Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0175

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0175
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М.Губкина"
Название доклада
Разработка технологического модуля для высокоточного бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин
Докладчик
Сазонов Юрий Апполоньевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
1) Разработка комплекса научно-технических и технологических решений по созданию технологического модуля (малогабаритного гидравлического забойного двигателя) для повышения эффективности бурения и строительства наклонно-направленных и горизонтальных скважин.
2) Повышение эффективности применения находящегося в эксплуатации технологического оборудования.
Задачи исследования: аналитический обзор современной научно-технической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИЭР; патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96; выбор и обоснование направления исследований с целью определения оптимального варианта направления исследований на основе анализа состояния исследуемой проблемы, и сравнительной оценки вариантов возможных решений с учетом результатов прогнозных исследований, проводившихся по аналогичным работам; теоретические исследования гидродинамических процессов малогабаритного гидравлического забойного двигателя для высокоточного бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин; разработка новых технических решений по созданию технологического модуля (малогабаритного гидравлического забойного двигателя) для повышения точности проведения наклонно-направленных скважин; математическая модель по оптимизации конструктивных параметров гидравлического забойного двигателя для высокоточного бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин; алгоритм расчета конструктивных параметров малогабаритного гидравлического забойного двигателя для высокоточного бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин; Программа для ЭВМ по оптимизации параметров малогабаритного забойного двигателя.
Актуальность и новизна исследования
В настоящее время затраты на бурение нефтяных и газовых скважин составляют значительную часть от капитальных вложений (до 60%) на ввод нефтегазовых объектов в разработку. В условиях снижения объема бурения важно обеспечить точность вскрытия продуктивных пластов, тем самым повысить эффективность и сократить сроки строительства скважин, а также уменьшить риски аварийных ситуаций. В современных условиях основная часть рынка услуг наклонно-направленного бурения контролируется зарубежными сервисными компаниями, для российских предприятий закрыт доступ к современным технологиям бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин на глубоководном шельфе и в Арктике. С падением цен на нефть становятся еще более актуальными работы по созданию более эффективной техники и технологий.
Известные модификации винтовых забойных двигателей (ВЗД) имеют общие недостатки: высокие вибрации из-за движения ротора по орбитальной траектории; малый ресурс из-за применения эластомера в статоре, что ограничивает и рабочую температуру, и удельные нагрузки, и что в свою очередь отражается на увеличении длины двигателя. В рамках ПНИЭР впервые будет разработан малогабаритный гидравлический забойный двигатель для повышения эффективности бурения. Требуемая точность и качество проведения ствола скважины могут быть достигнуты с применением нового гидравлического забойного двигателя (ГЗД), который лишен недостатков, присущих ВЗД.
Внедрение разрабатываемой техники позволит повысить эффективность буровых работ и будет способствовать замещению импортных технологий при разработке месторождений нефти и газа.
Описание исследования

На протяжении 40 лет отечественная практика строительства нефтяных и газовых скважин базировалась на высокоскоростном бурении с применением многоступенчатых безредукторных турбобуров.  Характеристики турбобуров, при использовании в качестве породоразрушающего инструмента современных высокомоментных долот (матричных, PDC), не позволяют получать требуемые сегодня параметры режима углубления скважины. На сегодняшний день в качестве привода долота широкое применение нашли ВЗД – машины объемного принципа действия, обладающие более высокими энергетическими характеристиками, отвечающие требованиям многих новых конструкций породоразрушающего инструмента, а также технологиям их использования при проводке наклонно направленных и горизонтальных скважин.

Однако, известные модификации ВЗД имеют общие недостатки: высокие вибрации из-за движения ротора по орбитальной траектории; малый ресурс из-за применения эластомера в статоре, что ограничивает и рабочую температуру, и удельные нагрузки.  В работе предлагается техническое решение, где может быть решена задача по обеспечению работоспособности при высокой температуре, поскольку из конструкции гидравлической машины в этом исполнении исключены детали из эластомеров. Здесь может быть решена характерная для объемных машин проблема вибрационной активности ротора при отказе от орбитальной траектории движения ротора (в частности при сравнении с винтовыми забойными двигателями). При подготовке к патентованию новых технических решений выполнена проверка работоспособности нового гидравлического забойного двигателя. Проверка выполнена в лабораторных условиях с использованием специально изготовленных микромоделей. При разработке нового двигателя, сделан вывод о необходимости изменить саму кинематическую схему гидравлического двигателя, где будет исключено движение центра масс ротора по орбитальной траектории. Возможно многокамерное исполнение нового двигателя, для повышения перепада давления и крутящего момента. Повышена технологичность новых гидравлических машин, так как все рабочие камеры в гидравлической машине сформированы простыми и технологичными цилиндрическими и плоскими поверхностями, и из конструкции исключены технологически сложные винтовые поверхности. Здесь может быть решена характерная для объемных машин проблема вибрационной активности ротора при отказе от орбитальной траектории движения ротора (в частности при сравнении с винтовыми забойными двигателями). По известной технической информации, пока отсутствуют аналоги разрабатываемому двигателю. Гидравлическая машина с такими характеристиками и свойствами будет разрабатываться впервые.  

В настоящее время проведен выбор оптимального варианта направления исследований на основе анализа состояния исследуемой проблемы, в том числе результатов патентных исследований, и сравнительной оценки вариантов возможных решений с учетом результатов прогнозных исследований, проводившихся по аналогичным работам. Анализ научной и патентной литературы показывает, что развитие гидравлических двигателей для бурения связывают, главным образом, с вопросами усовершенствования объемных гидравлических машин. Выполнены теоретические исследования гидродинамических процессов малогабаритного гидравлического забойного двигателя для высокоточного бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин. Рассмотрены рабочие процессы для оценки возможностей достижения показателей, отмеченных в техническом задании. На основе результатов теоретических исследований построены первичные характеристики разрабатываемого гидравлического двигателя. Расчеты показывают, что рассматриваемая модель гидравлического двигателя способна обеспечить достижение показателей, отмеченных в техническом задании. 

Для предварительной оценки области применения разработанной гидравлической машины создано несколько моделей и образцов. Серия испытаний проведена при частоте вращения вала в диапазоне от 200 оборотов в минуту до 3000 оборотов в минуту. Радиальные вибрации вала отсутствовали при таких скоростях вращения вала. Максимальный перепад давления на гидравлической машине при испытаниях составил 10 МПа. Признано перспективным продолжить начатые работы в области бурового оборудования. В рамках проводимых исследований разработана конструкторская документация для создания экспериментального образца гидравлического забойного двигателя для работы при частоте вращения вала от 200 до 450 оборотов в минуту. 

Результаты исследования

В основу работ заложена следующая концепция: любая винтовая поверхность может быть заменена на набор из плоских поверхностей и цилиндрических поверхностей. Проводимые исследования подтверждают, что на основе данного принципа можно создавать новые гидравлические машины с уникальными свойствами, в том числе можно создать гидравлическую машину, исключающую вибрации ротора, и обеспечивающую необходимые значения крутящего момента и частоты вращения для работы с долотами PDC. Анализ научной  литературы показывает, что развитие гидравлических двигателей для бурения связывают, главным образом, с вопросами усовершенствования объемных гидравлических машин. Выделены два направления в решение назревших проблем по созданию эффективных забойных двигателей для повышения точности при проводке наклонно-направленных и горизонтальных скважин с применением долот PDC. Первое направление связано с модернизацией существующих винтовых забойных двигателей, но это позволяет лишь частично решить назревшие проблемы с вибрацией ротора и малым ресурсом статора. Второе направление связано с изменением самой кинематической схемы гидравлической машины, поскольку для решения отмеченных проблем необходимо изменить саму кинематическую схему гидравлического двигателя, где будет исключено движение центра масс ротора по орбитальной траектории. В соответствии с ТЗ выполнены теоретические исследования гидродинамических процессов малогабаритного гидравлического забойного двигателя для высокоточного бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин. Рассмотрены рабочие процессы для оценки возможностей достижения показателей, отмеченных в техническом задании. Расчеты показывают, что разработанная и запатентованная модель гидравлического двигателя способна обеспечить достижение показателей, отмеченных в техническом задании. При этом в конструкции двигателя отсутствует планетарное движение центра масс ротора, что исключает появление радиальных вибраций при бурении. Из рабочей пары трения можно исключить детали из эластомеров, что позволит увеличить удельные нагрузки и уменьшить габариты двигателя. Возможно многокамерное исполнение двигателя, для повышения перепада давления и крутящего момента. Повышена технологичность новых гидравлических машин, так как все рабочие камеры в гидравлической машине сформированы простыми и технологичными цилиндрическими и плоскими поверхностями, и из конструкции исключены технологически сложные винтовые поверхности. Решена характерная для известных объемных машин проблема вибрационной активности ротора, при отказе от орбитальной траектории движения ротора. По известной технической информации, пока отсутствуют аналоги разрабатываемому двигателю. Гидравлическая машина с указанными свойствами создается впервые. К отчетному периоду в соответствии с календарным планом разработана эскизная конструкторская документация на новую гидравлическую машину. Разработана новая конструкция гидравлической машины, которая может быть использована для создания малогабаритного гидравлического забойного двигателя, работающего без вибрации ротора при бурении скважин. При работе такого двигателя центр масс ротора не меняет своего положения в пространстве, что исключает условия для возникновения вибрации.   

Практическая значимость исследования
Учитывая прямую зависимость российской экономики от уровня технического развития нефтяной и газовой отрасли, можно сделать вывод о важности проведения НИР, нацеленных на создание более эффективных, и доступных по цене, технологий и техники для бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин. Следует учесть, что сейчас основная часть рынка услуг наклонно-направленного бурения контролируется зарубежными сервисными компаниями, а для российских предприятий закрыт доступ к современным технологиям бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин на глубоководном шельфе и в Арктике. Падение цен на нефть делает еще более актуальными работы по созданию более эффективной техники и технологий. В этой связи, тема проводимых исследовательских работ является весьма перспективной и актуальной, тема соответствует наиболее высокому научно-техническому уровню разработки, с широкими возможностями для коммерческого использования результатов НИР как в России, так и в других странах.
Простая теория, простые геометрические формы, простая технология изготовления могут поспособствовать расширению области применения подобных гидравлических машин. Основная область применения создаваемого оборудования связана с бурением нефтяных и газовых скважин. Малогабаритный гидравлический забойный двигатель также может использоваться при ремонте скважин, вместе с тем, отдельные результаты исследовательских и конструкторских работ могут применяться для решения других задач, например, для создания насосной техники.
Постер

Постер 0175.ppt