일반적으로 머드 모터 또는 PDM(Positive Displacement Motor)으로 알려진용적형 모터(PDM)는 굴착 유체의 유압 에너지를 기계적 회전으로 변환하는 체적형 다운홀 전동 공구입니다. 방향성 드릴링, 수평 유정 및 직선-홀 작업에 널리 사용되는 PDM을 사용하면 전체 드릴 스트링을 표면에서 회전시키지 않고도 비트 회전을 정밀하게 제어할 수 있습니다.
기본원리
PDM은 표면 진흙 펌프에서 펌핑되는 굴착 유체(진흙)에 의해 구동됩니다. 유체가 바이패스 밸브를 통해 흐르고 모터 섹션으로 들어갈 때 모터 입구와 출구에 압력차가 발생합니다. 이 압력 강하는 로터가 고정자 내에서 편심 회전하도록 구동합니다. 회전 속도와 토크는 유니버셜 조인트(플렉스 샤프트)와 드라이브 샤프트 어셈블리를 통해 드릴 비트에 전달되어 드릴링 작업이 가능합니다.
주요 구성품
PDM은 네 가지 주요 어셈블리로 구성됩니다.
- 바이패스 밸브
- 유압 모터(고정자 및 회전자)
- 유니버설 조인트(플렉스 샤프트)
- 드라이브 샤프트 어셈블리
1. 바이패스 밸브
바이패스 밸브는 밸브 본체, 밸브 슬리브, 밸브 코어 및 스프링으로 구성됩니다. 유체 압력의 작용으로 밸브 코어가 슬리브 내에서 미끄러지면서 흐름 경로가 변경됩니다. 밸브에는 두 가지 상태가 있습니다.
- 바이패스 상태(개방):들어오거나 나가는 동안(이수 흐름이 낮거나 정지된 경우) 스프링이 코어를 위로 밀어 올려 바이패스 포트를 엽니다. 드릴 스트링의 진흙은 모터를 우회하여 환형으로 빠져나갑니다.
- 폐쇄 상태:이수 유량과 압력이 설정된 값에 도달하면 코어가 아래로 이동하여 바이패스 포트가 닫힙니다. 모든 진흙은 모터를 통해 흘러 압력 에너지를 기계적 회전으로 변환합니다.
2. 모터부(고정자 및 회전자)
모터는 PDM의 핵심 부품입니다.
고정자:특정 기하학적 매개변수를 사용하여 나선형 모양으로 성형된 엘라스토머(고무) 라이닝이 있는 강철 튜브입니다.
축차:고정자와 맞물리는 하드 코팅 강철 나선형 나사(일반적으로 크롬-도금 또는 하드 표면 처리-)입니다.
회전자와 고정자는 일련의 밀봉된 공동을 형성합니다. 진흙 압력으로 인해 로터가 고정자 내에서 편심 회전하게 되면서 회전이 비트로 전달됩니다. 단일 나선형 피치(하나의 완전한 스레드)는 1단계와 같습니다. 효율적인 작동을 위해 단계당 압력 강하는 0.8MPa(약 116psi)를 초과해서는 안 됩니다. 이를 초과하면 내부 누설(미끄러짐)이 증가하고 회전자 속도가 급격히 떨어지며 모터 손상이 발생할 수 있습니다.
성능 특성:
- 이론적인 출력 토크는 모터 압력 강하에 비례합니다.
- 출력 회전 속도(RPM)는 입력 이수 유량에 비례합니다.
- 부하(비트 토크)가 증가하면 모터 속도는 감소합니다.
표면 펌프 압력과 유속을 모니터링함으로써 드릴러는 다운홀 토크와 RPM을 효과적으로 제어할 수 있습니다.
로터 로브(스레드):로터는 단일-엽 또는 다중-엽일 수 있습니다.
- 더 적은 수의 로브(예: 1:2)→ RPM은 높아지고 토크는 낮아집니다.
- 더 많은 로브(예: 7:8)→ 낮은 RPM, 높은 토크(수평 드릴링과 같은 높은-토크 작업에 이상적)
3. 유니버설 조인트(플렉스 샤프트)
유니버셜 조인트는 로터의 유성(편심) 운동을 구동축의 동심(축) 회전으로 변환합니다. 대부분의 최신 PDM은 신뢰성과 소형화를 위해 유연한 샤프트(flex{1}}shaft) 설계를 사용합니다.
4. 구동축 조립
구동축은 유니버셜 조인트에서 드릴 비트로 회전과 토크를 전달합니다. 또한 드릴링 중에 발생하는 축방향(비트-중량-) 및 방사형 하중을 견뎌냅니다. 따라서 드라이브 샤프트에는 높은 경도, 우수한 내마모성, 긴 수명이 요구됩니다. 드라이브 샤프트 부품의 서비스 수명을 크게 연장하기 위해 일반적으로 열처리(담금질 및 템퍼링)가 적용됩니다.
운영 지침
- 흐름율:실제 이수 유량은 제조업체가 권장하는 범위 내에 유지되어야 합니다. 과도한 흐름은 마모를 가속화할 수 있습니다. 흐름이 부족하면 모터 효율이 떨어집니다.
- 압력 강하:모터 전체의 압력 강하를 모니터링합니다. 갑작스러운 증가 또는 불규칙한 동작은 모터 정지 또는 내부 손상을 나타낼 수 있습니다.
- 시작 토크:초기 이탈 토크는 실행 토크보다 높을 수 있습니다. 작업자는 천천히 하중을 가해야 합니다.
응용
PDM은 다음과 같은 경우에 필수적입니다.
- 방향 및 수평 드릴링(굽은 하우징 사용)
- 우회 및 재{0}}진입 드릴링.
- 코일형 튜브 드릴링.
- 제어된 비트 속도가 필요한 직선-구멍 드릴링.
용적 모터는 유압 동력을 기계적 회전으로 변환하여 수직, 편향 및 수평 유정에서 효율적인 드릴링을 가능하게 하는 성숙하고 안정적인 다운홀 도구입니다. 드릴링 성능을 최적화하고 다운홀 실패를 방지하려면 해당 구성요소-바이패스 밸브, 모터(고정자/로터), 유니버셜 조인트 및 구동축-뿐만 아니라 유속, 압력 강하, 토크 및 속도 간의 관계를 이해하는 것이 필수적입니다. 엘라스토머 기술, 로터 코팅, 구동축 열처리의 발전으로 고온, 높은-토크 및 까다로운 드릴링 환경에서 PDM의 작동 범위가 계속해서 확장되고 있습니다. 자세한 내용은 Vigor 팀에 문의하여 자세한 제품 정보를 확인하십시오.
