Забойные двигатели для бурения скважин

Забойные двигатели

При  бурении нефтяных и газовых скважин применяют гидравлические и электрические забойные двигатели , преобразующие соответственно гидравлическую энергию бурового раствора и электрическую энергию в механическую на выходном валу двигателя. Гидравлические забойные двигатели выпускают гидродинамического и гидростатического типов. Первые из них называют турбобурами, а вторые – винтовыми забойными двигателями. Электрические забойные двигатели получили наименование электробуров.

ТУРБОБУРЫ

      Турбобур представляет собой  многоступенчатую гидравлическую турбину, к валу которой непосредственно или через редуктор присоединяется долото.

      Каждая ступень турбины состоит из диска статора и диска ротора . 

В статоре, жестко соединенном с корпусом турбобура, поток  бурового раствора меняет свое направление и поступает в ротор , где отдает часть своей гидравлической мощности на вращение лопаток ротора относительно оси турбины. При этом на лопатках статора создается  реактивный вращающий момент, равный  по величине и противоположный по направлению вращающему моменту ротора. Перетекая из ступени в ступень буровой раствор отдает часть своей гидравлической мощности каждой ступени. В результате   вращающие моменты всех ступеней  суммируются на валу турбобура и передаются долоту. Создаваемый при этом в статорах реактивный момент воспринимается корпусом турбобура и БК.

       Работа турбины  характеризуется частотой вращения вала n , вращающим моментом на валу М, мощностью N, перепадом давления DР  и  коэфициентом полезного действия h.

      Как показали стендовые испытания турбины, зависимость момента от частоты вращения ротора почти прямолинейная. Следовательно, чем больше n  , тем меньше  М, и наоборот.

      В этой связи различают два режима работы турбины: тормозной, когда n = 0, а М достигает максимального значения , и холостой, когда n достигает максимального , а М=0. В первом случае необходимо к валу  турбины приложить такую нагрузку, чтобы его вращение прекратилось, а во втором – совершенно снять нагрузку.

       Максимальное  значение мощности достигается при частоте вращения турбины n = n0.

       Режим, при котором мощность турбины достигает максимального значения  называется экстремальным. Все технические характеристики  турбобуров даются для значений  экстремального режима. В этом режиме  работа турбобура наиболее устойчива, так как небольшое изменение нагрузки на вал турбины не приводит к сильному изменению n

 и, следовательно, к возникновению вибраций, нарушающих работу турбобура.

       Режим, при котором коэфициент полезного действия h турбины достигает максимального значения называется оптимальным. При работе на оптимальном режиме , т.е. при одной определенной частоте вращения ротора турбины для данного расхода бурового раствора Q, потери напора на преодоление гидравлических сопротивлений в турбине DР минимальны.

      При выборе профиля  лопаток турбины стремятся найти такое конструктивное решение, чтобы при работе турбины кривые максимальных значений N и h располагались близко друг к другу.  Линия давления  DР таких турбин располагается почти симметрично относительно вертикали, на которой лежит максимум мощности.

      Таким образом, при постоянном расходе бурового раствора Q  параметры характеристики турбины определяются частотой вращения ее  ротора  n, зависящей от нагрузки на вал турбины (на долото).

      При изменении  расхода бурового раствора Q параметры характеристики турбины изменяются совершенно по другому.

      Пусть при расходе бурового раствора Q1   и соответствующей этому значению частоте вращения  ротора турбины n1  при оптимальном режиме турбина создает мощность N1

и вращающий момент М1 , а перепад давления в турбине составляет DР1. Если расход бурового раствора увеличить до Q2  , параметры характеристики турбины изменятся следующим образом:

 n1  /  n2   =    Q1  /  Q2    ;

N1  /  N2   =   (Q1  /  Q2)3

М1  /  М2    =    (Q1  /  Q2)2

DР1  /  DР2   =   (Q1  /  Q2)2

      Видно, что эффективность турбины значительно зависит от расхода бурового раствора Q. Однако увеличение расхода  Q ограничивается  допустимым давлением в  скважине.

      Параметры характеристики турбины изменяются также пропорционально изменению плотности бурового раствора r.

N1  /  N2   = М1  /  М2    =    Р1  /  DР2   =   r1  /  r2

      Частота вращения  ротора  турбины n  от изменения плотности r не зависит.

      Параметры характеристики турбины изменяются также пропорционально изменению числа ступеней.

ГОСТ 26673-90 предусматривает изготовление бесшпиндельных (ТБ) и шпиндельных (ТШ) турбобуров.

 Турбобуры ТБ применяются при бурении вертикальных и наклонных скважин малой и средней глубины без гидромониторных долот. Применение гидромониторных долот невозможно по тем причинам, что через нижнюю радиальную опору (ниппель) даже при незначительном перепаде давления протекает 10 – 25% бурового раствора.

Значительное снижение потерь бурового раствора достигается в турбобурах, нижняя секция которых, названная шпинделем, укомплектована многорядной осевой опорой и радиальными опорами, а турбин не имеет.

Присоединяется секция шпиндель к одной (при бурении неглубоких скважин), двум или трём последовательно соединённым турбинным секциям.

Поток бурового раствора, пройдя турбинные секции, поступает в секцию – шпиндель, где основная его часть направляется во внутрь вала шпинделя и далее к долоту, а незначительная часть – к опорам шпинделя, смазывая трущиеся поверхности дисков пяты и подпятников, втулок средних опор и средних опор. Благодаря непроточной конструкции опор и наличию уплотнений вала, значительно уменьшены потери бурового раствора через зазор между валом шпинделя  и ниппелем .

Для бурения наклонно – направленных скважин разработаны шпиндельные турбобуры – отклонители типа ТО.

Турбобур – отклонитель состоит из турбинной секции и укороченного шпинделя. Корпуса турбинной секции и шпинделя соединены кривым переводником.

Для бурения с отбором керна предназначены колонковые турбобуры типа КТД, имеющие полый вал , к которому через переводник  присоединяется бурильная головка . Внутри полого вала размещается съёмный керноприёмник . Верхняя часть керноприёмника снабжена головкой  с буртом для захвата его ловителем, а нижняя – кернорвателем, вмонтированным в переводник . Для выхода бурового раствора, вытесняемого из керноприёмника по мере заполнения его керном, вблизи верхней части керноприёмника имеются радиально расположенные отверстия в его стенке, а несколько ниже их – клапанный узел . Последний предотвращает попадание выбуренной породы внутрь керноприёмника, когда он не заполняется керном, и в это время клапан закрыт.

Керноприёмник подвешан на опоре , установленной между переводником к БК и распорной втулкой . Под действием гидравлического усилия, возникающего от перепада давления в турбобуре и долоте, и сил собственного веса, керноприёмник прижимается к опоре и во время работы турбобура не вращается.

ВИНТОВОЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

      Рабочим органом винтового забойного двигателя (ВЗД) является винтовая пара: статор  и ротор .

      Статор представляет собой металлическую трубу, к внутренней поверхности которой привулканизирована резиновая обкладка, имеющая 10 винтовых зубьев левого направления, обращённых к ротору.

      Ротор выполнен из высоколегированной стали с девятью винтовыми зубьями левого направления и расположен относительно оси статора эксцентрично

Кинематическое отношение винтовой пары 9: 10 и соответствующее профилирование её зубьев обеспечивает при движении бурового раствора планетарное обкатывание ротора по зубьям статора и сохранение при этом непрерывного контакта ротора и статора по всей длине. В связи с этим образуются полости высокого и низкого давления и осуществляется рабочий процесс двигателя.

Вращающий момент от ротора передаётся с помощью двухшарнирного соединения на вал шпинделя, укомплектованного многорядной осевой шаровой опорой  и радиальными резино – металлическими опорами . К валу шпинделя  присоединяется долото . Уплотнение вала достигается с помощью торцевых сальников.

ВЗД изготовляют согласно ТУ 39-1230-87.

Типичная характеристика ВЗД при постоянном расходе бурового раствора следующая . По мере роста момента М перепад давления в двигателе Р увеличивается почти линейно, а частота вращения вала двигателя снижается вначале незначительно, а при торможении – резко. Зависимости изменения мощности двигателя и К.П.Д. от момента М имеют максимумы. Когда двигатель работает с максимальным, режим называют оптимальным, а с максимальной мощностью – экстремальным. Увеличение нагрузки на долото после достижения экстремального режима работы двигателя приводит к торможению вала двигателя и к резкому ухудшению его характеристики.

Неэффективны и нагрузки на долото, при которых момент, развиваемый двигателем, меньше момента, обеспечивающего оптимальный режим его работы.

Характер изменения от момента М при любом расходе бурового раствора остаётся примерно одинаковым.

Значения при увеличении растут почти линейно, - несколько уменьшается, а возрастает по зависимости, близкой к квадратичной.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

oilloot.ru

Турбобур: принцип работы, устройство, характеристики

Гидравлические забойные двигатели типа турбобур – это основной элемент буровых установок. Характеристика турбобура влияет на множество факторов, которые определяют функциональную мощность всей добывающей конструкции. Это обусловлено тем, что именно к валу турбины и присоединяется долото.

Устройство турбобура: описание

Данный гидравлический забойный двигатель представляет собой достаточно сложную и компактную конструкцию, которая обеспечивает работу добывающие установки, а именно – функционирование долота.

Сам турбобур можно разделить на следующие элементы:

• турбинный вал;
• опора осевая и радиальная;
• статоры.

Различают две группы деталей: вращающиеся и не вращающиеся.

К не вращающейся группе относятся:

1. Переводник. С его помощью бурильная колонна присоединяется к турбобуру.
2. Цилиндрический корпус. Является основой всего комплекса.
3. Кольца пяты. Функциональный элемент.
4. Диска статора. Через его окна буровая жидкость попадает внутрь.
5. Средняя опора. Обеспечивает поддержку отдельных элементов.
6. Ниппель. Обеспечивает фиксацию деталей внутри корпуса.

К вращающейся группе относятся:

• вал;
• диски ротора;
• пяты.

В основе функционирования оборудования для бурения лежат идентичные ступени гидравлического вида, элементами которых являются:

• направляющий элемент – неподвижный статор;
• рабочее колесо – подвижный ротор.

Статорные колеса крепко зафиксированы в корпусе, а роторные – непосредственно на турбинном валу. В подавляющем большинстве ситуаций, на нижний конец турбобура навинчивается долото, а верхний подсоединяется к бурильным трубам с помощью резьбы.

В идеальном варианте, конструкция турбобура должна:

• обеспечивать достаточны крутящий момент;
• стабильно работать при низкочастотном вращении;
• иметь постоянную энергетическую характеристику;
• быть независимым от свойств бурового раствора.

Несмотря на конкретные требования, на данный момент не существует модели двигателя, который бы полностью им удовлетворял.

При выборе следует учитывать конкретные условия, при которых будет осуществляться бурение – это позволит подобрать оптимальный вариант среди всех доступных моделей

Принцип работы турбобура: основные моменты

В основе функционирования турбобура лежит давление потока жидкости. Именно за счет неё возможно эффективное бурение. Она, под воздействием давления, постепенно проходит через все ступени турбобура, тем самым создавая рабочий реактивный момент. На этом и базируется принцип работы.

Через бурильную колонну сам поток попадает на I ступень турбобура. Направление данной жидкости задается посредством статора. Именно в нем происходит формирование закрутки и достигается заданная скорость. Механическая энергия преобразуется из кинетической в роторе, и используется для непосредственного вращения вала.

Вышеперечисленные детали являют собой составляющие ступеней двигателя. Система, в которую входят статоры, подпятников и опор промежуточного типа, фиксируется с помощью ниппеля с повышенным осевым усилием. За счет этого на торцах элементов создается сила трения, которые и удерживают детали в неподвижном состоянии. Охлаждение подпятников обеспечивается за счет постоянно поступающей жидкостью, которая проходит через верхнюю часть турбобура, а именно – проходит через подпятниковые дисковые окна.

Жидкость промывочная поступает непосредственно в двигатель гидравлический, и только после этого – в нижележащую валовую полость.

Ниппель – это опора радиального вида для двигателя. По этой причине внутренняя площадь полностью покрыта резиной.

Бурение турбобуром: основные сведения

Турбобуры применяются для бурения скважин. Данная процедура подразумевает несколько процессов:

• спуск турбобура;
• опускание долота;
• обеспечение циркуляции жидкости промывочной;
• корректировка забойной нагрузки.

За счет изменения забойной нагрузки, а также постоянного удерживания допустимого давления в системе циркуляции трубопровода, в турбобуре поддерживается стабильный перепад. Он подстраивается таким образом, чтобы соответствовать установленной частот вращения. Именно она и определяет мощность, которую и развивает турбобур.

Устройство турбобура способствует обеспечению достаточной вариативности относительно частоты вращения. Сама конструкция содержит турбобур с долотом, который устанавливается на колонну бурильной трубы, а также снабжен:

• спуско-подъемным устройством;
• аппаратом для обеспечения циркуляции жидкости;
• аппаратурой, фиксирующей её давление;
• автомат подачи буро-инструмента.

Последние два программно связаны между собой, так что при указанном расходе жидкости для промывки поддерживается максимально возможное давление.

Система бурения располагается над местом будущей скважины. Исходя из геологического исследования и прогнозов относительно особенностей почв, подбирается конкретный вид долота. Если грунт состоит из нескольких слоев, то скважина создается с помощью долот нескольких видов.

В зависимости от глубины забоя, процесс может приостанавливаться для монтажа специальных труб – они препятствуют обрушению грунта со стенок скважны.

Турбобур может использоваться в различных климатических условиях, и является универсальным двигателем, обеспечивая надежную работу и высокую эффективность.

Турбинный принцип работы гораздо более производительный, чем роторный, а показатели крутящего момента не зависит от глубины забоя, свойств горных пород или режимов бурения.

Во время бурения управляющему узлу (человеку или автомату) после доведения до забоя необходимо производить нагрузку на долото до тех пор, пока на выбросе насоса давление стабильно повышается.

Турбобур в действии

Читайте также:

snkoil.com

Винтовой забойный двигатель

Винтовые забойные двигатели (ВЗД) в диапазоне 76-240 мм для вертикального, наклонно-направленного (тип Д) и горизонтального бурения, проведения ремонтно-восстановительных работ.

Описание

Технические характеристики

drillingconsulting.ru

Забойный двигатель

Забойный двигатель предназначен для использования при бурении скважин. Двигатель содержит постоянно сцепленные между собой внутреннюю шестерню с наружным зацеплением и наружную шестерню с внутренним зацеплением. Шестерни разделяет невращающийся корпус, несущий внутреннюю шестерню. В корпусе выполнены каналы для подачи и выпуска рабочего агента, корпус жестко связан с колонной бурильных труб, а вращающаяся за счет энергии потока рабочего агента наружная шестерня жестко связана с породоразрушающим инструментом. Такое выполнение забойного двигателя позволяет повысить его КПД и долговечность. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для использования при бурении скважин.