Бурение забойными двигателями

ЗАБОЙНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

При бурении нефтяных и газовых скважин применяют гидравлические и электрические забойные двигатели, преобразующие соответственно гидравлическую энергию бурового раствора и электрическую энергию в механическую на выходном валу двигателя. Гидравлические забойные двигатели выпускают гидродинамического и гидростатического типов. Первые из них называют турбобурами, а вторые – винтовыми забойными двигателями. Электрические забойные двигатели получили наименование электробуров.

Турбинное бурение — колонна не вращается и служит каналом для передачи гидравлической энергии на забой. На застопоренный стол ротора через колонну бурильных труб и квадрат передается реактивный крутящий момент от забойного двигателя. Обороты долота изменяются в зависимости от нагрузки на долото и расхода. Турбобур располагается над долотом и преобразует гидравлическую энергию потока бурового раствора в механическую энергию, вращающую долото. Движущийся узел турбобура — гидравлическая турбина состоит из множества одинаковых ступеней, через которые последовательно проходит буровой раствор, и создаваемые вращательные моменты суммируются.

· Турбобуры (диаметры 104-240 мм):

— Односекционные (Т12М3Б, Т13С3Б, Т12РТ)

— Секционные (ТПС, ТНВ, ТКН)

— Секционные шпиндельные (3ТСШ1, 3ТСШ1М1, 3ТСША)

— Секционные с наклонной линией давления (А6Ш, А7ГТШ, А9ГТШ)

— Колонковые турбодолота (КТД3, КТД4)

— Турбобуры-отклонители (ТО)

ТУРБОБУРЫ

Турбобур представляет собой многоступенчатую гидравлическую турбину, к валу которой непосредственно или через редуктор присоединяется долото.

Каждая ступень турбины состоит из диска статора и диска ротора (рис. 3.16).

В статоре, жестко соединенном с корпусом турбобура, поток бурового раствора меняет свое направление и поступает в ротор, где отдает часть своей гидравлической мощности на вращение лопаток ротора относительно оси турбины. При этом на лопатках статора создается реактивный вращающий момент, равный по величине и противоположный по направлению вращающему моменту ротора. Перетекая из ступени в ступень буровой раствор отдает часть своей гидравлической мощности каждой ступени. В результате вращающие моменты всех ступеней суммируются на валу турбобура и передаются долоту. Создаваемый при этом в статорах реактивный момент воспринимается корпусом турбобура и БК.

· Винтовые забойные двигатели ( Д, Д1, Д2, Д3, Д5, ДС, ДГ; диаметры –54-240 мм

ВИНТОВОЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Рабочим органом винтового забойного двигателя (ВЗД) является винтовая пара: статор и ротор (рис. 3.17.).

Статор представляет собой металлическую трубу, к внутренней поверхности которой привулканизирована резиновая обкладка, имеющая 10 винтовых зубьев левого направления, обращённых к ротору.

Ротор выполнен из высоколегированной стали с девятью винтовыми зубьями левого направления и расположен относительно оси статора эксцентрично.

Кинематическое отношение винтовой пары 9: 10 и соответствующее профилирование её зубьев обеспечивает при движении бурового раствора планетарное обкатывание ротора по зубьям статора и сохранение при этом непрерывного контакта ротора и статора по всей длине. В связи с этим образуются полости высокого и низкого давления и осуществляется рабочий процесс двигателя.

Вращающий момент от ротора передаётся с помощью двухшарнирного соединения на вал шпинделя, укомплектованного многорядной осевой шаровой опорой и радиальными резино – металлическими опорами. К валу шпинделя присоединяется долото. Уплотнение вала достигается с помощью торцевых сальников.

Особенности режима бурения винтовыми (объемными) забойными двигателями

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

р 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 жесткде 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 вы­соким вращающим моментом.

В последующие годы во ВНИИБТ и его Пермском филиале Д.Ф.Балденко, 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.

Конструкция винтового (объемного) забойного двигателя (ВЗД).Рассмотрим устройство винтового забойного 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 е диницу меньше числа зубьев статора, в результате чего для осу-

ществления 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; Д4-172; 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,

Рис. 7.11. Винтовой (объемный) забойный двигатель Д1-195: 7 — переливной клапан; 2 — секция двигателя; 3 — карданный вал; 4 — секция

шпиндельнаясостояние 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.

Таблица 7.3 Технические характеристики винтовых забойных двигателей

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/см 3 , 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.

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 пе­риодически 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.