ГЛАВА 1

ВВЕДЕНИЕ

 

1.1 Общие сведения - забойный двигатель Sperry Drill

Безопасное, эффективное и экономичное бурение наклонно-направленных или горизонтальных скважин в современных условиях требует внедрения в практику буровых работ наиболее совершенных и современных буровых технологий. Компания “Сперри-Сан Дриллинг Сервисиз” воспользовалась своим богатым опытом в качестве ведущей компании-производителя буровых работ для того, чтобы разработать новый забойный двигатель “Сперри Дрилл”.

Двигатель “Сперри Дрилл” был разработан таким образом, чтобы обеспечить надежную работу долота в самых различных условиях на забое скважины. Непосредственное участие компании в проведении буровых работ позволяет ей непрерывно совершенствовать технические характеристики двигателя и оперативно вносить изменения в его конструкцию с тем, чтобы повысить универсальность забойного двигателя, позволяющую эксплуатировать его при различных видах буровых работ.

Забойный двигатель “Сперри Дрилл” может быть с успехом использован при бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин, а также для скоростного бурения, обеспечивая при этом существенное снижение износа бурильных труб, УБТ и обсадной колонны, а также уменьшения числа различного рода проблем, возникающих в процессе бурения.

Компания “Сперри-Сан” всегда обращала особое внимание на качество предоставляемых клиентам услуг. Для того, чтобы производящееся оборудование соответствовало требованиям международного стандарта ISO 9000, компания внедрила на своих предприятиях жесткую систему контроля качества, обеспечивающую непрерывный контроль технического состояния продукции на всех стадиях проектно-конструкторских работ, производства, эксплуатации, ремонта и обслуживания забойных двигателей “Сперри Дрилл”. Эксплуатация забойных двигателей производится высокопрофессиональными буровыми бригадами, специализирующимися в области наклонно-направленного бурения, работу которых обеспечивают развитая сеть сервисных центров компании и испытательных станций, а также службы контроля качества и специальный информационный центр. Таким образом мы обеспечиваем высокую надежность и безотказную работу наших забойных двигателей.

Забойный двигатель “Сперри Дрилл” является замечательным дополнением к современным системам измерения в процессе бурения (ИПБ), высокоточным системам замера скважинных параметров, высоконадежным системам ГИС, современному специализированному программному обеспечению и услугам в области ведения буровых работ, предлагаемых своим клиентам компанией “Сперри-Сан”.

ЛАВА 2
ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Sperry Drill

 

Корпус и стабилизатор

 

Рис. 2.1(1)

Забойный двигатель “Сперри Дрилл” состоит из пяти основных узлов:

	3. Трансмиссия
1. Клапанный переводник	4. Шпиндельная секция
2. Силовая секция (статор/ротор)	5. Корпус и стабилизатор

 

2.1 Общие принципы работы

В основе работы забойных двигателей “Сперри Дрилл” лежит обратный принцип “насоса Муано”: циркулирующая под давлением жидкость поступает в расширяющуюся полость, образующуюся между геликоидальным металлическим ротором скальчатого типа и винтовой геликоидальной полостью в корпусе статора из эластомерного материала.

Давление циркулирующей жидкости (бурового раствора), поступающей в зазор между статором и ротором, заставляет ротор двигателя вращаться внутри статора.

Таким образом, гидравлическая энергия циркулирующей жидкости преобразуется в механическую энергию вращения, которая, в свою очередь, передается на долото и приводит его в действие.

Изменение числа “лепестков” геликоидального ротора и геометрии винтового канала статора позволяют конструктору создавать двигатели, обладающие различными гидравлическими и механическими характеристиками, применительно к конкретному типу буровых работ или скважинных условий.

Забойные двигатели “Сперри Дрилл” выпускаются в различных типоразмерах, различающихся как наружным диаметром, так и широким диапазоном гидравлических и механических характеристик.

 

Рис. 2.1(2)

Типы геликоидальных сечений забойного двигателя

2.2 Клапанный переводник забойного двигателя Sperry Drill

Пружина Отверстие для прохода бурового раствора

 

Рис. 2.2

Клапанный переводник забойного двигателя “Сперри Дрилл”

 

Примечание: При использовании полых роторов, оснащенных соплами, циркулирующая рабочая жидкость (буровой раствор) имеет возможность свободно поступать в двигатель из затрубного пространства и выходить из него. Таким образом, отпадает необходимость в использовании клапанного переводника, необходимого для того, чтобы освобождать колонну от бурового раствора при подъеме инструмента; однако при этом необходимо помнить, что диаметр сопла должен быть достаточно большим для того, чтобы обеспечить свободный слив бурового раствора из колонны.

Геометрия рабочей пары (“ротор/статор”) забойного двигателя не позволяет обеспечить свободный переток рабочей жидкости (бурового раствора) между колонной и затрубным пространством в ходе спускоподъемных работ. Для того, чтобы обеспечить заполнение буровой колонны раствором в процессе спуска инструмента, а также свободный слив бурового раствора из колонны в процессе ее подъема, в конструкции двигателя предусмотрен клапанный переводник, который устанавливается непосредственно над турбиной. Кроме того, наличие клапанного переводника позволяет при необходимости снизить циркуляцию раствора через двигатель.

Рабочим узлом клапанного переводника является полый цилиндр с отверстиями в боковой стенке, через которые осуществляется циркуляция раствора между бурильной колонной и затрубным пространством. При работе на буровых растворах с повышенным содержанием взвешенных частиц (что может привести к засорению клапана), либо в процессе бурения с продувкой забоя воздухом, клапанный переводник можно не устанавливать.

По своей конструкции клапанный переводник представляет собой подвижный поршень (золотник), перемещающийся внутри пружины. Все детали клапана изготавливаются из высококачественных сталей. Для повышения эффективности и надежности работы клапана в его конструкцию включен ряд изготовленных с повышенной точностью уплотнительных элементов; внутренние и внешние поверхности клапана либо обрабатываются по высокому классу точности, либо плакируются специальными покрытиями.

Клапан переводника остается в открытом положении до тех пор, пока давление циркулирующего бурового раствора не превысит жесткости пружины, что приведет к смещению поршня и, в конечном счете, к перекрытию боковых отверстий в его корпусе, тем самым перекрывая переток раствора в затрубное пространство. После этого весь буровой раствор будет поступать в забойный двигатель. При остановке циркуляции пружина возвращает клапан в исходное положение, при этом открываются боковые отверстия и восстанавливается поток бурового раствора в затрубное пространство. Циркуляционные каналы в корпусе переводника оснащены фильтрующими решетками, предотвращающими засорение клапана шламом, выносящимся с забоя буровым раствором.

Необходимая для закрытия клапана величина подачи бурового раствора ниже минимальной расчетной величины рабочего потока забойного двигателя.

Клапанные переводники выпускаются для всех типоразмеров забойных двигателей. Верхние и нижние переходные муфты переводников выполняются либо по стандартам АНИ, либо согласно общепринятым промышленным стандартам, что позволяет эксплуатировать забойные двигатели как с клапанными переводниками, так и без них. Кроме того, между переводником и силовой секцией забойного двигателя можно установить кривой переводник, что позволяет сократить расстояние между ним и долотом и, тем самым, облегчить забуривание бокового ствола.

2.3 Силовая секция (статор/ротор) забойного двигателя Sperry Drill

 

Статор (эластомер)

 

Рис. 2.3

Силовая секция забойного двигателя “Сперри Дрилл” (статор/ротор)

Привод забойного двигателя “Сперри Дрилл” работает по принципу, заимствованному у так называемого “насоса Муано”. Конструкция силовой секции включает пару “статор/ротор”, которая преобразует гидравлическую энергию циркулирующей под давлением жидкости (бурового раствора) в механическую энергию вращения приводного вала.

Специфической особенностью конструкции силовой секции является его возможность работать с различными видами циркулирующего флюида, включая буровой раствор на водной и нефтяной основе, воду, сжатый воздух и пены, во всех случаях обеспечивая выходные характеристики, позволяющие обеспечить бесперебойную работу бурового оборудования.

Статор и ротор турбины имеют геликоидальное сечение, при этом они имеют одинаковую форму в плане, однако стальной ротор имеет на один зубец меньше чем количество каналов изготовленного из эластомера статора.

Силовые секции забойных двигателей можно классифицировать в соответствии с количеством зубцов ротора и эффективных ступеней статора. Зубцы ротора и каналы статора имеют геликоидальное сечение, при этом одна ступень секции соответствует линейному расстоянию полного “витка” канала статора.

Различие в количестве зубцов ротора и каналов статора приводит к образованию эксцентриситета между осью вращения ротора и осью статора.

Геликоидальные поверхности ротора и статора, а также углы наклона винтовых образующих подобраны таким образом, чтобы пара “ротор/статор” создавала герметичные участки на равных интервалах длины корпуса турбины. Таким образом, в винтовых каналах статора образуются изолированные аксиальные полости, заполненные жидкостью под давлением.

Давление жидкости внутри этих аксиальных полостей заставляет ротор вращаться и прецессировать внутри статора. Геометрия поверхности статора и ротора и величина планетарного перемещения ротора подобраны таким образом, чтобы обеспечить минимальные давление контакта, трение скольжения, абразивный износ поверхностей и вибрацию системы в целом, т.е. обеспечить пониженный износ статора и ротора.

Эластомерный статор изготовляется литьем под давлением, при этом особое внимание в процессе его изготовления уделяется однородности состава эластомера, надежному связыванию компонентов и качеству профиля геликоидальных каналов статора. Отливка статора производится непосредственно в стальной корпус статора забойного двигателя. Количество геликоидальных каналов статора может изменяться от 2 до 10 в зависимости от типоразмера двигателя.

Роторы изготавливаются из стальных заготовок на высокоточных металлорежущих станках, позволяющих получить минимальные аксиальные и радиальные допуски; кроме того, они могут быть плакированы специальными покрытиями для того, чтобы повысить их способность противостоять механическому износу и повысить их стойкость к коррозионному воздействию. Роторы всех многозаходных забойных двигателей начиная с диаметра 3-3/8” и выше, могут быть снабжены байпасными соплами с тем, чтобы увеличить интервал рабочих расходов двигателя (см. 4.4). В зависимости от типоразмера мотора количество заходов ротора может изменяться от одного до девяти.

Силовые характеристики двигателя - его входная и выходная мощность - зависят, прежде всего, от числа зубцов ротора и каналов статора, их геометрии, угла наклона винтовых образующих и количества ступеней.

Для каждого конкретного рабочего диапазона частота вращения долота прямо пропорциональна скорости потока циркулирующей жидкости между статором и ротором. В том случае, когда перепад давления циркулирующей жидкости на движителе превышает максимальный рабочий перепад для данного типа двигателя, рабочая жидкость начинает просачиваться между статором и ротором, что приводит к снижению скорости вращения долота. Сильное просачивание рабочей жидкости может привести к глушению двигателя, т.е. к полной остановке долота, связанной с “заклиниванием” ротора.

Кроме того, для каждого конкретного рабочего диапазона, крутящий момент на выводном валу двигателя прямо пропорционален перепаду давления, возникающего на паре “статор-ротор” двигателя. Таким образом, работа двигателя с крутящими моментами, превышающими максимальные паспортные значения приводит к повышенному износу статора и ротора и, в конечном итоге - к “заклиниванию” ротора.

Вырабатываемая двигателем мощность прямо пропорциональна частоте вращения и крутящему моменту. Таким образом, мощность забойного двигателя и связанные с нею величины частоты вращения и крутящего момента необходимо подбирать в зависимости от конкретных условий бурения.

Конструкция статора и ротора предусматривают возможность их работы в широком диапазоне условий и параметров бурения, включая такие как изменение температуры, плотности и/или вязкости бурового раствора и содержания в нем бурового шлама, а также присутствие в буровом растворе агентов, использующихся для борьбы с поглощением. Кроме того, использующийся для изготовления статора эластомерный материал способен противостоять воздействию пластового флюида, а также масел и смазок. Материалы, использующиеся для изготовления турбины, обладают высокой стойкостью к эрозии, коррозии и истиранию.

Ротор и статор изготавливаются по повышенному классу точности и тщательно подгоняются, что обеспечивает высокую надежность работы пары “ротор - статор” и обеспечивает необходимые эксплуатационные характеристики двигателя для работы в различных условиях бурения, позволяет практически полностью исключить проблемы при запуске двигателя и обеспечить высокую эффективность и долговечность забойного двигателя.

2.4 Трансмиссия забойного двигателя Sperry Drill

 

Узел сочленения

Отклоняющее устройство

 

Рис. 2.4

Трансмиссия забойного двигателя

Гидравлическая энергия циркулирующей под давлением жидкости преобразуется в механическую за счет вращения и прецессии ротора турбины. При этом необходимо отметить, что давление циркулирующей рабочей жидкости создает повышенное осевое давление на ротор.

Трансмиссия забойного двигателя позволяет подавить эксцентрическое перемещение ротора, а также обеспечить передачу вращательного момента на жестко установленный в шпиндельной секции ведущий вал без потерь мощности в прямом корпусе или регулируемом отклоняющем устройстве. Кроме того, привод должен обеспечивать соосность ротора и статора с тем, чтобы обеспечить необходимое уплотнение пары “ротор - статор” и свести до минимума их износ.

В конструкции забойных двигателей “Сперри-Сан” могут использоваться различные типы трансмиссий, обеспечивающих постоянную скорость вращения и максимальную эффективность передачи вращательного момента от различных типов пар “ротор - статор”.

Трансмиссии забойных двигателей представляют собой достаточно сложные механические узлы, конструкция которых включает передаточный вал, оба конца которого укреплены в передаточных втулках (узлах сочленения). Каждый узел сочленения состоит из большого числа деталей, размещенных в заполненном маслом герметичном корпусе. Их конструкция, равно как и рабочая среда (масло) подбираются таким образом, чтобы обеспечить высокую эффективность, надежность и долговечность работы забойного двигателя.

2.5 Шпиндельная секция в сборе забойного двигателя Sperry Drill

Блок подшипников

 

Рис. 2.5

Шпиндельная секция в сборе

Конструкция шпинделя включает большое число сборок опорных и радиально-упорных подшипников, ограничитель потока и приводной вал.

Опорные подшипники предназначены для компенсации осевой нагрузки ротора и вертикальной реактивной составляющей противодавления возникающего вследствие приложения нагрузки на долото. В конструкции забойных двигателей большого диаметра применяются многорядные подшипники смешанного (шариково-роликового) типа, а для двигателей малого диаметра - подшипники скольжения на основе карбидов.

Для поглощения боковых нагрузок на приводной вал используются металлические и неметаллические радиальные подшипники, установленные выше и ниже сборок радиально-упорных подшипников. Эти боковые нагрузки на приводной вал могут достигать значительной величины, особенно в ходе направленного бурения или в процессе перебуривания ствола. Материалы, из которых изготавливаются радиальные подшипники, подбираются и производятся таким образом, чтобы обеспечить надежность работы подшипников в любых условиях бурения.

Охлаждение и смазка опорной втулки производятся буровым раствором - для этого отбирается приблизительно 5 - 8% объема промывающей жидкости; поток жидкости через втулку регулируется при помощи клапана-ограничителя потока. Забойные двигатели “Сперри-Сан” могут оснащаться двумя типами ограничителей потока:

· ограничителями потока высокого давления (для работы в условиях перепада давления, составляющего 200 - 1200 фунт/кв. дюйм);

·      ограничителями потока низкого давления (для работы в условиях перепада давления, составляющего 0 - 400 фунт/кв. дюйм).

Приводной вал забойного двигателя служит для передачи на долото как аксиальной нагрузки, так и крутящего момента. Приводной вал изготавливается из стали методом ковки; в нижней части вала имеется резьбовое соединение для крепления бурового долота. Таким образом, он является единственным узлом открытого вращения в забойном двигателе “Сперри-Дрилл”. Буровой раствор подается на долото через внутреннюю полость приводного вала.

Все подшипниковые сборки сконструированы таким образом, чтобы исключить возможность “выдергивания” приводного вала и подшипников из корпуса забойного двигателя при высвобождении прихваченного инструмента с усилиями, превышающими расчетные растягивающие нагрузки для двигателя данного типа.