История развития турбинного бурения

70-80-е годы XXв.

   Основной  метод бурения на нефть и  газ в СССР (1970) — турбобурами (76% метража пробуренных скважин), электробурами пройдено 1,5% метража, остальное роторным бурением. В США преимущественно распространение получило роторное бурение; в конце 60-х гг. при проведении наклонно-направленных скважин начали применяться турбобуры. В странах Западной Европы турбобуры применяются в наклонном бурении и при бурении вертикальных скважин алмазными долотами. В 60-е гг. в СССР заметно возросли скорости и глубина бурения на нефть и газ. Так, например, в Татарии скважины, бурящиеся долотом диаметром 214 мм на глубину 1800 м, проходятся в среднем за 12—14 дней, рекордный результат в этом районе 8—9 дней. За 1963—69 в СССР средняя глубина эксплуатационных нефтяных и газовых скважин возросла с 1627 до 1710 м. Самые глубокие скважины в мире — 7—8 км — пробурены в 60-е гг. (США). В СССР в районе г. Баку пробурена скважина на глубину 6,7 км и в Прикаспийской низменности (район Аралсор) на глубину 6,8 км. Эти скважины пройдены в целях разведки на нефть и газ. Работы по сверхглубокому бурению для изучения коры и верхней мантии Земли ведутся по международной программе «Верхняя мантия Земли». В СССР по этой программе намечено пробурить в 5 районах ряд скважин глубиной до 15 км. Первая такая скважина начата бурением на Балтийском щите в 1970. Эта скважина проходится методом турбинного бурения.

   Основное  направление совершенствования  бурения на нефть и газ в СССР — создание конструкций турбобуров, обеспечивающих увеличение проходки скважины на рейс долота (полное время работы долота в скважине до его подъёма на поверхность). В 1970 созданы безредукторные турбобуры, позволяющие осуществить оптимизацию режимов Б. шарошечными долотами в диапазоне наиболее эффективных оборотов (от 150 до 400 в мин) и использовать долота с перепадом давлений в насадках до 10 Мн/м² (100 атм) вместо 1—1,5 Мн/м² (10—15 атм). Создаются турбобуры с высокой частотой вращения (800—100 об/мин) для бурения алмазными долотами, обеспечивающими при глубоком бурении многократное увеличение проходки и механической скорости бурения за рейс. Разрабатываются новые конструкции низа бурильной колонны, позволяющие бурить в сложных геологических условиях с минимальным искривлением ствола скважины. Ведутся работы по химической обработке промывочных растворов для облегчения и повышения безопасности процесса бурения. Конструируются турбины с наклонной линией давления, которые позволяют получить информацию о режиме работы турбобура на забое скважины и автоматизировать процесс бурения.

    Дальнейшее совершенствование техники и технологии турбинного бурения в 70 – 80 гг. привело к появлению ряда новых направлений в конструировании турбобуров и других технических средств:

• турбобуры с системой гидродинамического торможения. Эти турбобуры имели пониженные в 1,5 – 2,5 раза частоты вращения по сравнению с обычными быстроходными машинами, но требовали увеличения секций турбобура.
• высокоциркулятивные турбины с клапаном-регулятором расхода бурового раствора. Эффективный способ понизить частоту вращения вала турбобура на рабочем режиме, надежность которого ограничивалась низкой работоспособностью и износостойкостью клапана в буровом растворе.  
  методы расчетов и технология изготовления турбин, позволившие освоить производство турбин методом точного литья по выплавляемым моделям и в результате улучшить характеристику и повысить КПД турбины.
• пластмассовые турбины. Эти турбины позволяли существенно удешевить эксплуатацию турбобуров и в свое время массово применялись в турбинном бурении.
• турбины пропеллерного типа. Очень интересная турбина для целей создания телеконтроля и автоматизации процесса турбинного бурения.
• системы демпфирования вибраций турбобура и долота. Позволили существенно снизить уровень вибраций в турбинном бурении и увеличить показатели отработки долот с турбобурами.
• резинометаллические опоры скольжения. Постоянное совершенствование конструкций и материалов этих опор привело к созданию ряда надежных типоразмеров, широко применяемых в турбинном бурении.
• шаровые опоры качения. Это направление все еще не получило должного развития и не привело к созданию надежного и долговечного шарикоподшипника для турбобура.
• турбобуры с разделенным потоком жидкости, полым валом и с вращающимся корпусом. Одно из наиболее интересных и эффективных направлений, позволяющих создать турбобуры для условий глубокого бурения в осложненных горно-геологических условиях.
• турбобуры с плавающей системой статора и плавающей системой ротора. Турбобур с плавающим статором был успешно внедрен и широко применялся при бурении геологоразведочных скважин, особенно в условиях значительной отдаленности буровой от базы обслуживания.
• эксцентриковые соединения для турбобуров. Позволяют существенно упростить сборку и регулировку многих узлов турбобура.
• герметизированные маслонаполненные шпиндели. Очень хорошие результаты промысловых испытаний, тем не менее, не привели к созданию и внедрению промышленно приемлемой конструкции.
• системы маслозащиты шпинделя, которые нашли применение в основном в конструкциях редукторов для турбобуров.
• специальные турбобуры для бурения без подъема труб. Способ и технические средства не нашли широкого промышленного применения.
• реактивно-турбинные буры и роторно-турбинные буры. Один из самых надежных и эффективных способов проходки интервалов скважин большого диаметра, к тому же обеспечивающий высокую степень вертикальности ствола.
• системы телеметрии для турбобуров. Гидротурботахометр типа ИЧТ позволяет измерять частоту вращения вала турбобура при бурении и управлять процессом турбинного бурения.
• резьбовые соединения турбобуров. Без их исследования и разработки широкое развитие турбобуров и турбинного бурения было бы невозможно.

   Все эти направления  были рассчитаны на повышение  технико-экономических показателей  турбинного способа бурения шарошечными  и алмазными долотами. Однако  не все выдержали сравнительные  испытания с более дешевой  серийной техникой. Определенное  распространение получили лишь  турбобуры со ступенями гидродинамического  торможения А7ГТШ, А9ГТШ и турбобур  с плавающим статором ТПС-172, который  вытеснил унифицированный турбобур 3ТСШ1-172 из бурения геологоразведочных  скважин, а также усовершенствованные  резинометаллические и шаровые  опоры.

Гидравлические  забойные двигатели

    Развитие гидравлических  забойных двигателей (ГЗД) в последние  десятилетия прошлого века тесно  связано с появлением новых  высокопроизводительных трехшарошечных долот с герметизированными маслонаполненными опорами. Для эффективной отработки этих долот потребовались низкие частоты вращения - от 60 до 300 об/мин (1-5 с-1). Однако серийно выпускаемые быстроходные турбобуры не могли обеспечивать такие режимы работы. Потребовалось создание новых забойных двигателей с низкой частотой вращения выходного вала.

   В 1970 г. М.Т. Гусманом, Д.Ф. Балденко, А.М. Кочневым и С.С. Никомаровым был предложен турбовинтовой двигатель (ТВД), представляющий собой сочетание низкооборотного винтового механизма с быстроходной турбиной. В дальнейшем эти работы были продолжены А.И. Агеевым, В.А. Литвяком и др. Конструкции ТВД разрабатывались также С.Ю. Брудным-Челядиновым, В.С. Будянским и др. Турбовинтовой двигатель, обеспечивая частоту вращения долота ненамного превышающую частоту вращения винтового двигателя, обладает более стабильной во времени энергетической характеристикой и большей долговечностью.     

Другим важным направлением развития низкооборотных ГЗД является редукторный турбобур. История создания надежного редуктора для турбобура насчитывает много десятилетий. Как уже отмечалось, первый советский турбобур Капелюшникова имел зубчатый многоярусный редуктор. Большой вклад в развитие конструкций редукторов для турбобуров внесли Г.А. Любимов, М.Т. Гусман, Р.А. Иоаннесян, Ю.Р. Иоанесян, Н.Д. Деркач, В.П. Шумилов, Б.В. Кузин, Д.Г. Малышев и др. С тех пор было разработано немало конструкций, прошедших стендовые и промысловые испытания, но широкого промышленного применения тогда они не нашли. Тем не менее, учитывая важность проблемы, работы по созданию работоспособной и эффективной конструкции редуктора для турбобура никогда не прекращались. И наконец в последние годы в Пермском филиале ВНИИБТ под руководством Н.Д. Деркача и Э.Н. Крутика был разработан целый ряд редукторных турбобуров с наружными диаметрами 105, 142, 145, 178, 195 и 240 мм, которые в настоящее время успешно применяются при бурении скважин как шарошечными, так и безопорными долотами разных типоразмеров.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПОСЛЕСЛОВИЕ

    Рассматривая  историю турбинного бурения, следует  также сказать и об организации  работ по разработке и производству  конструкций турбобуров. Необходимо  отметить, что развитие турбинного способа бурения скважин было бы невозможным без огромного внимания и поддержки государственных органов власти. Начиная с 1953 г. все работы по турбобурам были сосредоточены во вновь созданном Всесоюзном научно-исследовательском институте буровой техники (ВНИИБТ) в Москве. В институте были созданы два крупных научно-конструкторских подразделения – Отдел турбобуров под руководством профессора М.Т. Гусмана и Лаборатория высокомоментных турбобуров под руководством профессора Р.А. Иоаннесяна. Эти подразделения имели в своем составе десятки высококвалифицированных специалистов – конструкторов, исследователей, технологов машиностроителей и буровиков. Многие были изобретателями, имели ученые степени докторов и кандидатов наук. Большинство непосредственных исполнителей теоретических и экспериментальных исследований были аспирантами и соискателями. Оба коллектива разрабатывали свои конструкции независимо друг от друга, но всегда действовали в одном направлении, создавая новые еще более эффективные образцы турбобуров и другой турбинной техники для повышения показателей турбинного бурения. В институте постоянно поддерживался творческий дух соревнования и здоровой конкуренции.     

Изготовление опытных  образцов новых турбобуров проводилось  на двух экспериментальных производствах: Экспериментальном заводе ВНИИБТ в г. Люберцы Московской области и Опытном заводе ВНИИБТ в г. Котово Волгоградской области. Стендовые испытания турбин и турбобуров проводились на специальных стендах в г. Люберцы и в п. Поваровка Московской области. Работы по созданию низкооборотных ГЗД в основном были сосредоточены в Пермском филиале ВНИИБТ, который имел свои производственные мощности и стендовую базу. ВНИИБТ располагал широкой сетью отделов внедрения новой техники и технологии во многих нефтегазовых регионах. С помощью этих отделов проводились промысловые испытания, и осуществлялось внедрение новой турбинной техники при бурении скважин.     

После разработки и промышленных испытаний новых  турбобуров, их производство осваивалось  на предприятиях, выпускающих серийную продукцию: Кунгурский машиностроительный завод, Завод им. Ленина (Мотовилиха) и Павловский машиностроительный завод, расположенных в Пермской области.

Таким образом, можно  констатировать, что турбинное бурение  в СССР никогда бы не получило такого мощного развития и распространения без сильной государственной поддержки.

 

 

 

 

 

 

ВЫВОД

• История развития турбинного способа бурения начинается с 1923 г., когда в Советском Союзе М.А. Капелюшниковым, С.М. Волохом и Н.А. Корнеевым.
• В 1924 г. инженером американской компании “Standard Oil” С. Шарпенбергом был создан первый многоступенчатый безредукторный турбобур. Однако результаты промышленных испытаний этого турбобура были отрицательными.
• В 1927 г. американец Диль разработал и испытал турбобур, представлявший собой аналог советского турбобура Капелюшникова и др. Однако результаты опытного бурения оказались неудовлетворительными.
• Началом нового этапа в развитии конструкций турбобуров явилось создание в 1934 – 1935 гг. безредукторного турбобура с многоступенчатой турбиной.
• Успешная проходка скважины в Бухте Ильича (Баку) по предложению Р. А. Иоаннесяна, П. П. Шумилова, Э. И. Тагиева, М. Т. Гусмана (1941) турбинным наклонно-направленным бурением положила начало внедрению наклонного турбобурения.
• В 70-80-е годы ХХв. совершенствование техники и технологии турбинного бурения привело к появлению ряда новых направлений в конструировании турбобуров и других технических средств.

   Пусть в течение многих десятилетий применение турбинного способа составляло около 80 процентов от общего объема проходки. Известные преимущества турбинного бурения заключались в значительном росте скорости бурения по сравнению с другими способами, а также в существенной экономии затрат на дорогостоящие высокопрочные бурильные и утяжеленные трубы.

   Я считаю, что главным  преимуществом турбинного способа  бурения является – скорость  проходки на долото, не смотря  на недостатки турбобура можно  сказать, что это эффективный  способ бурения. А также огромное значение в СССР имело выделение государственных средств на дальнейшие разработки конструкции турбобуров, так как без финансовой поддержки было бы невозможно совершенствование техники и технологии турбинного бурения. Любые, даже незначительные разработки, требуют материальных затрат.