Особенности режима бурения винтовыми забойными двигателями

Винтовой двигатель предназначен для бурения скважин долотами диаметром 215,9 – 244,5 мм при забойной температуре не свыше 120⁰С. По сравнению с другими гидравлическими забойными двигателями винтовой имеет преимущества:

• низкая частота вращения при высоком крутящем моменте на валу двигателя позволяет получить большую проходку за 1 рейс долота;
• по изменению давления в насосах можно контролировать работу двигателя;
• с винтовым двигателем эффективно сочетаются гидромониторные долота.

По принципу действия винтовой двигатель представляет собой планетарно-роторную гидравлическую машину объемного типа с косозубым зацеплением.

Двигатель состоит из вращающегося ротора и неподвижного статора. Стальной статор внутри имеет привулканизированную резиновую обкладку с винтовыми зубьями левого направления. На стальном роторе нарезаны наружные винтовые зубья также левого направления. Число зубьев ротора на 1единицу меньше числа зубьев статора. Ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равного половине высоты зуба (рисунок 44). Шаги винтовых линий ротора и статора прямо пропорциональны числу зубьев. Зубья ротора и статора, соприкасаясь, образуют рабочие камеры.

Рисунок 44. Поперечное сечение рабочих органов

винтового забойного двигателя

1 – статор,

2 - ротор

Буровой раствор под давлением проходит через двигатель, при этом ротор вращается относительно статора по часовой стрелке. За счет разницы в числах зубьев ротора и статора обеспечивается пониженная частота вращения и высокий крутящий момент на выходе

Наивысшие показатели бурения винтовым двигателем достигаются в сочетании с низкооборотными долотами, а также с гидромониторными. Вооружение долота выбирают в зависимости от твердости породы.

Винтовые двигатели обладают большей моментностью, чем турбобуры. Под моментностью двигателя понимают вращающий момент, развиваемый двигателем, отнесенный к его длине и диаметру:

,(30)

где М- вращающий момент двигателя,

L – длина двигателя,

D – диаметр двигателя.

Благодаря этому винтовые двигатели можно конструировать меньшего диаметра по сравнению с турбобурами. Винтовые двигатели обладают большей, чем у турбобуров, удельной мощностью – это эффективная мощность, отнесенная к единице массы двигателя.

При спуске двигателя в скважину за 10-15 м до забоя следует включить буровой насос, при этом двигатель начинает работать. Незапуск двигателя фиксируется по резкому подъему давления в нагнетательной линии насосов. В таком случае двигатель нужно запускать с вращением бурильной колонны ротором при одновременном прокачивании раствора. Запуск двигателя ударами о забой не допускается.

Во избежание левого вращения инструмента под действием реактивного момента двигателя ведущую трубу фиксируют от проворачивания в роторе с помощью клиньев.

По своим энергетическим характеристикам винтовые двигатели позволяют создавать на долоте высокие осевые нагрузки: Д-195 до 250-300 кН; Д-85 до 30кН.

Наивысшие показатели бурения винтовым двигателем достигаются в сочетании с низкооборотными долотами, а также с гидромониторными. Вооружение долота выбирают в зависимости от твердости породы.

При бурении винтовым двигателем инструмент необходимо подавать плавно, без рывков. Периодически инструмент следует проворачивать. Расход промывочной жидкости следует выбирать исходя из условий необходимой очистки забоя. По мере износа рабочей пары расход промывочной жидкости необходимо увеличить на 20-25% от первоначальной величины для сохранения рабочей характеристики (рисунок 45).

При постоянном расходе жидкости двигатель характеризуется изменением вращающего момента М от перепада давления, частоты вращения, мощности и КПД.

Наибольшая частота вращения соответствует режиму холостого хода, а максимальный вращающий момент – режиму торможения при частоте вращения равной нулю. При увеличении момента торможения перепад давления возрастает, одновременно повышается мощность и КПД.

Режим максимальной мощности называется эффективным, а наивысшего КПД – оптимальным.Зона устойчивой работы двигателя находится между этими режимами при частоте вращения 50-100 об/мин. При достижении предельного момента торможения вал двигателя останавливается, а величина давления определяется герметичностью пары ротор-статор.

В рабочей области от режима холостого хода до оптимального частота вращения прямо пропорциональная расходу жидкости, поэтому при изменении расхода жидкости частота определяется по формуле (31):

, (31)

где Q₁, Q₂ – изменение расхода жидкости, л/с.

Винтовые роторные двигатели имеют ряд преимуществ, что позволило использовать их как гидравлические забойные двигатели:

• отсутствие относительного перемещения трущихся деталей пары ротор – статор;
• отсутствие клапанных или золотниковых распределителей потока жидкости;
• 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:

• число зубьев или заходов статора z₁ должно быть на единицу больше зубьев ротора z₂;
• отношение шага зубьев статора Т к шагу зубьев ротора t должно быть пропорционально отношению их числа, т.е.

, (32)

• отношение чисел зубьев ротора и статора называется передаточным отношением

(33)

Теоретически винтовой двигатель может любые передаточные отношение.

Двигатели с малозаходными винтовыми механизмами развивают 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 выполняет роль двигателя и одновременно редуктора, передаточное отношение которого пропорционально числу заходов ротора.