Винтовые буровые инструменты для скважинного бурения — базовые знания
Обзор. Винтовой буровой инструмент представляет собой объемный буровой инструмент, использующий буровой раствор (бульдозерный раствор) в качестве источника энергии и преобразующий гидравлическую энергию в механическую. Бульдозерный раствор, закачиваемый с поверхности, проходит через перепускной клапан в буровой двигатель. Разница давлений между входом и выходом двигателя заставляет ротор вращаться внутри статора. Скорость вращения и крутящий момент ротора передаются через карданный шарнир (гибкий вал) и приводной вал к буровому долоту, обеспечивая бурение.
Основные компоненты. Буровая установка винтового типа состоит, главным образом, из четырех основных узлов: перепускного клапана, бурового двигателя, карданного шарнира и приводного вала.
Буровой двигатель. Буровой двигатель является основным компонентом. Опыт эксплуатации и теоретический анализ показывают, что для нормальной и надежной работы перепад давления на каждой ступени двигателя в идеале не должен превышать 0,8 МПа; в противном случае происходит утечка жидкости, скорость вращения ротора резко падает, а в тяжелых случаях вращение может остановиться, и двигатель может быть поврежден. (Один вывод двигателя равен одной ступени.) Расход бурового раствора, используемый в полевых условиях, должен поддерживаться в пределах рекомендуемого диапазона; расход за пределами этого диапазона снижает эффективность двигателя и увеличивает износ. Параметры работы двигателя определяют основные характеристики всей буровой установки. Теоретический выходной крутящий момент двигателя пропорционален перепаду давления в двигателе, а выходная скорость вращения пропорциональна входному расходу бурового раствора. По мере увеличения нагрузки на долото частота вращения падает; поэтому, контролируя расход и давление насоса на поверхности (с помощью манометра в стояке), можно определить и контролировать крутящий момент и скорость вращения в скважине.
Перепускной клапан. Перепускной клапан состоит из корпуса, втулки, клапанного элемента (сердечника) и пружины. Под давлением клапанный элемент скользит внутри втулки, и его положение изменяет путь жидкости, обеспечивая два состояния: перепускное (открытое) и закрытое. Во время спуска или подъема бурового раствора отверстия втулки и корпуса открыты, поэтому буровой раствор обходит двигатель и поступает в кольцевое пространство. Когда поток бурового раствора и давление достигают заданного значения клапана, клапанный элемент опускается вниз и закрывает перепускное отверстие; затем буровой раствор проходит через двигатель, преобразуя гидравлическую энергию в механическую. Если поток становится слишком малым или перекачка прекращается, пружина толкает клапанный элемент вверх, и клапан снова открывается, поэтому буровой раствор снова обходит двигатель.
Конструкция и принцип работы двигателя. Двигатель состоит из статора и ротора. Статор изготавливается путем приклеивания резиновой прокладки к внутренней стенке стального корпуса; его внутреннее отверстие представляет собой спираль с заданной геометрией. Ротор представляет собой винт из закаленной стали. Ротор и статор зацепляются, образуя спиральные герметичные камеры благодаря разнице в шаге, что обеспечивает преобразование энергии. Роторы могут быть одно- или многолопастными (одноголовыми или многоголовыми). Меньшее количество лопастей обеспечивает более высокую скорость, но меньший крутящий момент; большее количество лопастей обеспечивает более низкую скорость и больший крутящий момент.
Карданный шарнир. Карданный шарнир преобразует планетарное (эксцентрическое) движение двигателя в равномерное вращение приводного вала и передает крутящий момент и скорость двигателя на приводной вал и буровой долото. Чаще всего используются шарниры с гибким валом.
Приводной вал передает вращательную мощность от двигателя к буровому долоту, а также должен выдерживать осевые и радиальные нагрузки, возникающие из-за веса бурового долота и контакта с пластом.
Эксплуатационные требования
Требования к буровому раствору. Винтовые буровые двигатели могут эффективно работать с различными буровыми растворами, включая растворы на масляной основе, эмульсии, бентонитовые растворы на водной основе и даже относительно чистую воду. Вязкость и плотность раствора мало влияют напрямую на производительность двигателя, но напрямую влияют на давление в системе. Если давление при рекомендуемом расходе превышает номинальное давление насоса, расход следует уменьшить или снизить перепад давления на двигателе и долоте. Твердые частицы, такие как песок, ускоряют износ подшипников и статора двигателя, поэтому содержание твердых частиц должно быть ниже 1%. Для каждой модели двигателя установлен определенный диапазон входного расхода, при котором достигается высокая эффективность; среднее значение этого диапазона, как правило, является оптимальным рабочим расходом.
Регулирование давления бурового раствора и давления насоса. Когда двигатель находится над дном и поток постоянен, перепад давления на двигателе остается постоянным. По мере того, как долото касается дна и увеличивается нагрузка на долото, циркуляционное давление и давление насоса возрастают. Бурильщик может использовать формулу: Давление насоса на забое (во время бурения) = Циркуляционное давление насоса над забоем + перепад давления под нагрузкой двигателя. Циркуляционное давление насоса над забоем — это давление насоса, когда двигатель находится над забоем (также называемое давлением насоса в свободном состоянии над забоем или циркуляционным давлением насоса). Оно изменяется в зависимости от глубины скважины и свойств бурового раствора, поэтому не является фиксированной константой. На практике достаточно использовать давление над забоем, измеренное сразу после подъема долота, в качестве приблизительного значения для расчетов управления. Когда давление насоса на забое достигает рекомендуемого максимального значения для двигателя, двигатель развивает оптимальный крутящий момент; дальнейшее увеличение нагрузки на долото повысит давление насоса, и, если будет превышено максимальное расчетное давление, двигатель может заглохнуть. В этом случае бурильщик должен немедленно уменьшить нагрузку на долото, чтобы предотвратить внутренние повреждения.
Обращение и использование
Общие замечания перед первым использованием: Резьбовые соединения между компонентами изготавливаются на заводе с использованием анаэробного клея и затягиваются с заданным моментом затяжки; повторная затяжка перед первым использованием обычно не требуется.
Осмотр поверхности перед забивкой в скважину.
Поднимите узел за подъемный механизм и поместите его на поворотный стол так, чтобы перепускной клапан располагался над столом и был хорошо виден. Установите предохранительные накладки и снимите подъемный механизм.
Проверьте работу перепускного клапана: нажмите на элемент клапана деревянной палочкой и отпустите; пружина должна плавно вернуть элемент в исходное положение. Повторите 3–5 раз, чтобы убедиться в отсутствии заедания.
При расположении перепускного патрубка под поворотным столом кратковременно запустите насос: перепускной патрубок должен закрыться, двигатель должен запуститься, а приводной шарнир должен повернуться. После остановки насоса клапанный элемент должен вернуться в исходное положение, и через перепускной патрубок должен выйти шлам, что свидетельствует о нормальной работе.
Запуск двигателя в отверстие
Строго контролируйте скорость вращения, чтобы избежать резкого снижения, которое может привести к реверсу двигателя и отвинчиванию внутренних резьбовых соединений, а также чтобы предотвратить повреждения при прохождении через песчаные мостики, обсадные трубы или уступы.
На глубоких или высокотемпературных участках, а также при прохождении зон с рыхлым песком, периодически прокачивайте буровой раствор для охлаждения двигателя, защиты резиновой обшивки статора и предотвращения забивания песком.
По мере приближения двигателя к дну замедляйте вращение; перед окончательным размещением бурового раствора осуществляйте циркуляцию, начиная с низкого расхода, пока буровой шлам не поднимется на поверхность, затем увеличивайте расход по мере необходимости.
Не следует резко ударять мотор о дно или оставлять его неподвижно лежать на дне.
Сверление с помощью двигателя
Перед началом бурения тщательно очистите дно скважины и измерьте давление циркуляционного насоса над дном.
В начале постепенно увеличивайте нагрузку при бурении. Используйте приведенную выше зависимость давления насоса от давления для управления буровыми работами.
Не сверлите слишком быстро на начальном этапе; двигатель, сверло и дно отверстия находятся в «плотном» положении, и недостаточная очистка отверстия может привести к застреванию сверла.
Крутящий момент двигателя пропорционален падению давления в двигателе; увеличение веса на буровом долоте увеличивает нагрузку на двигатель, а следовательно, и падение давления, а также крутящий момент двигателя.
Плавная и равномерная скорость проходки, а также наличие витков бурильной колонны помогают поддерживать контроль наклона скважины и точность направления бурения.
Извлечение из скважины и осмотр
Промойте перепускной клапан чистой водой и перемещайте клапанный элемент вверх и вниз деревянной палочкой, пока он не будет надежно закрываться.
Захватите узел трубным ключом, поверните приводной шарнир по часовой стрелке цепным ключом, одновременно впрыскивая чистую воду через верхнюю часть перепускного клапана для промывки внутренней части, затем введите небольшое количество смазочного масла (минерального масла) в двигатель.
Контролируйте скорость протяжки, чтобы избежать застревания трубы или повреждения двигателя.
Измерьте зазор в подшипниках; если зазор в подшипниках вала превышает допустимые пределы, двигатель необходимо отремонтировать, а подшипники заменить. В двигателях, используемых для повторного ввода в эксплуатацию или капитального ремонта, осевой зазор в подшипниках следует регулировать по мере необходимости.
Контрольный список для проверки поверхности перед началом забега (краткое изложение)
Фиксатор резьбы наносится на все корпуса, за исключением соединения подъемного клапана с перепускным клапаном.
Установите насадку винтового типа, используя соответствующий адаптер. Используйте цепной ключ только со стороны приводного вала и вращайте только против часовой стрелки (если смотреть сверху) при затяжке, чтобы избежать ослабления внутренней резьбы.
Поднимите двигатель за подъемный механизм и установите его во вращающееся устройство; расположите перепускной клапан так, чтобы его было видно, закрепите его с помощью зажимов и снимите подъемный механизм.
Проверьте герметичность перепускного клапана: нажмите на клапанный элемент и заполните перепускную зону водой сверху. Если клапан герметичен, значительного падения уровня воды быть не должно. Удалите стержень; клапанный элемент должен подпрыгнуть под действием пружины, и вода должна равномерно вытекать из боковых отверстий — это указывает на нормальное состояние.
После обкатки установите перепускной клапан так, чтобы он был виден под бурильной колонной/ротором. Запустите грязевой насос и постепенно увеличивайте поток, пока перепускной клапан не закроется. Слегка приподнимите двигатель и понаблюдайте, вращается ли долото; при закрытом клапане буровой раствор не должен выходить через перепускной канал. После остановки насоса убедитесь, что перепускной канал снова открывается и буровой раствор выходит через перепускные отверстия. Не поднимайте перепускной клапан выше вращающегося стола, пока насос еще работает, чтобы избежать загрязнения буровой площадки.
Соберите все необходимые изогнутые опоры, немагнитные бурильные колонны, стабилизаторы и т. д. в соответствии с проектной конструкцией.
Игра в условиях отставания — дополнительные рекомендации
Контролируйте скорость спуска, чтобы избежать повреждений от песчаных перемычек, уступов или башмаков обсадной колонны. При обнаружении таких участков циркулируйте буровой раствор и медленно расширяйте скважину, прежде чем продолжать работу.
При использовании изогнутых переходников или корпусов, сторона долота может легче соприкасаться со стенкой скважины или башмаками обсадной трубы; периодически поворачивайте узел, чтобы уменьшить боковое смещение.
В глубоких или высокотемпературных скважинах во время спуска следует проводить периодическую циркуляцию, чтобы предотвратить засорение долота и защитить резиновые уплотнители статора от повреждений, вызванных перегревом.
Если во время спуска ил не проходит быстро через обводной патрубок, уменьшите скорость обкатки или периодически делайте паузы, чтобы заполнить двигатель илом. Не трясите двигатель и не ставьте его на дно.
Запуск двигателя в отверстие
Если двигатель находился внизу, поднимите его на 0,3–0,4 м и запустите грязевой насос. Запишите давление в стояке и сравните его с гидравлическими расчетами. Незначительно повышенное давление является нормальным из-за боковой нагрузки на долото.
Тщательно очистите дно скважины, особенно в наклонно-направленных скважинах. Накопившийся буровой шлам влияет на частоту вращения и может вызвать искривление ствола. Надлежащая циркуляция при медленном вращении двигателя (или вращении с шагом 30–40° за раз) очистит дно от бурового шлама. После очистки поднимите двигатель на 0,3–0,4 м, проверьте и запишите значения давления.
Снова войдите в долото, постепенно увеличивая нагрузку на него; крутящий момент двигателя возрастет, и давление в стояке увеличится. Увеличение давления в стояке должно соответствовать значениям перепада давления, указанным для данной модели двигателя. Мониторинг этого повышения обеспечивает обратную связь о том, что нагрузка на двигатель и вес бурового инструмента соответствуют норме, а скорость вращения двигателя стабильна. Поддерживайте давление в стояке в пределах рекомендованных производителем значений, чтобы бурильщик мог оперативно оценить состояние инструмента.
Если двигатель находится над дном и давление циркуляции высокое, сопла бурового долота могут засориться или приводной вал может заклинить.
Нахождение в состоянии наркотического опьянения — меры предосторожности
Во время отключения двигателя перепускной клапан находится в открытом состоянии и позволяет бурильной жидкости из бурильной колонны поступать в затрубное пространство, но двигатель не может самостоятельно сбрасывать жидкость. Обычно перед отключением двигателя верхнюю часть бурильной колонны заполняют более тяжелой жидкостью, чтобы обеспечить безопасное вытеснение.
После того, как двигатель достигнет уровня перепускного клапана на буровой площадке, снимите компоненты перепускного клапана и промойте двигатель чистой водой через верхнюю часть перепускного клапана. Используйте деревянную палочку или рукоятку молотка, чтобы перемещать элемент клапана вверх и вниз, пока он не начнет свободно двигаться. После очистки снова подсоедините подъемный механизм и вытащите двигатель.
Если на месте имеется возможность промывки двигателя чистой водой, перед хранением необходимо тщательно промыть двигатель.
Если средства для очистки недоступны, закрепите корпус двигателя на буровой площадке, зажмите и поверните большой конец приводного вала (конец, соединяющийся с долотом) гидравлическими клещами, вращая его по часовой стрелке (в том же направлении, что и вращение при бурении в скважине). Это вытеснит буровой раствор из герметичных камер двигателя и поможет защитить двигатель от коррозии. Эта процедура особенно важна зимой, чтобы предотвратить замерзание остатков бурового раствора внутри двигателя до его повторного запуска.
