Kéo dài tuổi thọ của vòng bi cho động cơ khoan bùn

Vòng bi động cơ khoan bùn cần phải được thiết kế cẩn thận vì chúng được yêu cầu xử lý các ứng suất đặc biệt và các điều kiện đặc biệt khắc nghiệt.

Việc bôi trơn vòng bi động cơ khoan bùn đưa ra những thách thức đặc biệt trong lĩnh vực khai thác dầu khí với các hư hỏng vòng bi dẫn đến thời gian ngừng hoạt động tốn kém. Tuy nhiên, có nhiều cách để làm cho vòng bi động cơ trở nên đáng tin cậy hơn, như Roland Muttenthaler, Giám đốc phát triển kinh doanh Dầu khí tại SKF, giải thích.

Với nhiều chi phí giàn khoan và phi hành đoàn lên tới 200.000 euro mỗi ngày, ngay cả sự gián đoạn ngắn nhất trong sản xuất cũng có thể khiến các công ty dầu khí phải trả một khoản tiền không đáng kể. Điều này làm cho độ tin cậy trở thành yếu tố thành công quan trọng số một trong lĩnh vực năng lượng quan trọng này.

Độ tin cậy là cốt lõi của mọi sự phát triển trong dầu khí vì liên kết nội tại của nó với năng suất và do đó lợi nhuận. Và không nơi nào tác động đến năng suất được cảm nhận sâu sắc hơn ở ‘đầu nhọn’ của hoạt động khai thác dầu khí – chuỗi khoan (chủ yếu bao gồm ống khoan, cổ khoan, dụng cụ và mũi khoan).

Thiết bị khoan phải xử lý các thành tạo địa chất khác nhau bao gồm đá cứng và cát, do đó tải trọng trục và sốc cao đáng kể và có nhiều chế độ thất bại có thể, bao gồm ăn mòn nặng và vòng bị nứt.

Vòng bi, bạc đạn động cơ khoan bùn được sử dụng để khoan dầu khí phải hoạt động đáng tin cậy trong môi trường đòi hỏi đặc biệt này. Nhưng những thách thức không kết thúc ở đó. Cùng với việc chịu tải trọng lớn, ổ trục cho các ứng dụng khoan dầu khí phải được ‘bôi trơn’ bằng bùn có độ mài mòn cao chứa hàm lượng chất rắn> 10% như cát. Điều này chắc chắn làm tăng mài mòn trên các vòng và bóng. Trên hết, vòng bi động cơ bùn phải đấu tranh với các chất phụ gia hóa học khắc nghiệt như clorua.

Bôi trơn vòng bi động cơ bùn tương đối đơn giản – bùn được điều áp đến khoảng 10.000 psi (690 bar) và được bơm qua chuỗi khoan lỗ. Nó đi qua động cơ, bôi trơn các ổ trục, sau đó đi qua mũi khoan và đẩy ra ngoài chuỗi khoan, lấy các mảnh vụn khoan với nó trở lại bề mặt. Bùn và mảnh vụn sau đó được sàng lọc và lọc trên giàn khoan trước khi được bơm trở lại lỗ trong một hoạt động vòng kín.

Trong nhiều năm, mũi khoan là “liên kết yếu” trong chuỗi mũi khoan về năng suất nên công việc phát triển đã tập trung vào lĩnh vực này. Do kết quả của những cải tiến về hiệu suất của mũi khoan và phần công suất động cơ, ‘liên kết yếu’ đã di chuyển lên ổ trục. Điều này đã thúc đẩy SKF áp dụng các khả năng mở rộng của mình trong phân tích lỗi, kỹ thuật vật liệu và thử nghiệm và thiết kế để tiên phong cho vòng bi động cơ bùn mới cho phép tăng đáng kể thời gian trung bình giữa các lần hỏng hóc (xem hộp).

Những thách thức đối với chúng tôi với tư cách là nhà sản xuất bao gồm sử dụng các vật liệu đặc biệt như thép chịu mài mòn. Và, mặc dù nó đang bắt đầu phục hồi chậm, giá dầu thô đã giảm đáng kể trong những năm gần đây. Đây là thời điểm mà chi phí khoan và khai thác, dầu vẫn còn cao nên các tay chơi lớn đang tìm cách tối ưu hóa mọi thiết bị – bao gồm cả vòng bi động cơ bùn – để tối đa hóa hiệu quả và giảm thiểu chi phí vận hành.

Một động cơ bùn SKF điển hình chứa từ tám đến 12 hàng vòng bi. Khi vòng bi còn mới, phần lớn tải được lấy bởi một vài hàng đầu tiên. Khi mỗi hàng bắt đầu mòn, tải được chuyển sang hàng tiếp theo và hàng tiếp theo cho đến khi tất cả các hàng được mặc như nhau. Sau đó, tải được chuyển trở lại hàng đầu tiên và quá trình được lặp lại.

Bởi vì mọi tình huống đều khác nhau, SKF mang đến một bộ công cụ cụ thể để tùy chỉnh vòng bi bùn cho từng dự án tùy thuộc vào giới hạn không gian, nhu cầu dao động trong hoạt động khoan, độ sâu và hướng khoan và điều kiện địa chất. Những công cụ này bao gồm thử nghiệm nội bộ, một số thử nghiệm hiện trường và xem xét quá trình và các thông số vận hành; Hộp giải thích thêm về điều này.

Với sự gia tăng dự đoán trong hoạt động khoan trên toàn thế giới trong những năm tới, độ tin cậy tăng sẽ chuyển sang thời gian trung bình kéo dài trước khi thất bại và hiệu suất được cải thiện bởi các công ty như SKF cung cấp một lợi thế quan trọng cho các nhà sản xuất dầu muốn đạt được lợi thế trong thị trường cạnh tranh khốc liệt này.

Quy trình thiết kế SKF

Để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của vòng bi trong các ứng dụng thăm dò dầu khí, các kỹ sư SKF đã sử dụng các công cụ mô phỏng và thiết kế độc quyền của công ty để:
• Xác định chính xác hành vi của ngăn xếp ổ trục.
• Thiết kế lại ổ trục để giảm thiểu ứng suất và tối ưu hóa khả năng chịu tải.
• Thử nghiệm thiết kế và vật liệu mới.

Không thể phân tích tải trọng chính xác trong môi trường làm việc ‘sống’ vì đầu khoan không thể truy cập được trong quá trình vận hành. Tuy nhiên, SKF đã xây dựng một thiết bị thử nghiệm mô phỏng các điều kiện hoạt động cơ bản của các bộ phận vòng bi bùn để nghiên cứu các cách để giải quyết vấn đề hỏng hóc sớm. Sử dụng các giàn khoan này, công ty đã có thể tái tạo các kiểu hao mòn và nứt trong các vòng theo cách phù hợp với các chế độ thất bại điển hình.

Phương pháp SKF, tuy nhiên, vượt ra ngoài phân tích mang, bao gồm một đánh giá về toàn bộ ứng dụng và môi trường hoạt động. Một năng lực SKF độc đáo là kiến ​​thức chuyên sâu về phát triển vật liệu, đặc biệt là thép.

Một phân tích lỗi nguyên nhân gốc ban đầu được thực hiện bởi các kỹ sư SKF cho thấy rằng thép cơ sở cũng như các quy trình hậu sản xuất sẽ có tác động đáng kể đến tuổi thọ của ổ trục.

SKF đã sản xuất một số lượng hạn chế vòng bi SKF của thiết kế mới cho giàn thử. Cũng như thép đặc biệt để cải thiện khả năng chống mòn, vòng bi có bổ sung đầy đủ các quả bóng để tăng khả năng chịu tải, các vòng có thể thay thế để phân phối tải tối ưu và hình học bên trong độc đáo để hỗ trợ tải trọng trục nặng và chống lại các chất gây ô nhiễm.

Sau khi có kết quả dương tính trên các giàn thử SKF, vòng bi đã được đưa vào hoạt động trong công việc của khách hàng. Vòng bi được đánh giá trong các khoảng thời gian phục vụ tiêu chuẩn của động cơ khoan và được phát hiện trong tình trạng có thể sử dụng được và được gửi trở lại để chạy bổ sung. Thông qua thay đổi thiết kế ổ trục và quy trình đại tu động cơ được tối ưu hóa, giờ chạy đã được cải thiện trong trường hợp cụ thể này khoảng 100%.

Kỳ vọng là giải pháp vòng bi, bạc đạn SKF cho động cơ khoan bùn sẽ thực hiện trong điều kiện xuống cấp lâu hơn đáng kể so với giờ dịch vụ 50-200 giờ hiện tại của ngành.