Гидравлические забойные двигатели и керноотборные устройства (стр. 1 )

РАЗДЕЛ 6

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ЗАБОЙНЫЕ ДВИГАТЕЛИ И КЕРНООТБОРНЫЕ УСТРОЙСТВА

(Составители: , , )

6.1. Забойные гидравлические двигатели. Турбобуры

Турбобур - это забойный двигатель, в котором кинетическая энергия потока промывочной жидкости при ее скоростном напоре и силовом воздействии на лопатки турбины преобразуется в механическую энергию вращения ротора двигателя (вала).

В турбобуре применяются многоступенчатые осевые турбины лопастного типа с несколькими лопатками в каждой ступени (турбинке). Направляющим аппаратом турбинки является статор. Поток жидкости попадает в статор первой ступени и, пройдя каналы статора, поступает на лопатки ротора, оказывая силовое воздействие на них. В результате ротор стремится повернуть вал турбобура. Далее поток жидкости совершает работу во всех последующих ступенях турбины, вал турбобура приобретает суммарный крутящий момент и вращается с определенной частотой. Естественно, противоположно активному на статор турбины действует реактивный крутящий момент, который передается бурильной колонне и закручивает ее на определенный угол. Поток жидкости, пройдя турбину, через нижнюю полую часть турбобура поступает к долоту. Турбина турбобура представляет собой набор от100 до 400 турбинок (ступеней).

Устройство турбобура можно рассмотреть на примере односекционного турбобура типа Т12М3, конструкция которого является одной из первых моделей, послужившей базой для конструкций почти всех современных турбобуров. Причем двигатель Т12М3, в свою очередь, является результатом многолетних разработок, начатых в 1923 г. и интенсивно продолженных в 1935-1936 гг. и др. Надо отметить, что в США испытания многоступенчатого редукторного турбобура проводили в 1926 г.

Турбобур состоит из не вращающихся и вращающихся деталей (узлов). К не вращающимся относится корпус двигателя, в котором сверху вниз в осевом направлении закреплены: распорная втулка, регулировочное кольцо, подпятники осевой опоры (верхней), статоры (100 комплектов), радиальные (средние) опоры, которые ставятся через 33 ступени турбинок и нижний переводник (ниппель), поджимающий в корпусе все указанные детали.

Вращающаяся деталь – вал турбобура, на котором затеплены (снизу вверх): втулка нижней опоры, упор, на который упираются внутренние кольца роторов турбинок, втулки радиальных опор, диски и кольца осевой опоры. Сверху на валу имеется резьба. На нее наворачивается гайка и поджимает на валу названные вращающиеся с валом детали. Верхняя часть гайки коническая и разрезная. На нее надевается обжимающий колпак, закрепляемый контргайкой.

В радиальном направлении вращающиеся и не вращающиеся детали имеют небольшой зазор, а осевая опора – люфт, отрегулированный на определенную величину. Таким образом, названные две группы деталей турбобура имеют степени свободы в осевом и радиальном направлении, а также вокруг оси, поэтому в общем случае выделяют статор и ротор турбины или турбобура. Так как осевая опора может быть расположена вверху турбобура, например у T12M3, то в этом случае опора сделана проточной.

Статор турбобура через переводник крепится к бурильной колонне, а к нижней части вала ротора через переводник крепится долото, корпус которого совершает те же движения, что и нижняя часть вала турбобура. Когда между долотом и валом размещают калибраторы, маховики, удлинители, центраторы, амортизаторы, спецпереводники и др., характер движения долота меняется.

Другие типы турбобуров, в основном, отличаются количеством секций турбин и расположением осевых опор, поэтому работу турбобура, как машинного агрегата, работающего совместно со всем бурильным инструментом, можно рассматривать с применением схемы. В турбобурах применяют разные типы турбин и имеются свои конструктивные отличия.

Рис. 6.1. Схема турбобура с долотом и УБТ:

1- бурильные трубы (чаще УБТ); 2 - корпус турбобура со статорами турбинрк; 3 - "статор турбобура"; 4 - роторы турбинок; 5 - вал турбобура; 6 - радиальная опора (средняя); 7 - канал для потока промывочной жидкости в нижней части вала или в шпинделе турбобура; 8 - осевая опора турбобура; 9 - уплотнение; 10 - долото; Gкол,- осевое усилие от веса бурильной колонны и статора турбобура; Gr - гидравлическая нагрузка на вал турбобура; Gвp- вес вращающихся деталей (вес ротора турбобура с присоединенными к нему деталями); Тn – осевая нагрузка на осевую опору турбобура.

Турбобуры выпускаются диаметром 240 мм, (215), 195, 172 и 127 мм. Разработаны конструкции турбобуров и с меньшими диаметрами для специальных работ, например, для забуривания новых стволов из обсаженных трубами скважин.

Наружный диаметр турбобура выбирают из условия

,

или, чтобы площадь пространства скважины за турбобуром была не менее 20 % от площади забоя скважины. С уменьшением увеличивается прогиб турбобура в скважине, в связи с чем необходима установка центрирующих устройств. Кроме того, двигатели с малыми имеют малую мощность.

Как отмечено выше, турбина турбобура включает несколько десятков (и сотен) отдельных турбинок, состоящих из статора и ротора. Применяются пропеллерные турбинки лопастного типа. В роторе и статоре по окружности размещено одинаковое количество (до 30) лопаток с определенным изгибом (разные σц и ma) и высотой. В этой связи турбинки часто имеют шифр, в котором указывается количество лопаток и их высота в мм, например, 24/16,5; 30/16,5; 28/16. В турбобуре А7ПЗ турбинка имеет это же обозначение. Турбинки обычно наготавливаются полностью из стали путем кокильного или точного литья. В последнем случае присваивается обозначение "ТЛ", которое входит в шифр турбобура. Лопатки турбинок отливаются отдельно или совместно с корпусом турбинки. Разработаны безободные турбинки и пластмассовые, полностью или частично. Специальная конструкция турбинок разработана для турбобуров с плавающими статорами (обод статора разрезной, имеется стопорное устройство, торцы турбинки профильные). У турбины А7ПЗ лопатки имеют поджатие с боков. Лопатки турбинок ГТ ("гидрорешетки торможения") прямые. Таким образом, турбина, являясь частью турбобура, выпол­няет функцию преобразователя энергии, тогда как турбобур представляет собой машинный агрегат, работающий совместно с бурильным инструментом, поэтому характеристики турбобура и турбины отличаются.

Перед рассмотрением конструктивных особенностей других турбобуров следует ознакомиться с понятием "коэффициент циркулятивности" (σц) турбин. Величина σц характеризует степень искривленности лопаток ротора и статора турбинок, причем имеется ввиду, что лопатки статора и ротора загнуты одинаково. Схема расположения лопаток для разных σц приведена на рис. 6.2, где лопатки показаны в разрезе турбинки (или в развертке).

Рис. 6.2. Схемы лопаток турбинки

При σц > 1 турбинки считаются предельными (если сильно изогнуты лопатки, то σц = ∞); турбины с σц = 1 считаются нормальноциркулятивными, а при σц < 1 - кизкоциркулятивными.

Кроме того, турбинки разделяют по коэффициентам активности (mа) и реактивности (mр), которые характеризуют степень искривленности лопаток статора по отношению к лопаткам ротора.

В настоящее время применяют турбинки с σц > 1 и σц = 1, в которых лопатки ротора и статора изогнуты одинаково, а поэтому для них mа = mр и перепады давления в турбине равномерно распределяются в статоре и роторе. В турбинах с σц > 1 их мощность обеспечивается, в основном, путем силового воздействия потока на лопатки ротора турбинки - это турбины с повышенными mв. Если σц > 1, то мощность турбины достигается только за счет скоростного воздействия потока на лопатки ротора. Такие турбины развивают большие частоты n и в настоящее время не применяются.

Первую довольно большую группу составляют турбобуры с нормальноциркулятивными турбинами (σц = 1). Конструкция односекционных двигателей рассмотрена на примере Т12МЗ.

Разработаны и конструкции 2-х секционных машин типа ТС (ТС6, ТСА, ТС5Б и др.) длиной 13-15 м с числом ступеней до 240, с проточной осевой опорой, обычно размещенной в нижней секции. Опора резинометаллическая. Корпусы секций соединяются переводниками с конической резьбой, а валы - конусно-шлицевыми муфтами. Мощность таких турбобуров увеличилась. Применялись турбобуры и в 3-х, 4-х секционном исполнении. Статоры закреплялись ниппелем, через который происходила значительная утечка промывочной жидкости.

Для снижения утечек жидкости через турбобур осевую непроточную опору вынесли в отдельную секцию - шпиндель с полым валом. При этом увеличили угол установки лопаток турбинки с 62°-65° до 72°-75°, уменьшили толщину валов, повысили герметичность уплотнения шпинделя, применили шаровые (ШО) и амортизированные шаровые осевые опоры типа ШШО. Таким образом, появились секционные шпиндельные турбобуры типа ТСШ, которые можно применять, как в 3-х секционном (например, ЭТОШ-195), так в одно - и двухсекционном исполнении. При этом упростилась сборка и регулировка турбобуров.

После унификации деталей в секциях, они стали взаимозаменяемы - появился шифр ЗТСШ1. Затем применили турбинки точного литья в турбобурах типа ЗТСШ-195ТЛ. Потребляемая мощность на сопротивления в этих двигателях резко сократилась, но для увеличения их выходной мощности потребовалась подача промывочной жидкости много больше Qmin. В связи с этим выпуск таких турбобуров в последнее время ограничили.

Для упрощения регулировки люфта турбобура с одновременным увеличением числа турбинок и мощности турбобура (при длине 1 секции 8 м) разработали турбобуры типа ТПС с "плавающими" статорами турбинок. Испытывались двигатели и с "плавающими" роторами. Шифр "ТПС" остался для турбобуров диаметром 172 им, а турбобурам с dr = 195 мм присвоили шифр ЗТСШ1М2-195. Высоту статора и ротора турбинки уменьшили на 9-12 мм, в результате в 3-х секциях двигателя вместо 330 турбинок стало входить до 468 ступеней. Появилась возможность получать те же величины Мв, что и с ЗТСШ-195, но при меньших Q и пониженных частотах вращения вала турбобура, а при тех же Q - большие Мв. Ограничения на величину люфта турбобура в 5-10 мм здесь сняты, так как в осевом направлении статоры перемещаются свободно. Наличие шпоночного соединения исключает проворот статоров вокруг оси турбобура, а силы трения при опоре статора на ротор турбинки снижены благодаря специальной конструкции торцевой поверхности турбинок. Статор турбинки разрезной, чтобы он плотней вписывался внутри корпуса двигателя, при этом стопорное устройство свободно перемещается в шпоночном пазу корпуса.