В ходе разработки и усовершенствования отечественных ВЗД было получено более 120 авторских свидетельств и патентов, 18 из которых были запатентованы в промышленно-развитых странах. В результате комплекса НИОКР отечественными учеными и инженерами были разработаны научные основы конструирования и технологии изготовления двигателей, теория рабочего процесса и технология бурения нефтяных и газовых скважин [1 – 4].
За тридцать пять лет существования ВЗД прошли эволюционный путь развития, превратившись в эффективное техническое средство для бурения и ремонта нефтяных и газовых скважин.
Объемы бурения в России с применением ВЗД постоянно растут, и в настоящее время удельный вес проходки с применением ВЗД в основных регионах находится в пределах 40 – 80%, ВЗД успешно конкурируют с другими способами бурения. Так, например, объем эксплуатационного бурения винтовыми двигателями в ОАО «Сургутнефтегаз» в 2011 г. составил 3500 тыс. м (около 80% от общего объема бурения).
На рис. 1 представлено соотношение объемов проходки различными способами бурения нефтяных и газовых скважин в СССР и России согласно публикации [5] с экстраполяцией за последние годы. Такое широкое распространение ВЗД получили, в частности, в связи с развитием бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин, а также бурения боковых стволов. Кроме того, ВЗД практически осуществляются все буровые работы в капитальном и подземном ремонте скважин. Успешное продвижение двигателей, в наибольшей степени отвечающих требованиям современного породоразрушающего инструмента и технологии бурения, связано, прежде всего, с их уникальными техническими и энергетическими характеристиками (большой удельный момент М/L, жесткая зависимость M-n).
Рис.1. Динамика изменения объемов бурения в России и СССР
Рис. 2. Общий вид винтового забойного двигателя
1 – осевой подшипник; 2 – твердосплавная радиальная опора; 3 – центратор; 4 – противоаварийный бурт
1 – осевой подшипник; 2 – твердосплавная радиальная опора; 3 – центратор; 4 – противоаварийный бурт
- Двигатели для бурения вертикальных скважин – представлены двигателями в диаметральном габарите от 172 до 240 мм;
- Двигатели для бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин (рис. 2) – представлены различными модификациями в диаметральном габарите от 95 до172 мм. Они имеют различные конструкции механизмов искривления корпуса и шпинделей;
- Двигатели для ремонта скважин и бурения дополнительных стволов. Многообразие технологических задач привело к созданию гаммы типоразмеров машин этого класса в диаметральном габарите от 43 до 127 мм. Эти двигатели повсеместно используются как при разбуривании цементных и песчаных пробок, для райбирования и фрезерования эксплуатационных колонн, так и при бурении боковых стволов;
- Двигатели для прокладки подземных коммуникаций и специфических технологий (например, для бурения на колтюбинге).
Модернизация ВЗД – требование времени
Отечественные производители в последние годы проводят систематическую работу по модернизации и усовершенствованию конструкций ВЗД.Так, ООО «ВНИИБТ–Буровой инструмент», обладая мощной научно-исследовательской, проектно-конструкторской и технологической базами, а также уникальными производственными мощностями, позволяющими производить продукцию на уровне мировых аналогов, провело большую работу по унификации ВЗД и совершенствованию узлов и деталей:
- унифицированы присоединительные размеры шпинделей с различными конструкциями осевых и радиальных опор;
- введены противоаварийные бурты для исключения «полета» на забой частей ВЗД при его разрушении;
- по согласованию с заказчиком применяются радиальные опоры со сплошным и сегментным твердосплавным покрытиями, а также сменные корпусные центраторы;
- двигатели, предназначенные для привода моментоемких долот, оснащаются шарнирным соединением повышенной надежности или титановым торсионом;
- в ряде типоразмеров ВЗД используются новые конструкции резьбовых соединений, которые характеризуются повышенными моментами свинчивания и прочностью соединения, что обеспечивает надежную работу двигателей в условиях бурения с вращением колонны бурильных труб. Так, например, в двигателе диаметром 240 мм новая резьба РКТ 210х6,35х1:12 по сравнению с базовой резьбой РКТ 218х6,35х1:16 обеспечивает более чем 4-кратное увеличение усталостной прочности резьбового соединения;
- разработаны и внедрены новые технологии поверхностного упрочнения роторов (твердым блестящим хромом с толщиной 0,2 – 0,25 мм по вершинам зубьев и твердым сплавом на основе карбидо-вольфрама и карбидо-кобальда).
Совершенствования рабочих органов (РО)
На всех этапах разработки двигателей особое внимание уделялось вопросу совершенствования рабочих органов (РО). Благодаря проведенному в ООО «ВНИИБТ – Буровой инструмент» и других предприятиях техническому перевооружению был сделан прорыв в создании этого важнейшего узла. Без преувеличения можно считать, что сейчас претворяются в жизнь инновационные проекты совершенствования РО, которые осуществляются по следующим направлениям:
Рис. 3. Динамика роста длины L активной части рабочих органов ВЗД диаметром 172 – 178 мм по годам
Рис. 4. Поперечные сечения рабочих органов ВЗД (варианты исполнения)
1 – ротор, 2 – корпус статора, 3 – резиновая обкладка, 4 – литой (кованый) вкладыш, 5 – тонкостенная винтовая оболочка
1 – ротор, 2 – корпус статора, 3 – резиновая обкладка, 4 – литой (кованый) вкладыш, 5 – тонкостенная винтовая оболочка
Уменьшение массы ротора. Традиционные конструкции ВЗД (отечественных и зарубежных) имеют металлический ротор и резинометаллический статор (рис. 4). Роторы малогабаритных двигателей (диаметра 43 – 76 мм ) изготавливаются, как правило, из круга металла и не имеют отверстия (рис. 4, а), роторы крупногабаритных ВЗД изготавливаются из трубной заготовки или проката с последующим сверлением отверстия (рис. 4, б). Последние имеют большую массу, что при высокой частоте переносного вращения приводит к возникновению значительной центробежной силы и созданию интенсивных поперечных вибраций, отрицательно влияющих на долговечность статора и других узлов двигателя. Для ВЗД диаметром 106 мм и длиной ротора 3500 мм инерционные нагрузки от вращения ротора составляют: для цельного ротора (рис. 4, а) – 250 кгc, для полого (рис. 4, б) – 140 кгc, для тонкостенного (рис. 4,в) – 90 кгc.
Для уменьшения влияния инерционных поперечных нагрузок на компоновку двигателя ротор необходимо выполнять максимально облегченным. Наиболее рациональным конструктивным решением является применение гидроштампованных роторов (рис. 4, в, е), технологию изготовления которых освоил ООО «ВНИИБТ – Буровой инструмент».
Статоры с равномерной толщиной эластичной обкладки. Оснащение двигателей статорами с равномерной толщиной эластичной обкладки (профилированными или армированными статорами), несмотря на определенные дополнительные затраты на изготовление, превращает ВЗД в классическую объемную гидравлическую машину, у которой развиваемый крутящий момент практически не зависит от расхода подаваемой жидкости, а частота вращения, в свою очередь, – от развиваемого момента. Помимо преимуществ, характерных для ВЗД с удлиненными статорами, профилированные статоры при сравнении РО одинаковой длины обеспечивают повышенный крутящий момент, увеличение КПД и еще два важных преимущества – увеличение ресурса и термостойкости (вследствие снижения деформации эластичной обкладки и улучшения теплоотвода).
Исследованиями и изготовлением таких статоров занимается ряд российских организаций: ООО «ВНИИБТ – Буровой инструмент», ОАО «Пермьнефтемашремонт», ООО «Радиус-сервис», ООО «Гидробурсервис», ОАО «ПКНМ» [6, 7].
Отечественные производители разработали несколько оригинальных способов изготовления корпуса статора с внутренними винтовыми зубьями для последующего обрезинивания:
- электрохимическое выжигание внутренней поверхности металлической заготовки или ковка трубной металлической заготовки на винтовом сердечнике (рис. 4, г);
- литье металла в полость между корпусом и винтовым сердечником (рис. 4, д);
- установка в цилиндрический корпус: набора металлических пластин или сегментов с вырезанным профилем, литого или кованого вкладыша с внутренней винтовой поверхностью (рис. 4, д);
- установка в корпус статора тонкостенной стальной винтовой оболочки с различными вариантами заполнения зазора между корпусом статора и поверхностью винтовой оболочки (рис. 4, е). Стендовые испытания секции рабочих органов диаметром 95 мм конструкции ООО «ВНИИБТ – Буровой инструмент» со статором, армированным тонкостенной стальной винтовой оболочкой, полученной методом гидроштамповки (рис. 4, е), длиной 2600 мм с кинематическим соотношением 5:6 показали, что новые секции рабочих органов имеют повышенные энергетические характеристики по сравнению с серийными секциями рабочих органов длиной 3000 мм, увеличенный на 40% крутящий момент в режиме максимального КПД, более «жесткую» нагрузочную характеристику и увеличенный КПД (на 10%) [6]. Таким образом, улучшение энергетических характеристик ВЗД позволят с большей эффективностью использовать современные моментоемкие долота.
Рис. 5. Энергетические характеристики секций рабочих органов диаметром 95 мм: (Q=10л/c)
а – стандартной с длиной зацепления 3000 мм, б – с армированным статором с длиной зацепления 2600 мм
а – стандартной с длиной зацепления 3000 мм, б – с армированным статором с длиной зацепления 2600 мм
Комплектация двигателей рабочими органами с различными кинематическими отношениями винтовых героторных механизмов. Для расширения эксплуатационных возможностей, определяемых технологией бурения, характеристиками разбуриваемых пород и используемых долот, в двигателях могут применяться рабочие органы с различным кинематическим отношением (число зубьев ротора и статора) и осевым шагом зубьев рабочих органов. Основное преимущество таких ВЗД – возможность в производственных условиях собирать двигатели с различной частотой вращения (табл. 1).
Освоение серийного производства рассмотренных выше конструкций рабочих органов ВЗД расширило области применения и технологические возможности двигателей, позволило им, в частности, превратиться в основной привод долот типа PDC.
Табл. 1. Зависимость частоты вращения ВЗД от кинематического отношения рабочих органов
Другие направления совершенствования ВЗД
Выбор эластомера для обкладки статоров. При разработке ВЗД является одним из наиболее важных вопросов. Многие годы для изготовления статоров отечественных винтовых забойных двигателей использовалась резина ИРП-1226 производства Чайковского завода резинотехнических деталей (ЧЗРТД) и Соликамского завода «Урал». Эта резина имела твердость 76 – 80 усл. ед. Шор А, усталостную выносливость при знакопеременном изгибе 100 тыс. циклов и физико-механические свойства, обеспечивающие требуемые в те годы энергетические характеристики ВЗД.Освоение технологии заливки длинномерных статоров показало, что резина ИРП-1226 производства Чайковского завода резинотехнических деталей (ЧРТД) и Соликамского завода «Урал» не может быть использована на машине «Desmа» из-за высокой вязкости и недостаточного времени подвулканизации. В настоящее время заводы-изготовители используют резину фирмы «Крайбург» (Германия). В то же время продолжаются поиски импортозаменяющих отечественных резин, в частности по техническому заданию ООО «ВНИИБТ–Буровой инструмент» предприятие ООО «Югспецполимеры» (г. Волгоград) разработало резину ИРП-1226АК.
Следует отметить, что разработка новых эластомеров проводится недостаточно продуктивно. Перспективные области применения ВЗД (скважины с забойной температурой 150 и более градусов, бурение скважин на депрессии и с использованием углеводородных растворов) предопределяют необходимость разработки новых эластомеров.
Оптимизация геометрических и конструктивных параметров рабочих органов. Несмотря на выполненный отечественными специалистами комплекс теоретических и исследовательских работ по оптимизации и конструкции РО, имеются большие резервы дальнейшего совершенствования, в частности с целью улучшения трибологической обстановки в винтовом героторном механизме и оптимизации его пространственной геометрии.
Отечественные винтовые двигатели и прогресс буровой техники
Анализ тенденции развития техники и технологии бурения нефтяных и газовых скважин показывает, что в ближайшем будущем отечественные ВЗД останутся одними из приоритетных технических средств в России и странах СНГ. Область применения ВЗД будет постоянно расширяться, прежде всего в бурении наклонно-направленных, горизонтальных и горизонтально-разветвленных скважин, а также в капитальном ремонте.Разработанные в России многозаходные винтовые забойные двигатели внесли значительный вклад в научно-технический прогресс отрасли и подтвердили высокий уровень отечественной буровой науки и техники и приоритет в области конструирования забойных двигателей.
Это подтверждается:
- продажей в 1980-е годы лицензий на право производства отечественных винтовых двигателей английской фирме «Drilex», которая впоследствии превратилась в ведущую транснациональную компанию;
- взятием на вооружение зарубежными машиностроительными компаниями схемы многозаходного винтового двигателя после окончания действия российских патентов в середине 1990-х годов.
- в бурении: турбовинтовые двигатели, двигатели-вращатели низа бурильной колонны, нагружатели породоразрушающего инструмента;
- в нефтедобыче: скважинные трубные и сбрасываемые винтовые насосы (с поверхностным и погружным электроприводом), скважинные винтовые насосные агрегаты с погружным винтовым гидроприводом, наземные мультифазные и буровые.насосы.
