БУРЕНИЕ ВИНТОВЫМ ЗАБОЙНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ. Бурение с помощью винтового забойного двигателя
 Скачать 0.62 Mb.
|
|
1 БУРЕНИЕ С ПОМОЩЬЮ ВИНТОВОГО ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Были определены оптимальные диапазоны частот вращения для эффективного использования современных типов долот: 40–80 об/мин – для твердых пород; 120–200 об/мин – для мягких пород. Эффективное решение данной проблемы – это создание забойного гидравлического двигателя с характеристиками, отвечающими требованиям новых конструкций долот, за счет перехода от динамических машин, какими являются турбобуры, к объемным – винтовым забойным двигателям (ВЗД). Винтовые забойные двигатели, имеющие в своей основе героторный механизм, занимают ведущую позицию в буровой технике и технологии при разработке нефтяных и газовых месторождений. Применение винтовых двигателей способствовало существенному повышению технико-экономических показателей бурения и возникновению новых технологий строительства скважин. 2 КЛАССИФИКАЦИЯ ВЗД Объемные машины различают по назначению: - для универсального применения (общего назначения); - наклонно направленного и горизонтального бурения; - для ремонта скважин (буровых работ внутри обсадных колонн и насосно-компрессорных труб); - специального применения (например, двигатели для горизонтального бурения с вращением КНБК). Также по наружному диаметру: - обычного исполнения (диаметром 127 мм и более); - малогабаритные (диаметром от 54 до 127 мм); миниатюрные (диаметром менее 54 мм). По частоте вращения: 2 - обычные (п = 80–150 об/мин); - быстроходные (п > 150 об/мин); тихоходные (п < 80 об/мин). Серийно выпускаемые ВЗД различают по термостойкости: - в обычном исполнении для температуры до 100 °С; - термостойкие, предназначенные для бурения при забойной температуре 120–150 °С и более. Термостойкость ВЗД определяется физико-химическими свойствами эластичной обкладки статора и клея, обеспечивающего крепление обкладки с металлом. Для повышения термостойкости ВЗД используются специальные эластомеры, а также особые конструкции статоров, например, со шлицевым креплением обкладки. В отечественной практике термостойкие двигатели серийно не выпускаются. За рубежом ряд компаний предлагают ВЗД, предназначенные для работы в условиях забойной температуры до 150 °С. Поскольку в настоящее время большое внимание уделяется бурению глубоких (до 3500 м) и сверхглубоких (от 4000 до 11000 м) скважин, требуется создание ВЗД с возможностью его работы при температуре более 150 °С. Это вызвано разработкой, исследованиями и освоением продуктивных интервалов с подсчетами запасов нефти и газа. Температурный градиент по разрезу скважин составляет в среднем 3,3 °С на 100 м. Температура на забое скважин в интервалах от 4 000 до 11 000 м варьируется от 130 до 270 °С. Также при бурении скважин месторождений Севера Тюменской области встречаются интервалы с аномально высокими температурами (более 150 °С) на глубине от 3500 до 4600 м. Базовая конструкция винтовой пары не позволяет избежать выхода из строя эластичной (резиновой) обкладки статора. 3 Прежде всего это связано со свойствами резиновых смесей статоров ВЗД, имеющих ограниченный температурный диапазон. Результаты испытаний применяемых резиновых смесей, например, таких как Н-407-14 и ИРП-1226-3, показали, что условная прочность после термического воздействия от 120 до 140 °С снижается до 85 %. Снижение прочности эластичной (резиновой) обкладки статора при высоких забойных температурах в скважине приводит к отказу ВЗД вследствие прямоточных утечек закачиваемого под высоким давлением (от 4,0 до 8,0 МПа) реагента (бурового раствора) по профилю винтовых линий ротора и статора. Это приводит к частым остановкам и запускам двигателя, невозможности бурения ВЗД в условиях высоких забойных температур. Бурение скважин в местах высоких температур осуществляется роторным способом: путем вращения бурильной колонны. В результате взаимодействия – трения о стенки скважины происходит износ бурильных труб, элементов оснастки бурильной колонны, что снижает технико-экономические показатели бурения. 3 ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ВЗД Как указывалось выше, винтовой забойный двигатель – это двигатель объемного типа, приводимый в действие давлением циркуляции бурового раствора. 1. Двигатель передает энергию вращательного движения на долото с определенными значениями крутящего момента и частоты вращения долота. Для работы двигателя в качестве промывочной жидкости используется вода или буровой раствор и газожидкостная система (ГЖС) плотностью от 700 до 1600 кг/м 3 с содержанием абразивных частиц до 1 % по весу, крупностью не более 1 мм и нефтепродуктов до 10 %, при забойной температуре не более 100 °С. 4 Разработанные в последнее время винтовые забойные двигатели могут использоваться и при более высоких забойных температурах (до 135 °С). Безотказная работа двигателя и его долговечность зависят от качества бурового раствора. Система очистки раствора должна быть оборудована виброситами и пескоотделителями. Для тонкой очистки раствора рекомендуется использовать илоотделители и центрифуги. Двигатели объемного принципа действия со все увеличивающейся наработкой на отказ в сочетании с долотами новейшей в буровой отрасли конструкции являются теперь для буровиков альтернативой традиционному роторному и турбинному бурению. 2. При их использовании увеличивается частота вращения долота (в сравнении с роторным бурением), а также механическая скорость проходки с возможностью увеличения нагрузки на долото. Общепризнанно, что ВЗД, подобранный под буровое долото и пласт, обеспечивает лучшую скорость проходки, чем роторное бурение, уменьшает износ и усталость компонентов бурильной и обсадной колонны, а также оборудования устья: вертлюга, ведущей трубы и привода ротора. 3. При бурении с ВЗД возможен более эффективный контроль за отклонением и резким искривлением скважины. Бурение с помощью ВЗД более экономично, т.к. мощность, подаваемая на буровые насосы для приведения в действие двигателя и бурового долота, меньше мощности, которая нужна для вращения бурильной колонны с сопутствующими потерями на трение. 4. При бурении ВЗД в твердых породах проходка на долото увеличивается более чем в два раза, а в мягких – на 20–30 % по сравнению с турбобуром, механическая же скорость бурения в обоих случаях ниже на 20– 50 %. Тем не менее при глубине скважины свыше 1500–2000 м ВЗД выгодны, ибо обеспечивают более высокую рейсовую скорость, которая, напомним, является интегральным показателем эффективности механического бурения. 5 ВЗД находит все более широкое применение во многих районах для бурения различных по твердости, пластичности, абразивности горных пород. 5. Он проще по конструкции, имеет значительно меньшую длину и массу по сравнению с турбобуром. Небольшая длина двигателя очень выгодна для бурения наклонных и особенно горизонтальных скважин, поскольку можно до минимума снизить радиус искривления ствола и, соответственно, его длину. Максимальное снижение диаметра и длины двигателя при сохранении приемлемых энергетических параметров позволило значительно увеличить проходимость компоновки при большом угле перекоса и обеспечить радиус искривления ствола скважины до 10 м. 6. При бурении ВЗД имеется возможность контролировать отработку долота по давлению в циркуляционной системе (на стояке), поскольку перепад давления на двигателе пропорционален вращающему моменту, потребляемому долотом. Так, при значительном износе опоры наблюдается её периодическое подклинивание, которое проявляется на поверхности скачкообразными возрастаниями давления на стояке. При изнашивании зубьев, напротив, давление будет снижаться при неизменной нагрузке на долото. ВЗД в принципе весьма перспективны для бурения долотами ИСМ, РСД с крупными резцами из алмазосодержащих композиционных материалов, шарошечными с маслонаполненными герметизированными опорами скольжения. 4 УСТРОЙСТВО ВЗД В основу объемных двигателей положена схема планетарного эксцентричного редуктора с внутренним зацеплением и винтовыми зубьями. Двигатель состоит из двух основных узлов (рис. 1): секции двигательной 1 и секции шпиндельной 6, которые соединяются между собой переводником 5. Секция двигательная предназначена для преобразования энергии движущего 6 потока буровой жидкости во вращательное движение ротора и передачи этого движения на вал шпиндельной секции. Рис.1 – ВЗД 1 – героторный механизм; 2 – статор; 3 – ротор; 4 – шарнирное соединение; 5 – переводник; 6 – шпиндель; 7 – вал шпинделя Секция двигательная включает героторный механизм, статор 2 и ротор 3, шарнирное соединение 4 (или торсионное соединение) и корпусной переводник 5. Рабочие органы, ротор и статор представляют собой зубчатую пару с внутренним косозубым зацеплением с разницей в числах зубьев, равной единице. Статор 2 выполнен в виде стального корпуса с привулканизированной резиновой обкладкой, имеющей внутренние винтовые зубья левого направления. Ротор 3, на наружной поверхности которого нарезаны винтовые зубья левого направления (на один зуб меньше, чем у статора), выполняется из коррозионно- стойкой стали или из конструкционной стали с хромированием зубьев. Ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета e (условно равную половине высоты зуба). Зубья ротора и статора, находясь в непрерывном контакте, образуют замыкающиеся на длине шага статора единичные рабочие камеры. Таким образом, винтовой механизм одновременно выполняет роль двигателя и понижающего редуктора, что удачно решает проблему забойного 7 привода долота. Буровой раствор, поступающий в двигатель, проворачивает ротор внутри обкладки статора. Ротор обкатывается по зубьям статора под действием неуравновешенных гидравлических сил. При этом ротор совершает планетарное движение: геометрическая ось ротора вращается относительно оси статора против часовой стрелки (переносное движение), а сам ротор поворачивается по часовой стрелке (абсолютное вращение). Секция шпиндельная предназначена для восприятия осевых и радиальных нагрузок, действующих на двигатель. Шпиндель является одним из главных узлов двигателя. Он передает осевую нагрузку на долото, воспринимает гидравлическую нагрузку, действующую на ротор двигателя, и уплотняет выходной вал, способствуя созданию необходимого перепада давления на долоте. Подшипники шпинделя должны также воспринимать радиальные нагрузки, возникающие от действия долота и шарнирного соединения. Все российские двигатели имеют торговую марку (шифр) Д, лишь ООО «Радиус-Сервис» прибавило к шифру окончание РС. Добавление к шифру Д другой буквы идентифицирует ВЗД по их назначению или особенностям характеристики. Например, двигатели серии ДГ спроектированы для горизонтального бурения, ДВ – выполнены высокооборотными, ДР – двигатели с регулируемым искривленным переводником. 8 Рис.2. – Энергетические характеристики ВЗД ООО «ВНИИБТ-Буровой инструмент»: а) Д1-88 (Q = 7 л/с); б) Д1-105 (Q = 10 л/с); в) ДВ-172 (Q = 32 л/с); г) Д1-240 (Q = 32 л/с) |