МОДЕРНИЗАЦИЯ ВИНТОВОГО ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВЗД Д2-172М ДЛЯ БУРЕНИЯ НАКЛОННО НАПРАВЛЕННЫХ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН-Курсовая работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

МОДЕРНИЗАЦИЯ ВИНТОВОГО ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВЗД Д2-172М ДЛЯ БУРЕНИЯ НАКЛОННО НАПРАВЛЕННЫХ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН-Курсовая работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин
1 Принцип действия и устройство винтового забойного двигателя

Винтовой забойный двигатель является двигателем объемного типа, приводимый в действие потоком бурового раствора, который закачивается в бурильную колонну с поверхности насосами (рис. 1). Винтовой двигатель состоит из статора и эксцентрично расположенного винтового ротора, представляющего собой как бы зубчатую пару с внутренним зацеплением с винтовыми зубьями. Число зубьев статора на один больше зубьев ротора, что позволяет ротору совершать планетарное движение, как бы обкатываясь по зубьям статора, ось ротора при этом движется по окружности с диаметром, равным двойному эксцентриситету е. Для соединения ротора с валом шпинделя, соосно расположенного с корпусом, служит шарнирная муфта, компенсирующая эксцентриситет[1].
Шпиндель сходен по конструкции со шпинделем турбобура. Он укреплен на радиальных резинометаллических подшипниках и снабжен пятой для восприятия осевой нагрузки. Вал шпинделя пустотелый, в верхней части снабжен каналами для прохода жидкости к долоту, присоединяемому через переводник к нижней части вала двигателя. Корпус через переводник прикрепляется к нижней части бурильной ко-лонны.

1.1 Двигатели для наклонно направленного и горизонтального бурения


Обладая рядом конструктивных особенностей и рациональным критерием эффективности, двигатели, в отличие от турбобуров, эффективно используются в различных технологиях наклонно направленного и горизонтального бурения, в том числе при зарезке и бурении вторых(дополнительных) стволов через окно в эксплуатационной колонне.
При использовании ВЗД в горизонтальном бурении реализуются их преимущества по сравнению с турбобурами, в частности меньшая зависимость от диаметра, а так же повышенный удельный момент двигателя. Это позволяет сконструировать силовую секцию длиной 1 – 2 м. с наружным диаметром, существенно меньшим , чем у турбобуров для аналогичных целей.
Основные особенности двигателей серии ДГ:
уменьшенная длина, достигаемая сокращением как силовой, так и шпиндельной секции, при этом силовая секция, как правило, выполняется двухшаговой, что обеспечивает необходимую мощность и ресурс РО;
уменьшенный наружный диаметр (108 против 120 мм; 155 против 172 мм), что при сохранении оптимальных характеристик ВЗД обеспечивает надежную проходимость двигателя с опорно – центрирующими элементами в стволе скважины и улучшенную гидродинамическую ситуацию в затрубном пространстве;
многообразие механизмов искривления корпуса (жесткий искривленный переводник, регулируемый переводник, корпусные шарниры с одной или двумя степенями свободы) что позволяет использовать различные технологии проводки скважины;
возможность размещения на корпусе двигателя опорно – центрирующих элементов;
усовершенствованное соединение ротора и вала шпинделя, гарантирующее надежную работу с большими углами перекоса.

1.2 Рабочие органы винтового забойного двигателя

По принципу действия винтовые двигатели (рис. 2) относятся к объемным роторным машинам. Основными элементами рабочих органов таких машин являются:
1.Статор — это резинометаллическая деталь, состоящая из металлического корпуса и привулканизированной к нему резиновой обкладки. Внутренняя часть обкладки представляет собой зубчатый венец с винтовыми зубьями;
2.Ротор — представляет собой многозаходный винт с нарезкой специального профиля, выполняемый из конструкционной или нержавеющей стали.

При установке в статор ось ротора смещается относительно оси статора на величину эксцентриситета , равную половине высоты зуба. Применение резины в качестве материала обкладки статора позволяет компенсировать неизбежные погрешности изготовления ротора и статора по профилю, диаметрам, шагу винтовой линии и прямолинейности оси. Одновременно с этим создается необходимое уплотнение — натяг рабочей пары (для обеспечения объемного принципа работы гидравлической машины) вследствие некоторого превышения диаметральных размеров ротора над соответствующими размерами статора. Важно и то, что сочетание резины и металла позволяет достичь высокой износостойкости рабочей пары при использовании буровых растворов, содержащих абразивные частицы[2].
1.3 Опоры винтовых забойных двигателей

Одним из важнейших узлов винтового забойного двигателя, в значительной степени определяющим его работоспособность, являются опоры. По роду воспринимаемых нагрузок опоры делятся на осевые и радиальные. Опоры выполняются на подшипниках скольжения (резинометаллические опоры) и подшипниках качения (только осевые опоры)[1].
На работоспособность осевых опор наибольшее влияние оказывают динамические нагрузки от продольных колебаний низа бурильной колонны. Источниками возбуждения этих нагрузок являются работающее на забое долото, насосы и сам двигатель. На опоры действуют и поперечные силы, связанные как с работой неуравновешенных вращающихся масс винтового забойного двигателя, так и с изменением характера проходимых пород, искривлением скважины и рядом других причин[1].
Основные нагрузки, действующие на опоры забойного двигателя, усилия в осевом направлении, поэтому наиболее нагружен осевой подшипник.
Длительность работы осевой опоры, как правило, определяет межремонтный период работы двигателя (его наработка на отказ). Радиальные опоры несут значительно меньшие нагрузки, поэтому их долговечность выше.
В процессе бурения на осевую опору двигателя действует результирующая сила

, (1.2.1)

где — гидравлическое усилие;
— вес вращающихся деталей, действующий сверху вниз;
— реакция забоя, действующая на опору снизу вверх.
При положительном значении усилие направлено сверху вниз, при отрицательном значении снизу вверх. Как показал опыт работы винтовых забойных двигателей с резинометаллической опорой, детали этой опоры больше изнашиваются от действия усилия, направленного сверху вниз.
На работу опор забойного двигателя отрицательно влияют промывочные жидкости с большим содержанием твердой фазы (особенно это относится к утяжеленным буровым растворам) и абразивных частиц. Последние, проникая в опоры, разрушают контактные поверхности и этим увеличивают темп износа опоры. На работу опор также влияет температура промывочной жидкости. Так, в резинометаллических опорах при повышении температуры жидкости сверх предела, допустимого для данной марки резины, снижаются как прочность самой резины, так и прочность крепления ее к металлическому остову опоры. Повышенная температура влияет и на долговечность опор качения — усиливается коррозийный износ.

1.3.1 Подшипники скольжения в забойных двигателях

Использование в забойных двигателях резинометаллических опор скольжения основано на способности эластичных подшипников эффективно работать при смазке жидкостью, содержащей абразивные частицы. Принцип работы такой опоры заключается в следующем. При соприкосновении двух трущихся поверхностей и наличие в смазывающей жидкости твердых частиц, последние неизбежно попадают между этими
поверхностями, если обе поверхности металлические, частицы внедряются в ту и другую поверхность, причем величина внедрения пропорциональна величине нагрузки на трущиеся поверхности. При скольжении одной поверхности по другой песчинки задирают и изнашивают обе поверхности. Поверхности изнашиваются тем быстрее, чем выше частота вращения детали и величина нагрузки. Если одна из трущихся поверхностей эластичная, например резиновая, то твердая частица, попадая между поверхностями трения, вдавливается в эластичную резиновую поверхность, не вызывая в ней остаточных деформаций. Сила прижатия частицы к металлу не зависит от величины нагрузки и определяется только упругостью резины. Следовательно, износ соприкасающейся с резиной металлической поверхности будет в этом случае значительно меньше[1].
Изготовление одного из элементов пары трения из эластичного материала, в качестве которого применяется резина, позволило создать опоры, которые отличаются простотой и высокой износостойкостью при работе в промывочных жидкостях с небольшим содержанием твердой фазы. Вследствие высокой эластичности резиновой поверхности компенсируются некоторые дефекты и неточности изготовления и сборки подшипника, повышается равномерность распределения осевой нагрузки по ступеням осевой опоры, несколько сглаживаются ударные нагрузки на элементы опоры.

1.3.2 Подшипники качения в забойных двигателях

Использование подшипников качения в качестве опор винтовых забойных двигателей обусловлено рядом их преимуществ по сравнению с резинометаллической опорой скольжения. Основное из этих преимуществ состоит в том, что подшипники качения позволяют уменьшить потери на трение в опорах и тем самым увеличить механический к. п. д. двигателя. Подшипники качения имеют значительно меньшие потери на трение при запуске (момент трогания) и при небольших частотах вращения.
С увеличением глубины бурения и ростом неравномерности передачи осевой нагрузки на долото, усложнением условий работы забойного двигателя и долота, повышением плотности и вязкости промывочной жидкости преимущества подшипников качения по сравнению с резинометаллическими опорами скольжения возрастают. Процесс чистого (или свободного) качения состоит в том, что поверхности взаимно перекатывающихся тел непрерывно меняют участки контакта без видимого скольжения. Однако в реальных условиях свободное качение наблюдается редко. Качение обычно сопровождается проскальзыванием одного контактирующего тела относительно другого. Такое проскальзывание особенно велико в бессепараторных подшипниках, что увеличивает трение скольжения между шариком и беговой дорожкой. Однако современные открытые подшипники гидравлических забойных двигателей конструируются без сепараторов. Это обусловлено тем, что отсутствие сепаратора позволяет увеличить диаметр шариков и их число, что, в свою очередь, повышает грузоподъемность подшипника. Это особенно важно в условиях ограниченных диаметральных габаритов забойного двигателя.

1.3.3 Сравнительная оценка осевых опор различных типов

Из сравнения возможностей осевых опор различных типов можно заключить следующее:
1.Резинометаллическая осевая опора эффективно работает при бурении с промывкой водой или маловязкими и глинистыми малозагрязненными растворами. В этих условиях она обладает высоким коэффициентом полезного действия и достаточной стойкостью.
2.Бурение с применением утяжеленных глинистых растворов лучше вести забойными двигателями с осевыми подшипниками качения, так как потери на трение в этих опорах в меньшей степени зависят от загрязненности промывочной жидкости.
3.Резинометаллическая осевая опора имеет низкие потери на трение при высоких частотах вращения (400—800 об/мин) и смазке водой или глинистым маловязким незагрязненным раствором. При высокой частоте вращения и применении абразивной жидкости износостойкость резинометаллической пяты выше долговечности опоры на подшипниках качения.
4.Коэффициент трения резинометаллической пяты существенно возрастает (в 2—3 раза и более) при уменьшении частоты вращения, поэтому целесообразно в забойных двигателях с низкими частотами вращения использовать осевую опору качения.
5.При бурении на больших глубинах и неравномерной передаче осевой нагрузки на двигатель с ростом плотности, вязкости и температуры промывочной жидкости преимущества опор качения по сравнению с резинометаллическими возрастают. В этих условиях в забойных двигателях следует применять опоры качения.
6.Применение резинометаллической опоры скольжения ограничено забойными температурами 110°С. Опоры качения не имеют температурных ограничений.
7.Эксплуатационные качества опор скольжения повышаются с увеличением диаметра забойного двигателя, так как при этом улучшаются характеристики трения и износа. Преимущества опор качения, наоборот, возрастают с уменьшением диаметра забойного двигателя.

1.4 Рабочий процесс винтового двигателя

Винтовые поверхности статора и ротора делят рабочий объем двигателя на ряд полостей. Полости, связанные с областями высокого и низкого давлений, называются камерами, а замкнутые полости — шлюзами. В поперечном сечении имеются камеры, разделенные между собой контактной линией. Каждая камера по мере вращения периодически связывается с полостями высокого и низкого давлений и в каждый задан-ный момент времени становится шлюзом. Теоретически на длине одного шага происходит разобщение полостей, находящихся выше и ниже рабочих органов. Поверхности винтовых зубьев ротора и статора, взаимно пересекаясь, отсекают область высокого давления жидкости от области низкого давления и препятствуют свободному перетоку жидкости. Под действием перепада давления жидкости образуется вращающий момент, передаваемый на вал шпинделя. Чем больше перепад давления на двигателе, тем больше вращающий момент[1].
По принципу действия винтовой двигатель можно сравнить с поршневым гидравлическим двигателем, снабженным поршнем, перемещающимся вдоль оси ротора по винтовой линии. Роль поршня выполняют отсекающие поверхности винтового ротора. В каждом поперечном сечении кинематика рабочих органов характеризуется двумя начальными окружностями (рис. 3). В винтовых машинах ротор совершает планетарное движение. Смещение оси ротора относительно оси статора называется эксцентриситетом двигателя[2].
Однозаходный ротор не симметричен относительно центра своей начальной окружности. Сечение ротора представляет собой круг с центром , а сечение статора — овал, симметричный относительно точки . Винтовые двигатели с однозаходным ротором довольно просты по конструкции и поэтому широко применяются в различных отраслях промышленности[2].
Винтовые роторные двигатели имеют ряд преимуществ, что позволяет использовать их как забойные двигатели:
1. отсутствие клапанных или золотниковых распределителей потока жидкости;
2. отсутствие относительного перемещения трущихся деталей пары ротор — статор;
3. непрерывное изменение положения линии контакта рабочих органов при вращении ротора позволяет потоку бурового раствора удалять абразивные частицы из камер и шлюзов.
Условия создания шлюзов в паре ротор — статор объемных винтовых двигателей следующие:
а. число зубьев или заходов статора должно быть на единицу больше зубьев ротора ;
б. отношение шага зубьев статора к шагу зубьев ротора должно быть пропорционально отношению числу их зубьев, т. е.

(1.3.1)

Отношение чисел зубьев ротора и статора называется передаточным отношением:

(1.3.2)

Теоретически винтовой двигатель может иметь любое передаточное отношение. Двигатели с малозаходными винтовыми механизмами раз-вивают большие частоты вращения при небольшом вращающем моменте. По мере увеличения числа заходов ротора вращающий момент увеличивается и снижается частота вращения. Это объясняется тем, что винтовой механизм с многозаходным ротором исполняет роль двигателя и одновременно редуктора, передаточное отношение которого пропорционально числу заходов ротора.

По результатам статистических исследований в области надёжности и работоспособности забойных двигателей в восьмидесяти процентах причиной отказа является рабочая пара, а точнее износ или полное разрушение резиновой обкладки статора, что снижает ресурс винтового забойного двигателя в целом.
На рисунке 11 представлена диаграмма причин отказа забойного двигателя в процентном соотношении.



Рисунок 11.
В данном дипломном проекте предлагаются некоторые мероприятия, которые направлены на увеличение ресурса рабочих органов. В частности на основе существующего патента № 3112801 предлагается добавить в остов полимерный слой из смеси поливинилформаля и фенолформальдегидной смолы. Целью модернизации является повышение ресурса работы забойного винтового двигателя за счет увеличения адгезии резины к металлу до прочности резин и сохранения физикомеханических свойств резиновой втулки.
Указанная цель достигается тем, что статор имеет полимерный слой из смеси поливинилформаля и фенолформальдегидной смолы, размещенный между корпусом и резиновой втулкой , при этом корпус статора выполнен в виде двух полуцилиндров.
Статор состоит из металлического корпуса, выполнен в виде двух полуцилиндров, полимерного слоя из смеси поливинилформаля и фенолформальдегидной смолы, нанесенного на внутреннюю поверхность полуцилиндров, и резиновой втулки с многозаходной винтовой нарезкой, расположенной внутри корпуса. Резиновая втулка сцеплена с полимерным слоем с помощью полиуретанового или изоцианатного клея. Статор установлен в корпусе ВЗД. Нанесение полимерного слоя на полуцилиндры корпуса производится из раствора указанных полимеров в дикрезоле. Соотношение поливинилформаля к фенолформальдегидной смоле 2:1. После нанесение раствора покрытие сушат на воздухе и термообрабатывают при 150°С до неполного отверждения. На пуансон пресс-формы закладывают сырую резину, на резину накладывают два полуцилиндра, предварительно нанося сверху полимерного слоя полиуретанового клея УРТ с 5% отвердителя – лейконата. Пресс – форму закрывают и прессуют при температуре 153°С по режиму вулканизации данной марки резины.
Выполнение корпуса в виде двух полуцилиндров позволяет производить смену отработанных статоров новыми с многократным использованием корпуса двигателя.
К преимуществам данного винтового забойного двигателя относятся:
Повышение адгезионной прочности связи резина – металл до прочности самой резины, т.е. до 200 кгс/см2 , и сохранение физико – механических свойств резиновой втулки, что позволяет увеличить срок службы статора, и межремонтный период двигателя до 150 часов.