История создания винтовых забойных двигателей

Начиная с 40-х годов в б. СССР основным техническим средством для бурения нефтяных и газовых скважин являлся многоступенчатый турбо­бур.

Широкое распространение турбинного способа бурения обеспечило ускоренное разбуривание нефтегазоносных площадей Урало-Поволжья и Западной Сибири и, тем самым, позволило получать высокие темпы роста добычи нефти и газа.

Однако с увеличением средних глубин скважин и по мере совершен­ствования породоразрушающего инструмента и технологии роторного спо­соба бурения в отечественной нефтяной промышленности с каждым годом росла тенденция отставания проходки за рейс долота — показателя, опре­деляющего технико-экономические показатели бурения.

Несмотря на определенные усовершенствования техники и технологии турбинного бурения показатели работы долот на протяжении ряда лет улучшались весьма незначительно. Хотя в 70-е годы началось разбуривание месторождений Западной Сибири, отличающихся благоприятными усло­виями бурения (мягкие породы, относительно неглубокие скважины), сред­няя проходка за рейс по эксплуатационному бурению существенно отста­вала от аналогичного показателя в нефтяной промышленности США (в 3 — 4 раза). Так, в 1981 — 1982 гг. средняя проходка за долбление в США составила 350 м, в то время как в б. СССР этот показатель не превышал 90 ì.

Серьезное отставание в проходке за долбление было связано с тем, что в те годы отечественная практика бурения базировалась на высокоско­ростном режиме бурения с применением многоступенчатых безредуктор-ных турбобуров, характеристики которых не позволяли получать частоты вращения менее 400 — 500 об/мин с обеспечением необходимых крутящих моментов и приемлемого уровня давления насосов, и как следствие эффек­тивно использовать революционные усовершенствования шарошечных до­лот (с прецизионными маслонаполненными опорами и твердосплавным вооружением). В связи с этим перед специалистами и организаторами бу­рения в нашей стране встал вопрос о создании техники для низкооборот­ного бурения.


Перед советской нефтяной промышленностью встала дилемма: либо переходить к роторному бурению, либо создать низкооборотный забойный двигатель.

К этому времени в б. СССР имелись определенные успехи роторного бурения глубоких скважин в ряде районов (Северный Кавказ, Западная Украина и др.). Однако технически, экономически и психологически неф­тяная промышленность не была готова к развитию роторного бурения. За многие годы государственной поддержки турбинного бурения существенно отстала от мирового уровня техника роторного бурения: не имелось бу­рильных труб и буровых установок высокого технического уровня.

Переход на роторный способ бурения в основных регионах страны снизил бы темпы развития отрасли, так как промышленность не располага­ла необходимыми средствами для строительства новых заводов и эксплуа­тационных баз или закупки за рубежом новых технологий.

Таким образом определился доминирующий способ бурения на базе низкооборотных забойных двигателей.

Решение проблемы создания забойного гидравлического двигателя с характеристиками, отвечающими требованиям новых конструкций долот, было найдено в переходе от динамических машин, каким являются турбо­буры, к объемным.

Первым   работоспособным,   нашедшим   промышленное   применение,

оказался гидродвигатель, представляющий собой обращенный насос Муа-но1, относящийся к планетарно-роторному типу гидромашин.

Работы по созданию опытных образцов винтовых забойных двигателей (ВЗД) начались в США и б. СССР в середине 60-х годов.

Американские специалисты фирмы «Smith Tool» разработали ВЗД (на западе их называют PDM — positive displacement motors) для наклонно на­правленного бурения как альтернативу турбобурам, а в нашей стране, ро­дине турбинного бурения — они служат техническим средством для при­вода низкооборотных долот.

Многолетние поисковые научно-исследовательские работы во ВНИИБТ по совершенствованию забойных гидравлических двигателей привели в 1966 г. к появлению предложенного М.Т. Гусманом, С.С. Никомаровым, Н.Д. Деркачем, Ю.В. Захаровым и В.Н. Меныпениным нового типа ВЗД, рабочие органы которого впервые в мировой практике выполнены на базе многозаходного винтового героторного механизма, исполняющего функ­цию планетарного редуктора.

В последующие годы во ВНИИБТ и его Пермском филиале Д.Ф. Бал-денко, Ю.В. Вадецким, М.Т. Гусманом, Ю.В. Захаровым, A.M. Кочневым, С.С. Никомаровым и другими исследователями были созданы основы тео­рии рабочего процесса, конструирования и технологии изготовления, раз­работана технология бурения винтовыми двигателями.

В результате многолетнего опыта бурения с использованием гидравли­ческих забойных двигателей (турбобуров и ВЗД) сложился комплекс тех­нических требований к современному забойному двигателю.

1. Характеристики двигателя должны обеспечивать:

высокий уровень крутящего момента (3 кН-м и более для долот диа­метром 215 — 243 ìì);

частоту вращения выходного вала в диапазоне 100 — 200 об/мин для шарошечных долот и 500 — 800 об/мин для алмазных долот;

высокий КПД двигателя для эффективного использования гидравличе­ской мощности насосов;

пропорциональную зависимость между расходом бурового раствора и частотой вращения, а также между крутящим моментом и перепадом дав­ления с целью эффективного управления режимом бурения.

2. Рабочие элементы и другие узлы двигателя должны быть износо- и
термостойкими, что позволяет использовать буровой раствор любой плот­
ности и вязкости, в том числе с содержанием тампонирующих матери­
алов.

3.     Конструктивная компоновка двигателя и проектные запасы прочно­
сти его узлов должны обеспечить:

стойкость двигателя, достаточную для стабильной работы с современ­ными шарошечными и алмазными долотами;

возможность искривления корпуса двигателя при наклонно направ­ленном бурении;

возможность установки на корпусе двигателя опорно-центрирующих элементов при проводке наклонно направленных и горизонтальных скважин.

4. Диаметральные и осевые размеры двигателя должны обеспечивать:

проведение буровых работ долотами различного диаметра, включая малогабаритные;

эффективную проводку наклонно направленных и горизонтальных скважин;

использование стандартного ловильного инструмента.

Анализ конструкций и характеристик забойных гидравлических двига­телей различного типа показывает, что ни один из них не отвечает в пол­ной мере всем перечисленным требованиям; в большей степени указанным требованиям соответствуют ВЗД с многозаходными рабочими элементами.