Характеристики типы забойных двигателей

Винтовой забойный двигатель

Винтовой забойный двигатель (англ. positive displacement motor; mud motor; drilling motor ) — это машина объемного (гидростатического) действия. Основными элементами конструкции являются: двигательная секция, шпиндельная секция, регулятор угла. Винтовой забойный двигатель (ВЗД) применяют для бурения скважин различной глубины, широко применяются для наклонно-направленного и горизонтального бурения.

Содержание

• 1 История внедрения в России
• 2 Конструкция и принцип работы
• 3 Примечания
• 4 Литература

История внедрения в России [ править | править код ]

СССР является родиной турбинного бурения. Первый промышленный образец был изготовлен еще в 1922—1923 гг . Это был редукторный турбобур с одноступенчатой турбиной, начиная с 40-х годов основных техническим средством для бурения скважин являлся многоступенчатый турбобур. Широкое распространение турбинного бурения позволило получить высокие темпы роста добычи нефти и газа. [1]

Однако с увеличением средних глубин скважин, совершенствования долот и технологии роторного бурения отечественная нефтяная промышленность стала отставать по показателю проходки за рейс от мирового уровня. Так в 1981—1982 годах средняя проходка за рейс в США составляла 350 м, в то время как в СССР она не превышала 90 м. Такое отставание от США было связано с характеристикой турбобуров, которые не позволяли получать частоту вращения менее 400—500 об/мин с обеспечением необходимого крутящего момента и уровня давления насосов, и как следствие было невозможно применять современные низкооборотные шарошечные долота. И перед нефтяной промышленностью СССР встал вопрос о переходе на технологию низкооборотного бурения. [1]

Роторное бурение хоть и применялось, но технологически сильно отставало от мирового уровня: не имелось бурильных труб и буровых станков высокого технического уровня. Таким образом было принято решение о создании низкооборотного забойного двигателя для замены турбобуров. Работы по созданию опытных образцов винтовых забойных двигателей (ВЗД) начались в США и СССР в середине 60-х годов. В США первые ВЗД были альтернативой турбобурам для наклонно-направленного бурения, а в СССР они служили средством для привода низкооборотных долот [1] .

В последние годы в технике и технологии бурения скважин произошли значительные изменения: появились новые технологии в наклонно-направленном бурении (бурение горизонтальных участков, бурение дополнительных стволов из ранее пробуренных скважин), распространение долот типа PDС, новейшие телеметрические системы для контроля забойных параметров во время бурения и др. И если раньше ВЗД рассматривались только как альтернативу турбобурам и их перспектива оценивалась неоднозначно, то сейчас в силу свои уникальных характеристик ВЗД стали основной частью современных технологий. В 2010 году в России выполнено ¾ всего объема бурения и ремонта скважин при помощи ВЗД и они были взяты на вооружение практически всеми российскими и зарубежными нефтегазовыми и сервисными компаниями [2] .

Конструкция и принцип работы [ править | править код ]

Винтовые забойные двигатели относятся к объемным роторным гидравлическим машинам и согласно общей теории таких машин элементами рабочих органов (РО) являются:

• Статор двигателя с плоскостями, примыкающими по концам к камерам высокого и низкого давления. [3]
• Ротор-винт, носящий название ведущего через который крутящий момент передается исполнительному механизму. [3]
• Замыкатели-винты, носящие название ведомых, назначение которых уплотнять двигатель, то есть препятствовать перетеканию жидкости из камеры высокого давления в камеру низкого давления [3] .

Сравнительно малая металлоемкость и простота конструкции является важным фактором, способствующим широкому использованию роторных гидромашин в современной технике.

РО ВЗД является винтовой героторный механизм — зубчатая пара с внутренним пространственным зацеплением, состоящая из ротора и статора с циклоидальными профилями зубьев.

Ротор совершает планетарное движение внутри неподвижного статора, центры их поперечных сечений смещены на расстояние эксцентриситета зацепления.

К отличительным особенностям ВЗД относятся:

• Отсутствие быстроизнашивающихся распределительных устройств, поскольку распределение жидкости по камерам рабочих органов осуществляется автоматически за счет соотношения чисел зубьев и шагов винтовых поверхностей ротора и статора. [4]
• Кинематика рабочих органов, в относительном движении которых сочетается качение и скольжение при относительно невысоких скоростях скольжения, что снижает износ рабочей пары. [4]
• Непрерывное изменение положения контактной линии (геометрического места точек касания ротора и статора) в пространстве, в результате чего механические примеси, находящиеся в жидкости, имеют возможность выносится потоком из рабочих органов. [4]

Так как ВЗД находится в непосредственном контакте с жидкостью (буровым раствором), который и приводит его в действие, то благодаря указанным особенностям он является практически единственным типом объемных гидравлических двигателей, который сравнительно долговечны при использовании рабочих жидкостей, содержащих механические примеси [4] .

Практически любой ВЗД можно разделить на несколько основных узлов: двигательная секция, шпиндельная секция, регулятор угла перекоса. [5]

Двигательная (силовая) секция предназначена для преобразования энергии потока жидкости в вращательное движение ротора. Она состоит из стального ротора с винтовыми зубьями и статора, который имеет эластичную обкладку с внутренней винтовой поверхностью, выполненную обычно из резины. Статор и ротор двигательной секции должны соответствовать некоторым условиям: [5]

• Числа заходов статора и ротора должны отличаться на единицу [4] ;
• Шаги винтовых поверхностей статора и ротора должны быть пропорциональны числам их заходов;

• Винтовые поверхности статора и ротора должны иметь одинаковое направление [4]

Зубья статора и ротора находятся в непрерывном контакте, образуя замыкающиеся по длине статора единичные камеры. Буровой раствор, проходя через эти камеры, проворачивает ротор внутри статора. По конструкции двигательной секции различают монолитные и секционные двигатели. [5]

Шпиндельная секция. Под термином «шпиндель» подразумевается автономный узел двигателя с выходным валом с осевыми и радиальными подшипниками. Шпиндель является одним из главных узлов двигателя. Он передает крутящий момент и осевую нагрузку на долото, воспринимает реакцию забоя и гидравлическую осевую нагрузку, действующую в РО, а также радиальные нагрузки от долота и узла соединения планетарного ротора и вала шпинделя (шарнир или гибкий вал). [6]

Шпиндель выполняется в виде монолитного полого вала, который соединяется посредством наддолотного переводника в нижней части с долотом, а с помощью муфты в верхней части — с шарниром или гибким валом [6] По конструктивному исполнению шпиндели бывают открытые и маслонаполненные. В открытых (используются почти во всех серийных отечественных двигателях) узлы трения смазываются и охлаждаются буровым раствором, а в маслонаполненных узлы трения находятся в масляной ванне с избыточным давлением на 0,1-0.2 МПа, превышающим давление окружающей среды. [7] .

Регулятор угла предназначен для перекоса осей секций двигателя или самого двигателя относительно нижней части бурильной колонны. Устанавливается между силовой и шпиндельной секцией или над самим ВЗД. Обычно состоит из двух переводников, сердечника и зубчатой муфты. [5]

В большинстве компоновок низа бурильной колоны, включающих ВЗД, устанавливаются переливные клапаны. Они предназначены для сообщения внутренней полости бурильной колонны с затрубным пространством при спуско-подъемных операциях. Применение клапана устраняет холостое вращение двигателя, а также уменьшает гидродинамическое воздействие на забой и стенки ствола скважины, предотвращает перелив бурового раствора на устье скважины. Устанавливаются над двигателем или входят непосредственно в конструкцию ВЗД [8] .

Добыча нефти и газа

Изучаем тонкости нефтегазового дела ВМЕСТЕ!

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.

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 .

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.

Работа турбины характеризуется частотой вращения вала n , вращающим моментом на валу М, мощностью N, перепадом давления DР и коэфициентом полезного действия h.

Как показали стендовые испытания турбины, зависимость момента от частоты вращения ротора почти прямолинейная. Следовательно, чем больше n , тем меньше М, и наоборот.

В этой связи различают два режима работы турбины: тормозной, когда n = 0, а М достигает максимального значения , и холостой, когда n достигает максимального , а М=0. В первом случае необходимо к валу турбины приложить такую нагрузку, чтобы его вращение прекратилось, а во втором – совершенно снять нагрузку.

Максимальное значение мощности достигается при частоте вращения турбины n = n0.

Режим, при котором мощность турбины достигает максимального значения называется экстремальным. Все технические характеристики турбобуров даются для значений экстремального режима. В этом режиме работа турбобура наиболее устойчива, так как небольшое изменение нагрузки на вал турбины не приводит к сильному изменению n

и, следовательно, к возникновению вибраций, нарушающих работу турбобура.

Режим, при котором коэфициент полезного действия h турбины достигает максимального значения называется оптимальным. При работе на оптимальном режиме , т.е. при одной определенной частоте вращения ротора турбины для данного расхода бурового раствора Q, потери напора на преодоление гидравлических сопротивлений в турбине DР минимальны.

При выборе профиля лопаток турбины стремятся найти такое конструктивное решение, чтобы при работе турбины кривые максимальных значений N и h располагались близко друг к другу. Линия давления DР таких турбин располагается почти симметрично относительно вертикали, на которой лежит максимум мощности.

Таким образом, при постоянном расходе бурового раствора Q параметры характеристики турбины определяются частотой вращения ее ротора n, зависящей от нагрузки на вал турбины (на долото).

При изменении расхода бурового раствора Q параметры характеристики турбины изменяются совершенно по другому.

Пусть при расходе бурового раствора Q1 и соответствующей этому значению частоте вращения ротора турбины n1 при оптимальном режиме турбина создает мощность N1

и вращающий момент М1 , а перепад давления в турбине составляет DР1. Если расход бурового раствора увеличить до Q2 , параметры характеристики турбины изменятся следующим образом:

N1 / N2 = (Q1 / Q2)3

М1 / М2 = (Q1 / Q2)2

DР1 / DР2 = (Q1 / Q2)2

Видно, что эффективность турбины значительно зависит от расхода бурового раствора Q. Однако увеличение расхода Q ограничивается допустимым давлением в скважине.

Параметры характеристики турбины изменяются также пропорционально изменению плотности бурового раствора r.

N1 / N2 = М1 / М2 = Р1 / DР2 = r1 / r2

Частота вращения ротора турбины n от изменения плотности r не зависит.

Параметры характеристики турбины изменяются также пропорционально изменению числа ступеней.

ГОСТ 26673-90 предусматривает изготовление бесшпиндельных (ТБ) и шпиндельных (ТШ) турбобуров.

Турбобуры ТБ применяются при бурении вертикальных и наклонных скважин малой и средней глубины без гидромониторных долот. Применение гидромониторных долот невозможно по тем причинам, что через нижнюю радиальную опору (ниппель) даже при незначительном перепаде давления протекает 10 – 25% бурового раствора.

Значительное снижение потерь бурового раствора достигается в турбобурах, нижняя секция которых, названная шпинделем, укомплектована многорядной осевой опорой и радиальными опорами, а турбин не имеет.

Присоединяется секция шпиндель к одной (при бурении неглубоких скважин), двум или трём последовательно соединённым турбинным секциям.

Поток бурового раствора, пройдя турбинные секции, поступает в секцию – шпиндель, где основная его часть направляется во внутрь вала шпинделя и далее к долоту, а незначительная часть – к опорам шпинделя, смазывая трущиеся поверхности дисков пяты и подпятников, втулок средних опор и средних опор. Благодаря непроточной конструкции опор и наличию уплотнений вала, значительно уменьшены потери бурового раствора через зазор между валом шпинделя и ниппелем .

Для бурения наклонно – направленных скважин разработаны шпиндельные турбобуры – отклонители типа ТО.

Турбобур – отклонитель состоит из турбинной секции и укороченного шпинделя. Корпуса турбинной секции и шпинделя соединены кривым переводником.

Для бурения с отбором керна предназначены колонковые турбобуры типа КТД, имеющие полый вал , к которому через переводник присоединяется бурильная головка . Внутри полого вала размещается съёмный керноприёмник . Верхняя часть керноприёмника снабжена головкой с буртом для захвата его ловителем, а нижняя – кернорвателем, вмонтированным в переводник . Для выхода бурового раствора, вытесняемого из керноприёмника по мере заполнения его керном, вблизи верхней части керноприёмника имеются радиально расположенные отверстия в его стенке, а несколько ниже их – клапанный узел . Последний предотвращает попадание выбуренной породы внутрь керноприёмника, когда он не заполняется керном, и в это время клапан закрыт.

Керноприёмник подвешан на опоре , установленной между переводником к БК и распорной втулкой . Под действием гидравлического усилия, возникающего от перепада давления в турбобуре и долоте, и сил собственного веса, керноприёмник прижимается к опоре и во время работы турбобура не вращается.

ВИНТОВОЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

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

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.

ВЗД изготовляют согласно ТУ 39-1230-87.

Типичная характеристика ВЗД при постоянном расходе бурового раствора следующая . По мере роста момента М перепад давления в двигателе Р увеличивается почти линейно, а частота вращения вала двигателя снижается вначале незначительно, а при торможении – резко. Зависимости изменения мощности двигателя и К.П.Д. от момента М имеют максимумы. Когда двигатель работает с максимальным, режим называют оптимальным, а с максимальной мощностью – экстремальным. Увеличение нагрузки на долото после достижения экстремального режима работы двигателя приводит к торможению вала двигателя и к резкому ухудшению его характеристики.

Неэффективны и нагрузки на долото, при которых момент, развиваемый двигателем, меньше момента, обеспечивающего оптимальный режим его работы.

Характер изменения от момента М при любом расходе бурового раствора остаётся примерно одинаковым.

Значения при увеличении растут почти линейно, — несколько уменьшается, а возрастает по зависимости, близкой к квадратичной.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Забойные двигатели

Для выполнения процесса бурения скважин используется специальное оборудование – забойные двигатели. Существует несколько разновидностей оборудования данного вида, каждый из которых имеет свое предназначение и технические характеристики.

Забойные двигатели для бурения скважин

Одним из видов погружных устройств, которые применяются для бурения скважин, разного типа являются забойные двигатели.

Принцип работы механизмов заключается в том, что происходит преобразование электрической энергии в гидравлическую или пневматическую. В результате этого происходит вращение бурового долота, что приводит к разрушению породы в середине забоя скважины.

Оборудование можно условно подразделить на несколько видов:

• вращательные;
• ударные;
• пневматические;
• гидравлические (объемного типа и гидродинамические);
• электронные.

Энергия проходит по колонне, расположенной в середине бурильной трубы посредством использования специального типа кабеля.

Применение забойного двигателя способствует повышению скорости выполнения рабочего процесса, уменьшению стоимости рабочего процесса, понижения затрат энергии, уменьшает возможность возникновения аварийных ситуаций.

Стоит также отметить довольно высокий показатель эффективности эксплуатации забойных двигателей при их использовании для бурения скважин.

Принцип работы винтового забойного двигателя

Независимо от типа забойных двигателей, они состоят из таких составных частей:

• узел перепускного клапана;
• отсек преобразования энергетического потока раствора;
• механизм, соединяющий валы шринделя и мотора;
• механизм приводного вала с подшипниками.

Узел клапана перепускного приводит к тому, что колонна наполняется или освобождается. Если забойный двигатель настроен на минимальный показатель мощности, происходит придавливание клапана в нижней части колонны. Это приводит к его выходу из внетрубного в затрубное пространство. В результате этого раствор перенаправляется в двигатель.

При уменьшении скорости воздушного потока, пружина приводит к вращению поршня клапана. Он выставляется в положение «открыто», что приводит к открыванию перепускного отверстия.

Для того чтобы избежать возможности попадания твердых частиц, которые находятся в затрубном пространстве, необходимо установить переходник с клапаном максимально близко к мотору.

Забойный двигатель имеет также возможность функционировать без клапана. Но этот вариант значительно понижает эффективность работы оборудования.

Турбинные и турбинно-винтовые забойные двигатели

Отличительной особенностью забойных двигателей турбинного типа заключается в том, что их конструкция включает в себя турбины.

Такие двигатели могут быть выполнены в нескольких вариантах:

• цельнолитые металлические;
• составные металлические с точным литьем;
• составные пластмассовые, представляют комплект ступицы из металла и проточной части из пластмассы.

Современные технологии позволяют разрабатывать и внедрять в производство новые модели турбинных забойных двигателей.

Для выполнения процесса бурения скважин на большой глубине, используются турбовинтовые забойные двигатели. При помощи использования оборудования данного типа можно выполнять бурение скважин в двух направлениях: вертикальном и наклонном.

Кроме этого, турбинно-винтовые двигатели успешно используются и в качестве забойного привода или двигателя-отклонителя.

Гидравлические забойные двигатели

Гидравлические забойные двигатели применяются при необходимости выполнения бурения скважин или капитальном ремонте нефтяных скважин. Они также используются в горной промышленности.

Конструкция гидравлического забойного двигателя состоит из статора с выходными и входными каналами, а также лопастями поворотного типа. Его полость имеет элипсообразное поперечное сечение.

Забойные двигатели гидравлического типа отличаются высокий уровень надежности и рабочего ресурса. Это стало возможным в результате их упрощенной конструкции.

Стоит также возможность простоту процесса их обслуживания, который можно выполнять непосредственно на месте работы оборудования.

Специалисты работают над повышением уровня надежности данного типа оборудования при его работе с растворами, в состав которых включены абразивные частицы. Это является слабой стороной гидравлических забойных двигателей.

Забойный двигатель Д 105

Забойный двигатель Д 105 – это одна из моделей гидравлического (винтового) забойного двигателя, который часто применяется для выполнения бурения скважин на большой глубине в вертикальном или горизонтальном направлении.

Довольно активно данная модель используется при необходимости выполнения процесса выбуривания песчаных пробок или отложения солей.

Его диаметр достигает 106 мм, а диаметр долот, которые используются для его работы, колеблется в пределах 120 – 151 мм. На холостых оборотах выходной вал вращается со скоростью в пределах 192 – 313 оборотов за 1 минуту.

Основные области применения забойного двигателя Д 105 – нефтегазовая и нефтедобывающая отрасли.

Где купить забойные двигатели

Забойные двигатели можно купить, как через посредников, так и в компаниях, которые непосредственно занимаются их производством.

В первом случае не избежать довольно внушительной переплаты, так как каждый из посредников делает наценку стоимости оборудования от цены производителя.

Второй вариант наиболее выгоден. Подобным образом, можно приобрести забойные двигатели по реально низкой цене.

Есть также возможность купить оборудование данного типа не новое, а бывшее в употреблении. Но при этом не исключена возможность того, что двигатели прослужат короткий промежуток времени.

Производители и поставщики забойных двигателей

В стране немало компаний, которые специализируются на производстве и поставке забойных буровых двигателей.

Среди известных организаций можно назвать следующие:

1. «Завод Уралнефтемаш» известен не только на территории нашей страны, но и в странах СНГ. Основное направление деятельности компании заключается в выпуске буровых установок, винтовых забойных двигателей, а также запчастей и комплектующих к ним. Каждое наименование выпускаемой заводом продукции, отличается высоким качеством.
2. ООО «БурТехРесурс» специализируется на выпуске нефтепромышленного оборудования, а также систем, предназначенных для очистки буровых растворов от сторонних фракций. Среди клиентов компании не только отечественные, но и зарубежные предприятия.

Это только некоторые компании, которые занимаются поставкой и производством забойных буровых двигателей.

Забойные двигатели на выставке

На выставке «Нефтегаз» будут представлены современные модели разных типов забойных двигателей от отечественных и зарубежных производителей. Участие в выставке ведущих нефтегазовых компаний, производителей оборудования и правительственных представителей говорит об особом статусе мероприятия.

Посетители выставки «Нефтегаз» могут ознакомиться и с другим оборудованием, предназначенным для добычи, транспортировки и переработки углеводородов, в том числе забойные двигатели. В рамках выставки проходят тематические конференции, семинары и деловые встречи.

Винтовые забойные двигатели (ВЗД)

Назначение

ВЗД предназначены для бурения нефтяных и газовых скважин, капитального ремонта скважин, прокладки подземных коммуникаций, других специальных технологий.

Описание

По принципу действия ВЗД являются объемной (гидростатической) машиной, многозаходные рабочие органы которой представляют собой планетарно-роторный механизм с внутренним косозубым зацеплением, то есть неподвижным статором с вулканизированной профилированной резиной и стальным червячным ротором. При подаче жидкости под давлением, ротор вращается относительно статора. Вращение вала ротора передаётся через кардан на вал шпинделя, на котором навёрнуто долото. Над переводником устанавливается клапан, через который не вытекает раствор при подъёме инструмента.

Преимущества винтового забойного двигателя:

• простота конструкции и сравнительно малые размеры;
• высокий крутящий момент при малых скоростях вращения;
• минимальная аварийность с трубами;
• транспортабельность.

Винтовые забойные гидравлические двигатели подразделяются на следующие типы:

1. общего назначения;
2. для наклонно направленного и горизонтального бурения;
3. для отбора керна;
4. для ремонта скважин;
5. с разделенным потоком;
6. турбовинтовые.

Классификация винтовых забойных двигателей принята: