Ключевые слова: динамические процессы, винтовой забойный двигатель, бурильная колонна, бироторный механизм действия, корригирование рабочих органов, буровой раствор, энергетические характеристики.
Одновинтовой ВЗД не способен осуществлять эффективное бурение скважин в режиме слайдирования (без вращения бурильной колонны (БК)) с индексом удалённости забоя от вертикали (Extended Reach Drilling ratio (ERD-ratio)), превышающим 4,0, в то время как для роторно-управляемой системы (РУС) он может достигать 6,0 [6; 15; 19]. В настоящее время моторизированные и не моторизированные РУС используются всё чаще. С их помощью осуществляется бурение скважин с наибольшим отходом от вертикали. Известно, что данные технологические способы обладают своими как достоинствами, так и недостатками, избежать которые в процессе бурения сложно, а иногда невозможно [11]. Предложена технология бурения двухсекционным ВЗД бироторного механизма действия (БМД), позволяющая увеличить эффективность бурения наклонно-направленных скважин в режиме слайдирования.
В отечественной и зарубежной практике бурения были попытки промышленного использования секционных ВЗД, соединение которых осуществляется посредством трансмиссионного вала, установленного между двумя роторами секций [3; 7]. Недостатком данных конструкторских решений является отсутствие возможности регуляции угла с одновременным вращением корпуса нижней секции. Энергетические характеристики секционных ВЗД, особенно БМД, изучены в недостаточной степени. Вместе с тем, обоснована необходимость повышения эффективности работы двигателя через его гидравлическую составляющую, а также предложена методика регулирования динамических процессов в БК за счёт вращающегося элемента двухсекционного ВЗД БМД. Проведена верификация теоретических данных с помощью программного обеспечения (ПО) «MSC.ADAMS».
Энергетические характеристики двухсекционного ВЗД БМД
Предложенный авторами двухсекционный ВЗД БМД состоит из двух секций (одновинтовых ВЗД), причём выходной вал верхней секции через специальный переводник соединён с корпусом нижней секции. Не вращающийся корпус верхней секции может быть искривлён благодаря регулятору угла (РУ), установленному в расточке его трансмиссионной секции. Выходной вал нижней секции соединён с породоразрушающим инструментом (ПРИ). Вращение БК производится только для азимутального ориентирования РУ в стволе скважины для ориентированного бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин [5; 12]. На рисунке 1 изображён общий вид двухсекционного ВЗД БМД.
РИСУНОК 1. Общий вид двухсекционного ВЗД БМД [5]
В отличие от классических секционных ВЗД, соединение которых осуществляется между роторами секций, моменты кручения силовых секций предложенного мотора не суммируются (момент кручения на ПРИ равен моменту кручения на нижней секции). В то же время, частоты вращения, в отличие от известных секционных двигателей, у бироторного ВЗД суммируются (частота вращения ПРИ равна сумме частот вращения выходных валов секций мотора).
Момент кручения двигателя можно определить из системы уравнений [18]
(1)
где Jр.1, Jк.2, Jр.1 – моменты инерции от роторной пары верхней секции, корпуса нижней секции и роторной пары нижней секции соответственно, кг⋅м2;
ускорения вращения роторной пары верхней секции, корпуса нижней секции и роторной пары нижней секции соответственно, с-2; Mм.1, Mм.2, Mп, Mд – моменты на верхней секции, нижней секции, переводнике и ПРИ соответственно, Н⋅м; Cр.1, Cк.2, Cр.2 – суммарные коэффициенты вязких (скоростных) потерь для ротора верхней секции, корпуса нижней секции и ротора нижней секции соответственно, Н·м·с/рад; ωр.1, ωк.2, ωр.2
– абсолютные скорости вращения роторной пары верхней секции, корпуса нижней секции и роторной пары нижней секции соответственно, с-1; Mтр.р.1, Mтр.к.2, Mтр.р.2 – реактивные моменты, генерируемые за счёт трения на роторной паре верхней секции, корпусе нижней секции и роторной паре нижней секции соответственно, Н⋅м.
Из-за повышения дифференциального давления в компоновке низа бурильной колонне (КНБК) по причине установки двух силовых секций ВЗД, необходимо повышение давления нагнетания БР в насосах, что является общим недостатком для всех типов секционных ВЗД [8]. Вместе с тем, наблюдается повышение гидравлической нагрузки на ПРИ, которое обуславливается повышением растяжения БК [18].
Сказанное характеризует двигатель как техническое решение, работа которого направлена на увеличение эффективности бурения нефтяных и газовых скважин.
Гидравлические способы повышения эффективности работы двухсекционного ВЗД БМД
Известно, что любой ВЗД обладает диапазоном значений расхода БР для его штатной работы. Из этого следует, что в ряде случаев, при установке разных моделей двигателей в качестве силовых секций в двухсекционном ВЗД БМД, необходимо проведение мероприятий по уравниванию потребных расходов БР на их РО. В ином случае, возможно наличие такие параметров бурения, при которых наблюдается быстрый износ как одной, так и обеих силовых секций. Для достижения эффективной совместной работы одновинтовых ВЗД, то есть при их секционной установке, необходимо достижение равенства их потребных расходов БР в известных геолого-технических условиях. Расход БР Q на РО ВЗД определяется из
(2)
где V – рабочий объём ВЗД, м3/об; n – частота вращения выходного вала ВЗД, об/с; ηо – объёмный КПД ВЗД, ед.
Можно сделать вывод, что для достижения поставленной цели необходимо произвести корректировку одного из трёх параметров: рабочего объёма, частоты вращения или объёмного КПД одной из силовых секций. Частота вращения n остаётся неизменной. Принято, что наиболее эффективным способом является коррекция РО одной из секций.
Рабочий объём машины можно найти с помощью уравнения
(3)
где e – эксцентриситет, м; z1 – количество зубьев статора, ед; Dк – контурный диаметр РО, м; cT – коэффициент формы винтовой поверхности, ед.
Из ф. (3) делается вывод, что изменение рабочего объёма может достигаться коррекцией параметров Dк или cT. Необходимо помнить, что значение коэффициента формы винтовой поверхности находится в диапазоне [5,5;7] [1]. Контурный диаметр РО можно найти из
(4)
где c0 – коэффициент внецентроидности, ед; ξ – коэффициент смещения, ед; ce – коэффициент формы зуба, ед.
Изменение значения коэффициента смещения ξ является наиболее благоприятным способом коррекции параметра контурного диаметра мотора, поскольку в этом случае отсутствует необходимость изменения самих вытачивающих фрез [2; 14].
Достижение равенства показателей Q на обоих ВЗД секционного двигателя возможно, причём наиболее простым и технически эффективным является эксплуатация отработанного объёмного двигателя, в то время как с помощью коррекции рабочего объёма ВЗД V можно добиться наилучших показателей эффективности бурения с помощью двухсекционного ВЗД БМД в целом.
Динамика двухсекционного ВЗД БМД и способы её регуляции
Стабильность вращения КНБК и БК играет фундаментальную роль в современном бурении скважин. Именно сохранение устойчивости и динамической сбалансированности колонны во многом определяет целостность ГП, эффективность промывки и качество очистки ствола от шлама, а также возможность надёжной передачи осевой нагрузки на ПРИ [22; 25].
На рисунке 2 представлена схема, с помощью которой возможно составление многомассовой системы двухсекционного ВЗД БМД, работающего в КНБК, в то время как на устье установлена система верхнего привода (СВП). Индекс «1» соответствует устьевому оборудованию (в частности, СВП), «2» – верхняя БТ, «3» – КБТ и корпус верхней секции, «4» – верхний выходной вал, «5» – корпус нижней секции, «6» – нижний выходной вал, «7» – ПРИ. Момент кручения на ПРИ Mс образуется за счёт противодействующих его вращению сил Fс.
Особенностью представленной компоновки является наличие свободно вращающегося элемента в КНБК, являющегося корпусом нижней секции двухсекционного ВЗД БМД (динамическим модулем). С его помощью уменьшаются силы трения между стенками элементов КНБК и скважины, что позволяет осуществлять более эффективное бурение скважин с БОВ. Другое преимущество динамического модуля – возможность регуляции динамики, генерируемой на забое скважины и распространяющейся выше по колонне к её устью.
Уравнение поперечных, торсионных и осевых колебаний имеет одинаковую структуру. В общем виде уравнение торсионных колебаний системы имеет вид [16]
системы соответственно, м, м·с-1, м·с-2; J – момент инерции, кг⋅м2; C – демпфирование, Н·м·с/рад; K – жёсткость, Н·м/рад; M – момент кручения, Н·м.
Комплексный вектор амплитуды угла закручивания [21] обладает высокой зависимостью от частоты колебаний системы ω и может быть выражен так
где H(ω) – динамическая жёсткость, Н·м/рад; j – мнимая единица; M – комплексный вектор амплитуд моментов, Н·м.
РИСУНОК 2. Многомассовая схема для математического моделирования БК с включенным в нее двухсекционным ВЗД бироторного механизма действия
Динамическая жёсткость описывает податливость системы к колебаниям на частоте ω. С уменьшением этого податливость системы возрастает. В резонансных областях характеристика достигает минимальных значений, стремясь к нулю, тогда как при устранении колебательных процессов – существенно возрастает [13].
Рассматривается возможность диссипации колебаний на динамическом модуле (элемент многомассовой системы «5») за счёт его вращения. Формула момента кручения корпуса
где Ω5 – средняя скорость вращения динамического модуля, рад/с; 
– малые крутильные колебания динамического модуля, рад/с.
где α5 – колебательное демпфирование на корпусе двухсекционного ВЗД БМД за счёт вращательного движения, Н⋅м⋅с/рад.
Из этого следует, что частота вращения элемента влияет на значение параметра α. Причём при положительном параметре α рост частоты вращения элемента приводит к повышению на нём демпфирования колебаний. При отрицательном значении – наоборот. Параметр α может вносить значительное изменение в значение динамической жёсткости H(ω), что доказывает возможность устранения вибраций с помощью изменения частоты вращения корпуса нижней секции [23]. В свою очередь, частота вращения динамического модуля равна частоте вращения выходного вала верхней секции, тогда как её скорость вращения может быть определена из
(9)
где Qм.1 – расход БР на РО верхней секции, л/с; Vм.1 – рабочий объём верхней секции, л/об; ηо.м.1 – объёмный КПД верхней секции, ед.
Таким образом, частота вращения динамического модуля, влияющая на динамику КНБК и БК в целом, определяется расходом БР на РО верхней секции, что позволяет избегать применения плавающей муфты в системе верхнего привода [24], а также поднимать/опускать БК для изменения осевой нагрузки на ПРИ [9].
Из этого следует, что вращение динамического модуля влияет на колебания, распространяющиеся от забоя скважины. Система может быть введена как в режим генерации динамических процессов (отрицательное демпфирование), так и в режим их подавления (положительное демпфирование). Во многом это физическое явление зависит от свойств среды, в которой осуществляется вращение элемента. В бурении скважин этой средой является ствол скважины, заполненный БР [10].
Цифровое моделирование
С помощью программы «MSC.ADAMS» произведён расчёт БК с включённым в её состав двухсекционным ВЗД БМД, причём обе его секции являются одновинтовыми ВЗД модели «DD800784.0» с внешним диаметром 203 мм. Кинематическое отношение РО мотора 7:8, а шаг винтовой линии равен четырём [17].
Выявлено, что с ростом осевой нагрузки на долоте (WOB) генерация колебаний интенсифицируется. Более того, наблюдаются амплитудно-модулированные вибрации [20], представленные на рисунке 3 («синий» и «розовый» графики), способные значительно снизить эффективность бурения скважин.
Все четыре графика соответствуют динамике момента кручения на РУ (корпусе верхней секции). Для всех характерна генерация колебаний на ПРИ с амплитудой момента кручения, равной 400 Н⋅м. Характерные показатели для графиков: «Красный»: WOB = 100 кН, Q = 56,83 л/с; «синий»: WOB = 100 кН, Q = 25,17 л/с; «розовый»: WOB = 80 кН, Q = 25,17 л/с; «чёрный»: WOB = 40 кН, Q = 25,17 л/с.
РИСУНОК 3. Динамика на РУ двухсекционного ВЗД БМД [составлено авторами]
Получено, что с ростом расхода БР на РО секций мотора понижается амплитуда колебаний момента кручения. Эта закономерность изображена на рисунке 4 (WOB = 80 кН, амплитуда колебаний момента кручения на ПРИ – 400 Н⋅м).
РИСУНОК 4. График зависимости амплитуды момента кручения на РУ от расхода БР [составлено авторами]
Таким образом, существуют такие параметры бурения, когда колебания на РУ мотора минимальны. Однако полного их устранения с помощью двухсекционного ВЗД БМД невозможно ввиду внешних условий, неспособных удовлетворить параметры, необходимые для сходимости с теоретической базой, допускающей полное нивелирование генерируемой на забое динамики. Необходимо продолжение изучения мотора, а также исследование путей возможной его модернизации.
Заключение
Обоснована необходимость создания нового гидравлического привода для ПРИ. Так, рассматривается работа двухсекционного ВЗД БМД, с помощью которого возможно регулирование динамики инструмента за счёт гидравлической составляющей. Рассмотрены энергетические характеристики двигателя, а также представлены гидравлические способы повышения эффективности совместной работы его секций. Обоснован наиболее рациональный метод повышения КПД и ресурса работы ротора и статора машины – корригирование РО одной из секций двигателя.
Составлена схема многомассовой модели с двухсекционным ВЗД БМД, по которой приведено теоретическое обоснование возможности регулирования динамики в КНБК и БК в целом за счёт изменения частоты вращения динамического модуля системы. С помощью цифрового моделирования в ПО «MSC.ADAMS» доказано, что полное устранение вибраций с применением предложенной конструкции двухсекционного ВЗД БМД, генерируемых на забое скважины, невозможно, что является основанием для дальнейших исследований и модернизации предложенного мотора. При этом регулирование динамики вращающимся корпусом позволяет обеспечить снижение трения КНБК о стенки скважины, увеличит протяжённость горизонтальных участков скважины, а также минимизировать вероятность возникновения дифференциальных прихватов.
Литература
1. Балденко Ф. Д. Исследование площади камер рабочих органов одновинтовых гидравлических машин / Ф. Д. Балденко, Я. Яо // Бурение и нефть. – 2020. – № 6. – С. 24-29. – EDN: EPRFNH.
2. Балденко Д. Ф. Одновинтовые гидравлические машины. Т. 2. Винтовые забойные двигатели / Д. Ф. Балденко, Ф. Д. Балденко, А. Н. Гноевых. – М. : ООО «ИРЦ Газпром», 2007. – 470 с. – EDN: QMJKHP.
3. Винтовой забойный двигатель : пат. RU 2524238 C2 Рос. Федерация / Д. Ф. Балденко, Ф. Д. Балденко, Д. И. Балетинских [и др.] ; патентообладатель Открытое акционерное общество «Пермнефтемашремонт». – № 2012135393/03 ; заявл. 17.08.2012 ; опубл. 27.07.2014. – EDN: OIDTUB.
4. Героторный механизм рабочих органов объемной гидравлической машины : пат. RU 217542 U1 Рос. Федерация / Д. Ф. Балденко, Ф. Д. Балденко, И. А. Лягов, А. В. Лягов, Ян Яо. – № 2022127178 ; заявл. 19.10.2022 ; опубл. 04.04.2023. – 19 с. – EDN: MOCPDY.
5. Двухсекционный винтовой забойный двигатель бироторного механизма действия : заявка на пат. № 2025132209 Рос. Федерация / М. В. Двойников, Д. О. Морозов ; заявитель ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет». – Заявл. 19.11.2025.
6. Литвиненко В.С. Оценка роли государства в управлении минеральными ресурсами / В.С. Литвиненко, Е.И. Петров, Д.В. Василевская // Записки Горного института. – 2023. – Т. 259. – С. 95-111. – DOI: 10.31897/PMI.2022.100.
7. Лягов И. А. Выбор необходимого количества промывочных переводников в специальной компоновке и исследование их работы при бурении радиально-разветвленных каналов секционными винтовыми двигателями / И. А. Лягов, А. В. Лягов, Д. Р. Исангулов, А. А. Лягова // Записки Горного института. – 2024. – Т. 265. – С. 78-86. – EDN: ZBPWKU.
8. Лягов И. А. Методология расчета технической эффективности силовых секций малогабаритных винтовых забойных двигателей для системы «Перфобур» / И. А. Лягов, Ф. Д. Балденко, А. В. Лягов, В. У. Ямалиев, А. А. Лягова // Записки Горного института. – 2019. – Т. 240. – С. 694-700. – DOI: 10.31897/pmi.2019.6.694.
9. Михеев С. А. Система поддержания эффективной осевой нагрузки на долото при бурении скважин / С. А. Михеев // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. – 2021. – Т. 29, № 4. – С. 32-43. – DOI: 10.14498/tech.2021.4.3.
10. Никитин В. И. Моделирование потока буровой промывочной жидкости при обтекании замковых соединений бурильных труб в программном комплексе ANSYS / В. И. Никитин, Н. Д. Бурахин // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – 2023. – № 4(364). – С. 11-15. – DOI: 10.33285/0130-3872-2023-4(364)-11-15.
11. Петров М. В. Разработка отечественных роторно-управляемых систем / М. В. Петров, В. А. Капитонов, А. В. Ефимов // Экспозиция Нефть Газ. – 2024. – № 3(104). – С. 26-28. – EDN: FVMYKN.
12. Способ бурения наклонно-направленных скважин : заявка на пат. № 2025132204 Рос. Федерация / М. В. Двойников, Д. О. Морозов ; заявитель ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет». – Заявл. 19.11.2025.
13. Хоменко А. П. Возможности развития метода преобразования структурных схем в задачах динамики виброзащитных систем (часть I) / А. П. Хоменко, С. В. Елисеев, Р. С. Большаков, Нгуен Дык Хуинь // Вестник Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления. – 2016. – № 3(60). – С. 5-12. – EDN: WGBALT.
14. Яо Я. К вопросу оптимизации геометрических параметров циклоидального зацепления винтовых забойных двигателей / Я. Яо, Ф. Д. Балденко // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. – 2021. – № 6(126). – С. 22-26. – DOI: 10.33285/1999-6934-2021-6(126)-22-26.
15. Abbas N. Using MSE and Downhole Drilling Dynamics in Achieving a Record Extended-Reach Well Offshore Abu Dhabi / N. Abbas, J. Al Nokhatha, L. Salgado, R. Zakaria, W. Fares, A. Aki // Abu Dhabi International Petroleum Exhibition and Conference. – 2020. – Paper SPE-203335-MS. – DOI: 10.2118/203335-MS.
16. Boukredera F. S. Drill String Torsional Vibrations Modeling With Dynamic Drill Pipe Properties Measurement and Field Validation / F. S. Boukredera, A. Hadjadj, M. R. Youcefi // Journal of Energy Resources Technology. – 2022. – Vol. 144, Iss. 2. – Art. 024502. – DOI: 10.1115/1.4051299.
17. Challenger Downhole Tools. Power Section. Model No. DD800784.0. 8" 7/8 Lobes 4 Stages
18. Dvoynikov M. V. Justification of the Power-performance Characteristics of a Two-section Positive Displacement Motor with a Bi-rotary Mechanism / M. V. Dvoynikov, D. O. Morozov // International Journal of Engineering. Transactions A: Basics. – 2026. – Vol. 39, No. 10. – P. 2472-2484. – DOI: 10.5829/ije.2026.39.10a.10.
19. El Sabeh K. Extended-Reach Drilling (ERD) – The Main Problems and Current Achievements / K. El Sabeh, N. Gaurina-Međimurec, P. Mijić, I. Medved, B. Pašić // Applied Sciences. – 2023. – Vol. 13, Iss. 7. – Art. 4112. – DOI: 10.3390/app13074112.
20. Huang B. Experimental and Numerical Investigation on the Relationship Between Stick-slip Vibration and Rate of Penetration / B. Huang, H. Ni, H. Zhang, Y. Jin, S. Liu, Y. Lu, Z. Liu, Y. Wang // Nonlinear Dynamics. – 2025. – Vol. 113, Iss. 6. – P. 5041-5065. – DOI: 10.1007/s11071-024-10511-3.
21. Kamel J. M. A Review of Vertical Drill-String Mathematical Modelling / J. M. Kamel, A. G. A. Muthalif, A. H. Falah // Applications in Engineering Science. – 2025. – Vol. 22. – Art. 100227. – DOI: 10.1016/j.apples.2025.100227.
22. Liu X. Drill-string Stability and Stress Localization: Influence of Complex Delay Effects and Dry Friction / X. Liu, G. Meng, B. Balachandran // International Journal of Non-Linear Mechanics. – 2023. – Vol. 157. – Art. 104559. – DOI: 10.1016/j.ijnonlinmec.2023.104559.
23. Liu X. Mitigation of Stick-Slip Vibrations in Drilling Systems With Tuned Top Boundary Parameters / X. Liu, Z. Zhang, X. Zheng, X. Long, G. Meng // Journal of Vibration and Acoustics. – 2021. – Vol. 143, Iss. 5. – Art. 051005. – DOI: 10.1115/1.4049377.
24. Motahhari H. R. Method of Optimizing Motor and Bit Performance for Maximum ROP / H. R. Motahhari, G. Hareland, R. Nygaard, B. Bond // Journal of Canadian Petroleum Technology. – 2009. – Vol. 48, No. 6. – P. 44-49. – DOI: 10.2118/09-06-44-TB.
25. Raupov I. Review of Formation Mechanisms, Localization Methods, and Enhanced Oil Recovery Technologies for Residual Oil in Terrigenous Reservoirs / I. Raupov, M. Rogachev, E. Shevaldin // Energies. – 2025. – Vol. 18, Iss. 21. – Art. 5649. – DOI: 10.3390/en18215649.
