История возникновения данной техники и технологий традиционна для нашей страны. Первым опытом применения непрерывной гибкой металлической трубы для подземного ремонта и добычи пластовой жидкости можно считать использование установки погружного электроцентробежного насоса, разработанной под руководством Н.В. Богданова. Ее отличительной особенностью был спуск и эксплуатация погружного агрегата на колонне гибких стальных труб. Кабель питания погружного двигателя при этом располагался внутри колонны. Это предложение и было основным в идее автора проекта, поскольку исключало контакт кабеля со стенками эксплуатационной скважины при спускоподъемных операциях и эксплуатации. В результате надежность кабеля многократно увеличивалась по сравнению с традиционными схемами. Помимо этого, выполнение подземного ремонта сводилось к наматыванию трубы на барабан без свинчивания и развинчивания резьбовых соединений колонны. Установка была изготовлена и пущена в эксплуатацию, но последующая ее история нам не известна.
Данное техническое решение имеет много положительных сторон, но в контексте рассматриваемого вопроса важно одно — колонна непрерывных металлических труб использовалась для операций подземного ремонта скважин (ПРС).
К сожалению, это направление создания нефтепромыслового оборудования не получило дальнейшего развития прежде всего из-за отсутствия на тот момент надежных и дешевых гибких труб.
Приоритет в области конструирования, изготовления и промышленной эксплуатации установок с колонной гибких труб (КГТ) принадлежит фирмам США и Канады.
В 1980-х годах в США была разработана технология подземного ремонта скважин без их глушения, поскольку последнее весьма негативно сказывается на их дебите. Она основана на применении вместо обычных насосно-компрессорных труб с резьбовыми муфтовыми соединениями длинной (длиной до 5000 м), гладкой, гибкой, непрерывной стальной трубы диаметром 30 — 40 мм, наматываемой на барабан. Эта труба подается в скважину и извлекается из нее с помощью инжектора с гидроприводом, выполняющего роль талевой системы и лебедки обычной канатной подъемной установки. Устье скважины герметизируется лубрикатором, допускающим избыточное давление в скважине до 70 МПа. Инжектор удерживает гладкую непрерывную трубу (ГНТ) за счет трения с помощью захватов, плотно обхватывающих ее с двух сторон. Подъем и опускание ГНТ происходит непрерывно с помощью гидромониторов со скоростью до 1,2 м/с. Извлеченная из скважины ГНТ сгибается и равномерно наматывается на барабан.
Учебное пособие: Ремонт и обслуживание скважин и оборудования для бурения
... негерметичности эксплуатационной колонны доворотом Аварии, допущенные в процессе эксплуатации и ремонта скважин Извлечение прихваченных труб Извлечение труб прихваченных цементом Ловильные работы с труболовками ТВМ – 1 ... нефти: 1. Насосная добыча – наиболее распространенный способ добычи нефти с помощью штанговых скважинных насосов и погружных центробежных электронасосов. 2. Фонтанная добыча – ...
Эти установки, называемые колтюбинговыми, буквально совершили техническую революцию в капитальном ремонте скважин. При сохранении дебитов скважин они позволили в 3-4 раза повысить производительность труда ремонтных бригад в 2 — 3 раза снизить затраты на ремонт скважин.
В настоящее время в мире эксплуатируется более 600 установок, причем их число все время возрастает. В нашей стране эксплуатируется не более 30 установок. И одной из основных целей, преследуемых, является показать преимущество данных установок для дальнейшего расширения их использования.
Основной особенностью описываемого оборудования является работа гибкой трубы при наличии пластических деформаций, что требует создания труб с принципиально иными свойствами, чем изготавливаются в настоящее время. Достаточно интенсивные работы в этом направлении наши специалисты ведут под эгидой ООО «ЛУКОЙЛ-Западная Сибирь» НК «ЛУКОЙЛ».
1. Назначение, принцип работы винтового двигателя
Винтовой двигатель — это разновидность забойной гидравлической машины, в которой для преобразования энергии потока промывочной жидкости в механическую энергию вращательного движения использован винтовой механизм.
3
Основной особенностью винтового двигателя по сравнению с турбобуром является то, что он обладает относительно жёсткой рабочей характеристикой. Как показали стендовые и промысловые испытания, при работе в области, близкой к области максимальной мощности, частота вращения двигателя снижается на 20-28% по сравнению с разгонной в режиме холостого хода.
Учитывая, что ВЗД используются при бурении нижних интервалов скважин, там где механическая и особенно рейсовая скорость бурения существенно ниже чем в верхних интервалах бурения, можно оценить затраты времени и средств на бурение при использовании ВЗД не менее, чем 50% от всех затрат на бурение скважины. Кроме того, наиболее сложные и дорогостоящие работы, такие как бурение участков наклонно-направленных и горизонтальных скважин с большой интенсивностью искривления, бурение горизонтальных участков скважины, проводятся только с применением ВЗД. При восстановлении скважин методом бурения дополнительных стволов также в основном используются ВЗД. В капитальном ремонте с применением двигателей выполняется свыше 90% всех операций, связанных с бурением.
Гидравлическим двигателем принято называть машину, преобразующую энергию потока жидкости в механическую энергию ведомого звена (вала).
По принципу действия винтовые забойные двигатели относятся к роторным машинам объёмного (гидростатического) типа. Объёмные двигатели действуют от гидростатического напора в результате наполнения жидкостью рабочих камер и перемещения вытеснителей. Под вытеснителем понимается рабочий орган, непосредственно совершающий работу под действием на него давления жидкости. Ротор расположен в статоре с эксцентриситетом. Благодаря этому, а также вследствие разницы чисел заходов в винтовых линиях статора и ротора их контактирующие поверхности образуют ряд замкнутых полостей — шлюзов между камерами высокого и низкого давления. Шлюзы перекрывают свободный ток жидкости через двигатель, а самое главное — именно в них давление жидкости создаёт вращающий момент, передаваемый долоту.
Забойные двигатели
... на него давления жидкости. Конструктивно вытеснитель может быть выполнен в виде поршня, пластины, зуба шестерен или ротора. В объемных гидравлических двигателях ведомое звено может ... макетных образцов новых забойных двигателей. Секционные унифицированные шпиндельные турбобуры Секционные унифицированные шпиндельные турбобуры типа ЗТСШ1 предназначены для бурения скважин шарошечными и алмазными ...
К особенностям принципа действия следует отнести:
- отсутствие быстроизнашивающихся распределительных устройств, поскольку распределение жидкости по шлюзам рабочих органов осуществляется автоматически за счёт соотношения числа зубьев и шагов винтовых поверхностей ротора и статора;
- кинематику рабочих органов, в движении которых сочетается качение со скольжением при относительно невысоких скоростях последнего, что снижает износ рабочей пары;
— непрерывное изменение положения контактной линии (геометрического места точек качения ротора и статора) в пространстве, в результате чего механические примеси, находящиеся в перекачиваемой жидкости, имеют возможность выноситься потоком из рабочих органов.
Двигатель состоит из трёх основных узлов: секции двигательной, секции шпинделя и переливного клапана.
Статор 1 имеет десять внутренних винтовых зубьев левого направления, выполненных на обкладке из эластомера, привулканизированной к расточке корпуса.
Ротор 2, на наружной поверхности которого нарезаны девять винтовых зубьев левого направления, выполняется из коррозионностойкой стали или конструкционной стали с хромированием зубьев.
1-статор; 2-ротор; 3-двухшарнирное соединение; 4,5,11-верх-ний, средний и нижний переводники; 6-многорядная упорная шаровая опора; 7-радиальный подшипник; 8-вал шпинделя; 9-корпус шпинделя; 10-муфта соединительная; 12-ниппель; 13-распорное кольцо
Рисунок 2.2 — Забойный винтовой двигатель в продольном и поперечном разрезах
Верхний конец полого ротора 2 закрыт пробкой и свободен, а к нижнему присоединено двухшарнирное соединение 3, преобразующее планетарное движение ротора в соосное вращение вала шпинделя.
Опора 6 предназначена для восприятия осевых нагрузок действующих на вал шпиндельной секции и на ротор двигателя. Осевая нагрузка на ротор двигателя сопоставима по величине с осевыми нагрузками на долото и может оказывать существенное влияние на работоспособность двухшарнирного соединения и на радиальные подшипники 7.
Двухшарнирное соединение 3 (рисунок 2.3) разработано на базе двойной зубчатой муфты. Вращающий момент передаётся через боковые поверхности зубьев полумуфт и венца. Осевая нагрузка от ротора на вал передаётся через центральный шар, расположенный в сферических расточках полумуфт. Угловая подвижность шарнира обеспечивается радиальными и боковыми зазорами в эвольвентном зацеплении, а равномерность передачи момента через зубья шарнира улучшается выполнением зубьев полумуфт бочкообразными. Внутренняя полость шарнира заполнена консистентной смазкой и уплотнена массивными резиновыми кольцами, деформированными в осевом направлении затяжкой гаек для обеспечения радиального натяга по шейкам полумуфт. Для уменьшения угла перекоса шарниры разнесены по длине и соединены между собой с помощью промежуточной трубы по конусным поверхностям.
В качестве радиальных опор применены резинометаллические подшипники 7, обладающие достаточной износостойкостью в среде промывочной жидкости.
1-шарнир в сборе; 2-труба; 1-шарнир в сборе; 2-труба; 3-корпус шарнира; 4-полу муфта; 5-шар; 6-уплотнительное кольцо; 7-гайка
Рисунок 2.3-Двухшарнирное соединение забойного двигателя
Отличительными особенностями двигателя Д-195 являются:
- изменённая геометрия рабочих органов, обеспечивающая высокую надёжность двигателя, в частности при запусках;
- увеличенный рабочий объём двигателя, позволяющий в 1,3-1,5 раза снизить частоту вращения выходного вала;
- выполнение ротора из коррозионно-стойкой стали с последующим полированием рабочей поверхности, что позволяет повысить долговечность рабочих органов;
- усовершенствованная система уплотнения внутренних полостей шарнирных соединений, способствующая значительному повышению долговечности и надёжности этого ответственного узла;
- упрощённая конструкция упорного подшипника.
Перечисленные конструктивные отличия обеспечили повышение эксплуатационных качеств двигателей и дальнейшее улучшение технико-экономических показателей бурения.
При выполнении буровых работ и удалении пробок применяют забойные двигатели двух типов — объемного и динамического действия. К первым относятся винтовые и аксиально-поршневые двигатели, ко вторым — турбобуры. Наиболее целесообразно использовать забойные двигатели объемного действия, а из них предпочтительнее винтовые, поскольку последние обладают более приемлемой характеристикой для условий работы с КГТ. Кроме того, для их привода необходим меньший расход технологической жидкости, что важно для обеспечения прочности колонны.
3
Он проще по конструкции, имеет значительно меньшую длину и массу по сравнению с турбобуром. Небольшая длина двигателя очень выгодна для бурения наклонных и особенно горизонтальных скважин, поскольку можно до минимума снизить радиус искривления ствола и соответственно его длину.
При бурении ВЗД в твердых породах проходка на долото увеличивается более чем в 2 раза, а в мягких — на 20-30% по сравнению с турбобуром, механическая же скорость бурения в обоих случаях ниже на 20-50%.
Основной особенностью ВЗД по сравнению с турбобуром является то, что он обладает относительно жёсткой рабочей характеристикой. Как показали стендовые и промысловые испытания, при работе в области, близкой к области максимальной мощности, частота вращения двигателя снижается на 20-28% по сравнению с разгонной в режиме холостого хода.
Учитывая, что ВЗД используются при бурении нижних интервалов скважин, там где механическая и особенно рейсовая скорость бурения существенно ниже чем в верхних интервалах бурения, можно оценить затраты времени и средств на бурение при использовании ВЗД не менее, чем
50% от всех затрат на бурение скважины. Кроме того, наиболее сложные и дорогостоящие работы, такие как бурение участков наклонно-направленных и горизонтальных скважин с большой интенсивностью искривления, бурение горизонтальных участков скважины, проводятся только с применением ВЗД. При восстановлении скважин методом бурения дополнительных стволов также в основном используются ВЗД. В капитальном ремонте с применением двигателей выполняется свыше 90% всех операций, связанных с бурением.
К особенностям принципа действия следует отнести:
- отсутствие быстроизнашивающихся распределительных устройств, поскольку распределение жидкости по шлюзам рабочих органов осуществляется автоматически за счёт соотношения числа зубьев и шагов винтовых поверхностей ротора и статора;
- кинематику рабочих органов, в движении которых сочетается качение со скольжением при относительно невысоких скоростях последнего, что
снижает износ рабочей пары;
— непрерывное изменение положения контактной линии (геометрического места точек качения ротора и статора) в пространстве, в результате чего механические примеси, находящиеся в перекачиваемой жидкости, имеют возможность выноситься потоком из рабочих органов.
Характеристики наиболее типичных забойных двигателей приведены ниже в таблице 2.1.
Таблица 2.1 — Характеристики наиболее типичных забойных двигателей
|
Марка двигателя |
Д-42 |
Д-48 |
Д1-54 |
ДГ-60 |
Д-85 |
Д1-195 |
|
|
Диаметр наружный, мм |
42 |
48 |
54 |
60 |
85 |
195 |
|
|
Диаметр долот, мм |
59 |
59-76 |
59-76 |
76-98,4 |
98,4-120,6 |
187,3-190,5 |
|
|
Расход рабочей жидкости, л/с |
0,3-0,5 |
1,2-2,6 |
1-2,5 |
1-2 |
4,8 |
25-35 |
|
|
Перепад давления на двигателе, МПа |
2-4 |
4-5 |
4,5-5,5 |
4,5-5,5 |
5,5 |
4,0-5,0 |
|
Двигатель состоит из трёх основных узлов: секции двигательной, секции шпинделя и переливного клапана (рисунок 4).
Статор 1 имеет десять внутренних винтовых зубьев левого направления, выполненных на обкладке из эластомера, привулканизированной к расточке корпуса.
Ротор 2, на наружной поверхности которого нарезаны девять винтовых зубьев левого направления, выполняется из коррозионностойкой стали или конструкционной стали с хромированием зубьев.
Верхний конец полого ротора 2 закрыт пробкой и свободен, а к нижнему присоединено двухшарнирное соединение 3, преобразующее планетарное движение ротора в соосное вращение вала шпинделя.
Опора 6 предназначена для восприятия осевых нагрузок действующих на вал шпиндельной секции и на ротор двигателя. Осевая нагрузка на ротор двигателя сопоставима по величине с осевыми нагрузками на долото и может оказывать существенное влияние на работоспособность двухшарнирного соединения и на радиальные подшипники 7.
Двухшарнирное соединение 3 (рисунок 5) разработано на базе двойной зубчатой муфты. Вращающий момент передаётся через боковые поверхности зубьев полумуфт и венца. Осевая нагрузка от ротора на вал передаётся через центральный шар, расположенный в сферических расточках полумуфт. Угловая подвижность шарнира обеспечивается радиальными и боковыми зазорами в эвольвентном зацеплении, а равномерность передачи момента через зубья шарнира улучшается выполнением зубьев полумуфт бочкообразными. Внутренняя полость шарнира заполнена консистентной смазкой и уплотнена массивными резиновыми кольцами, деформированными в осевом направлении затяжкой гаек для обеспечения радиального натяга по шейкам полумуфт. Для уменьшения угла перекоса шарниры разнесены по длине и соединены между собой с помощью промежуточной трубы по конусным поверхностям. В качестве радиальных опор применены резинометаллические подшипники 7, обладающие достаточной износостойкостью в среде промывочной жидкости.
В данном курсовом проекте будет рассматриваться ремонт элемента КНБК колтюбинговой установки — винтового забойного двигателя Д1-195.
Отличительными особенностями двигателя Д1-195 являются:
- изменённая геометрия рабочих органов, обеспечивающая высокую надёжность двигателя, в частности при запусках;
- увеличенный рабочий объём двигателя, позволяющий в 1,3-1,5 раза снизить частоту вращения выходного вала;
- выполнение ротора из коррозионно-стойкой стали с последующим полированием рабочей поверхности, что позволяет повысить долговечность рабочих органов;
- усовершенствованная система уплотнения внутренних полостей шарнирных соединений, способствующая значительному повышению
долговечности и надёжности этого ответственного узла;
- упрощённая конструкция упорного подшипника.
Перечисленные конструктивные отличия обеспечили повышение эксплуатационных качеств двигателей и дальнейшее улучшение технико-экономических показателей бурения.
Техническая характеристика винтового забойного двигателя Д1-195 представлена в таблице 2.2.
Таблица 2.2 — Техническая характеристика двигателя Д1-195
|
Длина, мм |
Диаметр мм |
Заходность ротора на статор |
Расход бурового раствора л/с |
Частота вращения вала шпинделя Об/мин |
Перепад давления МПа |
Момент силы на валу кН м |
||
|
Д1- 195 |
6200 |
195 |
9:10 |
25-35 |
80-100 |
4,0-5,0 |
6,5-8,0 |
|
2. Анализ условий и режима эксплуатации ВЗД Д-85
Для того чтобы избежать частых поломок двигателей необходимо соблюдение следующих правил эксплуатации.
При спуске двигателя в скважину за 10-15 м до забоя включают буровой насос и промывают призабойную зону скважины при работающем двигателе. Незапуск двигателя фиксируется по резкому подъёму давления на выкиде насосов. В этом случае следует запускать двигатель с вращением бурильной колонны ротором при одновременном прокачивании жидкости. Запуск двигателя ударами о забой не допускается.
Во избежание левого вращения инструмента под действием реактивного момента двигателя ведущую трубу фиксируют от проворачивания в роторе с помощью клиньев.
По своим энергетическим характеристикам винтовые двигатели позволяют создавать на долоте высокие осевые нагрузки, однако приработку нового долота в течении 10-15 минут необходимо вести при пониженных осевых нагрузках.
При выборе типа долота предпочтение следует отдавать низкооборотным долотам с маслонаполненной опорой, а также гидромониторным долотам, так как сниженный по сравнению с турбобурами перепад давления в винтовом двигателе создаёт резерв мощности на выкиде насосов. Тип вооружения долота выбирают в соответствии с твёрдостью и абразивностью проходимых пород.
При выборе рациональных параметров режима бурения винтовым забойным двигателем необходимо учитывать особенности его характеристик:
- пропорциональность частоты вращения расходу промывочной жидкости;
- сравнительно «жёсткую» скоростную характеристику под нагрузкой (в зоне устойчивой работы двигателя от режима холостого хода до режима максимальной мощности частота вращения падает на 15-20%);
- линейную зависимость перепада давления на двигателе от момента на долоте.
Низкие частоты вращения долота обеспечивают преимущественно объёмный характер разрушения горных пород, поэтому с увеличением осевой нагрузки механическая скорость бурения винтовыми двигателями возрастает. Проходка на долото с ростом нагрузки увеличивается до определённого значения нагрузки, а затем начинает снижаться вследствие ухудшения условий очистки забоя и ограниченной прочности опор и вооружения долота.
Давление на стояке насосов может использоваться бурильщиком для контроля за процессом бурения.
При чрезмерном увеличении осевой нагрузки или в случае перехода в пласт, представленный вязкими породами, возможна остановка винтового забойного двигателя; при этом резко повышается давление в нагнетательной линии. Буровой инструмент следует немедленно приподнять, а затем осторожно дойти до забоя и продолжать бурение при пониженной осевой нагрузке на долото.
При бурении винтовым забойным двигателем буровой инструмент необходимо подавать плавно, без рывков. Периодически инструмент следует проворачивать.
Расход промывочной жидкости при бурении винтовым забойным двигателем выбирают исходя из условий необходимой очистки забоя. По мере износа рабочей пары двигателя для сохранения его рабочей характеристики целесообразно увеличить расход промывочной жидкости на 20-25 % от начальной величины.
Продолжительность работы серийных долот с применением винтовых забойных двигателей обычно в 3 раза и более выше, чем при турбинном бурении. Момент подъёма долота при сработке его вооружения определяют по устойчивому снижению механической скорости по отношению к первоначальной. При сработке опор долота, сопровождающейся заклиниванием шарошек, сигналом для подъёма могут также служить повторяющиеся резкие подъёмы давления в нагнетательной линии, происходящие даже при пониженных осевых нагрузках.
Для предотвращения зашламования двигателя перед наращиванием инструмента или перед подъёмом его для замены долота необходимо промыть скважину в призабойной зоне, затем приподнять инструмент над забоем на 10-12 м и только после этого остановить насосы и открыть пусковую задвижку.
В процессе эксплуатации винтовых двигателей необходимо периодически проверять его пригодность к дальнейшей работе. Двигатель отправляют на ремонт при значительном снижении его приёмистости к осевым нагрузкам, увеличении осевого люфта шпинделя более 4-5 мм, а также при затруднённом запуске или незапуске над устьем скважины или зашламовании двигателя.
3. Анализ отказов и других технических проблем, выявленных в процессе эксплуатации (обслуживании, ремонте) ВЗД Д-85
Винтовые забойные двигатели отличаются ограниченным количеством деталей и простотой конструкции. При соблюдении основных правил эксплуатации и технического обслуживания они обладают достаточно высокой надежностью в различных условиях бурения. Неудовлетворительная работа винтовых забойных двигателей в большинстве случаев является следствием либо низкого качества изготовления, либо нарушения требований к эксплуатации.
Доставленный на буровую ВЗД перед спуском в работу подвергают наружному осмотру. Особое внимание следует обращать внимание на отсутствие трещин и вмятин на статоре и корпусе шпинделя, на состояние присоединительных резьб к бурильным трубам и к долоту (отсутствие промывов и дефектов резьб), а также на плотность свинчивания промежуточный резьбовых соединений корпусных деталей ВЗД. Винтовые забойные двигатели с дефектами корпусных деталей и резьб к работе не допускаются; в случае неполного свинчивания резьбовые соединения докрепляют машинными ключами.
Перед спуском в скважину каждый ВЗД опробуют над устьем с целью проверки легкости запуска и герметичности резьбовых соединений. ВЗД должен запускаться плавно (при давлении на стояке не более 2,5 МПа) путем медленного закрывания пусковой задвижки. На холостом ходу вращение вала ВЗД должно происходить без рывков и заеданий, а остановка при выключении насосов не должна быть резкой. При опробовании ВЗД одновременно проверяют работоспособность переливного клапана. При подаче промывочной жидкости в ВЗД клапан должен плотно закрываться без утечек жидкости в боковые отверстия корпуса клапана; при выключении циркуляции клапан должен открыться.
В зимнее время запуску ВЗД должен предшествовать его отогрев паром или горячей водой в течении 30-40 мин. Подготовка бурильного инструмента к бурению должна предусматривать выбор необходимой компоновки низа бурильной колонны. Для предотвращения искривления вертикальной скважины должны быть обеспечены соосность вышки и ротора по отношению к оси скважины, горизонтальность стола ротора, а также прямолинейность ведущей трубы, утяжеленных и бурильных труб. Нижняя часть бурильной колонны, включающая центраторы, калибраторы или стабилизаторы, должна иметь необходимую продольную устойчивость, прочность, проходимость в стволе скважины, а также должна обеспечивать удобство и безопасность ее эксплуатации и создавать гидравлические сопротивления, не превышающие допустимые.
Перечень встречающихся или возможных неисправностей, а также способы их устранения, приведены в таблице 3.1
Таблица 3.1 — Виды неполадок и способ их устранения
|
Характер неисправности |
Причина |
Способ устранения |
||
|
на буровой |
при ремонте |
|||
|
Запуск при повышенном давлении в нагнетательной линии |
Отслоение или повреждение резиновой обкладки статора Неправильная регулировка или заклинивание шпиндельной секции |
Заменить двигатель Тоже |
Заменить статор Проверить регулировку шпиндельной секции, при необходимости очистить или сменить детали |
|
|
Повышение давления в нагнетательной линии при работе двигателя в скважине При отрыве долота от забоя давление не снижается |
Засорение фильтра Зашламование двигателя Попадание посторонних предметов в рабочие органы и повреждение резиновой обкладки статора |
Прочистить фильтр заменить двигатель Заменить двигатель |
Разобрать двигатель, очистить от шлама Убрать посторонние предметы или заменить рабочие органы |
|
|
Снижение механической скорости проходки Двигатель плохо принимает осевую нагрузку |
Износ рабочих органов (ротора, статора) Износ осевой опоры шпиндельной секции |
Увеличить расход на 20-25% или заменить двигатель Заменить двигатель |
Заменить рабочие органы Заменить осевую опору |
|
|
Снижение давления в нагнетательной линии |
Негерметичность клапана. Неплотности (промыв) в резьбовых соединениях бурильной колонны |
Сменить клапан Заменить промытые бурильные трубы |
Заменить изношенные детали клапана |
|
4. Монтаж (сборка-разборка, регулировка) ВЗД Д-85
4.1 Монтаж винтовых забойных двигателей
Разборку и ремонт двигателей проводят с использованием стандартного оборудования турбинных цехов буровых предприятий.
При отвинчивании резьб статора возможно смятие его корпуса, если кулачки ключа установлены на его поверхности; во избежании этого кулачки ключа следует захватывать одновременно поверхности статора и переводника, как показано на рисунке 4.1. Ротор извлекают из статора вывинчиванием или вытаскивают с помощью лебёдки, как показано на рисунке 4.2.
Рисунок 4.1-Схема отвинчивания переводников от статора
Рисунок 4.2-Схема разборки рабочей пары
Шпиндель двигателя разбирают так же, как шпиндели серийных турбобуров. Особое внимание уделяют разборке осевой опоры: опору следует снимать с вала пакетами, располагая их в порядке установки на валу шпинделя. Не следует допускать перестановку шариков из пакета в пакет или установку новых шариков взамен отработавших. В случае разрушения отдельных шариков или обойм подшипника в 2-3 пакетах можно удалить эти ряды шаров или обоймы с установкой распорных втулок. Отбраковывают и заменяют новыми компенсаторы шпинделя ШШО с деформированными или отслоившимися резиновыми подушками. Изношенные детали и узлы двигателей после их промывки, визуального осмотра и инструментальных замеров отбраковывают.
У статора визуально проверяют целостность резиновой обкладки (отсутствие разрушений зубьев), контролируют диаметр D е по выступам зубьев с помощью набора гладких калибров-пробок, а по впадинам — с помощью индикаторного нутромера.
Кривизну канала статора проверяют гладким калибром, имеющим длину, равную длине обкладки статора. При этом в зависимости от диаметра D е , который может колебаться из-за различной величины усадки резины, применяют калибр соответствующего диаметра. Если калибр не заходит на всю длину обкладки, то такой статор бракуют.
У ротора измеряют диаметральный размер (D ер — h) между впадиной и выступом зубьев с помощью микрометра и мерного ролика диаметром 5-8 мм. Измерения проводят в 3-5 сечениях по длине двигателя и берут их среднее значение за истинное.
Определяют диаметральный натяг (зазор) в рабочей паре: ? =(Dep — h)-De .
Если зазор в изношенной рабочей паре превышает 1,3 мм, то рабочую пару заменяют новой.
Шарниры карданного вала разбирают для проверки состояния шара, сферических расточек и зубьев полумуфт и венца, контроля уплотнений и заполнения смазкой внутренней полости. Конусные поверхности полумуфт шарнира и соединительной трубы не должны иметь задиров и следов проворачивания.
Контроль и отбраковку остальных деталей двигателей проводят в соответствии с требованиями, предъявляемыми к аналогичным деталям турбобуров.
При сборке двигателей детали смазывают согласно таблицы 4.1.
Таблица 4.1-Смазка деталей винтовых двигателей в процессе сборки
|
Узел и деталь |
Смазочный материал и номер стандарта |
Способ нанесения |
Место нанесения |
|
|
Вал шпинделя |
Масло индустриальное марки И30А или И45А по ГОСТ 20799-75 |
Покрывается слоем |
Посадочная часть |
|
|
Статор, ротор, опора нижняя, втулка нижней опоры |
Масло касторовое техническое по ГОСТ 6757-73 |
То же |
Поверхность резины и поверхность, соприкасающаяся с резиной |
|
|
Шарнир |
Смазка ЦИАТИМ-201 по ГОСТ 6267-74 |
Заполняется |
Внутренняя полость между полумуфтами и венцом в шарнирах |
|
|
Детали крепящиеся в корпусе |
Насосная смазка по МРТУ 12Н98-64 |
Покрывается слоем |
Наружные поверхности деталей |
|
|
Резьбовые соединения |
Смазка Р-113 по ТУ38-101330-73 |
То же |
Профиль резьбы |
|
При сборке шпиндельной секции определяют размеры колец, регулировочных по валу и корпусу шпинделя, обеспечивающие необходимые усилия затяжки пакета подшипников.
В собранном и отрегулированном шпинделе контролируют осевой люфт, лёгкость и равномерность вращения вала от приложенного момента 100-200 Нм.
Двигатели должны храниться в собранном виде с ввинченными предохранительными пробками на специальных стеллажах под навесом, защищающим от атмосферных осадков и солнечной радиации.
4.2 Правила эксплуатации двигателей
Во избежание частых поломок двигателей необходимо соблюдение правил эксплуатации.
При спуске двигателя в скважину за 10-15 м до забоя включают буровой насос и промывают призабойную зону скважины при работающем двигателе. Незапуск двигателя фиксируется по резкому подъёму давления на выкиде насосов. В этом случае следует запускать двигатель с вращением бурильной колонны ротором при одновременном прокачивании жидкости. Запуск двигателя ударами о забой не допускается.
Во избежание левого вращения инструмента под действием реактивного момента двигателя ведущую трубу фиксируют от проворачивания в роторе с помощью клиньев.
По своим энергетическим характеристикам винтовые двигатели позволяют создавать на долоте высокие осевые нагрузки, однако приработку нового долота в течении 10-15 минут необходимо вести при пониженных осевых нагрузках.
При выборе типа долота предпочтение следует отдавать низкооборотным долотам с маслонаполненной опорой, а также гидромониторным долотам, так как сниженный по сравнению с турбобурами перепад давления в винтовом двигателе создаёт резерв мощности на выкиде насосов. Тип вооружения долота выбирают в соответствии с твёрдостью и абразивностью проходимых пород.
При выборе рациональных параметров режима бурения винтовым забойным двигателем необходимо учитывать особенности его характеристик:
- пропорциональность частоты вращения расходу промывочной жидкости;
- сравнительно «жёсткую» скоростную характеристику под нагрузкой (в зоне устойчивой работы двигателя от режима холостого хода до режима максимальной мощности частота вращения падает на 15-20%);
- линейную зависимость перепада давления на двигателе от момента на долоте.
Низкие частоты вращения долота обеспечивают преимущественно объёмный характер разрушения горных пород, поэтому с увеличением осевой нагрузки механическая скорость бурения винтовыми двигателями возрастает. Проходка на долото с ростом нагрузки увеличивается до определённого значения нагрузки, а затем начинает снижаться вследствие ухудшения условий очистки забоя и ограниченной прочности опор и вооружения долота.
Давление на стояке насосов может использоваться бурильщиком для контроля за процессом бурения.
При чрезмерном увеличении осевой нагрузки или в случае перехода в пласт, представленный вязкими породами, возможна остановка винтового забойного двигателя; при этом резко повышается давление в нагнетательной линии. Буровой инструмент следует немедленно приподнять, а затем осторожно дойти до забоя и продолжать бурение при пониженной осевой нагрузке на долото.
При бурении винтовым забойным двигателем буровой инструмент необходимо подавать плавно, без рывков. Периодически инструмент следует проворачивать.
Расход промывочной жидкости при бурении винтовым забойным двигателем выбирают исходя из условий необходимой очистки забоя. По мере износа рабочей пары двигателя для сохранения его рабочей характеристики целесообразно увеличить расход промывочной жидкости на 20-25 % от начальной величины.
Продолжительность работы серийных долот с применением винтовых забойных двигателей обычно в 3 раза и более выше, чем при турбинном бурении. Момент подъёма долота при сработке его вооружения определяют по устойчивому снижению механической скорости по отношению к первоначальной. При сработке опор долота, сопровождающейся заклиниванием шарошек, сигналом для подъёма могут также служить повторяющиеся резкие подъёмы давления в нагнетательной линии, происходящие даже при пониженных осевых нагрузках.
Для предотвращения зашламования двигателя перед наращиванием инструмента или перед подъёмом его для замены долота необходимо промыть скважину в призабойной зоне, затем приподнять инструмент над забоем на 10-12 м и только после этого остановить насосы и открыть пусковую задвижку.
При эксплуатации винтовых двигателей необходимо периодически проверять его пригодность к дальнейшей работе. Двигатель отправляют на ремонт при значительном снижении его приёмистости к осевым нагрузкам, увеличении осевого люфта шпинделя более 4-5 мм, а также при затруднённом запуске или незапуске над устьем скважины или зашламовании двигателя.
5. Анализ ремонтопригодности ВЗД Д-85
Винтовые забойные двигатели подлежат следующим видам технического обслуживания: профилактическому осмотру и текущему ремонту.
Профилактическому осмотру подвергаются двигатели, длительно находившиеся на хранении перед началом эксплуатации, а так же двигатели, работавшие в скважине.
Двигатели, работавшие в скважине, после окончания работ должны быть промыты водой, а затем, при вертикальном положении двигателя, запиты индустриальным маслом И-40А или И-50-А в количестве 1.5-2 литров при медленном проворачивании по часовой стрелке выходного вала до выхода масла через подшипниковый узел шпиндельной секции (по наружной поверхности выходного вала).
1. Профилактический осмотр проводится в следующем порядке:
1) произвести наружный осмотр деталей и присоединительных резьб двигателя (вмятины и трещины не допустимы);
2) отсоединить переводник и секцию рабочих органов от секции шпиндельной;
3) извлечь ротор из статора и проверить натяг в зубчатом зацеплении пары ротор-статор;
4) проверить осевой и радиальный люфты вала шпиндельной секции (предельно допустимый осевой люфт 4 мм, радиальный 2мм);
5) проверить затяжку пакета деталей на валу шпинделя (сжатие пакета деталей на валу производится за счет превышения на 2-2.5 мм высоты регулировочного кольца на 1.5-2 мм против номинального значения);
6) проверить затяжку пакета деталей в корпусе шпинделя {сжатие пакета деталей в корпусе производится за счет превышения высоты регулировочного кольца на 1.5-2 мм против номинального значения);
7) собрать двигатель.
2 . Текущий ремонт производится в следующем порядке:
1) произвести полную разборку двигателя, детали промыть;
2) произвести отбраковку деталей в соответствии настоящего паспорта, изношенные детали заменить новыми;
3) произвести сборку двигателя.
3. Отбраковка изношенных узлов и деталей при ремонте:
3.1 Секция рабочих органов:
1) у статора проверить целостность резиновой обкладки; при помощи калибр-пробки из комплекта инструмента из комплекта инструмента принадлежностей измерить диаметр обкладки по выступам зубьев(da l);в случае повреждения или значительного износа резиновой обкладки статор отбраковать;
2) у ротора с помощью микрометра {с пределами измерения 5(-75мм) и шарика, замерить размер между впадиной и выступом зубьев(1=с-dшарика) в пяти местах по длине ротора и определить их среднее значение);
3) определить диаметральный натяг (зазор) по зубьям в рабочей паре ротор-статор: b=i-da(i)
Таблица 5.1 — Определение натягов (зазоров) рабочей пары в зубчатом зацеплении
|
Интервал температуры,°С |
до 60 |
от 60 до 80 |
от 80 до 100 |
|
|
Натяг (зазор) |
от 0 до +0.3 |
от -0.2 до +0.2 |
от -0.4 до 0 |
|
Примечание: знак «+» означает натяг, знак «-» зазор. Измерение натяга(зазора) в зубчатом зацеплении выполняется при температуре 20°С +/-5°С.
6. Проверочные расчеты
6.1 Расчёт геометрических и энергетических параметров двигателя
Расчёт контурного диаметра рабочих органов (диаметр статора по впадинам зубьев):
Вычислим эксцентриситет зацепления:
где С е =2 — коэффициент формы зуба [3];
С 0 =1,3 — коэффициент внецентроидности [3];
Z 1 =10 — число зубьев статора.
Расчитаем площадь живого сечения рабочих органов
Определим шаг винтовой поверхности:
3
n = 102 об/мин — частота вращения вала шпинделя;
Z 2 = 9 — число зубьев ротора.
Вычислим осевую гидравлическую нагрузку:
6.2 Расчёт витков резьбы РКТ — 177 на прочность
Определим напряжение среза витков резьбы:
где d 1 — внутренний диаметр резьбы РКТ — 177;
- Р — шаг резьбы;
К п — коэффициент полноты резьбы;
К н — коэффициент учитывающий неравномерность распределения нагрузки между витками:
Таблица 8.1 — Статистический ряд
|
Интервал, ч |
Середина интервала, t i , ч |
Частота n i |
Опытная вероятность p i =ni /n |
F(t)=(n i /n) |
f(t)=p i /t |
|
|
110-132 |
121 |
5 |
0,0375 |
1 |
0,0033 |
|
|
t |
0 |
11 |
22 |
33 |
44 |
55 |
66 |
77 |
88 |
110 |
132 |
|
|
f(t) |
0 |
0.0132 |
0.0150 |
0.0140 |
0.0121 |
0.0096 |
0.0072 |
0.0052 |
0.0036 |
0.0015 |
0.0006 |
|
|
t |
0 |
11 |
22 |
33 |
44 |
55 |
66 |
77 |
88 |
110 |
132 |
|
|
P(t) |
1 |
0,8958 |
0,7357 |
0,5716 |
0,4248 |
0,3038 |
0,2101 |
0,1408 |
0,0918 |
0,0360 |
0,0128 |
|
|
t |
0 |
11 |
22 |
33 |
44 |
55 |
66 |
77 |
88 |
110 |
132 |
|
|
F(t) |
0 |
0,1042 |
0,2643 |
0,4284 |
0,5752 |
0,6962 |
0,7899 |
0,8592 |
0,9082 |
0,964 |
0,9872 |
|
|
t |
0 |
11 |
22 |
33 |
44 |
55 |
66 |
77 |
88 |
110 |
132 |
|
|
(t) |
0 |
0,0014 |
0,0203 |
0,0244 |
0,0284 |
0,0315 |
0,0342 |
0,0369 |
0,0392 |
0,0416 |
0,0468 |
|
|
t, z |
P(t) теор |
P i |
F(t) теор |
F(t) опытн |
D=F(t) т -F(t)o |
|
|
132 |
0,0128 |
0,0232 |
0,09872 |
1 |
0,0126 |
|
Из таблицы 3.6 следует, что D max =0,0319, тогда параметр распределения =Dmax =0,37.
По таблице 10 [3] находим Р()=1, т.е. гипотеза о распределении Вейбулла подтверждается.
Вывод: закон распределения Вейбулла выбранный формально по внешним признакам, а именно по видам кривых, оказался верным. Это доказывает найденные вероятности по критериям Пирсона и Колмогорова. Найденная вероятность по критерию Пирсона Р=0,7?0,1, что не отвергает выбранную гипотезу. Найденная вероятность по критерию Колмогорова не противоречит опытным данным при n=132 Р()=1. Следовательно, проверка гипотез о правильности выбранного закона с помощью выше приведенных критериев принимается. По графику плотности распределения f(t) нашли интервал нормальной работы. По графику вероятности безотказной работы P(t)=0,96 находим значения назначенного (7 часов) и при P(t)=0,9 гарантированного (11 часов) ресурсов. По графику интенсивности отказа (t) видно, что происходит отказ оборудования вследствие усталости. После 11 часов работы двигателя необходимо провести его техническое обслуживание.
7. Мероприятия по повышению надежности и износостойкости (снижению эксплуатационных затрат) Д-85
Наиболее важным показателем в работе винтовых забойных двигателях является наличие обратного клапана, так как именно из-за него предотвращается зашламование рабочих органов через долото и вал шпинделя. Под ведущую бурильную трубу необходимо размещать фильтр с отверстиями диаметром 5-6 мм и длиной 1.5-2 м. Желательна установка второго такого фильтра и над ВЗД. Это предотвратит забивание окалиной, если бурильный инструмент новый, или цементной коркой, остающейся на внутренней поверхности бурильных труб после цементирования. Также при бурении на воде целесообразно устанавливать переливной клапан на 2-3 свечи выше ВЗД для предотвращения шламования рабочих органов сверху через клапан при спуске его в призабойную зону, ВЗД могут работать на промывочных жидкостях различной плотности и вязкости: на воде (пресной, морской н пластовой), глинистых растворах плотностью до 2,2 т/см3 аэрированных жидкостях. Однако длительная и безотказная работа двигателя зависит от качества очистки промывочной жидкости, содержание песка в которой не должно превышать 1%. Повышенное содержание песка в промывочной жидкости (3% и более) приводит к интенсивному износу рабочих органов и резинометаллических деталей.
Для повышения стойкости резинометаллических деталей ВЗД рекомендуется вводить в промывочную жидкость смазывающие добавки, например на основе окисленного петролатума. Перед спуском в скважину каждый ВЗД опробуют над устьем с целью проверки легкости запуска и герметичности резьбовых соединений. ВЗД Должен запускаться плавно (при давлении на стояк путем медленного закрывания пусковой задвижки. На холостом ходу вращение вала ВЗД должно происходить без рывков и заеданий, а остановка при выключении насосов не должна быть резкой.
8. Технология ремонта (восстановления) рабочих элементов (вала, корпуса) ВЗД Д-85.
Технологический процесс капитального ремонта — это комплекс мероприятий по восстановлению работоспособности оборудования, выполняемый в определенной последовательности и включающий:
- I) приемку оборудования в ремонт;
- 2) моечно-очистные операции;
3) разборка оборудования на агрегаты, сборочные единицы и детали;
4) контроль, сортировка и ремонт деталей; 5) комплектация деталей;
6) сборка сборочных единиц, агрегатов и оборудования в целом;
7) обкатка и испытание после сборки, 8) окраска и сдача оборудования из ремонта.
Основной причиной выхода деталей из строя является износ. В большинстве случаев изношенные детали могут быть восстановлены и повторно использованы. Восстановление деталей — позволяет сократить сроки ремонта. Разработаны различные методы восстановления, каждый из которых имеет свою область применения.
Способы ремонта изношенных деталей:
1) механическая обработка; 2) обработка давлением; 3) сварка; 4) наплавка; 5) металлизация; 6) гальваническое наращивание; 7) пайка; 8) перезаливка антифрикционных сплавов; 9) покрытие пластмассами; 10) склеивание.
Детали ремонтируются путем восстановления формы, и чистоты изношенных поверхностей за счет изменения первоначальных размеров. Метод наращивания является более выгодным. Выбор того или иного метода восстановления определяется техническими возможностями его применения, и экономической целесообразностью.
Стоимость восстановленной детали должна быть меньше стоимости новой. Выработка и выход из строя подшипников скольжения или качения, а также, коррозионные оспины, появление рисок и надиров при попадании мелких посторонних частиц во вкладыши подшипников вместе со смазкой приводят к износу шеек валов. Шейки вала, работающего в подшипниках скольжения, обычно вырабатываются неравномерно и в продольном сечении принимают форму конуса, в поперечном — эллипса. Шейки вала, работающего в подшипниках качения, изнашиваются при протачивании внутренней обоймы подшипника на валу вследствие послабления при изготовлении или выработке посадочных мест в процессе эксплуатации насоса.
В зависимости от износа посадочных мест валов применяют следующие методы восстановления: хромирование при износе посадочных мест до 0,3 мм; осталивание (железнение) с последующим шлифованием при износе посадочных мест до 0,8 мм; наплавку при износе посадочных мест более 0,8 мм.
Восстановление и упрочнение валов и ротора наплавкой значительно увеличивают срок их службы, обеспечивают большую экономию запасных частей, сокращение затрат на ремонт оборудования. Известны различные способы наплавки — электродуговая, электрошлаковая, газовая, термитная, трением, электронно-лучевая и др. Валы восстанавливают обычно электродуговой наплавкой, не вызывающей деформации обрабатываемых изделий. Для восстановления изношенных валов можно также использовать наплавку трением. Этот процесс по затратам электроэнергии значительно экономичнее электродугового.
В ремонтном производстве для восстановления валов и роторов часто применяют электродуговую наплавку под слоем флюса, в среде диоксида углерода, в струе охлаждающей жидкости, с комбинированной защитой дуги, порошковой лентой и др. Автоматическую электродуговую наплавку под слоем флюса широко применяют для наплавки валов и роторов, изготовленных из нормализованных и закаленных среднеуглеродистых и низколегированных сталей, а также из малоуглеродистых сталей, не подвергающихся термической обработке, имеющих износ от 0,3 до 4,0 мм при однослойной наплавке и свыше 4 мм — при многослойной. Производительность процесса очень высока. Валы диаметром до 50 мм этим способом восстанавливать сложно, так как шлак, не успев затвердеть, стекает с наплавляемого изделия.
Электродуговая наплавка в среде диоксида углерода широко распространена в ремонтном производстве для восстановления валов и роторов диаметром до 40 мм.
Автоматическая наплавка порошковой проволокой, которая позволяет наносить слой металла любого химического состава и получать закалочные структуры различной твердости, получила широкое распространение в последнее время.
Автоматическая наплавка ленточным электродом и порошковой лентой в 2-3 раза производительнее, чем обычной электродной проволокой, н дает возможность за один ход аппарата наносить слой металла шириной до 100 мм, толщиной 2-8 мм. Этим способом нельзя наплавлять валы малого диаметра. Тугоплавкие сплавы наплавляют плазменным способом, который производительнее других способов.
В последние годы разработаны новые способы наплавки с комбинированной защитой дуги и сварочной ванны для устранения отдельных недостатков того или иного способа восстановления.
При восстановлении посадочных мест вала и ротора ручной электродуговой наплавкой поврежденное место вала и ротора протачивают на станке на величину наиболее глубоких повреждений. Затем наплавляют вал до нужных размеров с учетом последующей проточки и шлифовки. Наиболее ответственная операция — наплавка вала и ротора. Кроме ручной применяют автоматическую электродуговую наплавку вибрирующим электродом. Головки для наплавки ГВМК-1 выпускают с вылетом мундштука до 50 мм. Иногда наплавку вала целесообразно проводить без снятия рабочих колес. В этих случаях для головки изготовляют мундштук длиной 250 — 300мм. Восстановление валов вибродуговой наплавкой показано на рисунке 7.
При наплавке лентой от проплавления основного металла зависит степень его перемешивания с наплавленным. Благодаря постоянному перемещению дуги глубина проплавления основного металла при наплавке лентой меньше, чем при наплавке проволокой. Наибольшее влияние на глубину проплавления и перемешивания основного металла с наплавленным оказывает скорость наплавки с ее ростом увеличивается глубина проплавления, уменьшаются ширина и толщина наплавляемого валика.
Рисунок 6 — Приспособления для наплавки валов спиральным валиком:
1 — планка; 2 — вал; 3- плита; 4 — стойка; 5 — барашек.
Рисунок 7 — Восстановление валов автоматической электродуговой наплавкой вибрирующим электродом:
1- рабочие колеса; 2- вал; 3- головка для наплавки.
