующего в качестве сгораемого вещества фторзамещенные углеводородные вещества (2). В (1) сложны в изготовлении: коленчатый вал, шатун, который сложен также в сборке с коленчатым валом. Силы инерции второго порядка в (1) не уравновешены, что приводит к дополнительной вибрации, например корпуса корабля. В (2) сложна система из-за наличия в ней таких элементов, как: резервуар, подогреватель, камера расширения, кроме того, у нее низкий коэффициент полезного действия из-за тепловых потерь. Целью настоящего изобретения является упрощение конструкции, устранение сил инерции второго порядка в (1), а по сравнению с изобретением, изложенным в (2) упрощение винтового двигателя, увеличения его коэффициента полезного действия и надежности. Для достижения этой цели двигатель размещен в четырех корпусах соединенных вместе и работает в цикле двигателя объемного сгорания с самовоспламенением. На фиг. 1 изображен продольный разрез двигателя, состоящего из: корпуса роторов 1, присоединенного к нему корпуса всасывания-выхлопа 2, с размещенными в них винтовыми роторами, корпус нагнетания 3 и корпус 4, в которых размещены цилиндрическая зубчатая передача 5 и коническая зубчатая передача 6, приводящие в действие, с помощью кулачкового механизма 7, нагнетательный клапан 8 фиг. 2, который по каналу 9 фиг.2 соединен трубой 10 фиг.1 с промежуточной парной полостью, образованной винтовыми роторами. На фиг. 3 изображен поперечный разрез по корпусу всасывания-выхлопа 2 фиг. 1, где 11, 12 окна всасывания, 13, 14 отверстия для впрыска топлива, а 15, 16 окна выхлопа. На фиг. 4 изображен механизм запуска с соответствующей ему схемой на фиг. 5, где 17, 18 шестерни, посаженные на ротора, 19 выдвижная шестерня, приводимая в действие поршнем гидроцилиндра 20, которая передает пусковой момент через шестерню 21 от шестеренчатого насоса 22, приводимого в действие от поршня гидроцилиндра 23, который соединен трубой 24 большего диаметра, чем труба 25, которая является основной. На фиг. 6 и 7 изображен корпус роторов с размещенными в нем четырехзубым ротором и шестизубым ротором, на роторах сделаны полукруговые проточки 26 фиг. 6, 7, в корпусе роторов соответственно им сделаны проточки 27 фиг. 6, 28 фиг. 7, причем диаметр проточек не превышает 0,04 от разности наружного радиуса винтовой части ротора и радиуса впадин, которые предназначены для уменьшения перетечек сгоревшей топливо-кислородной смеси в соседние парные полости роторов винтового двигателя. Экспериментальные значения коэффициента местных потерь давления в зависимости от отношения диаметров и критерия Рейнольдса показаны на фиг. 8 и 9. Литература 1. Патент Германии N 26706, МКИ Р 02 В, 1882 г. 2. Патент Великобритании N 11301214, МКИ Р 01 К 25/00, 1972 г. 2 4Формула изобретения
1. Винтовой двигатель, содержащий винтовые роторы, установленные в корпусе цилиндров, системы подачи топлива и воздуха и механизм запуска двигателя, отличающийся тем, что система подачи топлива и воздуха выполнены в виде корпуса всасывания-выхлопа с всасывающими и выхлопными окнами и отверстиями для впрыска топлива, присоединенного к корпусу цилиндров, механизм запуска двигателя выполнен в виде корпуса нагнетателя с размеренными внутри него двумя гидроцилиндрами и масляного шестиренчатого двигателя, последний кинематически связан с зубчатыми колесами, неподвижно закрепленными на валах винтовых роторов, и гидравлически через клапан соединен с каждым гидроцилиндром, соединенными между собой трубопроводом, при этом в корпусе нагнетателя установлен узел связи штока гидроцилиндра с винтовым ротором, выполненным в виде цилиндрической и конической зубчатой передач и кулачкового механизма, соединенного с одним из роторов и с нагнетательным клапаном, соединенным посредством трубопровода с парной полостью, образованной роторами. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что полость сжатия и расширения образуется попеременно корпусом и ротором с перепускным трубопроводом. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что каждый винтовой ротор выполнен с эпициклоидальным симметричным профилем зубьев в торцевом сечении.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9www.findpatent.ru
