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.
