Компания «Перфобур» занимается разработкой инновационной технической системы (ТС) и технологии щадящего вторичного вскрытия продуктивных коллекторов, в том числе и малой мощности, нефтяных и газовых скважинах для увеличения добычи нефти и газа посредством фрезерования «окна» в обсадной колонне различных групп прочности, и дальнейшего радиального бурения каналов сверх малого диаметра, длиной более 14м, по прогнозируемой траектории.
Сложность вскрытия маломощных пластов толщиной от 3 до 5 м посредством бурения каналов диаметром 60 … 70 мм заключается в необходимости сохранения расположения траектории каналов внутри пласта в процессе бурения, исключая вскрытие близлежащих горизонтов. Для этого породоразрушающий инструмент в процессе бурения должен выходить из основного ствола материнской скважины через профрезерованное «окно» под большим зенитным углом и иметь интенсивность набора кривизны до 10 град/м при стабилизации азимута и отсутствии возможности прихвата, т.е. радиус кривизны пробуренного канала должен составлять менее 7…9м [1–10, 13, 14]. (рис. 1).
Просчитав различные варианты компоновки оборудования ТС «Перфобур» для размещения его в основном стволе скважины с возможностью выхода породоразрушающего инструмента в пласт с целью последующего бурения канала длиной 14 м и более, специалисты ООО «Перфобур», при участии авторов настоящей статьи, пришли к выводу, что бурить каналы необходимо долотами типа PDC диаметром 68–69 мм при помощи специальных малогабаритных винтовых забойных двигателей (ВЗД) с наружным диаметром корпусов 42…49 мм, по траектории каналов схожей с дугой окружности. Причем изгибные и крутильные жесткости бурильных компоновок (БК) необходимо подбирать соизмеримыми с реактивным моментом ВЗД и моментом сил на долоте, а осевая нагрузка должна дозированно подаваться на БК специальным забойным нагружателем [11–15].
Ведущие отечественные и зарубежные производители винтовых забойных двигателей, на момент развития компанией «Перфобур» технологии радиального вскрытия, имели в линейке малогабаритных ВЗД, подходящих по наружному диаметру, только типоразмер 43 мм, причем все двигатели выпускались только в прямолинейном исполнении с длиной активной части статора от 1300 до 1500 мм, при этом общая длина всего ВЗД была более двух метров, с заходностью рабочего органа винтовой пары 5:6, а крутящий момент в режиме максимальной мощности у разных производителей составлял от 110 до 150 Нм [2, 3].
Предлагаемые на рынке серийные малогабаритные двигатели в том виде не могли быть применены в составе ТС «Перфобур» и требовали доработки [4]. Для набора угла в процессе бурения канала в конструкции двигателя необходимо было заменить прямой переводник между шпиндельной секцией и секцией рабочих органов на переводник с углом 3–5 град. Также необходимо было уменьшить длины шпиндельной части и секции рабочих органов (СРО) двигателя для размещения его в канале с радиусом кривизны 7…9 метров. Уменьшение длины шпиндельной секции требовалось незначительное, и могло быть реализовано за счет сокращения числа рядов осевого подшипника, а также уменьшения длины отдельны внутренних элементов. На основании расчетов длина шпиндельной части должна была быть не более 620 мм [5–7]. А с уменьшением длины секции рабочих органов возникли определенные трудности, т.к. в основном длину СРО можно укоротить только за счет уменьшения длины активной части статора, что в свою очередь приводило к существенному снижению мощности двигателя и, в частности, к снижению крутящего момента на его валу. При уменьшении длины СРО до требуемой расчетной длины 650 мм, при которой двигатель свободно размещался в пробуренном канале, крутящий момент, выдаваемый двигателем, снижался со 110…150Нм до 30…40 Нм, что делало невозможным использование его с такими энергетическими характеристиками для бурения каналов.
Ввиду отсутствия у ведущих производителей требуемого серийного двигателя, перед специалистами компании ООО «Перфобур» была поставлена задача: выпуск собственного технического задания на разработку и производство специальной конструкции ВЗД, рассчитанной под условия работы в составе с ТС «Перфобур», ограниченной геометрическими параметрами в сочетании с требованием получения максимального крутящего момента из укороченной винтовой пары [4].
Для объемной гидравлической машины величина крутящего момента при постоянном расходе промывочной жидкости напрямую зависит от рабочего объема двигателя [2]. Исходя из этого, величину крутящего момента двигателя можно повысить за счет увеличения диаметра винтовой пары, увеличения ее заходности (отношение числа зубьев ротора к числу впадин статора, составляющее 5:6 (рис. 2), для серийно выпускаемых ВЗД в габарите 43 мм), а также за счет увеличения числа шагов винтовой поверхности СРО [2, 7, 16].
Все вышеуказанные способы увеличения крутящего момента ВЗД в совокупности с использованием двигателя в составе с ТС «Перфобур» имели свои ограничения. В частности, максимальный наружный диаметр по корпусам СРО двигателя, который можно было бы разместить внутри ТС «Перфобур» составлял 49 мм. По теории одновинтовых гидравлических машин увеличение числа заходов винтовой пары выше 10 нецелесообразно, ввиду того что кривая рабочего объема начинает выполаживаться [2, 4]. Увеличение числа шагов винтовой поверхности так же было ограничено максимальной общей длиной СРО, равной 650 мм, способной без заклинки разместиться в канале радиусом 7…9 м и диаметром 68–69 мм. Лишь применение всех этих методов вместе могло дать максимальный эффект по увеличению величины крутящего момента, что и было отражено в техническом задании помимо других требований.
Для получения максимального крутящего момента на валу винтового забойного двигателя, работающего в ограниченных условиях в составе с ТС «Перфобур» было принято решение увеличить диаметр по корпусам с 43 до 49 мм, увеличить заходность винтовой пары до 9:10 (рис. 2), а также увеличить число шагов поверхности винтовой пары за счет разделения одной длинной винтовой пары, выдающей достаточную мощность на две части, и введения дополнительного угла перекоса между разделенными частями СРО для возможности размещения их в канале радиусом 7…9 м, что в свою очередь привело к введению в конструкцию двигателя дополнительного кардана для передачи вращения между секциями. Дополнительная СРО, расположенная под углом 3–5 град., также как и основная должна была иметь длину не более 650 мм для возможности размещения ее в корпусе ТС «Перфобур, а также внутри канала (рис. 3, 4). Остальные узлы двигателя имели стандартную классическую проверенную в больших габаритах ВЗД конструкцию.
За разработку двигателя с дальнейшим его производством в точном соответствии с техническим заданием, составленном в ООО «Перфобур», взялась Пермская компания ООО «Фирма «Радиус-Сервис», являющаяся одним из лидеров в России по производству оборудования для бурения нефтяных и газовых скважин.
Уже на стадии анализа входных данных технического задания специалисты ООО «Фирма «Радиус-Сервис» рассчитали теоретическую энергетическую характеристику проектируемого ВЗД (рис. 5), которая показала целесообразность всех введенных конструктивных изменений, особенно от введения дополнительной СРО. Расчетный крутящий момент двигателя при расходе 2 л/с составлял не менее 150 Нм, при условии наличия двух коротких СРО и полном размещении ВЗД в канале.
Конструкторский отдел ООО «Фирма «Радиус-Сервис» приступил к разработке ВЗД для ТС «Перфобур» во втором квартале 2017 г. и уже в первом квартале 2018г. были проведены первые испытания рабочего образца на испытательном стенде «Радиус-Сервис», которые были признаны успешными. В процессе испытаний двигатель тестировался на различных режимах и показал крутящий момент при максимальной мощности около 170 Нм, что было очень хорошим результатом (рис. 6). По итогам испытаний было принято решение о допуске двигателя к исследованиям на стенде компании «Перфобур».
Стендовые испытания нового двигателя габарита 49 мм в составе с ТС «Перфобур» проводились на производственной площадке ООО «Перфобур» в г. Уфа на специализированном испытательном стенде, позволяющем имитировать процесс работы ТС «Перфобур» в скважине с фиксацией необходимых параметров для подбора оптимальных режимов работы оборудования посредством установленных на стенде КИП и специального программного обеспечения, позволяющего на основании полученных данных строить в реальном времени графики осевой нагрузки на БК и давления в системе (рис. 7).
В процессе испытаний при помощи нового ВЗД проводилось бурение специальных блоков различной твердости, с целью определения режимов бурения двигателя, а также замера траектории полученного канала. Общее время бурения в процессе испытаний составило 2,5 часа, длина пробуренного канала составила 6,7 м, радиус кривизны – 8,2 м (рис. 8), по результатам данных испытаний двигатель был допущен к проведению работ на скважинах.
В настоящее время при помощи двигателей габарита 49 мм с двумя углами перекоса, разработанных и изготавливаемых по техническому заданию ООО «Перфобур», проведено успешно более 50 работ по бурению каналов в различных скважинах глубиной до 4500 м. Компания ООО «Перфобур» ведет работы по внедрению в зарекомендовавшую себя конструкцию двигателя специальных отклоняющих элементов для увеличения интенсивности набора угла; применению на поверхностях двигателя твердосплавной защиты, нанесенной методом газопламенного напыления, предназначенного для продления срока службы корпусов, подверженных износу в процессе бурения. Также ведутся работы по внедрению различный резиновых смесей, применяемых при изготовлении обкладок статоров, позволяющих работать двигателям в различных агрессивных условиях в скважине. Рассматривается возможность дальнейшего уменьшения габаритных размеров двигателей для работы из 114 мм обсадных колонн.
За период внедрения технологии построено более 70 каналов длиной до 14 м с регистрацией их траекторий в карбонатных и терригенных коллекторах, с дальнейшей соляно-кислотной обработкой или спуском специальных фильтров в скважинах нефтегазодобывающих предприятий: ПАО АНК «Башнефть», ООО «ЛУКОЙЛ-Коми», ОАО «Нократойл», ПАО «НОВАТЭК», ООО «Газпромнефть-Ямал», ПАО «Татнефть», ООО «Новатэк-Таркосаленефтегаз», АО «НК «Нефтиса», СП ООО «Uz-Kor Gas Chemical» (Республика Узбекистан), ООО «Sanoat Energetika Guruhi» (Республика Узбекистан), TOO «KAZPETROL GROUP» (Республика Казахстан Creative Oil & Gas Operation (США).
Выводы
Разработанная методология инжиниринга рационального варианта рабочих органов специального малогабаритного ВЗД для технической системы «Перфобур» позволила создать секционный двигатель в габарите 49 мм с улучшенными техническими характеристиками по сравнению с серийными ВЗД. Стендовые испытания ВЗД, а затем и масштабные промысловые работы проводимые компанией в 2018 …2022 гг. в различных нефтегазовых провинциях РФ, Средней Азии и США в составе ТС «Перфобур» доказали правильность выбранной технической стратегии.
