Винтовые забойные двигатели фирмы «Радиус-Сервис»

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.

ООО «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.

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 эластомерной 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.

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.

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.

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).

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 высокомоментными 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 нужный профиль статора винтового забойного двигателя. Стабильность винтовой линии статора обеспечивается согласованным вращением детали и поступательным движением катода по программе ЧПУ. Материал, снимаемый c детали, выпадает из раствора электролита в форме гидроксида железа. Такой метод формирования профиля отличается минимальным износом инструмента (катода), стабильностью профиля по всей длине детали, высоким качеством поверхности (до Rа0.05). Кроме того, на материал детали не оказывается никакого негативного термического или механического воздействия, таким образом, не происходит структурных изменений металла и его механические свойства не меняются. Имеющееся у «Радиус-Сервис» оборудование позволяет изготавливать статоры диаметром от 75 до 245 мм и длиной активной части до 6 м.

Высокая надежность статоров R-Wall обеспечивается, в том числе, уникальной конструкцией пресс-форм для обрезинивания внутренней профилированной поверхности статоров, которая позволяет получить равномерную толщину резиновой обкладки как в радиальном, так и в осевом направлении по всей длине статора.

Сложный профиль внутренней поверхности остова также требует применения более прогрессивной технологии нанесения клеевого слоя между остовом и резиновой обкладкой статора, поэтому «Радиус-Сервис» приобрел установку для нанесения клея методом распыления. Установка позволяет получать равномерный слой клея (один или несколько слоев в зависимости от применяемого эластомера) заданной толщины в независимости от формы внутренней поверхности статора.

Суммарная наработка на двигательные секции R-Wall на октябрь 2014 г. составила более 62 000 часов. В общей сложности двигателями с этими секциями пробурено более 2 480 000 метров. Максимальная текущая наработка статора R Wall без перезаливки эластомера: габарита 172 мм составляет 1008 часов, габарита 106 мм – 609 часов, габарита 95 мм – 595 часов. В данный момент совершенствуется производство двигательных секций R-Wall типоразмера 127 и 240 мм.

Возможно изготовление двигательных секций R-Wall по индивидуальным требованиям заказчика.

Твердосплавное покрытие роторов двигательных секций

Расширение объемов работ в Восточной Сибири, где широко применяются промывочные жидкости с высоким содержанием хлорид-ионов, выявило следующую проблему: при повышении содержания хлорид-ионов в промывочной жидкости свыше 200 грамм на литр ресурс хромового покрытия ротора двигательной секции снижается с 500 – 600 часов до 100 – 150 часов. Возникающие при этом коррозионные дефекты покрытия ротора приводят к катастрофическому износу обкладки статора и последующему отказу двигателя. В ходе проведения экспериментальных работ было установлено, что наиболее работоспособными в данных условиях являются твердосплавные карбидо-вольфрамовые покрытия, наносимые методом сверхзвукового напыления HVAF (high velocity air fuel). Ресурс этих покрытий при работе в соленасыщенных растворах превышает 800 часов.

В результате в «Радиус-Сервис» был установлен роботизированный комплекс (рис. 11), позволяющий методом HVAF наносить различные, в том числе твердосплавные, покрытия на роторы и другие изделия сложной формы с соблюдением оптимальных углов падения струи на поверхность с оптимальной дистанции. Полная автоматизация процесса гарантирует стабильность качества получаемых покрытий и высокие эксплуатационные характеристики.

За счет высокой скорости газообразной струи, в несколько раз превышающей скорость звука, обеспечиваются минимальная пористость покрытия (<0.5%) и высокие адгезионные характеристики покрытий (выше 70 Мпа). Использование сжатого воздуха в качестве окислителя позволяют уменьшить содержание окислов в покрытии и снизить термическое воздействие на подложку и частицы напыляемого материала, что, в свою очередь, уменьшает внутренние напряжения в формируемом покрытии. Комплекс позволяет наносить покрытия на изделия длиной до 9 м и весом до 2 тонн. Комплекс является уникальным и не имеет аналогов в РФ.

Объем использования роторов с карбидо-вольфрамовым твердосплавным покрытием постоянно увеличивается.

Внедрение описанных выше технологий позволяет говорить, что по параметрам энергетических характеристик и уровню надежности производимые в «Радиус-Сервис» забойные двигатели являются конкурентоспособными как на российском, так и на зарубежном рынках.