Особенности рабочего процесса и характеристики винтовых забойных двигателей в режиме вращения бурильной колонны

Working process FEATURES and characteristics of positive displacement motors in the rotaTION mode of a drill string

BALDENKO D.F.1,
BALDENKO F.D.2
1 Scientific Production Association (SPA) Burovaya Technika OJSC
Moscow, 115114,
Russian Federation
2 Gubkin Russian State University of Oil and Gas
Moscow, 119991,
Russian Federation

Одним из направлений повышения эффективности строительства нефтяных и газовых скважин является выбор оптимальных способов бурения с учетом горнотехнических условий и конструктивных особенностей применяемого забойного оборудования. При бурении с использованием винтовых забойных двигателей (ВЗД) высокие технико-экономические показатели, как показывает отечественный и зарубежный опыт, могут быть достигнуты сочетанием режимов бурения, как в случае неподвижной бурильной колонны, так и при комбинированном способе с вращением труб. Вместе с тем, теория рабочего процесса ВЗД для комбинированного способа бурения и сравнение характеристик забойных компоновок для этих двух технологий до настоящего времени рассмотрены недостаточно полно, что во многом ограничивает возможности буровиков при назначении режимных параметров и разработчиков при проектировании двигателей для различных условий бурения.

One of the oil and gas well construction efficiency improvement areas is selection of optimized drilling methods taking into account mining conditions and design features of applied downhole equipment. In positive displacement motor (PDM) applications, as domestic and foreign experience shows, high technical and economic performance can be achieved by combining drilling modes, both in case of a stationary drill string and in case of combined drilling with drill string rotation. At the same time, the PDM operation process theory for combined drilling and BHA comparison for these two technologies have been understudied and this fact considerably limits the capabilities of drillers in setting mode parameters and developers in designing motors for various drilling conditions.

Развитие технологий бурения нефтяных и газовых скважин с использованием винтовых забойных двигателей (ВЗД) [1] и совершенствование бурового инструмента и оборудования (долота, трубы, системы верхнего привода) предопределяет все большее применение комбинированного способа бурения с постоянным вращением колонны труб, осуществляемым с поверхности при помощи регулируемого верхнего привода.
Так, при строительстве наклонно-направленных скважин с использованием ВЗД и долот типа PDC нефтяные компании повсеместно применяют сейчас технологию бурения интервалов под эксплуатационную колонну с вращением бурильных труб с частотой 40—100 об/мин.
По сравнению с традиционной технологией бурения забойным двигателем при неподвижной бурильной колонне (режим скольжения) комбинированный способ проводки скважин обеспечивает: увеличение мощности, подводимой к долоту; повышение механической скорости бурения; улучшение качества очистки скважины от выбуренной породы; стабилизацию траектории ствола скважины без смены компоновки нижней части бурильной колонны (КНБК); снижение вероятности возникновения прихвата элементов КНБК и предотвращение условий статического трения; доведение осевой нагрузки до породообразующего инструмента при больших отклонениях забоя.

По сравнению с традиционной технологией бурения забойным двигателем при неподвижной бурильной колонне (режим скольжения) комбинированный способ проводки скважин обеспечивает: увеличение мощности, подводимой к долоту; повышение механической скорости бурения; улучшение качества очистки скважины от выбуренной породы; стабилизацию траектории ствола скважины без смены компоновки нижней части бурильной колонны (КНБК); снижение вероятности возникновения прихвата элементов КНБК и предотвращение условий статического трения; доведение осевой нагрузки до породообразующего инструмента при больших отклонениях забоя.

Начало полномасштабного применения комбинированного способа бурения с использованием ВЗД с многозаходными рабочими органами следует вести с 1980-хгг., когда фирма Drilex, используя лицензионные советские двигатели диаметром 172 и 240 мм, получила рекордные по тем временам показатели отработки долот при проводке скважин в Северном море [2]. В дальнейшем на Западе, а потом и в России такая технология бурения получила широкое распространение при строительстве вертикальных и наклонно-направленных скважин и была взята на вооружение ведущими буровыми компаниями.
В общем случае можно выделить два основных направления, где переход к комбинированному способу бурения ВЗД обеспечивает наибольшую эффективность:
– бурение наклонно-направленных скважин, когда одной из проблем является сложность доведения и поддержания заданной нагрузки на долото;
– бурение с использованием долот типа PDC, когда для достижения возможных показателей отработки необходима увеличенная частота вращения, которую не представляется возможным реализовать отдельно ни при роторном способе, ни при режиме скольжения ВЗД.
Рабочий процесс ВЗД и характеристики системы в случае постоянного вращения бурильной колонны имеют особенности, которые необходимо учитывать при выборе режимных параметров и управлении процессом бурения с использованием различных типов долот и забойных двигателей.
Однако при всей актуальности и практической важности этой технологии бурения в научно-технической литературе и справочных материалах фирм-производителей до настоящего времени не представлено теоретических и экспериментальных исследований рабочего процесса системы «вращающаяся бурильная колонна—ВЗД—долото», которые могли бы стать основой для расчета винтового героторного механизма (ВГМ) с подвижным статором и повышения эффективности комбинированного способа бурения в различных условиях проводки скважин.

Рабочий процесс ВЗД и характеристики системы в случае постоянного вращения бурильной колонны имеют особенности, которые необходимо учитывать при выборе режимных параметров и управлении процессом бурения с использованием различных типов долот и забойных двигателей.

Известная предложенная модель рассматриваемой системы [3], несмотря на обоснованную постановку задачи и некоторые важные полученные выводы относительно эффективности процесса бурения при вращении забойного двигателя, не совсем точно отражает особенности рабочего процесса ВЗД при построении характеристик системы (поскольку тормозной момент принимается зависимым от частоты вращения колонны), что снижает значимость полученных результатов и требует уточнения основных допущений и расчетных схем.
В данной статье исследуются кинематика и характеристики ВЗД для случая вращения статора рабочих органов, что соответствует кинематическим условиям работы двигателя при комбинированном способе бурения скважин.
Для кинематической схемы ВГМ с вращающимся статором и планетарно движущимся ротором (рис. 1) суммарная абсолютная угловая скорость выходного вала
, (1)
где ω* – угловая скорость ротора относительно статора, пропорциональная расходу жидкости через двигатель и не зависящая от подвижности корпуса; ω1 – угловая скорость статора (бурильной колонны).
Скорость переносного движения ротора по отношению к неподвижной системе координат характеризуется угловой скоростью центра ротора Ω относительно центра статора (смещенных на расстояние эксцентриситета е) и определяется из формулы Виллиса для дифференциального механизма с двумя степенями свободы при разнице в числах зубьев статора (z1) и ротора (z2) равной единице:
, (2)
где ω2 = ω.
Скорость переносного движения ротора в большинстве случаев направлена против угловой скорости вала и только при условии, которое может соблюдаться для низкооборотных малозаходных ВЗД (когда ω1> z2 ω*), направления векторов ω и Ω будут совпадать.
При ω1=z2 ω* ВГМ превращается в бироторный механизм с неподвижными осями и шарнирной связью вращающихся ротора и выходного вала.
В частном случае ВЗД с закрепленным статором угловые скорости ротора в переносном и абсолютном движении отличаются в z2 раза [1]:
. (2а)
Переносная скорость центра ротора определяет нормальное ускорение an= eΩ2 и центробежную силу инерции Fин.n= m2an ротора, а также тангенциальное ускорение aτ=e•dΩ/dt при неравномерном вращении ротора. При прочих равных условиях переносная скорость ротора возрастает с увеличением числа заходов z2, что увеличивает вибрацию и ограничивает быстроходность многозаходных двигателей.
Из формулы (2) следует, что в случае одинакового направления угловых скоростей ω* и ω1 угловая скорость переносного движения центра ротора снижается по сравнению с типовой схемой планетарного механизма с неподвижным статором. Вращение статора способствует в некоторой степени снижению отрицательного влияния инерционной силы на роторе и тем самым позволяет повысить допустимую быстроходность винтовой пары.
В качестве примера рассмотрим кинематику двигателя в рабочем режиме, когда относительная скорость ротора и скорость статора равны (ω*=ω1). В этом случае
(3)
Следовательно, по сравнению с кинематическим режимом ВГМ с неподвижным статором угловая скорость переносного движения при использовании винтовой пары с заходностью 5:6 уменьшится на 20 %.
Чем меньше заходность рабочих органов, тем больше будет влияние вращения статора на скорость переносного движения.
В предельном режиме работы при заторможенном положении выходного вала (долота на забое) и вращающемся от бурильных труб статоре (ω=0; ω1≠0) ВГМ меняет свою кинематическую схему от варианта I к варианту II [1], переходя в насосный режим. При этом невращающийся ротор, шарнирно связанный с выходным валом, совершает переносное движение вокруг оси статора в том же направлении, а сечение ротора совершает поступательное криволинейное движение:
(4)
Переход ВГМ в насосный режим сопровождается скачкообразным изменением крутящего момента и перепада давления и распространением по бурильным трубам и столбу жидкости волн кручения, продольных деформаций и гидравлических ударов. Такие динамические процессы представляют опасность для двигателя и всей забойной компоновки и поэтому при управлении режимом бурения ВЗД необходимо предпринять все меры для предотвращения остановки двигателя при вращении колонны.
Суммарная мощность на долоте, затрачиваемая на разрушение забоя, складывается из мощности гидравлического двигателя и мощности, передаваемой бурильной колонной от верхнего привода:
(5)
Принципиальной особенностью характеристик забойной компоновки при комбинированном способе бурения является независимость перепада давления Р и крутящего момента М, развиваемого объемным двигателем, от частоты вращения колонны, поэтому суммарная характеристика ВЗД при вращении его статора приобретает вид, изображенный на рис. 2. Точка А, соответствующая тормозному моменту двигателя, определяет начальные условия рассмотренного выше перехода винтовой пары в насосный режим.
В случае, если рассматривать равномерное вращение колонны (ω1=const), то при изменении крутящего момента (нагрузки на долото) график суммарной мощности, реализуемой на долоте (рис. 3), подобно графику мощности ВЗД (согласно его характеристике при заданном расходе жидкости Q), будет иметь максимум, смещенный в сторону тормозного момента ВЗД.
Если аппроксимировать линию механической характеристики ВЗД ω*-М в виде степенной функции [1], тогда суммарная мощность (5) выражается как
(5а)
где α – показатель нелинейности механической характеристики; ωх – угловая скорость холостого хода ВЗД (относительно статора); Мт – тормозной момент при данном расходе жидкости.
В крайних точках рабочего диапазона, соответствующих холостому и тормозному режимам ВЗД, суммарная мощность составляет:
при М=0 N=0;
при М=Мт N=Мтω1 (=5 в относительных единицах на рис. 3).
При исследовании характеристики суммарной мощности, реализуемой на долоте, целесообразно вести построение линии N-M в виде (5а) для различных соотношений угловой скорости бурильной колонны и угловой скорости холостого режима вращения ВЗД (ω1/ωх), поскольку величина ωх, зависящая от рабочего объема ВЗД и расхода жидкости, является одним из параметров характеристики двигателя и достаточно точно определяется при его тестировании на устье скважины.
Коэффициент увеличения мощности, подводимой к долоту при вращении бурильной колонны,
(6)
зависит от соотношения угловых скоростей ω1/ω* или
ω1/ωх и объемного КПД двигателя (ηо):

Ниже приведены численные значения коэффициента увеличения мощности при различных отношениях угловых скоростей системы:

Таким образом, если бурильная колонна и ротор внутри статора ВЗД вращаются с одинаковыми скоростями, мощность на долоте увеличивается в два раза по сравнению с типовым случаем бурения в режиме скольжения колонны.
Рациональные значения момента и мощности привода долота, а также соотношение частот вращения бурильной колонны и вала двигателя (ω1/ω*) зависят от горно-геологических условий бурения, типоразмера породоразрушающего инструмента, допускаемого перепада давления ВЗД и диапазона устойчивой работы двигателя на забое скважины [1, 4].
Если, основываясь на опыте бурения скважин с использованием ВЗД, ориентировочно принять, что диапазон устойчивой работы ВЗД составляет половину от тормозного момента двигателя (М/Mт=0,5) при заданном расходе жидкости (т.е. находится левее точки =5 на характеристике рис. 3, примерно соответствующей оптимальному режиму ВЗД), то максимальная мощность, которую практически можно передать долоту в процессе комбинированного способа бурения, будет составлять
(7)

Для рассматриваемой характеристики системы (рис.3), построенной при ω1/ωх=0,5 и α=2, мощность, реализуемая на долоте в режиме М/Mт=0,5 (ηо=75 %), возрастает в 1,67 раза (6,2 против 3,7 в относительных единицах), но будет меньше максимальной мощности, развиваемой системой в заданных условиях и равной =7.
Другими факторами выбора рационального соотношения ω1/ω* при проектировании режимов бурения могут являться:
– частотная отстройка системы, основанная на оптимизации колебательных процессов (подавления резонансных явлений путем оптимального сочетания частоты вращения колонны и расхода бурового раствора), при которой достигаются максимальные показатели отработки шарошечных долот в заданных условиях бурения [5];
– предотвращение возникновения эффекта типа Stick-Slip при бурении долотами PDC как одной из задач численного моделирования системы при совместном рассмотрении продольных и крутильных колебаний бурильной колонны с учетом волновых процессов в протяженной гидравлической линии бурильных труб и затрубного пространства [6] с целью обеспечения режимов бурения с равномерным вращением долота на забое;
– угол перекоса силовой и шпиндельной секций двигателя для наклонно направленного бурения [1], ограничивающий допускаемую частоту вращения колонны труб, исходя из условий прочности забойной компоновки на прямолинейных и искривленных участках профиля.
Представленный материал может служить основой для дальнейших экспериментальных исследований рабочего процесса ВЗД при вращении бурильной колонны, обоснования выбора сочетаний между частотами вращения бурильных труб, геометрическими параметрами (кинематическое отношение, рабочий объем, число шагов) и основными техническими показателями (частота вращения и крутящий момент в рабочем режиме) ВЗД для различных условий бурения, а также оптимизации динамических режимов работы системы в отношении устойчивости и колебаний.

Литература

1. Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Одновинтовые гидравлические машины (в двух томах). М.: ИРЦ «Газпром», 2005–2007.
2. Вадецкий Ю.В., Балденко Д.Ф. Достижения в области разработки винтовых забойных двигателей для нефтегазовой промышленности в одиннадцатой пятилетке и задачи на двенадцатую пятилетку. М.: ВНИИОЭНГ, 1986.
3. Будянский В.С. Вращение забойного двигателя – фактор повышения эффективности бурения скважин // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2014. № 11.
4. Морозов В.А., Двойников М.В. Обоснование выбора параметров режима направленного бурения скважин винтовыми забойными двигателями // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2019. № 2.
5. Гнибидин В.Н., Ткаченко В.И. Повышение эффективности процесса бурения винтовыми забойными двигателями // Научные достижения и передовой опыт в бурении. 1991. № 10.
6. Tikhonov V.S., Baldenko F.D., Bukashkina O.S., Liapidev-
skii V.Y.. Effect of Hydrodynamics on Axial and Torsional Oscillations of a Drillstring with using a Positive Displacement Motor. International Journal of petroleum Science and Engineering, September 2019.

References

1. Baldenko D.F., Baldenko F.D., Gnoyevykh A.N. Odnovintovyye gidravlicheskiye mashiny (v dvukh tomakh) [Single-Screw Hydraulic Machines (in two volumes]. Moscow, IRTS «Gazprom» Publ. [Gazprom, Information and Advertising Center], 2005–2007. (In Russian).
2. Vadetskiy Yu.V., Baldenko D.F. Dostizheniya v oblasti razrabotki vintovykh zaboynykh dvigateley dlya neftegazovoy promyshlennosti v dvenadtsatoy pyatiletke i zadachi na dvenadtsatuyu pyatiletku [Achievements in the Development of Positive Displacement Motors for the Oil and Gas Industry in the Eleventh Five-Year Plan and Tasks for the Twelfth Five-Year Plan]. Moscow, VNIIOENG Publ. [All-Russian Scientific-Research Institute of Organization, Management and Economics of Oil and Gas Industry], 1986. (In Russian).
3. Budyanskiy V.S. Vrashcheniye zaboynogo dvigatelya - faktor povysheniya effektivnosti bureniya skvazhin [Positive Displacement Motor Rotation as a Factor of Increasing Well Drilling Efficiency], Stroitel'stvo neftyanykh i gazovykh skvazhin na sushe i na more [Construction of Offshore and Onshore Oil and Gas Wells], 2014, no. 11. (In Russian).
4. Morozov V.A., Dvoynikov M.V. Obosnovaniye vybora parametrov rezhima napravlennogo bureniya skvazhin vintovymi zaboynymi dvigatelyami [Justification of Selection of Directional Drilling Parameters with Positive Displacement Motors]. Stroitel'stvo neftyanykh i gazovykh skvazhin na sushu i na more [Construction of Offshore and Onshore Oil and Gas Wells], 2019,
no. 2. (In Russian).
5. Gnibidin V.N., Tkachenko V.I. Povysheniye effektivnosti protsessa bureniya vintovymi zaboynymi dvigatelyami [Drilling Efficiency Improvement with Positive Displacement Motors]. Nauchnyye dostizheniya i peredovoy opyt v burenii [Scientific Achievements and Best Practices in Drilling], 1991, no. 10. (In Russian).
6. Tikhonov V.S., Baldenko F.D., Bukashkina O.S., Lyapidevskiy V.Yu. Vliyaniye gidrodinamiki na osevyye i krutil'nyye kolebaniya buril'noy kolonny s ispol'zovaniyem dvigatelya s polozhitel'nym smeshcheniyem [Effect of Hydrodynamics on Axial and Torsional Oscillations of a Drillstring with using a Positive Displacement Motor]. Mezhdunarodnyy zhurnal neftyanoy nauki i tekhniki [International Journal of Petroleum Science and Engineering], September 2019.

Комментарии посетителей сайта

    Функция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей


    Авторизация


    регистрация

    Балденко Д.Ф.

    Балденко Д.Ф.

    д.т.н., академик РАЕН, лауреат премий И.М. Губкина и Н.К. Байбакова, член редколлегии журнал «Бурение и нефть», главный научный сотрудник

    ОАО «НПО Буровая техника»

    Балденко Ф.Д.

    Балденко Ф.Д.

    к.т.н., доцент, лауреат премии им. Н.К. Байбакова

    РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина

    Просмотров статьи: 151

    Рейтинг@Mail.ru

    admin@burneft.ru