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 ^единицу меньше числа зубьев статора, в результате чего для осу-

Ось ротора

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.

Рис. 7.10. Поперечное сечение рабочих органов винтового (объемного) забойного дви­гателя: / — статор; 2 — ротор

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

Основные параметры	Д1-88	Д1-127	ДЗ-172	Д4-172	Д1-195	Д2-195	ДЗ-195
Расход бурового раствора, л/с	4,5......7,0	15,0......20,0	25,0......35,0	25,0......35,0	25,0......35,0	25,0......35,0	20,0......35,0
Частота вращения вала шпин­деля, об/мин	162,0......300,0	132,0......174,0	78,0......108,0	90,0......120,0	80,0......100,0	90,0......114,0	78,0......120,0
Перепад давления, МПа	5,8......7,0	6,5... ...8,7	3,9......4,9	5,0......7,0	4,0......5,0	4,3......6,7	6,0......11,0
Момент силы навалу, кН • м	0,53......0,61	2,2......3,0	3,1... ...3,7	5,2......7,0	6,5......8,0	5,2......7,0	8,0...12,0
Диаметр применя­емых долот, мм	98,4......120,6	39,7......158,7	190,5	190,5	215,9	215,9	215,9
Наружный диаметр, мм	88,0	127,0	172,0	172,0	195,0	195,0	195,0
Длина, мм	3230,0	5545,0	6880,0	7000,0	7675,0	6535,0	7735,0
Масса, кг	110,0	387,0	912,0	850,0	1350,0	1 100,0	1 200,0

В зимнее время запуску двигателя должен предшествовать его отогрев паром или горячей водой в течение 30...40 мин. Винтовые двигатели могут работать на промывочных жидкостях различной плотности и вязкости: на воде (пресной, морской и пластовой), глинистых растворах плотностью до 2,2 г/см³, аэрированных жид­костях. Однако длительная и безотказная работа двигателя зависит прежде всего от качества очистки промывочной жидкости, содер­жание песка в которой не должно превышать 0,5... 1 %. Повышен­ное содержание песка в промывочной жидкости приводит к ин­тенсивному износу рабочих органов.

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.

Дата добавления: 2015-07-08