ОНД на базе забойных двигателей

Опыт применения отклонителей на базе гидравлических забойных двигателей (турбобуров и винтовых забойных двигателей - ВЗД) при бурении скважин большого диаметра на нефть и газ достаточно давно утвердил мнение о перспективности создания отклонителей на базе забойных двигателей для бурения геологоразведочных и иных скважин малого диаметра в твердых породах.

Главной особенностью, определяющей сумму преимуществ технологий производства буровых работ забойными двигателями, является отсутствие необходимости вращения бурильной колонны, что обеспечивает существенное упрощение конструкции ОНД, более высокую стабильность, управляемость и возможность контроля над процессом набора кривизны, несколько больший диапазон технологических возможностей отклонителей на базе забойных двигателей.

Отклонители на основе турбобуров имеют следующие схемы:

- над турбобуром 1 устанавливается кривой переходник 2, имеющий несоосные соединительные резьбы (угол несоосности 1-3⁰) (рис. 3.16 а, б);

- перекос долота в скважине обеспечивается изгибом корпуса забойного двигателя посредством соединения верхнего узла – турбины 1 с нижним узлом – шпинделем 3 через кривой переходник 2, а валов турбины и шпинделя через специальный шарнир (рис. 3.16, в).

- перекос турбобура 1 и долота обеспечивается кривым переходником 2 и накладкой на корпусе турбобура 3 (рис. 3.16, г);

- на нижний ниппель турбобура 1 устанавливают накладку 2 для создания поперечного усилия долоте для фрезерования стенки скважины (рис.3.16, д);

- на нижний ниппель турбобура 1 устанавливают накладку 2 с резиновой опорой 3, толщина которой позволяет регулировать интенсивность искривления (рис.3.16, е).

Рисунок 3.16 Схемы отклонителей на базе забойных гидродвигателей

Попытки использования забойных гидродвигателей для бурения скважин малого диаметра (93, 76 и 59 мм) наталкивались на проблему создания конструкции гидродвигателя, который бы удовлетворял требованиям надежности и производительности бурения. В частности, требовался достаточный для бурения крутящий момент и приемлемая частота вращения ротора.

Появление в 80-х годах прошлого столетия малогабаритных винтовых забойных двигателей, разработанных ВНИИБТ (Россия) и зарубежными компаниями, позволило оценить перспективы применения этих разработок для производства работ по направленному бурению разведочных скважин.

Винтовые забойные двигатели по своему принципу действия относятся к так называемым объемным машинам (двигателям или насосам) без клапанов с единственной движущейся деталью – ротором.

Рисунок 3.17 Схема поперечного сечения объемного двигателя при соотношении пары «статор: ротор» - 4:3.

Рабочие органы двигателя один из вариантов показан на рисунке 3.17 – статор 1 и ротор 2 выполняются в виде многозаходных винтовых поверхностей: статор – многозаходной винтовой трубчатой полости (на рис. 3.17 статор имеет 4-х – заходную поверхность), ротор – объемным многозаходным телом винтообразной формы (на рис. 3.17 ротор имеет 3-х-заходную поверхность), представляющие в паре планетарный механизм. Число заходов винта статора на единицу больше числа заходов винта ротора. При этом ротор размещен внутри статора со смещением оси вращения, что позволяет ему при вращении окатываться по внутренней полости статора, копируя линию его поверхности. Внутренняя поверхность статора выполнена из технической резины, поэтому достигается достаточно герметичное прилегание гладкой стальной наружной поверхности ротора к внутренней поверхности статора, а перепад давлений в полостях между ротором и статором при прокачивании бурового раствора обеспечивает вращение ротора вокруг оси статора.

Отклонители на базе ВЗД могут применяться в самых разнообразных геологических условиях для искривления скважины по плавной траектории или для забуривания дополнительных стволов от искусственных забоев при многоствольном бурении.

При работе забойного двигателя на его корпусе возникает реактивный момент сил вследствие реакций разрушаемой породы на работу вооружения долота на забое. Это обстоятельство вызывает некоторую проблему при направленном искривлении скважины, поскольку реактивный момент приводит к закручиванию бурильной колонны и нарушает ориентацию отклонителя, если его корпус не имеет распорного механизма. Для корректировки положения отклонителя в соответствии с параметрами ориентирования необходимо знать величину угла закручивания бурильной колонны.

Угол закручивания бурильной колонны определяется формулой:

, (3.6)

где М_р – реактивный момент на корпусе двигателя, даН, м; L – длина бурильной колонны, воспринимающей кручение под действием М_р, м; G – модуль сдвига, даН/м²; J₀ – полярный момент инерции, м⁴.

Длина бурильной колонны, воспринимающая реактивный момент, практически неизвестна, так как она зависит от момента сил трения между колонной и стенкой скважины, конфигурации ствола скважины и многих других факторов. Поэтому для расчета угла закручивания следует вводить поправочный коэффициент, определяемый опытным путем.

Бурильные трубы диаметром 114, 140 и 168 мм, применяемые для бурения скважин большого диаметра, могут иметь угол закручивания 6,5; 5,0 и 3⁰ на 100м длины, поэтому суммарный угол закручивания даже для колонн большого диаметра может составлять значительную величину. Что касается труб малого диаметра – 63,5; 54; 50; 42 мм, то угол закручивания для них очень значителен и вызывает большие проблемы при проведении работ по направленному бурению с использованием забойных двигателей малого диаметра.

Поэтому для стабилизации положения ОНД на базе ВЗД малого диаметра более предпочтительно использование распорных механизмов скользящего типа, практически аналогичных тем, что применяются в отклонителях типа ТЗ, «КЕДР», ОБС.

Отклонители на базе винтовых забойных двигателей для геологоразведочного бурения разработаны в ЗабНИИ. Созданы два типоразмера отклонителей на базе ВЗД: ОД-76 с двигателем ДГ-70 (система «статор: ротор» - 7: 6) и отклонители с двигателем Д-54 (система «статор: ротор» - 5: 4). Оба забойных двигателя разработаны во ВНИИБТ [4,12].

Отклонитель с двигателем Д1-54 выполнен в двух вариантах: с кривым переходником и с искривленным корпусом двигателя. Данный отклонитель спроектирован для использования на небольших глубинах, так как двигатель Д1 – 54 имеет невысокую мощность, а для его работы требуются достаточно большие для современных насосов давление и расход жидкости. Небольшая глубина использования позволила применить наиболее простой способ стабилизации колонны бурильных труб.

Для стабилизации отклонителя распорным механизмом на базе двигателя Д1-54 в ЗабНИИ совместно с ВНИИБТ разработан отклонитель ДН-54, в котором использовано распорное устройство с выдвижным ползуном и роликами – катками от отклонителя ТЗ-З-59.

В корпусе 1 отклонителя ДН-54 (рис. 3.18) размещены статор двигателя и его ротор 2, который через шарнир 4 соединен с валом 5 отклонителя. Ротор 2 выполнен в виде винта специального профиля, внутренняя обкладка статора 3 имеет внутреннюю винтовую поверхность. При прокачивании жидкости через полости между ротором 2 и статором 3 ротор совершает планетарное движение относительно оси статора, которое передается на вал 5 и породоразрушающий инструмент. Промывочная жидкость после выхода из двигателя проходит через вал 5 на забой скважины.

Распорный механизм отклонителя имеет выдвижной ползун 6 с роликами – катками и верхний 7 и нижний 8 полуклинья. Отклоняющее усилие создается под действием осевого усилия за счет изгиба вала 5 при выдвижении ползуна 6 до упора в стенку скважины (механизм создания отклоняющего усилия аналогичен таковому у отклонителя ТЗ-З). На валу 5 установлен переходник 9 для размещения долота.

Нагрузочная секция содержит телескопический шлицевой узел, нагрузочную пружину 10, возвратную пружину 11, шлицевой вал 12, регулировочную втулку 13, помещенную в корпус 14 и переходник 15.

Нагрузочная пружина 10 служит для создания усилия в распорном механизме, возвратная пружина 11 предназначена для обеспечения транспортного положения деталей отклонителя при спускоподъемных операциях.

Регулировочная втулка предназначена для изменения длины хода шлицевого корпуса от 8 до 12мм.

Фиксация корпуса и рабочего вала ОНД осуществляется шаровым фиксатором, установленного в корпусе ОНД напротив возвратной пружины 11 (на рис. 3.18 не показан). Отклонитель снабжен также системой подшипников и уплотнений для герметизации внутренних полостей.

При помощи переходника 15 ДН-59 присоединяется к ориентирующему устройству или к бурильной колонне. После спуска в скважину и ориентирования запускается забойный двигатель и ОНД ставится на забой. По мере роста осевого усилия на долото шлицевой корпус 14 перемещается относительно шлицевого вала 12 и через пружину 10, через корпус 1 передает нагрузку к распорному механизму. Ползун 6 выдвигается до упора в стенку скважины, а возникшие распорное усилие обеспечивает отклоняющее усилие на долоте. Под действием распорного усилия ролики – катки ползуна 6 врезаются в породу, стабилизируя направление искривления.

Рисунок 3.18 Схема отклонителя ДН-54 на базе ВЗД Д1-54.

После искривления забойный двигатель останавливается, осевая нагрузка с ОНД снимается и под действием возвратной пружины 11 клиновой ползун 6 втягивается в транспортное положение.

Нагрузочная секция отклонителя ДН-54 выполнена в двух вариантах: первый – с механическим принципом создания распорного и отклоняющего усилий, второй – с гидравлическим.

Отклонитель ДН-54 обеспечивает набор кривизны с интенсивностью до 2 град/м в скважинах диаметром (70-80) мм. Двигатель Д1-54 обеспечивает крутящий момент на валу (70-100 Н·м) при частоте вращения 350-500мин^-1, перепаде давления на двигателе до (4-5) МПа и расходе жидкости до 2,5 л/с.

Двигатель ДГ-70 в сравнении с Д1-54 имеет наружный диаметр 70 мм и более предпочтительные показатели работы: обеспечивает крутящий момент 140 Н·м и частоту вращения (200-300) мин^-1 при расходе жидкости 1,7 л/с и перепаде давления 2,5МПа. На базе двигателя ДГ-70 создан отклонитель ОД-76.

Конструкция отклонителя ОД-76 имеет отклоняющее устройство типа «кривой переходник» с регулируемым углом перекоса, рабочую пару двигателя ДГ-70 и распорное клиновое устройство скользящего типа с гидроприводом. Устройство стабилизации направления искривления в виде выдвижного ползуна взаимодействует со стенкой скважины при помощи роликов-катков. Необходимое распорное усилие создается гидроприводом за счет давления промывочной жидкости над рабочим органом ВЗД.

Отклонители Navi – Driel и Dyna-Drill компании «Smiht», (США) для искривления скважин малых диаметров (диаметры корпуса 44 и 69 мм) широко используемые зарубежными фирмами, в отличие от отечественных ОНД на базе ВЗД, имеют несколько иную компоновку узлов. Устройство стабилизации направления искривления расположено над ВЗД в виде выдвижного ползуна. Выдвижной ползун обеспечивает перекос долота, и при шарнирном соединении ВЗД с отклоняющим устройством реализуется асимметричное разрушение забоя, а при жестком – фрезерование стенки скважины и асимметричное разрушение забоя, причем разнонаправленные.

Контрольные вопросы по разделу 3

1. Устройство и область применения стационарного клина

2. Принцип работы и устройство пробки – забоя

3. Устройство и принцип работы отклонителя СНБ-КО

4. Устройство и принцип работы отклонителя «КЕДР»

5. Принцип работы отклонителя ТЗ-3П-59

6. Принцип работы отклонителя ОГМ-59

7. Какие отклонители созданы на базе винтовых двигателей?