Гидравлика забойных двигателей

Применение забойных двигателей существенно меняет расчеты гидравлики. Необходимо учитывать следующие факторы:

1. Допустимый диапазон скорости потока. Каждый тип и размер двигателя рассчитан на определенный диапазон объемов проходящей через него жидкости. Многогребневые моторы имеют намного больший диапазон допустимой скорости потока бурового раствора, чем двигатель 1:2 при тех же самых размерах (наружного диаметра). Это позволяет производить лучшую очистку забоя - особенно полезное свойство при больших скоростях проходки.

2. Безнагрузочная потеря давления. При прокачке бурового раствора, в то время как мотор не упирается в забой, а находится в подвешенном состоянии (т.е. не совершает полезной работы), необходима существенная потеря давления для преодоления сил трения между ротором и статором, чтобы заставить вал крутиться. Потеря давления и скорость вращения пропорциональна скорости потока. Эти величины известны для каждого размера и типа двигателя. Обычно безнагрузочная потеря давления не превышает 7 атм.

3. Потеря давления на моторе. В момент касания долота забоя и приложения нагрузки на долото - давление в системе возрастает. Это увеличение давления обычно называют дифференциальным давлением двигателя. Крутящий момент двигателя возрастает прямо пропорционально увеличению дифференциального давления. Это увеличение давления необходимо для прокачки данного объема жидкости через мотор для выполнения им полезной работы. Его еще называют потерей давления на моторе. Для многогребневых моторов оно может быть 35 атм. и более.

4. Предельное давление. Существует максимальная рекомендованная величина для дифференциального давления двигателя. В этой точке двигателем производится максимальный крутящий момент. Если в области этой точки эффективная нагрузка на долото возрастает, то давление в системе увеличивается. Уплотнение между ротором и статором нарушается из-за деформации внутреннего покрытия статора и буровой раствор течет через двигатель, не производя при этом полезной работы, не вращая долото. Показания давления в системе подачи резко подпрыгивают и не меняются при увеличении эффективной нагрузки на долото.

Недавние исследования показали, что кривая выходной мощности - парабола (рис. 4.9), а не непрерывно возрастающая кривая, как считалось раньше. Если двигатель работает на уровне 50-60% от предельного давления, то им производится та же самая работа, что и при величине 90% от предельного давления. Но, в первом случае ситуация оказывается на много лучше, т.к. имеется значительное преимущество до точки предельного давления и при этом существенно удлиняется моторесурс двигателя. Чем больше выработка в подшипниках двигателя, тем легче ему достичь точки предельного давления. Полезно при достижении забоя умышленно на очень короткое время сильно увеличить давление для определения его предельного значения. Это поможет эксплуатировать двигатель на уровне примерно 50% от этой величины. Но, во всех случаях, ни в коем случае нельзя превышать пределы, устанавливаемые в спецификациях конструкции двигателя.

Двигатель, работающий на предельном давлении, должен быть немедленно остановлен и удален из скважины. При прокачке раствора через неработающий двигатель в нем возникают сильные повреждения основных элементов конструкции.

5. Потеря давления на долоте. Для данных плотности раствора и скорости потока, размер поперечного сечения сопла долота определяет потерю давления на долоте. Чем меньше площадь поперечного сечения, тем больше потеря давления. Это обстоятельство влияет на объем жидкости, отклоняемой на охлаждение подшипников. Чем больше объем отклоняемой жидкости, тем больше износ подшипников. Для каждого двигателя существует вполне определенный рекомендованный объем отклоняемой жидкости и, следовательно, определенное значение величины потери давления на долоте. Ее нельзя превышать. Для многогребневых Анадрилловских моторов потеря давления на долоте должна находиться в диапазоне 35-105 атм.

6. Сопло ротора. Большинство многогребневых двигателей имеют полый ротор. Этот внутренний канал можно закрыть совсем или установить на него насадку. Когда диапазон работы двигателя находится в соответствии с требованиями бурения, обычно устанавливается глухая заглушка. На буровой насадку ротора можно легко заменить. Использование насадки ротора позволяет:

а - увеличить поток жидкости, протекающий через двигатель (т.е. эффективность бурения из-за лучшей очистки забоя).

б - уменьшить скорость вращения долота при больших скоростях потока жидкости. Это особенно полезно при работе с обычным трехшарошечным долотом. Это уменьшает износ подшипников долота и продлевает ему жизнь.

В обоих случаях определенная часть потока бурового раствора отклоняется от канала между ротором и статором. Поток, проходящий через ротор, зависит от величины дифференциального давления двигателя, которая, в свою очередь, прямо пропорциональна величине крутящего момента, производимого двигателем. Если он оказывается меньшим необходимого, то количество жидкости, проходящей через ротор, нужно уменьшить. Это приводит к возрастанию скорости вращения и увеличению вероятности поломки двигателя. Таким образом, если на ротор установлена насадка и по условиям очистки забоя скорость потока должна быть высокой, то нужно либо увеличить размер насадки, либо уменьшить скорость потока. Имеются специальные таблицы для различных двигателей, которые позволяют подобрать величину перепуска потока жидкости для различных конфигураций насадок.

Выбор насадок ротора - очень важен. Слишком большая величина перепуска приводит к существенному уменьшению работоспособности двигателя и, следовательно, понижению эффективности бурения. Если насадка окажется слишком большой для данного потока жидкости, то мощность двигателя будет сильно уменьшена. Очень немногие двигатели 1:2 имеют полый ротор (только те, которые спроектированы для специальных целей).

Из-за своих конструктивных особенностей многогребневые моторы могут применяться при значительно более высоких скоростях потока, более высоких дифференциальных давлениях мотора, больших величинах потерь давления на долоте, чем двигатели 1:2. Более высокие скорости потока ведут к более быстрой скорости проходки и лучшей очистке забоя. Большая потеря давления на моторе означает возможность использования большей эффективной нагрузки на долото, приводящей к большему крутящему моменту и скорости проходки. Возможность более высоких потерь давления на долоте означает возможность применения меньших размеров насадок и это улучшает гидравлику бурения.

Таблица 4.1

Из вышеприведенного видно, что необходимо тщательно планировать гидравлическую программу для ВЗД. Обычно это и делается, т.к. это является одной из важнейших частей работы направленного бурения.