БУРОВОЙ НАСОСНЫЙ АГРЕГАТ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к насосным агрегатам (насосам с приводным электродвигателем) буровых установок для бурения нефтяных и газовых скважин и может применяться как для вновь выпускаемых насосов, так и для насосов, уже находящихся в эксплуатации.
Целью бурения скважин на нефть и газ является выявление, вскрытие, исследование и освоение продуктивных горизонтов - пластов проницаемых горных пород, содержащих различные флюиды: нефть, газ, воду, а также получение информации о параметрах пластов и свойствах пластового флюида. Кроме того, бурение скважин необходимо для выполнения вспомогательных работ при поисках, разведке и эксплуатации месторождений.
Одной из важнейших задач, решаемых при бурении скважин на нефть и газ, является вскрытие продуктивных пластов без нарушения их естественной проницаемости и последующее их разобщение колоннами обсадных труб с цементированием кольцевого пространства. Количество обсадных колонн, их диаметры, глубина спуска и высота подъема цементного раствора в кольцевом пространстве определяют конструкцию скважины.
По траектории скважины подразделяются на вертикальные, наклонно направленные и горизонтальные. В процессе бурения ось скважины отклоняется от своего проектного направления, обусловленного проектной траекторией скважины. Поэтому для обеспечения проводки скважины по проектной траектории осуществляется контроль искривления и оперативное управление проводкой.
Таким образом, результатом (продуктом) процесса строительства скважины является либо оборудованный ствол скважины, либо информация о параметрах полезного ископаемого. Возможность получения положительных результатов в значительной степени зависит от условий строительства скважины.
Список значимых параметров, определяющих характеристики условий строительства скважин, зависит от назначения скважин, района работ, способа бурения, выполняемой технологической операции и параметров применяемого оборудования и инструмента.
Принципиально способ бурения характеризуется сочетанием вариантов реализации всех основных операций (подпроцессов) бурового процесса. Однако по существующей традиции способ бурения принято характеризовать только вариантом реализации процесса разрушения забоя. Варианты реализации прочих операций бурового процесса в этом случае дополняют характеристику избранного способа бурения.
При вращательном бурении разрушение забоя осуществляется пород оразрушающим инструментом (долотом). При роторном бурении долото вращается вместе со всей колонной бурильных труб, а вращение на бурильные трубы передается через ведущую трубу от ротора, соединенного с силовой установкой системой трансмиссий. Нагрузка на долото создается частью веса бурильных труб и регулируется бурильщиком.
При турбинном способе бурения и с помощью винтовых забойных двигателей рабочие органы приводятся во вращение движением жидкости под давлением. Этой же жидкостью удаляется и выработанная порода.
В практике бурения скважин на нефть и газ применяется целый ряд способов удаления продуктов разрушения из скважины, однако наибольшее распространение получил способ бурения с прямой промывкой. Технологический процесс очистки забоя и удаления разрушенной горной породы (ГП) из скважины путем ее промывки очистным агентом (ОА) реализуется в результате выполнения следующего комплекса технологических операций: приготовление, обработка химическими реагентами, прокачивание по стволу скважины, очистка ОА от шлама, дегазация и др. Очистной агент в процессе проводки скважин обеспечивает очистку забоя от шлама, транспортирование шлама на дневную поверхность, компенсирование пластового давления флюидов, предупреждение осложнений (укрепление ствола в процессе бурения) и выполнение других технологических функций (охлаждение долота, уменьшение трения и т.д.).
Эффективность выполнения перечисленных функций ОА зависит от его физикомеханических свойств и технологических параметров режима промывки, которые взаимосвязаны между собой. Поэтому для достижения наилучших технико-экономических показателей бурения технологический процесс промывки скважин должен реализовываться при оптимальных технологических параметрах режима промывки, которые необходимо устанавливать с определенными ограничениями. Эти ограничения должны предупреждать:
- интенсивное разрушение долота,
- износ бурового инструмента,
- размывание стенок ствола скважины,
- гидроразрыв и поглощение ОА,
- ухудшение проницаемости продуктивных горизонтов,
- излишние потери гидравлической энергии,
- большие колебания давления в стволе скважины.
Прокачивание ОА по стволу скважины в процессе проходки производится буровыми насосами поршневого или плунжерного типа, которые нагнетают промывочную жидкость из приемной емкости через манифольд, вертлюг, колонну бурильных труб на забой скважины и обеспечивают удаление продуктов разрушения ГП из скважины восходящим потоком по кольцевому пространству между колонной бурильных труб и стенками скважины. Кроме того, прокачиваемый ОА может играть роль еще и гидравлического канала связи.
Для обеспечения высоких технико-экономических показателей бурения необходимо обеспечивать оптимальные уровни параметров гидродинамических процессов в гидравлической системе скважины. Для выбора оптимального режима промывки скважины, обеспечивающего наиболее эффективную отработку буровых долот при соблюдении требований и ограничений, обусловленных геологическими особенностями вскрываемого интервала, энергетическими, техническими и эксплуатационными характеристиками бурового оборудования и инструмента составляется гидравлическая программа бурения. Основными задачами при составлении гидравлической программы бурения скважины являются выбор технологически необходимого расхода промывочной жидкости, оптимальной схемы очистки забоя и долота, скорости истечения жидкости из насадок при наиболее рациональном использовании гидравлической мощности буровых насосов.
Для обеспечения процесса промывки при проводке скважины используются буровые насосы, предназначенные для нагнетания в скважину бурового раствора с целью очистки забоя и ствола от выбуренной породы и выноса ее на поверхность, охлаждения долота, приведения в действие забойных двигателей гидравлического типа (турбобуров и ВЗД).
Исходя из назначения и условий эксплуатации, к буровым насосам предъявляют следующие основные требования:
- подача насоса должна быть регулируемой в пределах, обеспечивающих эффективную промывку скважины;
- мощность насоса должна быть достаточной для промывки скважины и привода забойных гидравлических двигателей;
- скорость промывочной жидкости на выходе из насоса должна быть равномерной для устранения инерционных нагрузок и пульсаций давления, вызывающих осложнения в бурении, дополнительные энергетические затраты и усталостные разрушения;
- насосы должны быть приспособлены для работы с абразиве - и маслосодержащими коррозионно-активными промывочными растворами различной плотности;
- узлы и детали, контактирующие с промывочным раствором, должны обладать достаточной долговечностью и быть приспособленными к удобной и быстрой замене при выходе из строя;
- крупногабаритные узлы и детали должны быть снабжены устройствами для надежного захвата и перемещения при ремонте и техническом обслуживании;
- узлы и детали приводной части должны быть защищены от промывочного раствора и доступны для осмотра и технического обслуживания;
- насосы должны быть приспособлены к транспортировке в собранном виде на далекие и близкие расстояния и перемещению волоком в пределах буровой;
- конструкция насосов должна допускать правое и левое расположение двигателей насосного агрегата;
- надежность и долговечность насосов должны сочетаться с их экономичностью и безопасностью эксплуатации.
В практике бурения скважин применяются насосы различных конструкций. Их конструктивные отличия определяются:
- конструкцией привода: приводные насосы и насосы прямодействующие;
- числом поршней и их конструкцией - одностороннего и двухстороннего действия, дву-, тре- и многопоршневые.
Неравномерность подачи буровых насосов является результатом преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, осуществляемое кривошипно-шатунным механизмом. Для уменьшения вредного влияния степени неравномерности подачи эти насосы применяют с компенсаторами, снижающими пульсации давления.
Известен буровой насос, описанный в книге Алексеевский Г.В. Буровые установки Уралмашзавода. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1981, - 528 с.
Насос состоит из двух основных, функционально связанных составных частей: гидравлической и механической, смонтированных на общей раме.
Гидравлическая часть включает: гидравлический блок с размещенными попарно входным и выходным клапанами, цилиндропоршневую группу, блок охлаждения цилиндропоршневой группы, пневмокомпенсатор и предохранительный клапан.
Механическая часть включает: редуктор, корпус с узлами системы смазки, блок распределения, кривошипно-ползунный механизм, трансмиссионный вал и приводной шкив.
Обычно передача мощности от приводного двигателя на трансмиссионный вал бурового насоса осуществляется посредством клиноременной передачи, как в описанном выше ближайшем аналоге. Она состоит из двух шкивов, комплекта клиновых ремней и ограждения. Приводной двигатель и вал передачи со шкивом, установленный на стойках крепятся к промежуточной раме. Рама может передвигаться с помощью натяжных устройств с целью облегчения монтажа ремней на шкив, а также при натяжении ремней на требуемую величину. Основное натяжение ремней при эксплуатации выполняется за счет перемещения электродвигателя и ведущего вала со шкивом винтовыми устройствами. Ограждение передачи имеет боковые сетчатые стенки, которые позволяют наблюдать за состоянием ремней.
Применяемая при обычной компоновке передача вращающей мощности посредством клиноременной передачи имеет следующие недостатки:
- невысокий коэффициент полезного действия;
- значительные затраты времени при монтаже/демонтаже;
- необходимость в замене ремней;
- повышенный шум и вибрации от передачи;
- повышенная нагрузка на трансмиссионный вал и его подшипники;
- значительная занимаемая клиноременной передачей, ее ограждением и приводным двигателем площадь.
Наиболее близким аналогом заявляемого устройства является устройство для передачи мощности от приводного электродвигателя на трансмиссионный вал бурового насоса, ротор электродвигателя которого непосредственно установлен на трансмиссионный вал насоса, а статор приводного электродвигателя прикреплен к корпусу насоса, причем ротор и статор установлены соосно с трансмиссионным валом (RLJ 112255 U1, 10.01.2012). Недостаток ближайшего аналога в том, что присутствуют пульсации момента, связанные с принципом работы бурового насоса.
Технический результат заявляемого технического решения заключается в том, что предлагаемые компоновки бурового насосного агрегата позволяет снизить пульсации момента, связанные с принципом работы бурового насоса. Кроме того, имеем следующие преимущества:
- экономия до 7% передаваемой мощности;
- отсутствие ремней, шкивов и ограждений;
- меньшие эксплуатационные затраты и высокая надежность;
- ротор двигателя устанавливается непосредственно на трансмиссионный вал, что исключает необходимость создания дополнительной радиальной нагрузки (натяжение ремней);
- отсутствие собственных подшипников исключает необходимость в их обслуживании;
- уменьшение занимаемой агрегатом площади до 30% и длины до 2 м. Заявляемый технический результат достигается следующим образом.
Заявляется устройство для передачи мощности от приводного электродвигателя на трансмиссионный вал бурового насоса, ротор электродвигателя которого непосредственно установлен на трансмиссионный вал насоса, а статор приводного электродвигателя прикреплен к корпусу насоса, отличающееся тем, что на противоположный конец трансмиссионного вала установлено маховое колесо.
Заявляется устройство для передачи мощности от приводного электродвигателя на трансмиссионный вал бурового насоса, ротор электродвигателя которого непосредственно установлен на трансмиссионный вал насоса, а статор приводного электродвигателя прикреплен к корпусу насоса, отличающееся тем, что на каждый конец трансмиссионного вала установлены два синхронно работающих электродвигателя.
Заявляемая полезная модель поясняется иллюстрациями.
На Фиг.1 представлена общая компоновка бурового насосного агрегата, где:
1 - электродвигатель;
2 - корпус насоса;
3 - кронштейн крепления электродвигателя;
4 - рама;
5 - трансмиссионный вал;
6 - цилиндропоршневая группа;
7 - пневмокомпенсатор;
8 - коробка выводов.
На Фиг.2 представлена установка электродвигателя на насос, где:
1 - электродвигатель;
2 - корпус насоса;
3 - кронштейн крепления электродвигателя;
4 - рама;
5 - трансмиссионный вал;
9 - ротор электродвигателя;
10 - обмотка ротора;
11 - обмотка статора;
12 - статор;
13 - крышка;
14 - цанга;
15 - фланец.
На Фиг.3 показан вариант установки двух приводных электродвигателей на насос, где:
1 - электродвигатели;
2 - корпус насоса.
На Фиг.4 показана установка на свободный выступающий конец трансмиссионного вала махового колеса, где:
1 - электродвигатель;
2 - корпус насоса;
16 - маховое колесо.
В заявляемом нами буровом насосном агрегате передача мощности осуществляется посредством электродвигателя 1, ротор (не указан на Фиг.1) которого непосредственно установлен на трансмиссионный вал 5 насоса (Фиг.1).
При этом в конструкцию и принцип работы самого насоса не вносятся какие-либо изменения. Статор 12 приводного электродвигателя 1 крепится к корпусу насоса 2 либо к его раме 4 посредством кронштейна 3. Данный кронштейн 3 закреплен на корпусе насоса 2 либо на его раме 4. Основная функция данного кронштейна заключается в восприятии нагрузки от силы тяжести статора 12 электродвигателя и реактивного момента, возникающего в ответ на рабочий момент, развиваемый электродвигателем 1. Соосность ротора 9, установленного на трансмиссионный вал 5 насоса и статора 12 осуществляется посредством фланцевого крепления (Фиг.2). Фланец 15 установлен соосно с трансмиссионным валом насоса 5 любым известным способом. Это может быть замена штатной подшипниковой крышки насоса на данный фланец 15 (как изображено на Фиг.2) либо его дополнительная установка. В любом случае за базу для установки фланца 15 должна быть взята любая поверхность соосная (концентричная) с трансмиссионным валом. Данный фланец 15 выполняет роль детали, которая обеспечивает соосное расположение ротора 9 и статора 12 приводного электродвигателя 1. Для закрепления ротора 9 приводного электродвигателя 1 на трансмиссионном валу 5 насоса может быть использовано крепление в виде цанги 14 со шпонкой, как изображено на Фиг.2, либо другой способ крепления, к примеру, в виде шлицевого зацепления. Крепление ротора 9 с помощью цанги 14, либо какого-либо другого известного способа крепления, призвано обеспечить надежную фиксацию ротора 9 приводного электродвигателя 1 относительно трансмиссионного вала 5 насоса от проворота и для облегчения возможности проведения монтажных операций, связанных с установкой и снятием ротора 9 с трансмиссионного вала 5. Ротор 9 приводного электродвигателя 1 устанавливается без каких промежуточных подшипниковых опор. Это позволяет избежать дополнительных взаимных нагрузок на подшипники трансмиссионного вала 5 насоса и электродвигателя 1 от возможных перекосов при установке и в процессе износа подшипников либо мест их установки. Отсутствие подшипников в приводном электродвигателе позволяет также упростить конструкцию самого электродвигателя и обеспечить более компактное его расположение в буровом насосном агрегате.
При использовании электродвигателей меньшей мощности возможна аналогичная вышеописанному установка двух электродвигателей 1 по одному на каждый выступающий конец трансмиссионного вала насоса (Фиг.3). В этом случае электродвигатели должны работать синхронно.
При установке одного электродвигателя на противоположный свободный конец трансмиссионного вала может быть установлено маховое колесо (маховик) 16, который позволяет снизить пульсации момента, связанные с принципом работы бурового насоса (Фиг.4).
Желательно, чтобы устанавливаемые электродвигатели были таких размеров, чтобы общие размеры получившегося насосного агрегата не превышали транспортный габарит. Это позволяет транспортировать насосный агрегат в собранном виде.
Предлагаемая нами компоновка бурового насосного агрегата (насоса с приводным электродвигателем) может применяться как для вновь выпускаемых насосов, так и для насосов, уже находящихся в эксплуатации. Переход на предлагаемую компоновку насосного агрегата позволяет сэкономить до 7% передаваемой мощности, что, в свою очередь, позволяет увеличить мощность насоса (увеличить выходное давление).
Проведенные расчеты предлагаемой компоновки бурового насосного агрегата по сравнению с насосами, приводимыми по обычной схеме, позволяют судить о том, что нагрузка на подшипники может быть снижена от 30 до 60%, что в свою очередь ведет к увеличению их долговечности до 20 раз. Такой запас позволяет применять менее дорогостоящие подшипники и снизить требования к их обслуживанию. Кроме того, отсутствие натяжения от клиноременной передачи позволяет значительно снизить радиальную нагрузку на трансмиссионный вал и увеличить надежность самого трансмиссионного вала в виду повышения его усталостной прочности.
Отсутствие клиноременной передачи уменьшает время запуска насосного агрегата из-за отсутствия необходимости установки и натяжения ремней клиноременной либо цепей цепной передачи. Также значительно уменьшаются эксплуатационные затраты, связанные с необходимостью контроля за ремнями, их замене, меньшими затратами на обслуживание подшипников трансмиссионного вала.
Уменьшение габаритов насосного агрегата дает возможность уменьшить размеры насосного блока буровой установки и увеличить пространство для обслуживающего персонала.