Исследование и оптимизация циклоидального зацепления рабочих органов винтовых забойных двигателей для бурения скважин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат наук Яо Ян

• Яо Ян
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Яо Ян

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ ВИНТОВЫХ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

1.1 Исследование и оптимизация циклоидального торцового профиля является одним из главных факторов повышения качества процесса проектирования и эксплуатационных показателей ВЗД

1.2 Китайский опыт разработки и исследования ВЗД

1.2.1 Развитие и распространение ВЗД в Китае

1.2.2 Патентная деятельность в области ВЗД в Китае

1.2.3 Исследование ВЗД в Китае

1.3 Мировой опыт разработки и исследования ВЗД

1.4 Основные направления развития ВЗД для бурения скважин

1.5 Существующие недостатки при проектировании РО ВЗД

1.6 Выводы по главе

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПРОФИЛИРОВАНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ВЗД С ЦИКЛОИДАЛЬНЫМ ЗАЦЕПЛЕНИЕМ

2.1 Геометрия плоского циклоидального зацепления

2.2 Образование исходного профиля

2.3 Образование сопряженного профиля аналитическим методом

2.4 Образование сопряженного профиля численным методом

2.5 Исследование смещения исходного контура рейки

2.5.1 Различие между двумя методами образования сопряженных профилей

2.5.2 Определение допускаемого интервала смещения в эквидистантных профилях

2.6 Выводы по главе

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛОЩАДЕЙ ОТДЕЛЬНЫХ КАМЕР РАБОЧИХ ОРГАНОВ ВЗД И ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ПЛОЩАДИ КАМЕР

3.1 Закон изменения площадей отдельных рабочих камер при движении ротора

3.2 Расчет площадей отдельных камер поперечного сечения численным методом

3.3 Исследование влияния безразмерных геометрических параметров на площади рабочих камер поперечного сечения

3.3.1 Исследование влияния геометрических параметров на площади отдельных рабочих камер при определенном внешнем диаметре статора

3.3.2 Исследование влияния многомерных безразмерных геометрических параметров на площадь живого сечение при определенном внешнем диаметре статора

3.3.3 Определение максимальной и минимальной площади живого сечения при модификации РО

3.4 Выводы по главе

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕМАТИКИ РАБОЧИХ ОРГАНОВ В ГИПОЦИКЛОИДАЛЬНОМ ЗАЦЕПЛЕНИИ И ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

4.1 Кинематика героторного механизма с неподвижным наружным элементом

4.2 Распределение скоростей поперечного сечения ротора

4.3 Определение точек касания профилей в поперечном сечении численным методом

4.4 Исследование скорости точек касания при движении ротора

4.5 Влияние безразмерных геометрических параметров на скорости точек касания

4.6 Выводы по главе

ГЛАВА 5 ОПТИМИЗАЦИЯ БЕЗРАЗМЕРНЫХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ПРОФИЛИРОВАНИИ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ВЗД

5.1 Влияние безразмерных коэффициентов на форму циклоидального профиля и основные характеристики зацепления

5.2 Процесс проектирования и методика оптимизации профилей рабочих

органов ВЗД

5.3 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ, ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Приложение Д

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

Для разработки месторождений нетрадиционных углеводородов в Китае получила широкое распространение технология наклонно-направленного и горизонтального бурения скважин, в которой обычно применяется сочетание роторной управляемой системы и гидравлического винтового забойного двигателя (ВЗД). Китайская промышленность выпускает более 100 типоразмеров ВЗД для бурения и ремонта скважин в диаметральном габарите 43-296 мм для различного типа долот (шарошечных, PDC, алмазных) и профилей скважин.

Эксплуатационная эффективность работы ВЗД в современных технологиях бурения во многом определяется геометрическими и кинематическими параметрами его рабочих органов (РО), в качестве которых используется винтовой героторный механизм (пара ротор-статор с внутренним циклоидальным зубчатым зацеплением), который является основным узлом двигателя. Выбор оптимальных геометрических параметров торцового профиля РО является одним из главных факторов повышения качества проектирования ВЗД, технологии их изготовления и эксплуатационных показателей при использовании двигателей в различных условиях бурения нефтяных и газовых скважин с учётом требуемых характеристик породоразрушающего инструмента.

В теории рабочего процесса ВЗД и практике их практического применения основное внимание уделяется выбору кинематического отношения РО и формы их винтовой поверхности, в то время как вопросы непосредственного влияния геометрических параметров торцового профиля на характеристики циклоидального зацепления рассмотрены не в полной мере в соответствии с современными инновационными методами моделирования.

Так, в российской практике при проектировании РО ВЗД коэффициенты внецентроидности с0 и формы зубьев се, как правило, принимаются постоянными (стандартными), что ограничивает выбор оптимальных геометрических параметров и совершенствование характеристик двигателей. Это объясняется как

технологическими соображениями, так и отсутствием полномасштабных исследований влияния коэффициентов зацепления на геометрические и кинематические показатели. В Китае результаты в этой области техники были получены в основном с учётом практических исследований технологии изготовления РО ВЗД без глубокого обобщения теории циклоидального зацепления и методов профилирования РО, поэтому рассматриваемая тема сохраняет свою актуальность. В частности, разработанные в диссертационной работе методы построения сопряженного профиля и выбора оптимальных сочетаний коэффициентов зацепления могут быть использованы при проектировании ВЗД с модифицированным профилем РО для моментоемких долот типа PDC, импрегнированных алмазных долот или при разработке малогабаритных двигателей.

Соответствие паспорту заявленной специальности

Тема и содержание диссертационной работы соответствует паспорту специальности 05.02.13 «Машины, агрегаты и процессы» (нефтегазовая отрасль): пункту 1 - «Разработка научных и методологических основ проектирования и создания новых машин, агрегатов и процессов; механизации производства в соответствии с современными требованиями внутреннего и внешнего рынка, технологии, качества, надежности, долговечности, промышленной и экологической безопасности».

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и оптимизация циклоидального зацепления рабочих органов винтовых забойных двигателей для бурения скважин»

Цель работы

Разработка численных методов анализа и оптимизации геометрических и кинематических параметров рабочих органов винтовых забойных двигателей для повышения качества процесса проектирования и эксплуатационных показателей ВЗД.

В соответствии с поставленной целью циклоидальное зацепление сопряжённых торцовых профилей ротора и статора является основополагающим объектом исследования, определяющим характеристики и эксплуатационные показатели ВЗД в заданных условиях его применения.

Основные задачи исследования

1 Изучение методов профилирования циклоидальных торцовых профилей РО ВЗД в Китае, России и США. Анализ работ по оптимизации геометрических и кинематических параметров с использованием аналитических и численных методов.

2 Разработка методики построения торцовых профилей для общего случая циклоидального зацепления на основе программного обеспечения Matlab. Уточнение допускаемого интервала смещения исходного контура рейки и анализ отклонения между циклоидальным зацеплением от общего контура рейки и номинальным взаимоогибаемым зацеплением.

3 Расчет площадей отдельных рабочих камер поперечного сечения РО ВЗД и исследование баланса распределения отдельных камер в общей площади живого сечения.

4 Разработка метода расчета точек касания профилей на основе теории зубчатого зацепления. Анализ кинематических характеристик РО ВЗД и исследование влияния безразмерных геометрических коэффициентов на скорость контура ротора.

5 Разработка модели оптимизации геометрических параметров циклоидального торцового профиля на основе геометрических и кинематических критериев.

Методология и методы исследования

Поставленные задачи решались на основе аналитических и численных методов исследования с использованием компьютерных средств математического моделирования. Теоретические исследования циклоидального зацепления были проведены с учётом основных положений теории зубчатых зацеплений. Методика профилирования героторного механизма с внутренними циклоидальными зацеплением разработана для общего случая обкатки исходного контура рейки со смещением.

Построение циклоидальных профилей, расчёт площадей рабочих камер, определение координат точек касания и распределения скоростей точек ротора были проведены с помощью приложения Matlab. При анализе результатов расчета использовалось программное обеспечение Microsoft Excel.

Научная новизна

1 Предложен оригинальный метод определения координат внутренней огибающей семейства кривых исходного профиля с использованием алгоритма на основе производящей прямой, который упрощает процесс проектирования сопряженного профиля при разработке идеального взаимоогибаемого циклоидального зацепления.

2 Разработаны методы определения координат точек касания между торцовыми профилями РО и расчета площадей рабочих камер поперечного сечения, с использованием которых выполнен кинематический анализ циклоидального зацепления в широком диапазоне изменения геометрических параметров, а также исследовано влияние безразмерных коэффициентов профиля на площадь живого сечения РО и изменение площади камер при движении ротора.

3 Разработана феноменологическая модель оптимизации безразмерных геометрических коэффициентов торцового профиля с использованием целевой функции, составленной из безразмерных критериев, что обеспечило возможность применить вариативный подход к выбору геометрических параметров РО.

Основные защищаемые положения

1 Методика профилирования рабочих органов в общем случае циклоидального зацепления на основе производящей прямой для получения координат внутренней огибающей семейства кривых исходного профиля.

2 Анализ влияния геометрических параметров на эволюцию формы циклоидальных профилей и площадь поперечного сечения РО с использованием численного метода расчета площадей отдельных камер.

3 Исследование кинематических характеристик точек контура ротора и влияния геометрических параметров на скорости контактных точек на основе метода расчета координат точек касания торцовых профилей при движении ротора. Обоснование использования суммарной скорости точек касания как интегрального показателя взаимодействия циклоидальных РО.

4 Модель оптимизации торцовых профилей РО с использованием безразмерной целевой функции, составленной из геометрических и кинематических критериев.

Теоретическая и практическая значимость работы

1 Выполненные исследования уточняют основные положения теории внутреннего циклоидального зацепления, используемого при профилировании рабочих органов ВЗД для бурения нефтяных и газовых скважин, что позволяет на стадии проектирования оценивать влияние различных геометрических параметров на качественные и количественные эксплуатационные показатели ВЗД.

2 Для оценки скоростей различных точек сечения ротора предложено понятие радарной карты скорости, что даёт возможность исследования закона изменения скорости точек ротора при его движении.

3 Необходимые сочетания безразмерных коэффициентов зацепления, обеспечивающие достижение оптимальных геометрических и кинематических параметров РО, позволяет проводить дальнейшее совершенствование конструкций ВЗД для различных условий бурения.

4 Численные методы расчёта исходного и сопряженного профиля, площади рабочих камер, координат и скоростей точек касания в зубчатом циклоидальном зацеплении могут быть использованы в процессе проектирования ВЗД, а также героторных гидравлических машин (насосов и гидромоторов) с плоским циклоидальным профилем зубьев. Отдельные разделы диссертации были использованы в качестве учебно-методического пособия для подготовки студентов и аспирантов по дисциплине «Машины и оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин» (см. приложение к работе).

Степень достоверности и апробация результатов

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научных конференциях: 74 -я международная молодежная научная конференция «Нефть и газ - 2020», (Москва, 2020); 75-я международная молодежная научная конференция «Нефть и газ - 2021», (Москва, 2021).

Публикации

По тематике диссертации автором опубликовано 9 печатных работ, в том числе 4 статьи в ведущих научных рецензируемых изданиях, рекомендованных

ВАК Минобрнауки РФ. Опубликованные материалы охватывают все научные результаты, полученные во время работы над диссертацией.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы, приложений, изложенных на 151 страницах, включая 72 рисунка, 14 таблиц и список использованной литературы из 92 наименований.

Благодарности

Автор выражает признательность своему научному руководителю, к.т.н., доц. Балденко Ф.Д. за стратегическое направление в работе, ценные рекомендации, плодотворные консультации и постоянное внимание. Автор благодарен заведующему кафедрой машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности, д.т.н., профессору Ивановскому В.Н. за организационную помощь, методические советы и наставления. Автор благодарен ученым Уфимского государственного нефтяного технического университета за ценные советы при обсуждении и оформлении работы.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ ВИНТОВЫХ

ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

1.1 Исследование и оптимизация циклоидального торцового профиля является одним из главных факторов повышения качества процесса проектирования и эксплуатационных показателей ВЗД

Винтовые гидравлические машины с внутренним пространственным циклоидальным зацеплением рабочих органов (РО) широко применяются в современной нефтегазовой промышленности в качестве одновинтового насоса для добычи нефти и винтового забойного двигателя (ВЗД) для бурения и ремонта нефтяных и газовых скважин [1-4]. Винтовые забойные двигатели по принципу действия и конструкции относятся к объемным роторно-вращательным гидромашинам.

Между ротором и статором образуются изолированные герметичные рабочие камеры, когда буровой раствор проходит через РО, между рабочими камерами создаётся перепад давлений, что приводит к образованию крутящего момента и вращению ротора и выходного вала, связанного с долотом. В процессе разрушения горной породы ВЗД преобразует энергию давления жидкости в механическую энергию разрушения горной породы долотом. В технической литературе рабочие органы одновинтовых забойных двигателей с планетарным движением ротора также именуют термином «винтовой героторный механизм».

Основными элементами конструкции ВЗД являются двигательная секция, шпиндельная секция, шарнирные соединения (Рисунок 1.1). Основным компонентом является рабочий орган, генерирующий механическую энергию, который состоит из обрезиненного статора и металлического ротора. Ротор представляет собой стальной стержень с износостойким покрытием на винтовой поверхности.

Рабочие винтовые поверхности ротора и статора находятся в пространственном циклоидальным зацеплении с образованием линии контакта по всей длине РО. Разумный выбор параметров циклоидального профиля статора и

ротора должен обеспечивать их взаимоогибаемость, герметичность рабочих камер и рациональные трибологические характеристики в паре ротор-статор [5].

Рисунок 1.1 - Схема конструкции ВЗД

Как объемная гидравлическая машина ВЗД отличается двумя особенностями своей характеристики [6]:

1 Теоретический крутящий момент связан с перепадом давления бурового раствора и не зависит от частоты вращения долота. Таким образом, состояние крутящего момента ВЗД можно оценить по данным о давлении в стояке, которое легче контролировать во время бурения;

2 Теоретическая частота вращения связана только с расходом бурового раствора, поскольку для определённых РО площадь живого сечения не изменяется за один оборот. Когда расход бурового раствора постоянный, частота вращения теоретически не изменяется, независимо от нагрузки на долоте.

Эти две особенности указывают на то, что ВЗД обладает жесткими механическими характеристиками и может генерировать большой крутящий момент на низких частотах вращения. Важным эксплуатационным преимуществом ВЗД по сравнению с турбобурами является отсутствие влияния на их характеристики точности осевого положения между ротором и статором, что снижает требования к осевой регулировке и затяжке резьбовых соединений забойного двигателя для различных условий бурения [7; 8]. ВЗД подходит для моментоемких долот типа PDC, импрегнированных алмазных долот. Кроме того, длина ВЗД обычно меньше длины турбинных двигателей. С помощью роторной управляемой системы, горизонтальные и направленные скважины могут быть

эффективно завершены. В последние годы, большее внимание уделяется эксплуатации нетрадиционных углеводородных коллекторов и количество горизонтальных и наклонно-направленных скважин также увеличивается. Поэтому ВЗД широко применяется, и является главным забойным двигателем в настоящее время [1; 2; 9; 10].

Эффективное использование моментоемких долот типа PDC или импрегнированных алмазных долот возможно при наличии мощных винтовых забойных двигателей, что тоже обеспечивает необходимые требования по надежности и долговечности при бурении скважин [11; 12; 13]. Рабочий орган в качестве источника, генерирующего механическую энергию, является одним из важных узлов в винтовых забойных двигателях, поэтому эксплуатационная эффективность работы ВЗД в современных технологиях бурения во многом определяется геометрическими и кинематическими параметрами РО.

Геометрические и кинематические параметры профилей РО непосредственно влияют на эксплуатационные показатели ВЗД в процессе работы. Например, площадь живого сечения, определенная геометрическими параметрами торцовых профилей, влияет на рабочий объем, частоту вращения и крутящий момент; точки касания поперечного сечения между ротором и статором влияют на фрикционные характеристики при движении ротора. Выбор оптимальных геометрических параметров торцового профиля РО является одним из главных факторов повышения качества проектирования ВЗД, технологии их изготовления и эксплуатационных показателей при использовании двигателей в различных условиях бурения нефтяных и газовых скважин с учётом требуемых характеристик породоразрушающего инструмента.

Цель разработки винтовых двигателей с равной толщиной статора в основном представляет собой обеспечение идеального взаимоогибаемого циклоидального зацепления между ротором и статором. ВЗД с равной толщиной стенки показывает лучшие эксплуатационные характеристики при сложных условиях бурения по сравнению с традиционным ВЗД. Оптимальные эксплуатационные характеристики ВЗД обеспечивают долговечность инструмента

при буровых работах, в противном случае, двигатель будет быстро изнашиваться и приведет к разрушениям, что вызовет серьезные экономические затраты [11].

Как следствие, исследование и оптимизация циклоидального торцового профиля является одним из главных факторов повышения качества процесса проектирования и эксплуатационных показателей ВЗД.

1.2 Китайский опыт разработки и исследования ВЗД

1.2.1 Развитие и распространение ВЗД в Китае

С учётом изменения стратегии разведки и разработки нефтегазовых месторождений и на основе совершенствования буровых технологий и типов скважин для добычи нетрадиционных нефтегазовых ресурсов структура и условия бурения скважин становятся все более сложными [14-21]. Например, при разработке месторождений сланцевого газа применяются горизонтальные скважины, при разработке метана угольных пластов - многозабойные скважины, при разработке морских нефтегазовых коллекторов - наклонно-направленные скважины. Доля наклонно-направленных и горизонтальных скважин в общем количестве скважин увеличивается в последние годы [1; 2]. Для решения задач строительства скважин в сложных геологических условиях техника и технология бурения развиваются в направлении информатизации, автоматизации, и интеллектуализации.

При бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин обычно применяют высокоэффективные комбинированные методы на основе сочетания роторной управляемой системы и винтового забойного двигателя [2; 20; 22]. Эта комбинация имеет следующие преимущества: высокая скорость разрушения породы, стабильность наклона, плоские стенки скважин и точная ориентация. Благодаря небольшой длине, низкой частоте вращения и высокому крутящему моменту винтовой забойный двигатель в наибольшей степени соответствует условиям наклонно-направленного и горизонтального бурения по сравнению с турбобуром в современной технологии бурения скважин.

Исследование ВЗД в Китае началось в конце 1970-х годов, когда были внедрены винтовые забойные двигатели DynaDrill и NaviDrill, которые использовались при бурении вертикальных скважин шарошечными долотами. Позже технология изготовления винтового забойного двигателя Dyna была разработана по лицензии на Пекинском нефтяном машиностроительном заводе (Beijing Petroleum Machinery Co.) и на машиностроительном заводе Dagang Oilfield. В 1978 году Пекинский научно-исследовательский институт разведки и разработки месторождений нефти впервые разработал опытный образец многозаходного забойного двигателя LZ165 диаметром 165 мм и с кинематическим отношением 3:4.

В 1980-х годах Китай, обладая определенными мощностями для производства винтовых двигателей, внедрял зарубежные технологии в сочетании с собственными методами исследований и разработок. В 1982 году был произведен отечественный винтовой двигатель на Пекинском нефтяном машиностроительном заводе, и другие заводы тоже начинали производить многозаходные винтовые забойные двигатели [23; 24]. В том же году Научно-исследовательский институт технологии нефтехимического машиностроения в Шанхае успешно разработал винтовой забойный двигатель с наружным диаметром 197мм. В 1983 году Буровой машиностроительный завод Wuxi разработал малогабаритный винтовой забойный двигатель YL54 с наружным диаметром 54 мм в сотрудничестве с Пекинским геологоразведочным технологическим институтом [23; 24].

К настоящему времени в Китае в основном используют свои методы проектирования и производства ВЗД, а также подготовки специалистов в этой области техники на специализированных кафедрах в юго-западном нефтяном университете, северо-восточном нефтяном университете и китайском нефтяном университете. Основными производителями являются такие крупные компании как Bohai Zhongcheng Machinery Manufacturing Co., Beijing Petroleum Machinery Co., Tianjin Lilin Machinery Group Co. Некоторые фирмы разрабатывают специальные винтовые забойные двигатели, которые используются при бурении в сложных условиях.

В результате многолетних разработок и исследований ВЗД, выпускаемые

китайскими машиностроительными компаниями, достигли значительного прогресса как по своим характеристикам, так и по показателям надёжности. В ряде ведущих компаний-производителей с наибольшей долей рынка можно отметить: Bohai Zhongcheng Machinery Manufacturing Co., LTD. (30.2%), Beijing Petroleum Machinery Co., LTD. (18.5%), Tianjin Lilin Machinery Group Co., LTD. (11.9%). По статистике, общее количество типоразмеров ВЗД этих компаний в диаметральном габарите 43-296 мм превышает 300 позиций и отвечает основным требованиям современных технологий бурения нефтяных и газовых скважин [25; 26; 27].

1.2.2 Патентная деятельность в области ВЗД в Китае

Проведен поиск и анализ патентов на винтовые забойные двигатели под классификационными номерами E21B4/00, E21B4/02, E21B7/04, E21B7/06, E21B7/08, E21B17/00, E21B7/00 в базах данных CNABS и DWPI [28].

До 2000 года патентная активность Китая по проблематике ВЗД была очень низкой (менее 20 патентов), и скорость разработки была медленной. Количество заявок значительно увеличилось в период между 2000 и 2005 годами, что тесно связано с продвижением и развитием технологии наклонно-направленного бурения с использование ВЗД. С 2005 года количество патентных заявок на ВЗД в китайских приложениях составляет более 92% от общего числа заявок в области проектирования конструкции ВЗД. В течение этого периода технические средства наклонно-направленного и горизонтального бурения начали широко использоваться в нетрадиционных нефтегазовых месторождениях, в частности при добыче сланцевый газ, а поскольку ВЗД являлся важным элементом комплекса забойного оборудования для бурения направленных и горизонтальных скважин, то возросло общее количество исследований и патентных предложений в этой области техники (Рисунок 1.2).

С точки зрения содержания патентов основное внимание уделяется конструкции шпиндельной секции, карданного вала и регулятора угла. Кроме того, определенная часть патентов относится к устройству перепускного клапана для ВЗД, производству статора и ротора, а также к общей конструктивной схеме

забойного двигателя [28]. На сегодняшний день мало китайских патентов существуют по профилированию РО и оптимизации геометрических параметров. В большинстве существующих ВЗД применяются традиционные циклоидальные торцовые профили. Теоретические исследование профилирования торцовых профилей РО ВЗД отстает от развития современного моделирование проектирования.

Рисунок 1.2 -Патенты на ВЗД, выданных в Китае в период с 1986 по 2018 г

С точки зрения заявителя патенты на ВЗД в основном сосредоточены в нескольких университетах и фирмах-производителях бурового оборудования, включая Southwest Petroleum University, Tianjin Lilin Machinery, Bohai Zhongcheng Machinery Manufacturing и Beijing Petroleum Machinery, но не занимают абсолютной доли. Существует значительное число патентных заявок от малых и средних предприятий. Качество патентов неровное, и большинство из них не отвечает высоким требованиям. Ведущие предприятия до сих пор не вкладывают достаточных средств для исследований и разработок, а малые и средние предприятия еще находятся на стадии своего развития, а их независимые инновационные возможности ограничены.

1.2.3 Исследование ВЗД в Китае

По сравнению с зарубежным опытом исследования и конструирования разработка ВЗД началась в Китае с запозданием. Исследований по различным аспектам проектирования ВЗД и повышения их эксплуатационных характеристик выполнен китайскими учеными (Yi-Nao Su, Zhu-Zhuang Xie, Bang-Lie Wan, Xiao-Hua Zhu, Chang-Shuai Shi, Yu-Chun Kuang и др.) и организациями, которые внесли много вкладов в разработку ВЗД и их РО.

Су Инао (Su Yinao) и Се Чжучжуан (Xie Zhuzhuang) - ведущие китайские ученые в области теории ВЗД в восьмидесятых годах двадцатого века, выполнили комплекс исследований по профилированию рабочих органов ВЗД. Они систематически обсуждали вопросы теории и методы проектирования исходного и сопряженного торцового профиля с циклоидальным зацеплением. Кроме эквидистантных укороченных эпи- и гипоциклоидальных профилей, они предложили комбинированный профиль, который образуется как эпициклоидальный профиль на выступе и гипоциклоидальный профиль на впадине зубьев [29-36].

Се Чжучжуан отмечал, что до сих пор доказанные и используемые профили ротора и статора являлись только циклоидальными профилями, которые удобно выражаются одним универсальным уравнением. Он также считал, что кроме циклоидального профиля, другие профили (парабола, эвольвента, двойная скрутка, розетка т.д.) тоже можно применять в качестве исходных профилей при профилировании РО. Выступ и впадина ротора (статора) могут образовываться отдельно, и в том числе, только одна их часть определяется любым профилем (циклоидальным, эвольвентным, параболическим и т. д.), а оставшиеся три части профиля образуются по зацеплению на основе исходной части [37].

Ван Банле (Wan Banglie) также проводил систематические теоретические и экспериментальные исследования профилирования ротора и статора ВЗД. Им были выполнены исследования в области теории зацепления эквидистантных укороченных эпи- и гипоциклоидальных профилей, проведена оптимизация их

геометрических параметров на основе площади живого сечения, кривизны радиуса, относительной скорости скольжения и герметической линии контакта, предложено несколько оценочных показателей [23; 38; 39; 40; 41].

При широком использовании ВЗД постепенно развиваются исследовательские работы. При проектировании конструкции винтовых рабочих органов Ши Чаншуай (Shi Changshuai 2014) в соответствии с используемыми в настоящее время типами профилей установил уравнения унифицированных параметров профилей в полярной и декартовой системе координат [42]. Чжан Цян и другие (Zhang Qiang 2017) разработали программу для визуального моделирования статора и ротора с использованием приложения VB6.0, и предложили простой алгоритм расчета сопряженного профиля в рамках планетарного движения между статором и ротором [43]. Чэнь Синь и другие, приняв кубическую сплайн-функцию в качестве кривых аппроксимации для численного анализа, получили дискретные сопряженные профили статора и ротора (Chen Xin 2016) [44]. Ли Зенлян и другие создали форму статора и ротора, используя принцип формирования дуги, и предложили метод расчета площади поперечного сечения и зоны перетока между профилями статора и ротора (Li Zengliang 2014) [45].

При исследовании обкладки статора Чжу Сяохуа, Ван Кэ и другие изучали деформацию эластичной обкладки статора с равномерной толщиной по сравнению с обычными статорами в условиях статического или дифференциального давления (Zhu Xiaohua 2010, 2011; Wang Ke 2015) [46-49]. Чи Бо изучил температурные режимы резиновой обкладки статора, используя метод односторонней развязки для сравнения условий термической связи двухмерных и трехмерных моделей резиновой обкладки статора (Chi Bo 2015) [50]. Хан Чаньцзюнь провел трибологическое испытание резиновой обкладки статора в сухом состоянии и в условии смазки различными буровыми растворами, исследовал интенсивность износа резины и проанализировал механизм трения и износа резины в различных условиях (Han Chuanjun 2016) [51]. Чжан Хунлинь систематизировал и обобщил основные факторы отказа статоров двигателя, предложил улучшенные свойства

каучуков, алгоритм управления процессом связывания, конструкцию технологической оснастки в соответствии с коэффициентами отказа (Zhang Honglin 2016) [25].

В Китае результаты в этой области техники были получены в основном с учётом практических исследований технологии изготовления РО ВЗД без глубокого обобщения теории циклоидального зацепления и методов профилирования РО, поэтому рассматриваемая тема сохраняет свою актуальность.

1.3 Мировой опыт разработки и исследования ВЗД

С 1970-х годов Dyna-Drill винтовой забойный двигатель широко использовался в США и Западной Европе, но оригинальный Dyna-Drill ВЗД по-прежнему принимает конструкцию одновинтового насоса с отношением передачи 1:2. Внезапное изменение кривизны существует в соединении между линейными и дуговыми частями профиля статора, в котором возникает удар при движении ротора. Работа ротора не будет стабильной и ускорит разрушение резины статора [5; 23; 52]. В шпиндельной системе используются упорные шарикоподшипники и резиновые радиальные подшипники, долговечность которых мала. В то же время основной тип скважины является прямая скважина, и существуют другие альтернативные буровые технологии, поэтому Dyna-Drill ВЗД не показал очевидного преимущества. В 1979 году Christenson в США также изготовил образец одновинтового забойного двигатели, а именно Navi-Drill. Данный ВЗД имеет более большой крутящий момент, чем у Dyna-Drill. Традиционные подшипники тоже были заменены на радиальные подшипники из карбида вольфрама и четырехточечные контактные подшипники, чтобы увеличивать долговечность ВЗД. В 1950-х годах постепенно по мере увеличения применения долота PDC и направленных скважин, также увеличивалось использование винтовых забойных двигателей. Эксплуатационные характеристики ВЗД при наличии высокого крутящего момента и низкой скорости вращения были адаптированы к развитию буровой промышленности, поэтому поставщики бурового оборудования увеличили свои НИОКР по ВЗД [23; 24; 50; 53]. С

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Яо Ян, 2022 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Shi, L. Status, Challenges and Development Trends of PetroChina Drilling Engineering Technology / L. Shi, H. Wang, G. Ji // Natural Gas Industry. - 2013. - Vol. 33. -No. 10. - P. 1-10.

2. Qiu, Z. Research status and development trend of screw drilling tools for shale gas drilling / Z. Qiu // Drilling and production technology. - 2019. - Vol. 42. - No. 2. - P. 36-37.

3. Балденко, Д.Ф. Авторское свидетельство № 186287 A1 СССР, МПК F04B 47/00. Глубинный одновинтовой насос: № 922560/25-8: заявл. 15.09.1964, опубл. 12.09.1966.

4. Иванов, В. Г. Гидромашины и компрессоры: Учеб. пособие для студентов обучающихся по направлению подготовки 657300 "Оборудование и агрегаты нефтегазового пр-ва" / В. Г. Иванов; В. Г. Иванов; М-во образования Рос. Федерации. Краснояр. гос. техн. ун-т (КГТУ). - Красноярск: КГТУ, 2003. - 164 с.

5. Su, Y. Research and Application of Screw Drilling Tools / Y. Su // Beijing: Petroleum Industry Press, - 2001, - P. 298.

6. Guo, K. Gear geometry and applied theory / K. Guo, L. Ye, L. Fan // Shanghai Science and Technology Press, - 2008, - P. 708.

7. Tan, C. Investigation into Effects of Axial Spacing between Stators and Rotors on Performance of a Turbodrill / C. Tan, Y. Wang, Y. Yao, et al. // Oil Field Equipment. - 2016. -Vol. 45. - No. 3. - P. 7-10.

8. Tan, C. Analysis and calculation of chucking force for turbodrill stator and rotor installation / C. Tan, B. Li, Y. Wang, et al. // Oil field equipment. - 2016. - Vol. 45. - No. 4. -P. 32-37.

9. Hu, W. Research on the development trend of the petroleum industry and China's countermeasures / W. Hu, J. Bao // Journal of China University of Petroleum (Natural Science Edition). - 2018. - Vol. 42. - No. 4. - P. 1-10.

10. Li, M. Cutting-edge technology of screw drilling tools / M. Li, X. Yu, X. Luo, et al. // Petroleum Machinery. - 2011. - No. 09. - P. 19-22.

11. Фуфачев, О. И. Исследование и разработка новых конструкций рабочих

органов винтовых забойных двигателей для повышения их энергетических и эксплуатационных характеристик: специальность 05.02.13 "Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)": автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Фуфачев Олег Игоревич. - Москва, 2011. - 22 с.

12. Голдобин, Д. А. Разработка и исследование винтовых забойных двигателей с облегченными роторами и армированными статорами: специальность 05.02.13 "Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)": автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Голдобин Дмитрий Анатольевич. -Москва, 2012. - 22 с.

13. Шулепов, В. А. Конструктивные и технологические методы повышения энергетических характеристик и долговечности героторных механизмов винтовых забойных двигателей: специальность 05.02.13 "Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)": автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Шулепов Валерий Андреевич. - Москва, 2011. - 23 с.

14. Wang, Z. Current status and development prospects of China's oil and gas resource exploration and development / Z. Wang, Y. Lou, J. Pan //International Petroleum Economy. -2017. - Vol. 25. - No. 3. - P. 1-6.

15. Голдобин, Д. А. Разработка рабочих органов винтовых забойных двигателей с облегченными гидроштампованными роторами для повышения эксплуатационных характеристик / Д. А. Голдобин // Научные исследования и инновации. - 2011. - Т. 5. -№ 2. - С. 42-44.

16. Ma, S. The cause of the decline in international oil prices and its impact on the Chinese economy / S. Ma //Academic exchanges. - 2015. - No. 3. - P. 143-147.

17. Xu, J. EIA stated that China became the world's largest importer of crude oil and liquid fuels in September 2013 / J. Xu // Petroleum Refining and Chemicals. - 2014. - No. 7. -P. 35.

18. Zheng, N. China will become the world's largest crude oil importer / N. Zheng // Refining Technology and Engineering. - 2017. - No. 6. - P. 14.

19. Hu, W. China's unconventional natural gas resources, status quo, problems and solutions / W. Hu // Petroleum Technology Forum. - 2015. - Vol. 31. - No. 6. - P. 1-4.

20. Hu, W. Development and Utilization of Unconventional Natural Gas Resources in China / W. Hu // Journal ofDaqing Petroleum Institute. - 2010. - Vol. 34. - No. 5. - P. 9-16.

21. Qiu, Z. The strategic position of China's unconventional natural gas / Z. Qiu, S. Deng // Natural gas industry. - 2012. - Vol. 32. - No. 1. - P. 1-5.

22. Wang Z. The development of foreign rotary steering technology and the current domestic situation / Z. Wang, J. Wang //Drilling technology. - 2018. - T. 41. - №. 2. - C. 3741.

23. Wan B. Petroleum Engineering Fluid Machinery / B. Wan, J. Li //Beijing: Petroleum Industry Press. - 1999. - P. 252-289.

24. Lu Y. Linear analysis of screw motor rotor: Master's Thesis. - Xi'an petroleum University, Xi'an, 2010.

25. Tianjin Lilin. Working Principle and Parameter Manual of Downhole Motors.

2013.

26. Dagang Zhongcheng. Zhongcheng Downhole Motors Specifications and Performance Parameters. 2015.

27. Beijing Petroleum Machinery Factory. Product introduction of Beijing Petroleum Machinery Factory. 2012.

28. Kui, M. Analysis on the status of patent applications for screw drilling tools in China and at abroad / M. Kui, H. Zhang, L. Zhang // Technology and Innovation. - 2017. - Vol. 16. - P. 56-58.

29. Su, Y. The basis and research method of line analysis of screw drill motor / Y. Su, Z. Xie // China Petroleum Machinery - 1985 - No.6. - P. 10-20.

30. Su, Y. Linear analysis of single screw drill motor / Y. Su, B. Yu, Z. Xie // Acta Petrolei Sinica. - 1986. - Vol. 7. - No. 4. - P. 95-109.

31. Su, Y. Analysis of the isometric line type of the common hypocycloid of single screw drill motor / Y. Su, Z. Xie // China Petroleum Machinery. - 1986. - No. 2. - P. 15-27.

32. Su, Y. Analysis of the general epicycloid line type of single screw drill motor / Y. Su, Z. Xie // China Petroleum Machinery. - 1986. - No. 5. - P. 14-20.

33. Su, Y. Short-width hypocycloid isometric linear analysis of single screw drill motor / Y. Su, Z. Xie // China Petroleum Machinery. - 1987. - No. 6. - P. 5-11.

34. Xie, Z. Analysis of the inner and outer cycloid normal type of single screw drill motor / Z. Xie, Y. Su // China Petroleum Machinery. - 1986. - No.7. - P. 32-45.

35. Su, Y. The basic principles of screw drilling tools and multi-head single screw motors / Y. Su, Z. Xie // China Petroleum Machinery. - 1985. - No.4. - P. 1-11.

36. Su, Y. Working characteristics of screw drilling tools / Y. Su // Oil Drilling & Production Technology. - 1998. - No. 6. - P. 11-15.

37. Xie, Z. The universal linearity of single screw motors / Z. Xie // Acta Petrolei Sinica. - 1997. - Vol. 18. - No. 2. - P. 98-103.

38. Wan, B. Study on meshing theory and force of single screw hydraulic machinery / B. Wan, Z. Ge // Acta Petrolei Sinica. - 1989. - Vol. 10. - No. 3. - P. 97-108.

39. Wan, B. The meshing principle of short-width hypocycloid single-screw hydraulic machinery / B. Wan, Y. Cao // Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science). - 1987. - No. 04. - P. 28-42.

40. Ge, Z. The meshing theory and force of single-head single-screw hydraulic screw-bush pair / Z. Ge, B. Wan // Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science). - 1990. - No. 5. - P. 33-40.

41. Wan, B. Research and development of single screw hydraulic machinery / B. Wan // Oil Field Equipment. - 1995. - No. 3. - P. 14-19.

42. Shi, C. Research on the linear design and hydroforming method of the metal stator bushing of screw drilling tools: Ph.D. Thesis. - Southwest Petroleum University, Chengdu, 2014.

43. Zhang, Q. Linear simulation calculation and realization of screw motor / Q. Zhang // Mechanical research & application. - 2017. - Vol. 30. - No. 1. - P. 49-51.

44. Chen, X. Optimization Design of Screw Drill Motor Line Type / X. Chen, N. Zhao // Journal of Chongqing University of Arts and Science (Social Science Edition). - 2016. - Vol. 35. - No. 2. - P. 23-26.

45. Li, Z. Design of profile line of quasi-uniform wall thickness screw drilling tool motor / Z. Li // Petroleum field machinery. - 2014. - Vol. 43. - No. 5. - P. 45-48.

46. Zhu, X, Tong Hua. The influence of static pressure, pressure difference and Poisson's ratio on the deformation of stator bushing / X. Zhu, C. Shi // Journal of Southwest Petroleum University (Natural Science Edition). - 2010. - Vol. 32. - No. 6. - P. 175-179.

47. Zhu, X. Research on the Deformation Law of the Stator Bushing of Screw Drilling Tools with Constant Wall Thickness / X. Zhu, C. Shi, H. Tong // Petroleum Machinery. - 2011.

- Vol. 39. - No. 12. - P. 5-8.

48. Tong, H. Research on the failure of rubber bushings for screw drills with equal wall thickness / H. Tong, G. Chen, X. Zhu // Journal of Southwest Petroleum University (Science & Technology Edition). - 2017. - Vol. 39. - No. 6. - P. 154-161.

49. Wang, K. Performance analysis of multi-screw drills with constant wall thickness stator bushing / K. Wang // Machine tools and hydraulics. - 2015. - Vol. 43. - No. 13. - P. 8285.

50. Chi, B. Numerical analysis of thermo-mechanical coupling of screw motor stator bushing: Master's Thesis. - Southwest Petroleum University, Chengdu, 2015.

51. Han, C. Friction law of stator bushings of screw drilling tools in different high-temperature slurry / C. Han, J. Zheng, J. Zhang et al. // China Mechanical Engineering. - 2016.

- Vol. 27. - No. 14. - P. 1948-1952.

52. Yi, X. Research on the optimal design model of the conjugation of the stator and rotor of the screw motor / X. Yi, D. Gao, J. He, B. Hua // Oil Field Equipment. - 2004. - No. 2.

- P. 1-4.

53. Song Y. Study on the screw-bush pair profile of the single screw pump: Ph.D. Thesis. - Daqing Petroleum Institute, Daqing, 2008.

54. BA S. Positive displacement motor modeling: skyrocketing the way we design, select, and operate mud motors / S. BA //Abu Dhabi International Petroleum Exhibition & Conference. - Society of Petroleum Engineers, 2016.

55. Azizov A.A. Positive Displacement Motor Innovation Drives Increased Performance With PDC Bits in 83/4-in. Hole Size / A.A. Azizov // SPE Annual Technical Conference and Exhibition. - Society of Petroleum Engineers, 2011.

56. Hohl A. Characterization and Mitigation of Mud Motor Vibrations / A. Hohl // SPE/IADC Drilling Conference and Exhibition. - Society of Petroleum Engineers, 2017.

57. Alvarez A.A. Predicting Rotor-Stator Fit in Positive Displacement Motors PDMs / A.A. Alvarez // SPE/IADC Drilling Conference and Exhibition. - Society of Petroleum Engineers, 2017.

58. Alattar A. New Positive Displacement Motor Technology Significantly Improves the Drilling Performance through Challenging and Abrasive Strata in Northern Kuwait / A. Alattar // Abu Dhabi International Petroleum Exhibition & Conference. - Society of Petroleum Engineers, 2017.

59. Schlumberger. Dyna-Drill Power Section Catalog: product catalog. 2014.

60. Schlumberger. Powerpak Handbook. 2004.

61. Baker Hughes. Navi-Drill Positive Displacement Motors: product catalog. 2010.

62. Baker Hughes. Navi-Drill Motor Handbook. 2017.

63. Гусман М.Т. Расчет, конструирование и эксплуатация турбобуров / М.Т. Гусман, Б.Г. Любимов, Г.М. Никитин и др. // - М.: недра, 1976.

64. Simonyants S. L. Turbodrill and Screw Motor: Development Dialectics (Russian) / S.L. Simonyants //SPE Russian Petroleum Technology Conference and Exhibition. - Society of Petroleum Engineers, 2016.

65. Балденко, Д. Ф. Винтовые забойные двигатели / Д. Ф. Балденко, Ф. Д. Балденко, А. Н. Гноевых. - Москва: Издательство "Недра", 1999. - 375 с.

66. Балденко, Д. Ф. Одновинтовые гидравлические машины: в 2 томах / Д. Ф. Балденко, Ф. Д. Балденко, А. Н. Гноевых; Открытое АО "Газпром". - Москва: ООО "ИРЦ Газпром", 2007. - 467 с.

67. ОСТ 39-164-84. Двигатели винтовые забойные. Передача зубчатая «Ротор-статор». Расчет геометрии. - 1984. - 10 с.

68. Wei, X. Research on speed-up technology of small hole PDC bit and screw drilling tool / X. Wei, S. Song, B. Zhang, C. Xin // Equipment Management and Maintenance, - 2021. - No.1 - P. 20-22.

69. Xu, P. Research on the high-efficiency rock breaking mechanism of composite percussive screw drilling tools in coal mines: Ph.D. Thesis. - China Coal Research Institute, Beijing, 2021.

70. Han, Z. Research on the Meshing Theory of Compound Cycloid Gears: Ph.D. Thesis. - Chongqing University, Chongqing, 2019.

71. Патент № 2232317 C1 Российская Федерация, МПК F16H 1/32, F16H 55/08. Героторный механизм винтовой гидромашины: № 2003101951/11: заявл. 24.01.2003:

опубл. 10.07.2004 / А. В. Цепков, Ю. А. Коротаев; заявитель Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Буровая техника".

72. Патент №2 2166603 C1 Российская Федерация, МПК E21B 4/02. Героторный механизм винтовой забойной гидромашины (варианты): № 2000118330/03: заявл. 10.07.2000: опубл. 10.05.2001 / А. М. Кочнев, Ю. А. Коротаев, А. В. Цепков [и др.]; заявитель Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Буровая техника".

73. Коротаев, Ю. А. Особенности проектирования и расчета многозаходных винтовых героторных механизмов мультифазных насосов / Ю. А. Коротаев, Д. А. Голдобин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. -2016. - № 8-2. - С. 175-182.

74. Спирин, В. А. Обеспечение эффективности абразивной отделочной обработки винтовых сложнопрофильных валов / В. А. Спирин, В. Ф. Макаров, О. А. Халтурин // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. - 2020. - Т. 22. - №2 1. - С. 88-94.

75. Браилов, И. Г. Моделирование эвольвентного профиля при формировании профиля зубьев конических колес / И. Г. Браилов // Научное и техническое обеспечение АПК, состояние и перспективы развития: Материалы V Международной научно-практической конференции, Омск, 29 апреля 2021 года. - Омск: Омский государственный аграрный университет имени П.А. Столыпина, 2021. - С. 191-194.

76. Samuel R. Positive Displacement Motors. Theory and Applications. / R. Samuel, D.F. Baldenko, F.D. Baldenko // SigmaQuadrant Publisher, 2015.

77. Рязанцев, В. М. Теоретические основы проектирования роторно-вращательных насосов с циклоидальными зацеплениями: специальность 05.02.02 "Машиноведение, системы приводов и детали машин", 05.02.13 "Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)": автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук / Рязанцев Валерий Максимович. - Тула, 2010. - 40 с.

78. Балденко, Ф. Д. Перспективы применения циклоидального зацепления в нефтегазовой отрасли / Ф. Д. Балденко // Территория Нефтегаз. - 2014. - №2 6. - С. 16-17.

79. Шапарев, А. В. Вопросы применения эксцентриково-циклоидального

зацепления в автомобилестроении / А. В. Шапарев, Р. Р. Маликов // Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации : сборник научных трудов XII-ой Международной научно-практической конференции в 4-х томах, Курск, 19-20 марта 2015 года / Ответственный редактор: Горохов А.А.. - Курск: Закрытое акционерное общество "Университетская книга", 2015. - С. 256-260.

80. Сызранцев, В. Н. Цилиндрические передачи с разнесенными по длине арочных зубьев зонами контакта / В. Н. Сызранцев // Вестник ИжГТУ имени М.Т. Калашникова. - 2021. - Т. 24. - № 2. - С. 33-39.

81. Шенгур, Н. В. Повышение эффективности и долговечности работы установок электроприводных винтовых насосов с пусковыми муфтами / Н. В. Шенгур, Е. П. Маслак // Нефтяное хозяйство. - 2005. - № 5. - С. 118-119.

82. Syzrantsev, V. N. Study of Geometric Characteristics of the Arc Teeth Semi-Rolled Cylindrical Gear Meshing / V. N. Syzrantsev, K. V. Syzrantseva // FME Transactions. -2021. - Vol. 49. - No 2. - P. 367-373.

83. Исаев, А. А. Исследование напорных характеристик винтовых насосов и анализ влияния условий эксплуатации на обрывность колонны насосных штанг / А. А. Исаев, В. И. Малыхин, А. А. Шарифуллин // Нефть. Газ. Новации. - 2019. -№ 10(227). - С. 78-82.

84. Исаев, А. А. Исследование влияния скорости вращения ротора на подачу винтового насоса и обрывность насосных штанг / А. А. Исаев // Нефтепромысловое дело. - 2018. - № 12. - С. 53-58.

85. Исаев, А. А. Исследование влияния осложняющих факторов на эффективность винтовых штанговых насосов / Г. И. Бикбулатова, А. А. Исаев, Ю. А. Болтнева // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2018. - Т. 329. - № 4. - С. 21-29

86. Итоги разработки винтовых забойных двигателей для горизонтального бурения и зарезки дополнительных стволов / Д. Ф. Балденко, А. В. Власов, Н. Ф. Мутовкин [и др.] // Труды ВНИИБТ: Сборник статей / ОАО "НПО "Буровая техника". - Москва: Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Буровая техника", 2006. - С. 244-259.

87. Nguyen T. Modeling the design and performance of progressing cavity pump using 3-D vector approach / T. Nguyen et al. //Journal of Petroleum Science and Engineering.

- 2014. - Т. 122. - С. 180-186.

88. Балденко Ф.Д. Исследование площади камер рабочих органов одновинтовых гидравлических машин / Ф.Д. Балденко, Я. Яо // Бурение и нефть. - 2020.

- № 6. - С. 24-29.

89. Коротаев Ю.А. Исследование систематических погрешностей зацепления героторного механизма, спрофилированного от исходного контура рейки / Ю. А. Коротаев, А. Н. Алпатов, А. В. Соболев, Н. Ю. Мялицин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - 2017. - №2 8-1. - С. 112-120.

90. Балденко Ф.Д. Инерционные параметры одновинтовых гидравлических машин / Ф.Д. Балденко, В.С. Тихонов // Бурение и нефть. - 2014. - №2. 10. - С. 16-21.

91. Yao Yang. Design Theory of Stator and Rotor of PDM Based on Rack Gearing Principle / Yao Yang, Ф. Д. Балденко //China Petroleum Machinery. - 2020. -Vol. 48. -No. 1. - P.26-32.

92. Балденко Ф.Д. Особенности кинематики зубчатого циклоидального зацепления/ Ф.Д. Балденко, Я. Яо // Территория «НЕФТЕГАЗ». - 2021. - №.5-6 -С.12-21.

Блок-схема алгоритма для построения сопряженного профиля:

% программный код блок-схемы для построения сопряженного профиля (Рисунок 2.10)

% программа проектирования профилей ротора и статора, вход основных геометрических параметров, выход координат ротора и статора. c0=input ('input C0, example: 1.175(C0=r/e): '); ce=input ('input Ce, example: 2(Ce=rp/e): '); z1=input ('input number of stator teeth: ');

u=-1; % гипоциклоидальный профиль

u1=u+z1;

z2=z1-1; % число зубьев ротора

r=input(' input the radius of the generated circle, unit, mm: ');

% радиус производящей окружности delta1=input(' input the offset distance, unit, mm: ');

% смещение e=r/c0;

% эксцентриситет cdelta1=delta1/e;

% коэффициент смещения rp=ce*e;

% радиус эквидистанты a=input(' input the rotor revolution angle, angle system, example: 0, 30, 60: ');

% введение переносного угла A=[]; B=[]; C=[];

% создание пустых матриц A, B, C for gamma=0:pi/1080:pi/z2 psi1=(gamma-pi/2): pi/7200: (gamma+pi/2); w=sqrt(1+c0A2-2*c0*cos(z1*psi1)); Delta1=(-delta1/r)*(u*sin(z1*psi1)./(c0-cos(z1*psi1)));

phip=(z1*psi1 -Delta1)/z1;

x0=(u1*r+delta1)*cos(phip)-u*e*cos(u1*phip+Delta1)-r*Delta1 .*sin(phip)...

-(u*rp*(c0*cos(phip)-cos(u1*phip+Delta1)))./w; y0=(u1*r+delta1)*sin(phip)-e*sin(u1*phip+Delta1)+r*Delta1 .*cos(phip)... -(u*rp*(c0*sin(phip)-u*sin(u1*phip+Delta1)))./w; % параметрические уравнения гипоциклоидального профиля статора for phi=(gamma-pi/z 1): pi/9000: (gamma+pi/z 1) xt=x0.*cos(phi)+y0.*sin(phi)-e*cos(z1*phi); yt=-x0. * sin(phi)+y0 .*cos(phi)+e* sin(z 1 *phi);

% получение параметрических уравнений сопряженного профиля [~,nxt]=size(xt); for i=1:nxt thet=atan(yt( 1 ,i)/xt( 1,i)); if abs(thet-gamma)<=0.00001 A=[A xt(1,i)]; B=[B yt(1,i)]; end end end

rA=sqrt(A.A2+B.A2); [~,I]=min(rA); C=[C;A(I) B(I)]; end

psi2=0:pi/1080:2*z1*pi; w=sqrt(1+c0A2-2*c0*cos(psi2)); Delta1=(-delta1/r)*(u*sin(psi2)./(c0-cos(psi2))); phip=(psi2-Delta1)/z1;

X0=(u1 *r+delta1)*cos(phip)-u*e*cos(u1 *phip+Delta1 )-r*Delta1 .*sin(phip)... -(u*rp*(c0*cos(phip)-cos(u1 *phip+Delta1)))./w;

Y0=(u1 *r+delta1)*sin(phip)-e*sin(u1 *phip+Delta1)+r*Delta1.*cos(phip)...

-(u*rp*(c0*sin(phip)-u*sin(u1*phip+Delta1)))./w; Stator=[X0' Y0']; plot(Stator(:,1),Stator(:,2)); hold on

[mC,~]=size(C);

Cx=fliplr(C(2:mC,1)');

Cy=fliplr(C(2:mC,2)');

% Порядок координат ротора изменяется после зеркального отражения. Необходимо восстановить.

Rotor=[]; for n=0:1:z2-1

Xt1=C(1:mC-1,1)*cos(2*pi*n/z2)-C(1:mC-1,2)*sin(2*pi*n/z2);

C(1,1));

Yt1=C(1:mC-1,1)*sin(2*pi*n/z2)+C(1:mC-1,2)*cos(2*pi*n/z2); Xt2=Cx*cos(2*pi*(n+1)/z2)-(-1*Cy)*sin(2*pi*(n+1)/z2);

C(1,1));

Yt2=Cx*sin(2*pi*(n+1)/z2)+(-1*Cy)*cos(2*pi*(n+1)/z2); Rotor=[Rotor;Xt1 Yt1;Xt2' Yt2']; end

Rotor2(: ,1)=Rotor(:, 1 )*cos(a*pi/( 180*z2))+Rotor(: ,2)*sin(a*pi/(180*z2))+e*cos( a*pi/180);

Rotor2(: ,2)=Rotor(: ,1)*(-sin(a*pi/(180*z2)))+Rotor(:,2)*cos(a*pi/(180*z2))+e*sin(a*pi/180); plot(Rotor2(:, 1 ),Rotor2(:,2)) axis square

%+(X0(1,1)-

%+(X0(1,1)-

Блок-схема алгоритма определения допускаемого интервала смещения:

Импортирование параметров: и, г, со, са

Расчет других основных параметров:

г:, е, ги,

Цикл, Ajej=A)cj(mni)... ivj(max)

Построение матрицы координат □сходного профиля (xi, yi)

I

Создание вектора к центральных углов координат статора k=yj/xi

Создание логического расчета: dki=(yi/xi )i-(yi/xi) i_j <0 Если (yi/xi)i-(yi/xi)u<0, dk,=U Если (yp'xi)i-(yi/xi)i-i>0, dki=0;

т

Экспортирование интервала смешения

% программный код блок-схемы алгоритма определения допускаемого интервала смещения

z1=input ('input number of stator teeth: ');

c0=input ('input C0, example: 1.175(C0=r/e): ');

ce=input ('input Ce, example: 2(Ce=rp/e): ');

Dx1=input ('input min(cd): ');

Dx2=input ('input max(cd): ');

dDx=input ('input step size, e/dDx, example 5: ');

r=input ('input the radius of the generated circle, unit, mm: ');

u=-1; % гипоциклоидальный профиль

u1=u+z1;

72=71-1;

е=г/с0;

гр=се*е;

% число зубьев ротора % эксцентриситет

А=[];

в=[];

рв1=0:р1/180:2*р1; 1ао=рв1/71;

w=sqгt(1+c0A2-2*c0*cos(7l*tao)); Юг Беках 1 =Бх 1*е: е/ёБх: Бх2 * е ВеН:а1=(-ОеН:ах 1 /г)*(и* sin(71 *tao)./(c0-cos(z1 *tao))); рЫр=(71 *tao-Delta1 )/71;

x1=(u1*r+Deltax1)*cos(phip)-u*e*cos(u1 *phip+Delta1 )-г*Delta1 .*sin(phip)...

-(u*rp*(c0*cos(phip)-cos(u1*phip+Delta1)))./w; у 1=(u 1 *r+Deltax 1)* sin(phip)-e* sin(u 1 *phip+Delta 1 )+г*Delta1 .*cos(phip)... -(u*rp*(c0*sin(phip)-u*sin(u1*phip+Delta1)))./w;

[~,nx1]=si7e(x1); к=у1./х1;

ёк=(к(2:пх1)-к(1:пх1-1))<0; В=[В^ш^к)4к]; if suш(dk)<=1

A=[A;fix((Deltax1-Dx1*e)/(e/dDx)+1),Deltax1,Deltax1/e]; plot(x1,y1); on

end end

axis square

Блок-схема расчета площадей отдельных рабочих камер:

%программный код Блок-схемы расчета отдельных площадей камер (Рисунок 3.6)

Rotor=xlsread ('... ',1); Stator=xlsread('... ',2); [mR,~]=size(Rotor); [mS,~]=size(Stator);

%соответствующие порядки точек касания (т.к.) на профилях ротора и статора, [№ т.к. ротора, № т. к. статора; ...]

point=[1,1;520,2648;896,5199;1266,7763;1642,10314;mR-1,mS-1];

[k,~]=size(point);

area=[];

АЭГ n=1:(k-1) arear=0; areas=0;

for ir=point(n,1):point(n+1,1)

arear=arear+0. 5*abs(Rotor(ir,1)*Rotor(ir+1,2)-Rotor(ir+1,1)*Rotor(ir,2)); end

for is=point(n,2):point(n+1,2)

areas=areas+0.5*abs(Stator(is, 1)* Stator(is+1,2)- Stator(is+1,1)* Stator(is,2)); end

area=[area; arear, areas, (areas-arear)]; end

Блок-схема расчета точек касания между торцовыми профилями при движении ротора:

Программа

% импортирование торцовых эквидистантных профилей и их соответственных скелетных профилей Rotor=xlsread('... ',1); Stator=xlsread('... ',2); % скелетный профиль RotorS=xlsread ('.',1); StatorS=xlsread ('.',2);

%a=input(' input the revolution angle: ')*pi/180;

z2=input('input z1: ');

c0=input('input C0, (C0=r/e): ');

r=input('input the r, unit - mm: ');

e=r/c0;

C=[];

[nRS,~]=size(RotorS);

% количество координат скелетного профиля

SS2=[(1:z2*nRS+nRS/(z2+1))',[repmat(StatorS(1:nRS,:),z2,1);StatorS(1:nRS/(z2 +1),:)]];

Stator=[repmat(Stator(1: nRS,:),z2,1); Stator(1: nRS/(z2+1),:)];

for a=11*pi/180:pi/60:z2*360*pi/180 RotorS2(:,1)=(RotorS(:,1)-e)*cos(a/z2)+RotorS(:,2)*sin(a/z2)+e*cos(a); RotorS2(: ,2)=(RotorS(:,1)-e)*(-sin(a/z2))+RotorS(:,2)*cos(a/z2)+e*sin(a); C1=[];

for i=1:1:z2

% точки касания первого типа, расстояние между вершиной ротора и координатами статора

Dis1=sqrt((SS2(1:nRS,2)-RotorS2(i*nRS/z2,1)).A2+(SS2(1:nRS,3)-RotorS2(i*nRS/z2,2)).A2); [~,I]=min(Dis1); C1=[C1 ,I,Stator(1,1 ),Stator(I,2)]; end

%точки касания второго типа C2=[];

j 1=fix((a/(2*pi))*(nRS)); for j=j1-60:j 1+60

Dis2=(e*(z2+1)*sin(a)-SS2(j,3))/(e*(z2+1)*cos(a)-SS2(j,2))+...

(SS2(j+1,2)-SS2(j-1,2))/(SS2(j+1,3)-SS2(j-1,3)); C2=[C2;SS2(j,1) Dis2]; end

[~,J]=min(abs(C2(:,2)));

C=[C;C1 ,C2(J,1 ),Stator(C2(J,1),1),Stator(C2(J,1 ),2)] ; end

УТВЕРЖДАЮ:

Проректор по учебной работе РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина,

АКТ

о внедрении результатов диссертационного исследования в учебный процесс

Отдельные результаты диссертационной работы Яо Ян по теме «Исследование и оптимизация циклоидального зацепления рабочих органов винтовых забойных двигателей для бурения скважин», выполненной по специальности 05.02.13 - «Машины, агрегаты и процессы» (нефтегазовая отрасль), внедрены в учебный процесс на кафедре машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина в виде «Методика и программа построения циклоидальных торцовых профилей и расчета геометрических и кинематических параметров рабочих органов винтовых забойных двигателей» на основании решения кафедры (протокол №

Результаты используются при подготовке студентов и магистров направления 15.04.02 - «Технологические машины и оборудование» по дисциплине «Машины и оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин» на кафедре машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М, Губкина.

Заведующий кафедрой, В.Н. Ивановский

{_ от «3/ » М 20^/.г.).

д.т.н., профессор

Оглавление

Общие сведения..............................................................................................................................................................................................................3

1. Построение торцового профиля........................................................................................5

1.1 Построение исходного профиля....................................................................................5

1.2 Построение сопряженного профиля (рисунок 5)..........................................................8

1.3 Определение допускаемого интервала смещения (рисунок 7)..................................11

2. Расчет геометрических параметров..................................................................................13

2.1 Расчет площади живого сечения.................................................................................13

2.2 Расчет площадей отдельных рабочих камер (рисунок 9)...........................................13

3. Расчет кинематических параметров..................................................................................16

3.1 Расчет координат точек касания между ротором и статором (рисунок И)..............16

3.2 Расчет скоростей точек ротора....................................................................................18

3.3 Расчет скоростей скольжения точек касания..............................................................19

4. Примеры использования методики...................................................................................20

4.1 Построение торцовых профилей ВЗД с гипоциклоидальным зацеплением при заданном контурном диаметре и эксцентриситете (стандартное исполнение РО)........20

4.2 Модификация торцового профиля малогабаритного ВЗД.........................................21

4.3 Определение максимальной и минимальной площади живого сечения при модификации РО (на примере механизма с кинематическим отношением 5:6)............26

Список литературы................................................................................................................28

Общие сведения

Настоящая методика распространяется на одновинтовые гидравлические машины, используемые в нефтепромысловой технике в бурении и эксплуатации нефтяных и газовых скважин.

Методика и программа построения циклоидальных торцовых профилей и расчета геометрических и кинематических параметров разработана на основе теории проектирования рабочих органов (РО) винтовых забойных двигателей (ВЗД).

Рабочим органом ВЗД является винтовой героторный механизм (ВГМ)- зубчатая пара внутреннего циклоидального зацепления, содержащая металлический ротор и статор с эластичной обкладкой, между винтовыми поверхностями которых образуются рабочие камеры. Рабочий процесс винтовой гидромашины осуществляется взаимодействием РО (ротора и статора) в их относительном движении. Для осуществления рабочего процесса необходимо, чтобы при вращении приводного вала (в насосном режиме) или подаче жидкости под давлением (в двигательном режиме) в каждом поперечном сечении совершалось циклическое перемещение ротора относительно статора.

Основные разделы методики реализованы на основе программного обеспечения МАТЪАВ с графическим построением торцовых профилей и выводом результатов расчета. Блок-схемы программ расчёта приведены в методике. Для реализации методики разработаны следующие численные методы расчёта:

1. метод построения сопряженных торцовых профилей разработан на основе производящей прямой для получения координат внутренней огибающей семейства исходных профилей;

2. метод определения допускаемого интервала смещения разработан для целесообразного выбора сочетания геометрических параметров с целью образования гладкого профиля без самопересечений и изломов;

3. метод расчета площадей отдельных камер поперечного сечения разработан для исследования геометрических характеристик РО;

3

4. метод расчета точек касания между ротором и статором разработан для исследования кинематических характеристик РО.

Методика относится к ВГМ с любым кинематическими отношением 1=22'. г/, является обобщенной и разработана для общего случая профилирования (от исходного контура рейки со смещением) с использованием безразмерных коэффициентов циклоидального торцового профиля:

1) коэффициент внецентроидности с„=г/е;

2) коэффициент формы зуба се=гц!е\

3) коэффициент смещения сд=Дх'1/е,

где 2], 12 - числа зубьев статора и ротора, г - радиус производящей окружности;

е - эксцентриситет; Дх/ - смещение исходного контура рейки.

В настоящее время при проектировании многозаходных РО винтовых гидромашин принята концепция, согласно которой при любом кинематическом отношении из трёх безразмерных коэффициентов профиля строго регламентируются только два -коэффициенты внецентроидности и формы зуба, значения которых по ОСТ 39-164-84 составляют:

с0=1,175; се=2,175.

Данная методика может использоваться при модификации стандартного циклоидального профиля с целью достижения оптимальной формы зубьев, обеспечивающей за необходимые геометрические и кинематические характеристики ВЗД, а также при проектировании героторных гидравлических машин (насосов и гидромоторов).

Методика может быть использована в качестве учебно-методического пособия при подготовке студентов и аспирантов по дисциплине «Машины и оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин».