Винтовые забойные двигатели фирмы «Радиус-Сервис»
я
В.Н.АНДОСКИН,
директор
andoskin@radius-s.ru
А.М. ВЫГУЗОВ,
заместитель начальника службы скважинных сервисов - начальник отдела операционной поддержки
А.В. КУЗНЕЦОВ,
ведущий конструктор службы главного конструктора
Д.Н.ХАЙРУЛЛИН,
начальник отдела перспективных технологий
Р.С. НОВИКОВ,
начальник участка нанесения газотермических покрытий
ООО «Фирма «Радиус-Сервис»
office@radius-s.ru
В статье описываются преимущества двигательных секций R-Wall c профилированным остовом статора и технология их изготовления, а также технология нанесения твердосплавного покрытия роторов ВЗД.
RADIUS-SERVICE DOWNHOLE DRILLING MOTORS
V. ANDOSKIN, А. VYGUZOV, А. KUZNETSOV, D. KHAIRULLIN, R. NOVIKOV, Radius-Service LLC
This article describes the benefits of R-Wall series motor sections with a shaped stator frame and the process of its manufacturing, as well as the process of hardfacing of downhole motor rotors.
Keywords: Radius-Service, even wall power section, R-Wall, even rubber thickness, ERT, even wall stator, downhole motor, PDM, mud motor rotor WC, rotor coated with tungsten carbide WC, hardfacing for oil, tungsten carbide coating, HVAF WC, WC coating, high velocity air fuel, ECM, electrochemical machining
«Фирма «Радиус-Сервис» ^^^^^^ было создано в 1992 г и сегодня является ведущим предприятием России по производству буровой техники. У компании своя крупная производственная база с современным высокотехнологичным оборудованием. Самой известной продукцией являются винтовые забойные двигатели. Здесь же производятся ясы, керноотборные снаряды, турбобуры, оборудование для зарезки боковых стволов, наддолотные амортизаторы, центраторы и калибраторы, немагнитные утяжеленные бурильные трубы, клапаны, фильтры колонные, переводники, оборудование для сервисных центров.
Постоянный рост требований к технико-экономическим показателям бурения заставляет «Радиус-Сервис» искать новые пути увеличения энергетических характеристик, надежности и КПД винтовых забойных двигателей. Качественный прорыв в данном направлении невозможен без внедрения новых технологий.
Статор
Эластомерная обкладка
Статор
Стандартная конструкция
R-Wall
Рис. 1. Поперечное сечение стандартной двигательной секции и секции
R-Wall
ДВИГАТЕЛЬНЫЕ СЕКЦИИ R-WALL С ПРОФИЛИРОВАННЫМ ОСТОВОМ СТАТОРА
В результате проведенных опытно-конструкторских работ была разработана и освоена технология изготовления монолитной конструкции профилированного остова статора с равномерной толщиной эласто-мерной обкладки, получившая название R-Wall. Остов статора представляет собой стальную трубу с профилированной внутренней поверхностью. Внутренний профиль остова выполнен таким образом, чтобы обеспечить равномерную толщину эластомерной обкладки в пределах 5 - 12 мм, в зависимости от габарита забойного двигателя.
Конструктивные особенности двигательных секций R-Wall показаны на рис. 1.
В двигательных секциях R-Wall за счет снижения деформации зуба статора резко снижаются гистерезисные и объемные потери, что приводит к существенному увеличению КПД зацепления и позволяет уменьшить длину двигательной секции при сохранении аналогичных энергетических характеристик. Так, энергетическая характеристика двигательной секции R-Wall габарита 172 мм с длиной активной части 3000 мм соответствует характеристике стандартной двигательной секции с длиной активной части 5000 мм, а энергетическая характеристика двигательной секции R-Wall с длиной активной части 4000 мм ее превосходит (рис. 2).
ВЗД с профилированным статором может эксплуатироваться при больших дифференциальных перепадах давления, чем обычный ВЗД.
В настоящее время эксплуатируются двигательные секции, изготовленные по технологии R-Wall, типоразмеров 172 мм (длина активной части до 5000 мм), 95 и 106 мм с длиной активной части 4000 мм.
инструмент и оборудование 1
На рис. 3 дано сравнение механической скорости при бурении под эксплуатационную колонну двигателями ДРУ2-172РС с различными двигательными секциями, в том числе секциями R-Wall. Скважины пробурены на Приразломном месторождении в Западной Сибири. Интервал, в котором использовались двигатели 750 -2850 м, пройден одним долблением из-под кондуктора до проектного забоя.
Механическая скорость, полученная при бурении двигателями с двигательной секцией R-Wall с длиной активной части 4000 мм, на 23 - 25% превышает аналогичный показатель для двигателей с двигательными секциями, выполненными по стандартной технологии.
ОСНОВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ДВИГАТЕЛЬНЫХ СЕКЦИЙ R-WALL
1. Резиновая обкладка статора постоянной толщины существенно повышает энергетическую характеристику двигателя. Максимальная развиваемая мощность по сравнению с «обычной» двигательной секцией при одной и той же длине увеличивается на 50%. Значительно повышается тормозной момент двигательной секции, что практически исключает вероятность торможения при увеличении нагрузки.
2. За счет уменьшения максимальной толщины резиновой обкладки статора снижается количество вырабатываемого и сохраняемого тепла, что минимизирует усталость эластомера, обусловленную эффектом гистерезиса. Это обеспечивает работоспособность статора при повышенных нагрузках. Как известно, под действием циклической нагрузки при вращении ротора в резиновой обкладке статора возникает явление гистерезиса, в результате которого при каждом цикле происходит выделение тепла. Теплопроводность резины в 10 раз меньше теплопроводности стали и фактически равна теплопроводности дерева. По этой причине в двигательных секциях, выполненных по традиционной технологии, при повышении развиваемой мощности и/или температуры в скважине выше определенной величины происходит саморазогрев резиновой обкладки до температуры, при которой резина начинает терять свои упругие свойства вплоть до перехода в хрупкое состояние. Увеличение температуры приводит к расширению резины и увеличению натяга, что в свою очередь повышает тепловыделение, то есть имеется положительная обратная связь. Сильнее всего разогревается центральная часть каждого зуба статора, что приводит к быстрому развитию трещин и разрушению резиновой обкладки. Вот как выглядят последствия такого саморазогрева на поперечном разрезе статора (рис. 4, 5).
250
RS172N635W
6:7, длина статора 3500 мм)
RS172N645W 6:7, длина статора 4500 мм)
а а
200 400 600 800 Момент, кгс х м
1000 1200
1400
Рис.2. Характеристики стандартной двигательной секции RS172N554 и секций R-Wall при расходе промывочной жидкости 30 л/с
ж
47,4
38,5
37,8
п
3
10
20
30
40
1*8172М645Ю Р8172М635№ (*5172М754 □ (?5172М554
50 м/ч
Рис.3. Механическая скорость при бурении под эксплуатационную колонну двигателями ДРУ2-172РС с различными двигательными секциями
В «Радиус-Сервис» было разработано программное обеспечение, позволяющее методом конечных элементов рассчитать разогрев, напряжения и деформацию резиновой обкладки статора при вращении (обкатке) ротора в типовых условиях бурения. Проведенные расчеты подтверждают данные эксплуатации, что за счет малой толщины резиновой обкладки эффект гистерезиса резко снижается. Так, при расходе 35 л/с, динамической температуре бурового раствора 60 градусов и дифференциальном перепаде давления на двигателе 45 кгс/см2 через 30 минут бурения максимальная температура резиновой обкладки «традиционной» двигательной секции с заходностью 5/6 достигает 123 градусов. Для сравнения, температура обкладки в рабочей паре RS172N645W с заходностью 6/7,
Рис. 4. Зона термодеструкции внутри зуба статора, возникшая в результате саморазогрева
Рис. 5. Дальнейшее развитие трещин от зоны термодеструкции эластомера
0
0
0
I I I
0 20,5 41,1 61,6 82,1 103 123
0 16,2 32,3 48,5 64,7 80,8 97
Рис. 6. Разогрев обкладки статора «традиционной» двигательной секции 5/6, max t = 123°С
выполненной по технологии R-Wall, при тех же условиях и больших оборотах не превышает 96 градусов (рис. 6, 7).
3. Натяг в соединении «ротор-статор» меньше зависит от температуры и разбухания эластомера. Как известно, резиновая обкладка достаточно сильно расширяется с ростом глубины и температуры. Поэтому обычная двигательная секция, скомплектованная для работы в нижнем интервале глубин, будет иметь слишком большой зазор между ротором и статором и, соответственно, «слабую» характеристику в верхнем интервале. Двигательная секция R-Wall обеспечивает сохранение высоких энергетических характеристик в широком диапазоне глубин и температур. То же самое относится к влиянию буровых растворов на нефтяной основе на изменение натяга. Увеличение натяга приводит к росту напряжений в обкладке статора. Максимальная толщина резиновой обкладки в парах R-Wall в несколько раз меньше, чем у стандартной двигательной секции, поэтому натяг под воздействием раствора также меняется намного меньше.
4. Улучшенные энергетические параметры двигателя позволяют эффективно использовать его с высокомо-ментными долотами PDC.
5. В отличие от обычного статора за счет малой толщины резины при отрыве кусков обкладки не происходит закупорка насадок долота кусками резины и как следствие - рост давления. В результате требуемый интервал может быть добурен до конца.
6. Применение более коротких двигательных секций позволяет без потери мощности разместить телесистему ближе к долоту и увеличить точность проводки скважины.
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТАТОРОВ R-WALL
«Радиус-Сервис» изготавливает профилированные остова двигательных секций R-Wall по двум различным технологиям:
- Технология электрохимической обработки (ЭХО) (рис. 8, 9). В основе электрохимической обработки лежит принцип электролиза, инструмент является катодом, обрабатываемая деталь - анодом. В водном растворе электролита между катодом и деталью протекает электрический заряд, при этом происходит целенаправленная обработка заготовки. Таким образом, без непосредственного касания детали инструментом можно с прецизионной точностью сформировать нуж-
Рис. 7. Разогрев обкладки статора R-Wall RS172N645W, max t = 96°С
ный профиль статора винтового забойного двигателя. Стабил
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.