Исследование рабочего процесса и разработка научных основ расчета и проектирования одновинтовых гидравлических машин для нефтяной и газовой промышленности

• Автор: Балденко, Дмитрий Федорович
• Шифр специальности: 05.04.07
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 58 с. : ил.; 20х15 см

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
В диссертации, представленной в виде научного доклада, приводится основное содержание опубликованных в 1965 - 1999 годах работ автора, освещающих результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР) при создании одновинтовых гидравлических машин (насосов и гидромоторов) в нефтяной и газовой промышленности, обобщены исследования отечественных и зарубежных специалистов в данной области техники, отражены результаты внедрения гидромоторов, известных под термином "винтовые забойные двигатели" (83Д).
1.1. Актуальность проблемы. На начальной стадии работ по разработке ВЗД актуальность проблемы определялась общеотраслевой потребностью создания низкооборотного привода для эффективной отработки современных шарошечных долот.
Позднее, в связи с ростом объемов наклонно направленного бурения и динамичным развитием технологии бурения горизонтальных скважин и дополнительных стволов возникла необходимость разработки специальных ВЗД.
Актуальность исследований в области насосов объясняется переходом к эксплуатации малодебитных скважин в осложненных условиях (с повышенной вязкостью нефти и высоким газовым фактором), когда использование стандартных насосных установок становится неэффективным.
1.2. Связь темы диссертации с плановыми исследованиями. Исследования проводились в соответствии с Постановлениями Совмина СССР и приказами Миннефтепрома, тематическими планами ОКБ БН (1962-1969 гг., где в то время работал автор) и ВНИИБТ. В 90-е годы работы велись в рамках общеотраслевой программы "Горизонт", плана НИОКР ОАО "Газпром" и заданий нефтяных компаний "Роснефть", "Лукойл" и др.
1.3. Цель работы - повышение эффективности буровых и нефтепромысловых работ с использованием одновинтовых гидравлических машин (ВГМ) на базе исследования их рабочего процесса и разработки научных основ расчета и проектирования.
1.4. Основные задачи исследований:
- выполнить теоретические и экспериментальные исследования рабочего процесса ВГМ;
установить основные факторы, определяющие эффективность применения ВГМ и служащие критериями при оптимизации геометрических параметров рабочих органов:
- разработать научные основы расчета и проектирования ВГМ в двигательном и насосном режимах;
- выработать требования к проектированию специальных ВЗД для капитального ремонта скважин, бурения горизонтальных скважин и дополнительных стволов:
- обосновать целесообразность разработки одновинтовых насосов с многозаходными рабочими органами;
- провести анализ патентно-правовой политики отечественных и зарубежных компаний в области ВГМ.
1.5. Методика исследований. В работе использован комплекс методов, включающий аналитические исследования и стендовые испытания, статистические обобщения, математическую обработку результатов экспериментов, производственный эксперимент, технико-экономическую оценку эффективности, а также методику управления техническим уровнем разрабатываемых объектов Результаты воплощены в реальных конструкциях и методиках расчета ВГМ.
1.6. Основные научные положения, представляемые на защиту:
1. Основные аспекты теории рабочего процесса ВГМ.
2. Взаимосвязь кинематического отношения рабочих органов и основных технических показателей ВГМ.
3. Оптимальная плоская и пространственная геометрия ВГМ.

5. Обоснование технико-экономических преимуществ одновинтовых насосов с многозаходными рабочими органами.
6. Прогноз дальнейшего развития и совершенствования ВГМ и расширения областей их применения в нефтегазовой отрасли.
1.7. Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается подтверждением опытными данными, результатами высокоэффективного внедрения разработок в промышленность, подтверждением сделанных предложений и полученных результатов другими отечественными и зарубежными исследователями.
1.8. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований рабочего процесса:
- выявлены особенности действия сил в рабочих органах ВГМ;
- установлено наличие перекашивающего момента на роторе, приводящего к непостоянной ориентации последнего;
-установлены основные факторы, определяющие эффективность применения ВГМ и служащие критериями при оптимизации геометрических параметров рабочих органов;
- определено влияние кинематического отношения рабочих органов на характеристики ВГМ, показано преимущество многозаходных ВГМ в двигательном и насосном режиме;
- установлена физическая природа и закономерности неравномерности выходных параметров ВГМ (подачи и давления насоса, угловой скорости и крутящего момента двигателя);
- введены новые понятия и термины, характеризующие особенности рабочего процесса ВГМ (шлюз, межвитковый перепад давления, непостоянная ориентация ротора, перекашивающий момент).
2. Теоретически обоснована и практически подтверждена эффективность применения новых конструкторских решений: гибких валов (торсионов) в качестве

- при одинаковой длине насосов и развиваемом напоре кратно снизить межвитковый перепад давления на уплотнительных линиях, что приведет к повышению долговечности насоса;
- при одинаковых напорах и перепадах давления на уплотнительных линиях кратно уменьшить длину насоса, что дает возможность снизить затраты на изготовление и транспортировку насоса.
Стендовая характеристика многозаходного насоса в сравнении с одновинтовым насосом с / = 1:2, приведенная на рис. 13, подтверждает теоретические расчеты.
Экспериментальные образцы многозаходных штанговых винтовых насосов проходят испытания на промыслах Урало-Поволжья.
3. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
3.1. Объемы использования разработанных технических средств
Широкое применение ВЗД в отечественной практике бурения нефтяных скважин началось в середине 70-х годов, после освоения серийного производства двигателей. Наибольший опыт накоплен при бурении долотами диаметром 215,9 мм с использованием ВЗД с наружным диаметром 172 и 195 мм.
Основными изготовителями ВЗД в 70-80-ые годы были Кунгурский и Павловский машиностроительные заводы в Пермской области, а также завод "Прогресс"(Украина).
В последние пять лет помимо заводов в Пермской области заметную долю двигателей, в основном новых конструкций для капитального ремонта и бурения горизонтальных скважин, производят заводы НПО "Буровая техника" - Пермский филиал и Опытный завод ВНИИБТ.
По состоянию на начало 1999 г. ВЗД выполнено более 350 ООО рейсов шарошечными и алмазными долотами в интервале глубин от 100 до 5560 м и пробурено около 27 млн. метров горных пород. (табл.З, по данным ВНИИОЭНГ).
Таблица
Показатели Годы
1976-80 1981-85 1986-90 1991-95* 1996-98*
Объем бурения ВЗД, млн.м 0,4 5,3 12,6 6,5 2
Удельный вес в проходке нефтегазовых скважин, % 0,6 4,2 6,6 6,9 10
* Данные по России, без учета бурения в других странах СНГ.
Кроме того ВЗД выполнено 40 рейсов в уникальной Кольской сверхглубокой скважине СГ-3 в интервале глубин 4332 - 9040 м, а также около 100 рейсов в странах Восточной Европы и Юго-Восточной Азии.
Наибольшее распространение ВЗД получили в районе Урало-Поволжья, где они в течение последних 20 лет эксплуатируются в интервале глубин 700 -1800 м.