Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Винтовой забойный двигатель (ВЗД) — гидравлический объемный роторный механизм для привода бурового долота, преобразующий энергию потока бурового раствора во вращательное движение. Основу конструкции составляет героторная пара ротор-статор с винтовым зацеплением, обеспечивающая крутящий момент от 0,6 до 30 кН·м при мощности от 10 до 120 кВт. Винтовые забойные двигатели применяются при бурении вертикальных, наклонно-направленных и горизонтальных нефтегазовых скважин, обеспечивая эффективное разрушение пород на глубинах до 7000 метров.
Винтовой забойный двигатель представляет собой гидромотор объемного действия, который размещается непосредственно над буровым долотом в компоновке низа бурильной колонны. В отличие от роторного бурения, где вращение передается через всю колонну труб, ВЗД создает вращательное движение на забое скважины за счет прокачки бурового раствора через рабочие органы двигателя.
Устройство работает по принципу винтовой гидравлической машины, где буровой раствор под давлением поступает в полость статора и заставляет ротор совершать планетарное движение. Это движение через шпиндельную секцию преобразуется в соосное вращение долота с одновременной передачей осевой нагрузки на забой.
Ключевые преимущества ВЗД: высокий крутящий момент при низких оборотах, возможность управления траекторией скважины, совместимость с современными долотами PDC, снижение износа бурильной колонны за счет отсутствия вращения всей компоновки.
Основу ВЗД составляет героторный планетарно-роторный механизм с внутренним косозубым винтовым зацеплением. Рабочая пара состоит из стального ротора с наружными винтовыми зубьями и статора с эластомерной обкладкой, имеющей внутренние винтовые зубья. Число зубьев ротора всегда на единицу меньше числа зубьев статора, что обеспечивает герметичное многозаходное зацепление.
При прокачивании бурового раствора через двигатель создается перепад давления между камерами высокого и низкого давления. Жидкость последовательно заполняет герметичные полости, образованные контактными линиями ротора и статора, создавая вращающий момент. Ротор совершает сложное планетарное движение — одновременно вращается вокруг своей оси и обкатывается по внутренней поверхности статора.
Планетарное движение ротора преобразуется в соосное вращение выходного вала через специальный узел — торсион (гибкий вал) или карданное шарнирное устройство. Торсион размещается внутри полого ротора и компенсирует эксцентриситет планетарного движения, передавая крутящий момент на шпиндельную секцию.
Шпиндельная секция воспринимает осевую гидравлическую нагрузку и реакцию забоя, передает вращение на долото через систему радиальных и осевых опор скольжения или качения. Подшипниковый узел шпинделя рассчитан на восприятие осевых нагрузок до 100 кН в зависимости от типоразмера двигателя.
Силовая секция определяет энергетические характеристики винтового забойного двигателя. Статор изготавливается из стальной трубы с привулканизированной резиновой обкладкой на основе нитрильного каучука, стойкого к воздействию буровых растворов. Стандартные эластомеры работают при температуре до 100-120°C, специальные термостойкие составы выдерживают нагрев до 160-180°C.
Ротор представляет собой стальной винт с хромированной или нитрированной поверхностью для повышения износостойкости. Геометрия винтовых поверхностей ротора и статора выполняется с высокой точностью — отклонения профиля не превышают 0,1-0,2 мм. Пара изготавливается с определенным натягом зубчатого зацепления, который влияет на герметичность и энергетические показатели.
Шпиндель включает корпус, выходной вал, осевую опору на базе многорядных упорно-радиальных подшипников качения и радиальные резинометаллические опоры скольжения. Современные конструкции оснащаются маслозаполненными опорами с торцевым уплотнением, что позволяет работать при перепадах давления на долоте до 8-10 МПа.
Для применения с гидромониторными долотами в опорном узле устанавливается сальниковое устройство торцевого типа с твердосплавными уплотнительными элементами. Это снижает утечки бурового раствора и повышает надежность работы двигателя в сложных условиях.
Для наклонно-направленного и горизонтального бурения ВЗД комплектуется регулятором угла — искривленным переводником между двигательной и шпиндельной секциями. Угол перекоса обычно составляет от 0,5° до 3,0° в зависимости от требуемой интенсивности искривления ствола скважины. Регулируемые переводники позволяют изменять угол без подъема компоновки на поверхность.
Заходность определяется соотношением числа зубьев ротора к числу зубьев статора и обозначается дробью типа 5:6, 7:8 или 9:10. Этот параметр оказывает решающее влияние на энергетические характеристики двигателя — частоту вращения, крутящий момент и мощность.
При увеличении заходности с 5:6 до 9:10 крутящий момент винтового забойного двигателя возрастает в 2-3 раза при том же расходе бурового раствора, но частота вращения снижается пропорционально. Двигатели с заходностью 9:10 развивают момент 15-30 кН·м при оборотах 60-100 об/мин, что оптимально для работы с современными долотами PDC в твердых абразивных породах.
Многозаходные схемы (7:8, 9:10) обеспечивают более плавную передачу момента за счет большего числа одновременно работающих камер, снижают пульсации давления и уровень вибраций. Это повышает надежность работы двигателя и долота, увеличивает межремонтный период.
Крутящий момент, передаваемый на долото, является критическим параметром для эффективного разрушения породы. В режиме холостого хода двигатель вращается с максимальной частотой при минимальном моменте. По мере приложения осевой нагрузки и возрастания момента сопротивления долота частота вращения снижается, а крутящий момент растет линейно.
Оптимальный рабочий режим соответствует 50-70% от максимального момента, что обеспечивает наилучшее сочетание механической скорости проходки и долговечности оборудования. При достижении максимального момента двигатель останавливается, а давление на входе возрастает до значения срабатывания предохранительного клапана.
Малогабаритные ВЗД диаметром 43-127 мм применяются при капитальном ремонте скважин для зарезки боковых стволов, разбуривания песчаных пробок, ликвидации аварий. Они работают с долотами 76-151 мм и развивают момент 0,5-3 кН·м.
Средние двигатели 172-195 мм составляют основу парка оборудования для бурения эксплуатационных скважин. Совместимы с долотами 215-295 мм, обеспечивают момент 5-15 кН·м при мощности 40-80 кВт.
Крупногабаритные ВЗД 240 мм используются на глубоких скважинах и при бурении большого диаметра под обсадные колонны. Развивают момент до 25-30 кН·м, работают с долотами 295-393 мм.
Выбор винтового забойного двигателя осуществляется исходя из диаметра скважины, типа проходимых пород, профиля ствола и характеристик применяемого долота. Основное правило — наружный диаметр двигателя должен обеспечивать зазор 10-15 мм со стенкой скважины для свободной циркуляции раствора.
Для долот PDC с фиксированными резцами требуются высокомоментные двигатели с заходностью 7:8 или 9:10, обеспечивающие частоту вращения 80-120 об/мин. Для шарошечных долот предпочтительны высокооборотные схемы 5:6 с частотой 200-300 об/мин.
Производительность насосного оборудования должна обеспечивать требуемый расход бурового раствора через двигатель. Типичные расходы составляют 10-15 л/с для ВЗД-76, 20-30 л/с для ВЗД-172, 35-45 л/с для ВЗД-240. Давление на входе не должно превышать предельных значений 12-18 МПа.
Параметры бурового раствора критичны для ресурса работы двигателя. Плотность не должна превышать 2000 кг/м³, содержание песка — не более 1% по массе, размер твердых частиц — до 1 мм. Применение полимерных растворов с хорошими смазочными свойствами увеличивает межремонтный период на 20-30%.
Основное ограничение — температурная стойкость резиновой обкладки статора. Стандартные эластомеры работают до 100-120°C, термостойкие составы — до 160-180°C. При превышении температуры происходит деструкция резины и потеря герметичности пары.
Износ рабочей пары ускоряется в абразивных средах при наличии песка и твердых частиц в растворе. При зазоре более 1,0 мм между ротором и статором энергетические характеристики ухудшаются на 30-40%, что делает эксплуатацию нецелесообразной.
Винтовой забойный двигатель является ключевым элементом современной технологии направленного бурения нефтегазовых скважин. Правильный подбор типоразмера, заходности и конструктивного исполнения ВЗД обеспечивает оптимальные энергетические характеристики для конкретных геологических условий и применяемого породоразрушающего инструмента. Сочетание высокого крутящего момента, надежности конструкции и возможности точного управления траекторией делает винтовые двигатели незаменимыми при строительстве сложных наклонно-направленных и горизонтальных скважин.
Представленная информация носит ознакомительный характер и предназначена исключительно для технических специалистов нефтегазовой отрасли. Конкретные технические параметры оборудования могут отличаться в зависимости от производителя и модификации. Подбор винтового забойного двигателя должен выполняться квалифицированными инженерами с учетом всех факторов конкретного проекта бурения. Автор не несет ответственности за решения, принятые на основе данного материала. Перед применением оборудования необходимо руководствоваться технической документацией производителя и действующими нормативами.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.