Ротокон — вращающийся расширитель для бурения¶

Ротокон (от англ. roto-cone, «вращающийся конус») — забойный гидравлический двигатель объёмного типа, применяемый в нефтегазовой промышленности для бурения скважин. Относится к классу винтовых забойных двигателей, в которых рабочий орган выполнен в виде пары «ротор — статор» с винтовыми зубьями. Ротокон устанавливается непосредственно над долотом и преобразует энергию потока бурового раствора в механическую энергию вращения долота, заменяя собой традиционное роторное бурение с вращением всей колонны труб.

¶История и происхождение

Винтовые забойные двигатели были предложены в 1930-х годах, однако их промышленное применение началось позже. В основе конструкции лежит принцип винтового насоса, запатентованного американским инженером Рене Муано в 1930-х годах (насос Муано). Идея «перевернуть» насос — заставить поток жидкости вращать ротор — привела к созданию гидравлических забойных двигателей.

В СССР работы по созданию винтовых двигателей велись с 1950-х годов. Одним из разработчиков стал пермский конструктор, а само название «ротокон» закрепилось за одной из модификаций винтового двигателя, выпускавшегося для нужд бурения. Термин широко использовался в отечественной нефтяной отрасли наряду с обозначениями Д1, Д2, ДГ и другими типами двигателей.

¶Устройство и принцип работы

Ротокон состоит из нескольких основных узлов:

• Статор — корпус с внутренней винтовой поверхностью, выполненной из резины, закреплённой на металлической трубе. Число заходов винта статора обычно на единицу больше числа заходов ротора.
• Ротор — металлический винт, помещённый внутри статора. При подаче бурового раствора под давлением ротор совершает планетарное движение внутри статора.
• Шпиндель — узел, передающий вращение от ротора к долоту и воспринимающий осевые нагрузки.
• Переводники — элементы соединения с колонной бурильных труб и долотом.

Рабочий принцип основан на том, что буровой раствор, прокачиваемый через двигатель, давит на винтовые поверхности ротора, заставляя его вращаться. Ротор соединён с долотом через шпиндель, поэтому вращение передаётся непосредственно породоразрушающему инструменту. Частота вращения зависит от расхода раствора, а крутящий момент — от перепада давления на двигателе.

¶Технические характеристики

Основные параметры ротоконов варьируются в зависимости от типоразмера:

Конкретные значения определяются моделью и условиями бурения. Двигатели подбираются под диаметр скважины и тип долота.

¶Преимущества и недостатки

К преимуществам винтовых двигателей, включая ротокон, относят:

• высокий крутящий момент при относительно низкой частоте вращения;
• возможность бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин;
• снижение износа бурильных труб, поскольку вращается только долото, а не вся колонна;
• простота конструкции и относительно невысокая стоимость обслуживания.

К недостаткам относят:

• ограничение по температуре — резиновый статор теряет свойства при высоких температурах;
• износ резиновой обкладки при работе с абразивными и агрессивными растворами;
• зависимость частоты вращения от расхода раствора, что усложняет точное регулирование;
• снижение эффективности при высоких перепадах давления.

¶Применение

Ротоконы применяются при бурении нефтяных и газовых скважин, в том числе:

• при строительстве наклонно-направленных и горизонтальных скважин;
• при бурении в твёрдых породах, где требуется высокий момент;
• в сочетании с шарошечными и алмазными долотами;
• при капитальном ремонте скважин и зарезке боковых стволов.

Наряду с турбобурами и электробурами винтовые двигатели составляют один из основных классов забойных двигателей. Выбор между ними определяется геологическими условиями, глубиной и профилем скважины.

¶Место среди забойных двигателей

Забойные двигатели делятся на три основные группы: турбобуры (турбинного типа), винтовые (объёмного типа) и электробуры. Ротокон относится ко второй группе. В отличие от турбобура, где вращение создаётся за счёт динамического напора потока, в винтовом двигателе используется объёмное вытеснение жидкости, что обеспечивает более высокий момент при низких оборотах. Это делает винтовые двигатели предпочтительными при бурении с использованием долот, требующих значительного крутящего момента.

¶Современное состояние

В современной практике наряду с классическими винтовыми двигателями применяются гидравлические забойные двигатели с улучшенными характеристиками, в том числе с термостойкими статорами и износостойкими покрытиями. Термин «ротокон» в значительной степени исторический и используется преимущественно в технической литературе и документации прошлых лет. Дальнейшее развитие направления связано с повышением ресурса работы, расширением температурного диапазона и адаптацией к сложным условиям бурения.