Исследование и анализ различных типов гидравлических забойных двигателей для бурения интервала под кондуктор на скважинах Яунлорского месторождения

Рост коммерческой скорости бурения скважин напрямую зависит от эффективности применения технологий, а повышение механической скорости проходки рассматривается, как базовый источник сокращения затрат на бурение. Для повышения механической скорости проходки необходимо выбирать тип гидравлического забойного двигателя (ГЗД)  и долота, подходящих под геологический разрез скважины и параметров бурения.

В процессе углубления скважины долото приводится во вращение либо ротором, либо забойными двигателями, включаемые в компоновку над долотом. Существуют две разновидности забойных двигателей: гидравлические и электрические.

На сегодняшний день наиболее часто используются двигатели двух типов: гидравлические многоступенчатые турбины (турбобуры) и винтовые забойные двигатели.

Первые идеи использования забойных двигателей появились еще в конце 19 века, но на практике впервые применен турбобур лишь в 1923 году советским инженером М.А.Капелюшниковым. Данный турбобур с одноступенчатой осевой турбиной развивал частоту вращения до 2500 об/мин., что при высокой механической скорости бурения приводило к быстрому износу долот.  Для снижения числа оборотов использовался планетарный, заполненный маслом редуктор, через который турбина передавала вращение долоту. Это позволило уменьшить частоту вращения до 200 об/мин., но из-за недостатка надежности работы были прекращены.

С 1938 года используется безредукторный турбобур, изобретенный инженерами П. П. Шумиловым, Э. И. Тагиевым, М. Т. Гусманом и Р. А. Иоаннесяном. В 1940-е годы турбобур получил широкое применение в СССР.

В 1966 году инженерами М. Т. Гусманом, Ф. Д. Балденко и А. М. Колчиным был разработан забойный винтовой гидравлический двигатель, вращающего долото с частотой 50 - 200 об/мин. Первые двигатели в СССР были испытаны в 1967 - 1969 гг.

Рисунок 1. Упрощенная схема турбобура

Современный турбобур устроен следующим образом: буровой раствор, движется через отверстия в дисках подпятников; часть раствора проходит по смазочным канавкам резино­вой обкладки подпятников, для их охлаждения и смазки. Далее буровой раствор попадает в турбину, затем во внутреннюю полость вала и после прохода промывочных отверстий долота на забой скважины. Турбина многоступенчатая. Каж­дая ступень состоит из неподвижного и вращающегося дисков — статора и ротора. Статоры закреплены в корпусе, а роторы на валу турбобура.

Другой разновидностью ГЗД является винтовой забойный двигатель. Принцип работы следующий: промывочная жидкость через бурильные трубы поступает в винтовую пару и заполняет полости, образованные между поверхностями статора и ротора. В результате перепада давлений в этих полостях возникает гидравлическая сила, действующая на ротор и заставляющая его совершать сложное вращательное движение внутри статора.

Рисунок 2.Схема ВЗД

Двигательная секция представляет собой роторный гидравлический механизм, элементами рабочих органов которого являются статор и ротор. Статор имеет эластичную обкладку с внутренней винтовой поверхностью. Ротор – металлический винт с износостойкой поверхностью, через который крутящий момент передается валу шпиндельной секции двигателя.

Шпиндельная секция – второй основной узел ВЗД, передающий осевую нагрузку на долото, воспринимает гидравлическую нагрузку, действующую на ротор двигателя, и уплотняет выходной вал, способствуя созданию необходимого перепада давления на долоте. 

Регулятор угла перекоса осей двигателя предназначен для использования в составе забойного двигателя при бурении наклонно направленных, пологих и горизонтальных скважин.

Для сравнительного анализа ниже приведены технические характеристики ГЗД и практические данные механических скоростей бурения восьми скважин интервала под кондуктор на Яунлорском месторождении. Использовались два типа ГЗД: турбобур ТО3-240 и винтовой забойный двигатель ДРУ-240. Данные двигатели использовались в компоновке с БИТ 311,2 ВТ 616 СН – PDS долото, изготовленное из высококачественной стали и армируемого алмазными резцами. Средняя глубина интервала под кондуктор составила 915 м.

Таблица 1.

Технические характеристики ГЗД

Таблица 2.

Механические скорости бурения

Исходя из данных приведенных выше таблиц можно сделать вывод о том, что при бурении мягких пород ключевую роль играет частота вращения, а не момент создаваемый двигателем. Таким образом,  целесообразнее использовать турбобур ТО3-240 в паре с долотом БИТ 311,2 ВТ 616 СН.