CC BY
147
© Р.В. Карапетов, С.Б. Бекетов, 2007
УДК 622.245+622.279.7
Р.В. Карапетов, С.Б. Бекетов
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ВИНТОВЫХ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ - ОДНО ИЗ НАПРАВЛЕНИЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА И РЕМОНТА СКВАЖИН
Существующие тенденции развития технологий, связанных с применением винтовых забойных двигателей (ВЗД) при бурении и капитальном ремонте скважин, направлены на разработку оптимальных режимов их использования, позволяющих обеспечить возможность оперативного контроля и регулирования технологических параметров - частоты вращения и крутящего момента применительно к заданным расходу и плотности промывочного агента, характеристикам бурового оборудования и условиям управления скважиной в процессе ее строительства или ремонта. Чаще всего ВЗД используется в качестве забойного привода в компоновках для наклонно - направленного и горизонтального бурения, а также для зарезки и проводки боковых стволов скважин, где альтернативы их использованию практически не существует [1-6].
В сравнении с другими видами забойного привода породоразрушающего инструмента использование ВЗД при бурении и капитальном ремонте скважин имеет значительные технико-экономические преимущества [1-4, 7-9]:
- низкая частота вращения при высоком крутящем моменте, что обеспечивает эффективную отработку различных типов долот;
- небольшой рабочий перепад давления, позволяющий использовать гидромониторные долота при существующем насосном парке;
- возможность контроля режимнотехнологических параметров в процессе эксплуатации;
- широкий типоразмерный ряд, позволяющий использовать ВЗД в различных технологических операциях;
- возможность применения практически любого типа промывочного агента в качестве рабочего, с содержанием наполнителя до 10 %.
К недостаткам отечественных ВЗД можно отнести низкий моторесурс, ограничение температурного предела эксплуатации, невысокую стойкость к агрессивному воздействию скважинной среды, значительное изменение рабочей характеристики в процессе эксплуатации, высокую трудоемкость и стоимость ремонтно-профилактических работ.
Современные технологии вскрытия продуктивных пластов, особенно в наклонно-направленных скважинах и скважинах с горизонтальным окончанием ствола, предъявляют повышенные требования к надежности и долговечности забойного инструмента. Необходимо подчеркнуть, что моторесурс современных долот, выпускаемых отечественной промышленностью довольно высок, и составляет
600-900 часов в зависимости от геологических характеристик вскрываемого разреза, в то время как паспортный ресурс ВЗД составляет около 200 часов при работе на воде [12]. Фактические данные по отработке ВЗД в различных регионах страны весьма противоречивы и колеблются от 20 до 370 часов. Вероятнее всего такая большая разница в показаниях износостойкости объясняется различиями инженерно-геологических условий бурения, технологических приемов проведения работ, применяемых типов и составов промывочных жидкостей на тех или иных буровых предприятиях [13].
В процессе эксплуатации двигателя, вследствие износа рабочей секции существенно меняется его энергетическая характеристика, что сопровождается снижением рабочего перепада давления и влечет за собой уменьшение крутящего момента, а значит снижение нагрузочной способности двигателя [8, 11, 14, 15]. Опыт эксплуатации винтовых забойных двигателей показал, что основной причиной выхода их из строя является износ рабочих органов (РО), представляющих собой пару трения резина -металл (статор - ротор), работающую в режиме циклического контактно -динамического нагружения в условиях смазки протекающей рабочей жидкостью. Главной конструктивной особенностью ВЗД является необходимость сохранения натяга в контакте поверхностей ротора и статора. Отрицательное влияние изнашивания, обусловленное трением и характеризующееся изменением геометрических размеров трущихся поверхностей приводит к снижению натяга в паре и потере работоспособности гидромашины. Наиболее интенсивное изнашивание имеет место в случаях, когда в качестве рабочей жидкости для ВЗД
используется плохо очищенный (или утяжеленный) буровой раствор или перекачиваемый винтовым насосом скважинный флюид с высоким содержанием абразива.
Условием надежной эксплуатации отечественных ВЗД является необходимость использования промывочного агента с концентрацией абразивных частиц не более 1 % от объема. По результатам исследований, проведенных во ВНИИБТ, установлено, что увеличение содержания абразива в промывочном агенте на 50-70 % от рекомендуемого паспортного значения сокращает долговечность РО ВЗД в 2-3 раза [9, 13, 14]. Проблема заключается в том, что системы очистки промывочного агента, которыми комплектуются отечественные буровые установки, не могут обеспечить такое качество очистки. Это связано как с техническими возможностями оборудования, так и с рецептурами некоторых промывочных агентов. В таких случаях буровая должна оснащаться дополнительными, как правило, импортными средствами очистки промывочного агента. Стандартное оборудование очистки, используемое в настоящее время при бурении скважин не может обеспечить концентрацию абразивных частиц менее 3 %, а при бурении в пластах сложенных мелкофракционным песчаником эта величина достигает 8 - 10 %. При ремонте скважин очистка промывочного агента часто осуществляется в приямках и желобах, т.к. эффективные отечественные очистные системы для КРС сегодня не выпускаются в промышленных масштабах, а импортные дорогостоящие (в связи с этим ремонтные предприятия их не закупают).
Общий к.п.д. винтовых забойных двигателей не превышает 50 %. Это связано со значительными потерями,
15%
12% /---------ТІ 10%
□ Аварийный выход из строя
□ Износ рабочих органов
□ Износ шарнирного соединения
□ Износ шпинделя
□ Выход из строя по технологическим причинам
Рис. 1. Сравнительная диаграмма причин выхода из строя ВЗД
имеющими различное происхождение (механические, гидравлические, объемные). Механические потери связаны с трением в рабочих органах, шарнирном соединении и опоре двигателя. Объемные потери характеризуются утечками рабочей жидкости в камерах рабочих органов. Гидравлические потери возникают при движении жидкости по винтовым каналам и другим проточным элементам двигателя [1, 2]. Объемные и механические потери в рабочих органах являются преобладающими - они составляют 80-86 % от подводимой мощности в режиме холостого хода, и от 15-20 % при повышении момента на валу.
Опыт использования ВЗД в бурении и капитальном ремонте скважин показывает, что двигатель теряет работоспособность ввиду следующих основных причин [1, 2, 13]:
- износ рабочих органов;
- износ шарнирного соединения;
- износ шпинделя;
- выход из строя по технологическим причинам (шламование рабочих органов, разъединение элементов ро-
торной группы, разъединение корпусных резьб, неисправность переливного клапана и др.);
- аварийный выход из строя (отрыв резиновой обкладки статора от корпусной трубы, слом торсиона, карданного и выходного валов и т.п.).
Сравнительный статистический анализ причин выхода из строя винтовых забойных двигателей, проведенный на предприятии ООО «Ку-баньбургаз» в период с 1998 по 2003 год, показал, что 49 % случаев потери работоспособности связано с износом рабочих органов (рис. 1). Средняя наработка на отказ на одну рабочую пару ротор-статор на этом предприятии не превышает 70 часов при этом, сумма затрат, связанных с ремонтом рабочих органов, составляет 55% в общем объеме затрат на ремонт ВЗД. [13].
В процессе эксплуатации рабочие органы ВЗД подвергаются различным видам изнашивания: усталостному,
фрикционному, гидроабразивному по закрепленному и незакрепленному абразиву, а также эрозионному и
Рис. 2. Износ поверхностей ротора и статора винтового забойного двигателя Д 5 - 172: а - износ поверхности ротора; б - износ поверхности статора
коррозионно-механическому при воздействии повышенных давлений и температур (рис. 2) [1, 2, 14, 16, 17].
Сложному характеру силового и контактного воздействия в рабочих органах ВЗД соответствует наиболее интенсивный износ и дальнейшее разрушение резинового элемента статора [13, 14, 16].
Анализ изношенной поверхностей эластичных элементов статоров ВЗД, вышедших из строя в ООО «Кубань-бургаз», показывает, что износ профиля выступов резинового элемента статора различен в зависимости от условий контактного взаимодействия в каждый момент цикла нагружения и определяется величиной касательных напряжений. В зоне максимальных касательных напряжений наблюдается наибольший износ, изменяющий профиль зубьев и снижающий натяг в рабочих органах ВЗД (рис. 3).
Известно, что износостойкость резинометаллических пар трения во
многом определяется характером смазочной среды, обуславливающим режим контактного взаимодействия, поведение абразива в контакте, а также соответствием физико-механических свойств материалов сопряжения конкретным условиям эксплуатации.
Кроме того, снижение работоспособности рабочих органов ВЗД может быть обусловлено процессами релаксации напряжения и накопления остаточной деформации, вызывающими изменение геометрических размеров резинового элемента статора и, как следствие, снижение натяга [17, 18].
Существующие направления совершенствования, конструкции ВЗД связаны с повышением износостойкости узлов и деталей, нагрузочной способности и увеличением межремонтного периода эксплуатации.
Осваиваемые пути повышения износостойкости пары трения ротор-
Рис. 3. Схема контактного взаимодействия выступов ротора и статора
статор направлены на увеличение длины активной части рабочих органов, совершенствование технологии изготовления статоров с резиновой обкладкой равной толщины и секционированием [11,12]. Перечисленные мероприятия позволяют значительно повысить долговечность и технологичность ВЗД применительно к штатным технологиям, но не учитывают многих объективных факторов, что ограничивает область применения создаваемых конструкций винтовых двигателей.
Современные разрабатываемые технологии бурения и капитального ремонта скважин направлены на снижение себестоимости работ и повышение качества строительства и ремонта скважин. В этой связи, наиболее приемлемыми, считаются методы, позволяющие обеспечить повышение износостойкости узлов и деталей в процессе эксплуатации двигателя без вмешательства в его работу. Как правило, такие условия могут быть достигнуты при использовании необратимых и неравновесных процессов, например таких как трение в синергетическом взаимодействии [20].
Одним из таких направлений является разработка и реализация способа автокомпенсации износа в рабочих органах ВЗД. В основе предлагаемо-
го способа лежит использование, активированного трением, диффузионного взаимодействия эластичного материала статора с рабочей жидкостью (буровым раствором, перекачиваемым флюидом и т.п.) с целью восстановления натяга в паре за счет изменения размера резинового элемента без вмешательства в работу гидромашины, т.е. автокомпенсации износа [19, 21].
Кинетическим условием реализации автокомпенсации износа в рабочих органах ВЗД и ВН является согласование величины интенсивности изнашивания в паре трения и скорости изменения размера резинового элемента за счет набухания. Технически это может быть реализовано только при использовании резинового элемента двухслойной конструкции. При этом комплекс физико-механических свойств внешнего контактного слоя должен обеспечивать как достаточную износостойкость в конкретных условиях эксплуатации, так и стойкость к набуханию при взаимодействии с рабочей жидкостью. Компенсация износа осуществляется за счет изменения размеров внутреннего слоя резинового элемента пары, вызванного взаимодействием с диффундирующими через контактный слой компонентами рабочей жидкости. Причем процесс диффузионного про-
никновения инициируется трением и имеет место только на участках контактного взаимодействия
Таким образом, повышение износостойкости рабочих органов ВЗД за счет реализации эффекта автокомпенсации износа - комплексная научно-практическая задача, решение которой требует исследований по следующим направлениям:
- анализ процесса изнашивания, видов разрушения и условий контактного взаимодействия в рабочих органах ВЗД;
- экспериментальное изучение закономерностей изнашивания эластич-
1. Зaбoйныe винтовые двигатели для бурения скважин / M.T. Гусман, Д.Ф. Балден-ко, A.M. Кочнев и др. / M.: Недра, 1981. С. 232.
2. Бaлдeнкo Д.Ф., Бaлдeнкo Ф.Д. Гже-вых A.H. Bинтовые забойные двигатели / M.: Недра. 1999. С. 374.
3. Koчнєв A.M., Гoлдoбин В.Б. Разработка гаммы винтовых забойных двигателей и результаты их применения при бурении и капитальном ремонте скважин / Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. M.: BHИИOЭHГ, 1992. № 6-7. С. 2-6.
4. Бaлдeнкo, Д. Ф. Новая серия BЗД для горизонтального бурения / Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. M.: BHИИOЭHГ, 1995. № 10-11. С.
23-25.
5. Бaлдeнкo, Д.Ф., Бaлдeнкo Ф.Д., Шмидт A.n. Bинтовые забойные двигатели: Новые конструкции и способы управления / M.: Нефтяное хозяйство. 1997. № 1. С. 13-
17.
6. Hoвoe поколение винтовых забойных двигателей Пермского филиала BHИИБT / Ю^. Коротаев, M.T. Бобров, С. Г. Tрапез-ников и др. // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. M.: BHИИOЭHГ, 2003. № 9. С. 7-11.
7. Бaлдeнкo Д.Ф. Koчнєв A.M. Bинто-вые забойные двигатели. Разработка лаборатории конструирования технических средств для научных и стендовых испытаний
ного материала статора в зависимости от влияния объективных
эксплуатационных факторов с учетом условий контактного взаимодействия;
- исследование реализации эффекта автокомпенсации в паре трения резина - металл за счет диффузионносорбционного взаимодействия с рабочей жидкостью в условиях контактно - динамического нагружения.
- разработка новых материалов и конструкции статора ВЗД, обеспечивающей реализацию предлагаемого способа автокомпенсации износа в рабочих органах ВЗД.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
/ М.: Нефтяное хозяйство. 1993. № 1. С. 26-27.
8. Кочнев, А.М., Кочнева Б.В. Обзор информации по забойным двигателям / М.: Нефтяное хозяйство. 1979. № 8. С. 59-61.
9. Бобров, М. Г. Результаты внедрения новых винтовых забойных двигателей Пермского филиала ВНИИБТ / М.: Вестник ассоциации буровых подрядчиков. 2000. №1. С. 36-40.
10. Балденко Д.Ф., Хабецкая В.А. Новые малогабаритные винтовые забойные двигатели для проводки дополнительных стволов и капитального ремонта нефтяных и газовых скважин / Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. М.: ВНИИОЭНГ, 1999. № 4-5. С. 4-7.
11. Балденко Д.Ф. Медведева Л.Н. Усовершенствование конструкции рабочих органов забойных винтовых двигателей / М.: Машины и нефтяное оборудование. 1982. № 5. С. 9-10.
12. Павлык, В.Н., Шулепов В.А. Об эффективности применения винтовых забойных двигателей / М.: Вестник ассоциации буровых подрядчиков. 2002. №4. С.
24-25.
13. Анализ видов разрушения рабочих органов винтовых забойных двигателей по результатам их использования в ООО «Ку-баньбургаз» / С. А. Акопов, Г. П. Шелудько, Р. В. Карапетов // Материалы XXXI науч.-техн. конференции по результатам работы
за 2000 год: тез. докл. Ставрополь: Сев-КавГТУ. 2001. С. 85.
14. Ганелина С.А. Резинометаллические детали гидравлических забойных двигателей / М.: Недра, 1981. С. 118.
15. Балденко, Д.Ф., Ганелина С.А., Гинзбург Э.С. Исследование износа рабочих органов винтового забойного двигателя / М.: Машины и нефтяное оборудование. 1974. №10. С. 9-12.
16. Budepudi, V. Drilling fluid type affects elastomer selection /Budepudi, V Michael Wilson J., Patel A. // Oil and Cas Jornual. 1998. № 5. P. 75-80.
17. Истирание резин / Г.И. Бродский В.Ф. Евстратов Н.Л. Сахновский и др. // М.: Химия, 1975. С. 238.
18. Зуев Ю.С. Разрушение эластомеров в условиях характерных для эксплуатации / М.: Химия. 1980. С. 288.
19. Акопов С.А., Шелудько Р.В., Карапетов Р. В. Новый способ автокомпенсации пары трения «ротор - статор» винтового забойного двигателя / Материалы XXIX научно-технической конференции по результатам НИР профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов СевКавГТУ за 1998 год. Тез. докл. науч.-тех. конф. / Ставрополь: СевКавГТУ, 1999. Т. 2. С. 97.
20. Гаркунов, Д.Н. Триботехника / Учеб. в 2-х томах. Том 2. Износ и безизнос-ность. 4-е изд. перераб. и дополн. М.: МСХА, 2001 г. С. 616.
21. Пат. 2245981 Яи, МПК7 Е 21 В 4/02. Способ изготовления статора винтового забойного двигателя /Акопов С.А., Шелудько Г.П., Пенкин Н.С., Карапетов Р. В. и др. // Патент РФ № 2003132489/03. Приоритет от 05.11.03.
— Коротко об авторах--------------------------------------------------------
Карапетов Р.В. - ОАО «СевКавНИПИгаз»
Бекетов С.Б. - доктор технических наук, профессор, СевКавГТУ.
Статья представлена Северо-Кавказским государственным техническим университетом. Рецензент доцент Ю.К. Димитриади.
---------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕДУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ДEPKAEBA Aлла Bладимировна Разработка технологии выемки выклинивающихся рудных тел с доставочно-выпускными рудоспусками (на примере рудников Горной Шории и Хакасии) 25.00.22 к.т.н.
PAЗУMOBA Лариса Bикторовна Разработка методики прогнозирования напряженно-деформированного состояния неоднородного угольного массива 25.00.20 к.т.н.
