Что, если бы один компонент в вашей компоновке низа бурильной колонны мог бы сократить время цикла бурения на двузначные проценты, одновременно улучшив управление направлением и сократив непроизводительное время? Это перспектива и проблема современного забойного двигателя. Несмотря на десятилетия использования, забойный двигатель продолжает совершенствовать себя, предлагая более высокий крутящий момент, лучшие эластомеры и более интеллектуальную телеметрию, что делает его центральным элементом высокопроизводительного бурения в узких окнах, длинных стволах и абразивных пластах.
Основная идея этой статьи проста: забойный двигатель остается основным фактором, определяющим скорость проходки (МСП) и контроль траектории как в традиционных, так и в нетрадиционных скважинах. Однако не все двигатели одинаковы, и получаемая вами выгода зависит от понимания конструктивных компромиссов, качества компонентов и рабочих параметров.
В этом посте вы узнаете, как работает забойный двигатель, как каждый компонент влияет на производительность, как сопоставить характеристики двигателя с вашей геологией и задачами скважины, а также как сравнивать поставщиков с помощью сравнений на основе данных.
Ключевой вывод
Забойный двигатель преобразует гидравлическую энергию бурового раствора в механическое вращение, обеспечивая более высокую скорость проходки и превосходное управление направлением, особенно при скользящем бурении и моторизованном РУС.
Оптимальный выбор зависит от геометрии статора/ротора, кривых крутящего момента и скорости, химического состава эластомеров и целостности таких узлов, как разгрузочный узел, карданный вал и трансмиссионный вал.
Окна параметров на основе данных (расход, перепад давления, нагрузка на долото, нагрузка на долото, частота вращения) и цифровая диагностика уменьшают остановку двигателя, образование фрагментов и отказы эластомеров.
Новые материалы и телеметрия обеспечивают более длительные пробеги, более высокий средний крутящий момент и меньшее количество поездок, что снижает стоимость за фут и общее количество дней бурения.
Забойный двигатель
А Забойный двигатель — это двигатель объемного действия (ВЗД), который использует буровой раствор для вращения приводного вала, соединенного с долотом. Двигатель установлен в компоновке низа бурильной колонны (КНБК) и может быть ориентирован с помощью изгиба для контроля направления. В отличие от вращения поворотного стола или верхнего привода, забойный двигатель обеспечивает вращение долота независимо от частоты вращения бурильной колонны. Эта развязка является основной причиной того, почему современное наклонно-направленное бурение может поддерживать высокую скорость проходки, сохраняя при этом жесткие пределы резкого отклонения.
В своей классической форме забойный двигатель состоит из:
Силовая часть (статор и ротор), которая преобразует давление жидкости в крутящий момент и число оборотов в минуту.
Механическая связь (часто карданный вал или система универсального шарнира), которая передает вращение через изогнутый корпус без чрезмерных напряжений, связанных с перекосом.
Подшипниковый узел и трансмиссионный вал, воспринимающие осевые и радиальные нагрузки и передающие крутящий момент на долото.
Вспомогательные компоненты, такие как сливной узел, для безопасного слива жидкости во время соединений или когда насосы выключены.
По своей конструкции забойный двигатель хорошо себя зарекомендовал в ситуациях, когда:
Траектория скважины требует частого бурения слайдов или точной скорости наращивания/поворота.
Твердые породы требуют более высокого крутящего момента долота при более низких оборотах во избежание износа резца.
Длинные боковые стволы выигрывают от снижения частоты вращения на поверхности, что снижает усталость бурильной колонны.
К ключевым показателям эффективности (КПЭ) забойного двигателя относятся:
Крутящий момент на коронке (зависит от перепада давления в силовой части).
Выходная частота вращения двигателя (функция расхода и геометрии лепестков).
Крутящий момент и поведение при срыве (как он справляется с перегрузкой и как восстанавливается).
Срок службы подшипников и температурная устойчивость (особенно критично в скважинах с высокой забойной температурой).
Общее количество кадров за прогон и часы между заездами.
Компоненты забойных двигателей
Чтобы выбрать или эффективно эксплуатировать забойный двигатель, необходимо понять, какой вклад вносит каждый основной компонент:
Силовая часть (статор + ротор): определяет крутящий момент, диапазон скоростей и термическое сопротивление.
Изгиб или регулируемый корпус: задает поведение торца инструмента и достижимую степень кривизны.
Муфты кардана или приводного вала: гибко передают крутящий момент при несоосности.
Трансмиссионный вал и пакет подшипников: воспринимают осевую нагрузку (WOB) и радиальные нагрузки при одновременном использовании смазочных материалов.
Узел сброса: контролирует безопасный перепуск жидкости при остановке насосов.
Уплотнения, эластомеры и смазочные материалы: защищают от температуры, загрязнения маслом/кислотой и твердых частиц.
У каждой детали есть режимы отказа. Например, расслоение эластомера статора происходит из-за термоциклирования или химической несовместимости; карданные пальцы изнашиваются при колебательных нагрузках; Пакеты подшипников выходят из строя из-за проникновения мусора или недостаточной осевой нагрузки. Понимание этих режимов позволяет использовать более разумные окна параметров и средства контроля рисков.
Секция сборки самосвала
Самосвальный агрегат — невоспетый герой надежности двигателя. Его задача — обеспечить путь для бурового раствора при потере давления насоса (например, во время соединения), предотвращая повреждение, вызванное вакуумом, и задержку давления внутри двигателя. Хорошо спроектированный узел разгрузки помогает избежать дифференциального прихвата и защищает уплотнения, уравнивая внутреннее и внешнее давление. Типичные особенности включают в себя:
Обратные клапаны или подпружиненные тарелки, которые открываются в условиях обратного потока.
Каналы потока имеют такой размер, чтобы предотвратить чрезмерные скачки давления при закрытии.
Эрозионностойкие материалы, выдерживающие абразивную резку.
Эксплуатационные преимущества:
Обеспечивает быстрое и безопасное соединение за счет смягчения эффектов тампона/помпажа в двигателе.
Снижает риск расслоения статора за счет предотвращения скачков обратного давления.
Продлевает срок службы подшипников и уплотнений за счет предотвращения образования давления во время работы насосов.
Рекомендации по выбору:
Совместимость с жидкостями с высоким содержанием твердых частиц.
Скорость эрозии при ожидаемой скорости потока.
Доступность для технического обслуживания и удобство обслуживания в полевых условиях.
Данные: полевые исследования в сланцевых бассейнах показывают, что двигатели с оптимизированными разгрузочными узлами имеют среднее время работы на 8–15 % дольше, что обусловлено меньшим количеством отказов уплотнений и меньшим количеством событий, связанных с давлением во время соединений.
Мотор
Сердцем забойного двигателя является силовая часть, состоящая из стального винтового ротора и статора с эластомерной футеровкой. Пара ротор-статор образует прогрессивные полости. При движении бурового раствора в этих полостях образуется перепад давления, вызывающий вращение. Геометрия выражается в долях (например, 4:5, 5:6, 7:8). Большее количество лепестков обычно обеспечивает более высокий крутящий момент при более низких оборотах, тогда как меньшее количество лепестков обеспечивает более высокие обороты при более низком крутящем моменте.
Ключевые параметры конструкции:
Конфигурация лепестков: определяет кривую крутящего момента-скорости. Двигатели с высокими лопастями подходят для твердых пород и долот PDC, требующих крутящего момента; низколопастные двигатели отлично подходят для работы в мягких породах, требующих более высоких оборотов в минуту.
Длина и шаг статора. Более длинные силовые секции обеспечивают больший крутящий момент, но увеличивают перепад давления и длину.
Тип эластомера: высокотемпературный гидрогенизированный нитрил (HNBR) и перфторэластомеры (FFKM) устойчивы к термическому разложению и набуханию в масле; стандартный NBR работает в более прохладных средах на водной основе.
Покрытие ротора: Покрытия из хрома или карбида вольфрама снижают износ и поддерживают эффективность уплотнения.
Типичные диапазоны производительности:
Выходная частота вращения: 50–300 об/мин в зависимости от количества лепестков и скорости потока.
Крутящий момент: 1 000–12 000 фут-фунтов в зависимости от размера (например, 4,75 дюйма, 6,75 дюйма, 8 дюймов) и геометрии кулачка.
Перепад давления в силовой части: 200–900 фунтов на квадратный дюйм для моделей среднего класса, выше для вариантов с высоким крутящим моментом.
Виды отказов, на которые стоит обратить внимание:
Статор раскалывается или отслаивается из-за нагревания/химических процессов.
Износ ротора приводит к потере крутящего момента и увеличению проскальзывания.
Термическое несоответствие между ротором и статором, приводящее к остановке при высокой температуре.
Окно параметров:
Поддерживайте скорость потока в таблицах поставщиков, чтобы сохранить баланс оборотов в минуту и ??крутящего момента.
Установите максимальное давление на двигателе на уровне 80–90 % от номинального давления срыва во время бурения в установившемся режиме.
Следить за температурой; кривые крутящего момента при температуре выше 300°F (150°C) ухудшаются, если не используются жаропрочные эластомеры.
Карданный вал
Карданный вал, иногда называемый универсальным шарниром, передает движение ротора через изогнутый корпус на трансмиссионный вал, компенсируя при этом несоосность. В направленной компоновке корпус может быть изогнут на 1–3 градуса, в результате чего выходная ось двигателя отклоняется от оси бурильной колонны. Карданный вал обеспечивает такую ??геометрию без создания изгибающих моментов, которые в противном случае могли бы повредить силовую часть или подшипники.
Элементы дизайна:
Двойные U-образные шарниры или пары шарниров равных скоростей для компенсации колебаний скорости.
Заполненные смазкой корпуса с компенсацией давления для защиты пальцев и втулок.
Штифты из высокопрочного сплава с поверхностной обработкой (например, азотированием) для повышения износостойкости.
Компромиссы:
Более простые U-образные соединения надежны и просты в обслуживании, но создают пульсации крутящего момента.
ШРУСы обеспечивают плавное вращение, но могут быть более сложными и чувствительными к качеству смазки.
Общие проблемы:
Износ пальца/втулки приводит к увеличению люфта и нестабильности торца инструмента.
Неисправности уплотнений приводят к потере смазки и быстрому разрушению соединения.
Усталость при сильном наклоне в сочетании с высокими оборотами в минуту и ??нагрузкой.
Лучшие практики:
Поддерживайте умеренную скорость вращения скользящего бурения; позвольте забойному двигателю выполнять работу при минимальной частоте вращения на поверхности.
Используйте данные MWD о ударах/вибрациях в режиме реального времени, чтобы обнаружить условия резонанса в суставах.
Осмотрите стыки между пробегами; заменяйте при измеренном пороге износа, чтобы предотвратить катастрофический отказ.
Трансмиссионный вал
Передаточный вал, иногда называемый приводным валом, передает крутящий момент и передает осевые и радиальные нагрузки от двигателя к долоту. Его целостность во многом определяет, какую нагрузку на долото (WOB) вы можете применить без ущерба для подшипников или уплотнений.
Основные элементы:
Пакет упорных подшипников: Состоит из сложенных друг на друга радиально-упорных подшипников или упорных подушек PDC для поглощения осевых нагрузок от нагрузки на долото и реакций долота.
Радиальные подшипники: стабилизируют вал, чтобы минимизировать завихрение и защитиего производственного процесса нашего механического бурового яса. Наши продукты проходят тщательные проверки и испытания на соответствие отраслевым стандартам и обеспечивают оптимальную функциональность.
Механические уплотнения: не допускайте попадания смазки и выхода бурового раствора; могут использовать поршни с компенсацией давления для балансировки внутреннего масла и гидростатического давления бурового раствора.
Гибкая часть вала: в некоторых конструкциях гибкая секция помогает разделить напряжения изгиба.
Управление нагр? зкой:
Номинальные значения осевой нагрузки должны незначительно превышать запланированную нагрузку на нагрузку (например, на 20–30%), чтобы компенсировать кратковременные скачки нагрузки во время остановок.
Радиальная нагрузка должна выдерживать боковые силы, создаваемые долотом, особенно при использовании агрессивных резцов PDC с большим углом наклона.
Смазка:
Маслонаполненные герметичные модули снижают износ; вязкость и пакеты присадок должны соответствовать температуре.
Удаление мусора с помощью лабиринтных уплотнений и магнитных коллекторов улучшает жизнь в буровом растворе с высоким содержанием твердых частиц.
Мониторинг:
Заключение
Забойный двигатель — это не товар, а настроенная система, производительность которой зависит от геометрии силовой части, химического состава эластомеров, муфт вала, подшипников и интеллектуального управления жидкостью. При правильном сочетании операторы могут добиться более высокой скорости проходки, более точного управления направлением и меньшего количества поездок, что снижает затраты на фут и дни бурения.
Наиболее эффективные программы рассматривают забойный двигатель как информационный продукт. Калибруйте кривые крутящего момента-скорости, отслеживайте перепад давления, остановки каротажа и ударные события, а также повторяйте выбор эластомера с учетом химического состава бурового раствора и забойной температуры. Объедините эти методы с надежными разгрузочными устройствами, прочными карданными валами и трансмиссионными валами с соответствующими номинальными характеристиками, и вы существенно улучшите производительность за один пробег и NPT.
Часто задаваемые вопросы
Вопрос: Что такое забойный двигатель?
A: Забойный двигатель — это двигатель объемного действия, используемый в компоновке низа бурильной колонны для преобразования энергии бурового раствора в механическое вращение долота. Это обеспечивает более высокую скорость проходки и контроль направления.
Вопрос: Как количество лепестков влияет на производительность?
Ответ: Большее количество лепестков обычно обеспечивает больший крутящий момент при более низких оборотах, что полезно при работе в твердых породах. Меньшее количество лепестков обеспечивает более высокие обороты при меньшем крутящем моменте, что лучше в более мягких породах.
Вопрос: Почему важна сборка дампа?
A: Он предотвращает защемление давления и повреждение вакуума при остановке насосов, защищая уплотнения и эластомеры, а также уменьшая NPT во время соединений.
Вопрос: Что вызывает остановку двигателя?
О: Чрезмерная нагрузка на нагрузку или внезапное зацепление долота могут превысить момент срыва. Работа слишком близко к максимальному перепаду давления увеличивает риск остановки.
Вопрос: Как я могу продлить срок службы двигателя?
A: Следуйте окнам параметров, выбирайте правильный эластомер для температуры и химического состава бурового раствора, контролируйте перепад давления и крутящий момент, а также обслуживайте подшипники и соединения по графику.
Вопрос: Каковы распространенные режимы отказа?
Ответ: Растрескивание статора, износ ротора, износ карданного пальца/втулки, выход из строя уплотнений и деградация подшипников из-за мусора или термического напряжения.
Вопрос: Когда мне следует выбирать высокотемпературный эластомер?
О: Когда статическая или циркуляционная забойная температура превышает примерно 300°F (150°C) или когда буровые растворы на нефтяной основе рискуют разбухнуть стандартные нитриловые эластомеры.
Вопрос: Можно ли использовать скважинные двигатели с роторно-управляемыми системами (РУС)?
А: Да. Моторизованная RSS сочетает в себе двигатель и инструмент RSS, что позволяет сочетать высокую скорость проходки с отличным контролем траектории, особенно на длинных отводах.
Вопрос: Как мне подобрать двигатель к моей коронке?
О: Используйте диаграммы зависимости крутящего момента от скорости и агрессивности долота, чтобы выбрать рабочий диапазон, в котором крутящий момент достаточен без частых остановок, а частота вращения соответствует долговечности фрезы.
