Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ результатов исследований технических решений в области совершенствования серий но выпускаемых винтовых забойных двигателей для бурения скважин 13
1.1. Анализ технических характеристик серийно выпускаемых отечественных объемных двигателей 13
1.2 Анализ технических характеристик серийно выпускаемых зарубежных объемных двигателей 23
1.3 Анализ конструкторских и технических решений в области совершенствования объемных двигателей 32
1.4 Результаты исследований серийно выпускаемых ВЗД и технических решений в области совершенствования конструкций двигателей 64
2. Анализ результатов исследований и разработок технических средств и технологий, направленных на оптимизацию режимов бурения и автоматизацию процесса углубления наклонно направленных и горизонтальных скважин винтовыми забойными двигателями 72
2.1 Анализ причин аварий при бурении наклонно направленных и горизонтальных скважин 72
2.2 Анализ работы технических средств и технологий, направленных на оптимизацию режимов бурения и автоматизацию процесса углубления скважин 79
2.2.1 Анализ эксплуатационных возможностей станций геолого технологических исследований скважин з
2.2.2 Анализ методов оперативного контроля параметров бурения 88
3. Методика, методы и результаты проведения исследований износостойкости рабочих органов взд, геометрических параметров героторного механизма модульного исполнения и их энергети ческих характеристик 129
3.1 Установки и методика проведения исследований износостойкости РО, их геометрических параметров, уровня крутильных колебаний и энергетических характеристик отработанных ВЗД в условиях скважины 129
3.2 Результаты исследования износостойкости, параметров изношенных героторных механизмов в условиях скважины, уровня крутильных колебаний и энергетических характеристик 138
3.3 Установки и методика проведения исследований параметров рабочих органов и энергетических характеристик ВЗД с героторным механизмом модульного исполнения 145
3.4 Результаты исследований параметров рабочих органов и энергетических характеристик ВЗД с героторным механизмом модульного исполнения 148
3.5 Результаты исследований уровня поперечных колебаний ВЗД до модернизации и с героторным механизмом модульного исполнения 151
3. Методика, методы и результаты проведения исследований по изучению влияния частоты вращения и трения бурильной колонны о стенки скважины на фактическую нагрузку на долото и работу системы «бк-взд-долото» при бурении комбинированным способом наклонно направленных и горизонтальных скважин 174
4.1 Средства измерений и методика проведения исследований 174
4.1.1 Характеристика применяемого оборудования при проведении исследований 184
4.2 Методика и методы проведения исследований по изучению влияния частоты вращения и трения БК о стенки скважины на фактическую нагрузку на долото и работу системы «БК-ВЗД-долото» при бурении комбинированным способом наклонно направленных и горизонтальных скважин 186
4.3 Результаты исследований влияния частоты вращения и трения БК о стенки скважины на фактическую нагрузку на долото и работу системы «БК-ВЗД-долото» 191
4.3.1 Объяснение работы системы «БК-ВЗД-долото» на основе результатов экспериментальных исследований при бурении комбинированным способом наклонно направленных и горизонтальных скважин 201
4.4 Методика определения фактической нагрузки на долото и оптимизации частоты вращения БК при бурении комбинированным
способом наклонно направленных и горизонтальных скважин 215
5. Конструкторские разработки ВЗД 220
5.1 Разработка моментоемкого ВЗД без использования секционирования героторных механизмов и двигателя с низким показателем поперечных вибраций 220
5.1.1 Разработка ВЗД с низким показателем поперечных вибра ций 225
5.2 Разработка устройств для снижения пусковых давлений ВЗД 227
5.3 Разработка ВЗД для бурения горизонтальных скважин 228
5.4 Разработка малогабаритного ВЗД со сниженными показателями осевых вибраций 232 5.5 Разработка ВЗД для бурения в условиях высоких забойных температур 235
5.6 Разработка двигателя с повышенным показателем моторесурса 238
6. Результаты опытно-промышленного внедрения 245
6.1 Опытно-промышленное внедрение двигателя модульного исполнения 245
6.2 Результаты опытно-промышленного внедрения методики определения фактической нагрузки на долото и оптимизации частоты вращения бурильной колонны 256
Основные выводы и рекомендации 266
Список использованных источников
- Анализ технических характеристик серийно выпускаемых зарубежных объемных двигателей
- Анализ работы технических средств и технологий, направленных на оптимизацию режимов бурения и автоматизацию процесса углубления скважин
- Результаты исследования износостойкости, параметров изношенных героторных механизмов в условиях скважины, уровня крутильных колебаний и энергетических характеристик
- Методика и методы проведения исследований по изучению влияния частоты вращения и трения БК о стенки скважины на фактическую нагрузку на долото и работу системы «БК-ВЗД-долото» при бурении комбинированным способом наклонно направленных и горизонтальных скважин
Введение к работе
Актуальность проблемы
При строительстве нефтяных и газовых скважин в настоящее время в качестве привода долота нашли достаточно широкое применение винтовые забойные двигатели (ВЗД), обеспечивающие в России от 50 до 60 % всего объема бурения. В качестве технологического приема повышения эффективности бурения с ВЗД используют одновременное периодическое или постоянное вращение бурильной колонны ротором, либо верхним приводом. Производственники данный способ называют комбинированным. Его использование позволяет осуществлять бурение скважин различной глубины с разными типами профиля, широким диапазоном изменения вида и свойств промывочных жидкостей, параметров режима бурения, а также с применением разных конструкций и типоразмеров породоразрушающего инструмента.
При сложившейся на сегодня технологии бурения отмечаются проблемы, связанные с нестабильностью работы ВЗД, их остановками, низким сроком службы рабочих органов (РО), а также авариями (отворотами, разрушениями элементов ВЗД) компоновки бурильной колонны (БК). В частности, сроки работы двигателей, в зависимости от типоразмера и условий эксплуатации, составляют от 90 до 235 ч, а отказы ВЗД по данным буровых компаний ООО «Газпром бурение» и «KCA Deutag» – от 5 до 12 в год, что приводит к длительным восстановительным работам в скважине, либо полной ликвидации последней.
Указанные явления обусловлены следующим: отсутствием информации о фактической осевой нагрузке на долото, влияющей на работу системы «БК – ВЗД – долото»; чередованием разбуриваемых пород с разными физико-механическими свойствами; применением долот, обладающих повышенной моментоёмкостью; низким качеством изготовления элементов рабочих органов и конструктивными особенностями силовой секции двигателя, а также рядом других малосущественных факторов.
Цель работы
Повышение эффективности бурения нефтяных и газовых скважин разработкой методов контроля и оперативного управления режимами работы породоразрушающего инструмента, обеспечением устойчивого режима работы низа бурильной колонны, увеличения энергетических характеристик и межремонтного периода ВЗД.
Основные задачи исследований
1. Анализ результатов технических и технологических решений, направленных на повышение эффективности бурения нефтяных и газовых скважин с применением ВЗД.
2. Исследование энергетических характеристик и износостойкости рабочих органов предложенного героторного механизма в зависимости от времени отработки ВЗД в условиях скважины.
3. Обоснование метода регулирования энергетических характеристик героторного механизма модульного исполнения для обеспечения требуемых параметров бурения скважины и повышения срока службы ВЗД.
4. Разработка, исследование и испытания ВЗД c РО модульного исполнения.
5. Анализ и разработка методики определения и контроля фактической нагрузки на долото, частоты вращения бурильной колонны для оперативного управления и автоматизированного контроля параметров бурения с применением ВЗД.
6. Опытно-промышленное внедрение разработанных технических средств и технологии бурения скважин. Анализ полученных результатов. Разработка нормативных документов.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является бурение скважин, предметом – методологические и технологические решения, направленные на повышение эффективности бурения нефтяных и газовых скважин с применением ВЗД.
Научная новизна
-
Научно обоснован способ повышения энергетических характеристик ВЗД и увеличения его срока службы, основанный на изменении конструкции силовой секции, обеспечивающей снижение инерционной и увеличение гидравлической сил в рабочих органах двигателя, за счет изготовления ротора героторного механизма модульного исполнения.
-
Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено увеличение энергетических параметров (момент на валу, мощность, давление в рабочих камерах, нагрузочная способность) героторного механизма, снижение крутильных колебаний ВЗД в зависимости от угла разворота соосно объединенных модулей относительно друг друга. Дано объяснение увеличению срока службы ВЗД.
-
Теоретически объяснено и экспериментально подтвержден механизм моментно-силового взаимодействия элементов системы «БК–ВЗД –долото» при комбинированном способе бурения нефтяных и газовых скважин с использованием серийных и модернизированных двигателей.
-
Разработана методика определения фактической нагрузки на долото и частоты вращения БК, позволяющая обеспечить повышение скорости процесса бурения, устойчивость работы винтового забойного двигателя, а также безаварийность проводки наклонно направленных и горизонтальных скважин комбинированным способом.
Основные защищаемые положения
-
Научное обоснование возможности изменения векторов сил нагружения статора РО, влияющих на эксплуатационные характеристики ВЗД, без изменения геометрических параметров винтовых поверхностей героторного механизма.
-
Компоновка героторного механизма с ротором модульного исполнения, позволяющая снизить уровень крутильных колебаний ВЗД, повысить запас его устойчивости и срок службы, а также рабочие характеристики двигателя. Решение положено в основу создания новых типов конструкций ВЗД.
-
Научное обоснование необходимости изменения методики оперативного управления режимами бурения нефтяных и газовых скважин введением этапа оперативной корректировки осевой нагрузки на долото, определяемой по моментносиловым и частотным характеристикам бурильной колонны и ВЗД.
-
Методика определения и контроля фактической осевой нагрузки на долото и частоты вращения бурильной колонны, которая позволяет обеспечить устойчивость работы винтового забойного двигателя, что способствует безаварийному бурению наклонно направленных и горизонтальных скважин.
Практическая ценность и реализация работы
По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработаны и внедрены при строительстве нефтяных и газовых скважин:
– конструкция винтовых забойных двигателей с увеличенным сроком службы, содержащая героторный механизм модульного исполнения (патент № 2345208);
– методика определения и контроля фактической нагрузки на долото, а также частоты вращения бурильной колонны в процессе углубления забоя наклонно направленных и горизонтальных скважин (патент № 2361055). Рекомендованы оптимальные значения угловой скорости бурильной колонны в зависимости от нагрузки на долото по данным станции ГТИ и дифференциального момента, обеспечивающие стабильную безаварийную работу системы и выполнение условия, при котором тормозная нагрузка ВЗД будет больше фактической осевой нагрузки на долото.
– нормативные документы: регламент технического обслуживания и ремонта ВЗД модульного исполнения; регламент на бурение скважин с ВЗД модульного исполнения в ОАО «Газпром»; рекомендации по применению методики определения осевой нагрузки на долото, контролю параметров бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин; программ на бурение скважин Заполярного, Ямбургского, Уренгойского, Урненского месторождений ВЗД модульного исполнения с использованием методики определения фактической осевой нагрузки на долото и контролю параметров бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин.
Технические и технологические разработки внедрены в филиале Уренгой бурение ООО «Газпром бурение», ОАО «ТНК-ВР», ООО «ТНК-Уват» при строительстве скважин на месторождениях: Заполярное, Ямбургское, Уренгойское, Урненское. Сроки строительства скважин сократились в среднем на 4 суток, за счет увеличения механической скорости бурения на 12 - 15 %.
Результаты теоретических, экспериментальных и промысловых исследований используются на кафедре «Бурение нефтяных и газовых скважин», в учебных центрах ТюмГНГУ при проведении лекционных занятий для подготовки и переподготовки специалистов нефтегазового направления.
Апробация работы
Основные положения и результаты исследований докладывались на: ежегодных семинарах кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин» ТюмГНГУ (Тюмень, 2004 - 2010); 1-й, 2-й, 3-й Всероссийских научно-практических конференциях Западно-Сибирского общества молодых инженеров-нефтяников при ТюмГНГУ, Society of Petroleum Engineers (SPE) «Современные технологии для ТЭК Западной Сибири» (Тюмень – 2007, 2008, 2009); Всероссийской научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень – 2007, 2009); Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Современные технологии для ТЭК Западной Сибири» (Тюмень 2007); Международной научно-практической конференции, посвященной 40-летию кафедры Разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений «Новые технологии для ТЭК Западной Сибири» (Тюмень, 2008).
Публикации
По материалам исследований опубликованы 52 научные работы, в том числе 33 статьи (из них 16 в издательствах, рекомендованных ВАК РФ),
7 тезисов и докладов на Международных, Всероссийских конференциях. Издано 3 монографии и 1 учебное пособие. Получено 8 патентов РФ.
Объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников (177 наименований). Работа изложена на 371 странице машинописного текста, содержит 42 таблицы, 115 рисунков и 22 приложения.
Анализ технических характеристик серийно выпускаемых зарубежных объемных двигателей
При управлении режимом бурения гидродвигателя с переменным перепадом давления необходимо учитывать гидромеханические эффекты в системе с положительной обратной связью (бурильная колонна — ВЗД -долото), в которой увеличение крутящего момента (например, при вхождении долота в пропласток более моментоемких пород) приводит к росту перепада давления в ВЗД, что, в свою очередь, сопровождается удлинением бурильной колонны и, как следствие, приводит к соответствующему увеличению осевой нагрузки на долото и еще большему росту крутящего момента. Подобный гидромеханический эффект в случае, если ВЗД не обладает достаточным запасом момента, может привести к торможению ВЗД и потребовать коррекции заданной нагрузки на долото и расхода жидкости. Другие возможные способы решения данной проблемы -замена долота на менее моментоемкое или двигателя на более высокомоментный.
Экспериментальный образец цифровой АСУ РБ по техническому заданию ОАО «Газпром» был разработан РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина и ЦАТИ МЭИ для установок БУ 2500ЭП с регулируемым электроприводом постоянного тока и электропорошковым РПД [61].
Особенностью АСУ РБ (рис. 2.16) является то, что системы управления двигателем бурового насоса и механизмом подачи долота объединены в ней посредством микроконтроллера (МК) в информационно-управляющий комплекс. Управляющие воздействия от контроллера к БНА и РПД осуществляются в соответствии с сигналами, поступающими от электропривода БНА [62].
Согласованное функционирование БНА и РПД повышает управляемость как бурового комплекса, так и процесса бурения, и позволяет реализовывать различные алгоритмы управления.
UT, определяющего его тормозной момент. Напряжение тормоза автоматически изменяется в процессе долбления в зависимости от сигнала, поступающего от датчика тока. Алгоритмы управления заносятся в систему с помощью портативного компьютера типа Notebook (ПК) и могут легко изменяться на программном уровне в любой момент времени. Алгоритмы управления могут согласовываться и объединяться с другими алгоритмами, в частности, обеспечивающими оптимальные показатели бурения и отработки долот.
АСУ РБ может функционировать автономно или являться дополнением к телеметрическим системам (ТС) типа MWD. Так, если бурение ведется с использованием ТС со стационарным компьютером (СК), то возможно объединение двух систем, и тогда операции ввода исходной информации и алгоритмов управления будут осуществляться через СК.
АСУ РБ создана на базе существующих контрольно-измерительных средств штатной системы тиристорного электропривода постоянного тока, в качестве датчика тока используется шунт якорной цени электродвигателя. Помимо своей основной функции, такая АСУ может использоваться также для диагностики электромеханического комплекса и ВЗД.
В случае подключения к системе датчиков натяжения каната GK и механической скорости бурения VM она становится многофункциональным автоматизированным комплексом, адаптированным к изменяющимся условиям бурения и дополнительно позволяющим: проводить динамическое «взвешивание» бурильного инструмента с учетом влияния сил трения колонны; своевременно обнаруживать и предупреждать внештатные и аварийные ситуации в процессе бурения, а также определять время смены долота и ВЗД; корректировать алгоритмы управления при изменении условий бурения.
При необходимости в случае подключения датчика давления АСУ РБ может функционировать в рамках типовой структуры с использованием в качестве параметра регулирования давления на стояке или на выходе из бурового насоса.
Эксперименты, проведенные Д.Ф. Балденко, подтвердили принципиальную возможность управления режимом работы ВЗД по току приводного двигателя БНА. По сравнению с ручным способом подачи инструмента применение АСУ РБ ВЗД позволяет стабилизировать нагрузку на долото, механическую скорость бурения, давление в гидравлической линии мощность электродвигателя, а также уменьшить отклонение движения долота от заданной траектории. При использовании АСУ РБ снижаются ударные нагрузки на телесистему и стабилизируется напряжение забойного турбогенератора, что улучшает качество передаваемых сигналов. Снижаются крутильные колебания гидродвигателя, в результате должен увеличиться ресурс ВЗД и долота.
Однако остаются нерешенными задачи по совершенствованию системы автоматического управления осевой нагрузкой на долото (системы автоуправления подачей инструмента). Для этого требуется разработка высокоточного датчика натяжения талевого каната с унифицированным выходом и с преобразованием сигнала датчика натяжения в частотный код с целью повышения устойчивости системы управления и повышения помехозащищенности канала связи и специального вида обратной связи по отклонению нагрузки на крюке от заданной с целью повышения быстродействия БАУ, разработки нового, а также более совершенного алгоритма управления с целью оптимизации процесса углубления скважины, как по механической скорости, так и по другим критериям.
Анализ работы технических средств и технологий, направленных на оптимизацию режимов бурения и автоматизацию процесса углубления скважин
Отворот резьбовых соединений может произойти как при бурении скважины комбинированным способом, так и в случае подъёма инструмента (с промывкой) и одновременным проворачиванием его верхним приводом.
Так, например, при бурении скважины № 37018, куст №66, Самотлорского месторождения (01.2008) на глубине 2798 м произошел отворот КНБК и бурильного инструмента при подъеме его с забоя с вращением ротора и одновременной промывкой (работающим ВЗД). При углублении интервала применялся следующий вид компоновки: долото 215.9 мм (MXL-S09); калибратор 8ПК 214.5; винтовой двигатель 6 3/4" Сперри -Дрилл 6/7 (1,5); обратный клапан; немагнитная УБТ-120; телесистема HOS MWD 650; немагнитная УБТ-121 мм (Flex); 6 свечей ТБПК 127x9.19; 6-1/2" ЯС-120 мм; короткая УБТ -121 мм; ТБПК 127x9.19 - остальное. Общая длина компоновки нижней части бурильной колонны составляла 185,46 м. Проработка пробуренного интервала осуществлялась от забоя вверх с частотой вращения ротора до 80 об/мин и промывкой с производительностью бурового насоса 28 л/сек. При подъеме КНБК на 12,5 метров от забоя произошел кратковременный резкий скачок давления с 12,5 до 17,6 МПа. При этом произошло увеличение веса на крюке от 1000 до 1450 кН и нагрузки на долото до 35 кН (по данным станции ГТИ) с последующим падением давления до 0 МПа. За счет реактивного момента произошел отворот бурильного инструмента [48].
После подъема бурильного инструмента выявлено, что в скважине в результате отворота оставлены: долото 215.9 MXL-S09; КП - 214,5; шпиндельная секция с узлом изменения угла перекоса и вал рабочих органов двигателя. На рисунке 2.4 представлена компоновка нижней части бурильной колонны и место отворота резьбового соединения.
Проведенные исследования причин аварии (по расчетам допустимых моментов) показали, что отворот корпуса шпиндельной секции от корпуса двигателя произошел в результате превышения реактивного момента над моментом скручивания резьбовых соединений.
В данном случае момент на скручивание резьбовых соединений для данного типа двигателя составляет 19 кН-м, при этом реактивный момент составлял около 21 кН-м. Основной причиной данной аварии является недостаточный контроль веса бурильного инструмента.
Контроль веса бурового инструмента достаточно подробно описан в работах [49, 50]. Измерение веса бурового инструмента и контроль осевой нагрузки на долото с помощью наземных приборов может производиться следующим и методами: - по натяжению неподвижного конца талевого каната; непосредственными измерениями на буровом крюке или вертлюге; измерением усилий, передаваемых кронблоком на подкронблочные балки.
Измерение веса бурового инструмента по натяжению неподвижного конца талевого каната, получившее широкое распространение, отличается от других простотой монтажа силоизмерительного датчика. Измерители веса бурового инструмента, работающие на этом принципе, по способу монтажа датчика можно разделить на две группы. К первой группе относятся измерители, в которых датчики монтируются непосредственно на канате; в измерителях второй группы датчики устанавливаются в специальном устройстве, предназначенном для крепления каната.
Большинство таких измерителей работает на принципе измерения горизонтальной составляющей натяжения неподвижного конца талевого каната, предварительно преломленного на упругом элементе, что позволяет производить монтаж датчиков без рассечки каната.
Указанному способу измерения присущи следующие существенные недостатки: - показания датчиков зависят от диаметра и жесткости каната. Поскольку профиль витого каната изменяется вдоль его длины, величина прогиба каната в датчике, установленном на буровой, может отличаться от прогиба, существовавшего во время тарировки. Вследствие этого ошибка в измерениях может достигать 10-15%; перемещение подвижного среднего ролика под действием измеряемой силы изменяет угол и, следовательно, вызывает нелинейность измерителя; - при растяжении каната происходит его смещение относительно опорных роликов. Возникающие при этом в роликах силы трения являются причиной искажения в показаниях измерителей (до 2,5%).
Измерение натяжения неподвижного конца каната может производиться также датчиком, размещенным между рамным брусом и канатом. В этом случае одна сторона датчика прикрепляется к рамному брусу, а другая служит для присоединения неподвижного конца. Недостатками такой конструкции являются усложнение монтажа и демонтажа датчика и увеличение его габаритов, поскольку датчик полностью воспринимает растягивающие усилия на неподвижном конце. В настоящее время подобные конструкции используются лишь в буровых станках ЗИФ для колонкового геологоразведочного бурения (динамометры ДПУ механического типа и ДНР с магнитоупругим датчиком).
Также возможно измерение веса бурового инструмента непосредственно на буровом крюке или вертлюге. Данный метод является наиболее точным, поскольку полностью исключает влияние трения в талевой системе. Контроль можно осуществлять с помощью датчика, подвешенного между крюком и вертлюгом [51]. В этом случае конструкция-датчика вместе с элементами- крепления получается громоздкой, увеличивается длина наземного бурового1 оборудования, что может затруднить работу бурильщика.
Наиболее целесообразным решением является установка датчика непосредственно на крюке или вертлюге. При этом обеспечивается лучшая защита датчиков от ударов, конструкция получается герметичной и компактной.
Размещение датчиков на вращающемся переводнике, связывающем вертлюг с квадратом [51], требует применения контактных токосъемов, что снижает надежность устройства.
Наиболее распространенным способом определения веса бурильной колонны и нагрузки на долото на протяжении остается определение по гидравлическому индикатору веса (ГИВ). Работа, например, ГИВ-6 основана на определении веса и нагрузки на долото по натяжению концов талевого каната. Изменение показателей веса и нагрузки определяются в зависимости от оснастки талей, поэтому одно и то же показание индикатора веса может соответствовать разным действительным весам колонны [49].
Вследствие потерь на трение и жесткости каната натяжение в каждой струне талевого каната во время- работы изменяется. Это объясняется тем, что натяжение в неподвижном и ходовом концах каната различно. Так как направление вращения роликов зависит от выполняемой операции (спуск или подъем инструмента), распределение усилий в канатах будет неодинаковым. При этом значения кажущейся нагрузки на долото в современных компьютеризированных станциях геолого - технических исследований (ГТИ) определяются автоматически после проведения операции «взвешивание» инструмента, заключающейся в отрыве долота от забоя и подъеме инструмента над забоем на 3-4 метра с продолжением циркуляции.
Однако операция «взвешивание» может быть использована при бурении скважин с углом искривления скважины не более 45 град. При углублении скважины, превышающем угол 45 град., контролировать истинный вес инструмента и нагрузку на долото практически невозможно. В этом случае требуется- постоянный проворот ротором бурильной колонны с целью снижения трения колонны о стенки скважины, а также оперативный автоматизированный контроль и корректировка показателей нагрузки на долото.
Результаты исследования износостойкости, параметров изношенных героторных механизмов в условиях скважины, уровня крутильных колебаний и энергетических характеристик
С целью восстановления двигателя и возможности его дальнейшей эксплуатации проведены исследования влияния угла разворота модулей относительно друг друга на параметры РО (контактные напряжения в РО) и энергетические характеристики (изношенного) двигателя с героторным механизмом модульного исполнения.
Изменение контактных напряжений при зацеплении выступов объединенных модулей ротора, расположенных в статоре, условно можно рассматривать как изменение диаметрального натяга по всей длине героторного механизма.
Для проведения исследований параметров РО в зависимости от угла разворота модулей относительно друг друга использовался «автоматизированный гидравлический ключ», входящий в состав стенда Griffith TORQUEMASTER JUNIOR 1289. Он содержит: пульт управления 1; гидравлические ключи (один из которых неподвижный 2, второй - с возможностью вращения 3) (рис. 3.10).
Схема автоматизированного гидравлического ключа (с возможностью регулировки угла (р разворота модулей)
При проведении сборки, а именно соединении (запрессовке) ротора 5 в статор 6 определяется сила трения (натяга) контактного взаимодействия винтовой поверхности ротора 5 с винтовыми зубьями резинового эластомера статора 6. Скрепление резьбовых соединений 7 (место соединения модулей) и регулировки угла щ разворота модулей ротора 8, 9 относительно друг друга осуществляется подвижным ключом 3 (рис. 3.11).
Контроль угла ф разворота модулей 8, 9 относительно друг друга осуществлялся с использованием транспортира, а также методом оттиска (печати). Суть метода заключалась в следующем.
Первоначально с целью определения смещения зубьев модулей поверхности модулей винтовых линий (вершин зубьев) покрываются (наносят) смазкой или красятся маркером. Затем производится наложение материала (например, лист бумаги), и снимается оттиск измененного направления винтовой линии вершины зубьев 3, 4 винтовой линии модулей 1, 2 (рис. 3.12). Затем измеряют смещение h винтовой линии модулей и рассчитывают величину угла фі по формуле: где h — смещение винтовой линии, мм; 2л - в град. (360); / - длина окружности, причем / = ndf; df— наружный диаметр ротора по вершинам зубьев, мм.
Результаты исследований параметров рабочих органов и энергетических характеристик ВЗД с героторным механизмом модульного исполнения
Исследования параметров РО двигателя модульного исполнения и энергетических характеристик проводились с ВЗД Д2-195 (используемые в предыдущих экспериментах), имеющими износ РО более 40 %.
Параметры (характеристики) экспериментального двигателя отработавшего в скважине 100 часов, составляли: эксцентриситет е 2,5 мм; диаметр ротора по вершинам зубъев d/= 125,40 мм; диаметр эластомера статора по впадинам dc 137,25 мм; д = 0,25. Испытания проводились при постоянном расходе технологической жидкости Qconst=0,030 м /с.
Результаты исследования влияния угла разворота модулей на энергетические характеристики двигателя модульного исполнения представлены в таблице 3.5.
С изменением угла разворота модулей от 1 до 3 увеличивается диаметральный натяг с 0,25 мм до 0,47 мм, и момент двигателя с 2,0 до 5,9 кН-м (рис. 3.13).
Однако разворот модуля на угол более 4 приводит к увеличению диаметрального натяга до 0,52 мм и росту давления в двигателе до 4,5 МПа, а также к снижению частоты вращения до 5,0 с"1 (47 об/мин).
Частота вращения ниже 70 об/мин не удовлетворяет требованиям при работе с моментоемкими долотами матричного исполнения, и приводит к снижению механической скорости углубления скважины. Оптимальное значение частоты вращения должно варьироваться от 70 до 120 об/мин
Следовательно, для исследуемого двигателя угол разворота модулей фі должен составлять от 3 до 4 , при этом параметры частоты вращения (от 7,4 до 10,0 с"1) и момента (от 4 до 4,9 кН-м) будут удовлетворять требуемым условиям бурения скважины.
Рекомендуемые значения угла разворота модулей (pi в зависимости от диаметрального натяга для Д2-195 представлены в таблице 3.6.
Исследования показали, что модульное исполнение героторного механизма позволяет восстановить энергетические характеристики отработанного (изношенного до 40 %) двигателя на 35 - 55 % (момент с 2,2 до 4,9 кН-м; частота с 6,2 до 10,4с"1; давление с 3,3 до 4,3 МПа).
Результаты исследований уровня поперечных колебаний ВЗД до модернизации и с героторным механизмом модульного исполнения
Исследования крутильных колебаний (вибрации) корпуса двигателя проводились с отработанными и впоследствие модернизированными (ротор модульного исполнения) винтовыми двигателями типа Д1-195, ДГР-178.6.7.57 и ДГР-178.7/8.37.
Технические характеристики экспериментальных двигателей отработавших в скважине от 90 до 120 часов, составляли: Д1-195-эксцентриситет е 4,2 мм; диаметр ротора по вершинам зубъев d/ = 125,40 мм; диаметр эластомера статора по впадинам dc= 137,25 мм; 5 = 0,23 (испытания проводились при постоянном расходе технологической жидкости Qconst=0,030 м /с); ДГР-178.6.7.57 - эксцентриситет е 8,5 мм; диаметр ротора по вершинам зубъев df= 122,10 мм; диаметр эластомера статора по впадинам dc= 135,25 мм; д = 0,16 (расход QCOnst=0,032 м /с); ДГР-178.7/8.37 - эксцентриситет е 6,2 мм; диаметр ротора по вершинам зубъев d/= 122,10 мм; диаметр эластомера статора по впадинам dc= 135,20 мм; S = 0,13 (расход QCOnst=0,034 м /с). Угол разворота модулей фі варьировался от 3 до 5 .
Результаты исследования уровня вибрации двигателя ДГР-178.7/8.37 с одновременным замером его энергетических характеристик (за 2 мин.) до и после модернизации (модульного разделения ротора ВЗД) представлены в таблице 3.7 и на рисунке 3.14, 3.15, 3.16, 3.17.
Для сравнения характеристик двигателя до и после модернизации в таблицах 3.8, 3.9 отмечены (выделены) «желтым цветом» показатели работы ДГР-178.7/8.37 в режиме максимальной мощности и оптимальной частоте вращения вала. Из представленных материалов испытаний видно, что тормозной момент двигателя до модернизации составлял не более 3830 Нм, а момент при оптимальной (рекомендуемой не менее 100 об/мин для долот PDC) частоте вращения 2000 Нм. После модернизации момент увеличился с 2000 до 3100 Нм, а максимальный тормозной момент с 3800 до 4567 Нм. Расход жидкости при испытании поддерживался в пределах 33-34 л/с.
Методика и методы проведения исследований по изучению влияния частоты вращения и трения БК о стенки скважины на фактическую нагрузку на долото и работу системы «БК-ВЗД-долото» при бурении комбинированным способом наклонно направленных и горизонтальных скважин
Для бурения продуктивных пластов Сартымской свиты, Валанжинского яруса (пласты БУі2, БУ14) на глубине от 2900 до 3800 м в КНБК устанавливают: в верхних интервалах двигатель Д1-240 с долотом III 295,3 МСЦ-ГНУ R 116; в нижних интервалах двигатель объемного разрушения Griffits (Д-172) с долотами III 215,9 MF- 20Т и III 215,9 С-ГВ W41. Для бурения пород слагающих продуктивные горизонты Тюменской свиты (пласты J2, J4) в верхних интервалах применяют Д1-240, при этом углубление нижнего интервала скважины осуществляют ротором.
Бурение горизонтальных участков с применением только ВЗД без вращения колонны в большинстве случаев сопровождается частыми прихватами нижней части КНБК. Вследствие этого, разрушение породы кратковременно (от 3 до 7 мин.) происходит с самопроизвольным или вынужденным отрывом долота от забоя, что требует частых проработок интервалов, промывок скважины. Комбинированный способ дает возможность осуществления продолжительного (до 15 минут) процесса бурения без отрыва долота от забоя, однако при этом часть дополнительной динамической нагрузки Од, создаваемой вращением бурильной колонны, теряется в месте интенсивного искривления скважины. Вторым отрицательным фактором является неконтролируемый реактивный момент на валу двигателя и в месте нулевой точки «0» («0» - точка, где напряжения растяжения 8р и сжатия Jc. бурильной колонны равны).
Решение проблемы при бурении скважин с горизонтальным окончанием, а именно, увеличение показателя механической скорости бурения возможно за счет создания дополнительной динамической нагрузки Gn с применением винтовых двигателей без вращения бурильной колонны.
С этой целью разработан объемный двигатель, имеющий следующие конструктивные изменения, технологическая схема которого представлена на рисунке 5.5 [154, 155] 5 6 2 1
Устройство для бурения скважин работает следующим образом (Патент №2313648). Буровой раствор по колонне бурильных труб 3 поступает под давлением в камеры (полости) низкого давления многозаходной винтовой пары героторного механизма, образованные статором 1 и ротором 2 (вследствие разницы в количестве выступов в них) жестко закрепленным с помощью сварного или резьбового соединения с колонной бурильных труб 3 посредством торсионного вала 4 и полой полуоси 5 с проточными каналами 6. Герметизация против утечек бурового раствора и восприятие осевых усилий осуществляется посредством осевой герметизирующей опоры 7. Рисунок 5.5 - Винтовой забойный двигатель с вращающимся корпусом (статором)
Под действием перепада давления бурового раствора в камерах низкого и высокого давления создается крутящий момент, передаваемый подвижным статором на долото 8.
Расчеты суммарного момента возникающих сопротивлений и перепада давления при бурении скважины с горизонтальным и пологим окончанием двигателем с вращающимся корпусом (для проведения расчетов в качестве базового прототипа принимали двигатель Д5-195) показали следующее: в процессе бурения интервалов, где угол искривления скважины составляет 70, момент М0 щ двигателя с вращающимся статором по сравнению с базовой моделью увеличился с 9,5 до 10,5 кН м (контакт подвижного статора с горной породой - «Глина песчаная»// = 0,15- 0,18), при этом углубление скважины с углом искривления до 90 (контакт подвижного статора с горной породой - «Песчаник крепкий»// = 0,35- 0,4) М0 щ увеличивается до 14,0 кН м. Увеличение момента М0 щ (с незначительным повышением перепада давления до 0,3 МПа) даст возможность использовать динамику корпуса двигателя для реализации дополнительной нагрузки Gn, что позволит избежать возникновения прихватов компоновки низа бурильной колонны в местах интенсивного искривления, и, как следствие, повысить эффективность бурения скважин с горизонтальным окончанием.
Разработка малогабаритного ВЗД со сниженными показателями осевых вибраций Большая часть двигателей выпускается в шпиндельном исполнении с вынесением осевой и радиальных опор в отдельный автономный узел, расположенный под РО [6, 156].
Принципиально возможны конструкции двигателей в бесшпиндельном исполнении. Наиболее актуальна такая компоновка для ВЗД с ограниченным осевым габаритом[157, 158, 159].
Однако при бурении скважины безшпиндельным ВЗД снижается надежность двигателя при бурении горизонтальных скважин за счет высоких вибраций на долоте, влияющих на качество геофизических исследований [60, 61, 58]. Процесс проводки скважин с горизонтальным окончанием производится с применением телеметрических системам, имеющих как проводной, так и беспроводной канал связи (источником, каналом связи является буровой раствор) с источником информации. Данная телеметрическая информационная система устанавливается непосредственно над забойным двигателем на расстоянии от 4 до 10 м от долота. Уменьшение габаритных размеров, а именно, длины винтового забойного двигателя, увеличивает эффективность проводки горизонтальных скважин, что обусловлено близостью расположения системы к долоту (уменьшением «мертвой» не ориентируемой зоны). При этом возникает проблема влияния вибраций на показатели работы телеметрической системы. По мере приближения (уменьшения расстояния до 5-6 м «телесистема — долото») к забою происходит до 30 % отказов телеметрических систем.
Вибрации также отрицательно влияют на долговечность опорного узла винтового забойного двигателя. Продолжительность работы опорного узла зависит от ряда факторов, таких, как режим бурения (нагруженность, частота вращения), тип опоры (материал), технология изготовления. Выход из строя опорного узла приводит к остановкам, затратам, связанных с вывозом винтового забойного двигателя для замены опорного узла на ремонтную базу.
Одним из решений данной проблемы является снижение вибраций двигателя, увеличение стойкости опорного узла (осевой опоры) с возможностью его замены в условиях буровой (Патент №2341637) [160].
Одним из решений данной проблемы является снижение вибраций двигателя и увеличение стойкости опорного узла (осевой опоры) с возможностью его замены в условиях буровой, путем установки демпферного (противовибрационного) устройства, а также конструктивных изменений опорного узла винтового забойного двигателя.
Это достигается тем, что в малогабаритном винтовом забойном двигателе (рис. 5.6), содержащем обрезиненный статор 1, полый ротор 2, трубчатый торсион 3, вал 4, опорный узел в виде двухстороннего подшипника скольжения, имеющего верхнюю 5 и нижнюю 6 обойму с армированными твердосплавными цилиндрическими вставками 7, верхняя обойма опорного узла 5 является быстросъемной, при этом твердосплавные цилиндрические вставки 7 подшипника скольжения имеют разную твердость, причем твердость твердосплавных цилиндрических вставок верхней обоймы 5 ниже, чем твердосплавных цилиндрических вставок нижней 6, а в нижней части трубчатого торсиона 3 установлен демпфер, выполненный в виде двух
