Исследование и разработка новых конструкций рабочих органов винтовых забойных двигателей для повышения их энергетических и эксплуатационных характеристик




Скачать 238.63 Kb.
Название Исследование и разработка новых конструкций рабочих органов винтовых забойных двигателей для повышения их энергетических и эксплуатационных характеристик
Дата публикации 12.06.2014
Размер 238.63 Kb.
Тип Автореферат
literature-edu.ru > Авто-ремонт > Автореферат




На правах рукописи
Фуфачев Олег Игоревич


Исследование и разработка новых конструкций рабочих органов винтовых забойных двигателей для повышения их энергетических и эксплуатационных характеристик

Специальность 05.02.13

Машины, агрегаты и процессы (нефтяная и газовая промышленность)


Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2011

Работа выполнена в ООО «ВНИИБТ-Буровой инструмент»

Научный руководитель: Плотников Валерий Матвеевич

доктор технических наук

Официальные оппоненты: Курумов Лорса Сурхаевич доктор технических наук

Шумилов Валериан Петрович кандидат технических наук

Ведущее предприятие: ООО «ПермНИПИнефть»

Защита диссертации состоится «___» ___________ 2011 г. в _11_ 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» - ВНИИБТ».
Автореферат разослан «___»_______________ 2010 г.



Ученый секретарь

диссертационного Совета,

доктор технических наук




Д.Ф. Балденко



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы

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 (далее ВЗД). При этом с каждым годом его доля в общем объеме бурения увеличивается. Это отечественное изобретение причислено зарубежными специалистами к выдающимся достижениям буровой техники 20 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 на 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 бóльшую 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, снижения 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. 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 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 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 экспери-ментальных 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 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), на Всероссийской научно-технической конференции «Нефтегазовое и горное дело» (г. Пермь, ПГТУ).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 10 печатных работах, из них 2 патента РФ, в т.ч. в 7 публикациях ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и основных выводов. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 21 таблицу, 48 рисунков. Список использованных источников включает 52 наименований.

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 А.М., 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.
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. Меньшениным. 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. Бикчурин, М.Г. Бобров, Ю.В. Вадецкий, А.В. Власов, А.Н. Гноевых, Ю.А. Коротаев, А.М. Кочнев, Н.Ф. Мутовкин, В.А. Каплун, И.К. Князев, В.И. Крылов, Ю.М. Сарапулов, А.В. Цепков, Г.А. Щелконогов и ряд других авторов. Однако, сегодня 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:

- фрезерованием внутренней поверхности трубной или цилиндрической металлической заготовки;

- ковкой трубной металлической заготовки на винтовом сердечнике;

- литьем металла в полость между корпусом и винтовым сердечником;

- пластическим деформированием методом обкатки роликами внутренней поверхности металлической заготовки;

- набором металлических пластин или сегментов с вырезанным циклоидальным профилем;

- установкой в цилиндрический корпус тонкостенного винтового штампованного металлического вкладыша;

- установкой в сердцевину резинового зуба металлического прутка.

Приведенные выше способы изготовления новых статоров используют такие известные зарубежные производители как Baker Hughes, Kächele, 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» и 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 и 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 задача конвективного теплообмена. Расчет напряженно-деформированного состояния рабочих органов ВЗД и расчет на определение 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 условии: воздействие на рабочие органы внутреннего перепада давления жидкости в статоре ΔР=Р12 (рис.1а) и крутящего момента ротора МКР (рис.1б). При этом учитываются такие факторы, как инерционная сила ротора FИН и давление жидкости в затрубном пространстве РНАР.






а) воздействие перепада давления жидкости

б) воздействие крутящего момента ротора

Рис. 1 Схемы граничных условий расчета по определению напряженно-деформированного состояния статоров (на рисунке представлена новая конструкция статора с равномерной толщиной резиновой обкладки)
Поскольку угол наклона винтовой линий 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 состояний и задача решена в двухмерной постановке. В силу малости деформации ротора 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 следующей формуле:

,

где Е’ – модуль упругости резины, Па;

- отношение модуля вязкости к модулю упругости резины;

n – частота вращения ротора, Гц,

z – количество зубьев ротора,

- деформация эластомера от воздействия крутящего момента ротора,

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

- 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.

Были проведены испытания образцов резины ИРП-1226 на разрыв по ГОСТ 270-75. Испытания проводились на разрывной машине ИР5046. Целью испытаний на разрыв резиновых образцов 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 значении 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 М33-01-2002 «Определение усталостной выносливости резины при знакопеременном изгибе с вращением на приборе DPGI». 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. Понимание изменений напряженно-деформированного состояния обкладки статора при этом позволяет определить оптимальную конструкцию статора не только с точки зрения повышения крутящего момента и мощности привода, но также 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 нами 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 2000 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 перемещении 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.



а) б)

Рис.2 Поля деформации обкладки стандартного (а) и нового (б) статора диаметром 95 мм от воздействия перепада давления.
Как показал проведенный нами анализ, максимальные деформации резиновой обкладки нового статора от воздействия момента ротора достигают 18,58% (рис.3а) и превышают деформации в обкладке стандартного статора на 3% (рис.3б). В совокупности с улучшенным охлаждением обкладки статора новой конструкций данное увеличение деформации эластомера можно считать незначительным.


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 кН∙м 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 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 температурой 20°С с внутренней и наружной поверхности во время работы на режиме максимального КПД статор новой конструкции снижает температуру разогрева резиновой обкладки в 1,5-2 раза - от 97°С до 63°С для статора диаметром 95 мм, и от 122°С 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 испытании ВЗД в составе с экспериментальными секциями рабочих органов. Проведено сравнение энергетических характеристик экспериментальных секции 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 секции 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 секции 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 кВт 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 кНּм против 0,98 кНּм (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 «Азнакаевский 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 работах автора:

  1. Плотников В.М. 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.

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

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

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

  5. 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.

  6. 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.

  7. 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.- №. 6 - С. 48-50.

  8. Пат. 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.

  9. Пат. 79314 Российская Федерация, МПК F04C 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.

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


Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Исследование и разработка новых конструкций рабочих органов винтовых забойных двигателей для повышения их энергетических и эксплуатационных характеристик icon Конструктивные и технологические методы повышения энергетических...
Защита состоится «28» октября 2011 г в 14-00 часов на заседании диссертационного Совета д 520. 027. 01 в ОАО нпо «Буровая техника»...
Исследование и разработка новых конструкций рабочих органов винтовых забойных двигателей для повышения их энергетических и эксплуатационных характеристик icon Литература 27
В данной работе рассматривается вариант реализации микропроцессорной системы для управления объектом и разработка программной модели...
Исследование и разработка новых конструкций рабочих органов винтовых забойных двигателей для повышения их энергетических и эксплуатационных характеристик icon Выписка из приказ №5 от 02. 09. 2012
Для повышения уровня учебной работы, активного внедрения новых образовательных технологий
Исследование и разработка новых конструкций рабочих органов винтовых забойных двигателей для повышения их энергетических и эксплуатационных характеристик icon Методические указания по выполнению организационно-экономической...
Поэтому исследование, конструирование, проектирование современных новых технических средств, технологических процессов производства...
Исследование и разработка новых конструкций рабочих органов винтовых забойных двигателей для повышения их энергетических и эксплуатационных характеристик icon Разработка контрольно-измерительных материалов по дисциплине «Физика»...
Пушкарская Т. Г. – преподаватель дисциплин математического и естественнонаучного цикла
Исследование и разработка новых конструкций рабочих органов винтовых забойных двигателей для повышения их энергетических и эксплуатационных характеристик icon Э. В. Логунова С. Е. Горелов, Г. Г. Левкин Анализ специальной литературы...
Проведенное исследование было посвящено изучению морфометрических характеристик миелиновых волокон глазодвигательного, блокового...
Исследование и разработка новых конструкций рабочих органов винтовых забойных двигателей для повышения их энергетических и эксплуатационных характеристик icon Факультет вычислительной математики и кибернетики Лаборатория вычислительных комплексов
«Разработка и исследование эффективности алгоритма формирования содержимого учебных курсов»
Исследование и разработка новых конструкций рабочих органов винтовых забойных двигателей для повышения их энергетических и эксплуатационных характеристик icon Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
Разработка и исследование периферийных схем управления биполярной бис озу с байтовой организацией
Исследование и разработка новых конструкций рабочих органов винтовых забойных двигателей для повышения их энергетических и эксплуатационных характеристик icon Рабочая программа по дисциплине опд. В1 Современные направления конструирования...
Опд. В1 Современные направления конструирования судовых двигателей внутреннего сгорания
Исследование и разработка новых конструкций рабочих органов винтовых забойных двигателей для повышения их энергетических и эксплуатационных характеристик icon Проекта
Название проекта должно отражать суть нир, которую заявители считают необходимым выполнить и обозначать действие (разработка, исследование,...
Литература


При копировании материала укажите ссылку © 2015
контакты
literature-edu.ru
Поиск на сайте

Главная страница  Литература  Доклады  Рефераты  Курсовая работа  Лекции