Что такое забойный двигатель буровой колонны
Винтовой забойный двигатель
Винтовой забойный двигатель (ВЗД) — гидравлический забойный двигатель объёмного типа, рабочие органы которого выполнены по схеме планетарного механизма, приводимого в действие за счёт энергии промывочной жидкости. Винтовые забойные двигатели предназначены для бурения наклонно-направленных, глубоких, вертикальных, горизонтальных и других скважин. Так же применяется для разбуривания песчанных пробок, цементных мостов, солевых отложений и тд.
Рисунок 3 – Винтовой забойный двигатель
Первые винтовые забойные двигатели с высокой частотой вращения разработаны в США в 1962 Харрисоном на базе обращённого однозаходного героторного винтового насоса Муано. Многозаходный винтовой забойный двигатель с низкой частотой вращения создан в CCCP в 1966-70 С. С. Никомаровым, М. Т. Гусманом и др.
ВЗД состоит из следующих основных узлов и деталей:
двигательной секции: включающей в себя ротор и статор;
шпиндельной секции: включающей в себя многорядную упорно-радиальную опору, радиальные опоры и торцевой сальник;
переливного клапана, соединительных и рабочих переводников.
Стальной статор внутри имеет привулканизированную резиновую обкладку с винтовыми зубьями левого направления. На стальном роторе, с хромированным покрытием, нарезаны зубья также левого направления. Число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев статора. Специальный профиль зубьев ротора и статора обеспечивает их непрерывный контакт между собой, образуя на длине шага статора единичные рабочие камеры.
Промывочная жидкость, поступающая в двигатель от насосов, может пройти к долоту только в том случае, если ротор проворачивается относительно статора, обкатываясь под действием неуравновешенных сил.
Ротор, совершая планетарное движение, поворачивается по часовой стрелке (абсолютное движение), в то время как геометрическая ось ротора перемешается относительно оси статора против часовой стрелки (переносное движение).
За счёт разности в числах зубьев ротора и статора (передаточное соотношение в зависимости от типа ВЗД может быть 9/10, 6/7 и др.) переносное движение редуцируется в абсолютное с передаточным числом, что обеспечивает сниженную частоту вращений и высокий крутящий момент на валу двигателя.
Шпиндельная секция служит для передачи осевого усилия с бурильных труб на долото, восприятия гидравлической нагрузки и реакции забоя, снижения радиальных колебаний долота.
Переливной клапан предназначен для слива промывочной жидкости из бурильных труб при подъёме колонны с ВЗД и заполнении бурильной колонны при спуске в скважину.
Винтовой забойный двигатель доставляется на буровую в собранном виде с навернутыми предохранительными пробками.
Перед пуском в работу двигатель должен быть подвержен наружному осмотру. Особое внимание следует обратить на отсутствие трещин и вмятин на статоре и корпусе шпинделя, на состояние присоединительных резьб к бурильным трубам и к долоту, а также на плотность свинчивания промежуточных резьб, соединяющих корпусные детали двигателя.
Двигатель должен эксплуатироваться, если:
в качестве промывочной жидкости используется техническая вода или глинистый раствор плотностью не более 210 кг/м;
содержание песка не более 2% по весу;
размер твердых частиц не более 1 мм;
при забойной температуре не выше +100 ºС.
Повышенное содержание твердых частиц в промывочной жидкости приведёт к быстрому износу рабочих органов (ротор-статор). Повышение температуры в призабойной зоне влияет на прочность эластомера статора и понижает ресурс двигателя. Буровой раствор, содержащий реагенты на углеводородной основе, приводит к набуханию резиновой обкладки (эластомера) статора и преждевременному выходу из строя двигателя. Дифференциальное давление, превышающее рекомендуемое максимальное рабочее значение на приводе объёмного двигателя, сокращает срок работы статора.
При эксплуатации винтовых забойных двигателей необходимо следить, чтобы количество осадка в приёмных мерниках буровых насосов не превышало 25% от объёма мерников и под ведущую бурильную трубу (квадрат) и УБТ был установлен фильтр.
Забойный двигатель
Забойный двигатель предназначен для использования при бурении скважин. Двигатель содержит постоянно сцепленные между собой внутреннюю шестерню с наружным зацеплением и наружную шестерню с внутренним зацеплением. Шестерни разделяет невращающийся корпус, несущий внутреннюю шестерню. В корпусе выполнены каналы для подачи и выпуска рабочего агента, корпус жестко связан с колонной бурильных труб, а вращающаяся за счет энергии потока рабочего агента наружная шестерня жестко связана с породоразрушающим инструментом. Такое выполнение забойного двигателя позволяет повысить его КПД и долговечность. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для использования при бурении скважин.
Гидравлические двигатели шестеренного типа существуют в общепромышленной практике (Башта Т.М. Гидравлические двигатели летательных аппаратов.-М.: Машиностроение, 1967, с.156, рис.89), но никоим образом не приспособлены и не могут быть использованы в качестве забойных двигателей при бурении скважин. Рабочим телом промышленных шестеренных двигателей является масло, подаваемое под давлением от насоса. Промышленные шестеренные двигатели обычно состоят из неподвижного герметичного корпуса, внутри которого синхронно вращаются в противоположные стороны две постоянно сцепленные между собой шестерни наружного зацепления с одинаковым количеством зубьев, вал одной из которых служит для отвода мощности. Кинематически такой двигатель достаточной мощности не вписывается в поперечные размеры скважины.
Известны две разновидности гидравлических забойных двигателей вращательного действия для бурения скважин — многоступенчатый турбинный (турбобур) и винтовой. Оба известных забойных двигателя сложны по конструкции, дороги в изготовлении и эксплуатации, могут применяться только при жидкостной промывке, требуют большого расхода промывочной жидкости, отличаются большой длиной.
Кроме того, турбобур не является объемным гидравлическим двигателем, т. е. частота его вращения не определяется только подачей жидкости, но зависит также от крутящего момента (осевой нагрузки) и в принципе не может быть эффективным при малых диаметрах, свойственных современному алмазному бурению разведочных скважин на твердые полезные ископаемые.
Производительность алмазного бурения прямо пропорциональна частоте вращения алмазного породоразрушающего инструмента до 2000 — 3000 об/мин. Однако обеспечить достаточно высокие для алмазного бурения обороты без забойного двигателя невозможно из-за неизбежно возникающей вибрации бурильной колонны. Так, несмотря на меры борьбы с вибрацией (смазка колонны, применение эмульсионных растворов и др.), при глубине скважины более 500 м допустимой считается скорость вращения бурового снаряда менее 500 об/мин.
Неизбежно большая длина существующих забойных двигателей препятствует их применению для быстрого наращивания кривизны при бурении наклонно-направленных скважин.
В качестве прототипа рассмотрим забойный двигатель (а.с. СССР N 400689, кл. E 21 B 3/12, 1970), включающий в себя несущий корпус, в котором размещен рабочий орган в виде зубчатой пары — статора с внутренними винтовыми зубьями и ротора с наружными винтовыми зубьями, причем вращающийся под действием потока жидкости ротор совершает круговое движение по внутренней винтовой поверхности статора, образуя нагнетательные и сливные полости, в результате чего этот гидравлический двигатель в отличие от турбобура является объемным, т. е. частота его оборотов определяется только подачей жидкости и не зависит от осевой нагрузки (крутящего момента). Однако данный забойный двигатель обладает следующими недостатками: поскольку ось ротора всегда эксцентрична оси двигателя, необходим шпиндель, в котором размещен карданный вал с двумя универсальными шарнирами, что усложняет конструкцию, удорожает изготовление, снижает КПД и долговечность двигателя в эксплуатации.
Задача изобретения заключается в устранении указанных недостатков, т.е. в упрощении конструкции, повышении КПД и долговечности забойного двигателя. Технический результат достигается тем, что в забойном двигателе, содержащем несущий корпус, зубчатый рабочий орган, нагнетательную и выпускную полости, рабочий орган выполнен в виде постоянно сцепленных между собой внутренней шестерни с наружным зацеплением и наружной шестерни с внутренним зацеплением, причем разделяющий их невращающийся корпус, несущий на себе внутреннюю шестерню с наружным зацеплением, имеет каналы для подачи и выпуска рабочего тела и жестко связан с колонной бурильных труб, а наружная шестерня с внутренним зацеплением жестко связана с породоразрушающим инструментом. При этом отпадает необходимость в шпинделе и карданном вале с двумя универсальными шарнирами.
Предлагаемый забойный двигатель лишен недостатков существующих турбинного и винтового двигателей: прост по конструкции, дешев в изготовлении и эксплуатации, может применяться как при жидкостной промывке, так и при промывке пеной и продувке сжатым воздухом (газом), не требует повышенного расхода промывочной жидкости (пены, газа), имеет небольшую длину и, кроме того, может быть изготовлен любого малого диаметра применительно к алмазному бурению на твердые полезные ископаемые.
Применение предлагаемого забойного двигателя, в частности, при алмазном бурении позволит существенно повысить производительность за счет постоянно высоких оборотов алмазного породоразрушающего инструмента независимо от глубины скважины, многократно снизить аварийность, простои и расход бурильных труб, поскольку бурильная колонна в процессе бурения не вращается и может работать многократно дольше.
На фиг.1 изображен общий вид предложенного забойного двигателя, продольный разрез; на фиг.2 — сечение АА на фиг.1.
Забойный двигатель состоит из несущего корпуса 1, жестко связанного с невращающейся при бурении колонной бурильных труб 2, внутренней шестерни 3 с наружным зацеплением, сидящей в подшипниках 4 в теле несущего корпуса, и постоянно сцепленной с нею наружной шестерни 5 с внутренним зацеплением, сидящей на подшипниках 6, также установленных в теле корпуса 1, и жестко связанной с породоразрушающим инструментом 7 при бескерновом бурении (или с колонковым набором при бурении с отбором керна). В теле несущего корпуса 1 выполнены расположенные в осевом направлении и не связанные друг с другом канал 8, соединяющий через тангенциально расположенные сверления 9 внутренний канал бурильной колонны 2 с нагнетательной полостью «а» забойного двигателя, и канал 10, соединяющий через тангенциально расположенные сверления 11 выпускную полость «b» забойного двигателя с внутренним каналом породоразрушающего инструмента 7 (или колонковым набором). Канал 8 и сверление 9 служат для подачи под давлением рабочего тела (промывочная жидкость) в нагнетательную полость «а», а канал 10 и сверление 11 — для выхода отработанного рабочего тела из выпускной полости «b».
При сборке бурового снаряда предлагаемый забойный двигатель устанавливается между концом бурильной колонны 2 и породоразрушающим инструментом 7 (или колонковым набором). После спуска бурового снаряда в скважину, но до постановки на забой в канал бурильной колонны с поверхности под давлением подается промывочная жидкость (пена, сжатый воздух), которая по каналам 8, 9 попадает в нагнетательную полость «а» двигателя и в силу большей площади продольного сечения несмыкающихся зубьев за счет перепада давления приводит обе сцепленные между собою шестерни 3 и 5 во вращательное движение по часовой стрелке (если смотреть сверху). При этом наружная шестерня 5 с внутренним зацеплением приводит во вращение породоразрушающий инструмент 7 (или колонковый набор). Буровой снаряд с вращающимся породоразрушающим инструментом ставится на забой с определенной осевой нагрузкой, и начинается процесс бурения скважины. Частота вращения забойного двигателя и соответственно породоразрушающего инструмента изменяется прямо пропорционально расходу несжимаемой промывочной жидкости, а крутящий момент зависит от фактического перепада давления на двигателе, т.е. является функцией осевой нагрузки и расхода (подачи) жидкости.
Отработанная промывочная жидкость из выпускной полости «b» по каналам 11 и 10 поступает во внутренний канал породоразрушающего инструмента 7 (или в колонковую трубу) и в дальнейшем используется для охлаждения породоразрушающего инструмента и выноса продуктов разрушения породы с забоя скважины.
После завершения рейса бурения подача промывочной жидкости прекращается, и буровой снаряд вместе с забойным двигателем и породоразрушающим инструментом (или колонковым набором вместе с керном) извлекается на поверхность.
Для обеспечения длительной безотказной работы двигателя в верхней и нижней частях бурильной колонны следует устанавливать сетчатые фильтры аналогично тому, как это делается при турбинном бурении.
Предлагаемый забойный двигатель может работать как гидравлический с использованием в качестве рабочего тела несжимаемой жидкости (воды, водного раствора ПАА, эмульсионного, малоглинистого растворов и др.) и как пневматический с использованием сжимаемого рабочего тела (газо-жидкостной смеси, пены, сжатого воздуха, азота и др.). Во втором случае применение фильтров в бурильной колонне не требуется. Зависимости частоты вращения и крутящего момента от расхода сжимаемого рабочего тела более сложны, чем в случае использования несжимаемой жидкости.
1. Забойный двигатель, включающий в себя несущий корпус, рабочий орган в виде зубчатой пары, нагнетательную и выпускную полости, отличающийся тем, что рабочий орган выполнен в виде постоянно сцепленных между собой внутренней шестерни с наружным зацеплением и наружной шестерни с внутренним зацеплением, причем разделяющий их несущий корпус жестко связан с колонной бурильных труб, а наружная шестерня с внутренним зацеплением жестко связана с породоразрушающим инструментом.
2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что не связанные между собой каналы для подачи под давлением рабочего тела в нагнетательную полость и выхода отработанного рабочего тела из выпускной полости выполнены в теле несущего корпуса, каждый в осевом и тангенциальном направлениях.
КОМПОНОВКА НИЗА БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ ДЛЯ НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННОГО И ГОРИЗОНТАЛЬНОГО БУРЕНИЯ
Полезная модель относится к устройствам для изменения направления буровой скважины в процессе бурения и может применяться в нефтегазодобывающей, горной и других отраслях промышленности. Компоновка низа бурильной колонны содержит долото, соединенное с валом отклоняющего блока, за ним нижний центратор. За нижним центратором расположен винтовой забойный двигатель и затем гибкий переводник, за которым установлен верхний центратор, а за ним измерительный блок и бурильные трубы. Полезная модель обеспечивает проектную форму траектории буровой скважины без выемки изструмента на поверхность, а также более легкое прохождение низа бурильной колонны по искривленным участкам скважины. 1 н.п.ф., 1 ил.
Компоновка низа бурильной колонны, содержащая долото, винтовой забойный двигатель, переводник над ним и бурильную колонну, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена установленным над долотом отклоняющим блоком, нижним центратором над ним и верхним центратором над переводником, за которым установлен измерительный блок, а переводник выполнен гибким.
Полезная модель относится к устройствам для изменения направления буровой скважины в процессе бурения и может применяться в нефтегазодобывающей, горной и других областях промышленности.
В качестве прототипа принята компоновка забойного двигателя с прямым корпусом для наклонно-направленного бурения, описанного в книге Д.Ф. Балденко, Ф.Д. Балденко и А.Н. Гноевых «Одновинтовые гидравлические машины» в 2-х т., М., ООО «ИРЦ Газпром, 2007, т. 1, с. 37-38, рис. 2.4.а. Упомянутая компоновка забойного двигателя с прямым корпусом для наклонно-направленного бурения содержит долото, забойный двигатель с кривым переводником над ним, кривой переводник, бурильную колонну.
Признаки известного технического решения, совпадающие с признаками заявленной полезной модели, заключаются в наличии в ней долота, винтового забойного двигателя с переводником над ним и бурильной колонны.
Причина, препятствующая получению в известном техническом решении технического результата, который обеспечивается полезной моделью, заключается в отсутствии, средств, обеспечивающих ведение контроля параметров траектории скважины в процессе бурения и корректировки этих параметров без подъема инструмента на поверхность, а также облегчения прохождения низа бурильной колонны по скважине.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в повышении эффективности бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин.
Технический результат, приводящий к решению указанной задачи, заключается в обеспечении проектной формы траектории буровой скважины без подъема инструмента на поверхность, а также более легкого прохождения низа бурильной колонны по искривленным участкам буровой скважины.
Достигается технический результат тем, что компоновка низа бурильной колонны, содержащая долото, винтовой забойный двигатель, переводник над ним, бурильную колонну, дополнительно снабжена установленными над долотом отклоняющим блоком, нижним центратором над ним, верхним центратором над переводником, за которым установлен измерительный блок, при этом переводник выполнен гибким.
Наличие измерительного блока обеспечивает передачу на поверхность информации о состоянии параметров формы траектории бурения, а наличие над долотом отклоняющего блока, управляемого с поверхности сигналами, формируемыми на основании информации, полученной от измерительного блока, позволяет обеспечивать проектные параметры формы траектории бурения. Наличие нижнего центратора над отклоняющим блоком и верхнего центратора над переводником, выполняющих роль опор, позволяет ориентировать ось низа бурильной колонны на совмещение ее с осью буровой скважины. Выполнение переводника гибким придает низу бурильной колонны податливость и совместно с эффектом соосности низа бурильной колонны и скважины обеспечивает более легкое перемещение низа бурильной колонны по изгибу скважины.
Новые признаки полезной модели заключаются в том, что она дополнительно снабжена установленным над долотом отклоняющим блоком, нижним центратором над ним и верхним центратором над переводником, за которым установлен измерительный блок, а переводник выполнен гибким.
Полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором показан общий вид компоновки низа бурильной колонны.
Компоновка низа бурильной колонны содержит долото 1, соединенное с валом отклоняющего блока 2, за ним — нижний центратор 3. За нижним центратором 3 расположен винтовой забойный двигатель 4 и затем гибкий переводник 5, за которым установлен верхний центратор 6, за ним — измерительный блок 7 и бурильная колонна 8.
Компоновка низа бурильной колонны работает следующим образом. При подаче промывочной жидкости винтовой забойный двигатель 4 приводит во вращение вал отклоняющего блока 2 и долота 1, которое и осуществляет бурение. В процессе бурения от измерительного блока 7 на поверхность поступают сигналы о состоянии параметров траектории скважины. На основании анализа этих сигналов, в случае отклонения параметров траектории скважины от проектных, с поверхности подается команда на отклоняющий блок 2, который восстанавливает запроектированные параметры траектории скважины. При этом процесс бурения идет без подъема инструмента. А совокупность 2-х центраторов, верхнего 6 и нижнего 3, с гибким переводником 5 позволяет низу бурильной колонны легче проходить искривленные участки скважины.
В Перми начали выпускать новые винтовые забойные двигатели для бурения нефтегазовых скважин
«Гидробур-сервис» планирует выйти на рынки Персидского залива.
Пермская компания «Гидробур-сервис» (входит в группу «НьюТек Сервисез») начала выпускать новые модели винтовых забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин. Общая стоимость проекта — 180 млн рублей, из которых 90 млн рублей предоставлены Фондом развития промышленности (ФРП) в виде льготного займа. Об этом Информ-Девон узнал из сообщения ФРП. Продукция компании эксплуатируется в Западной Сибири и Республике Татарстан. В планах предприятия – выход на рынок Персидского залива.
Винтовой забойный двигатель (электробур) – это высокотехнологический объемный (гидростатический) роторный гидравлический механизм. Он предназначен для бурения вертикальных, наклонно-направленных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин, а также для капитального ремонта скважин и проводки боковых стволов. Устройство преобразует гидравлическую энергию бурового раствора и электрическую энергию в механическую на выходном валу двигателя
«Гидробур-сервис» планирует производить винтовые забойные двигатели наружным диаметром 95, 106, 120, 178 и 240 мм. С этого года планируется увеличить объем выпуска винтовых забойных двигателей со 180 до 372 единиц в год.
С привлечением льготного займа компания закупила современное технологическое оборудование, которое позволит сократить долю аутсорсинга в производственном процессе. Если раньше предприятие передавало часть работ на субподряд, то с приобретением новых станков сможет выполнять их у себя на производстве. В частности, речь идет о механической обработке изделий и изготовлении роторов длиной до 6 метров. Ранее компания могла обрабатывать роторы лишь длиной до 3 метров.
Кроме того «Гидробур-сервис» запустит производственную линию по гуммированию (нанесению резиновых смесей на неподвижную часть двигателя) статоров. Это позволит выпускать надежную продукцию для бурения в сложных геологических условиях, в растворах на углеводородной основе и позволит снизить количество спуско-подъемных операций при строительстве скважины, поясняет гендиректор ООО «Гидробур-сервис» Дмитрий Усольцев.
ООО «Гидробур-сервис» занимается проектированием, производством и сервисным обслуживанием подземного бурового инструмента. Основной специализацией предприятия является забойная техника и механизмы, входящие в состав компоновки низа бурильной колонны для бурения нефтяных и газовых скважин. По данным Интерфакса, в 2017 году компания получила 120 млн рублей чистой прибыли по РСБУ. Прибыль от продаж на предприятии составляла 185,2 млн рублей. 100% уставного капитала принадлежит кипрской NewTech Services Holding Limited.
«НьюТек Сервисез» — нефтесервисная компания, специализирующаяся на производстве долот, винтовых забойных двигателей и телеметрических систем. Оказывает услуги по строительству, заканчиванию, ремонту скважин и различным видам бурения. Компания работает на нефтегазовом рынке в России, странах СНГ, Вьетнаме и США.
