Подшипники буровых машин должны быть тщательно сконструированы, потому что они эксплуатируются при исключительных нагрузках и жестких условиях.
Смазка подшипников бурового двигателя представляет собой особую проблему в секторе разведки нефти и газа, что вызвано отказами подшипников, приводящими к дорогостоящим простоям. Есть, однако, способы сделать подшипники двигателя более надежными, как объясняет Роланд Муттенталер, менеджер по развитию бизнеса нефтегазовой компании SKF.
Учитывая, что многие затраты на сервис составляют свыше 200 000 евро в день, даже самый короткий перерыв в добыче может стоить нефтегазовым компаниям огромной суммы упущенной выгоды. Это делает надежность главнейшим критическим фактором успеха в этом ключевом энергетическом секторе.
Надежность лежит в основе каждой разработки в области нефти и газа из-за ее внутренней связи с производительностью и, следовательно, рентабельностью. И нигде влияние на производительность не ощущается так остро, как на “остром конце” разведки нефти и газа – бурильной колонне, которая по сути состоит из бурильной трубы, бурильных фланцев, инструмента и бурового долота.
Буровое оборудование должно обрабатывать различные геологические образования, включая твердые породы и песок, поэтому осевые и ударные нагрузки чрезвычайно высоки, и существует множество возможных режимов разрушения, включая сильную коррозию и трещины колец.
Подшипники бурового двигателя, используемые для бурения нефтяных и газовых скважин, должны надежно работать в этой исключительно сложной среде. Но на этом проблемы не заканчиваются. Подшипники для бурения нефтяных и газовых скважин должны быть “смазаны” высокоабразивным раствором, содержащим >10% твердого вещества, например песка. Это неизбежно увеличивает абразивный износ колец и шариков. Кроме того, подшипники бурового оборудования должны бороться с жесткими химическими добавками, такими как хлориды.
Смазка подшипников бурового двигателя относительно проста – буровой раствор находится под давлением примерно до 10 000 фунтов на квадратный дюйм (690 бар) и прокачивается через скважинную бурильную колонну. Она проходит через мотор, смазывает подшипник, после этого проходит через буровое долото и выжимается за бурильную колонну. Грязь и твердые частицы после этого собираются и фильтруются на буровой установке перед нагнетанием снова вниз.
В течение многих лет буровое долото было “слабым звеном” в бурильной колонне с точки зрения производительности, поэтому разработки сосредоточились в этой области. В результате улучшений в буровом наконечнике и силовом агрегате, подшипники становился “слабым звеном”. Это побудило SKF применить свои обширные возможности в области анализа отказов, материалов, испытаний и проектирования для разработки новых подшипников бурового двигателя, которые позволяют значительно увеличить среднее время между отказами.
Проблемы для нас как производителя включают использование специальных материалов, таких как износостойкие стали. И, хотя рынок начинает восстанавливаться медленно, цена на сырую нефть резко упала в последние годы. Это происходит в то время, когда стоимость бурения и добычи нефти остается высокой, поэтому крупные игроки ищут способы оптимизировать каждый элемент оборудования, включая подшипники бурового двигателя – чтобы максимизировать эффективность и минимизировать эксплуатационные расходы.
Типичный буровой двигатель SKF содержит от 8 до 12 рядов подшипников. Когда подшипник новый, большая часть нагрузки берется на первые несколько рядов. По мере того как каждый ряд начинает изнашиваться, нагрузка смещается на следующий ряд и на следующий, пока все ряды не изнашиваются одинаково. Тогда нагрузка смещается обратно в первый ряд, и процесс повторяется.
Поскольку каждая ситуация различна, SKF предлагает специальный набор инструментов для настройки буровых подшипников для каждого проекта в зависимости от ограничений пространства, меняющихся требований к буровым работам, глубины и направления бурения и геологических условий. Эти инструменты включают в себя внутреннее тестирование, некоторые полевые испытания и обзор процесса и рабочих параметров; коробка объясняет больше об этом.
С прогнозируемым всплеском мировой буровой активности в ближайшие годы повышенная надежность приведет к увеличению среднего времени до отказа, а улучшенная производительность, предлагаемая такими компаниями, как SKF, обеспечивает критическое преимущество для производителей нефти, стремящихся получить преимущество на этом жестоко конкурентном рынке.
Процесс проектирования SKF
Для повышения производительности и надежности подшипников в нефтегазовых разведочных системах инженеры SKF использовали собственные запатентованные инструменты проектирования и моделирования:
- Точное определение поведения пакета подшипников.
- Изменение конструкции подшипника для уменьшения усилия и производительности
- Испытание новых конструкций и материалов.
Точный анализ нагрузки на подшипник невозможен в “живой” рабочей среде, потому что буровая головка недоступна во время работы. Тем не менее, компания SKF построила испытательную установку, которая имитирует основные условия эксплуатации компонентов буровых подшипников для изучения путей решения проблемы преждевременного разрушения. Используя эти буровые установки, компания смогла воспроизвести модели износа и трещины в кольцах в соответствии с типичными режимами отказа.
Методология SKF, однако, выходит за рамки анализа подшипников, охватывая обзор всего узла и операционной среды. Уникальной компетенцией SKF является глубина знаний в области разработки материалов, в частности стали.
Проведенный инженерами SKF анализ первопричин отказов показал, что базовая сталь, а также постпроизводственные процессы оказывают существенное влияние на срок службы подшипников.
SKF изготовила ограниченное количество подшипников новой конструкции для испытательной установки. Помимо специальной стали для повышения износостойкости, подшипники отличались полным комплектом шариков для увеличения грузоподъемности, взаимозаменяемыми кольцами для оптимального распределения нагрузки и уникальной внутренней геометрией для поддержки тяжелых осевых буровых нагрузок и сопротивления загрязнениям.
После получения положительных результатов на испытательных стендах SKF подшипники были введены в эксплуатацию на полевых работах заказчика. Подшипники были оценены во время стандартных интервалов обслуживания буровых установок; были найдены в годном к употреблению состоянии и установлены обратно для дополнительных пробегов. Благодаря изменениям конструкции подшипников и оптимизированной процедуре капитального ремонта двигателя, часы работы были улучшены в этом конкретном случае примерно на 100%.
Ожидается, что подшипниковый узел бурового двигателя SKF будет работать в скважинных условиях значительно дольше, чем текущие часы эксплуатации в отрасли 50-200 часов.
