Будущее в бурении за плунжерными насосами

Обороты больше – вес и габариты меньше!

Назаров В. И., главный конструктор завода «Синергия», к.т.н. 
Садилов М.П., начальник сектора насосов и насосных установок ОГК 

За последние годы в России наметилась устойчивая тенденция роста добычи углеводородов при одновременном снижении разведанных запасов. Естественно, что такое положение бесконечно продолжаться не может. Необходимо увеличение объемов как разведочного, так и эксплуатационного бурения. И абсолютно ясно, что придется бурить все в более труднодоступных районах, а значит потребуется такая техника, которую без значительных затрат можно доставить в эти районы. 
Завод «Синергия» известен как разработчик и изготовитель плунжерных насосов. Поэтому неслучайно в 2001 году к нам обратилось ОАО «Башнефть» с предложением создать мобильную насосно-буровую установку с плунжерным насосом, так как их не устраивали, прежде всего, насосы, выпускаемые в России. Их типичным представителем является НБТ600, низкооборотистый поршневой насос, вес которого 14 тонн, а вся насосная установка с приводом, трансмиссией и манифольдом весит не менее 28 тонн. И такой груз, естественно, негабаритный, а для вертолётов он просто неподъемный, не может быть доставлен к месту работ без значительных затрат. Всё это ведёт к потерям времени и большим материальным затратам при перебазировании буровых комплексов. 
Проанализировав положение с существующими буровыми установками, была поставлена задача – создать такие буровые насосные установки, чтобы они по габаритам и весу соответствовали допустимым параметрам и могли транспортироваться без дополнительной разборки без ограничений как по автомобильным дорогам так и, в случае необходимости, вертолетом. То есть их габариты не должны превышать 10000х2500х3000мм, а вес не должен быть более 18 т. 
Проанализировав конструктив существующих буровых насосов и установок, были сделаны следующие выводы: 
Тихоходность – вот основная причина больших габаритов и веса: 
Подавляющее большинство буровых насосов в настоящее время поршневые, в которых уплотнение происходит по одной кромке поршня, при этом эта кромка подвижна, что делает практически невозможным подвести к ней смазку. Т.е. имеет место сухое трение, и увеличение скорости перемещения поршня приводит к его разрушению. Таким образом, на поршневом насосе нельзя повысить обороты, а значит, и снизить вес и габариты. Плунжерные же насосы выгодно отличаются от поршневых, т.к. уплотнение у них происходит не по одной кромке, а пакетом уплотнений с несколькими кромками, на которые и распределяется нагрузка. Причём пакет неподвижен, поэтому к нему легко подвести смазку. Смазка естественно позволяет в разы снизить коэффициент трения и существенно повысить стойкость пакета уплотнений и самого плунжера. И самое главное - смазка даёт возможность значительно увеличить скорость перемещения плунжера, а следовательно, и обороты насоса со 100-160 у поршневых до 300-320 об/мин у плунжерных. 
Теперь обратимся к теории. Рассмотрим известную формулу: 

где N-передаваемая мощность, М- крутящий момент, n – число оборотов 
Из которой следует, что при увеличении оборотов при одной и той же мощности снижается крутящий момент, а значит и передаваемые усилия. Что, естественно, ведёт в нашем случае к снижению веса и габаритов. 
Таким образом, увеличивая обороты насоса в 2-3 раза, соответственно снижаются передаваемые усилия, вес насоса и габариты. Поэтому преимущества плунжерного насоса перед поршневым очевидны!

Подшипники качения в КШМ – вторая причина большого веса и малого ресурса поршневых насосов.

В КШМ буровых насосов традиционно используются подшипники качения. Одна из основных причин использования которых – малые обороты насоса. Однако по причине высоких рабочих нагрузок это очень большие размеры, вследствие чего большая погрешность при изготовлении и соответственно большие зазоры и как следствие неравномерное распределение нагрузок на ролики; кроме того, циклический характер нагрузок действующих в насосах крайне отрицательно сказывается на их работоспособности. Всё это вкупе ограничивает ресурс их работы не более 5-6 тыс. часов. 
С увеличением оборотов на плунжерном насосе, естественно, представляется целесообразным перейти на коленчатый вал с подшипниками скольжения. 
Их преимущества в следующем: 
- Жидкостное трение взамен полусухого трения у подшипников качения. При жидкостном трении поверхности вала и подшипника разделяют сплошной масляной пленкой; непосредственное трение между металлическими поверхностями вала и подшипника отсутствует. При этом износ металлических поверхностей не происходит. Вследствие чего значительно повышается их ресурс. 
- Малые радиальные размеры и масса благодаря разборной конструкции; 
- Высокая демпфирующая способность при воздействии циклических нагрузок. 
- Бесшумность при работе; 
При этом механическая часть насоса становится намного компактнее, а самое главное, значительно повышается её ресурс в 2-3 раза (до 20000 моточасов).

Таким образом: большая мощность, малая масса и габариты, высокий ресурс – вот основные аргументы в пользу плунжерных насосов. 

Трансмиссия – третья причина больших габаритов и веса поршневых насосов: 
Создание легкого, компактного и надежного насоса, хоть и основная, но далеко не единственная проблема буровой насосной установки. 
Выбор трансмиссии потребовал также много времени и затрат. Традиционно в буровых установках трансмиссия состоит из внешней клиноременной передачи и зубчатой передачи внутри насоса (разнесенный шеврон). 
А это большие габариты, очень значительный вес и постоянный контроль за ремнями, а также необходимость их частой регулировки и замены. 
Естественно в силу своих недостатков, такая схема не годилась для мобильной насосной установки. 
Поэтому перед нами была поставлена задача поиска компактной и надёжной трансмиссии. 
В технике уже давно известны планетарные редуктора с планетарной передачей, применяемые там где требуется компактность и высокая надёжность. Их особенность в следующем: 
- нагрузка в планетарных передачах передается одновременно несколькими сателлитами, следовательно, силы, действующие на зубья колес, соответственно уменьшаются, что позволяет использовать колеса меньших габаритных размеров и массы; 
- в планетарных передачах рационально используются колеса внутреннего зацепления, обладающие большой (по сравнению с колесами наружного зацепления) нагрузочной способностью; 
- равномерное распределение сателлитов по окружности приводит к уравновешиванию радиальных сил, действующих на колеса, и, следовательно, к разгрузке подшипников центральных колес и водила;  

Кроме того, увеличив обороты насоса, стало возможным уменьшение числа редуцирования. Это позволило отказаться от сложной устаревшей схемы с клиноремённой передачей и встроенным шевроном в пользу одного планетарного редуктора. 
Т.е. другими словами, увеличив обороты, мы значительно упростили трансмиссию, существенно уменьшив её габариты и массу.

Немаловажное значение в буровой насосной установке имеет обвязка, как по напорной линии, так и приемной линии. 
На сегодняшний день у нас имеется как вся запорная арматура, так и соединительные элементы, позволяющие собрать и разобрать без сварки манифольд 3 дюйма на напоре и 4 дюйма на приеме. 
Не секрет, что эффективность труда напрямую связана с условиями труда, поэтому все насосные буровые установки изготавливаются нами с жестким теплым укрытием. Сплошное пенополиуретановое покрытие обеспечивает действенную теплоизоляцию, что создаёт комфортные условия труда, как зимой, так и летом для обслуживающего персонала. 
Итак, использование на установках плунжерных насосов, взамен поршневых, в сочетании с удачной трансмиссией позволяет получить следующие преимущества: 
1. Малая масса самой установки в сочетании с транспортными габаритами позволяет установить на обычный полуприцеп, что позволяет осуществлять транспортировку по дорогам общего пользования без каких либо ограничений. Надо отметить, что общая масса установки с полуприцепом не превышает 20 т. 
2. Конструкция установки такова, что не требуется каких-либо монтажных работ на установке при переезде. Всё что требуется после доставки на место, это подключение приёмной и напорной линий (с БРС) и кабелей эл. снабжения. И установка готова к работе. Всё это значительно сокращает время переезда и снижает затраты. 
3. Ресурс основных расходных материалов, рассчитан таким образом, что во время работы не требуется какое-либо обслуживание. Т.е. исключается простой оборудования по причине насосной установки. Само же обслуживание насоса выполняется при переезде одним человеком, в течение 1,5 часов. 
4. Общий ресурс до кап. ремонта составляет 20 тыс. часов или 10 лет работы при бурении. 
На сегодняшний день на базе насосов СИН63 и СИН61 созданы два типа установок с приводом до 400 л.с. для бокового бурения и приводом до 800 л.с. для эксплуатационного бурения, полностью обеспечивающие первоначальные требования.

По требованию заказчика установки могут быть изготовлены с регулируемым эл. приводом, с двигателями постоянного тока или асинхронными мощностью до 630 кВт. 
В настоящий момент наши буровые насосные установки работают в «Башнефти», «Оренбургской буровой компании», БК «Евразия» (Пермский филиал), «Анега-Бурение», «Национальной буровой компании», IDS, «Татнефти», «Самотлорнефтепромхиме» и др. 
По отзывам из данных организаций ресурса основных быстроизнашиваемых деталей хватает на 2 боковых ствола или один основной. 
Для создания мобильных буровых насосных установок потребовалось освоение целого ряда новых уникальных технологий и специального оборудования. На сегодняшний день мы можем шлифовать уникальные коленвалы, крупные резьбы и зубчатые колеса. Специальные обрабатывающие центры позволяют обрабатывать крупногабаритные сборки с высокой точностью и с минимальными затратами времени. Литейное и кузнечно-прессовое производство позволяют получать сложные заготовки с минимальными припусками. Разнообразные виды термической и химической обработки обеспечивают необходимую износостойкость и прочность. Другими словами энергоемкость наших установок (мощность на килограмм веса) как минимум в три раза выше, чем с поршневыми насосами, не только за счет удачных конструкторских решений, но и благодаря высокому технологическому уровню.