Гвинтовий вибійний двигун: характеристики, пристрій, правила експлуатації

Нафтова, газодобувна галузі потребують застосування спеціального обладнання. Для організації робочого циклу часто застосовується гвинтовий вибійний двигун (ВЗД ). Він бере участь в процесі видобутку рідких і газоподібних, а також твердих корисних копалин, а також може застосовуватися в процесі проведення ремонту вже існуючих свердловин. Спеціальне обладнання володіє рядом особливих технічних характеристик. Щоб агрегат у повній мірі виконував покладені на нього функції, його потрібно правильно підбирати відповідно з існуючими умовами експлуатації. Для цього необхідно розуміти пристрій конструкції ВЗД, а також правила його застосування на різних об'єктах.

Загальна характеристика

Гвинтовий вибійний двигун застосовується у видобувній промисловості для здійснення буріння глибоких, похило-спрямованих, горизонтальних і вертикальних свердловин. Він дозволяє розбурювати пробки з піску, сольових відкладень, цементні мости. Щоб двигун міг виконувати свої функції, він володіє певним крутним 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 прокачування. Виробництво гвинтових вибійних двигунів почалося в 1962 році. Його випустив американський виробник «Дайна-Дрилл». Це був одногвинтової 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 обертів становила 200 об./хв. В 1966 р. вітчизняними технологами був створений агрегат, який відрізнявся тихим ходом. Він мав можливість регулювати обороти від 100 до 200 об./мін. 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 незмінним для всіх різновидів.

Конструкція

Конструкція запропонованого обладнання може дещо відрізнятися. Для прикладу можна розглянути пристрій гвинтового вибійного двигуна ІН 95. Цей прилад є симетричним роторним обладнанням. При його роботі застосовується зубчасте зачеплення косого типу. Механізм приводиться в дію тиском рідини, що подається. Конструкція складається з вузла двигуна, а також робочої частини. Перший елемент системи є основним силовим компонентом. Саме від його характеристик залежать експлуатаційні особливості обладнання. В їх число входять потужність, ККД, крутний момент, а також частота обертання ротора. Руховий вузол складається із статора (корпусу) і еластомірної вставки з різьбленням. За неї зачіпляється ротор. Під тиском рідини починається обертання. Еластична оболонка поділяє на камеру дві порожнини. Вона виготовляється з міцної гуми, стійкої до зносу. При попаданні абразивних частинок на поверхню матеріалу він не руйнується.
На робочі характеристики гвинтового вибійного двигуна впливає безліч факторів. Ротор конструкції має вигляд свердла. Його покриття дуже міцне, виготовлений з легованої стали. Кількість зубів у ротора на один менше, ніж у статора. Руховий вузол має певну натяг зубчастого зачеплення. Воно залежить від особливостей робочої рідини, температури експлуатації і т. д. Робочі органи представлені шпиндельний вузлом і регулятором кута. Перший з них передає крутний момент робочого 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 вибійного двигуна визначається особливостями конструкції. Це об'ємні роторні машини. Статор їх двигуна з порожнинами примикає до камер низького і високого тиску. Гвинт-ротор є провідним. Через нього передається крутний момент на виконавчий механізм. Гвинти-замикачі називаються відомими елементами конструкції. Вони ущільнюють двигун. За допомогою замикачів відбувається запобігання попадання рідини з камери з високим тиском у відділення з низьким тиском. Рідина циркулює усередині конструкції через робочі органи. Це переміщення можливе завдяки перепаду тиску. При цьому на роторі відбувається крутний момент. Гвинтові елементи робочих органів взаємно закриваються. Вони відділяють область високого і низького тиску. Тому принцип роботи гвинтового вибійного двигуна схожий на роботу поршневих різновидів обладнання. В робочих органах ВЗД створюються роз'єднані шлюзи. Для цього число зубців статора визначається більшим на одиницю, ніж у ротора (внутрішнього елемента). Довжина робочих органів не може бути менше, ніж крок гвинтової поверхні зовнішнього елемента. Це визначає нормальне функціонування системи. Причому ставлення кроків зовнішніх і внутрішніх поверхонь гвинта пропорційно відношенню числа зубів. Їх профілі характеризуються взаимоогибаемой формою. Це дозволяє їм перебувати в безперервному контакті на будь-якій ділянці зчеплення.
Кратність є одним з головних параметрів роботи обладнання. ВЗД вітчизняного виробництва мають многозаходними робочими органами. Іноземні компанії виготовляють представлені двигуни з одним або кількома заходами ротора.

Класифікація

У відповідності з різними факторами відбувається класифікація гвинтових вибійних двигунів. За ознакою застосування розрізняють три основні категорії ВЗД:

Агрегати для буріння у вертикальному напрямку. Вони мають пряме виконання. Зовнішній діаметр таких агрегатів становить від 172 до 240 мм.

Обладнання для горизонтального і похило-спрямованого буріння. Такі двигуни мають викривлену компонування. Діаметр може становити від 76 до 240 мм.

Прилади для ремонтно-відновлювальних робіт. Вони мають пряме виконання. Зовнішній діаметр складає від 43 до 127 мм

Силові агрегати можуть мати активну частину довжиною до 550 див. Гвинтовий вибійний двигун 105 1278876 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 діаметру 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 торсіонної трансмісією, резинометалевими опорами. Обладнання для буріння оснащується додатково противоаварийними вузлами. Це дозволяє виключити залишення деталей на вибої при виникненні поломки. Шпиндельні відсіки двигунів для похилого і горизонтального буріння мають у своєму складі радіальні твердосплавні опори. Їх підшипники володіють високою вантажопідйомністю. У конструкцію ВЗД можуть додаватися фільтри-шламоуловители, калібратори, центратори, зворотні і переливні клапани. Також в комплект постачання можуть входити різні елементи ЗІП.

Кількість секцій

Гвинтовий вибійний двигун може мати одну, дві або три секції. Це визначає особливості конструкції і експлуатації приладу. Односекційні різновиди позначаються літерою «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, застосування спеціальних ущільнювачів буріння можливо при перепадах тиску на долоті до 8-10 МПа. Односекційні конструкції виготовляються в нашій країні і за кордоном. Їх широко застосовують в сучасній добувної 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. В залежності від їх класу в позначенні присутні 2 букви. 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 двухшаговая силова секція. У таких конструкціях застосовуються різні механізми викривлення корпусу. Можуть оснащуватися центруючими приладами. Серія «ДО» представлена отклонителями. Вони мають жорсткий кривий перехідних. Кут викривлення шпиндельної секції нерегульований. Застосовується для створення похилих тунелів. Прилади типу «ІН» мають регулятор кута викривлення.

Турбогвинтові різновиди

Щодо нової різновидом устаткування є турбинно-гвинтові забійні двигуни . Вони характеризуються високою стійкістю та високою енергетичною ефективністю. Цей різновид агрегатів іноді відносять до класу редукторних турбобурів. На гвинтову пару покладена функція редуктора і стабілізатора. Це дозволяє оптимізувати роботу долота при навантаженні. Конструкція турбинно-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 шпиндельний відсіком. Перший варіант є більш простим. До складу агрегату входить у цьому випадку тільки один вузол з'єднання. Другий варіант гвинтової пари менш надійний з-за своєї складності. Тут необхідно створити два роторних вузла з'єднання.

Характеристики ВЗД

Особливості буріння гвинтовими забійними двигунами визначають їх характеристики. Їх необхідно враховувати для правильного вибору параметрів буріння. Умови стабільного буріння повинні зберігатися протягом всього виробничого процесу. Сьогодні ВЗД удосконалюються у відповідності з існуючими вимогами видобувних компаній. Характеристики обладнання постійно поліпшуються. Це дозволяє правильно застосовувати нові технології у видобувній галузі. В сучасному світі стали використовуватися регульовані приводи насосів. Буріння може проводитися у 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 виробляються 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. По тиску, яке присутнє в 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 спостережуваними змінними в сталих режимах. Динамічні характеристики відображають відношення показників в несталих режимах. Їх обумовлює інерційність спостережуваних процесів.

Стендові і навантажувальні характеристики

Буріння гвинтовими забійними двигунами вимагає дотримання встановлених виробником устаткування правил і норм. Їх визначають за допомогою стендових або навантажувальних характеристик. У першому випадку на виробництві тестуються функції крутного моменту. Навантажувальні характеристики визначаються після стендових випробувань для певних умов створення свердловин. Із збільшенням крутного 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 загального ККД і потужності мають екстремальний вид. Тестування проводиться в чотирьох основних режимах (оптимальний, холостий, екстремальний і гальмівний). Робочим режимом ВЗД при дослідженні в умовах виробництва є екстремальні умови. Згідно з цим режимом позначаються паспортні дані обладнання. Вважається оптимальним, якщо агрегат використовується в режимах, які зміщені вліво від екстремальних умов роботи. Крутний момент в цьому випадку буде мати 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 вибійних двигунів. У холодний період механізм відігрівається парою або гарячою водою. Промивна рідина повинна мати певний рівень в'язкості і щільності. В ній не повинен знаходитися пісок. Коли прилад буде опущений на глибину 10-15 м, потрібно включити насос, промити зону свердловини. Двигун в цей момент не вимикається. Якщо долото нове, необхідно зробити його роботу при невеликій осьовому навантаженні. Інструмент подається в свердловину плавно. Не повинно бути ривків. Періодично виконується провертання ВЗД. При цьому необхідно правильно задавати параметри витрати промивальної рідини. Для цього необхідно врахувати особливості очищення вибою. У процесі роботи робоча пара поступово зношується. Щоб забезпечити високу ефективність при експлуатації гвинтового вибійного 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 вибою на 10-12 м. Після цього можна зупинити насос, відкрити засувку. Також в процесі функціонування обладнання необхідно виконувати перевірку його роботи. Двигун з 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 зашламлении або неможливості провести запуск над свердловиною.

На закінчення

Гвинтовий вибійний двигун повинен володіти певною швидкістю 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 усередині падає. Якщо ротор висить, 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 сайті. Якщо встановлену межу перевищити, еластомер деформується. Крутний 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 перетину долота. Якщо ж його розмір зменшується, відбувається швидкий знос підшипників. Потік рідини не встигає їх охолоджувати. Розглянувши, що собою являє гвинтовий вибійний двигун, його основні характеристики та умови застосування, можна правильно підібрати оптимальну модель обладнання.