в процессе бурения скважины какой элемент взд подвергается наибольшему риску разрушения износа

Винтовой забойный двигатель в нефтяной промышленности

Для добычи нефти и/или газа либо для проведения капитального ремонта скважин используют винтовой забойный двигатель (ВЗД), обладающий необходимым крутящим моментом и способный осуществлять бурение в различных направлениях в зависимости от типа используемой конструкции. Такой выбор обусловлен необходимостью разрушения горных пород с высокой эффективностью и достаточной скоростью. Использование в конструкции эластичных, но прочных зубьев статора позволяют достичь высокой жёсткости на изгиб, а также существенно сократить утечки жидкости при её прокачке.

Конструкция ВЗД

Винтовой забойный двигатель представляет собой симметричный роторный агрегат с применением зубчатого косого зацепления, приводимый в действие за счёт давления подаваемой жидкости.

Конструктивно состоит из:

Двигательный узел

Эластичная оболочка позволяет разделить две полости камер с высоким градиентом давления. Она изготавливается из износостойкой резины, которая пластична, но в то же время способна выдерживать значительные силы трения при попадании абразивных частиц на её поверхность.

Ротор имеет конструкцию похожую на сверло, но с высокопрочным износостойким покрытием, так как предназначен для передачи крутящего момента. Его изготавливают из высокопрочной легированной стали.

На ресурс работы рабочей пары влияют следующие факторы:

Рабочие органы ВЗБ

Винтовой забойный двигатель состоит из следующих рабочих органов:

1 – осевой подшипник; 2 – радиальная опора; 3 – центратор; 4 – противоаварийный бурт

Шпиндельный узел является вторым по важности конструктивным элементом двигателя. Он предназначен для передачи крутящего момента от рабочей пары рабочему инструменту для разрушения плотных пород грунта. При этом он способен выносить значительные осевые нагрузки, вызванные не только необходимостью передачи крутящего момента, а и силу трения о стенки креплений при угловом или горизонтальном бурении.

Шпиндельный узел представляет собой корпус с двумя опорами (радиальной и осевой), на которых закреплён вал. Вращение ротора передаёт крутящий момент посредством торсиона или карданного вала на вал шпиндельного узла, который начинает вращаться и передавать момент уже рабочей части.

Данный узел может быть выполнен в двух конструктивных исполнениях:

Бурение винтовыми забойными двигателями под углом может быть осуществлено только при помощи регулятора угла. Он представляет собой сложный механизм, который состоит из верхнего и нижнего переводников, сердечника и зубчатой муфты.

Основные особенности ВЗД, влияющие на его технические параметры

Классификация двигателей по их назначению

Винтовые забойные двигатели для бурения скважин по основному назначению подразделяются на следующие виды:

Видео: Бурение при помощи ВЗД

Источник

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

высокая продольная вибрациявысокая по­перечная вибрациявысокое со­держание пескачрезмерная нагрузка на долоточрезмер­ный расход жидкости

Соединение гибкого вала с ротором

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/см 3 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.

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: 2022 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Винтовые забойные двигатели (ВЗД)

Винтовые забойные двигатели предназначены для бурения глубоких вертикальных, наклонно направленных и горизонтальных скважин различного

Винтовые забойные двигатели предназначены:

Диаметр винтовых забойных двигателей обычно составляет 54-230 мм, они применимы в бурении и капитальном ремонте скважин (КРС).

Винтовые забойные двигатели имеют в своем составе:

По принципу действия ВЗД является объемной (гидростатической) машиной, многозаходные рабочие органы которой представляют собой планетарно-роторный механизм с внутренним косозубым зацеплением.

Односекционные ВЗД типа Д включают двигательную и шпиндельную секции и переливной клапан, корпусы которых соединяются между собой с помощью конических резьб (рисунок).

Рабочими органами двигательной секции являются многозаходные винтовые ротор и статор. Внутри стального статора привулканизирована резиновая обкладка с винтовыми зубьями левого направления. На наружной поверхности стального ротора нарезаны зубья того же направления. Число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев статора, а отношение шагов винтовых линий пропорционально числу зубьев.

Узел соединения ротора и выходного вала шпинделя, который может быть выполнен в виде двухшарнирного карданного соединения или гибкого вала, предназначен для преобразования планетарного движения ротора в соосное вращение вала шпинделя и передачи осевой гидравлической силы с ротора на подшипник шпинделя.

С целью уменьшения угла перекоса шарниры разнесены по длине и соединены между собой по конусным поверхностям посредством промежуточной (соединительной) трубы. Присоединение карданного вала к ротору и валу шпинделя достигается с помощью конусно-шлицевых соединений. Благодаря такой конструкции на выходной вал двигателя передается высокий момент силы при низкой его частоте вращения, а также обеспечивается высокая долговечность и надежность работы двигателя, что позволяет эффективно использовать его в сочетании с современными высокопроизводительными долотами с герметизированными маслонаполненными опорами при сравнительно высоких осевых нагрузках.

На нижнем конце выходного вала установлен наддолотный переводник для соединения вала с долотом.

Для применения гидромониторных долот с целью снижения утечек бурового раствора в опорном узле двигателя монтируется уплотнение (сальниковое устройство торцевого типа с твердосплавными уплотняющими элементами), обеспечивающее бурение при перепадах давления на долоте до 8. 10 МП а.

Переливной клапан служит для сообщения внутренней полости бурильной колонны с затрубным пространством в процессе проведения спуско-подъемных операций в скважине с целью снижения гидродинамического воздействия па проходимые породы при спуске и подъеме бурильной колонны, исключения холостого вращения вала двигателя и потерь бурового раствора при указанных операциях.

Основные конструктивные параметры односекционных ВЗД типа Д и их энергетические характеристики при различных расходах бурового раствора плотностью 1000 кг/м3 (на воде) приведены в табл. 104.

ВЗД разработаны на уровне лучших мировых образцов. Большинство отечественных конструкторских и технологических решений выполнены на уровне изобретений, защищены авторскими свидетельствами и запатентованы во многих зарубежных странах.

Секционные винтовые забойные гидравлические двигатели типа ДС (ДС-195) предназначены для бурения вертикальных и наклонно направленных скважин различного назначения с использованием буровых растворов при температуре не выше 373 К.

Секционный забойный двигатель ДС-195 собирается в промысловых условиях из двух-трех двигательных секций, состоящих из винтовых пар серийных двигателей Д 1-195 и одной шпиндельной секции с шаровой или резинометаллической опорой. Они выпускаются наружным диаметром 195 мм и применяются при бурении скважин шарошечными и безопорнымн долотами различных типоразмеров и серий в соответствии с рекомендуемыми технологически требуемыми зазорами между корпусом этих двигателей и стенками скважин в конкретных геолого-технических условиях месторождений.

Для секционирования рабочих органов двигателя разработаны различные варианты сочленения роторов и статоров и приспособления для осуществления их сборки. Конструктивное исполнение секционных винтовых двигателей может быть следующим:

? сборка с ориентированием рабочих органов по винтовой линии с жестким соединением статоров и роторов с помощью переводника (рисунок);

? сборка без ориентирования рабочих органов с жестким соединением статоров и соединением роторов с помощью шарнира (рисунок) или гибкого вала (рисунок).

Сочленение на конусах может быть надежным при выполнении обязательного условия установки сверху винтовой пары с меньшим зазором, т. е. верхняя секция должна быть ведущей. В противном случае возможен подъем верхней секции ротора и рассоединение конусов и, как следствие, нарушение сочленения.

Для соединения ротора двигательной секции с валом шпиндельной секции может применяться карданный или гибкий вал.

Секционный двигатель позволяет работать при перепадах давления в насадках используемых долот до 8. 10 МПа.

Основные конструктивные параметры секционных ВЗД типа Д2 и их энергетические характеристики при различных расходах бурового раствора плотностью 1000 кг/м3 (на воде) приведены в табл. 104.

Изготовители: См. табл. 104

Винтовые забойные двигатели с полым ротором (рисунок). Отличительной особенностью этих двигателей является выполнение полого ротора и соединение ротора с валом шпинделя через торсион, размещенный внутри ротора. Ротор изготавливается из трубной заготовки методом фрезерования или еще более перспективным методом штамповки из тонкостенной трубы.

Уменьшение массы ротора и применение торснона, размещенного в роторе, позволили уменьшить длину и массу двигателей на 10. 15 %, а также существенно (в 3. 4 раза) увеличить стойкость узла соединения ротора с валом двигателя. Кроме того, такая конструкция двигателя позволяет улучшить энергетическую характеристику двигателя, повысить его КПД и в 2. 4 раза снизить уровень вибраций двигателя.

За счет унификации присоединительных элементов рабочих органов и торсиона эти двигатели могут быть секционированы, что позволяет повысить момент силы на валу и мощность, а также значительно увеличить срок службы рабочих органов.

В двигателях применяется простой и надежный переливной клапан манжетного типа.

Технические решения, использованные в конструкции ВЗД, защищены авторскими свидетельствами и патентами во многих странах.

Основные конструктивные параметры ВЗД с полым ротором и их энергетические характеристики при различных расходах бурового раствора плотностью 1000 кг/м3 (на воде) приведены в табл. 104.

Винтовые забойные двигатели типа ДГ предназначены для бурения горизонтальных скважин, в т. ч. с малым радиусом искривления.

В отличие от других ВЗД двигатель имеет укороченный шпиндель, оснащен опорноцентрирующими элементами и корпусными шарнирами, обеспечивающими эффективную проводку горизонтальных скважин по заданной траектории.

Основные конструктивные параметры и энергетические характеристики винтовых забойных двигателей типа ДГ при различных расходах бурового раствора плотностью 1000 кг/м-1 (на воде) приведены в табл. 104.

Источник

В процессе бурения скважины какой элемент взд подвергается наибольшему риску разрушения износа

Методика определения усталостного износа бурильного инструмента

YAVORSKY A.A.1,
MILENKY A.M.1,
RUBLEV S.S.2,
IVANOV B.P.2,
SOKOLOV A.A.3
1 ERIELL NEFTEGAZSERVICE LLC
Moscow, 117036,
Russian Federation
2 Gazpromneft STC LLC,
Saint Petersburg, 190000, Russian Federation
3 Meretoyakhaneftegaz LLC
Tyumen, 625026,
Russian Federation

Одной из актуальных задач при строительстве горизонтальных скважин с применением современного дорогостоящего подземного оборудования является возможность прогнозирования накопленного усталостного износа бурильного инструмента и предотвращение его отказов, связанных с промывами и сломами по телу бурильной трубы.

В статье описывается методика определения усталостного износа бурильного инструмента на примере горизонтальных скважин, подтвердившая свое практическое применение на объектах ООО «ЭРИЭЛЛ НЕФТЕГАЗСЕРВИС» и ПАО «ГАЗПРОМ НЕФТЬ».

One of the urgent tasks in the construction of horizontal wells using modern expensive underground equipment is the ability to predict the accumulated fatigue wear of the drilling tool and prevent its failures associated with flushing and breakage along the body of the drill pipe.
The article describes a method for determining the fatigue wear of drilling tools on the example of horizontal wells, which has confirmed its practical application at the facilities of «ERIELL NEFTEGAZSERVICE» LLC and «GAZPROM NEFT» PJSC.

С татистика показывает, что большинство отказов (промывы, сломы) бурильного инструмента, эксплуатирующегося в наклонных и горизонтальных скважинах, вызвано усталостным разрушением. Масштаб накопленного усталостного износа бурильных труб зависит от параметров кривизны ствола скважины, кавернозности открытого ствола, типа применяющейся промывочной жидкости, величины производительности промывочной жидкости и эрозионного износа наружной поверхности тела бурильной трубы, величины растягивающей нагрузки в интервале интенсивного искривления ствола скважины, числа циклов вращения бурильной трубы на участках максимальной пространственной интенсивности искривления [1].
Усталостные разрушения по телу бурильных труб часто имеют характерный внешний вид, отличный от разрушений из-за превышения допустимых предельных нагрузок. Усталостная трещина плоская и перпендикулярна к оси трубы (рис. 1). При образовании трещины поток промывочной жидкости часто размывает трещину, что в свою очередь приводит к сквозному промыву тела бурильной трубы (рис. 2). Усталостная трещина, которая размывается потоком промывочной жидкости, как правило, сохраняет свою поперечную ориентацию. Процесс распространения усталостной трещины в сумме с приложением комбинированных нагрузок растяжения и кручения может привести к внезапному катастрофическому разрушению тела трубы до того, как трещина станет достаточно большой (рис. 3) [2].

Особо остро мы столкнулись с проблемой преждевременного усталостного износа бурильного инструмента при бурении горизонтальных эксплуатационных скважин на проектный горизонт ПК1 в Тазовском районе Западной Сибири. Конструкция данных скважин предусматривает посадку башмака эксплуатационной колонны 178 мм в кровлю пласта ПК1 под зенитным углом 90 градусов и вертикали 1186 м, с последующим бурением секции 114 хвостовика долотом 152,4 мм и протяженностью открытого ствола до 2000м. При бурении двух стволов общая протяженность проходки по проектному горизонту может составлять до 4000м. Бурение по проектному горизонту осуществляется с применением бурильного инструмента СБТ 102х8,38 S-135, РУС (роторно-управляемой системы) и моторизированной секции в КНБК. Максимальные фактические пространственные интенсивности искривления в секции эксплуатационной колонны достигают 2,6 град/10м. (рис4). В качестве промывочной жидкости используется ингибированный солевой буровой раствор с минерализацией по KCL 4–5 %. Продуктивный горизонт представлен неоднородным коллектором, вследствие чего в процессе проводки секции 114 эксплуатационного хвостовика на плотных заглинизированных участках наблюдается падение механической скорости проходки с 40 м/ч до 5–
10 м/ч, и увеличение вибрационных нагрузок на бурильную колонну.
При падении механической скорости проходки значительно увеличивается накопленный усталостный износ бурильных труб – за счет увеличения циклов вращения и действия максимальных изгибающих напряжений в интервалах с максимальной пространственной интенсивностью искривления. Применение в качестве промывочной жидкости слабоминерализованного бурового раствора в сумме с знакопеременными изгибающими напряжениями приводит к образованию дополнительных концентраторов напряжений в виде питтинговой коррозии на наружной стенке тела бурильной трубы. Скорость коррозии в слабоминерализованных буровых растворах значительно выше, чем в пресных. Скорость коррозии зависит от массовой доли соли в буровом растворе. С увеличением концентрации соли в буровом растворе до 5 % скорость коррозии увеличивается и достигает своего пика. При концентрациях соли выше 5 % скорость коррозии снижается, что связано с уменьшением растворимости кислорода. Для минерализации 15 % скорость коррозии ниже, чем в пресной воде (рис. 5) [3].
Работа бурильных труб в данных условиях требует от буровиков ведения наработки комплекта не только в часах циркуляции и метрах проходки, но и в %-ном накопленном усталостном износе – для возможности прогнозирования ресурса и своевременной замены отработавших бурильных труб.
При эксплуатации бурильных труб на участках с высокой пространственной интенсивностью искривления бурильная труба, вращаясь, подвергается действию переменного напряжения изгиба. Соотношение между максимальным переменным напряжением изгиба и пределом усталости бурильной трубы на данных участках определяется уравнением [4]:
σ = a × Nb (1)
σ – максимально изгибающее напряжение;
N – предел усталости бурильной трубы, безразмерная величина, обозначает максимально возможное число оборотов (циклов) на определенном искривленном участке скважины;
a и b – экспериментально полученные величины, определяющие усталостные свойства материала, в том числе и при работе бурильных труб в коррозионной среде (Sathuvalli U.B., Payne M.L., Pattillo P.D., Livesay R.B.: «Advanced assessement of drillpipe fatique and application to critical well engineering» paper SPE 92591, prepared for presentation at the SPE/IADC Drilling Conference held in Amsterdam, the Netherlands, 23-25 February 2005).
Накопленный усталостный износ бурильных труб D на определенном участке скважины – i определяется как частное от деления фактического числа оборотов бурильных труб ni на соответствующий предел усталости Ni данных бурильных труб на данном участке:
Di = (ni / Ni ) ×100 % (2)
Бурильные трубы при различных технологических операциях в скважине (бурении, разбуривании технологической оснастки, прямой и обратной проработке, промывке с вращением) последовательно проходят участки с интенсивным искривлением «сверху-вниз» и «снизу-вверх». Суммарный усталостный износ D бурильных труб равен сумме величин Di каждого участка. Величина D, в процентах соответствует размеру усталостных трещин. Если величина D превышает 100 %, это означает, что трещина распространилась сквозь всю стенку бурильной трубы.
Фактическое число циклов бурильных труб ni определяется по результатам реальных данных из листа с параметрами бурения или следующим выражением:
ni =(60×RPMхL) / VOP (3)
RPM – скорость оборотов вращения ротора или шпинделя ВСП;
VOP – механическая скорость проходки, проработки на данном участке скважины i;
L – длина данного участка ствола скважины i;
Практическая последовательность вычислений реализуется следующим образом:
В программном комплексе «Landmark» по фактическим параметрам производится моделирование процессов бурения, обратной проработки через каждые 100 м открытого ствола, и выводятся максимальные изгибающие напряжения на каждую бурильную трубу (рис. 6).

При падении механической скорости проходки значительно увеличивается накопленный усталостный износ бурильных труб – за счет увеличения циклов вращения и действия максимальных изгибающих напряжений в интервалах с максимальной пространственной интенсивностью искривления.

Один из примеров подтверждения данной методики в промысловых условиях показан на фото коррозионно-усталостного износа бурильных труб при очередном инспекционном контроле с расчетным накопленным усталостным износом – 62 % (рис. 9).
Эксплуатация бурильных труб с данными дефектами недопустима, так как имеются риски разрушения бурильной колонны, с последующей потерей дорогостоящей КНБК в скважине и ликвидацией уже пробуренного ствола [2].
Для минимизации накопления коррозионно-усталостного износа бурильного инструмента, применительно к условиям, где существует данная проблема, постоянно следует придерживаться следующих комплексных технологических мероприятий:
1. Применение в слабоминерализованных буровых растворах на водной основе ингибиторов коррозии и поглотителей кислорода;
2. Проектирование параметров траектории скважины и поддержание фактической пространственной интенсивности искривления на минимально возможных значениях;
3. При бурении многозабойных скважин максимально сократить время срезки на новые стволы путем подбора оптимального технологического оборудования в КНБК,

Бурильные трубы при различных технологических операциях в скважине (бурении, разбуривании технологической оснастки, прямой и обратной проработке, промывке с вращением) последовательно проходят участки с интенсивным искривлением «сверху–вниз» и «снизу–вверх».

режимных параметров срезки, а также необходимо прогнозирование интервалов срезки с наиболее оптимальными геологическими условиями;
4. Применение в составе КНБК с РУС дополнительных моторизированных секций с винтовым забойным двигателем (ВЗД) для снижения количества циклов вращения бурильной колонны, расположенной выше ВЗД, снижения вибрационных нагрузок на бурильную колонну;
5. При образовании каверн в открытом стволе скважины подбор дизайна бурильной колонны осуществлять с учетом установки дополнительных толстостенных бурильных труб (ТБТ) в интервалах потенциального кавернообразования.
Следующим этапом усовершенствования внедренной методики расчета накопленного усталостного износа бурильного инструмента нашей командой является автоматическая цифровизация процесса путем применения специальных радиочастотных меток в бурильном инструменте в комплексе с цифровой платформой, аккумулирующей фактические режимные параметры с выводом расчета накопленной усталости каждой бурильной трубы в реальном времени.

Авторы статьи выражают глубокую благодарность В.С. Шаброву (ООО «ЭРИЭЛЛ НЕФТЕГАЗСЕРВИС»),
С.А. Горячеву и Э.Ш. Хайварину (ООО «Меретояха-нефтегаз») за значительный вклад в реализацию данного инжинирингового подхода к вопросам сохранения надежности бурильных колонн в сложных горно-геологических и технологических условиях строительства скважин в Западной Сибири.

ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВЗД В КАПИТАЛЬНОМ РЕМОНТЕ СКВАЖИН И БУРЕНИИ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ СТВОЛОВ

При ремонте действующих и вводе в эксплуатацию бездейст­вующих скважин проводятся работы следующих видов: устране­ние сломов, смятия и негерметичности в эксплуатационной ко­лонне; переход на вышележащие или нижележащие горизонты; изоляция эксплуатационного горизонта; ликвидация аварий и др. Наибольшие затраты времени и средств связаны с разбури-ванием цементных мостов.

До середины 70-х годов наиболее распространенным техни­ческим средством разбуривания цементных мостов являлся ро­торный способ бурения, требующий поставок на скважину бу­рильных труб, ротора, машинных ключей и дополнительного подъемника для привода ротора. Роторный способ оказался до­рогим и неэффективным, особенно в сложных условиях мор­ских промыслов, заболоченных и отдаленных районов. Значи­тельные трудности возникают при разбуривании цемента в на-сосно-компрессорных трубах, а также при ликвидации плотных песчаных пробок. Для выполнения этих работ промысловики прибегали к длительной операции гидроразмыва, а в отдельных случаях ремонтные бригады были вынуждены применять тру­доемкие операции фрезерования и последующего подъема ко­лонн НКТ.

Применение роторного способа разбуривания при капиталь­ном ремонте многих наклонно направленных скважин становится почти невозможным из-за многократного увеличения крутящих моментов, затрачиваемых на холостое вращение колонны бу­рильных труб.

Неоптимальные характеристики турбобуров ТС4А-104,5и ТС4А-127 (большой расход промывочной жидкости, недостаточный крутящий момент при высокой частоте вращения выходно­го вала) и значительные гидравлические потери в циркуляцион­ной системе затрудняли возможность эффективного разбурива-ния цементных мостов турбинным способом.

Появление ВЗД ознаменовало новый этап развития техниче­ских средств капитального ремонта скважин, коренным образом изменив технологию этих работ и состав оборудования.

Для реализации этих технологий отечественная промышлен­ность в настоящее время выпускает следующие двигатели:

За годы промышленной эксплуатации накоплен значительный опыт использования винтовых двигателей и отработана рацио­нальная технология их применения [94].

Технология разбуривания цементных мостов с помощью ВЗД отличается от технологии роторного бурения как составом обору­дования, так и режимами бурения.

Эксплуатация винтовых двигателей полностью исключает строительные и подготовительные работы. Цементные мосты разбуриваются без применения специального бурового оборудо­вания и инструмента.

Многолетний опыт эксплуатации подтвердил, что двигатели вписываются в технологическую схему капитального ремонта скважин: для привода забойного двигателя обычно применяют находящиеся на промыслах цементировочные или заливочные агрегаты или линию законтурного заводнения. Для спуска двига­телей в скважину используют стандартные НКТ. В качестве про­мывочной жидкости применяют, как правило, техническую, пла­стовую воду, хотя известны успешные опыты по работе двигате­лей на глинистом растворе при организации очистки раствора от крупных механических примесей.

Для обеспечения безотказной эксплуатации двигателя необ­ходимо предъявлять высокие требования к герметичности колонн НКТ. Кроме того, следует проводить профилактическую промывку и смазку двигателя в перерывах между работой на скважинах. Это относится прежде всего к рабочей паре двигате­ля.

Большие мощности и повышенные частоты вращения ВЗД позволяют разбуривать цементные мосты и плотные песчаные пробки при оптимальных режимах. Нагрузка на долото по срав­нению с роторным бурением возрастает 1,5-2 раза. В результате в 1,5-2,5 раза сокращается время разбуривания моста.

Зависимость перепада давления в двигателе от крутящего мо­мента представляет оператору второй индикатор нагрузки на до­лото.

Эксплуатационные качества ВЗД (высокий крутящий момент, минимальные осевые и диаметральные габариты, а также про­стота обслуживания) предопределили эффективную эксплуата­цию двигателей в традиционных и современных технологиях ка­питального ремонта нефтяных и газовых скважин.

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

Соединение гибкого вала с ротором

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/см 3 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.

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.

Винтовой забойный двигатель (ВЗД): Конструктивные и технологические преимущества для условий сложного бурения

В интовой забойный двигатель (ВЗД) относится к типу объемных роторных гидравлических силовых агрегатов и широко применяется для создания скважин различной глубины и направленности. Первые разработки были сделаны еще в 60-х годах прошлого века, однако в активную промышленную эксплуатацию ВЗД вошли гораздо позже, ближе к концу тысячелетия. Изначально такие двигатели рассматривались в качестве дополнения к турбобурам на особо сложных участках работ, однако постепенно, с развитием технологий и материалов, винтовые забойные двигатели заняли лидирующие позиции — их стали применять нефтегазовые и сервисные компании по всему миру.

Новая буровая эпоха, наступившая с началом разработки месторождений, характеризующихся сложными горно-геологическими условиями, и ростом доли наклонно-направленного и горизонтального бурения, вывела оборудование ВЗД на новый уровень актуальности. Сегодня в мировой практике бурения винтовым забойным двигателям, по сути, нет альтернатив (даже на уровне проектных разработок). Такие уникальные позиции ВЗД получили за счет сочетания конструктивных, технологических и экономических преимуществ. Силовые агрегаты данного типа состоят из нескольких узловых элементов: двигательной секции (рабочей пары), шпиндельного узла и регулятора угла перекоса.

Собственно рабочими органами двигателя являются ротор и статор, а вместе они составляют двигательную секцию (рабочую пару). Она приводится во вращательное движение потоком жидкости (бурового раствора). Число шагов статора и ротора различается на единицу, что позволяет раствору потоково распределяться по камерам и проворачивать ротор внутри статора. Ротор изготавливается из легированной стали высокой прочности и, как правило, имеет дополнительное защитное покрытие, хотя оно не всегда наносится – многое зависит от экономической составляющей.

Рабочая пара ВЗД может иметь стандартное исполнение статора или профилированное. Последнее используется для увеличения мощностных характеристик ВЗД при снижении длины рабочих органов. Именно двигательная секция определяет основные характеристики ВЗД: мощность, крутящий момент, показатель частоты вращения ротора, КПД.

Передача крутящего момента от силового узла на долото осуществляется за счет шпиндельной секции. Она состоит из корпуса, вала и опор (осевых и радиальных). При наклонно-направленном или горизонтальном бурении шпиндельная часть подвергается высоким нагрузкам, в связи с чем большое значение приобретает качество материалов корпуса и вала, а также надежность шарнирных соединений и радиальных подшипников. Корпус шпиндельной секции, также как и ротор силового узла, изготавливаются из высокопрочной легированной стали.

В стандартном исполнении шпиндельный узел имеет открытую конструкцию, когда рабочие органы контактируют с буровым раствором, смазываясь и охлаждаясь им. На особо сложных участках бурения, характеризующихся большим процентом шлама и/или наличием примесей и твердых частиц в буровом растворе, используются ВЗД с закрытой шпиндельной секцией, когда ее элементы находятся в герметичной масляной ванне под давлением (10–20 атм) и не контактируют с рабочими жидкостями. Однако такое исполнение трудоемко в эксплуатации, а возникающие усилия при бурении часто очень быстро выводят из строя уплотнения.

Регулятор угла перекоса — один из ключевых узлов ВЗД, применяющихся для наклонно-направленного и горизонтального бурения. Позволяет изменять угол оси перекоса конструкции относительно нижней части бурильной колонны на заданный диапазон углов. Конструкция регулятора включает в себя верхний и нижний переводники, сердечник и зубчатую муфту. Это наиболее сложный технологический элемент ВЗД, в отношении которого проводятся постоянные научно-инженерные изыскания, направленные на достижение простоты конструкции, высокой точности установки угловых значений, минимизацию несовпадающих осей элементов и плоскостей искривления для предотвращения отклонений от заданного угла бурения. Особое значение имеет техническое решение задачи сохранения нулевого значения угла и заданной траектории при бурении прямых участков в горизонтально-направленной скважине. При этом необходимо обеспечивать достаточный ресурс и надежность двигателя при работе в максимальных значениях угла перекоса.

Бурение скважин сложного профиля невозможно без применения современных телеметрических систем. Они включают комплекс забойных датчиков, максимально приближенных к забою скважины, источник питания, систему съема, передачи и приема информации с забоя на поверхности, компьютерную систему обработки полученных данных для решения задач контроля и управления процессом бурения скважины. Программно-аппаратные комплексы ИТС обычно располагаются непосредственно на объекте и имеют мобильное исполнение. Однако на сегодняшний день нефтесервисные компании идут дальше и создают собственные центры проектирования и сопровождения бурения, которые осуществляет дистанционный дополнительный контроль за проводкой ствола скважины. Например, центр где-нибудь в Самаре может удаленно контролировать одновременно от 8 до 15 объектов, расположенных в разных регионах России. Сбор и передача сведений технологических параметров бурения ведется с помощью системы удаленного мониторинга инклинометрической и геотехнологической информации. Данные от телесистемы и с датчиков, расположенных на буровой, поступает в центр в режиме реального времени и визуализируются на «видеостене». На основе полученных сведений оперативно корректируется траектория ствола скважины, решаются технологические вопросы. Это позволяет контролировать все параметры оборудования и процесса бурения в совокупности, делать точные прогнозы относительно сроков и планов выполнения работ. Накопленные знания также используются при проектировании новых скважин. Более того, такой подход позволяет предотвращать возникновение крупных аварий и минимизировать количество мелких чрезвычайных ситуаций на объектах.

Существуют различные модификации ВЗД по габаритным размерам и энергетическим характеристикам: частоте вращения, крутящему моменту, мощности. Выбор типоразмера ВЗД под конкретный интервал бурения осуществляется исходя из совокупности геологических и технико-технологических факторов с учетом планируемого к применению породоразрушающего инструмента. Очень важно обеспечить эффективную совместную работу долота и ВЗД. В настоящее время для бурения большинства наклонно-направленных и горизонтальных скважин, в том числе в сложных горно-геологических условиях, используются долота PDC (Polycrystalline Diamond Cutter) в сочетании высокомоментными ВЗД. Рациональный выбор пары «долото-ВЗД» позволяет увеличивать механическую скорость проходки, сокращать количество рейсов и повышать технико-экономические показатели бурения. Производство РDC-долот отличается высокой технологичностью и качеством используемых материалов: металла, алмазных резцов, твердосплавных насадок и вставок, наплавочных и паячных материалов, поскольку от этих составляющих напрямую зависит производительность и долговечность данного оборудования. Как правило, РDC-долота выпускают малыми партиями с учетом специфики конкретного объекта и требований заказчика. В России наиболее современные заводы по производству PDC-долот находятся в Самаре, Уфе и Кургане.

Винтовые забойные двигатели обладают рядом конструктивных преимуществ перед классическими турбобурами и позволяют проводить работы по устройству наклонно-направленных и горизонтальных скважин с максимальными показателями эффективности. Это также касается проведения работ на особо сложных участках, например, при бурении дополнительных стволов через отверстие в эксплуатационной колонне. В сравнении с турбобурами сопоставимые модели ВЗД обладают меньшим диаметром, реализуя при этом высокие силовые характеристики момента двигателя. Помимо этого также стоит отметить простоту конструкции двигательной секции ВЗД, сравнительно малую металлоемкость и низкие параметры износа за счет невысоких скоростей вращения.

Наибольший спрос приходится на двигатели с проточной шпиндельной секцией, оснащенные регулятором угла перекоса и стандартной рабочей парой. Если говорить о спецзаказах, то это, как правило, модификации с профилированной двигательной секцией, полым ротором, маслозащищенным шпинделем. ВЗД с проточным шпинделем имеют универсальное применение и подбираются под условия конкретной скважины по параметрам диаметра, частоте вращения, мощности, заходности. ВЗД с профилированной двигательной секцией чаще используются для бурения скважин со сложным профилем, поскольку обладают меньшей длинной, высокой мощностью и оптимальный показателем искривления. Однако такие модели более чувствительны к шламу, чем ВЗД в стандартном исполнении, и нуждаются в установке дополнительных систем очистки. Модификации двигателей с полым ротором применяются при бурении с повышенным расходом бурового раствора, что обусловлено высокими требованиями к очистке призабойной зоны. В них часть раствора пускается через ротор, позволяя промывать рабочий участок.

Стойкость рабочей пары

ВЗД эффективно работают в контакте с буровыми растворами различной плотности, однако различные компоненты растворов могут негативно влиять на элементы рабочей пары. Наиболее уязвимой с точки зрения повышенного износа деталью двигателя при работе на растворах на углеводородной основе (РУО) является резиновая обкладка статора (эластомер). Она изготавливается из нитрильного каучука (NBR) или твердой резины (HR). При взаимодействии с РУО происходит «набухание» эластомера, меняются его физико-механические свойства. В результате в зацеплении ротор-статор увеличивается натяг и эластомер разрушается вследствие усиления нагрузки.

При работе на растворах с повышенным содержанием высокоактивных составляющих (солей, хлоридов, кислот) наибольшему разрушению подвергается хромовое покрытие ротора. За счет образования подслоевой коррозии происходит ослоение хрома, образование каверн на поверхности ротора, что в свою очередь разрушает эластомер статора.

На сегодняшний день разработаны покрытия и пропитки поверхности ротора, которые позволяют минимизировать пагубное влияние высокоактивных составляющих буровых растворов. А что касается эластомера, то производители не располагают резиновой смесью нужного уровня стойкости, здесь необходимы новые исследования и опытно-конструкторские разработки.

Если говорит о применении ВЗД в целом, то здесь рекомендуется использовать новые разработки буровых растворов, которые не только обладают лучшими характеристиками, но и предотвращают прихваты и поломки ВЗД. В частности, микроэмульсионные растворы на водной основе позволяют снизить силу трения, возникающую при контакте бурильной и обсадных колонн со стенкой скважины, что существенно снижает риски дифференциальных прихватов, а также способствуют снижению износа трущихся поверхностей элементов ВЗД.

Заказчики оборудования ВЗД предъявляют к нему два основных требования: обеспечение высоких скоростей бурения и низкого коэффициента аварийности. В рамках этапа планирования работ на конкретном участке производится подбор двигательных секций ВЗД, отвечающих параметрам скорости и стабильности работ. Однако здесь есть объективные ограничения: при использовании высокоскоростной двигательной секции неизбежно уменьшается мощность ВЗД, с увеличением глубины забоя оборудование приходится применять на менее скоростное и более мощное. В таких условиях для увеличения скорости проходки дополнительно создается вращение всего низа бурильной колонны ротором. При этом возникают сложности, связанные с ограничением скорости работ на больших углах перекоса. Если конструкция шпинделя ВЗД не имеет достаточного запаса прочности, существенно возрастает вероятность поломки оборудования в скважине.

Для устранения данных ограничений разработано несколько инженерных решений. В частности, уменьшение нижнего плеча ВЗД до точки искривления, внедрение разгрузочных элементов в наиболее нагруженные участки двигателя, использование в компоновке низа бурильной колонны гибких переводников, которые снижают вероятность возникновения чрезвычайных ситуаций, приводящих к аварийным ситуациям в скважине. Рассмотрим реализацию данных решений на примере модели ВЗД DMR178 «ИСК «ПетроИнжиниринг».

Изменение конструкции шпиндельной секции позволило минимизировать расстояние между точкой перекоса оси шпинделя и долотом до 1796 мм в стандартном исполнении и до 1662 мм в специальном. За счет модернизации регулируемого угла перекоса оси шпинделя существенно увеличены допуски по возможным оборотам ротора в зависимости от выставленного угла. В верхнем переводнике отклонителя предусмотрены зарезьбовые канавки, снижающие нагрузку на данную деталь при высоких оборотах ротора. Доработки конструкции ВЗД позволили не только расширить диапазон вращения двигателя в составе КНБК, но и улучшили показатели проводки ствола скважины. В результате получена более надежная модификация, которая позволяет вращать КНБК со значительно большей скоростью. Если раньше вращение рабочей пары ВЗД при выставленном значении угла перекоса 1°29’ ограничивалось 20 об/мин (при длине рабочей пары более 5 м), то сейчас возможно вращение со скоростью 50–80 об/мин при значении угла 1°50’. Это дает целый спектр преимуществ в обеспечении скорости и качества буровых работ.

Что касается производителей ВЗД, активно работающих в отрасли, то их можно разделить на две большие группы. Первую составляют компании, вкладывающие значительные средства в НИОКР и предлагающие рынку новые актуальные разработки. Вторая группа — компании, которые копируют востребованные заказчиками технологии и таким образом экономят на затратах. Данный подход позволяет им предлагать более низкие цены и выигрывать крупные тендеры. В итоге создаются нечестные условия конкурентной борьбы, когда ведущие игроки, инвестирующие в НИОКР и питающие отрасль новыми технологиями, оказываются менее успешными в коммерческом плане, чем коллеги по цеху, копирующие их достижения. Кардинальному оздоровлению ситуации могут способствовать не только и не столько специализированные госпрограммы поддержки, сколько создание ответственного подхода заказчиков к ф ормированию тендерных процедур, требований к ВЗД, а также обеспечению прозрачности и открытости данных об условиях реальной эксплуатации оборудования. Именно в таких условиях отрасль будет получать новые стимулы для развития и прирастать количественными показателями через успешную деятельность профессиональных и добросовестных игроков.

Александр Герасименко,
Генеральный директор, «ИСК «ПетроИнжиниринг»

Источник