Стендовые характеристики винтовых забойных двигателей

 

 

Описание характеристик объёмных винтовых забойных двигателей, как

правило, проводится на основе экспериментальных исследований [3]. Совре-

менные программы бурения ведущих зарубежных и отечественных фирм пре-

дусматривают стендовые испытания каждого винтового забойного двигателя с

целью получения их фактических характеристик [4] (рисунок 1.10).

Несмотря на дополнительные затраты, это позволяет наиболее эффектив-

но использовать гидродвигатель, в частности обоснованно регулировать режим

промывки скважины и косвенно по давлению на стояке контролировать нагруз-

ку на долото, что, в конечном счёте, приводит к улучшению технико-

экономических показателей процесса бурения. Вместе с тем аналитические ме-

тоды описания и пересчёта характеристик винтовых двигателей также имеют

немаловажное значение для теории и практики бурения с использованием вин-

товых забойных двигателей, что подтверждается значительным числом публи-

каций отечественных и зарубежных авторов, посвящённых этой тематике.

 

 

22

 

 

0

 

 

1

 

 

2

 

 

3

 

 

4

 

 

5

 

 

6

 

 

7 М, кНм

Рисунок 1.10 – Стендовая характеристика винтового забойного двигателя (ДГ-155)

 

В общем случае аналитические методы описания характеристик винтовых

двигателей (n – М; Р – М), основанные на теории рабочего процесса винтовых

забойных двигателей и анализе их стендовых характеристик, можно условно

разделить на две группы:

1) аппроксимация зависимостей (размерных и безразмерных), связываю-

щих частоту вращения n, крутящий момент М и перепад давления Р винтовых

забойных двигателей с их геометрическими параметрами и показателями

свойств рабочей жидкости;

2) обобщение критериальных характеристик гидромашины.

В теории объёмных гидромашин, к которым относятся винтовые гидро-

двигатели, выделяют две основные (первичные) характеристики гидромашины,

строящиеся при постоянных значениях расхода, плотности и вязкости жидкости:

−

механическую, то есть зависимость между угловой скоростью, ω (частотой

вращения, n), и крутящим моментом, М, гидродвигателя;

−

гидравлическую, то есть зависимость между перепадом давлений, Р, в гид-

родвигателе и крутящим моментом, М.

По известным первичным характеристикам винтовых двигателей, полу-

чаемым при стендовых испытаниях, рассчитываются энергетические характе-

ристики гидродвигателя: зависимости мощности, N, и η (КПД) гидродвигателя

от крутящего момента.

 

23

 

В общем случае характеристики двигателя зависят от геометрических па-

раметров рабочих органов гидромашины (кинематического отношения, i, кон-

турного диаметра, D, v – числа шагов статора, натяга, δ, в паре ротор-статор),

расхода, Q, и показателей свойств рабочей жидкости (плотности, ρ, и условной

вязкости), а также физических параметров материалов пары ротор-статор

(плотности, модуля упругости).

Если в процессе бурения скважины не происходит замена винтового гид-

родвигателя, то переменными являются:

−

−

натяг в паре (вследствие износа рабочих органов);

показатели свойств рабочей жидкости (вследствие изменения технологиче-

ских режимов бурения).

Основополагающими исследованиями для описания характеристик являют-

ся два комплекса стендовых испытаний винтовых двигателей Д2-172М и Д1-195,

проведённые на полигонах ВНИИБТ в Москве и Перми (рис. 1.11).

 

 

Рисунок 1.11 – Характеристика винтовых забойных двигателей при различном расходе

жидкости Q 1< Q 2< Q 3

 

Проведённые испытания винтовых забойных двигателей позволяют сде-

лать два вывода, имеющих определяющее значение для аппроксимации харак-

теристик гидродвигателей:

1) механическая характеристика ω – М при любых параметрах гидродви-

гателей имеет нелинейный характер и описывается степенной функцией;

2) гидравлическая характеристика Р – М в области рабочих режимов дви-

гателя с достаточной точностью описывается линейной зависимости, причем

для данного гидродвигателя наклон характеристик Р – М практически не зави-

сит как от расхода и плотности жидкости, так и от натяга в паре.

 

24

 

Для определения границ экстремальных и оптимальных режимов винто-

вого двигателя необходимо исследовать функции N – М; η – М c целью нахож-

дения значений, обеспечивающих максимум мощности или КПД гидродвигате-

ля при различных α и K (рис. 1.12).

 

Рисунок 1.12 – Безразмерные энергетические характеристики ВЗД (α =2; K = 4)

 

 

Анализ характеристик винтовых двигателей различных типоразмеров при

различных показателях свойств рабочей жидкости позволяет сделать вывод о

«координатах» оптимального и экстремального режимов работы двигателя. Та-

ким образом, при разработке программ бурения с использованием винтовых за-

бойных двигателей необходимо стремиться так подбирать параметры режима

бурения (расход жидкости и осевую нагрузку на долото), чтобы попадать в оп-

тимальный интервал.