[1]Полезная модель относится к области буровой техники и, в частности к гидравлическим винтовым забойным двигателям (ВЗД) для технологий высокооборотного бурения нефтяных и газовых скважин с использованием безопорных долот (импрегнированных или типа PDC).
[2]Для возможности осуществления таких технологий бурения в конструкцию забойного двигателя по сравнению со стандартной конструктивной схемой должны быть внесены изменения, обеспечивающие надежность и эффективность применения ВЗД при увеличении его частоты вращения.
[3]Выпускаемые промышленностью ВЗД спроектированы по традиционной кинематической схеме. Рабочие органы ВЗД, представляющие собой винтовой героторный механизм с внутренним циклоидальным зацеплением, состоят из неподвижного статора с внутренней винтовой поверхностью и находящегося внутри него ротора с наружной винтовой поверхностью, который совершает планетарное движение. Числа заходов винтовых поверхностей статора и ротора, имеющих одинаковое направление, отличаются на единицу, а их шаги пропорциональны числам заходов (Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых Л.И. Одновинтовые гидравлические машины. Том 2. ИРЦ Газпром, 2007).
[4]Типовым техническим решением, способствующим повышению быстроходности ВЗД, является использование полого стального ротора, что обеспечивает снижение массы и инерционной (центробежной) силы при планетарном движении ротора.
[5]Ближайшим техническим решением, принятым за прототип, является конструкция ВЗД из модельного ряда для привода высокооборотных буровых долот (серия ДВ), в которой в качестве рабочих органов используется винтовая пара с уменьшенным числом заходов ротора и увеличенной высотой зубьев, что для заданного диаметрального габарита, соответствующего используемому типоразмеру долота, обеспечивает снижение рабочего объема двигателя и увеличение его частоты вращения при заданном расходе жидкости, соответствующем гидравлической программе бурения скважины (ВНИИБТ-Буровой инструмент. Каталог конструкций ВЗД).
[6]Недостатком данного технического решения в случае постоянства длины винтовой пары (ограниченной технологическими возможностями при изготовлении рабочих органов) является пониженный крутящий момент ВЗД (вследствие уменьшения допускаемого перепада давления из-за снижения числа контактных линий, отделяющих вход и выход гидромашины при уменьшении ее заходности), что не обеспечивает необходимые энергетические характеристики двигателя, в частности при бурении долотами типа РОС.
[7]Задачей, на решение которой направлено заявляемая полезная модель, является создание конструкции малолитражного ВЗД, которая в наибольшей степени соответствует современным требованиям технологии высокооборотного бурения скважин с использованием безопорных долот (с учетом необходимости как увеличения частоты вращения, так и поддержания относительно высокого крутящего момента на валу двигателя при сохранении допускаемого уровня инерционных нагрузок).
[8]Технический результат достигается на этапе проектирования за счет двух конструктивных решений: корректировка характерного диаметрального размера рабочих органов ВЗД, в качестве которого выбран контурный диаметр винтового героторного механизма (по впадинам зубьев торцового профиля статора) и переход на сплавы легких металлов для изготовления ротора и других элементов роторной группы двигателя.
[9]Таким образом, проектирование высокооборотного ВЗД предлагается вести на основе оптимального сочетания кинематического отношения, диаметрального размера и физико-механических свойств материала его роторной группы.
[10]При этом при использовании высокооборотного ВЗД не потребуется повышать расход бурового раствора и использовать нестандартные (не апробированные на практике) соотношения геометрических параметров рабочих органов и сортаменты эластомеров.
[11]Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами рабочих органов ВЗД: фиг. 1 - поперечное сечение с обозначением эксцентриситета е, наружного диаметра корпуса D и контурного диаметра Dк циклоидального торцового профиля; фиг. 2 - изображения винтового ротора с различным числом заходов z2.
[12]Высокооборотный ВЗД состоит из двух секций: двигательной, включающей винтовую пару ротор-статор с циклоидальным зубчатым зацеплением (фиг. 1), и шпиндельной, содержащей осевую и радиальные опоры выходного вала, нижний конец которого соединяется с буровым долотом. Ротор двигателя 2, винтовая поверхность которого находится в зацеплении с внутренней эластичной обкладкой статора 1, совершает планетарное движение и соединяется с верхним концом выходного вала при помощи шарнирного соединения или гибкого вала.
[13]Диаметр двигательной секции определяется контурным диаметром рабочих органов Dк (диаметром окружности впадин зубьев торцового профиля статора, фиг. 1), а число заходов ротора z2 (фиг. 2) назначается в зависимости от требуемого рабочего объема двигателя.
[14]Частота вращения ВЗД при заданном расходе жидкости обратно пропорциональна рабочему объему V двигателя.
[15]В случае если геометрические параметры рабочих органов являются подобными, то рабочий объем ВЗД является функцией двух параметров
[16]
[17]При выбранном кинематическом отношении винтовой пары рабочий объем определяется кубической зависимостью от диаметрального размера
[18]
[19]В заявленной полезной модели двигательная секция имеет характерный диаметральный размер меньше, чем у серийного ВЗД, диаметр рабочих органов которых принимается номинальным и соответствует типоразмеру используемого долота. Так, например, при бурении интервала под эксплуатационную колонну долотами диаметром 81/2" (215,9 мм) для достижения необходимого диаметрального зазора диаметр корпуса D забойного двигателя рекомендуется принимать в габарите 172-195 мм, а при этом контурный диаметр рабочих органов серийных ВЗД с учетом необходимых толщин стенок корпуса и эластичной обкладки статора составляет приблизительно Dк=135 мм.
[20]Такое соотношение между диаметрами винтового механизма и корпуса забойного двигателя остается неизменным для большинства типоразмеров модельного ряда ВЗД (с наружным диаметром корпуса 43, 54, 85, 105, 127, 155, 172, 195, 240, 285 мм), что позволяет при проектировании в первом приближении принять
[21]
[22]Если при проектировании высокооборотного ВЗД известно кинематическое отношение винтового героторного механизма, то с учетом выражения (1а) для увеличения рабочего объема в 1,5-3 раза по сравнению с серийным двигателем контурный диаметр рабочих органов следует уменьшить в 0,7-0,9 раза.
[23]В представленной полезной модели высокооборотного ВЗД контурный диаметр Dк* рабочих органов предлагается назначать согласно зависимости
[24]
[25]где Dк - контурный диаметр рабочих органов серийного забойного двигателя для бурения долотом заданного типоразмера; а - масштабный коэффициент, зависящий от заданной частоты вращения и кинематического отношения ВЗД, принимаемый в диапазоне 0,7-0,9, причем безразмерные геометрические параметры рабочих органов принимают каноническими (традиционными) согласно общим положениям теории циклоидального зацепления и рабочего процесса двигателя.
[26]В случае, если в качестве характерного размера используют наружный диаметр корпуса D серийного двигателя, то с учетом зависимости (2) формула полезной модели получает вид
[27]
[28]где масштабный коэффициент b изменяется в диапазоне 0,5-0,6.
[29]Так например, при использовании долот диаметром 215,9 мм для увеличения частоты вращения серийного двигателя в два раза (а=2-1/3=0,79) при сохранении неизменными заходности и безразмерных коэффициентов профиля (в торцовом и продольном сечениях) контурный диаметр Dк его рабочих органов необходимо изменить с 135 до 107 мм.
[30]Поскольку шаги винтовых поверхностей ротора и статора при снижении Dк также пропорционально уменьшатся, то при заданной длине винтовой пары произойдет увеличение числа шагов рабочих органов, что будет способствовать росту допускаемого перепада давления и крутящего момента двигателя.
[31]Если при модернизации двигателя одновременно изменяются как диаметральный размер, так и заходность винтовой пары, то зависимость, определяющая требуемый контурный диаметр, имеет более сложный характер и определяется численным расчетом для заданных исходных данных. При этом, если заходность винтовой пары уменьшается по сравнению с базовым вариантом, то корректировка контурного диаметра имеет менее интенсивный характер.
[32]Другим фактором, требующим внимания при разработке высокооборотного ВЗД, является повышение радиальных нагрузок от инерционной (центробежной) силы планетарно движущегося ротора, которая пропорциональна массе m и эксцентриситету е ротора и квадрату частоты вращения n
[33]
[34]Этот фактор, ограничивающий быстроходность двигателя, можно нивелировать уменьшением массы (плотности материала) вращающихся элементов роторной группы двигателя.
[35]Из открытых источников известно, что в авиации, ракетостроении, кораблестроении, транспортном машиностроении и других отраслях со сложными условиями эксплуатации в ответственных узлах применяются легкие конструкционные сплавы на базе алюминия и титана. Эти материалы имеют эксплуатационные характеристики в ряде случаев не уступающие легированным сталям при существенно меньшей (в 1,75-2,85 раза) плотности, которая для алюминиевых и титановых сплавов в среднем составляет соответственно 2750 и 4500 кг/м3 (плотность стали 7850 кг/м3).
[36]В буровой технике сплавы легких металлов используются в конструкциях бурильных, обсадных и насосно-компрессорных труб, морских райзеров, а также в неизвлекаемых забойных компоновках, разбуриваемых на забое скважины после окончания процесса бурения.
[37]В частности, выпускаемые промышленностью легкосплавные бурильные трубы повышенной надежности (ЛБТПН) диаметром 90-168 мм представляют собой сборную конструкцию - труба из алюминиевого сплава соединяется со стальными буровыми замками специальной резьбой со стабилизирующим пояском. Также имеется успешный опыт создания и эксплуатации насосно-компрессорных труб (диаметром 73 и 90 мм) и обсадных труб (178 мм), представляющих собой цельно алюминиевые трубы с высадками, в которых нарезается специальная резьба для соединения труб.
[38]Основная цель применения легкосплавных труб при строительстве нефтяных и газовых скважин - снижение веса колонн труб (за счет уменьшения массы и коэффициента выталкивающей силы Архимеда), уменьшение сил трения при движении труб в открытом и обсаженном стволе скважины, сокращение времени проведения спуско-подъемных операций по сравнению со стальными аналогами.
[39]В общем случае применение сплавов легких металлов в элементах конструкции бурового инструмента позволяет реализовывать инновационные технологические проекты, обеспечивая повышение эффективности процесса строительства скважин в осложненных условиях. Достижению эффекта способствует применение методов упрочнения поверхности алюминиевых сплавов, к которым относятся: дробеструйная ударная обработка; безабразивная ультразвуковая финишная обработка (БУФО); детонационное металлизированное покрытие; микродуговое оксидирование (М.Я. Гельфгат, В.В. Чижиков, С.С. Колесов и др. Применение трубных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов - проблемы и решения в развитии разведочного, добычного, транспортного бизнеса углеводородов в Арктике - SPE, 166919, 2013).
[40]Имеющийся опыт позволяет рекомендовать использовать сплавы легких металлов при проектировании малолитражных ВЗД для бурения скважин с целью снижения веса роторной группы двигателя и достижения сопутствующих этому эффектов при эксплуатации ВЗД.
[41]Переход на легкие сплавы при прочих равных условиях позволит снизить массу ротора забойного двигателя как минимум в два раза, и тем самым привести допускаемую быстроходность высокооборотного ВЗД к апробированному на практике уровню серийных двигателей.
[42]Кроме того, в предложенной конструктивной схеме двигателя также происходит дополнительное снижение инерционной силы вследствие уменьшения эксцентриситета винтового механизма.
[43]Исходя из вышеизложенного в заявленной полезной модели, предлагается ротор и другие элементы роторной группы (шарнирное соединение или гибкий вал) выполнять из сплава легкого металла (алюминиевого или титанового) с упрочнением рабочих поверхностей с целью достижения необходимых показателей надежности двигателя (в условиях фрикционного, абразивного и усталостного износа).
[44]В качестве примера проведем сравнительный расчет инерционной силы на роторе в случае использования серийного (Dк=135 мм; материал ротора - сталь) и высокооборотного (Dк*=107 мм; материал ротора - алюминиевый сплав) двигателей при соблюдении постоянства кинематического отношения (z2=9), геометрических коэффициентов профиля, осевого габарита (L=2 м), расхода жидкости (Q=30 л/с) и отношения диаметра расточки ротора к ее среднему диаметру (d0/dср=0,7).
[46]Эксцентриситет и рабочий объем серийного двигателя
[47]
[48]Эксцентриситет и рабочий объем модифицированного двигателя
[49]
[51]
[52]Средний диаметр ротора
[53]
[54]Шаг винтовой поверхности статора
[55]
[57]
[58]Число контактных линий
[59]
[60]Масса серийного ротора
[61]
[62]Масса модифицированного ротора
[63]
[64]Частота вращения (объемный КПД=0,8)
[65]
[67]
[68]Результаты расчета показывают, что, несмотря на двукратное увеличение частоты вращения ВЗД с модифицированными рабочими органами, инерционная сила при движении его ротора не превышает аналогичный показатель серийного ВЗД, что должно обеспечить надежность ВЗД при высокооборотных режимах бурения при сохранении кинематического отношения винтовой пары и увеличении числа шагов рабочих органов.
[69]Масса легкосплавного ротора снижается в 4,5 раза. Высота зубьев уменьшается на 2 мм (20%).
[70]Предлагаемая полезная модель позволяет оптимизировать конструкцию ВЗД для технологии высокоборотного бурения нефтяных и газовых скважин и способствует повышению эффективности процесса бурения с использованием безопорных долот за счет увеличения механической скорости.
