автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Исследование и разработка новых конструкций рабочих органов винтовых забойных двигателей для повышения их энергетических и эксплуатационных характеристик

На правах рукописи £ Г

ФУФАЧЕВ ОЛЕГ ИГОРЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА. НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ВИНТОВЫХ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

05.02Л3 - Машины, агрегаты и процессы (нефтяная и газовая промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 МАР 2011

Москва 2011

4841047

Работа выполнена в ООО «ВНИИБТ-Буровой инструмент»

Научный руководитель: доктор технических наук

Плотников Валерий Матвеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Курумов Лорса Сурхаевич кандидат технических наук Шумилов Валериан Петрович

Ведущее предприятие: ООО «ПермНИПИнефть»

Защита диссертации состоится 2011 г.

в часов на заседании диссертационного/совета Д-520.027.01 при ОАО «НПО "Буровая техника"» по адресу: 115114, г. Москва, ул. Летниковская, д. 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НПО "Буровая техника"» (115114, г. Москва, ул. Летниковская, д. 9).

Автореферат разослан «Щ?у> (¡ш'ми 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук Д-Ф- Балденко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Эффективное использование долот современных конструкций режущего типа возможно лишь при наличии мощного гидравлического забойного привода, работающего при частоте вращения вала 100-400 об./мин, который бы отвечал необходимым требованиям по надежности и долговечности.

Этим требованиям соответствует многозаходный винтовой забойный двигатель (ВЗД). При этом с каждым годом его доля в общем объеме бурения увеличивается. Это отечественное изобретение причислено зарубежными специалистами к выдающимся достижениям буровой техники XX века. Преимущества и потенциальные возможности этого прогрессивного забойного двигателя дали возможность совершить качественный скачок в технологии бурения сложных по профилю горизонтальных и многозабойных скважин, а при капитальном ремонте скважин ВЗД занял лидирующее положение.

Вместе с тем сегодня количество прерванных долблений из-за внезапных отказов ВЗД ещё достаточно велико, что приводит к дополнительным затратам на спуско-подъемные операции и снижению технологических показателей бурения. Из выявленных дефектов ВЗД после наработки до 250 часов большую долю занимает разрушение резиновой обкладки статора. Повреждения эластомерной обкладки ведут к значительному снижению энергетических характеристик двигателя вплоть до его полного отказа.

Кроме того, для получения высоких крутящих моментов на выходном валу ВЗД используют статоры увеличенной длины (до 7 метров). При производстве таких статоров имеются технологические сложности, связанные с формированием резиновой обкладки, и наблюдается высокий процент брака. При бурении скважин с малыми радиусами искривления ствола применение статоров больших длин также вызывает определенные технологические сложности.

При бурении глубоких скважин с высокими температурами на забое не обеспечивается долговечность ВЗД из-за увеличения механического износа рабочих органов и деформации обкладки при температурном расширении резины и, как следствие, снижение сопротивления эластомера циклическим нагрузкам.

Кроме того, на забое статор стандартной конструкции не обеспечивает постоянство энергетических характеристик ВЗД из-за изменения упругих свойств резины вследствие её нагрева до высоких температур и увеличения механических потерь на трение при температурном расширении обкладки.

Таким образом, требуется дальнейшее улучшение энергетических характеристик, повышение надежности и ресурса отечественных ВЗД для эффективного применения современных долот. С учетом того, что бурение наклонно-направленных и горизонтальных скважин, а также их капитальный ремонт в большинстве случаев ведутся винтовыми забойными двигателями, необходимость создания ВЗД с повышенными энергетическими характеристиками и долговечностью весьма актуальна.

Цель работы - повышение показателей бурения винтовыми забойными двигателями путем создания секций рабочих органов с улучшенными энергетическими и эксплуатационными характеристиками за счет новой конструкции статора.

Основные задачи исследования:

1. Исследование методов повышения энергетических характеристик секции рабочих органов ВЗД.

2. Определение конструктивных решений по созданию новой секции рабочих органов с повышенными энергетическими характеристиками.

3. Разработка методики и проведение прочностного и теплового расчетов элементов конструкции новой секции рабочих органов.

4. Разработка конструкторской документации на экспериментальную секцию рабочих органов на основании анализа результатов прочностных и тепловых расчетов.

5. Проведение стендовых испытаний экспериментальных образцов с целью получения информации о работоспособности новых секций рабочих органов ВЗД и изменении их энергетических характеристик.

6. Проведение промысловых испытаний новых секций рабочих органов на скважинах.

Методы исследования. В работе использованы методы компьютерного моделирования, аналитические и графоаналитические 4

методы, экспериментальные исследования, стендовые и промысловые испытания.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов обеспечиваются:

- использованием в расчетах методов теории упругости и современных компьютерных расчетных программ, основанных на численном методе конечных элементов;

- положительными результатами стендовых испытаний экспериментальных секций рабочих органов;

- положительными результатами промысловых испытаний и эффективной отработкой ВЗД с экспериментальными секциями рабочих органов на буровых предприятиях России.

Научная новизна

1. Научно обосновано новое направление совершенствования конструкции рабочих органов ВЗД с целью повышения их энергетических и эксплуатационных характеристик путем повышения жесткости винтового зуба статора с улучшением отвода тепла от резиновой обкладки.

2. С использованием компьютерного моделирования разработан метод расчета напряженно-деформированного состояния статора ВЗД с учетом физико-механических характеристик резиновой смеси, используемой для формирования обкладки.

3. Разработана математическая модель прочностного и теплового расчетов с целью выбора оптимальной толщины резиновой обкладки в области вершины зуба статора и оптимальной степени увеличения жесткости зуба статора. Предложены схемы граничных условий для модели поведения элементов конструкции рабочих органов ВЗД в скважине.

4. Создан метод расчета температурных полей статора, возникающих при работе ВЗД на нагруженном режиме, и разработана эффективная методика прочностного и теплового расчетов элементов конструкции новой секции рабочих органов ВЗД.

Практическая значимость работы

1. Разработаны и защищены патентами два варианта конструктивного исполнения статора ВЗД новой конструкции, в которой для повышения жесткости винтовых зубьев использована тонкостенная винтовая металлическая оболочка с внутренним циклоидальным профилем.

2. Создана технология изготовления и освоено производство секции рабочих органов ВЗД со статором предложенной конструкции.

3. Разработан и испытан новый эффективный метод обточки тонкостенных труб, позволяющий изготовлять статоры с внутренним винтовым металлическим профилем.

4. Стендовые испытания экспериментальных секций диаметром 95 мм показали увеличение крутящего момента и максимальной мощности более чем в полтора раза по сравнению со стандартными секциями сопоставимой длины, а также более «жесткую» нагрузочную характеристику работы ВЗД.

5. Стендовые испытания экспериментальных секций ВЗД диаметром 195 мм свидетельствуют о возможности уменьшения длины зацепления рабочих органов в 1,7 раза без изменения таких энергетических характеристик, как крутящий момент, мощность и КПД.

6. Разработанные секции рабочих органов показали свою эффективность в ходе промысловых испытаний в ОАО «Азнакаевский горизонт», ООО «Нефтекамское УБР» и филиале ЦГБ ООО «Газпром бурение».

Апробация результатов исследования

Результаты работы докладывались и получили положительную оценку на технических совещаниях ЗАО «Нижне-вартовскбурнефть» (г. Нижневартовск) и ООО «Смит Сайбири-ан Сервисез» (г. Губкинский), на заседаниях ученого совета ООО «ВНИИБТ-Буровой инструмент» (г. Пермь), ОАО «НПО «Буровая техника»-ВНИИБТ» (г. Москва) и ООО «ПермНИПИнефть» (г. Пермь), Всероссийской научно-технической конференции «Нефтегазовое и горное дело» (г. Пермь, ПГТУ).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 11 печатных работах (из них 2 патента РФ), в том числе в 8 публикациях ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 138 страницах, включая 25 таблиц, 59 рисунков; состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и списка литературы, который содержит 53 источника.

Автор выражает искреннюю благодарность д.т.н. Коротае-ву Ю.А., к.т.н. Кочневу А.М, к.т.н. Чудакову Г.Ф., Трапезникову С.Г., Голдобину Д.А., д.т.н., профессору Гусману А.М., д.т.н. Балден-коД.Ф., и другим специалистам ООО «ВНИИБТ-Буровой инструмент» и ОАО «НПО «Буровая техника»-ВНИИБТ» за ценные советы, конструктивные замечания и помощь при работе над диссертацией.

Особую признательность и благодарность автор выражает своему научному руководителю д.т.н. В.М. Плотникову

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, поставлены цель и основные задачи исследования и его практическая значимость.

В первом разделе приведен анализ современного уровня развития зарубежных и отечественных производителей ВЗД, определены конструктивные решения по созданию новой секции рабочих органов с улучшенными энергетическими характеристиками.

Конструкция двигателя объемного типа с многозаходными рабочими органами была предложена и запатентована в 1966 году специалистами ВНИИБТ М.Т. Гусманом, С.С. Никомаровым, Н.Д. Деркачом, Ю.В. Захаровым и В.Н. Меныпениным. На сегодняшний день разработано более 40 типоразмеров ВЗД в габарите от 42 до 240 мм. Большой творческий вклад в разработку двигателей, отработку технологии их производства, совершенствование и создание технологии бурения скважин с применением ВЗД внесли П.И. Астафьев, Д.Ф. Балденко, Ф.Д. Балденко, Н.П. Безлепкин, Т.Н. Бикчу-рин, М.Г. Бобров, Ю.В. Вадецкий, A.B. Власов, А.Н. Гноевых,

Ю.А. Коротаев, A.M. Кочнев, Н.Ф. Мутовкин, В.А. Каплун, И.К. Князев, В.И. Крылов, Ю.М. Сарапулов, A.B. Цепков, Г.А. Щелконогов и ряд других авторов. Однако в настоящее время еще существует целый ряд нерешенных проблем, связанных с недостаточными энергетическими характеристиками и преждевременными отказами ВЗД.

Анализ последних исследований по улучшению энергетических характеристик и надежности ВЗД показывает, что конструктивные изменения ведутся в направлении увеличения жесткости винтовых зубьев рабочих органов и улучшения отвода тепла от резиновой обкладки. Известны следующие конструктивно-технологические решения по формированию внутреннего винтового профиля металлического корпуса статора:

- фрезерование внутренней поверхности трубной или цилиндрической металлической заготовки;

- ковка трубной металлической заготовки на винтовом сердечнике;

- литье металла в полость между корпусом и винтовым сердечником;

- пластическое деформирование методом обкатки роликами внутренней поверхности металлической заготовки;

- набор металлических пластин или сегментов с вырезанным циклоидальным профилем;

- установка в цилиндрический корпус тонкостенного винтового штампованного металлического вкладыша;

- установка в сердцевину резинового зуба металлического прутка.

Приведенные выше способы изготовления новых статоров используют такие известные зарубежные производители, как «Baker Hughes», «Kachele», «Robbins&Myers», «BICO», «Schlumberger», «Drilex systems». Сегодня российские производители бурового оборудования, являющиеся конкурентами на внутреннем рынке, также ведут активную работу по созданию новых статоров. Это ООО «ВНИИБТ-Буровой инструмент», ООО «Пермнефтемашремонт», ЗАО «Гидробур-сервис», ООО «Фирма «Радиус-Сервис». Стоит признать, что отечественные производители бурового инструмента вынуждены

догонять стремительно развивающегося зарубежного производителя. В то же время ни в зарубежной, ни в отечественной литературе нет информации о методах проектирования статоров новой конструкции с уменьшенной толщиной резиновой обкладки.

Вместе с тем остается неизученным вопрос о влиянии толщины резиновой обкладки статора в области выступов винтовых зубьев на их жесткость и контактное взаимодействие рабочих органов ВЗД в зонах уплотнения рабочих камер высокого и низкого давления, а также о влиянии данных факторов на энергетические и эксплуатационные характеристики ВЗД. Не существует методики комплексного расчета напряженно-деформированного состояния статора от воздействия на него таких силовых и объемных нагрузок, как внутренний перепад давления промывочной жидкости, крутящий момент ротора и температура в скважине. И, как следствие, не существует методики расчета распределения температурных полей в резиновой обкладке статора, который основывается на знаниях о деформированном состоянии материала.

Исследованию нового направления совершенствования конструкции статоров ВЗД и разработке методов их проектирования и посвящена данная диссертация.

Во втором разделе рассматриваются особенности совместной работы ротора и статора ВЗД, различные подходы к решению задач деформирования высокоэластичного материала обкладки статора, контактного взаимодействия и усталостной долговечности рабочих органов ВЗД, а также тепловой анализ конструкции статора ВЗД.

Показано, что эти задачи могут быть рассмотрены как контактная краевая задача для сплошной среды с конечными деформациями и краевая задача термоупругого поведения материала при малых деформациях. Для описания усталостного поведения конструкции правомерно воспользоваться гипотезой Пальмгрена-Майнера. Задача определения температурных полей статора рассмотрена как стационарная тепловая задача генерации тепла с учетом конвективного теплообмена. Расчет напряженно-деформированного состояния рабочих органов ВЗД и расчет по определению температурных полей статора

проведены методом конечных элементов и реализованы в системе автоматизированного проектирования.

Предлагается методика проектирования статора новой конструкции, а именно выбор оптимальной толщины резиновой обкладки, основанный на прочностных и тепловых расчетах. В прочностных расчетах предлагается рассматривать две схемы граничных условий: воздействие на рабочие органы внутреннего перепада давления жидкости в статоре АР=Р]-Р2 (рис. 1, а) и крутящего момента ротора МКР (рис. 1, б). При этом учитываются такие факторы, как инерционная сила ротора ^ин и давление жидкости в затрубном пространстве Рнар-

а б

Рис. 1. Схемы граничных условий расчета по определению напряженно-деформированного состояния статоров (на рисунке представлена новая

конструкция статора с равномерной толщиной резиновой обкладки): а - воздействие перепада давления жидкости; б - воздействие крутящего

момента ротора

Поскольку угол наклона винтовой линии статора ВЗД небольшой, предполагается, что осевые составляющие напряжений винтовых зубьев статора от действия перепада давления в рабочих камерах малы по сравнению с радиальными и окружными напряжениями, поэтому ими можно пренебречь. Для расчета напряженно-деформированного состояния статора было принято, что обкладка, подвергающаяся воздействию внутреннего перепада давления и момента ротора, находится в плоском напряженном состоянии и задача решена в двухмерной постановке. В силу малости деформации ротора 10

и для уменьшения размерности задачи предполагалось, что ротор -абсолютно твердое тело.

Для расчета деформированного состояния статора от воздействия внутреннего перепада давления выбрана схема, являющаяся наиболее критической из всего цикла работы винтового героторного механизма по отношению к действующим на резиновую обкладку статора напряжениям и деформациям и качеству уплотнения рабочих камер. В положении «вершина зуба ротора - вершина зуба статора» винтовой зуб статора испытывает наибольшие напряжения и деформации от воздействия перепада давления жидкости, а его жесткость определяет наличие и степень объемных потерь в рабочих органах ВЗД.

На основании результатов прочностных расчетов по определенным полям деформации эластомера от воздействия перепада давления жидкости, натяга и крутящего момента ротора решается задача определения температуры разогрева резины и полей её распределения в обкладке. Распределение температурных полей в эластомере определяется по вычисленным значениям генерации тепла с учетом конвекции на внешней и внутренней поверхности статора.

В результате проведенных исследований поля генерации тепла в эластомере от действия циклических деформации предложено определять по формуле

Н, = 3,17 • Е' ■ tan5 n z [ sl.+sl + zh ] Вт/м3,

где Е' - модуль упругости резины, Па;

tan 5 - отношение модуля вязкости к модулю упругости резины; п — частота вращения ротора, Гц; z - количество зубьев ротора;

ем. - деформация эластомера от воздействия крутящего момента ротора;

Eni - деформация эластомера от воздействия перепада давления в рабочих камерах героторного механизма;

£ш - деформация эластомера от воздействия натяга в рабочих органах.

Таким образом, разработан математический аппарат для решения контактной задачи взаимодействия секции рабочих органов

ВЗД, определения напряженно-деформированного состояния резиновой обкладки статора и нагрева эластомера вследствие его циклического нагружения.

Однако для определения неизвестных констант, входящих в определяющие соотношения теорий упругости для высокоэластичного материала, появляется необходимость проведения специальных экспериментов, чему посвящен следующий раздел.

В третьем разделе рассматриваются результаты экспериментальных исследований статических и динамических свойств резины, используемой для формирования обкладки статоров.

Испытания образцов резины ИРГИ 226 на разрыв по ГОСТ 270-75 проводились на разрывной машине ИР5046. Целью испытаний является определение физико-механических характеристик резины для дальнейшего их использования при описании свойств материала обкладки в расчетах на определение напряженно-деформированного состояния статора ВЗД. Определено, что модуль упругости резины ИРП-1226 в интервале истинных значений деформации до 40,5% равен 12 МПа. Так как значения деформации обкладки статора не превышают 40,5%, материал эластомера для прочностных расчетов принимается линейным и описывается двумя параметрами: модулем упругости и коэффициентом Пуассона.

Для определения динамических свойств резины ИРП-1226 проведены испытания на усталостную выносливость образцов-цилиндров согласно методике ПФ ВНИИБТ МЗЗ-01-2002 «Определение усталостной выносливости резины при знакопеременном изгибе с вращением на приборе 0Р01». При испытаниях произведены замеры температуры разогрева образца после его разрушения. Определено, что резиновые образцы разрушаются по термическому типу при разогреве в сечении разлома свыше температуры 170— 180°С. Данный факт использован в дальнейшем при анализе результатов тепловых расчетов. Температура разогрева резины является одним из критериев выбора оптимальной толщины обкладки статора новой конструкции.

По результатам испытаний резиновых образцов на циклическую прочность построена кривая усталостной выносливости (кривая

Веллера) для резиновой смеси ИРП-1226. Полученные данные об усталостной выносливости материала обкладки позволили разработать метод оценки долговечности статора новой конструкции.

Четвертый раздел содержит результаты исследования напряженно-деформированного состояния резиновой обкладки статора от воздействия на неё силовых факторов, возникающих при работе ВЗД в скважине. При этом повышение характеристик ВЗД осуществляется увеличением жесткости винтового зуба нового статора. Установлено, что с уменьшением толщины резиновой обкладки в области выступа зуба увеличивается его жесткость с одновременным перераспределением полей напряжении и деформации резины в обкладке. При этом понимание изменений напряженно-деформированного состояния обкладки статора позволяет определить оптимальную конструкцию статора не только с точки зрения повышения крутящего момента и мощности привода, но и с точки зрения повышения его долговечности. Оптимальная конструкция нового статора определяется по трем критериям:

-максимальное контактное уплотнение рабочих камер; -минимальное увеличение деформации резины; -минимальный разогрев резиновой обкладки. На основе анализа существующих методов расчета и полученных экспериментальных данных автором разработаны методы исследования напряженно-деформированного и теплового состояния рабочих органов ВЗД, позволившие осуществить:

1. Прочностной расчет по определению оптимальной степени повышения жесткости винтового зуба нового статора, целью которого является выбор толщины резиновой обкладки в области его выступа. Задача сводится к определению деформированного состояния статора от воздействия на него межвиткового перепада давления промывочной жидкости и от воздействия крутящего момента ротора. В первом случае оценивается качество контактного уплотнения рабочих камер героторного механизма и деформации резины при отгибании зуба, во втором - максимальные деформации резины в обкладке статора.

2. Сравнительный прочностной расчет напряженно-деформированного состояния стандартного статора и нового статора, толщина резиновой обкладки которого выбрана по п. 1.

3. Тепловой анализ статоров стандартной и новой конструкции, целью которого является определение эффективности отвода тепла от резиновой обкладки статора новой конструкции.

Были проанализированы секции рабочих органов ВЗД с наружным диаметром 95 мм и кинематическим соотношением 5/6, а также диаметром 195 мм с кинематическим соотношением 6/7. При этом расчетные конечно-элементные модели рассмотренных секций рабочих органов представляют собой их точные геометрические образы с определенными физико-механическими свойствами материалов.

Моделировались случаи работы ВЗД на режиме максимального КПД (оптимальный режим работы) на малой глубине и на глубине 2 ООО метров. По результатам стендовых испытаний стандартных двигательных секций в моделях использовались соответствующие граничные условия по моменту ротора и перепаду давления промывочной жидкости.

В ходе поиска оптимальной степени повышения жесткости винтового зуба нового статора на примере секции РО в габарите 95 мм проведено исследование напряженно-деформированного состояния резиновой обкладки статора в зависимости от изменяющейся высоты зуба циклоидального профиля металлического остова при воздействии внутреннего перепада давления жидкости и крутящего момента ротора. По результатам исследования выявлено, что для ВЗД диаметром 95 мм и с кинематическим соотношением 5/6 оптимальной является конструкция статора с внутренним винтовым профилем металлического остова, эквидистантным профилю обкладки статора, т.е. с равномерной толщиной резиновой обкладки в поперечном сечений статора. Такая конструкция статора обеспечивает улучшение энергетических и эксплуатационных характеристик ВЗД за счет следующих причин.

Во-первых, винтовые зубья статора новой конструкции имеют повышенную жесткость. По результатам моделирования работы ВЗД оказалось, что величина перемещений точек профиля обкладки

нового статора под действием перепада давления в рабочих камерах снижается почти втрое по сравнению со статором стандартной конструкции.

Во-вторых, поскольку степень отгибания зуба статора определяет величину контактного давления в точках уплотнения камер высокого давления, при большем перемещении точек профиля резиновой обкладки уменьшается контактное давление. При этом весьма важно, что резиновая обкладка статора новой конструкции имеет втрое увеличенное контактное давление при работе ВЗД на режиме максимального КПД, чем обеспечивается лучшее уплотнение рабочих камер высокого давления. Это означает, что уменьшаются объемные потери в рабочих органах ВЗД, увеличивается крутящий момент и мощность героторного механизма.

Кроме того, необходимо учесть, что деформации резиновой обкладки высоких значений (рис. 2) циклически действуют на большой площади в поперечном сечении стандартного статора и ведут к разогреву резинового зуба за счет высокого внутреннего трения и низкой теплопроводности резины, а также недостаточного охлаждения обкладки, что вызывает термическое разрушение эластомера. В то же время, при использовании статора новой конструкции, зона сопоставимых по величине значений деформации обкладки выражена локально и расположена в области крепления обкладки к вершине внутреннего винтового зуба металлического остова статора, где обеспечивается лучший отвод тепла от разогревающейся вследствие высокого внутреннего трения резины.

Как показал проведенный нами анализ, максимальные деформации резиновой обкладки нового статора от воздействия момента ротора достигают 18,58% (рис.3, а) и превышают деформации в обкладке стандартного статора на 3% (рис. 3, б). В совокупности с улучшенным охлаждением обкладки статора новой конструкции данное увеличение деформации эластомера можно считать незначительным.

!

а б

Рис. 2. Поля деформации обкладки стандартного (а) и нового (б) статора диаметром 95 мм от воздействия перепада давления

а б

Рис. 3. Поля деформации обкладки стандартного (а) и нового (б) статора диаметром 95 мм от воздействия момента ротора

Установлено далее, что в рабочих органах ВЗД диаметром 95 мм при остановке центра ротора и действии момента 1,22 кНм ротор поворачивается на 2,66° в статоре стандартной конструкции и на 1,18° в статоре новой конструкции. За счет повышенной жесткости винтовых зубьев нового статора уменьшаются нежелательные перемещения ротора из-за действия инерционных и гидравлических, а также перекашивающих сил. При этом сохраняется расчетная 16

геометрия зацепления рабочих органов во время работы ВЗД на нагруженных режимах и уменьшаются объемные потери в механизме.

Весьма существенно и то, что в статоре новой конструкции за счет малой толщины резиновой обкладки в пять раз снижены искажения геометрии проектного циклоидального профиля обкладки, возникающие от действия внутреннего давления жидкости и температурного расширения резины. При этом обеспечивается постоянство энергетических характеристик ВЗД независимо от глубины бурения и температуры на забое.

Сравнительные теплофизические исследования статоров показали, что при условии охлаждения промывочной жидкостью с температурой 20°С внутренней и наружной поверхности во время работы на режиме максимального КПД статор новой конструкции снижает температуру разогрева резиновой обкладки в 1,5-2,0 раза -от 97 до 63°С для статора диаметром 95 мм, и от 122 до 65°С для статора диаметром 195 мм.

Установлено далее, что при работе ВЗД в скважине с температурой на забое 110°С (максимально допустимой производителем) температура разогрева обкладки нового статора диаметром 95 мм составляет всего 143°С в то время как температура разогрева обкладки стандартного статора достигает 178°С. Определена также наружная температура жидкости, при которой разогрев равнотолщинной обкладки нового статора достигает уровня температуры разогрева обкладки статора стандартной конструкции.

В пятом разделе приведены результаты стендовых и промысловых испытаний ВЗД в составе с экспериментальными секциями рабочих органов.

Проведено сравнение энергетических характеристик экспериментальных секций рабочих органов Д-95Х.5/6 № 4, Д-95Х.5/6 № 2 и Д-195Х.6/7 № 3 с характеристиками стандартных секции.

По результатам стендовых испытаний секций рабочих органов, имеющих наружный диаметр 95 мм и длину активной части резиновой обкладки 2940 мм и 2600 мм, установлено, что новая конструкция статора улучшает энергетические характеристики ВЗД

по сравнению с характеристиками стандартных секций Д-95.5/6 с длиной зацепления 3000 мм.

Так, экспериментальные секции имеют более высокий удельный крутящий момент на режиме максимального КПД, отнесенный к ходу винтовой линий статора, который при расходе 8 л/с составляет 0,35 кН-м против 0,24 кН-м (увеличен на 46%).

Новая конструкция статора обеспечивает более «жесткую» нагрузочную характеристику работы ВЗД. Так, при нагрузке ротора моментом сопротивления 2 кН-м частота вращения ротора экспериментальной секции Д-95Х.5/6 №4 снижалась на 20,9, 10,2 и 7,1% относительно частоты вращения ротора на режиме холостого хода при расходах соответственно 5, 8 и 10 л/с, а для экспериментальной секции Д-95Х.5/6 №2 - на 35, 15,7 и 6,4%. Для серийной секции уменьшение частоты вращения значительно больше - на 51,3, 33 и 21,6% соответственно.

Максимальная мощность экспериментальных секций Д-95Х.5/6 №4 и Д-95Х.5/6 №2 при расходе воды 5 л/с составила 29,95 и 27,50 кВт, а для серийной секции - 23,32 кВт. Удельные значения максимальной мощности при расходе 5 л/с составили 6,11 кВт для секции Д-95Х.5/6 №4 и 6,35 кВт для секции Д-95Х.5/6 № 2, что повышает показатель серийной секции на 31,1 и 36,3% соответственно.

В результате испытаний секции Д-195Х.6/7 №3 (длина активной части резиновой обкладки - 2100 мм) и сравнения полученных стендовых энергетических характеристик с серийной секцией рабочих органов Д-195.6/7 №227 с длиной зацепления 3600 мм установлено следующее.

Экспериментальная секция рабочих органов по сравнению со стандартной имеет более высокий удельный крутящий момент на режиме максимального КПД, который при расходе 34 л/с составляет 1,62 кНм против 0,98 кНм (больше на 65%).

Максимальная удельная мощность экспериментальной секции при расходе 34 л/с составила 49,75 кВт, в то время как для серийной секции данный показатель составил 30,34 кВт.

Таким образом, стендовые испытания экспериментальных секций показали работоспособность новых рабочих органов ВЗД и

улучшение их энергетических характеристик в сравнении с характеристиками серийных секций. Увеличение крутящего момента составило 46% для ВЗД диаметром 95 мм и 65% для ВЗД диаметром 195 мм, а повышение максимальной мощности - на 35 и 64% соответственно. Большое значение для технологии бурения ВЗД имеет и тот факт, что одновременно была получена и более «жесткая» нагрузочная характеристика работы винтового двигателя.

Важно отметить, что стендовые испытания экспериментальных секций показали улучшение энергетических характеристик ВЗД без увеличения длины рабочих органов, а также уменьшение длины винтового зацепления РО в 1,7 раза без изменения энергетических характеристик при неизменном натяге в рабочих органах.

Промысловые испытания разработанных конструкций проводились в следующих районах. Секция рабочих органов Д-95Х.5/6 № 2 испытывалась в составе двигателя ДР-95М № 173 в ОАО «Аз-накаевский горизонт» и в ООО «Нефтекамское УБР». Секция рабочих органов Д-95Х.5/6 № 4 испытывалась в филиале «Центр горизонтального бурения» ООО «Газпром бурение» в составе двигателя ДР-95М № 3-1. Секция рабочих органов Д-95Х.5/6 № 5 испытывалась в филиале «Центр горизонтального бурения» ООО «Газпром бурение» в составе двигателя ДР-95М № 3-2. Общая наработка на секцию рабочих органов Д-95Х.5/6 № 5 составила 585 часов. Проведенные испытания показали эффективность и надежность разработанных конструкций.

Основные выводы

1. Разработан метод проектирования новой конструкции статора, повышающей энергетические характеристики ВЗД за счет использования в конструкции статора специального металлического корпуса с внутренним винтовым циклоидальным профилем.

2. Разработана методика прочностного и теплового расчетов элементов конструкции рабочих органов ВЗД с использованием компьютерного моделирования.

3. Установлено, что величина контактного давления рабочих органов в зоне разделения рабочих камер высокого и низкого давления нового статора втрое превышает данный показатель статора стандартной конструкции с одновременным улучшением герметичности рабочих камер героторного механизма, снижением объёмных потерь в рабочих органах и повышением энергетических характеристик ВЗД.

4. Показано, что в статоре новой конструкции более чем в 3 раза уменьшена площадь действия высоких деформаций резиновой обкладки и более чем в 1,5 раза уменьшена температура разогрева эластомера вследствие циклического действия нагрузок, что повышает долговечность статора.

5. За счет значительно меньшего нагрева обкладки в зонах повышенной деформации резины применение нового статора возможно до температуры на забое 145°С, что на 35°С выше, чем для стандартных статоров.

6. Статор предложенной конструкции существенно снижает искажения проектной геометрии циклоидального профиля резиновой обкладки при повышенных значениях внутреннего давления и температуры, что обеспечивает стабильность энергетических характеристик ВЗД независимо от глубины бурения и температуры на забое.

7. Освоена технология изготовления новых статоров диаметрами 95 и 195 мм. Разработано и изготовлено соответствующее технологическое оборудование.

8. Стендовые испытания экспериментальных образцов показали, что новые секции рабочих органов имеют увеличенный на 46% (для ВЗД диаметром 95 мм) и на 65% (для ВЗД диаметром 195 мм) крутящий момент и более «жесткую» нагрузочную характеристику работы винтового героторного механизма по сравнению с ВЗД со стандартными статорами.

9. Промысловые испытания экспериментальных секции рабочих органов при бурении нефтяных скважин в ОАО «Азнакаевский горизонт», ООО «Нефтекамское УБР» и филиале «Центр горизонтального бурения» ООО «Газпром бурение» показали их высокую работоспособность.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Плотников В.М., Голдобин Д.А., Фуфачев О.И. Совершенствование технологии изготовления облегченных роторов винтовых забойных двигателей // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - 2007. - № 2. - С. 13-15.

2. Фуфачев О.И. К вопросу повышения эксплуатационных характеристик винтового забойного двигателя // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - 2008. - № 1. - С. 22-25.

3. Фуфачев О.И., Захарова В.В., Сударев Р.П. Стендовые испытания секции рабочих органов винтового забойного двигателя, в составе которого используется статор с армированными зубьями // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. -2008. -№ 12.-С. 12-15.

4. Голдобин Д.А., Фуфачев О.И. Совершенствование метода обработки заготовок тонкостенных роторов винтовых забойных двигателей // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - 2009. - № 2. - С. 29-30.

5. Фуфачев О.И. Расчет напряженно-деформированного состояния статора винтового забойного двигателя // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - 2009. - № 10. -С. 3-6.

6. Голдобин Д.А., Коротаев Ю.А., Фуфачев О.И. Повышение точности гидроштампованных облегченных роторов и энергетических характеристик винтовых забойных двигателей // Вестник ассоциации буровых подрядчиков. - 2010. - № 2. - С. 35-37

7. Новые конструкции статоров винтовых забойных двигателей производства ООО «ВНИИБТ - Буровой инструмент» / О.И. Фуфачев [и др.] // Бурение и нефть. - 2010. - № 6. - С. 48-50.

8. Плотников В.М., Фуфачев О.И. Тепловой расчет резиновой обкладки статоров винтовых забойных двигателей // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - 2010. -№ 9. - С. 3-6.

9. Патент 2351730 Российская Федерация, МПК Е21В 4/02. Статор винтового забойного двигателя. / Д.А. Голдобин, Ю.А. Ко-ротаев, С.Н. Коротаев, О.И. Фуфачев (Россия). - № 2008104959/03; заявл. 08.02.08. опубл. 10.04.09. Бюл. № 10. - 7 с.

10. Патент 79314 Российская Федерация, МПК Б04С 2/107. Статор винтового забойного двигателя / О.И. Фуфачев, С.Г. Трапезников, С.Н. Коротаев (Россия). - № 2008128389/22; заявл. 11.07.08. опубл. 27.12.08. Бюл. № 36. - 7 с.

11. Фуфачев О.И. Исследование и разработка новых конструкций рабочих органов винтовых забойных двигателей для повышения их энергетических и эксплуатационных характеристик // Тез. докл. Всерос. Науч.-техн. конференции «Нефтегазовое и горное дело». - Пермь, 2010. - С. 70-71.

На правах рукописи

ФУФАЧЕВ ОЛЕГ ИГОРЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ВИНТОВЫХ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

05.02.13: Машины, агрегаты и процессы (нефтяная и газовая промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 22.12.2010 г. Формат 60^90/16. Усл. печ. л. 1 Тираж 100 экз. Заказ № 779

Отпечатано в издательско-полиграфическом комплексе «ОТ и ДО» 614094, г. Пермь, ул. Овчинникова, 19, тел./факс (342) 224-47-47

ВВЕДЕНИЕ.

Раздел 1. Современный уровень развития зарубежных и отечественных производителей винтовых забойных двигателей.

Раздел 2. Теоретические основы и методы решения поставленных задач

Раздел 3. Определение физико-механических свойств резиновой смеси.

Раздел 4. Сравнительные прочностные и тепловые расчеты секций рабочих органов ВЗД со статорами стандартной и новой конструкции.

4.1. Прочностной расчет по определению степени увеличения жесткости винтового зуба статора.

4.1.1. Учет внутреннего перепада давления жидкости.

4.1.2. Учет действия крутящего момента ротора.

4.2 Сравнительный прочностной расчет напряженно-деформированного состояния стандартного статора и нового статора.

4.2.1. Одношаговый статор винтового забойного двигателя диаметром 95 мм.

4.2.2. Одношаговый статор винтового забойного двигателя диаметром 195 мм.

4.2.3. Многошаговые конструкции статоров винтового забойного двигателя.

4.3 Тепловой анализ статоров стандартной и новой конструкции.

4.4 Критерии выбора оптимальных конструкций новых статоров.

Раздел 5. Стендовые и промысловые исследования энергетических характеристик винтовых забойных двигателей со статором новой конструкции.

Актуальность исследования.

В нашей стране сегодня наибольшее распространение получил винтовой забойный двигатель (ВЗД) с многозаходными рабочими органами, и с каждым годом его доля в общей проходке увеличивается. Это отечественное изобретение причислено зарубежными специалистами к выдающимся достижениям буровой техники XX века. Преимущества и потенциальные возможности этого прогрессивного забойного двигателя дали возможность совершить качественный скачок в технологии бурения таких сложных по профилю скважин как наклонно направленных и горизонтальных, а при капитальном ремонте скважин занять лидирующее положение. Конструкция двигателя объемного типа с многозаходными рабочими органами была предложена и запатентована в 1966 году специалистами ВНИИБТ М.Т. Гусманом, С.С. Никомаровым, Н.Д. Деркачом, Ю.В. Захаровым и В.Н. Меныпениным. На сегодняшний день разработано более 40 типоразмеров ВЗД наружным диаметром от 42 до 240 мм.

Большой творческий вклад в разработку двигателей, отработку технологии их производства, совершенствование и создание технологии бурения скважин с применением ВЗД внесли П.И. Астафьев, Д.Ф. Балденко, Ф.Д. Балденко, Н.П. Безлепкин, Т.Н. Бикчурин, М.Г. Бобров, Ю.В. Вадецкий,

A.B. Власов, А.Н. Гноевых, Ю.А. Коротаев, A.M. Кочнев, Н.Ф. Мутовкин,

B.А. Каплун, И.К. Князев, В.И. Крылов, Ю.М. Сарапулов, A.B. Цепков, Г.А. Щелконогов и ряд других авторов.

ВЗД относится к гидравлическим машинам объемного типа, преобразующим давление жидкости в крутящий момент на выходном валу. Несмотря на некоторые конструктивные отличия отдельных узлов, все двигатели для бурения вертикальных и наклонно-направленных скважин имеют принципиально одинаковую компоновку. Общий вид двигателя представлен на рис. 1:

Рис. 1 Общий вид винтового забойного двигателя Д-95:

1 - статор; 2 - ротор; 3 - гибкий вал (торсион); 4 - переводник; 5 -многорядная упорная шаровая опора; 6- радиальный подшипник; 7 - вал шпинделя; 8 —корпус шпинделя; 9 - полумуфта вала; 10 — переливной клапан.

Двигатель состоит из следующих основных узлов: двигательной секции, шпинделя, переливного и(или) обратного клапана. Двигательная секция представляет собой винтовой героторный механизм и состоит из статора Г с внутренними винтовыми зубьями и ротора 2 с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, в, результате чего ось ротора смещена'относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине высоты зуба. В двигательную секцию входят переводник 4 и узел соединения 3 планетарного ротора 2 и выходного вала шпинделя 7. Узел соединения может быть выполнен в виде двухшарнирного соединения или гибкого вала и служит как для преобразования планетарного движения ротора в коаксиальное вращение вала, так и для передачи вращающего момента от ротора 2 на вал шпинделя 7. Шпиндель включает корпус 8, выходной вал 7, установленный в корпусе в радиальных подшипниках 6 и многорядной осевой опоре 5 [1].

Рабочие поверхности ротора и статора входят друг с другом во внутреннее зубчатое косозубое зацепление. Статор стандартной конструкции представляет собой металлический остов с цилиндрической расточкой и прикрепленной к нему резиновой обкладкой с внутренней винтовой поверхностью гипоциклоидального профиля. В винтовом зацеплении со статором ротор имеет на один зуб меньше, чем при подаче гидравлического давления на двигатель образуются камеры высокого и низкого давления (шлюзы). Секция рабочих органов (РО) комплектуется с натягом в паре «ротор-статор». Величина натяга зависит от диаметральных и осевых размеров РО, забойной температуры, свойств бурового раствора и материала обкладки статора и оказывает существенное влияние на характеристики и срок службы двигателя [2, 3].

Специалистами Пермского филиала ВНИИБТ (сегодня ООО «ВНИИБТ

- Буровой инструмент») постоянно ведутся работы по совершенствованию ВЗД с целью улучшения их энергетических и эксплуатационных характеристик, повышающих технико-экономические показатели бурения скважин. Энергетическими характеристиками ВЗД являются момент силы на выходном валу, мощность двигателя и его КПД, которые можно определить на любом режиме работы (расходе промывочной жидкости) двигателя на горизонтальных испытательных стендах, имеющихся на производственной базе предприятия. Но, несмотря на большую проводимую в ООО «ВНИИБТ

- Буровой инструмент» работу по совершенствованию РО, характеристики, надежность и ресурс отечественных ВЗД не позволяют эффективно применять современные долота режущего типа.

Стремление к повышению технико-экономических показателей бурения нефтяных и газовых скважин привело к созданию высокопроизводительных долот с высокой удельной моментоемкостью. Эффективное использование современных конструкций долот режущего типа возможно лишь при наличии мощного гидравлического забойного привода, работающего при частоте вращения вала 100-400 об./мин, который бы отвечал необходимым требованиям по надежности и долговечности.

Также на сегодня количество прерванных долблений из-за внезапных отказов ВЗД еще достаточно велико, что приводит к дополнительным затратам на спуско-подъемные операции, снижению технологических показателей, бурения. Для решения проблемы: низкой долговечности* ВЗД необходимо понимание и прогнозирование причин отказов механизма;

Проведенный анализ выявленных на; плановых ревизиях причин; отказов; ВЗД на примере двигателя ДЗ-195 дал следующую картину (таблица 1):

Таблица 1. Соотношение причин отказов ВЗД ДЗ-195.

2006 год, г. Сургут 281 двигателей 2007 год, г. Сургут 50 двигателей

Разрушение резины статора 48% 36%

Износ рабочих органов 24% 24%

Износ осевых, радиальных опор 26% 32%

Сломы гибких валов 2% 8%

По соотношению выявленных причин отказов: ВЗД при наработке; до> 250 часов большую долю занимает разрушение резиновой? обкладки, статора:; Это на сегодняшний день одна' из. важнейших проблем в производстве и.' эксплуатации ВЗД. Повреждения эластомерной обкладки; ведут . к: значительному снижению энергетических характеристик двигателя вплоть до* его? полного: отказа.3 Причинами; разрушения резиновой обкладки статора, действующими отдельно или:в совокупности, являются:

- перегрузка двигателя;: крутящим моментом, и, как следствие,, повышенный перепад давления промывочной жидкости в РО;

- усталостное разрушение эластомера;:

- термическое разрушение эластомера;

- износ рабочих поверхностей статора и ротора;

- чр езмерно высокий натяг в паре «ротор-статор».

При большой деформации зубьев резиновой; обкладки статора, которая;; может возникнуть при действии чрезмерно большого перепада давления? в. РО, например, во время торможения^ прихватов породоразрушающего инструмента; нарушении технологии бурения, и чрезмерно высоком натяге в зацеплении РО в эластомере могут возникнуть напряжения, превышающие его предел прочности ишедущие к вырыву резины:

Во время работы двигателя ротор планетарно вращается внутри статора, постоянно контактируя с его зубьями и образуя камеры высокого и низкого давления. Резиновые зубья статора при этом претерпевают циклические деформации. Следует добавить к этому воздействию поперечные колебания ротора вследствие инерционных и гидравлических сил, а также действие реактивных сил от гибкого вала. Известно [4], что для любого материала при длительном действии циклически? изменяющихся: во времени напряжений, и деформаций начинаются необратимые явления снижения; сопротивления материала, разрушению, характеризуемые как усталостное повреждение, образуются - микроразрывы, которые на дальнейших; стадиях перерастают в макроразрывы, либо приводят к окончательному разрушению * элемента конструкции.

Резина является вязко-эластичным материалом, часть, механической,' энергии деформации; преобразуется; в тепловую. Тепло аккумулируется; в центре резинового зуба? статора, как следствие низкой теплопроводности, резины, и плохого отвода тепла к металлическому остову статора. Генерацию; тепла? в эластомере под циклическим, действием? внешних нагрузок можно определить по формуле [5]:

H = Е'ЛгпЗ• s2 - у , BTU/hrft3, (1) где Е'- модуль упругости, psi;. tan S - отношение модуля вязкости к модулю упругости; s - деформация; v - частота нагружения, Гц.

Расчеты численными методами, проведенные автором диссертационной работы, показывают, что отвод, тепла от обкладки статора в зоне максимальных деформаций: винтового зуба недостаточен. Разогрев резины ухудшает её физико-механические и упруго-эластичные свойства, приводит к снижению прочности и долговечности. Перегрев резинового зуба статора может привести к термическому разрушению эластомера и его вырыву [6], как показано на рисунке 2:

1) В центре зуба, где деформация эластомера достигает высоких значений и охлаждение наименее эффективно, происходит структурное изменение резины вследствие её саморазогрева из-за циклически действующей нагрузки.

2) В центре резинового зуба происходит термическое разрушение резины. Область разрушения смещена от центра зуба к боковой поверхности зуба.

3) Дальнейшее разрушение резины происходит по направлению к боковой поверхности зуба в области его подъема.

Рис. 2 Термическое разрушение резинового зуба статора

При бурении глубоких скважин с высокими температурами на забое на обкладку статора ВЗД одновременно действует высокое давление промывочной жидкости и температура. Известно [7], что резина имеет высокий коэффициент температурного расширения. Под действием этих двух факторов происходит искажение проектного циклоидального профиля 7 обкладки статора. Диаметр по вершинам зубьев статора уменьшается больше, чем по впадинам. Разработчики при проектировании статоров ^для работы в условиях повышенных температур (свыше 60°С) используют зазор в зацеплении, увеличивая диаметр по выступам зубьев статора и руководствуясь ОСТ 39-164-84. Но такой способ компенсации уменьшения диаметра по выступам зубьев статора не учитывает неравномерное искажение профиля обкладки по выступам и по впадинам. Неравномерное искажение расчетного профиля обкладки • статора может негативно отразиться на энергетических характеристиках и увеличении износа РО ВЗД.

Рабочие органы ВЗД относятся к механизмам с переменными условиями касания. " Кинематика зацепления ротора и статора характеризуется сочетанием трения скольжения (точка касания выступа ротора и выступа статора) и качения с проскальзыванием (точка касания впадины ротора и выступа статора) [8]. Основным критерием работоспособности ВЗД является износостойкость его рабочих органов. Наиболее изнашиваемой частью в паре трения является резиновая обкладка, которая испытывает значительные нагрузки, при этом работая в агрессивной и абразивной среде. Максимальный износ отмечается в зоне скольжения зубьев статора и ротора, где скорость проскальзывания' может достигать 2 м/с в зависимости от типоразмера ВЗД [9]1. Царапины, появляющиеся на поверхности резиновой обкладки в результате работы секции рабочих органов, перерастают в трещины, по которым происходит дальнейшее разрушение массива зуба резиновой обкладки и выход из строя статора в целом. В значительной степени на износ рабочих органов оказывает влияние натяг в зацеплении статор-ротор.

Сама стандартная конструкция секции рабочих органов не полностью использует возможности повышения энергетических характеристик, ресурса и надежности винтового забойного двигателя. Недостатки этой конструкции объясняются напряженно-деформированным состоянием упруго-эластичной обкладки статора, имеющей монолитно выполненные зубья. Для данной конструкции существует ограничение по межвитковому перепаду давления из-за возникновения больших объемных потерь в рабочих органах, при превышении которого использование ВЗД не эффективно. При планетарном вращении ротора в обкладке статора винтовые зубья подвергаются сложной деформации и изгибу. Об этом свидетельствует экспериментальный факт, когда после полного торможения двигателя на стенде и последующего снятия тормозного момента ротор невозможно было провернуть в статоре повышением давления в нагнетательной линии стенда. При этом промывочная жидкость проникала через открытые рабочие камеры механизма. И чтобы заново запустить двигатель, необходимо было полностью сбросить давление.

Объемные потери в двигателе возникают вследствие утечки промывочной жидкости из рабочих камер высокого давления в рабочие камеры низкого давления через зазор между статором и ротором, образующийся от изгиба резинового зуба, статора. Таким образом, цельнорезиновый зуб стандартного статора оказывается недостаточно жестким, чтобы герметизировать рабочие камеры. И-чтобы компенсировать объемные потери в рабочей* паре используют повышенный натяг в зацеплении ротор-статор. Также1 для уменьшения объемных потерь в механизме следуют по пути уменьшения межвиткового перепада давления, увеличивая для этого длину зацепления рабочих органов.

Диаметральному натягу в зацеплении рабочих органов уделяется очень большое внимание. Основная проблема заключается в выборе его оптимальной величины исходя из конкретных условий работы ВЗД. Большая величина натяга приводит к повышенному механическому износу контактирующих рабочих поверхностей и преждевременному разрушению зубьев статора из-за повышенной деформации и разогрева эластомера. В худшем случае происходит заклинивание механизма, а малая величина натяга в зацеплении приводит к утечкам промывочной жидкости и снижению крутящего момента.

С поврежденной резиновой обкладкой двигатель может быть работоспособен, но необходимого крутящего момента на долоте, как и других энергетических характеристик, на нем не достигается.

При действии внутреннего давления промывочной жидкости и температуры внутри статора с цельнорезиновым зубом происходит искажение геометрий циклоидального профиля резиновой обкладки, что приводит к изменению натяга и расчетной геометрии зацепления в паре. Как показывает расчет Зотина В.Н. методом теории упругости [10, 11] на примере статора1 диаметром 195 мм и кинематическим отношением рабочих органов 9/10, при работе инструмента на глубине 3000 м (давление снаружи статора 35 МПа, давление внутреннее 40,8 МПа, температура 373 К) происходит уменьшение диаметра по выступам зубьев^ статора на 0,12 мм, и увеличение диаметра по.-впадинам на 0,16 мм. А при глубине бурения 9000 м (давление снаружи статора 100 МПа; давление внутреннее 104,8 МПа, температура 423- К) происходит увеличение диаметров выступов и впадин зубьев статора на ОД 8 и 0,12 мм соответственно. Нарушение расчетной геометрии зубчатого-зацепления в рабочих органах ВЗД вызывает в свою очередь увеличение механических потерь на трение и утечек рабочей жидкости-и; как следствие — уменьшение КПД двигателя.в целом.

До этого были перечислены конструктивные недостатки- статоров стандартной конструкции, которые предопределяют технологические проблемы при бурении нефтяных и газовых скважин. Решение таких проблем, как повышение крутящего момента ротора и- улучшение нагрузочной характеристики двигателя, являющейся- отношением частоты вращения ротора к реализуемому крутящему моменту, позволит более эффективно использовать современные долота с резцами РБС.

Для получения высоких крутящих моментов на выходном валу ВЗД используют статоры увеличенной длины (до 7 метров). При производстве таких статоров имеются определенные технологические сложности и наблюдается высокий процент брака. Основной проблемой изготовлениятакого статора является* формирование резиновой; обкладки. При бурении скважин с малымифадиусами искривления ствола применение больших длин статоров также вызывает определенные технологические сложности;

При бурении1 глубоких скважин с высокими температурами на забое не обеспечивается долговечность ВЗД из-за увеличения механического износа рабочих органов и деформации обкладки при температурном расширении большого объема резины, используемого в конструкции статора.

Также при бурении скважин с высокими температурами на забое резиновая обкладка статора разогревается до- высоких температур от действия, циклических деформаций при контактном взаимодействии < с ротором и- от действия внутреннего перепада давления жидкости. Разогрев резиновой обкладки до- высоких температур снижает её сопротивление циклическим нагрузкам- и- негативно влияет на' энергетические* характеристики ВЗД из-за изменения- . упруго-эластичных- свойств резины [12]. Во избежание термического' разрушения.' обкладки производителями» не рекомендуется; использование ВЗД- в скважинах: с температурамшна; забое выше;1;10?€.

Таким образом, характеристики, надежность и ресурс отечественных ВЗД требуют дальнейшего повышения, для эффективного применения долот современных конструкций. Учитывая, что бурение наклонно-направленных и горизонтальных скважин, а также их капитальный ремонт в большинстве случаев ведутся; винтовыми забойными двигателями, необходимость создания ВЗД с повышенными, энергетическими; характеристиками'; и долговечностью весьма актуальна.

Цель работы - повышение показателей бурения* винтовыми забойными двигателями путем создания^ секций рабочих органов, с улучшенными энергетическими и эксплуатационными характеристиками, за счет новой конструкцию статора;

Основные задачи исследования следующие:

1. Исследование методов повышения энергетических характеристик секции рабочих органов ВЗД.

2. Определение конструктивных решений по созданию новой секции рабочих органов с повышенными энергетическими характеристиками.

3. Разработка методики и проведение прочностного и теплового расчетов элементов конструкции новой секции рабочих органов.

4. Разработка конструкторской документации на экспериментальную секцию рабочих органов на основании анализа результатов прочностных и тепловых расчетов.

5. Проведение стендовых испытаний экспериментальных образцов с целью получения информации о работоспособности новых секции рабочих органов ВЗД и изменении их энергетических характеристик.

6. Проведение промысловых испытаний новых секции рабочих органов на скважинах.

Методы исследования:

В работе использован комплекс методов: аналитический, графоаналитический и экспериментальный; производственный эксперимент, стендовые и промысловые испытания. Методическую и теоретическую основы исследования составили научные труды отечественных и зарубежных авторов в области конструирования винтовых гидромашин, общие положения теории упругости, термодинамики и конечно-элементного анализа. В числе информационных источников диссертации использованы научные разработки в виде сведений из книг, журнальных статей, научных докладов и отчетов, отечественных и иностранных патентов, материалов научных конференций, семинаров, результатов собственных расчетов и экспериментов.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов обеспечиваются:

- использованием в расчетах методов теории упругости и современных компьютерных расчетных программ, основанных на численном методе конечных элементов;

- положительными результатами стендовых испытаний экспериментальных секций рабочих органов; положительными результатами промысловых испытаний и эффективной отработкой ВЗД с экспериментальными секциями рабочих органов на буровых предприятиях России.

Научная новизна:

1. Научно обосновано новое направление совершенствования конструкции рабочих органов ВЗД с целью повышения их энергетических и эксплуатационных характеристик путем повышения жесткости винтового зуба статора с улучшением отвода тепла от резиновой обкладки.

2. С использованием компьютерного моделирования разработан метод расчета- напряженно-деформированного состояния статора ВЗД с учетом физико-механических характеристик резиновой смеси, используемой для формирования обкладки.

3. Разработана математическая модель прочностного и теплового4 расчетов с целью выбора оптимальной толщины резиновой обкладки в области вершины зуба статора и оптимальной степени увеличения жесткости зуба статора. Предложены схемы граничных условий для модели поведения элементов конструкции рабочих органов ВЗД в скважине.

4. Создан метод расчета температурных полей статора, возникающих при работе ВЗД на нагруженном релсиме, и разработана эффективная методика прочностного и теплового расчетов элементов конструкции новой секции рабочих органов ВЗД.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

1. Разработаны и защищены патентами два варианта конструктивного исполнения статора ВЗД новой конструкции, в которой для повышения жесткости винтовых зубьев использована тонкостенная винтовая металлическая оболочка с внутренним циклоидальным профилем.

2. Создана технология изготовления и освоено производство секции рабочих органов ВЗД со статором предложенной конструкции.

3. Разработан и испытан новый эффективный метод обточки тонкостенных труб, позволяющий изготовлять статоры с внутренним винтовым металлическим профилем.

4. Стендовые испытания экспериментальных секций диаметром 95 мм показали увеличение крутящего момента и максимальной мощности более чем в полтора раза по сравнению со стандартными секциями сопоставимой длины, а также более «жесткую» нагрузочную характеристику работы ВЗД.

5. Стендовые испытания экспериментальных секций ВЗД диаметром 195 мм показали возможность уменьшения длины зацепления рабочих органов в 1,7 раза без изменения таких энергетических характеристик, как крутящий момент, мощность и КПД.

6. Разработанные секции рабочих органов показали свою эффективность в ходе промысловых испытаний в ОАО «Азнакаевский горизонт», ООО «Нефтекамское УБР» и филиале ЦГБ ООО «Газпром бурение».

Апробация результатов исследования:

Результаты работы докладывались и получили положительную оценку на технических совещаниях ЗАО «Нижневартовскбурнефть» (г. Нижневартовск) и ООО «Смит Сайбириан Сервисез» (г. Губкинский), на заседаниях ученого совета ООО «ВНИИБТ — Буровой инструмент» (г. Пермь), ОАО «НПО «Буровая техника»-ВНИИБТ» (г. Москва) и ООО «ПермНИПИнефть» (г. Пермь), Всероссийской научно-технической конференции «Нефтегазовое и горное дело» (г. Пермь, ПГТУ).

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность д.т.н. Коротаеву Ю.А., к.т.н. Кочневу А.М, к.т.н. Чудакову Г.Ф., Трапезникову С.Г., Голдобину Д.А., д.т.н., профессору Гусману A.M., д.т.н. Балденко Д.Ф., и другим специалистам ООО «ВНИИБТ-Буровой инструмент» и ОАО «НПО «Буровая техника»-ВНИИБТ» за ценные советы, конструктивные замечания и помощь при работе над диссертацией.

Особую признательность и благодарность автор выражает своему научному руководителю д.т.н. Плотникову В.М.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 11 печатных работах (из них 2 патента РФ), в том числе в 8 публикациях в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ:

1. Плотников В.М., Голдобин Д.А., Фуфачев О.И. Совершенствование технологии изготовления облегченных роторов винтовых забойных двигателей // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море.- 2007.- №2.- С. 13-15.

2. Фуфачев О.И. К вопросу повышения эксплуатационных характеристик винтового забойного двигателя // Строительство нефтяных и газовых скважин нахуше и на море.- 2008.- №1.-0. 22-25.

3. Фуфачев О.И., Захарова В.В., Сударев Р.П. Стендовые испытания секции рабочих органов винтового забойного двигателя, в составе которого используется статор с армированными зубьями // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море.

2008.-№12.-С. 12-15.

4. Голдобин Д.А., Фуфачев О.И. Совершенствование метода обработки заготовок тонкостенных роторов винтовых забойных двигателей // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море.

2009.- №2. -С. 29-30.

5. Фуфачев О.И. Расчет напрялсенно-деформированного состояния статора винтового забойного двигателя // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море.- 2009.- №. 10 - С. 3-6.

6. Голдобин Д.А., Коротаев Ю.А., Фуфачев О.И. Повышение точности гидроштампованных облегченных роторов и энергетических характеристик винтовых забойных двигателей // Вестник ассоциации буровых подрядчиков.- 2010.- №2.- С. 35-37.

7. Новые конструкции статоров винтовых забойных двигателей производства ООО «ВНИИБТ - Буровой инструмент»/ О.И. Фуфачев [и др.] // Бурение и нефть.- 2010.- №6 - С. 48-50.

8. Плотников В.М., Фуфачев О.И. Тепловой расчет резиновой обкладки статоров винтовых забойных двигателей // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море.- 2010.- №. 9 - С. 3-6.

9. Патент 2351730 Российская Федерация, МПК Е21В 4/02. Статор винтового забойного двигателя. / Д.А. Голдобин, Ю.А. Коротаев, С.Н Коротаев, О.И. Фуфачев (Россия).- № 2008104959/03; заявл. 08.02.08. опубл. 10.04.09. Бюл. № 10.- 7 с.

10. Патент 79314 Российская Федерация, МПК Б04С 2/107 Статор винтового забойного двигателя. / О.И. Фуфачев, С.Г. Трапезников, С.Н. Коротаев (Россия).- № 2008128389/22; заявл. 11.07.08. опубл. 27.12.08. Бюл. №36.-7 с.

11. Фуфачев О.И. Исследование и разработка новых конструкций рабочих органов винтовых забойных двигателей для повышения их энергетических и эксплуатационных характеристик // Тез. докл. Всерос. Науч.-техн. конференции «Нефтегазовое и горное дело». -Пермь, 2010.-С. 70-71.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан метод проектирования новой конструкции статора, повышающей энергетические характеристики ВЗД за счет использования в конструкции статора специального металлического корпуса с внутренним винтовым циклоидальным профилем.

2. Разработана методика прочностного и теплового расчетов элементов конструкции рабочих органов ВЗД с использованием компьютерного моделирования.

3. Установлено, что величина контактного давления рабочих органов в зоне разделения рабочих камер высокого и низкого давления нового статора втрое превышает данный показатель статора стандартной конструкции с одновременным улучшением герметичности рабочих камер героторного механизма, снижением объёмных потерь в рабочих органах и повышением энергетических характеристик ВЗД.

4. Показано, что в статоре новой конструкции более чем в 3 раза уменьшена- площадь действия высоких деформаций резиновой обкладки и более чем в 1,5 раза уменьшена температура разогрева эластомера вследствие циклического действия нагрузок, что повышает долговечность статора.

5. За счет значительно меньшего нагрева обкладки в зонах повышенной, деформации резины применение нового статора возможно до температуры на забое 145°С, что на 35°С выше, чем для стандартных статоров.

6. Статор предложенной конструкции существенно снижает искажения N проектной геометрии циклоидального профиля резиновой обкладки при повышенных значениях внутреннего давления и температуры, что обеспечивает стабильность энергетических характеристик ВЗД независимо от глубины бурения и температуры на забое.

7. Освоена технология изготовления новых статоров диаметрами 95 и 195 мм. Разработано и изготовлено соответствующее технологическое оборудование.

8. Стендовые испытания экспериментальных образцов показали, что новые секции рабочих органов имеют увеличенный на 46% (для ВЗД диаметром 95 мм) и на 65% (для ВЗД диаметром 195 мм) крутящий момент и более «жесткую» нагрузочную характеристику работы винтового героторного механизма по сравнению с ВЗД со стандартными статорами.

9. Промысловые испытания экспериментальных секции рабочих органов при бурении нефтяных скважин в ОАО «Азнакаевский горизонт», ООО «Нефтекамское УБР» и филиале "Центр горизонтального бурения" ООО "Газпром бурение" показали их высокую работоспособность.

1. Балденко Д.Ф. Отечественные винтовые забойные двигатели и прогресс буровой техники и технологии/ Ю.А. Коротаев// Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море.- 2003.-№5.- С. 14-22.

2. Балденко Д.Ф. Одновинтовые гидравлические машины: в 2 т./ Ф. Д. Балденко, А.Н. Гноевых// М.:000 «ИРЦ Газпром», 2007.

3. Бобров М.Г. Результаты исследований энергетической характеристики винтового забойного двигателя Д1-195/ A.M. Кочнев // Нефтяное хозяйство. -1988. -№6.

4. Писаренко Г.С. Сопротивление материалов: Учебник для вузов. -4-е изд., перераб. и доп. -Киев: Вища школа. Головное изд-во, 1979. -696 с.

5. Delpassand, Majid S., 1995, "Mud Motor Stator Temperature Analysis Technique", ASME Drilling Technology, Book No H00920.

6. URL: http://www.bicodrilling.com/spirostar.php (дата обращения: 07.10.2007).

7. Захарченко П.И. Справочник резинщика. Материалы резинового производства / Ф.И. Яшунская, В.Ф. Евстратов, П.Н. Орловский // -М.: Химия, 1971.-608 с.

8. Балденко Ф.Д. Особенности трения рабочих органов ' одновинтовых гидромашин. -М.: ВНИИОЭНГ. -1988. -№3.

9. Шелудько Г.П: Рисунок изнашивания статора винтовых забойных двигателей/ Р.В. Карапетов, A.C. Акопов // -Материалы VII региональной научно-технической конференции «Вузовская наука — Северо-Кавказскому региону», Ставрополь, СевКавГТУ, 2003.

10. Большаков А.Ю. Численное исследование напряженно-деформированного состояния обкладки статора забойного двигателя от давления рабочей жидкости/ В.Н. Зотин// Модели и методыисследования упругого и неупругого поведения материалов и конструкций. -1987.

11. Большаков А.Ю. Расчет напряженно-деформированного состояния статора винтового забойного двигателя/ В.Н. Зотин// Реологическое поведение деформируемых сплошных сред.- 1990.

12. Лахтин Ю.М. Материаловедение: Учебник для машиностроительных вузов. -2-е изд., перераб. и доп./ В.П. Леонтьева // -М.: Машиностроение, 1980. 493 с.

13. Коротаев Ю.А. Влияние увеличения длины рабочих органов на энергетические характеристики и долговечность винтовых забойных двигателей/ М.Г. Бобров, В.А Пустозеров// Вестник ассоциации буровых подрядчиков. 2001. № 5. - С. 35-36.

14. Бобров М.Г. О влиянии длины рабочих органов на энергетическую характеристику винтового забойного двигателя/ М.Г. Муратова // Тр. ин-та ВНИИБТ, 1989. Вып. 68.

15. Фуфачев О.И. К вопросу повышения эксплуатационных характеристик винтового забойного двигателя// Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море.- 2008.- №1.- С. 22-25.

16. Патент США 6604921. Optimized liner thickness for positive displacement drilling motors/ Andrei N. Plop, Vernon E. Koval// 12.08.2003.

17. Патент 2283416 Российская Федерация. Статор винтовой героторной гидромашины/ В.Н. Андоскин, С.П. Астафьев, К. А. Кобелев, Ю.Е. Кириевский // Опубл. 10.09.2006. Бюл. №25.

18. Патент США 6881045. Progressive cavity pump-motor/ Mark D. Zitka, William D. Murray// 19.04.2005.

19. Патент 2287655 Российская Федерация. Винтовой забойный двигатель/ М.В. Шардаков, С.А. Лузгин // Опубл. 20.11.2006. Бюл. №32.

20. Патент США 6293358. Machine operating according to the Moineau-principle for the use in deep drilling/ Sebastian Jager// 25.09.2001.

21. Патент США 5171138. Composite stator construction for downhole drilling motors/John Forrest// 15.12.1992.

22. Патент 2283442 Российская Федерация. Статор винтовой героторной гидромашины/ В.Н. Андоскин, К.А. Кобелев, Ю.Е. Кириевский // Опубл. 10.09.2006. Бюл. №25.

23. Патент США 5145342. Stator for eccentric spiral pump/ Heinz Gruber// 08.09.1992.

24. Молодило В.И. Особенности управления процессом бурения скважин с использованием винтовых забойных двигателей// Труды ВНИИБТ/ ОАО «НПО «Буровая техника». -М.: Современные тетради, 2008. -218 с.

25. Голдобин Д.А. Совершенствование метода обработки заготовок тонкостенных роторов винтовых забойных двигателей/ ОгИ. Фуфачев // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море.- 2009.2.- С. 29-30.

26. Кочнев A.M. Винтовой забойный двигатель с облегченным-ротором/ В.Б. Голдобин // Нефтяное хозяйство.- 1989.- №9.

27. Плотников В.М1 Совершенствование технологии изготовления* облегченных роторов винтовых забойных двигателей/ Д.А. Голдобин, О.И. Фуфачев// Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и, на море.- 2007.- №2.- С. 13-15.

28. Патент 79314 Российская Федерация. Статор винтового забойного двигателя / О.И. Фуфачев, С.Г. Трапезников, С.Н. Коротаев // опубл. 27.12.08. Бюл. № 36.- 7 с.

29. Крагельский И.В. Основы расчетов на трение и износ / М.Н. Добычин, B.C. Комбалов // -М.: Машиностроение, 1977. 526 с.

30. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. Пер. с англ. -М.: Мир, 1984. -428 с.

31. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике.-М.:Мир, 1975.-271с.

32. Сабоннадьер Ж.-К. Метод конечных элементов и САПР. Пер. с франц. / Ж.-Д. Кулон //-М.: Мир, 1989. -190 с.

33. Басов К. А. ANS YS в примерах и задачах. -М.: КомпьютерПресс, 2002. -224 с.

34. Каплун А.Б. ANSYS в руках инженера: практическое руководство/ Е.М. Морозов, М.А. Олферьева //- М.: Едиториал УРСС, 2003. -272 с.

35. Кудрявцев JI. Д., Математический анализ, т. 2, М.: Высш. шк., 1970. -409 с.

36. Тимошенко С.П. Теория упругости/ Дж. Гудьер // -М.: Наука, 1979. -560 с.

37. Бернштейн М. JI. Механические свойства металлов. Изд. второе/

38. В.А. Займовский // -М.: Металлургия, 1979. 495 с.

39. ГОСТ 269-66 (CT СЭВ 983-89). Резина. Общие требования к проведению физико-механических испытаний. —М.: Изд-во стандартов, 1993.-13 с.

40. ГОСТ 270-75 (CT СЭВ 2594-80). Резина. Метод определения упругопрочностных свойств при растяжении. -М.: Изд-во стандартов., 1997.-17 с.

41. ГОСТ 28588.1-90, ГОСТ 28588.2-90 (ИСО 4661/1-86, ИСО 4661/2-86). Резина. Подготовка проб и образцов для испытаний. -М.: Стандартинформ., 1990. -16 с.

42. ГОСТ 10952-75. Резина. Методы определения усталостной выносливости при знакопеременном изгибе с вращением. -М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1979. -8 с.

43. ГОСТ 23326-78. Резина. Методы динамических испытаний. Общие требования. -М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1979. -13 с.

44. Бартенев Г.М. Прочность и разрушение высокоэластических материалов/Ю.С. Зуев // -М.: Химия, 1964. -388 с.

45. Браутман Л.И. Разрушение и усталость: в 5 т. / -М.: Мир, 1978.

46. Фуфачев О.И. Расчет напряженно-деформированного состояния статора винтового забойного двигателя/ О.И. Фуфачев // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море.- 2009.- №. 10 С. 3-6.

47. Плотников В.М. Тепловой расчет резиновой обкладки статоров винтовых забойных двигателей/ О.И. Фуфачев // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море.- 2010.- №. 9 С. 3-6.

48. Гарифуллин Ф. А. Конструкционные резины и методы определения их основных свойств: Учеб. Пособие / Ф. Ф. Ибляминов, Л.А. Зенитова // Казан, гос. технол. ун-т., Казань, 2000. -80 с.

49. Кочнев A.M. Стендовые испытания винтовых забойных двигателей/ С.Г. Трапезников, А.Ю. Медведев// Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2003. № 9. -С. 25-29.

50. Фуфачев О.И. Новые конструкции статоров винтовых забойных двигателей производства ООО «ВНИИБТ Буровой инструмент»/ Д.А. Голдобин, В.М. Плотников, В.В. Хохлов, С.Г. Трапезников/ Бурение и нефть.- 2010.- №. 2 - С. 48-50.

51. М.Т. Гусман. Забойные винтовые двигатели для бурения скважин/ Д.Ф. Балденко, A.M. Кочнев, С.С. Никомаров. -М.: Недра, 1981. -232 с.