.gif/1280px-Powersection(PC_Pump).gif)
Забойный двигатель (или буровой двигатель) представляет собой винтовой насос объемного типа (PCPD), размещенный в бурильной колонне для обеспечения дополнительной мощности долота во время бурения. Насос PCPD использует буровой раствор (обычно называемый буровым раствором или просто буровым раствором) для создания эксцентрикового движения в силовой секции двигателя, которое передается в виде концентрической мощности на буровое долото . Забойный двигатель использует различные конфигурации ротора и статора для обеспечения оптимальной производительности для желаемой операции бурения, как правило, увеличивая количество лопастей и длину силового узла для большей мощности. В некоторых случаях для входной мощности забойного двигателя может использоваться сжатый воздух или другой газ. Нормальное вращение долота при использовании забойного двигателя может составлять от 60 об/мин до более 100 об/мин.
Основываясь на принципе, разработанном Рене Муано , теория утверждает, что винтовой ротор с одним или несколькими кулачками будет вращаться эксцентрично, когда статор содержит больше кулачков, чем ротор. Поток жидкости передает мощность, позволяя узлу вращаться и поворачивать долото. [1]
Обычная конструкция забойного двигателя состоит из верхнего переводника, который соединяет забойный двигатель с бурильной колонной; силовой секции, которая состоит из ротора и статора; трансмиссионной секции, где эксцентриковая мощность от ротора передается как концентрическая мощность на долото с помощью шарнира равных угловых скоростей ; подшипникового узла, который защищает инструмент от давлений на забое и забое; и нижнего переводника, который соединяет забойный двигатель с долотом.
Когда долото опускается на дно и двигатель эффективно работает, в системе жидкости наблюдается заметное увеличение давления. Это вызвано ограничением внутри двигателя и называется «перепадом давления». Если этот перепад давления слишком высок, двигатель может заглохнуть, что означает, что долото перестало вращаться, и это может привести к серьезному повреждению внутренней поверхности статора.
Забойный двигатель описывается с точки зрения количества ступеней, соотношения лопастей и внешнего диаметра. Ступени — это количество полных оборотов, которые статор делает от одного конца до другого, а соотношение лопастей — это количество лопастей на статоре к количеству лопастей на роторе (у статора всегда на один лопасть больше, чем у ротора). Большее количество ступеней указывает на более мощный двигатель. Большее количество лопастей указывает на более высокий выходной крутящий момент (для заданного перепада давления), меньшее количество лопастей указывает на снижение производимого крутящего момента, но более высокую скорость вращения долота.
Рабочие параметры включают расход, число оборотов долота и крутящий момент. Соотношение между геометрией ротора и статора определяет скорость вращения и крутящий момент. Скорость вращения пропорциональна расходу, а крутящий момент пропорционален падению давления в жидкости при ее прохождении через двигатель. Чем больше лопастей, тем выше крутящий момент и тем медленнее обороты.
Использование забойных двигателей во многом зависит от финансовой эффективности. В прямых вертикальных скважинах забойный двигатель может использоваться исключительно для увеличения скорости проходки (ROP) или для минимизации эрозии и износа бурильной колонны, поскольку бурильную колонну не нужно вращать так быстро.
Большая часть использования забойных двигателей приходится на бурение направленных скважин . Хотя для направления долота в желаемую целевую зону могут использоваться и другие методы, они требуют больше времени, что увеличивает стоимость скважины. Забойные двигатели могут быть сконфигурированы так, чтобы иметь изгиб, используя различные настройки самого двигателя. Типичные забойные двигатели могут быть изменены от 0 градусов до 4 градусов с приблизительно шестью приращениями отклонения на градус изгиба. Величина изгиба определяется скоростью подъема, необходимой для достижения целевой зоны. Используя инструмент измерения во время бурения (MWD), бурильщик направленного бурения может направить долото в желаемую целевую зону.
Для бурения точки зарезки скважины используются управляемые двигатели. При бурении точки зарезки скважины обязательно избегайте бурения мягкой формации, расположенной непосредственно под твердой. В твердых абразивных формациях высокие боковые силы при зарезке скважины могут вызвать сильный износ хвостовика долота. В идеале точку зарезки скважины следует выбирать в неабразивной однородной формации. [2]
Статор PCPD, который является основным компонентом насоса, обычно облицован эластомером . Большинство отказов насосов PCPD происходит из-за этой эластомерной части. Однако условия эксплуатации [3] и окружающая среда не должны ухудшать или вызывать механический отказ эластомерной части в течение всего срока службы оборудования. К сожалению, в отрасли нет эластомеров, которые могли бы служить дольше, противостоять абразивным жидкостям и твердым частицам и выдерживать прогибы при рабочих температурах. Наиболее распространенными сортами эластомеров, используемыми для этого применения, являются сорта NBR (нитриловый или акрилонитрилбутадиеновый каучук), которые работают умеренно хорошо. Определенно существует потребность в более качественных эластомерных соединениях для достижения областей, которые в настоящее время недоступны для PCPD, а также для улучшения срока службы существующих продуктов.
Выкрашивание — износ резины в верхней части статора.
Нарушение сцепления - отказ стальной трубы от связующего вещества; отказ эластомеров от связующего вещества или от связующего вещества к связующему веществу.
Плохая подгонка ротора/статора – неправильные допуски из-за ухудшения со временем. Также, если подгонка неправильная, то перепад давления может быть либо слишком высоким, либо слишком низким. Слишком высокий – может повредить двигатель; слишком низкий – двигатель будет слабым и остановится, что может привести к выкрашиванию статора.
Температура в скважине и буровом растворе может вызвать термическую усталость статора. Необходимо принять меры для компенсации разбухания статора.
Некоторые буровые растворы могут вызвать разбухание эластомеров статора. Учет этого фактора и температуры на забое скважины также является фактором.
Материал, вызывающий поглощение циркуляции (LCM), может засорить двигатель, а острые предметы могут привести к износу внутренних деталей двигателя. [4]