Реферат Очилов Х. Реферат по дисциплине Основы нефтегазового дела Бурение скважин с применением забойных двигателей
 Скачать 417 Kb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «ТЮМЕНСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Институт транспорта Кафедра транспорта углеводородных ресурсов РЕФЕРАТ по дисциплине: «Основы нефтегазового дела» «Бурение скважин с применением забойных двигателей» Выполнил: Очилов Х.Х. студент группы НДб-21-5 Руководитель: кандидат технических наук Хлус А.А Тюмень, 2022 двигатель винтовой забойн ы Оглавление Введение .................................................................................................................. 3 1.Назначение, цели и задачи бурения скважин .............................................. 5 1.1 Способы и виды бурения. Технология строительства скважин ................ 9 1.2 Основные способы бурения ........................................................................ 10 Перспективные направления в развитии способов бурения в мировой практике ................................................................................................................ 13 1.Общие сведения ................................................................................................ 18 1.1 Конструкция винтового (объемного) забойного двигателя (ВЗД). ......... 19 1.2 Области применения и эффективности винтовых забойных двигателей .............................................................................................................................. 22 1.3 Особенности бурения винтовыми забойными двигателями.................... 24 1.4 Автоматизированные системы управления режимом бурения скважин забойными двигателями .................................................................................... 26 Список литературы ............................................................................................ 29 Введение Максимальное извлечение нефти из недр при рациональных затратах является важнейшей задачей разработки нефтяных скважин. Как показывает опыт разработки нефтяных месторождений Республики Беларусь, эту задачу нельзя решить только вытеснением нефти пресной водой, гидроразрывами пластов и солянокислотной обработкой скважин, которые применяются в настоящее время, а нужны новые более эффективные методы воздействия на продуктивные горизонты, повышающие их нефтеотдачу.В последнее время в республике имеет место непрерывный рост объемов производства углеводородов. До 85 % этого прироста получено за счет бурения, и лишь 15 % - за счет других факторов: совершенствование сетки скважин, применение современных методов повышения нефтеотдачи. Благодаря горизонтальному бурению в последнее время в разработку стали вовлекаться ранее недоступные территории, охранные и застроенные зоны. Роль горизонтальных скважин в ближайшей перспективе будет возрастать, поскольку именно горизонтальные скважины особенно эффективны при освоении ресурсов шельфовых месторождений, маломощных нефтяных точек и залежей с трудноизвлекаемыми запасами. Поэтому вопросам совершенствования технологий и внедрения нового оборудования для бурения необходимо уделять особое внимание.Совершенствование технологий бурения расширяет диапазон требований, предъявляемых к современным конструкциям буровых долот как шарошечных, так и алмазных. Основные требования к выбору способа вращения долота определяются необходимостью обеспечения успешной проводки ствола скважины при возможных осложнениях с высокими технико- экономическими показателями. Поэтому приемлемый вид бурения должен допускать, во-первых, использование таких видов буровых растворов и такой технологии проводки ствола, которые наиболее полно отвечали бы условиям предупреждения осложнений и их ликвидации и качественного вскрытия продуктивного пласта, а во-вторых, - достижение высокого качества ствола скважины, ее конфигурации и наиболее высоких механических скоростей, наибольших проходок на долото, возможность использования долот различных типов в соответствии с механическими и абразивными свойствами пород, глубиной их залегания.Во многом перспективы развития технологии бурения связаны также с дальнейшим совершенствованием винтовых забойных двигателей, ориентированных на бурение глубоких вертикальных, наклонно направленных и горизонтальных скважин различного назначения. До недавнего времени такие двигатели не отличались достаточной надежностью. Наряду с развитием конструкций забойных двигателей гидродинамического типа - турбобуров на протяжении ряда десятилетий специалисты в различных странах пытались решить задачу создания эффективных забойных двигателей объёмного типа.Эти попытки предпринимались в силу недостатков турбинных забойных двигателей, так как для получения вращающих моментов, необходимых для привода долота, потребовалось создание турбобуров с большим числом ступеней или введение промежуточных редукторных устройств. Последнее решение в условиях бурящейся скважины осуществить достаточно сложно, и широкое применение получили только многоступенчатые турбобуры.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. 1.Назначение, цели и задачи бурения скважин Бурение скважин — это процесс сооружения направленной горной выработки большой длины и малого (по сравнению с длиной) диаметра. Начало скважины на поверхности земли называют устьем, дно — забоем. Цели и задачи бурения. Нефть и газ добывают, пользуясь скважинами. Основные процессы их строительства — бурение и крепление. Необ- ходимо осуществлять качественное строительство скважин во все возрас- тающих объемах при кратном снижении сроков их проводки с целью обеспечить народное хозяйство страны нефтью и газом во все возрастаю- щих количествах при снижении трудо- и энергоемкости и капитальных за- трат. Бурение скважин — единственный источник результативной разведки и приращения запасов нефти и газа. Весь цикл строительства скважин до сдачи их в эксплуатацию включает следующие основные последовательные звенья: 1) строительство наземных сооружений; 2) углубление ствола скважины, осуществление которого возможно только при выполнении двух параллельно протекающих видов работ — собственно углубления и промывки скважины; 3) разобщение пластов, состоящее из двух последовательных видов работ: укрепления (крепления) ствола скважины опускаемыми трубами, соединенными в колонну, и тампонирования (цементирования) заколонного пространства; 4) освоение скважин. Часто освоение скважин в совокупности с некоторыми другими видами работ (вскрытие пласта и крепление призабойной зоны, перфорация, вызов и интенсификация притока флюида и др.) называют заканчиванием скважин. Классификация скважин по назначению. Скважины, проводимые на нефть и газ, можно систематизировать следующим образом: структурно-поисковые, назначение которых — установление (уточне- ние) тектоники, стратиграфии, литологии, оценка продуктивности горизон- тов (без дополнительного строительства скважин); разведочные, служащие для выявления продуктивных объектов, а также для оконтуривания уже разрабатываемых нефтяных и газоносных пластов; добывающие (эксплуатационные), предназначенные для добычи нефти и газа из земных недр. К этой категории относят также нагнетательные, оценочные, наблюдательные и пьезометрические скважины; нагнетательные, предназначенные для закачки в пласты воды, газа или пара с целью поддержания пластового давления или обработки призабойной зоны. Эти меры направлены на удлинение периода фонтанного способа добычи нефти или повышение эффективности добычи; опережающие добывающие, служащие для добычи нефти и газа с од- новременным уточнением строения продуктивного пласта; оценочные, назначение которых — определение начальной водонефтенасыщенности и остаточной нефтенасыщенности пласта (и проведение иных исследований); контрольные и наблюдательные, предназначенные для наблюдения за объектом разработки, исследования характера продвижения пластовых флюидов и изменения газонефтенасыщенности пласта; опорные скважины бурят для изучения геологического строения круп- ных регионов, чтобы установить общие закономерности залегания горных пород и выявить возможности образования в этих породах месторождений нефти и газа. Охрана природы. Производственная деятельность буровых предприя- тий неизбежно связана с техногенным воздействием на объекты природной среды. В силу специфических особенностей ведения горных работ про- цессы сооружения скважин отрицательно влияют на лито-, гидро- и био- сферу. Техногенез при бурении скважин носит химико-токсический и фи- зико-механический характер и проявляется в нарушении естественного экологического равновесия экосистем, снижении народнохозяйственной ценности гидросферы, падении ресурсо- и биогенетического потенциала биосферы и деградации отдельных компонентов природной среды. Для предупреждения загрязнения окружающей среды в процессе строительства скважин должен разрабатываться комплекс природоохранных мероприятий. Охрана окружающей среды при строительстве скважин включает: защиту недр от загрязнения и рациональное использование природных минеральных ресурсов; защиту земной поверхности (педо-, гидро- и биосферу) и воздушного бассейна от негативного влияния техногенных факторов при бурении и разработке нефтегазовых месторождений. Охрана недр — это совокупность мероприятий по наиболее полному извлечению полезного ископаемого или максимально возможному сокращению его потерь, наиболее рациональному использованию минеральных ресурсов в народном хозяйстве, исключающих неоправданные потери минерального сырья и топлива, а также отрицательные воздействия на природу. Охрана земной поверхности и воздушного бассейна — это совокуп- ность правовых, организационных, экономических и инженерных меро- приятий по исключению загрязнения объектов гидро-, лито- и биосферы материалами, химреагентами, технологическими жидкостями, используе- мыми при ведении буровых работ, образующимися отходами, а также фи- зико-механического воздействия на компоненты природной среды, приво- дящего к нарушению нормального функционирования экосистем. Сохранение окружающей среды в нефтегазодобывающей промышлен- ности на экологически безопасном (нормативном) уровне имеет свои осо- бенности, которые необходимо учитывать при строительстве скважин, раз- работке и эксплуатации месторождений нефти и газа. К основным из них относятся следующие: 1) предупреждение разрушения покрова Земли и растительности при строительстве скважин; 2) предупреждение проникновения бурового раствора (или его фильт- рата) в поры и трещины пластов с полезными ископаемыми. Особенно опасны гидроразрывы пластов с последующим поглощением бурового рас- твора; 3) предупреждение открытых нерегулируемых газонефтеводопроявле- ний с целью сбережения полезных ископаемых; 4) надежное, долговечное крепление буровых скважин с совершенным разобщением пластов и предупреждением поглощения тампонажного рас- твора или его фильтрата на глубину, большую, чем предусмотрено технологическими соображениями; 5) предупреждение движения флюидов между пластами по любым причинам; 6) надежное тампонирование скважин, оказавшихся «сухими», исто- щившимися или аварийными, с целью предупреждения движения флюидов из пласта в пласт; 7) выполнение мероприятий, использование устройств и технологиче- ских процессов, предусматривающих разобщение всех пластов, а не их части, в разрезе или герметизацию только устья с целью предупреждения продвижения флюидов к дневной поверхности; 8) закачка значительных объемов различных растворов и материалов в пласты при бурении в условиях поглощений; 9) воздействие на пласты различными методами (тепловыми, химиче- скими, силовыми и др.) с целью увеличения и ускорения поступления флюидов к скважине; 10) форсированные отборы флюидов из пластов; 11)закачка больших объемов воды в пласты для восстановления или поддержания пластовых давлений; 12)наличие значительного количества скважин даже в пределах одно- го и того же месторождения, что затрудняет контроль за всеми объектами; 13) сжигание попутного газа; 14) транспортирование нефти и газа в танкерах морем (утечки нефти и газа при этом, а также при бурении, добыче и авариях способствуют за- грязнению окружающей среды). Перечисленные и многие другие причины обязывают работников неф- тегазовых предприятий принимать все установленные меры и предъявлять узаконенные требования для предупреждения нарушения охраны недр и загрязнения окружающей среды.\ 1.1 Способы и виды бурения. Технология строительства скважин Современный процесс бурения скважины — это сложный технико- технологический процесс, состоящий из цепи звеньев, выход из строя одного из которых может привести к осложнениям, авариям или к гибели скважины. Безотносительно к способу разрушения горных пород процесс буре- ния скважин включает ряд операций: спуск бурильных труб (колонны) с породоразрушающим инструментом в скважину; разрушение породы забоя; вынос разрушенной породы из скважины; подъем бурильных труб из скважины для смены сработавшегося раз- рушающегося инструмента и повторения операции; укрепление (крепление) стенок скважины при достижении определен- ной глубины обсадными трубами с последующим цементированием про- странства между стенкой скважины и спущенными трубами (разобщение пластов). Существуют и другие операции технологического и геофизического характера, которые не участвуют в непосредственной проводке скважины, но также являются обязательными. 1.2 Основные способы бурения Распространенные способы вращательного бурения — роторное, тур- бинное и бурение электробуром — предполагают вращение разрушающего породу рабочего инструмента — долота. Разрушенная порода удаляется из скважины закачиваемым в колонну труб и выходящим через заколонное пространство буровым раствором, пеной или газом. Роторное бурение. При роторном бурении долото вращается вместе со всей колонной бурильных труб; вращение передается через рабочую трубу от ротора, соединенного с силовой установкой системой трансмиссий. На- грузка на долото создается частью веса бурильных труб. При роторном бурении максимальный крутящий момент колонны за- висит от сопротивления породы вращению долота, сопротивлений трению колонны и вращающейся жидкости о стенку скважины и от инерционного эффекта упругих крутильных колебаний. В мировой буровой практике наиболее распространен роторный спо- соб: более 90 % объема буровых работ выполняется этим способом. В по- следние годы наметилась тенденция увеличения объемов роторного буре- ния и в РФ, даже в восточных районах. Основные преимущества роторного способа перед турбинным — независимость регулирования параметров режима бурения, возможность срабатывания больших перепадов давления на долоте, значительное увеличение проходки за рейс долота в связи с меньшими частотами его вращения и др. Турбинное бурение. При турбинном способе бурения долото соединя- ется с валом турбины турбобура, которая приводится во вращение движе- нием жидкости под давлением через систему роторов и статоров. Нагрузка создается частью веса бурильных труб. Наибольший крутящий момент обусловлен сопротивлением породы вращению долота. Максимальный крутящий момент в трубах, определяе- мый расчетом турбины (значением ее тормозного момента), не зависит от глубины скважины, частоты вращения долота, осевой нагрузки на него и механических свойств разбуриваемых пород. Коэффициент передачи мощ- ности от источника энергии к разрушающему инструменту в турбинном бурении выше, чем в роторном. Однако при турбинном способе бурения невозможно независимое ре- гулирование параметров режима бурения, при этом велики затраты энер- гии на 1 м проходки, расходы на амортизацию турбобуров и содержание цехов по ремонту турбобуров и др. Турбинный способ бурения получил чрезвычайно широкое распро- странение в РФ благодаря работам ВНИИБТ. Бурение винтовыми (объемными) двигателями. Рабочие органы двига- телей созданы на основе многозаходного винтового механизма, что позво- ляет получить необходимую частоту вращения при повышенном по срав- нению с турбобурами вращающем моменте. Забойный двигатель состоит из двух секций — двигательной и шпиндельной. Рабочими органами двигательной секции являются статор и ротор, представляющие собой винтовой механизм. В эту секцию входит также двухшарнирное соединение. Статор при помощи переводника соединяется с колонной бурильных труб. Вращающий момент посредством двухшарнирного соединения передается с ротора на выходной вал шпинделя. Шпиндельная секция предназначена для передачи осевой нагрузки на забой, восприятия гидравлической нагрузки, действующей на ротор двигателя и уплотнения нижней части вала, что способствует созданию перепада давления. В винтовых двигателях вращающий момент зависит от перепада давления в двигателе. По мере на-гружения вала развиваемый двигателем вращающий момент растет, увеличивается и перепад давления в двигателе. Рабочая характеристика винтового двигателя с требованиями эффективной отработки долот позволяет получить двигатель с частотой вращения выходного вала в пределах 80 — 120 об/мин с увеличенным вращающим моментом. Указанная особенность винтовых (объемных) двигателей делает их перспективными для внедрения в практику буровых работ. Бурение электробуром. При использовании электробуров вращение долота осуществляется электрическим (трехфазным) двигателем перемен- ного тока. Энергия к нему подается с поверхности по кабелю, расположен- ному внутри колонны бурильных труб. Буровой раствор циркулирует так же, как и при роторном способе бурения. Кабель внутрь колонны труб вводится через токоприемник, расположенный над вертлюгом. Электробур присоединяют к нижнему концу бурильной колонны, а долото крепят к валу электробура. Преимущество электрического двигателя перед гидрав- лическим состоит в том, что у электробура частота вращения, момент и другие параметры не зависят от количества подаваемой жидкости, ее фи- зических свойств и глубины скважины, и в возможности контроля процес- са работы двигателя с поверхности. К недостаткам относятся сложность подвода энергии к электродвигателю, особенно при повышенном давлении, и необходимость герметизации электродвигателя от бурового раствора. Перспективные направления в развитии способов бурения в мировой практике В отечественной и зарубежной практике ведутся научно-исследо- вательские и опытно-конструкторские работы в области создания новых методов бурения, технологий, техники. К ним относятся углубление в горных породах с использованием взрывов, разрушение пород при помощи ультразвука, эрозионное, с помо- щью лазера, вибрации и др. Анализ различных методов свидетельствует о необходимости увеличения подводимой к забою мощности. Некоторые из названных методов получили развитие и используются, хотя и в незначительном объеме, зачастую на стадии эксперимента. Гидромеханический метод разрушения горных пород при углублении скважин все чаще используется в экспериментальных и полевых условиях. С.С. Шавловским проведена классификация водяных струй, которые могут применяться при бурении скважин. Основа классификации — развиваемое давление, рабочая длина струй и степень их воздействия на породы раз- личного состава, сцементированности и прочности в зависимости от диа- метра насадки, начального давления струи и расхода воды. Применение водяных струй позволяет в сравнении с механическими способами повы- сить технико-экономические показатели. На VII Международном симпозиуме (Канада, 1984) были представлены результаты работ по использованию водяных струй в бурении. Его возможности связываются с непрерывной, пульсирующей или прерывистой подачей флюида, наличием или отсутствием абразивного материала и технико-технологическими особенностями способа. Эрозионное бурение обеспечивает скорости углубления в 4 — 20 раз больше, чем при роторном бурении (в аналогичных условиях). Сущность его состоит в том, что к долоту специальной конструкции вместе с буро- вым раствором подается абразивный материал — стальная дробь. Размер гранул 0,42 — 0,48 мм, концентрация в растворе — 6 %. Через насадки долота с большой скоростью на забой подается этот раствор с дробью, и забой разрушается. В бурильной колонне последовательно устанавливают два фильтра, предназначенные для отсева и удержания частиц, размер которых не позволяет им пройти через насадки долота. Один фильтр — над долотом, второй — под ведущей трубой, где мож- но осуществлять очистку. Химическая обработка бурового раствора с дро- бью сложнее, чем обработка обычного раствора, особенно при повышен- ных температурах, так как необходимо удерживать дробь в растворе во взвешенном состоянии и затем генерировать этот абразивный материал. После предварительной очистки бурового раствора от газа и шлама при помощи гидроциклонов дробь отбирают и сохраняют в смоченном со- стоянии. Раствор пропускают через гидроциклоны тонкой очистки и дега- затор и восстанавливают его утраченные показатели химической обработ- кой. Затем часть бурового раствора смешивают с дробью и подают в сква- жину, на пути смешивая с обычным буровым раствором (в расчетном со- отношении). Лазеры в бурении. Лазеры — квантовые генераторы оптического диа- пазона — одно из замечательных достижений науки и техники. Они нашли широкое применение во многих областях науки и техники. По зарубежным данным в настоящее время возможна организация производства газовых лазеров непрерывного действия с выходной мощностью 100 кВт и выше. КПД газовых лазеров может достигать 20 — 60 %. Большая мощность лазеров при условии получения чрезвычайно высоких плотностей излучения достаточна для расплавления и испарения любых материалов, в том числе горных пород, которые при этом также растрескиваются, шелушатся. Экспериментально установлена минимальная плотность мощности ла- зерного излучения, достаточного для разрушения пород плавлением: для песчаников, алевролитов и глин она составляет примерно 1,2—1,5 кВт/см2. Плотность мощности эффективного разрушения нефтенасыщенных горных пород из-за термических процессов горения нефти, особенно при поддуве в зону разрушения воздуха или кислорода, ниже и составляет 0,7 — 0,9 кВт/см2. Подсчитано, что для скважины глубиной 2000 м и диаметром 20 см нужно затратить около 30 млн. кВт энергии лазерного излучения. Проводка скважин такой глубины пока не конкурентоспособна в сравнении с традиционными механическими методами бурения. Однако имеются теоретические предпосылки повышения КПД лазеров; при КПД, равном 60 % энергетические и стоимостные затраты существенно снизятся и конкурентоспособность этого метода повысится. При использовании лазера в случае бурения скважин глубиной 100 — 200 м стоимость работ относительно невелика. Но во всех случаях при лазерном бурении форму сечения можно за программировать, а стенка скважины будет формироваться из расплава горной породы и будет представлять собой стеклообразную массу, позволяющую повысить коэффициент вытеснения бурового раствора цементным. В некоторых случаях можно, очевидно, обойтись без крепления скважин. Зарубежные фирмы предлагают несколько конструкций лазеробуров. Основу их составляет мощный лазер, размещенный в герметичном корпу- се, способном выдержать высокое давление. (Температуроустойчивость пока не изучалась.) По этим конструкциям излучение лазера передается на забой через светопроводящее волокно. По мере разрушения (плавления) горной породы лазеробур подается вниз; он может быть снабжен установ- ленным в корпусе вибратором. При вдавливании снаряда в расплав породы стенки скважины могут уплотняться. В Японии начат выпуск углекислотных газовых лазеров, которые при использовании в бурении существенно (до 10 раз) повысят скорость про- ходки. Сечение скважины при формировании ствола этим методом может иметь произвольную форму. Компьютер по разработанной программе дис- танционно задает режим сканирования лазерного луча, что позволяет за- программировать размер и форму ствола скважины. Проведение лазеротермических работ возможно в дальнейшем в пер- форационных работах. Лазерная перфорация обеспечит управляемость процесса разрушения обсадной колонны, цементного камня и породы и может обеспечить проникновение каналов на значительную глубину, что, безусловно, повысит степень совершенства вскрытия пласта. Однако оплавление пород, целесообразное при углублении скважины, здесь непри- емлемо, что должно быть учтено при использовании этого метода в даль- нейшем. В отечественных работах есть предложения о создании лазероплаз- менных установок для термического бурения скважин. Однако транспор- тировка плазмы к забою скважины пока затруднена. В настоящее время проводятся исследования по возможности разработки световодов («свето- водных труб»). Одним из наиболее интересных методов воздействия на горные поро- ды, обладающим критерием универсальности, является метод их плавления при помощи непосредственного контакта с тугоплавким наконечником — пенетратором. Значительные успехи в создании термопрочных материалов позволили перенести вопрос о плавлении горных пород в область реального проектирования. Уже при температурах порядка 1200—1300 °С метод плавления работоспособен в рыхлых грунтах, песках и песчаниках, базальтах и других породах кристаллического фундамента. В породах осадочного комплекса проходка глинистых и карбонатных пород требует, по-видимому, более высокой температуры. Метод бурения плавлением позволяет получить на стенках скважины достаточно толстую ситалловую корку с гладкими внутренними стенками. Метод имеет высокий коэффициент ввода энергии в породу — до 80 — 90 %. При этом может быть, хотя бы принципиально, решена проблема удаления расплава с забоя. Выходя по выводящим каналам или просто обтекая гладкий пенетратор, расплав, застывая, образует шлам, размерами и формой которого можно управлять. Шлам выносится жидкостью, циркулирующей выше бурового снаряда и охлаждающей его верхнюю часть. Первые проекты и образцы термобуров появились в 60-х годах, а наи- более активно теория и практика плавления горных пород начали разви- ваться с середины 70-х годов. Эффективность процесса плавления опреде- ляется в основном температурой поверхности пенетратора и физическими свойствами горных пород и мало зависит от их механических и прочност- ных свойств. Это обстоятельство обусловливает определенную универсальность метода плавления в смысле применимости его для проходки различных пород. Температурный интервал плавления этих различных полиминеральных многокомпонентных систем в основном укладывается в диапазон 1200—1500 °С при атмосферном давлении. В отличие от механического метод разрушения горных пород плавлением с увеличением глубины и температуры залегающих пород повышает свою эффективность. Как уже говорилось, параллельно с проходкой осуществляются креп- ление и изоляция стенок скважины в результате создания непроницаемого стекловидного кольцевого слоя. Пока не ясно, будет ли происходить износ поверхностного слоя пенетратора, каковы его механизм и интенсивность. Не исключено, однако, что бурение плавлением, хотя и с небольшой ско- ростью, может проводиться непрерывно в пределах интервала, определяе- мого конструкцией скважины. Сама же эта конструкция в силу непрерыв- ного крепления стенок может быть значительно упрощена, даже в слож- ных геологических условиях. Очевидно, что можно себе представить технологические процедуры, связанные только с креплением и изоляцией стенок последовательно с проходкой ствола способом обычного механического бурения. Эти проце- дуры могут относиться только к интервалам, представляющим опасность в связи с возможностью возникновения различных осложнений. С точки зрения технической реализации следует предусмотреть токо- провод к нагнетательным элементам пенетратора аналогично используемо- му при электробурении. 1.Общие сведения 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 распространение 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 твердосплавных 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. Захаровым, 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 основы теории рабочего процесса, конструирования и технологии изготовления, разработана технология бурения винтовыми (объемными) двигателями. 1.1 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). 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 усовершенствована за счет применения облегченного пустотелого ротора, 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 органы 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. Одновременно с запуском двигателя проверяют работоспособность 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. 1.2 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. 1.3 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 резкому 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 необходимо 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 отправляют 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... ...20 25,0... ...35 25,0... ...35 25,0......35 25,0...35 20,0.... 35 Частота вращения вала шпинделя, об/мин 162,0... ...300,0 132,0 ...174,0 78,0... ...108,0 90,0... ...120,0 80,0......100,0 90,0... ...114,0 78,0... ...120,0 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.....1 1,0 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.....1 2,0 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 1.4 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. Список литературы 1. Нескромных, В. В. Бурение скважин. Учебное пособие / В. В. Нескромных – Красноярск: ООО "Научно-издательский центр ИНФРА-М, Сибирский федеральный университет СФУ, 2015. – 352 с 2. Справочник инженера по бурению геологоразведочных скважин: в 2-х томах. / Под ред. Е.А. Козловского. – М.: Недра, 1984. – 276 с. 3. В.А.Волковыскнй, И.В.Родина. Инженерные изыскания для строительства. Технические требования к производству буровых и горнопроходческих работ /Госстрой РСФСР. - М.: МосЦТИСИЗ, 1989. – 22 с. 4. Зубарев В.Г. Основы нефтегазового дела: Учебное пособие. - Тюмень: ТюмГНГУ, 1998 - 98 с. 5. Вадецкий Ю.В. Бурение нефтяных и газовых скважин.- М.:Недра,1978. 6. Электронная нефтегазовая библиотека Российский государственный университет нефти и газа им. И. М. Губкина [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://elib.gubkin.ru/# – Дата обращения 23.05.2022. 7. Муравьев В. М., Середа Н. Г. Основы нефтяного и газового дела. М., «Недра», 1967. 9. Захария, И. Р. Основы разведочного бурения: курс лекций. / И. Р. Захария, В. А. Бабец. – Минск: БГУ, 2003. – 192 с. 10. Калинин, А. Г. Практическое руководство по технологии бурения скважин на жидкие и газообразные полезные ископаемые / А. Г. Калинин. и др. – М.: Недра, 2001. – 450 с. 11. Муравьев В. М. Эксплуатация нефтяных и газовых скважин. М., «Недра», 1973. двигатель винтовой забойный |