Назначение винтового (объемного) забойного двигателя — бурение скважин в различных геологических условиях. В 1962 г. американской фирмой «Смит Тул» был создан винтовой двигатель «Дайна-Дрилл», представляющий собой обращенный одновинтовой насос, изобретенный французским инженером P.Муано в 1930 г. Характеристики двигателя «Дайна-Дрилл» незначительно отличаются от характеристик современных турбобуров. Его эксплуатационные данные оказались более подходящими для наклонного бурения, что и определило его широкое распро-странение за рубежом в этой области бурения.
На выбор режимов бурения в течение последних лет решающее значение оказали успехи в развитии конструкций шарошечных долот с маслонаполненными опорами и вооружением из твердо-сплавных зубьев. Эти долота установили жесткие ограничения в частоте вращения долота (до 200 об/мин).
Для работы на таких режимах в 1966 г. (М. Т. Гусманом, С. С. Никомаровым, Ю. В. Заха-ровым, В.Н.Меньшениным и Н.Д.Деркачем) был предложен новый тип винтового двигателя, в котором многозаходные винтовые рабочие органы выполняют функцию планетарного редуктора. Это позволило получить тихоходную (100…200 об/мин) машину с вы соким вращающим моментом.
В последующие годы во ВНИИБТ и его Пермском филиале Д.Ф.Бадденко, Ю.В.Вадецким, М.Т.Гусманом, Ю.В.Захаровым, А.М.Кочневым, С. С. Никомаровым и другими были созданы ос-новы теории рабочего процесса, конструирования и технологии изготовления, разработана технология бурения винтовыми (объемными) двигателями.
Конструкция винтового (объемного) забойного двигателя (ВЗД).
Конструкция винтового забойного двигателя на примере двигателя Д1-195. Двигатель предназначен для бурения нефтяных и газовых скважин долотами диаметром 215,9…244,5 мм при температуре на забое не выше 120°С.
Винтовой забойный двигатель Д1-195 относится к машинам объемного (гидростатического) действия. По сравнению с другими типами забойных гидравлических двигателей винтовой двигатель имеет ряд преимуществ:
- низкая частота вращения при высоком крутящем моменте на валу двигателя позволяет получить увеличение проходки за рейс долота (в сравнении с турбинным бурением);
- существует возможность контроля за работой двигателя по изменению давления на стояке насосов;
- перепад давления на двигателе создает возможность применения высокопроизводительных гидромониторных долот.
По принципу действия ВЗД представляет собой планетарно-роторную гидравлическую машину объемного типа с внутренним косозубым зацеплением (рис. 7.10).
Винтовой забойный двигатель
... технико-экономических показателей бурения. При выполнении буровых работ и удалении пробок применяют забойные двигатели двух типов - объемного и динамического действия. К первым относятся винтовые и аксиально-поршневые двигатели, ко вторым ...
Двигатель содержит ротор и статор. Стальной статор внутри имеет Привулканизированную резиновую обкладку с винтовыми зубья-Ми левого направления. На стальном роторе нарезаны наружные винтовые зубья также левого направления. Число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев статора, в результате чего для осуществления зацепления ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине высоты зуба. Шаги винтовых линий ротора и статора прямо пропорциональны числу зубьев. Специальный профиль зубьев ротора и статора обеспечивает их непрерывный контакт между собой, образуя на длине шага статора единичные рабочие камеры.
Буровой раствор, поступающий в двигатель от насосов буровой установки, может пройти к долоту только в том случае, если ротор поворачивается относительно статора, обкатываясь под действием неуравновешенных гидравлических сил. Ротор, совершая планетарное движение, поворачивается по часовой стрелке (абсолютное движение), в то время как геометрическая ось ротора перемещается относительно оси статора против часовой стрелки (переносное движение).
За счет разности в числах зубьев ротора и статора переносное движение редуцируется в абсолютное с передаточным числом, равным числу зубьев ротора, что обеспечивает пониженную частоту вращения и высокий крутящий момент на выходе.
Винтовой (объемный) забойный двигатель Д1-195 (рис. 7.11) содержит следующие основные узлы: секцию двигателя 2, секцию шпиндельную 4, переливной клапан 7 и карданный вал 3. Через переливной клапан осуществляется слив бурового раствора из бурильных труб при подъеме колонны с эксцентрично (планетарно) вращающегося ротора на вал шпиндельной секции. Шпиндельная секция служит для передачи осевого усилия с бурильных труб на долото.
В настоящее время промышленностью выпускаются следующие винтовые забойные двигатели: Д1-88; Д1-127; ДЗ-172; Д4-17! Д1-195; Д2-195; ДЗ-195 (табл. 7.3).
Конструкция этих двигателей усо-вершенствована за счет применения облегченного пустотелого ро-тора, в полости которого размещается торсион. Уменьшение массы ротора и замена карданного вала торсионом позволили повысить КПД и надежность двигателя.
Винтовые двигатели следует доставлять на буровую в собранном виде, с ввинченными предохранительными пробками, что предотвращает попадание посторонних предметов в рабочие орга-ны и повреждения резьб. Не допускается перетаскивание двигателей волоком и сбрасывание их при разгрузке.
Доставленный на буровую двигатель перед пуском в работу подвергают наружному осмотру. Особое внимание следует обращать на отсутствие трещин и вмятин на статоре и корпусе шпинделя, состояние присоединительных резьб к бурильным трубам и долоту (забоины, промывы и задиры резьб), а также на плотность свинчивания промежуточных резьб, соединяющих корпусные детали двигателя. Двигатели с дефектами корпусных деталей и резьб к работе не допускаются; в случае неполного свинчивания резьбовые соединения докрепляют машинными ключами. Во избежание отвинчивания статора от шпинделя рекомендуется на буровой до-креплять нижнюю резьбу статора в соединении с соединительным переводником. Перед спуском в скважину каждый двигатель следует опробовать над устьем в целях проверки легкости запуска и герметичности резьбовых соединений. Двигатель должен запускаться плавно, при давлении на выкиде буровых насосов не более 2,5 МПа. На холостом ходу вращение вала двигателя должно происходить без рывков и заеданий, а остановка при выключении насосов не должна быть резкой.
Бесконтактные двигатели
... двигателя бесконтактный двигатель постоянного тока обладает рядом характерных особенностей. 1. Силовая обмотка якоря расположена на статоре и состоит из нескольких катушек, сдвинутых относительно друг друга в пространстве. Ротор выполняют в виде постоянного ...
Одновременно с запуском двигателя проверяют работоспособ-ность переливного клапана. При подаче промывочной жидкости в двигатель клапан должен плотно закрываться без утечек жидкости в боковые отверстия корпуса клапана; при выключении циркуляции клапан должен открыться. Клапан следует опробовать, опустив его ниже уровня ротора, в противном случае перед закрытием клапана и после его открытия возможно разбрызгивание промывочной жидкости на площадке буровой.
В зимнее время запуску двигателя должен предшествовать его отогрев паром или горячей водой в течение 30…40 мин. Винтовые двигатели могут работать на промывочных жидкостях различной плотности и вязкости: на воде (пресной, морской и пластовой), глинистых растворах плотностью до 2,2 г/см3, аэрированных жидкостях. Однако длительная и безотказная работа двигателя зависит прежде всего от качества очистки промывочной жидкости, содержание песка в которой не должно превышать 0,5… 1 %. Повышенное содержание песка в промывочной жидкости приводит к интенсивному износу рабочих органов.
Области применения и эффективности винтовых забойных двигателей
За десятки лет существования отечественные винтовые забойные двигатели прошли эволюционный путь развития, превратившись в эффективное техническое средство для бурения и ремонта нефтяных и газовых скважин, обеспечивающее получение высоких показателей.
Постоянный рост удельного веса бурения ВЗД объясняется как объективными благоприятными факторами (появление на буровом рынке нового поколения низкооборотных шарошечных долот и развитием новых технологий буровых работ), так и важными эксплуатационными преимуществами самих двигателей, среди которых в первую очередь следует отметить:
- оптимальные энергетические характеристики — высокие крутящие моменты при низких частотах вращения, обеспечивающие эффективную отработку долот различного типа;
- относительно небольшой перепад давления в двигателе, позволяющий использовать гидромониторные долота;
- возможность использования буровых растворов любой плотности (от аэрированных до утяжеленных плотностью 2000 кг/м3 и более);
- минимальные по сравнению с турбобурами осевые габариты осевые габариты и высокие удельные вращающие моменты, позволяющие использовать двигатели при бурении наклонно направленных и горизонтальных скважин по различным радиусам искривления.
Большая потребность в ВЗД для бурения вертикальных и наклонно направленных скважин отмечалась с первых лет внедрения, поскольку в каждом нефтяном регионе в определенных интервалах бурения двигатели обеспечивали кратное повышение проходки за долбление по сравнению с турбобурами при незначительном снижении механической скорости. В результате существенно повышалась рейсовая скорость бурения и снижалась стоимость 1м проходки.
В середине 1980-х гг. началось массовое бурение винтовыми двигателями в Западной Сибири. Результаты промышленных испытаний в ряде объединений Главтюменнефтегаз показали, что эффективная работа винтовых двигателей обеспечивается при бурении интервала ниже 1700…1800м.
В настоящее время винтовые забойные двигатели получили широкое применение при бурении вертикальных и наклонно направленных скважин в ведущих нефтяных компаниях России.
В капитальном ремонте скважин в настоящее время малогабаритные винтовые двигатели практически во всех районах страны заменили применявшиеся турбобуры. Многообразие технологических задач потребовало создания большого числа типоразмеров винтовых двигателей диаметром от 127 до 42 мм, которые повсеместно используются при разбуривании песчаных и цементных пробок, при райбировании и фрезеловании эксплуатационной колонны и других ремонтных работах. Опыт применения этих машин подтвердил, что с их помощью значительно эффективнее (проще и дешевле) решается задача ремонта скважин самых различных категорий. Резко поднялась производительность труда бригад, расширились технические возможности капитального ремонта, что позволило в ряде случаев ввести в число действующих длительно простаивавшие аварийные скважины.
В последние годы малогабаритные винтовые двигатели получили шарокое применение при бурении боковых стволов для восстановления бездействующих скважин, в том числе боковых стволов с горизонтальным окончанием. Это новый метод, позволяющий повысить нефтеотдачу пластов и сократить объем бурения дополнительных скважин.
Специальные конструкции ВЗД диаметром 172, 155, 127, 106, 95, и 75 мм, оснащенные технологическими элементами и механизмами искривления, сыграли важнейшую роль в становлении и развитии горизонтального бурения в стране.
Особенности бурения винтовыми забойными двигателями
При спуске двигателя в скважину за 10… 15 м от забоя следует включить буровой насос и промыть призабойную зону скважины при работающем двигателе. Незапуск двигателя фиксируется по рез-кому подъему давления на выкиде насосов. В этом случае следует запускать двигатель с вращением бурильной колонны ротором при одновременном прокачивании жидкости. Запуск двигателя ударами о забой не допускается. Во избежание левого вращения инструмента под действием реактивного момента двигателя ведущую трубу фиксируют от проворачивания в роторе с помощью клиньев.
По своим энергетическим характеристикам винтовые двигатели позволяют создавать на долоте высокие осевые нагрузки (двигатель типа Д-195 — до 250…300 кН, двигатель Д-88 — до 30 кН), однако приработку нового долота в течение 10… 15 мин необходи-мо проводить при пониженных осевых нагрузках.
При выборе типа долота предпочтение следует отдавать низкооборотным долотам с малонаполненной опорой, а также гидромониторным долотам, так как сниженный по сравнению с турбобурами перепад давления в винтовом двигателе создает резерв мощности на выкиде насосов. Тип вооружения долота выбирают в соответствии с твердостью и абразивностью проходимых пород.
При выборе рациональных параметров режима бурения винтовым забойным двигателем необходимо учитывать особенности его характеристик: пропорциональность частоты вращения расходу бурового раствора; сравнительно «жесткую» скоростную характеристику под нагрузкой (в зоне устойчивой работы двигателя от режима холостого хода до режима максимальной мощности частота вращения уменьшается на 15… 20 %); линейную зависимость перепада давления на двигателе от момента на долоте.
При бурении винтовым забойным двигателем буровой инструмент необходимо подавать плавно, без рывков. Периодически инструмент следует проворачивать. Расход промывочной жидкости при этом выбирают исходя из условий необходимой очистки забоя. По мере износа рабочей пары двигателя для сохранения его рабочей характеристики целесообразно увеличить расход промывочной жидкости на 20…25 % от начальной величины.
Для предотвращения зашламления двигателя перед наращиванием инструмента или подъемом его для замены долота необходимо промыть скважину в призабойной зоне, затем приподнять инструмент над забоем на 10… 12 м и только после этого остановить насосы и открыть пусковую задвижку.
В процессе эксплуатации винтовых двигателей необходимо пе-риодически проверять их пригодность к работе. Двигатель отправ-ляют на ремонт: при значительном снижении его приемистости к осевым нагрузкам; увеличении сверх допустимого осевого люфта шпинделя; затрудненном запуске или незапуске над устьем скважины или зашламовании двигателя.
Таблица 7.3 Технические характеристики винтовых забойных двигателей
|
Основные параметры |
Д1-88 |
Д1-127 |
ДЗ-172 |
Д4-172 |
Д1-195 |
Д2-195 |
ДЗ-195 |
|
|
Расход бурового раствора, л/с |
4,5……7,0 |
15,0…
|
25,0…
|
25,0…
|
25,0……35 |
25,0…35 |
20,0….35 |
|
|
Частота вращения вала шпинделя, об/мин |
162,0…
|
132,0
|
78,0…
|
90,0…
|
80,0……100,0 |
90,0…
|
78,0…
|
|
|
Перепад давления, МПа |
5,8…7,0 |
6,5……8,7 |
3,9……4,9 |
5,0……7,0 |
4,0……5,0 |
4,3……6,7 |
6,0…..11,0 |
|
|
Момент силы на валу, кН * м |
0,53….061 |
2,2…..3,0 |
3,1…..3,7 |
5,2……7,0 |
6,5……8,0 |
5,2……7,0 |
8,0…..12,0 |
|
|
Диаметр применяемых долот, мм |
98,4…120,6 |
39,7…158,7 |
190,5 |
190,5 |
215,9 |
215,9 |
215,9 |
|
|
Наружный диаметр, мм |
88,0 |
127,0 |
172,0 |
172,0 |
195,0 |
195,0 |
195,0 |
|
|
Длина, мм |
3230,0 |
5545,0 |
6 880,0 |
7000,0 |
7675,0 |
6535,0 |
7735,0 |
|
|
Масса, кг |
110,0 |
387,0 |
912,0 |
850,0 |
1350,0 |
1100,0 |
1200,0 |
|
Автоматизированные системы управления режимом бурения скважин забойными двигателями
Эффективность современных технологий строительства скважин во многом зависит от возможности поддержания заданных режимов бурения.
Одним из дополнительных резервов повышения эффективности буровых работ является более широкое применение автоматизированных средств на базе механизмов подачи долота, входящих в состав спускоподьемного агрегата буровой установки, и придание им новых качеств с учетом изменяющихся требований технологии бурения и развития микропроцессорной техники.
Ответственным моментом при создании АСУ РБ и реализации эффективных алгоритмов управления является обоснованный выбор необходимого количества и требуемого типа датчиков технологических параметров. В качестве датчиков предполагается использовать как серийные (для измерения скрости и тока электродвигателей, частоты ходов насоса), тик и нестандартные цифровые (для измерения давления и скорости подачи колонны) датчики, разработанные в РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина специально для автоматизированных систем с учетом условий их эксплуатации. В частности, для разрешения проблемы измерения угловой скорости медленно и неравномерно вращающегося в процессе долбления барабана лебедки разработан и испытан комплекс для бесконтактного определения скорости на базе магнитного датчика.
Опытный образец АСУ РБ винтовым забойным двигателем установками с регулируемым электроприводом постоянного тока БУ2500/160ЭП был успешно испытан в Оренбургском Центре горизонтального бурения при проводке горизонтальной скважины с использование телеметрической системы с гидравлическим каналом связи и рекомендован к серийному производству. В ходе испытаний была подтверждена принципиальная возможность управления режимом работы забойным двигателем по току приводного электродвигателя БНА. По сравнению с ручным способом подачи инструмента применение АСУ РБ позволяет стабилизировать нагрузку на долото, механическую скорость бурения, давление в гидравлической линии и тока электродвигателя БНА, что в результате приводит к уменьшению отклонения движения долота от заданной траектории, увеличению долговечности забойного двигателя и долота, снижению ударных нагрузок на телесистему и стабилизации напряжения забойного турбогенератора, что улучшает качество передаваемых сигналов.
АСУ для колтюбинга и электоробурения находится в стадии разработки, их промысловые испытания планируется провести по согласованию с разработчиками буровых установок.
Литература
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/burenie-turboburami-i-vintovyimi-zaboynyimi-dvigatelyami/
Ю.В. Вадецкий. Бурение нефтяных и газовых скважин: Учебник для нач. проф. Образования. 2003 г.
Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море 5/2003 г.
Бурение и нефть 4/2003 г.
Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море 4/2002 г.
