ОСНОВНЫЕ ПРИЧИНЫ ОТКАЗОВ И ИЗНОСА УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ ВЗД
Опыт использования ВЗД в бурении и капитальном ремонте скважин показывает, что двигатель может потерять работоспособность вследствие:
износа рабочих органов;
Таблица 12.1 Причины отказов и износа узлов и деталей ВЗД
| Деталь (узел) | Причина отказа | ||||
| высокая продольная вибрация | высокая поперечная вибрация | высокое содержание песка | чрезмерная нагрузка на долото | чрезмерный расход жидкости | |
| Ротор
Статор
Универсальный шарнир
Гибкий вал
Соединение гибкого вала с ротором
Осевой подшип- ник шпинделя
Радиальный под- шипник шпинделя
Выходной вал
Корпусные резьбы
Переливной клапан |
О
О
О
О
О • О
|
О
О
• О
• О
| • • О
О
О
| О О • • • • | О
О
•
|
| • | |||||
|
| |||||
повреждения резиновой обкладки или отрыва ее от металлической арматуры;
шламования рабочих органов; слома торсиона и карданных валов; износа и заклинивания осевой опоры; износа радиальной опоры; разъединения элементов роторной группы; разъединения корпусных и других резьб; слома выходного вала; неисправности переливного клапана.
Среди многообразия эксплуатационных причин отказов и износа деталей ВЗД для каждой из них можно выделить основную и второстепенные (табл. 12.1).
|
|
|
ХАРАКТЕРНЫЕ ВИДЫ ИЗНОСА
В процессе стендовых испытаний и эксплуатации ВЗД было установлено, что в зависимости от режимов его работы, свойств и состава бурового раствора наблюдаются различные виды износа рабочих поверхностей статора и ротора [1]:
фрикционныйот трения металлического профилированного ротора по сопряженной поверхности резиновой обкладки статора. Фрикционный износ деталей повышается в связи с увеличением нагрузки и скорости скольжения в РО;
усталостныйот высоких циклических нагрузок, приводящих при значительных контактных напряжениях и многократных деформациях к теплообразованию и химическим изменениям в поверхностном, наиболее деформируемом слое. Этому виду износа подвержена только резина. Усталостный износ не приводит к появлению на поверхности трения видимых следов. При заданной частоте вращения снять усталостный износ можно выбором рационального кинематического отношения РО, а также специальной конструкцией резиновой обкладки статора;
абразивный,вызываемый наличием в промывочной жидкости механических примесей, в особенности песка. Износ этого вида обусловлен царапаньем поверхностного слоя материала острыми гранями абразива или твердых выступов шероховатой поверхности контртела. На изношенной поверхности образуются царапины, направление которых совпадает с направлением скорости скольжения.
|
|
|
При прочих равных условиях абразивный износ частично увеличивается при уменьшении эластичности резины и повышении ее твердости. Из опыта эксплуатациии ВЗД известно, что для снижения абразивного износа необходимо обеспечить удовлетворительную очистку бурового раствора от песка, а также установку фильтра в ведущей трубе бурильной колонны.
В инструкциях ряда компаний указывается, что повышенное содержание песка в буровом растворе от 0,5 до 3 % увеличивает абразивный износ в 2-3 раза;
гидроабразивный, вызываемый высокой скоростью потока жидкости, содержащий механические примеси, в каналах (шлюзах) и щелевых зазорах РО (проточной части контактной линии).
В ВЗД скорость жидкости в каналах, как правило, не превышает 10 м/с, но в щелевых зазорах при тормозном режиме она может достигать 50 м/с. При таких скоростях износостойкость резины значительно выше износостойкости стали. Гидроабразивный износ РО интенсифицируется при содержании в буровом растворе механических примесей и при работе ВЗД на утяжеленном буровом растворе.
|
|
|
Анализ условий эксплуатации забойных двигателей и характера изношенных деталей РО демонстрирует вероятность сочетания нескольких видов износа. При различных условиях и режимах нагружения ВЗД тот или другой вид износа превалирует и является определяющим.
Фундаментальные исследования износа моделей РО двигателя и образцов резины в лабораторных условиях проводились во ВНИИБТ С.А. Ганелиной [80].
В промысловых условиях исследования велись эпизодически. Значительный интерес представляет наблюдение за текущим износом РО в процессе отработки ВЗД с одним статором. Испытываемые РО были установлены в двигатель ДЗ-172 и отрабатывались в Нефтекумском УБР объединения "Ставропольнефте-газ".
Использовался глинистый раствор плотностью 1,20-1,24 г/см3 и вязкостью 30-35 с по СПВ-5, в котором содержалось 2-4 % песка и до 9 % нефтепродуктов. Температура на забое 80-90 °С. Статор с эластичной обкладкой из резины ИРП-1226 отработал в общей сложности 457 ч.
Прогрессирующий износ обкладки был равномерным, что позволило помимо основного ротора использовать еще 4 дополнительных ротора. Усредненный диаметральный износ обкладки составил 4 мм. Стендовая характеристика, снятая после 369 ч работы статора с четвертым ротором, подтвердила, что двигатель сохраняет нагрузочную способность.
|
|
|
Описанный выше эксперимент, повторенный в других регионах, позволил разработать и осуществить в промышленном масштабе методику восстановления работоспособности РО путем изготовления ремонтных деталей (статоров при неизменном роторе либо роторов без смены статоров) [5].
ПУТИ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ВЗД
Современные конструкции отечественных двигателей не в полной мере отвечают возрастающим требованиям технологии бурения и ремонта скважин.
Относительно небольшой межремонтный период, связанный с износом рабочих органов и опор шпинделя, а также недостаточная надежность гибких валов и шарниров предопределяют необходимость продолжения опытно-конструкторских работ по усовершенствованию двигателей.
1. Среди конструктивных путей приоритетными являются работы по созданию многошаговых рабочих органов. Целесообразность перехода на многошаговые конструкции подтверждена теоретическими и экспериментальными исследованиями.
Наиболее оптимальной конструкцией являются монолитные РО, однако технический уровень отечественного производства позволяет изготавливать статоры длиной не более 2,5-3 м, что соответствует 2-3 шагам винтовой поверхности РО.
Передовые машиностроительные компании за рубежом ("Roper Pumps", "Robbins & Myers" и др.) выпускают РО длиной 5 м и более.
Многошаговые РО также могут быть выполнены в виде набора элементов (модулей) статора и ротора, аналогичного конструкции турбобура или в виде отдельных секций РО, последовательно соединенных валами и наружными переводниками.
Переход на многошаговые конструкции позволит не только снизить контактные напряжения и повысить долговечность РО, но и обеспечить требуемый для заданного крутящего момента перепад давления при пониженных расходах бурового раствора.
Увеличение долговечности РО может быть достигнуто путем компенсации износа. Среди известных схем компенсации износа не потеряла своей актуальности схема с коническими РО [93]. Эта схема позволяет компенсировать износ как диаметральный, так и по профилю зуба.
В 70-е годы ВНИИБТ разработал две конструкции ВЗД с коническими РО: в одной из них при износе путем соответствующей регулировки ротор перемещается в осевом направлении для достижения заданного натяга; другая - предусматривает автоматическое перемещение ротора по мере износа РО. Несмотря на о что конструкция по первому варианту прошла стендовые испытания (зафиксированные характеристики ВЗД оказались близкими к серийным), работы по коническим РО остались незаконченными.
2. Использование ВЗД в наклонно направленном и горизонтальном бурении выявило серьезные проблемы шпинделя, прежде всего его радиальных опор. Долговечность опор шпинделя, особенно шпинделей с укороченной длиной, снизилась в несколько раз. Обычные способы (цементация с закалкой и др.), применяемые в отечественной практике, не принесли существенного прогресса.
Некоторые зарубежные фирмы (например, "Black Мах") перешли на использование маслонаполненного шпинделя, сложность которого оправдывается для конструкций ВЗД, специально предназначенных для бурения ГС.
Усовершенствование технологии изготовления узлов и деталей является одним из главных путей совершенствования ВЗД.
В современных зарубежных двигателях широко применяются осевые и радиальные опоры с современной упрочняющей технологией [157, 174]. Радиальные опоры изготавливаются с твердосплавными вставками из карбида вольфрама мелких фракций в прочной матрице, что обеспечивает высокую износостойкость и отсутствие растрескивания при больших ударных нагрузках. В шпинделях, используемых в двигателях для горизонтального бурения, осевые опоры качения заменены опорами скольжения с алмазным покрытием, которые выдерживают значительно более высокие нагрузки и занимают меньше места.
3. По мере расширения области и объема выпуска двигателей отечественные и зарубежные производители двигателей постоянно совершенствуют технологию производства.
Для роторов используются износостойкие и коррозионно-стойкие покрытия.
В отечественной практике в первые годы эксплуатации ВЗД роторы изготавливались исключительно из коррозионно-стойкой стали марок 20X13 и 40X13, в ряде случаев с последующей закалкой ТВЧ.
В 80-е годы в Сургутнефтегазе испытание проходили роторы, упроченные ионным азотированием. Были получены положительные результаты. Так, долговечность опытных образцов роторов двигателя ДЗ-172 возросла до 300-400 ч.
Однако за последние годы в России и за рубежом широкое применение получило твердостное хромирование, которое обеспечивает достаточную долговечность.
Для повышения выносливости деталей, подверженных циклическим нагрузкам, необходим переход на современную технологию их изготовления и новые материалы, что сопровождается увеличением стоимости ВЗД. В зарубежной практике для корпусов и валов начали применять новые высоколегированные стали. Исследования, в частности с использованием метода фотоупругости [159], позволили снизить концентрации напряжений. Это достигается повсеместным введением галтелей и зарезь-бовых разгрузочных канавок. Еще одним средством борьбы с развитием усталостных напряжений является дополнительная обработка деталей методом дробеструйной обработки или холодной обкатки.
К положительному результату может привести применение антикоррозионных покрытий наиболее ответственных деталей (гибких валов и валов шпинделя).
Для ответственных операций при бурении ГС с большой интенсивностью набора кривизны фирмой "Baker"выпускаются двигатели "Navi-Drill" с титановыми корпусами [167].
4. Оптимизация геометрических параметров ответственных узлов. Большой резерв увеличения долговечности двигателей и улучшения их характеристик заложен в оптимизации геометрии РО и гибкого вала.
ГЛАВА 13
Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 3762; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!