Винтовой забойный двигатель (ВЗД): Конструктивные и технологические преимущества для условий сложного бурения

Винтовой забойный двигатель (ВЗД) относится к типу объемных роторных гидравлических силовых агрегатов и широко применяется для создания скважин различной глубины и направленности. Первые разработки были сделаны еще в 60-х годах прошлого века, однако в активную промышленную эксплуатацию ВЗД вошли гораздо позже, ближе к концу тысячелетия. Изначально такие двигатели рассматривались в качестве дополнения к турбобурам на особо сложных участках работ, однако постепенно, с развитием технологий и материалов, винтовые забойные двигатели заняли лидирующие позиции — их стали применять нефтегазовые и сервисные компании по всему миру.

Новая буровая эпоха, наступившая с началом разработки месторождений, характеризующихся сложными горно-геологическими условиями, и ростом доли наклонно-направленного и горизонтального бурения, вывела оборудование ВЗД на новый уровень актуальности. Сегодня в мировой практике бурения винтовым забойным двигателям, по сути, нет альтернатив (даже на уровне проектных разработок). Такие уникальные позиции ВЗД получили за счет сочетания конструктивных, технологических и экономических преимуществ. Силовые агрегаты данного типа состоят из нескольких узловых элементов: двигательной секции (рабочей пары), шпиндельного узла и регулятора угла перекоса.

Двигательная секция

Собственно рабочими органами двигателя являются ротор и статор, а вместе они составляют двигательную секцию (рабочую пару). Она приводится во вращательное движение потоком жидкости (бурового раствора). Число шагов статора и ротора различается на единицу, что позволяет раствору потоково распределяться по камерам и проворачивать ротор внутри статора. Ротор изготавливается из легированной стали высокой прочности и, как правило, имеет дополнительное защитное покрытие, хотя оно  не всегда наносится – многое зависит от экономической составляющей.

Рабочая пара ВЗД может иметь стандартное исполнение статора или профилированное. Последнее используется для увеличения мощностных характеристик ВЗД при снижении длины рабочих органов. Именно двигательная секция определяет основные характеристики ВЗД: мощность, крутящий момент, показатель частоты вращения ротора, КПД.

Шпиндельная секция

Передача крутящего момента от силового узла на долото осуществляется за счет шпиндельной секции. Она состоит из корпуса, вала и опор (осевых и радиальных). При наклонно-направленном или горизонтальном бурении шпиндельная часть подвергается высоким нагрузкам, в связи с чем большое значение приобретает качество материалов корпуса и вала, а также надежность шарнирных соединений и радиальных подшипников. Корпус шпиндельной секции, также как и ротор силового узла, изготавливаются из высокопрочной легированной стали.

В стандартном исполнении шпиндельный узел имеет открытую конструкцию, когда рабочие органы контактируют с буровым раствором, смазываясь и охлаждаясь им. На особо сложных участках бурения, характеризующихся большим процентом шлама и/или наличием примесей и твердых частиц в буровом растворе, используются ВЗД с закрытой шпиндельной секцией, когда ее элементы находятся в герметичной масляной ванне под давлением (10–20 атм) и не контактируют с рабочими жидкостями. Однако такое исполнение трудоемко в эксплуатации, а возникающие усилия при бурении часто очень быстро выводят из строя уплотнения.

Регулятор угла

Регулятор угла перекоса — один из ключевых узлов ВЗД, применяющихся для наклонно-направленного и горизонтального бурения. Позволяет изменять угол оси перекоса конструкции относительно нижней части бурильной колонны на заданный диапазон углов. Конструкция регулятора включает в себя верхний и нижний переводники, сердечник и зубчатую муфту. Это наиболее сложный технологический элемент ВЗД, в отношении которого проводятся постоянные научно-инженерные изыскания, направленные на достижение простоты конструкции, высокой точности установки угловых значений, минимизацию несовпадающих осей элементов и плоскостей искривления для предотвращения отклонений от заданного угла бурения. Особое значение имеет техническое решение задачи сохранения нулевого значения угла и заданной траектории при бурении прямых участков в горизонтально-направленной скважине. При этом необходимо обеспечивать достаточный ресурс и надежность двигателя при работе в максимальных значениях угла перекоса.

Дополнительное оборудование

Винтовые забойные двигатели могут иметь в своем составе другие необходимые элементы. Их перечень зависит от условий бурения на конкретном участке. ВЗД могут комплектоваться наддолотными стабилизаторами и калибраторами, шламовыми фильтрами, обратными и переливными клапанами. Также конструкция ВЗД некоторых производителей предусматривает комплектование корпусными центраторами без дополнительной замены корпуса шпинделя. Переливные клапаны предназначены для низа бурильной колонны и обеспечивают сообщение ее внутренней полости с затрубным пространством. При подъемных и спусковых операциях переливной клапан не допускает вращения двигателя в холостую и снижает гидродинамическую нагрузку на рабочий участок. Для калибровки диаметра ствола скважины используются стабилизаторы и калибраторы. Разработка последнего поколения — калибраторы с переменным диаметром, позволяющие изменять диаметр стенок ствола скважины без подъема ВЗД на поверхность.

Телеметрия

Бурение скважин сложного профиля невозможно без применения современных телеметрических систем. Они включают комплекс забойных датчиков, максимально приближенных к забою скважины, источник питания, систему съема, передачи и приема информации с забоя на поверхности, компьютерную систему обработки полученных данных для решения задач контроля и управления процессом бурения скважины. Программно-аппаратные комплексы ИТС обычно располагаются непосредственно на объекте и имеют мобильное исполнение. Однако на сегодняшний день нефтесервисные компании идут дальше и создают собственные центры проектирования и сопровождения бурения, которые осуществляет дистанционный дополнительный контроль за проводкой ствола скважины. Например, центр где-нибудь в Самаре может удаленно контролировать одновременно от 8 до 15 объектов, расположенных в разных регионах России. Сбор и передача сведений технологических параметров бурения ведется с помощью системы удаленного мониторинга инклинометрической и геотехнологической информации. Данные от телесистемы и с датчиков, расположенных на буровой, поступает в центр в режиме реального времени и визуализируются на «видеостене». На основе полученных сведений оперативно корректируется траектория ствола скважины, решаются технологические вопросы. Это позволяет контролировать все параметры оборудования и процесса бурения в совокупности, делать точные прогнозы относительно сроков и планов выполнения работ. Накопленные знания также используются при проектировании новых скважин. Более того, такой подход позволяет предотвращать возникновение крупных аварий и минимизировать количество мелких чрезвычайных ситуаций на объектах.

Долота

Существуют различные модификации ВЗД по габаритным размерам и энергетическим характеристикам: частоте вращения, крутящему моменту, мощности. Выбор типоразмера ВЗД под конкретный интервал бурения осуществляется исходя из совокупности геологических и технико-технологических факторов с учетом планируемого к применению породоразрушающего инструмента. Очень важно обеспечить эффективную совместную работу долота и ВЗД. В настоящее время для бурения большинства наклонно-направленных и горизонтальных скважин, в том числе в сложных горно-геологических условиях, используются долота PDC (Polycrystalline Diamond Cutter)  в сочетании высокомоментными ВЗД. Рациональный выбор пары «долото-ВЗД» позволяет увеличивать механическую скорость проходки, сокращать количество рейсов и повышать технико-экономические показатели бурения. Производство РDC-долот отличается высокой технологичностью и качеством используемых материалов: металла, алмазных резцов, твердосплавных насадок и вставок, наплавочных и паячных материалов, поскольку от этих составляющих напрямую зависит производительность и долговечность данного оборудования. Как правило, РDC-долота выпускают малыми партиями с учетом специфики конкретного объекта и требований заказчика. В России наиболее современные заводы по производству PDC-долот находятся в Самаре, Уфе и Кургане.

ВЗД vs. турбобуры

Винтовые забойные двигатели обладают рядом конструктивных преимуществ перед классическими турбобурами и позволяют проводить работы по устройству наклонно-направленных и горизонтальных скважин с максимальными показателями эффективности. Это также касается проведения работ на особо сложных участках, например, при бурении дополнительных стволов через отверстие в эксплуатационной колонне. В сравнении с турбобурами сопоставимые модели ВЗД обладают меньшим диаметром, реализуя при этом высокие силовые характеристики момента двигателя. Помимо этого также стоит отметить простоту конструкции двигательной секции ВЗД, сравнительно малую металлоемкость и низкие параметры износа за счет невысоких скоростей вращения.

Модификации ВЗД

Наибольший спрос приходится на двигатели с проточной шпиндельной секцией, оснащенные регулятором угла перекоса и стандартной рабочей парой. Если говорить о спецзаказах, то это, как правило, модификации с профилированной двигательной секцией, полым ротором, маслозащищенным шпинделем. ВЗД с проточным шпинделем имеют универсальное применение и подбираются под условия конкретной скважины по параметрам диаметра, частоте вращения, мощности, заходности. ВЗД с профилированной двигательной секцией чаще используются для бурения скважин со сложным профилем, поскольку обладают меньшей длинной, высокой мощностью и оптимальный показателем искривления. Однако такие модели более чувствительны к шламу, чем ВЗД в стандартном исполнении, и нуждаются в установке дополнительных систем очистки. Модификации двигателей с полым ротором применяются при бурении с повышенным расходом бурового раствора, что обусловлено высокими требованиями к очистке призабойной зоны. В них часть раствора пускается через ротор, позволяя промывать рабочий участок.

Стойкость рабочей пары

ВЗД эффективно работают в контакте с буровыми растворами различной плотности, однако различные компоненты растворов могут негативно влиять на элементы рабочей пары. Наиболее уязвимой с точки зрения повышенного износа деталью двигателя при работе на растворах на углеводородной основе (РУО) является резиновая обкладка статора (эластомер). Она изготавливается из нитрильного каучука (NBR) или твердой резины (HR). При взаимодействии с РУО происходит «набухание» эластомера, меняются его физико-механические свойства. В результате в зацеплении ротор-статор увеличивается натяг и эластомер разрушается вследствие усиления нагрузки.

При работе на растворах с повышенным содержанием высокоактивных составляющих (солей, хлоридов, кислот) наибольшему разрушению подвергается хромовое покрытие ротора. За счет образования подслоевой коррозии происходит ослоение хрома, образование каверн на поверхности ротора, что в свою очередь разрушает эластомер статора.

На сегодняшний день разработаны покрытия и пропитки поверхности ротора, которые позволяют минимизировать пагубное влияние высокоактивных составляющих буровых растворов. А что касается эластомера, то производители не располагают резиновой смесью нужного уровня стойкости, здесь необходимы новые исследования и опытно-конструкторские разработки.

Если говорит о применении ВЗД в целом, то здесь рекомендуется использовать новые разработки буровых растворов, которые не только обладают лучшими характеристиками, но и предотвращают прихваты и поломки ВЗД. В частности, микроэмульсионные растворы на водной основе позволяют снизить силу трения, возникающую при контакте бурильной и обсадных колонн со стенкой скважины, что существенно снижает риски дифференциальных прихватов, а также способствуют снижению износа трущихся поверхностей элементов ВЗД.

Требования рынка

Заказчики оборудования ВЗД предъявляют к нему два основных требования: обеспечение высоких скоростей бурения и низкого коэффициента аварийности. В рамках этапа планирования работ на конкретном участке производится подбор двигательных секций ВЗД, отвечающих параметрам скорости и стабильности работ. Однако здесь есть объективные ограничения: при использовании высокоскоростной двигательной секции неизбежно уменьшается мощность ВЗД, с увеличением глубины забоя оборудование приходится применять на менее скоростное и более мощное. В таких условиях для увеличения скорости проходки дополнительно создается вращение всего низа бурильной колонны ротором. При этом возникают сложности, связанные с ограничением скорости работ на больших углах перекоса. Если конструкция шпинделя ВЗД не имеет достаточного запаса прочности, существенно возрастает вероятность поломки оборудования в скважине.

Инженерные решения

Для устранения данных ограничений разработано несколько инженерных решений. В частности, уменьшение нижнего плеча ВЗД до точки искривления, внедрение разгрузочных элементов в наиболее нагруженные участки двигателя, использование в компоновке низа бурильной колонны гибких переводников, которые снижают вероятность возникновения чрезвычайных ситуаций, приводящих к аварийным ситуациям в скважине. Рассмотрим реализацию данных решений на примере модели ВЗД DMR178 «ИСК «ПетроИнжиниринг».

Изменение конструкции шпиндельной секции позволило минимизировать расстояние между точкой перекоса оси шпинделя и долотом до 1796 мм в стандартном исполнении и до 1662 мм в специальном. За счет модернизации регулируемого угла перекоса оси шпинделя существенно увеличены допуски по возможным оборотам ротора в зависимости от выставленного угла. В верхнем переводнике отклонителя предусмотрены зарезьбовые канавки, снижающие нагрузку на данную деталь при высоких оборотах ротора. Доработки конструкции ВЗД позволили не только расширить диапазон вращения двигателя в составе КНБК, но и улучшили показатели проводки ствола скважины. В результате получена более надежная модификация, которая позволяет вращать КНБК со значительно большей скоростью. Если раньше вращение рабочей пары ВЗД при выставленном значении угла перекоса 1°29’ ограничивалось 20 об/мин (при длине рабочей пары более 5 м), то сейчас возможно вращение со скоростью 50–80 об/мин при значении угла 1°50’. Это дает целый спектр преимуществ в обеспечении скорости и качества буровых работ.

Производство ВЗД

Что касается производителей ВЗД, активно работающих в отрасли, то их можно разделить на две большие группы. Первую составляют компании, вкладывающие значительные средства в НИОКР и предлагающие рынку новые актуальные разработки. Вторая группа — компании, которые копируют востребованные заказчиками технологии и таким образом экономят на затратах. Данный подход позволяет им предлагать более низкие цены и выигрывать крупные тендеры. В итоге создаются нечестные условия конкурентной борьбы, когда ведущие игроки, инвестирующие в НИОКР и питающие отрасль новыми технологиями, оказываются менее успешными в коммерческом плане, чем коллеги по цеху, копирующие их достижения. Кардинальному оздоровлению ситуации могут способствовать не только и не столько специализированные госпрограммы поддержки, сколько создание ответственного подхода заказчиков к формированию тендерных процедур, требований к ВЗД, а также обеспечению прозрачности и открытости данных об условиях реальной эксплуатации оборудования. Именно в таких условиях отрасль будет получать новые стимулы для развития и прирастать количественными показателями через успешную деятельность профессиональных и добросовестных игроков.

Александр Герасименко,
Генеральный директор, «ИСК «ПетроИнжиниринг»