Винтовые забойные двигатели (ВЗД) являются ключевым элементом современной технологии бурения, особенно при проходке сложных наклонно-направленных и горизонтальных скважин. Их эффективность и надежность позволили им практически полностью вытеснить ранее доминировавшие турбобуры. Актуальность этих механизмов обуславливает высокий интерес к их проектированию и усовершенствованию. Главная цель данной курсовой работы — на основе заданных параметров спроектировать винтовой забойный двигатель и разработать предложение по модернизации одного из его ключевых узлов для повышения эксплуатационных характеристик. Для достижения этой цели работа структурирована следующим образом: сначала проводится теоретический анализ конструкции и принципов работы ВЗД, затем выполняется инженерный расчет двигателя, и в заключение предлагается и обосновывается конкретное усовершенствование. Для выполнения поставленных задач необходимо глубоко изучить теоретические основы, конструкцию и принципы работы данных механизмов, чему и будет посвящен следующий раздел.
Глава 1. Теоретический анализ и конструктивные особенности винтовых забойных двигателей
Как устроен и по какому принципу работает винтовой забойный двигатель
Винтовой забойный двигатель (ВЗД) — это гидравлический двигатель объемного действия, основная функция которого заключается в преобразовании гидравлической энергии потока бурового раствора в механическую энергию вращения породоразрушающего инструмента. Сердцем любого ВЗД является его рабочая пара, состоящая из двух ключевых элементов:
- Ротор — стальной винт со спиральными зубьями.
- Статор — стальной корпус, внутренняя полость которого покрыта слоем эластомера (резины) с винтовыми зубьями.
Принцип действия основан на разнице в геометрии: число зубьев ротора всегда на единицу меньше, чем число зубьев статора. Когда буровой раствор под давлением нагнетается в двигатель, он заполняет полости между ротором и статором. Из-за разницы давлений и винтовой геометрии ротор начинает совершать планетарное движение внутри статора, которое затем преобразуется во вращение вала шпинделя. Конструктивно двигатель состоит из нескольких основных секций: двигательной секции, где расположена рабочая пара, и шпиндельной секции, которая передает вращение на долото и воспринимает осевые нагрузки. Кроме того, в конструкцию входят вспомогательные, но важные узлы, такие как переливные и обратные клапаны. Они служат для сообщения затрубного и внутреннего пространств бурильной колонны, а также для предотвращения холостого вращения инструмента при спускоподъемных операциях.
Понимание базовых компонентов позволяет перейти к их многообразию и систематизации.
Какие существуют типы ВЗД и где они находят свое применение
Многообразие задач, решаемых в процессе бурения, привело к созданию различных модификаций винтовых забойных двигателей. Их классификация строится в первую очередь на конструктивных особенностях корпуса, что напрямую влияет на возможность изменения траектории скважины.
- Прямые (Д) — двигатели с прямым корпусом, предназначенные для бурения вертикальных участков скважин или стабилизации траектории.
- С жестким углом искривления (ДО) — двигатели, в конструкцию которых заложен фиксированный угол перекоса между осями корпуса и вала шпинделя. Используются для набора кривизны.
- С регулируемым углом искривления (ДР) — наиболее сложные и универсальные модели, позволяющие изменять угол искривления непосредственно на буровой.
В маркировке также могут присутствовать дополнительные литеры, указывающие на особенности конструкции (П, Н, С, Т, К). Технические характеристики ВЗД варьируются в широком диапазоне: диаметры составляют от 54 до 240 мм, а масса может превышать 1300 кг. Спектр применения этих механизмов чрезвычайно широк. Они являются незаменимым инструментом для бурения нефтяных, газовых, вертикальных, наклонно-направленных и горизонтальных скважин. Кроме того, ВЗД активно используются при капитальном ремонте скважин (КРС) и в смежных отраслях, например, для бестраншейной прокладки подземных коммуникаций. Именно ВЗД с регулятором угла искривления сделали возможным эффективное бурение скважин со сложным профилем.
Рассмотрев теорию, мы обладаем достаточными знаниями для перехода к практической части — инженерному проектированию конкретного двигателя.
Глава 2. Методология и выполнение проектного расчета ВЗД
Формулирование исходных данных для проектирования
Процесс проектирования любого технического устройства начинается с определения исходных условий, которые формируют техническое задание. Для винтового забойного двигателя эти параметры определяют его будущие габариты, мощность, крутящий момент и скорость вращения. В рамках данной курсовой работы были заданы следующие ключевые параметры:
- Диаметр двигателя: 172 мм
- Расход промывочной жидкости: 25 л/с
- Перепад давления на двигателе: 5,5 МПа
- Кинематическое отношение (зубья статора/ротора): 7/8
Помимо этих основных данных, при проектировании необходимо учитывать и эксплуатационные ограничения, связанные со свойствами бурового раствора. Он должен соответствовать определенным требованиям, чтобы не вызывать преждевременный износ и разрушение компонентов двигателя, в первую очередь — эластомерной обкладки статора. Для нашего проекта установлены следующие ограничения:
- Плотность раствора: до 1500 кг/м³
- Температура на забое: до 100 °С
- Содержание абразивных частиц (песка): менее 1%
Когда техническое задание полностью определено, можно приступать непосредственно к выполнению расчетов.
Последовательность расчета ключевых параметров двигателя
Инженерный расчет винтового забойного двигателя представляет собой последовательное определение его конструктивных и эксплуатационных характеристик на основе исходного технического задания. Логика расчета выстраивается от заданных параметров (расход, перепад давления, кинематическое отношение) к искомым (момент, мощность, скорость вращения, геометрические размеры узлов). Используя стандартные методики и формулы гидравлики и механики, вычисляются ключевые показатели работы силовой секции, а затем подбираются и рассчитываются элементы шпиндельной секции, включая подшипниковые опоры, способные выдерживать возникающие осевые и радиальные нагрузки.
Целью этого этапа является не просто получение набора цифр, а создание сбалансированной конструкции, где все элементы соответствуют друг другу и обеспечивают надежную работу в заданных условиях.
Промежуточные вычисления, связанные с определением площади проходных сечений, скоростей потока и внутренних усилий, в данном обзоре опущены, однако они являются неотъемлемой частью полного проектного расчета. В результате выполненных вычислений был спроектирован двигатель со следующими итоговыми характеристиками, полностью соответствующими поставленной задаче:
- Момент двигателя: 23 кНм
- Скорость вращения ротора: 1,2 об/с
- Расчетное число подпятников в шпинделе: 3
Успешно спроектировав двигатель, инженерная мысль должна двигаться дальше — к поиску путей его усовершенствования и решения существующих проблем.
Глава 3. Разработка предложений по модернизации конструкции ВЗД
Анализ типовых проблем и выбор узла для модернизации
Несмотря на высокую эффективность, винтовые забойные двигатели подвержены износу и поломкам, что снижает их ресурс и экономическую эффективность. Одной из наиболее частых причин выхода из строя является износ рабочей пары, в частности, коррозия и абразивное истирание поверхности ротора. Для борьбы с этим применяются современные методы повышения ресурса, например, напыление на ротор твердосплавных покрытий на основе карбида вольфрама, что может увеличить срок его службы в 3-4 раза. Однако, помимо силовой секции, в конструкции ВЗД есть и другие узлы, надежность которых напрямую влияет на общую работоспособность.
В рамках данной работы объектом для модернизации был выбран переливной клапан. В стандартной конструкции этот узел имеет ряд существенных недостатков, которые проявляются в процессе эксплуатации:
- Высокое гидравлическое сопротивление, создающее дополнительные потери давления при прокачке бурового раствора.
- Интенсивный абразивный износ деталей из-за контакта движущихся элементов с потоком жидкости, содержащей абразивные частицы.
- Риск разгерметизации и просачивания жидкости, что приводит к размыву уплотнений и деталей клапана.
Именно эти проблемы и должно решить предлагаемое техническое усовершенствование. После четкого определения проблемы необходимо предложить конкретное и обоснованное техническое решение.
Суть предлагаемого технического решения и его ожидаемые преимущества
Предлагаемая модернизация переливного клапана направлена на кардинальное изменение его конструкции с целью устранения выявленных недостатков. Суть технического решения заключается во внедрении новых конструктивных элементов и изменении схемы взаимодействия деталей, что позволяет оптимизировать гидродинамику потока и повысить герметичность узла. Изменения затрагивают форму проточных каналов и конструкцию уплотнительных элементов, исключая прямой контакт острых кромок с эластичными манжетами и обеспечивая более плотное прижатие уплотнений к седлу клапана.
Внедрение предложенной модернизированной конструкции клапанного устройства позволяет достичь следующего положительного технического результата:
- Снижение гидравлического сопротивления протоку промывочной жидкости за счет более рационального использования площади поперечного сечения.
- Исключение интенсивного износа деталей, так как новая конструкция предотвращает скольжение острых кромок по резиновым уплотнениям и размыв деталей абразивным потоком.
- Повышение герметизации клапана благодаря обеспечению плотного и надежного прижатия уплотнительной манжеты к седлу гильзы.
- Увеличение надежности и долговечности всего узла, что, в конечном счете, повышает общую экономическую эффективность эксплуатации винтового забойного двигателя.
Предложенное решение является логическим завершением проектной части работы и позволяет сформулировать общие выводы.
В ходе выполнения данной курсовой работы были успешно решены все поставленные задачи. На первом этапе был проведен детальный анализ теоретических основ, принципа действия и конструктивных особенностей винтовых забойных двигателей. Это позволило сформировать необходимую базу знаний для перехода к практической части. На втором этапе, на основе заданных исходных данных, был выполнен полный инженерный расчет и спроектирован винтовой забойный двигатель, характеристики которого полностью соответствуют техническому заданию. В качестве развития проекта, на третьем этапе была проанализирована одна из типовых проблем ВЗД и предложена обоснованная модернизация конструкции переливного клапана. Данное усовершенствование направлено на значительное повышение надежности, долговечности и общей эффективности работы этого критически важного узла. Таким образом, можно сделать вывод, что цели и задачи курсовой работы выполнены в полном объеме.
Список использованной литературы
- Касьянов, В.М. Гидромашины и компрессоры: Учебн. пособие для вузов по спец. «Технология и комплексная механизация разраб. нефт. и газовых месторождений» /В.М. Касьянов. М.: Недра, 1981. 295с.
- Иванов, В.Г. Гидромашины и компрессоры: Учеб. пособие. / В.Г. Иванов. Красноярск: КГТУ, 2003. 153с.
- Балденко Д.Ф., Винтовые забойгые двигатели: справочное пособие – М.: ОАО «Издательство «Недра», 1999 – 375с.
- Абубакиров В.Ф., Буровое оборудование: Справочник: В 2-х т. Т. 2. Буровой инструмент. — М.: ОАО «Издательство «Недра», 2003 – 494с.
- Иванов В.Г., Макушкин Д.О. Гидромашины и компрессоры. Гидромашины: Методические указания – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2003, 46с.