1 Литературный обзор и патентная проработка по осевой опоре забойного двигателя

1.1 Технические характеристики винтовых забойных двигателей

Увеличение удельного веса бурения с применением ВЗД объясняется появлением на рынке нового поколения шарошечных долот, развитием технологии бурения, а также важными эксплуатационными преимуществами ВЗД:

-оптимальные характеристики (низкие частоты вращения при высоком крутящем моменте), обеспечивающие эффективную отработку долот различного типа;

-небольшой перепад давления, позволяющий использовать гидромони-торные долота при существующем насосном парке;

-возможность контроля режимов бурения по давлению;

-минимальные осевые габариты, позволяющие использовать ВЗД при бурении наклонно - направленных и горизонтальных скважин по различным радиусам искривления;

-малодетальность, простота сборки и ремонта деталей.

В большинстве современных двигателей используются удлинённые винтовые рабочие пары ,,ротор - статор“, позволяющие развивать большие моменты на выходном валу двигателя и мощности, необходимые для эффективной работы современных долот и другого инструмента, например фрезеров и райберов. Кроме повышенной мощности и момента применение удлинённых рабочих пар позволяет уменьшить контактные напряжения, снизить темп износа рабочих поверхностей, а также создаёт возможность отработки пар до больших зазоров.

Для расширения эксплуатационных возможностей в двигателях могут применяться рабочие пары с различным кинематическим отношением (числом зубьев ротора и статора). Основное преимущество таких ВЗД – возможность при эксплуатации целенаправленно варьировать выходными характеристиками.

Технические характеристики винтовых забойных двигателей представлены в таблице 1.1, где:

Д – двигатели общего назначения для бурения и капитального ремонта;

ДО – двигатели – отклонители;

ДР – двигатели – отклонители с регулируемым механизмом искривления;

ДГ – двигатели – отклонители для горизонтального бурения;

ДВ – двигатели с повышенной частотой вращения;

ДК – многофункциональные двигатели для капитального ремонта скважин.

1.2 Патентная проработка взд

С каждым годом разрабатываются более усовершенствованные конструкции винтовых забойных двигателей.

Известен многозаходный героторный винтовой механизм ВЗД (авторское свидетельство №436944), содержащий рабочие органы в виде статора с внутренними винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше, чем у статора. Ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета. Для создания минимального контактного давления в паре ротор-статор рабочие органы выполнены с отношением величины эксцентриситета зацепления к радиусу впадины зуба статора 0,3 – 0,85 и с отношением эксцентриситета зацепления к радиусу подвижной начальной окружности 0,9 – 0,98.

Недостатком многозаходного винтового героторного механизма винтового забойного двигателя является то, что при оценке минимального контактного давления не учитывался пространственный характер винтового зацепления, в результате чего при малых значениях хода винтовой линии статора возникали условия, приводящие к самоторможению механизма.

Указанный недостаток частично устранён в известном героторном механизме винтового забойного двигателя патент №926209 (см. рис. 1.1). Для исключения явления самоторможения в механизме и улучшения его пусковых характеристик шаг t винтовой поверхности рабочего органа и средний диаметр D_ср винтовой поверхности рабочего органа связаны соотношением t/D_ср=5,5-12.

1 2 4 3 6 7 5

Рисунок 1.1–Винтовой забойный двигатель:

1- ротор; 2 - статор; 3 - корпус; 4 - шарнирное соединение;

5 - полый вал; 6 - радиальные подшипники; 7- упорный подшипник

Вышеуказанный героторный механизм удовлетворительно работает в винтовом забойном двигателе во всех режимах, кроме режима, близкого к тормозному. Изгибная жёсткость зуба статора, подверженного действию окружных сил и перепада давления, оказывалась недостаточной для обеспечения нормальной работы механизма, так как под действием перепада давления и окружных сил зубья статора получали чрезмерную деформацию и происходило «заклинивание» зубьев ротора с деформированными зубьями статора, что приводило к полному торможению двигателя.

В патенте №2165531 «Героторный механизм винтового забойного двигателя» от 20.04.01 ставится задача создания героторного механизма винтового забойного двигателя, в котором устранены выше указанные недостатки и который обеспечивает повышение энергетической характеристики, надёжности и долговечности за счёт повышения изгибной жёсткости зубьев статора.

Эта задача решается за счёт того, что в торцевом сечении, перпендикулярном оси героторного механизма, толщина C_t зуба статора по среднему диаметру D_ср зубьев и окружной шаг S_t этих зубьев связаны соотношением C_t /S_t = 0,45 – 0,65, а толщина C_N зуба статора по среднему диаметру D_ср и радиальная высота h зуба статора связаны соотношением