Наша страна исторически является родоначальницей забойных гидравлических двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин, а также технологий бурения с их использованием. Вслед за турбо-бурами были изобретены, разработаны и внедрены винтовые и турбинно-винтовые двигатели.
НИОКР по созданию винтового забойного двигателя (ВЗД) начались в 60-е годы прошлого столетия как альтернатива турбобурам, что было обусловлено появлением нового поколения шарошечных долот, для эффективной отработки которых потребовались низкооборотные гидродвигатели; перспективами технологий наклонно-направленного бурения скважин, проектные траектории которых вызвали необходимость разработки двигателей укороченной длины по сравнению с турбобурами; увеличением объема ремонтно-восстановительных работ старого фонда нефтяных и газовых скважин, где буровые операции занимали значительное время и показали недостаточную эффективность при роторном способе, а также коньюктурными соображениями в вопросах конкуренции с западными фирмами.
Работа начиналась во ВНИИБТ и его Пермском филиале. В результате многолетней научно-производственной деятельности ВЗД с многозаходными рабочими органами (РО) заняли ведущее место в арсенале технических средств бурения и капитального ремонта нефтяных и газовых скважин, завоевали авторитет и признание отечественного и мирового сообщества. Так, ведущий международный журнал Оil&Gas Journal (декабрь 1999 г.) причислил российские ВЗД с многозаходными РО к выдающимся изобретениям буровой техники второй половины ХХ века.
Работы по созданию ВЗД были отмечены медалями ВДНХ, получили премии имени И.М. Губкина (Создание малогабаритных забойных двигателей, 1979; Создание многофункционального технологического комплекса для бурения вторых стволов, 2000) и были номинированы на Государственную премию в области науки и техники, а ведущие производители ВЗД входят в список крупнейших предприятий Пермского края. Признанием отечественной школы буровой техники явилось издание в США двух монографий по тематике ВЗД с участием российских авторов.
За прошедшие годы в создании и продвижении ВЗД активное творческое участие приняли ученые, конструкторы, преподаватели, машиностроители и нефтяники из многих регионов страны. В табл. в хронологическом порядке представлена история создания и развития отечественных ВЗД.
Образовалась обширная библиография по тематике ВЗД, включающая монографии, обзоры, статьи и патенты (так, НПО «Буровая техника» и ВНИИБТ-БИ получили более 250 авторских свидетельств и патентов в России и 15 странах мира, защищающих основные конструктивные и технологические решения). В литературных источниках фигурируют более 100 персоналий. В прилагаемом списке литературы приведены первые в истории публикации по тематике ВЗД [1–10]: авторские свидетельства, статьи, научно-технические обзоры, монографии, диссертации, а также зарубежные патенты и публикации в иностранных изданиях.
За полувековую историю создания ВЗД в России и за рубежом сформировались основные направления НИОКР в этой области техники (рис. 1), что привело к образованию отдельных научно-производственных школ (отраслевых, корпоративных, региональных), которые во взаимосвязи между собой, способствовали совершенствованию конструкций ВЗД и технологий бурения с их использованием, а также определили пути дальнейшего развития ВЗД в нефтегазовой отрасли на ближайший период и более далекую перспективу.
Отечественные ВЗД с начала разработки принципиально отличались своими характеристиками от появившихся на буровом рынке практически в то же время американских двигателей с однозаходным ротором (обращенная схема насоса Муано – патент US 3112801 от 05.03.1959).
Преимущества отечественных ВЗД обусловлены кинематической схемой РО, которая позволяет сочетать объемную гидравлическую машину и планетарный редуктор с внутренним зацеплением, передаточное число которого соответствует числу заходов винтовой поверхности ротора.
На рис. 2 представлены сравнительные зависимости выходных энергетических показателей двигателей с различным числом заходов ротора, впервые полученные ВНИИБТ в 1972 г. и ставшие основой для проектирования ВЗД с заданными характеристиками.
Кроме того, многозаходные ВЗД обладают повышенным удельным моментом и мощностью по сравнению с двигателями с однозаходным ротором. Последнее обстоятельство чрезвычайно важно как для экономии металла, так и для возможностей конструирования укороченных машин.
Переход от высокооборотных турбобуров к высокомоментным гидравлическим двигателям объемного принципа действия позволил резко увеличить проходку на долото и рейсовую скорость бурения, что стало важным фактором повышения технико-экономических показателей строительства нефтяных и газовых скважин. Помимо этого, разработка ВЗД способствовала эффективному внедрению технологий горизонтального бурения, а также имела большое значение для решения технологических задач капитального ремонта скважин, в частности, при проводке боковых стволов.
Таким образом, можно без преувеличения считать, что создание многозаходного ВЗД явилось прорывом в развитии техники и технологии бурения как в нашей стране, так и за рубежом.
Высокие эксплуатационные качества и оригинальность конструкции выдвинули российские ВЗД в разряд лучших образцов буровой техники, что предопределило интерес к ним со стороны ведущих западных компаний. Это позволило заключить лицензионные соглашения на право производства и применения ВЗД отечественной конструкции, а проведенное в Северном море в 1985 г. демонстрационное бурение поставленными из СССР двигателями подтвердило их высокую эффективность.
В разные годы в СССР и России ВЗД изготавливали следующие предприятия и заводы (рис. 3):
– Пермский филиал ВНИИБТ;
– ВНИИБТ;
– Кунгурский машзавод;
– Павловский машзавод;
– Чайковский завод РТД;
– Бердичевский завод «Прогресс»;
– Радиус-Сервис;
– Пермнефтемашремонт;
– ВНИИБТ-Буровой инструмент;
– Гидробур-сервис;
– Сокол.
Пик производства ВЗД пришелся на 1985–87 гг., когда ежегодно выпускалось более 5 тыс. винтовых пар для двигателей общего назначения и ремонта скважин.
В настоящее время в России выпускаются ВЗД в широком диапазоне диаметральных размеров, энергетических характеристик и геометрических параметров РО – всего более 100 типоразмеров. Линейка диаметральных размеров включает 20 позиций от 43 до 285мм. Кинематическое отношение 2:3…9:10.
По информации аналитического агентства Tebiz Group, сейчас в нашей стране производством, поузловой сборкой и сервисным обслуживанием ВЗД занимаются 15 заводов и предприятий. Крупнейшие из них: ВНИИБТ-Буровой инструмент, Радиус-Сервис, Пермнефтмашремонт, Сокол и Гидробур-сервис.
Услуги по аренде и инженерному сопровождению ВЗД при строительстве и ремонте скважин оказывают также специализированные сервисные компании, в частности, РИНАКО, БМ Сервис, УралНефтеБур, Вектор-Бурсервис, Траектория Сервис, Ньютек Сервис и др.
Суммарный объем производства ВЗД в России в последнее время составляет примерно 1000 комплектов в год.
В 2022 г. за рубеж было поставлено 240 двигателей. Самыми крупными импортерами являлись Саудовская Аравия, Азербайджан и Узбекистан.
Серийные ВЗД, по мнению потребителей, в основном соответствуют современным технологическим требованиям, и превратились в одно из основных технических средств бурения и капитального ремонта нефтяных и газовых скважин с возможностью использования в качестве промывочного агента воды, различных буровых растворов и газожидкостной смеси в зависимости от заданной гидравлической программы.
Так, в Татарстане с применением ВЗД осуществляется более 90 % проходки в различных интервалах бурения и категориях твердости пород. Подобная тенденция имеет место и в других регионах страны.
Типовой режим бурения интервала под эксплуатационную колонну долотом PDC 215,9 мм с использованием ВЗД диаметром 178–195 мм: расход бурового раствора 30–35 л/с; нагрузка на долото 8–12 тонн; механическая скорость 10-35 м/ч; проходка - до 500 м.
В качестве примеров достижений последних лет при использовании ВЗД можно привести:
–Газпромнефть-Оренбург пробурил скважину на Восточном участке ОНГКМ без применения РУС с горизонтальным стволом длиной 2000 м;
–Сибирская Сервисная Компания установила отраслевой рекорд суточной проходки двигателем 172 (7/8) на кустовой площадке Южной части Приобского месторождения (Заказчик ООО «Газпромнефть-Хантос») – 2425 м;
–ООО «ВНИИБТ-Буровой инструмент» при бурении скважин в ОАЭ двигателем диаметром 240 мм установлен рекорд по скорости проходки 24,1 м/ч, что в два раза выше целевого показателя;
–АО «Пермнефтемашремонт» получены высокие показатели характеристик двигателей с модифицированным торцовым профилем РО, обеспечивающим минимальные механические потери в паре (КПД не менее 60 %);
–компания «Перфобур» успешно применяет специальные малогабаритные ВЗД диаметром 43 и 49 мм при бурении сетей разветвленных каналов в продуктивном пласте протяженностью до 25 м.
За рубежом ВЗД также получили широкое применение, прежде всего в технологиях наклонно-направленного и горизонтального бурения. Среди иностранных изготовителей двигателей такие транснациональные гиганты как Baker Hughes, Halliburton, Weatherford, Schlumberger, Dyna-Drill, National Oilwell Varco и др.
Вместе с тем, потенциальные возможности ВЗД далеко не исчерпаны. В настоящее время открываются новые горизонты применения этих машин и пути их дальнейшего совершенствования.
По мнению авторитетных экспертов и специалистов отечественных фирм-производителей и буровых предприятий, что отражается в публикациях последних лет [11–29] и технической политике компаний при модернизации и создании нового поколения двигателей, дальнейшие перспективы применения и развития ВЗД будут определяться следующими направлениями:
*Повышение эффективности применения двигателей и надежности их элементов конструкции (опор, шарниров, резьб) для инновационных технологий бурения (для различных интервалов в режиме скольжения и при вращении бурильной колонны);
*Оптимизация конструктивных схем двигателей для привода алмазных долот (типа PDC и импрегнированных);
*Использование ВЗД в сочетании с забойными гидромеханическими устройствами (нагружатели, осцилляторы, амортизаторы, механизмы подачи, циркуляционные клапаны, распределители потока) в различных технологиях бурения скважин;
*Применение ВЗД для привода роторно-управляемых систем, в технологиях бурения на обсадных и насосно-компрессорных трубах, в газожидкостных технологиях;
*Совершенствование конструкций РО путем модификации геометрических параметров циклоидального зацепления и улучшения физико-механических свойств материалов пары (в частности, номенклатуры резин для статоров и режимов их заливки);
*Моделирование и оптимизация напряженно-деформированного состояния обкладки статора в различных конструктивных схемах: традиционной, с равномерной толщиной эластомера, с модульным разделением ротора (Тюменский ГНГУ); уточнение рациональных областей их применения;
*Совершенствование технологического процесса изготовления РО и других узлов двигателя (в будущем с возможностью применения аддитивных технологий);
*Оптимизация модельного ряда выпускаемых двигателей с учетом изменяющихся условий бурения и широкого внедрения современных средств регулирования технологических параметров и цифровых систем управления;
*Уточнение требований к характеристикам ВЗД, параметрам режима бурения и методам управления на основе моделирования динамических процессов в системе «забой-долото-двигатель-бурильная колонна-регулятор подачи»;
*Разработка программных комплексов для выбора типоразмера ВЗД и расчета КНБК для заданных условий бурения;
*Создание оригинальных конструкций малогабаритных двигателей для различных технологий ремонта скважин;
*Нахождение новых областей применения ВЗД в нефтегазовых технологиях и других отраслях промышленности.
Среди разработок НПО «Буровая техника» последних лет можно отметить:
• Высокооборотные двигатели для привода безопорных долот. Такие машины могут успешно конкурировать с существующими турбобурами, в то же время превосходя их по простоте конструкции и удельной мощности;
• Малолитражный двигатель для бурения интервалов, характеризующихся поглощением промывочной жидкости (с частотой вращения, сопоставимой с этим показателем в стандартных серийных машинах);
• ВЗД для отбора керна и бурения вертикальных скважин, в котором используется кинематическая схема РО с вращающимся статором (патент РФ 200583);
• ВЗД для бурения горизонтальных и горизонтально-разветвленных скважин по малому радиусу. Характеризуется уменьшенной длиной, достигаемой применением капсульной компоновки (патент РФ 197182). Может также эффективно применяться в моторизированных роторных управляемых системах;
• Двигатель-вращатель с планетарно вращающимся выходным валом (патент РФ 200831), предназначенный для привода специального забойного инструмента (фрез, метчиков и др.) в технологиях ремонта скважин.
Параллельно с конструированием двигателей НПО «Буровая техника» и компании-производители ВЗД (ВНИИБТ-БИ, Радиус-Сервис, ПНМР, Гидробур-сервис, Сокол) разработали и запатентовали ряд забойных гидромеханических устройств для повышения эффективности технологий бурения и капитального ремонта скважин.
Нагружатель телескопического типа устанавливается над двигателем и содержит цилиндр и поршень со штоком, связанным с корпусом ВЗД (патент РФ 2164582). Нагружатель создает дозированную нагрузку на долото, а в случае применения винтового штока (патент РФ 113298) одновременно проворачивает корпус компоновки при неподвижной бурильной колонне. Применение такого устройства открывает новые возможности в технологиях бурения и освоения скважин, в частности, с использованием гибкой непрерывной трубы.
Осциллятор на базе героторного механизма, устанавливаемый в бурильной колонне (патенты РФ 2664737; 2750144; 2768784 и др.) или встроенный в конструкцию самого двигателя (патент РФ 166289), служит для создания гидромеханических импульсов с целью снижения сил трения и крутильных напряжений в трубах при бурении горизонтальных интервалов, предотвращения прихвата бурильной колонны и создания динамических нагрузок на забое скважин, что способствует повышению механической скорости бурения и ресурса долота.
Вопросы долговечности и надежности двигателей напрямую связаны с технологией изготовления и применяемыми материалами. За последние годы наметился значительный прогресс в этом направлении.
Практически все заводы освоили производство длинномерных РО длиной 4 и более метров, а также статоров с равномерной толщиной резины. С успехом внедрены различные методы упрочнения и износостойкие покрытия винтовых роторов и опорных узлов.
Однако до сих пор в конструкциях практически не используются композиционные и легкосплавные материалы, применение которых особенно целесообразно в высокооборотных двигателях. В этой связи представляет интерес инновационный проект компании «Сокол» по использованию в качестве обкладки статора композитных материалов в виде углепластиков.
Недостаточно внедряются технологии лазерного упрочнения. Российские разработчики отстают от западных производителей в применении специализированных эластомеров обкладок статоров для заданных эксплуатационных условий, несмотря на то, что в последние годы проводятся интенсивные исследования в этом направлении и имеются нереализованные возможности, например, разработки РЕАМ-РТИ по модифицированным резинам.
Продолжение научно-исследовательских работ в области ВЗД будет базироваться на разработанных отечественными учеными в предыдущие десятилетия теории рабочего процесса ВЗД и проектирования циклоидальных РО, включая вопросы прикладной гидравлики и механики. Однако и здесь имеются резервы. Как известно, выходные характеристики двигателей определяются кинематической схемой и 10 независимыми геометрическими параметрами, комбинация которых позволяет варьировать параметры ВЗД и создавать новые машины для различных технологий строительства скважин.
Многозаходные винтовые РО находят все возрастающее применение также в нефтепромысловых машинах и механизмах в качестве скважинных насосов для добычи нефти, в мультифазных насосных системах, скважинном технологическом оборудовании для спуска обсадных колонн (башмаки).
Накопленный опыт эксплуатации позволяет прогнозировать возможность использования ВЗД и в других смежных областях бурения, что может повысить эффективность и/или удешевить технологические операции. К ним следует отнести проводку подземных гидротехнических и инженерных коммуникаций. Уместно вспомнить и положительный опыт применения турбобуров в реактивно-турбинных системах для бурения стволов скважин и шахт диаметром 1000 мм и более. Применение для этих целей специальных ВЗД позволит поднять эту технику на новый уровень.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Созданные в нашей стране многозаходные винтовые забойные двигатели, вписавшие яркую страницу в истории буровой техники и подтвердившие приоритет отечественной научной школы забойных гидравлических машин (основанной в 1930-е годы и окончательно сформировавшейся во ВНИИБТ), заложили основы новых направлений развития отрасли и вошли в арсенал современных технических средств для реализации существующих и перспективных технологий бурения и ремонта нефтяных и газовых скважин.
Во многих регионах страны образовались высокопрофессиональные коллективы специалистов в области проектирования, исследования, изготовления и эксплуатации винтовых гидромашин. В Пермском крае, ставшим мировым лидером в производстве этого оборудования, сформировался своеобразный высокотехнологичный «винтовой кластер» для нужд нефтегазовой отрасли страны.
Для сохранения позиций ВЗД на отечественном и зарубежном рынках требуется дальнейшее совершенствование конструктивных схем двигателей, методов управления в процессе бурения и технологий изготовления, что будет способствовать дальнейшему повышению эффективности процесса бурения и ремонта скважин, а также расширению областей применения этих гидромашин.
