Методическая разработка по теме: "Особенности режима бурения ВЗД"
учебно-методический материал на тему

Лекция №8.5., дисциплина ТБНГС для специальности 130504 «Бурение НГС» групп 3Б.

Лит-ра: Ю. В. Вадецкий «Бурение нефтяных и газовых скважин» М «Недра»1993

Особенности режима бурения винтовыми (объемными) забойными двигателями

Общие сведения. Назначение винтового (объемного) забойного двигателя такое же, как и турбобура,- 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. Характеристика двигателя «Дайна-Дрилл» незначительно отличается от характеристики современных турбобуров. Его эксплуатационные данные оказались более подходящими для наклонного бурения, что и определило его широкое распространение за границей 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 зубков. Эти долота установили жесткие ограничения в частоте вращения долота (до 200 об/мин). Для работы на таких режимах в 1966 г. М.Т.Гусманом, С. С. Никомаровым, Ю.З. Захаровым, В. Н. Меньше-ниным 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 филиале Д. Ф. Балденко, Ю. В. Вадецким, М. Т. Гусманом, Ю.В.Захаровым, А. М. Кочневым, С. С. Никомаровым и другими исследователями были созданы основы теории рабочего процесса, конструирования и технологии изготовления, разработана технология бурения винтовыми (объемными) двигателями.

Конструкция винтового (объемного) забойного двигателя. Рассмотрим устройство винтового забойного двигателя Д1-195. Двигатель предназначен для бурения нефтяных и газовых скважин долотами диаметром 215,9-244,5 м при забойной температуре не свыше 120 °С.

Винтовой забойный двигатель Д1-195 относится к машинам объемного (гидростатическою) действия. По сравнению с другими типами забойных гидравлических двигателей винтовой двигатель имеет следующие преимущества:

1.низкая частота вращения при высоком крутящем моменте на валу двигателя позволяет получить увеличение проходки за рейс долота (в сравнении с турбинным бурением);

2.имеется возможность контроля за работой двигателя по изменению давления на стояке насосов;

3.перепад давления на двигателе создает возможность применения высокопроизводительных гидромониторных долот.

По принципу действия винтовой забойный двигатель представляет собой планетарно-роторную гидравлическую машину объемного типа с внутренним косозубым зацеплением.

Двигатель содержит ротор и статор, поперечное сечение которых показано на рис. 8.11. Стальной статор внутри имеет привулканизированную резиновую обкладку с винтовыми зубьями 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 осуществления зацепления ось ротора смещена относительно оси статора на эксцентриситет е, равный 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.

Буровой раствор, который поступает 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 сниженную частоту вращения и высокий крутящий момент на выходе.

Винтовой объемный забойный двигатель Д1-195 (рис. 8.12) содержит следующие основные узлы: секцию двигателя 2, секцию шпиндельную 4, переливной клапан 1 и карданный вал 3. Через переливной клапан осуществляется слив бурового раствора из бурильных труб при подъеме колонны с винтовым забойным двигателем, а также для заполнения бурильной колонны при спуске. Карданный вал 3 предназначен для передачи крутящего момента и осевой гидравлической нагрузки с эксцентрично (планетарно) вращающегося ротора на вал шпиндельной секции. Шпиндельная секция служит для передачи осевого усилия с бурильных труб на долото.

Создано новое поколение винтовых забойных двигателей (ДЗ-172, Д4-172, Д2-195, ДЗ-195). 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; это предотвращает попадание посторонних предметов в рабочие органы и повреждение резьб. Не допускается перетаскивание двигателей волоком и сбрасывание их при разгрузке.

       Двигатель, доставленный на буровую, перед пуском в работу подвергают наружному осмотру. Особое внимание следует обращать на отсутствие трещин и вмятин на статоре и корпусе шпинделя, на состояние присоединительных резьб к бурильным трубам и к 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 докреплять нижнюю резьбу статора в соединении с соединительным переводником. Перед спуском в скважину двигатель следует опробовать над устьем с целью проверки легкости запуска и герметичности резьбовых соединений. Двигатель должен запускаться плавно, при давлении в нагнетательной линии буровых насосов не более 2,5 МПа. Вращение вала двигателя на холостом ходу 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.

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 (пресная, морская и пластовая), 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 в нагнетательной линии насосов. В этом случае необходимо 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-85-до 30 кН), однако приработку нового долота в течение 10-15 мин необходимо вести при пониженных осевых нагрузках.

При выборе типа долота предпочтение следует отдавать низкооборотным долотам с маслонаполненной опорой, а также гидромониторным долотам, так как сниженный по сравнению с турбобурами перепад давления в винтовом двигателе создает резерв мощности в нагнетательной линии насосов. Тип вооружения долота выбирают в соответствии с твердостью и абразивностью проходимых пород, и

При выборе рациональных параметров режима бурения винтовым забойным двигателем необходимо учитывать следующие 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 падает 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 бурении винтовым забойным двигателем нужно выбирать, исходя из условий необходимой очистки забоя. По мере износа рабочей пары двигателя для сохранения его рабочей характеристики целесообразно увеличивать расход промывочной жидкости на 20-25% от начальной величины.

Для предотвращения зашламления двигателя перед наращиванием инструмента или перед 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.

При 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, а также при затрудненном запуске или незапуске над устьем скважины или зашламовании двигателя.