ВИНТОВОЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПУЛЬСИРУЮЩЕЙ ПРОМЫВКОЙ НА ЗАБОЙ ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН

Известно устройство для бурения скважин - винтовой забойный двигатель ВЗД, содержащий корпус, внутри которого размещена винтовая пара, шпиндель (1).
Недостатком ВЗД, как забойного двигателя, является недостаточное обеспечение очистки забоя, так как нельзя установить рациональный режим подачи промывочной жидкости. Он ограничен жесткой гидравлической характеристикой винтовой пары. На сегодня известно, что очистку забоя от шлама можно существенно улучшить, если подавать жидкость на забой в виде пульсирующего потока. При работе винтовой пары поток приобретает некоторую пульсацию. Однако она настолько незначительна, что на выходе от винтовой пары к шпинделю нивелируется. Создавать же импульсы «ручным» способом, изменяя периодически производительность работающего насоса, не эффективно по многим причинам, прежде всего из-за затухания импульса по пути следования его от поверхности к забою.
Наиболее близким техническим решением является ВЗД, представленный в заявке №2008102453/03 от 28.01.08 г. (2)
Винтовой забойный двигатель, составленный из самого двигателя, шпинделя, имеет прерыватель потока, состоящий из двух взаимно соприкасаемых друг с другом дисков, с неравномерно распределенными по окружности отверстиями, один из дисков закреплен на валу двигателя, а другой в корпусе шпинделя. В процессе бурения поток жидкости проходит через двигатель, затем через прерыватель потока, через шпиндель поступает к долоту на забой скважины. Работа двигателя сводится к вращению с помощью соединенных между собой валов двигателя и шпинделя долота и промывки забоя поступающим к нему потоком жидкости.
В процессе прохождения потока жидкости через забойный двигатель в интервале установленного прерывателя поток меняет скорость в зависимости от площади проходного отверстия, которое контролируется отверстиями вращающегося вместе с валом диска и диском, закрепленным в корпусе шпинделя. Периодическое совмещение их неравномерно распределенных отверстий изменяет площадь проходного отверстия, следовательно, изменяет скорость прохождения некоторого циклично повторяющегося определенного объема жидкости, то есть придается потоку импульсный характер.
К основным недостаткам прототипа можно отнести следующее:
прерывание потока путем мгновенного совмещения неравномерно расположенных отверстий двух дисков определяет появление дополнительных вибраций бурильного инструмента и приводит к преждевременному износу двигателя и долота;
- при появлении увеличенного осевого люфта у забойного двигателя нагрузка на забой перемещается на совмещенные диски и исключает тем самым нормальный процесс разрушения породы, так как нагрузка, прикладываемая непосредственно к долоту не может быть определена контрольно измерительным комплексом на поверхности. Режим бурения становится неуправляемым.
Задача решается путем замены в прерывателе потока дисков, с неравномерно распределенными по окружности отверстиями, на нестандартные диски турбин в виде одной или нескольких ступеней. Их применение обеспечивает при вращении вала двигателя плавное изменение площади проходного отверстия в прерывателе потока.
Сущность полезной модели заключается в оснащении винтового забойного двигателя устройством - прерывателем из одной или нескольких ступеней нестандартных дисков турбин.
Для этой цели могут использоваться диски турбин от турбобура, например следующий вариант нестандартной ступени турбины. В ступени турбины, например, в роторном диске одна четверть фильтрационной площади перекрывается заслонкой, в другой четверти убираются лопатки - создается окно. В статорном диске изменение делается только (окно) в виде удаления лопаток в одной четверти фильтрационной площади. При вращении нестандартного диска ротора относительно нестандартного диска статора в принятом примере фильтрационная площадь ступени полностью перекрываться не будет. Будет происходить плавное изменение площади проходного отверстия от некоторого максимума к минимуму, тем самым придавая изменению скорости потока жидкости постепенный и цикличный характер.
При использовании в прерывателе потока нескольких нестандартных ступеней их диски фиксируются между собой так, чтобы при сборке у статоров их окна находились на одной вертикальной линии. Также производится фиксация нестандартных роторов - также по окнам. Фиксация статоров производится при сборке с помощью штырей, для чего делаются соответствующие высверливания по кольцу статора. Фиксация собранных статоров от проворота во время работы двигателя осуществляется за счет усилия, которое возникает при соединении корпуса двигателя со шпинделем: на контакте конус-муфта резьбового соединения. Фиксация нестандартных роторов производится с помощью шпонки, установленной на переходнике от вала двигателя к валу шпинделя. Ориентировка роторов происходит по внутренней проточке кольца под шпонку. Проточка в них выполняется по вертикали расположения окон.
При работе забойного двигателя и вращении вала система зафиксированных роторов имеет возможность иметь сдвиг относительно вала, оставаясь на уровне контакта со статорами, если увеличится осевой люфт двигателя.
На фиг.1 в качестве примера представлена в разрезе только часть конструкции винтового двигателя со встроенным в нем прерывателем потока - комплексом 1 из 3х нестандартных ступеней турбин, который обеспечивает придание потоку импульсный характер.
Статоры комплекса 1 размещены ниже корпуса винтового двигателя 2, в корпусе шпинделя 3. Роторная часть комплекса 4 размещается на переходнике 5 от кардана 6 к валу шпинделя 3. Для размещения роторов переходник 5 выполнен из двух частей, связанных между собой резьбовым соединением 7. В нижней части переходника 5 установлена шпонка 8, которая фиксирует роторы относительно друг друга и относительно вертикали вала винтового двигателя, т.е. в данном случае относительно вертикали переходника 5. Статоры 9 также установлены фиксировано относительно друг друга в корпусе шпинделя 3. Поток жидкости после прохождения через комплекс с дисками турбин 1 попадает через отверстие 10 в переходнике 5 в канал вала шпинделя 3 и далее к долоту.
Отдельно прерыватель потока показан на фиг.2. На фиг.2 прерыватель потока показан в виде комплекса из 3-х нестандартных ступеней турбин в разрезе. На фиг.2 отмечено сохранение основных обозначений, использованных при описании устройства на фиг.1. Диски роторов 4 размещены на переходнике 5 и зафиксированы шпонкой 8 (соответствует фиг.1). Показано - диски статоров 9 зафиксированы относительно друг друга штырями 11. Для прояснения картины- момента образования пика импульса на фиг.2 показана ситуация когда с левой стороны показан закрытый сквозной канал роторами с заслонками 12, с правой стороны - открыт сквозной канал - при совпадении окон роторов с окнами статоров 13.
Комплексы из нестандартных дисков турбин для прерывателя потока в ВЗД определяются с учетом числа оборотов вала двигателя и планированием на их основе частоты импульсов. Обороты определяются производительностью прокачиваемой жидкости через двигатель.
Ниже приводится пример для практики.
Приближенный расчет для ВЗД-178. Основные данные:
Q=33,5 л/сек.
n=150 об/мин, т.е. 2,22 об/сек.
t=1/2,22=0,45 сек. время, затрачиваемое на 1 оборот
Для расчета приняты следующие данные по дискам турбин:
диаметры фильтрационной решетки: Д=146 мм, Д=104 мм, Дср=125 мм длина окружности 1=37,8 см
высота диска турбины (ротор-статор) h=52 мм
2
площадь фильтрационной решетки S=82,4 см
линейная скорость потока по вертикали в комплексе дисков турбин
V=406,5 см/сек
L=406,5×0,45=183 см интервал прохождения потоком за 1 оборот.
t - время, затрачиваемое на прохождение 1 ступени составляет
5,2/406,5=0,013 сек.
Количество ступней турбин, через которые проходит поток по вертикали за один оборот вала ВЗД при высоте диска турбин 5,2 см и времени на 1 оборот 0,45 сек. составит N=183/5.2=35 ступени.
Если отнести движение потока за 1 оборот к одной условной точке, то ее движение опишется винтовой линией длиной 186 см с учетом длины окружности фильтрационной решетки (37,8 см) интервала прохождения потоком за 1 оборот (183 см).
Как видно из расчета, разница в длине пути движения условной точки по винтовой линии и по вертикали незначительна. Поэтому при расчетах можно использовать данные исходя из скорости движения потока вдоль оси забойного двигателя.
При выполнении одного оборота вала ВЗД продвижение условной точки через одну ступень турбины в горизонтальной плоскости составит 37,8/35=1,1 см
На основе приведенного типового расчета появляется возможность определять оптимальное количество ступеней турбин для обеспечения запланированного гидроимпульсного режима промывки забоя скважины.
Для примера рассматривается вариант для ВЗД - ступень турбины с окном в 90 градусов. Общая его длина по окружности фильтрационной решетки будет составлять 1/4 т.е. 9,45 см. Прохождение потока по вертикали через комплекс турбин при одном обороте выбранное окно (от открытия до закрытия) условная точка прошла бы 9,45/1,1=8.5 ступеней. На фиг.3 приведена схема последовательного уменьшения окна по длине комплекса из 8,5 ступеней турбин. На основе этих данных можно выбирать варианты окон - устанавливать только несколько ступеней или, если это диктуется условиями использовать все 8 ступеней. В таком варианте необходимо производить сдвиг каждой из них на 1,1 см, чтобы обеспечить прохождение потока при открытом окне.
Для конкретного выполнения на фиг.3 и 4 приведены в качестве примеров схемы взаимодействия нестандартных дисков роторов и статоров, выполненных в разном виде для одной ступени и приведена динамика изменения фильтрационной площади ступени турбины после каждого поворота ротора относительно статора на 90 градусов.
Для анализа работы изменения фильтрационной площади применена упрощенная схема условной ее оценки. В схеме приняты следующие обозначения по оценке фильтрационной (проточной) площади отдельных секторов представленных не стандартных дисков турбин.
Сектор с углом 90 градусов без лопаток условно обозначен как открытое окно с фильтрационной площадью 1,5Ф.
Сектор подобный выше приведенному, но перекрытый заслонкой, обозначен как Ф=0.
Сектор 90 градусов с лопатками обозначен как 0,75 Ф.
Сектор в 90 градусов ротора с лопатками, наложенный на такой же сектор статора также с лопатками обозначен как 0,5 Ф.
На основе принятых обозначений фильтрационная часть целого диска представляется в следующем виде:
1 - диск с лопатками как ЗФ.
2 - наложенный диск ротора с лопатками на статор с лопатками как 2Ф.
3 - диск без лопаток 6Ф (окно)
Согласно принятой схемы оценки гидравлического сопротивления в условных единицах Ф после каждого поворота ротора в ступени турбины получены следующие данные:
Таблица 1
Угол поворота
в градусах
0°
90°
180°
270°
360°
в единицах Ф согласно данным на:
Фиг.3
2,5
2,0
1,75
2,0
2,5
Фиг.4
4,0
3,0
4,0
3,0
4,0
На диаграмме фиг.65 приведены в сравнении характер волновых процессов в потоке жидкости к забою, если в ВЗД будут применяться комплексы нестандартных ступеней турбин согласно фиг.4 или фиг.5. Устройство работает следующим образом.
В процессе бурения поток жидкости, проходя через ВЗД приобретает волновые синусоидальные колебания давления для определенных объемов жидкости - импульсы давления. Они действуют с разной, циклично чередующейся гидравлической кинетической энергией на забой, то есть с наложением импульсов высокого и низкого давления. Чередование импульсов давления с разными амплитудами и с разной частотой создают эффективные напряжения в нарушенной породе на разрыв и ведут к ее разрушению под повторным воздействием зубьев долота. Кроме этого, применение волнового потока жидкости на забое исключает образование на долотах сальников, а следовательно повышается качество очистки забоя от разбуренной породы. Исключается повторное перемалывание шлама на забое скважины.
В настоящее время в ряде нефтяных районов существует проблема бурения через породы алевролитового типа, глиносодержащие породы. Прохождение через них происходит с низкой механической скоростью бурения. Применение ВЗД с гидроимпульсной промывкой решает эту проблему.
Литература:
1. Гусман М.Т., Балденко Д.Ф., Кочнев A.M. и другие. «Забойные винтовые двигатели для бурения скважин» М Недра 1981 г.
2. Заявка №2008102453/03 от 28.01.2008 года. Способ бурения нефтяных и газовых скважин и устройства для его осуществления.