дифференциальный перепад давления на взд что это
Винтовые забойные двигатели (ВЗД)
Винтовые забойные двигатели предназначены для бурения глубоких вертикальных, наклонно направленных и горизонтальных скважин различного
Винтовые забойные двигатели предназначены:
Диаметр винтовых забойных двигателей обычно составляет 54-230 мм, они применимы в бурении и капитальном ремонте скважин (КРС).
Винтовые забойные двигатели имеют в своем составе:
По принципу действия ВЗД является объемной (гидростатической) машиной, многозаходные рабочие органы которой представляют собой планетарно-роторный механизм с внутренним косозубым зацеплением.
Односекционные ВЗД типа Д включают двигательную и шпиндельную секции и переливной клапан, корпусы которых соединяются между собой с помощью конических резьб (рисунок).
Рабочими органами двигательной секции являются многозаходные винтовые ротор и статор. Внутри стального статора привулканизирована резиновая обкладка с винтовыми зубьями левого направления. На наружной поверхности стального ротора нарезаны зубья того же направления. Число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев статора, а отношение шагов винтовых линий пропорционально числу зубьев.
Узел соединения ротора и выходного вала шпинделя, который может быть выполнен в виде двухшарнирного карданного соединения или гибкого вала, предназначен для преобразования планетарного движения ротора в соосное вращение вала шпинделя и передачи осевой гидравлической силы с ротора на подшипник шпинделя.
С целью уменьшения угла перекоса шарниры разнесены по длине и соединены между собой по конусным поверхностям посредством промежуточной (соединительной) трубы. Присоединение карданного вала к ротору и валу шпинделя достигается с помощью конусно-шлицевых соединений. Благодаря такой конструкции на выходной вал двигателя передается высокий момент силы при низкой его частоте вращения, а также обеспечивается высокая долговечность и надежность работы двигателя, что позволяет эффективно использовать его в сочетании с современными высокопроизводительными долотами с герметизированными маслонаполненными опорами при сравнительно высоких осевых нагрузках.
На нижнем конце выходного вала установлен наддолотный переводник для соединения вала с долотом.
Для применения гидромониторных долот с целью снижения утечек бурового раствора в опорном узле двигателя монтируется уплотнение (сальниковое устройство торцевого типа с твердосплавными уплотняющими элементами), обеспечивающее бурение при перепадах давления на долоте до 8. 10 МП а.
Переливной клапан служит для сообщения внутренней полости бурильной колонны с затрубным пространством в процессе проведения спуско-подъемных операций в скважине с целью снижения гидродинамического воздействия па проходимые породы при спуске и подъеме бурильной колонны, исключения холостого вращения вала двигателя и потерь бурового раствора при указанных операциях.
Основные конструктивные параметры односекционных ВЗД типа Д и их энергетические характеристики при различных расходах бурового раствора плотностью 1000 кг/м3 (на воде) приведены в табл. 104.
ВЗД разработаны на уровне лучших мировых образцов. Большинство отечественных конструкторских и технологических решений выполнены на уровне изобретений, защищены авторскими свидетельствами и запатентованы во многих зарубежных странах.
Секционные винтовые забойные гидравлические двигатели типа ДС (ДС-195) предназначены для бурения вертикальных и наклонно направленных скважин различного назначения с использованием буровых растворов при температуре не выше 373 К.
Секционный забойный двигатель ДС-195 собирается в промысловых условиях из двух-трех двигательных секций, состоящих из винтовых пар серийных двигателей Д 1-195 и одной шпиндельной секции с шаровой или резинометаллической опорой. Они выпускаются наружным диаметром 195 мм и применяются при бурении скважин шарошечными и безопорнымн долотами различных типоразмеров и серий в соответствии с рекомендуемыми технологически требуемыми зазорами между корпусом этих двигателей и стенками скважин в конкретных геолого-технических условиях месторождений.
Для секционирования рабочих органов двигателя разработаны различные варианты сочленения роторов и статоров и приспособления для осуществления их сборки. Конструктивное исполнение секционных винтовых двигателей может быть следующим:
? сборка с ориентированием рабочих органов по винтовой линии с жестким соединением статоров и роторов с помощью переводника (рисунок);
? сборка без ориентирования рабочих органов с жестким соединением статоров и соединением роторов с помощью шарнира (рисунок) или гибкого вала (рисунок).
Сочленение на конусах может быть надежным при выполнении обязательного условия установки сверху винтовой пары с меньшим зазором, т. е. верхняя секция должна быть ведущей. В противном случае возможен подъем верхней секции ротора и рассоединение конусов и, как следствие, нарушение сочленения.
Для соединения ротора двигательной секции с валом шпиндельной секции может применяться карданный или гибкий вал.
Секционный двигатель позволяет работать при перепадах давления в насадках используемых долот до 8. 10 МПа.
Основные конструктивные параметры секционных ВЗД типа Д2 и их энергетические характеристики при различных расходах бурового раствора плотностью 1000 кг/м3 (на воде) приведены в табл. 104.
Изготовители: См. табл. 104
Винтовые забойные двигатели с полым ротором (рисунок). Отличительной особенностью этих двигателей является выполнение полого ротора и соединение ротора с валом шпинделя через торсион, размещенный внутри ротора. Ротор изготавливается из трубной заготовки методом фрезерования или еще более перспективным методом штамповки из тонкостенной трубы.
Уменьшение массы ротора и применение торснона, размещенного в роторе, позволили уменьшить длину и массу двигателей на 10. 15 %, а также существенно (в 3. 4 раза) увеличить стойкость узла соединения ротора с валом двигателя. Кроме того, такая конструкция двигателя позволяет улучшить энергетическую характеристику двигателя, повысить его КПД и в 2. 4 раза снизить уровень вибраций двигателя.
За счет унификации присоединительных элементов рабочих органов и торсиона эти двигатели могут быть секционированы, что позволяет повысить момент силы на валу и мощность, а также значительно увеличить срок службы рабочих органов.
В двигателях применяется простой и надежный переливной клапан манжетного типа.
Технические решения, использованные в конструкции ВЗД, защищены авторскими свидетельствами и патентами во многих странах.
Основные конструктивные параметры ВЗД с полым ротором и их энергетические характеристики при различных расходах бурового раствора плотностью 1000 кг/м3 (на воде) приведены в табл. 104.
Винтовые забойные двигатели типа ДГ предназначены для бурения горизонтальных скважин, в т. ч. с малым радиусом искривления.
В отличие от других ВЗД двигатель имеет укороченный шпиндель, оснащен опорноцентрирующими элементами и корпусными шарнирами, обеспечивающими эффективную проводку горизонтальных скважин по заданной траектории.
Основные конструктивные параметры и энергетические характеристики винтовых забойных двигателей типа ДГ при различных расходах бурового раствора плотностью 1000 кг/м-1 (на воде) приведены в табл. 104.
научная статья по теме ФАКТОР ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ ВИНТОВЫХ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ МОНИТОРИНГЕ РЕЖИМА БУРЕНИЯ СКВАЖИН Геофизика
Цена:
Авторы работы:
Научный журнал:
Год выхода:
Текст научной статьи на тему «ФАКТОР ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ ВИНТОВЫХ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ МОНИТОРИНГЕ РЕЖИМА БУРЕНИЯ СКВАЖИН»
УДК 622.24.056-52 © Д.Ф. Балденко, Ф.Д. Балденко, 2014
Фактор дифференциального давления винтовых забойных двигателей при мониторинге режима бурения скважин
(РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина)
Адрес для связи: dbaldenko@mail.ru
Ключевые слова: винтовой забойный двигатель, дифференциальное давление, мониторинг, перепад давления, технология бурения, рабочие органы.
Многозаходные винтовые забойные двигатели (ВЗД) были созданы во ВНИИБТ и его Пермском филиале более 40 лет назад и прошли эволюционный путь развития, превратившись в эффективное техническое средство для привода долот при бурении нефтяных и газовых скважин [1].
В последние годы в результате проведенных НИОКР и технического перевооружения отечественные предприятия освоили производство нового поколения ВЗД с улучшенными энергетическими и эксплуатационными характеристиками 3. В серийном производстве находится несколько десятков типоразмеров ВЗД диаметрами от 43 до 240 мм. Инновационная технология изготовления рабочих органов позволила ООО «ВНИИБТ-Буровой инструмент», ОАО «Пермнефтемашремонт», ООО «Радиус-Сервис» и другими предприятиям изготавливать ВЗД с длинномерными рабочими органами (до 5-6 м), обладающими повышенными мощностью и крутящим моментом, что необходимо для эффективного использования безопорных долот типа PDC, безотказная работа которых составляет сотни часов.
В отличие от турбобуров с нормально циркуляционными турбинами характеристика ВЗД обладает весьма важной особенностью: перепад давления Р в рабочих органах пропорционален крутящему моменту М, развиваемому двигателем, что позволяет использовать показания давления на стояке для определения нагрузки на породораз-рушающий инструмент без данных индикатора веса на крюке. Такая возможность еще на начальном этапе развития ВЗД была использована при отработке технологии бурения, в частности, в объединении «Татнефть» в 70-е годы XX века. В эти годы специалисты ВНИИБТ и Аль-метьевского УБР предложили способ контроля режима работы ВЗД в забойных условиях [6].
ВЗД первых поколений, характеризующиеся относительно малой длиной рабочих органов (2-3 шага), для достижения высоких показателей бурения отрабатывались в режимах максимальной мощности, указанных в техни-
Pressure difference monitoring at downhole screw motors operation
D.F. Baldenko (Burovaya Tekhnika NPO OAO, RF, Moscow),
F.D. Baldenko (Gubkin Russian State University of Oil and Gas, RF,
Key words: positive displacement downhole motor (PDM), differential pressure, monitoring, pressure drop, drilling technology, operating elements.
Pressure difference monitoring at downhole screw motors operation is one of the effective ways of control of regime parameters and management of hydraulic energy at destruction of rocks in the process of wells drilling. Features of characteristics of these motors, depending on pressure difference, and the factors, influencing a choice of allowed pressure difference at operation and design of specified motors, are considered.
ческой документации двигателей. Однако такие режимы не обеспечивали достаточную долговечность двигателя. Опыт эксплуатации ВЗД показывает, что самым простым и надежным способом контроля режимных параметров и управления гидравлической энергией при разрушении горных пород, который обеспечивает эффективную работу двигателя, является мониторинг дифференциального давления промывочной жидкости в напорной линии насосов в процессе бурения. Под дифференциальным давлением ВЗД Ар подразумевается разность между давлениями на стояке при рабочем р и холостом рх режимах ВЗД, которая отражает нагрузку на долото в процессе бурения скважины [7].
Еще одним перспективным направлением использования мониторинга дифференциального давления является разработка алгоритмов и автоматизированных систем управления режимом бурения ВЗД на основе как штатных устройств управления буровой установки, так и специализированных автономных микропроцессорных комплексов [1].
До последнего времени в технической документации отечественных ВЗД приводились табличные или графические характеристики двигателей без указания диапазонов допускаемого дифференциального давления. На рис. 1 представлена типичная характеристика ВЗД. Известно, что для дви-
гателя характерны четыре режима: холостого хода (точка 1); максимального к.п.д. (точка 2); максимальной мощности N (точка 3); тормозной (точка 4).
При бурении скважин в первую очередь необходимо контролировать режим бурения по дифференциальному давлению. Так, при бурении скважин в девонских отложениях на месторождениях Татарстана шарошечными долотами 215,9 ТКЗ и 215,9 ТЗ серийные ВЗД ДР-178 при расходе промывочной жидкости 20-30 л/с эксплуатируются с Ар = 1,5-2,5 МПа. Варьируя расходом жидкости и нагрузкой на породоразрушающий инструмент (в пределах допускаемого перепада давления), оператор может достичь максимальной рейсовой скорости и/или минимальной стоимости 1 м проходки.
Допускаемое дифференциальное давление определяется геометрическими параметрами рабочих органов ВЗД, а также физико-механическими свойствами и конструкцией обкладки статора [1]
Анализ характеристик отечественных и зарубежных ВЗД показывает, что рекомендуемые величины [Ар] имеют большой разброс, составляя 50-75 % перепада давления в режиме максимальной мощности (см. рис. 1, точка 5), и возрастают по мере увеличения длины (числа шагов К) (рис. 2).
Вместе с тем информация о допускаемом Ар относится к характеристикам ВЗД при максимальном расходе ( (следовательно, при их максимальной частоте вращения п), но данные о влиянии расхода ( на рациональные диапазоны Ар в технической литературе не приводятся. Все это может создать ошибочное представление о нагрузочной способности ВЗД (с учетом фактической скорости двигателя) и привести к попаданию в тормозной режим в процессе бурения.
Для обоснованного назначения Ар применительно к конкретному типоразмеру ВЗД требуется проведение специальных стендовых и промысловых исследований, а также компьютерного моделирования процессов в рабочих органах ВЗД при различных сочетаниях геометрических и технологических параметров. В общем случае допускаемое дифференциальное давление может быть принято исходя из следующих условий:
Рис. 2. Зависимость дифференциального давления Ар в режиме максимальной мощности ВЗД от числа шагов рабочих органов к (двигатель диаметром 195 мм; i = 9:10; расход жидкости О = 34 л/с)
ционных сил, возникающих в процессе работы ВЗД (фактор долговечности);
2) сохранения необходимого объемного к.п.д. двигателя, связанного с утечками по длине контактных линий рабочих органов (фактор характеристики);
3) обеспечения технических показателей двигателя (крутящего момента, частоты вращения, мощности) для эффективного использования породоразрушающего инструмента в заданных условиях бурения (технологический фактор).
В табл. 1 приведены основные геометрические параметры и перепады давления двигателей ООО «ВНИИБТ-БИ».
В последние годы ряд производителей, в том числе отечественных, использует в конструкциях ВЗД статоры с постоянной толщиной эластичной обкладки. Несмотря на усложнение технологии изготовления и повышение стоимости рабочих органов, это существенно увеличивает мощность (в 1,5-2 раза), долговечность гидромашины и допускаемый перепад давления на 25-30 % (параметр к изменяется, поскольку уменьшаются деформация обкладки и утечки жидкости в зазорах рабочих органов), что требует коррекции параметров режима бурения.
Диаметр двигателя, мм Число Частота вращения в холостом режиме пх, мин-1 Допускаемое дифференциальное давление Др, МПа Полный перепад давления Р, МПа Число контактных линий Л Межвитковый перепад давления Дрк, МПа
заходов статора г1 шагов статора к
240 8 4,1 144 3,5 5,0 26 0,19
195 8 6 204 4,8 8,5 41 0,21
172 8 5,6 168 3,0 6,3 38 0,17
127 8 3,7 240 4,0 8,0 23 0,35
106 8 3,7 192 5,0 8,0 23 0,35
95 6 5 360 4,0 7,0 25 0,28
Примечание. р и Арксоответствуют режиму допускаемого дифференциального давления.
Кроме геометрических и конструктивных параметров рабочих органов, допускаемое дифференциальное давление ВЗД зависит от забойной температуры и физико-механических свойств эластичной обкладки статоров. Так, ведущий зарубежный производитель ВЗД National Oilwell Varco (NOV) рекомендует при эксплуатации двигателей при забойной температуре выше 60 °С снижать допускаемый перепад давления и номинальный натяг в винтовой паре, а компания ШеаЛеГЪМ приводит информацию о том, что при использовании для обкладки статора гидрогенизиро-ванного нитробутадиеного каучука HNBK допускаемое дифференциальное давление можно значительно увеличить. Подобные рекомендации характерны и для двигателей фирмы NOV. При этом для различных типов эластомеров допустимые значения [Ар] соответствуют режимам одинаковых объемных к.п.д. (частот вращения) (рис. 3).
В зарубежной практике бурения пр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.
Пoхожие научные работы по теме «Геофизика»
ВЕРВЕКИН А.В., ПЛОТНИКОВ В.М. — 2015 г.
КРАПИВИНА Т.Н., КРЫСИН Н.И., КУНИЦКИХ А.А., ЧЕРНЫШОВ С.Е. — 2014 г.
ПЛОТНИКОВ В.М. — 2013 г.
ВЕРВЕКИН А.В., МОЛОДИЛО В.И., ПЛОТНИКОВ В.М. — 2014 г.