Турбобур с алмазными опорами

В процессе бурения скважин долото приводится во вращение с поверхности земли либо ротором через бурильную колонну, либо двигателями, расположенными непосредственно в сква¬жине в нижней части бурильной колонны над долотом. Для этих целей могут применяться гидравлические, электрические и пнев¬матические двигатели.
Существуют гидравлические двигатели двух типов: гидрав¬лические многоступенчатые турбины, называемые турбобурами, и гидравлические двигатели объемного действия — гидробуры.

Оглавление

1 часть. Обзор и выбор ГЗД

ВВЕДЕНИЕ 3
1.1. НАЗНАЧЕНИЕ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, ТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ТУРБОБУРОВ. 4
1.2 ОБЗОР И АНАЛИЗ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ТУРБОБУРОВ. 8
1.3 ОБЗОР И АНАЛИЗ ЗАРУБЕЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ТУРБОБУРОВ. 24
1.4. ВЫБОР ПРОТОТИПА. 32
1.5. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ. 35
1.7. КРАТКАЯ ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. 38
1.8.ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО ТУРБОБУРА 40
1.9 ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ 44
1.9.1.Особенности многоступенчатого турбобура 44
1.9.2. Коэффициенты активности и реактивности 47
1.9.3. Коэффициент циркулятивности 48

2 часть. Расчётная

2.1 РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИИ СКВАЖИНЫ
2.2 РАСЧЕТ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ
2.3 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ
2.4 РАСЧЕТ ВАЛА ШПИНДЕЛЯ НА ПРОЧНОСТЬ
2.5 РАСЧЕТ МОМЕНТОВ ПРИ СБОРКЕ
2.6 РАСЧЕТ ОСЕВОЙ ОПОРЫ


3 часть. Технологическая

3.1 ХАРАКТЕР РАЗРУШЕНИЯ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ ТУРБОБУРОВ. 53
3.2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС РЕМОНТА ТУРБОБУРОВ. 56
1.6. МОНТАЖ И ИСПЫТАНИЕ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСЛЕ РЕМОНТА. 62
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: 65

1.1. Назначение, принцип действия, технические параметры и условия применения турбобуров.
В процессе бурения скважин долото приводится во вращение с поверхности земли либо ротором через бурильную колонну, либо двигателями, расположенными непосредственно в сква­жине в нижней части бурильной колонны над долотом. Для этих целей могут применяться гидравлические, электрические и пнев­матические двигатели.
Существуют гидравлические двигатели двух типов: гидрав­лические многоступенчатые турбины, называемые турбобурами, и гидравлические двигатели объемногодействия — гидробуры.
Электрические забойные двигатели — это электробуры. Они состоят из маслонаполненного двигателя трехфазного перемен­ного тока, соединенного со шпинделем, на котором укреплено долото.
Идея использования забойных двигателей для бурения сква­жин родилась еще в конце прошлого века, однако впервые тур­бобур был применен для бурения скважин советским инжене­ром. М. А. Капелюшниковым в 1923 г.
...

1.2 Обзор и анализ отечественных конструкций турбобуров.
По конструкции турбо­буры делятся на односекционные, многосекцион­ные, высокомоментные, редукторные, шпиндель­ные и укороченные.
Односекционные тур­бобуры Т12МЗ (рис.5) изготовляют диа­метрами 240, 212, 195 и 172 мм с числом ступеней 100—120, собранных в одном корпусе. Они снаб­жены резинометаллической пятой, расположен­ной в верхней части. Ре­зиновые подпятники вы­полняются либо прива­ренными к металличе­ским дискам, либо в виде сменных резиновых вкла­дышей.
Для ориентирован­ного искривления при бурении наклонных скважин применяют бо­лее короткие односекци­онные турбобуры с чис­лом ступеней 30—60.

Рис.5. Односекционный турбобур.
1-вал; 2-втулка ниппеля; 3-шпонка; 4-упорная; 5, 10, 11-регулировочные кольца,
6-ротор; 7-статор; 8, 9-радиальная опора; 12, 13-диск и кольцо пяты; 14-подпятник;
15-гайка ротора; 16-колпак; 17-контргайка; 18-корпус; 19-втулка; 20, 22-переводники; 21-ниппель.
...

1.3 Обзор и анализ зарубежных конструкций турбобуров.
В настоящее время многие европейские фирмы также изготавливают турбобуры: «Зальцгиттер» в Германии, «Трауцль» в Австрии, «Бристол Садели» в Англии, «SMF» во Франции. Сейчас европейскими турбобурами бурят в ФРГ, Англии, Голландии, Австрии, Италии, Франции, Северной и Центральной Африке, Сахаре, Ливии, Аргентине, Венесуэле и т.д.
Большой интерес представляет применение турбинного бурения в Австрии. Нефтяная компания «ОМВ Остеришише Минералогише Вервальтунг», в сотрудничестве с компанией «Трауцль Верке» она вела непрерывные работы по его усовершенствованию. В основном конструкция турбобура этой фирмы та же, что и русского турбобура. Он имеет длину 10м при 100-ступенчатой турбине. Одним из недостатков этих турбобуров является быстрый износ осевых резинометаллических подшипников.
...

1.4. Выбор прототипа.

Турбинное бурение основано на применении забойного тур­бинного двигателя.
При роторном бурении колонна бурильных труб вращается с поверхности и передает вращение долоту, вследствие чего скорость бурения скважины в значительной степени зависит от глубины забоя.
Чем глубже скважина, тем меньшее число оборотов при­ходится давать ротору, между тем для сохранения постоян­ства линейных скоростей на периферии долота естественно было бы увеличивать число оборотов, потому что диаметры долот обычно с глубиной забоя уменьшаются.
Вынужденное снижение окружных скоростей на долоте приводит к снижению скорости проходки и явно выраженному уменьшению эффективности роторного бурения по мере уве­личения глубины скважины.
Длинная колонна бурильных труб при своем вращении встречает со стороны стенок скважины и глинистого раствора большие вредные сопротивления.
...

1.5. Описание конструкции.
Основными конструктивными элементами турбобура Т1-195 (Рис. 17.) являются три турбинные секции 1по 135 ступеней турбин в каждой и одна шпиндельная секция 4, которая служит в основном для восприятия осевой нагрузки. Помимо нее для восприятия осевых и радиальных нагрузок используются опора осевая 5 и опора радиальная 3 соответственно.
Рис. 17. Турбинная и шпиндельная секция турбобура Т1-195
1 - турбинная секция; 2 - турбина; 3 - опора радиальная; 4 - шпиндельная секция; 5 - опора осевая; 6 - ниппель.
Рассмотрим подробнее конструкцию турбобура на рис. 18.

Рис.18. Конструкция турбобура Т1-195

Рабочие колеса – роторы отливаются из стали или ковкого чугуна перлитного класса. Каждый диск имеет профилированные лопатки, сечения которых по длине одинаковые, а сами лопатки цилиндрические.
Статоры выполняются также как и роторы. Отличие состоит в том, что профили лопаток статора представляют собой зеркальное отображение лопаток статора.
...

1.7. Краткая техническая характеристика.
В НПО «Буровая техника» - ВНИИБТ созданы турбобуры нового поколения типа Т1, которые имеют улучшенную энергетическую характеристику и обладают высокой надежностью.
Так, например, как видно из приведенных данных, в новом турбобуре Т1-195 достигнуто повышение момента силы его турбины на 37% при снижении частоты вращения на 15 %.

Как показали натурные стендовые испытания, сравнительное повышение момента и мощности ещё выше у турбобуров в сборе, чем при стендовых испытаниях только пяти ступеней турбины, это достигнуто за счёт резкого снижения потерь в опорах турбобура. Снижение потерь на трение в шпинделе турбобура обеспечивает не только повышенные энергетические параметры машины, но и повышение её показателей надёжности.
Отмеченное улучшение энергетических параметров в свою очередь позволило добиться существенного роста показателей бурения.
...

1.8.Принцип действия и устройство турбобура
Турбобур (рис.19) состоит из двух групп деталей: вращающихся и не вращающихся. Не вращающуюся группу деталей составляют переводник 1, при помощи которого турбобур соединяется с бу­рильной колонной, цилиндрический корпус 2 с кольцами пяты 4, дисками статора 6, средней опорой и ниппелем 8. К вращающейся группе деталей относится вал 3 с насаженными на нем дисками роторов 7 и пяты 5, закрепленными на валу при помощи шпонки, гайки и контргайки. Нижняя часть вала имеет отверстие внутри и боковые каналы для протока раствора к долоту и снабжено резьбой, которой через переводник присоединяется долото.

Рис.19. Многоступенчатый турбобур

Турбина состоит из большого числа ступеней (100—350). Каждая ступень (Рис.20.) представляет собой два диска с лопатками: один диск — ротор — укреплен на валу турбобура, второй — статор.
...

1.9 Выбор параметров
1.9.1.Особенности многоступенчатого турбобура
1. Турбина в турбобуре не работает при постоянном числе оборотов, т.к. нагрузка на валу постоянно меняется в зависимости от сопротивления, встречаемого долотом на забое и зависящего от нагрузки на забой.
2. Турбина турбобура – многоступенчатая. Это объясняется тем, что турбобур располагает сравнительно небольшими расходами жидкости, следовательно, большую мощность можно получить только при высокой энергетической нагрузке жидкости, заставляя каждый килограмм ее выполнять наибольшую работу.
Это можно достигнуть: во-первых, путем увеличения силового воздействия каждого килограмма жидкости на лопатки, увеличения момента этой силы; во-вторых, путем увеличения скорости вращения лопаток вокруг оси турбины.
Рассмотрим оба способа увеличения удельной работы жидкости подробнее.
...

2 часть. Расчётная
2.5. Расчет моментов, необходимых для крепления турбобуров при сборке.
Исходные данные:
Тормозной момент турбобура Мт=5кНм;
Наименьший средний диаметр стягиваемых деталей d=69,7мм;
Средний диаметр закрепляющей резьбы dр=63,7мм;
Угол подъема резьбы φ=10047’;
Коэффициент трения в резьбе f’=0,15;

Решение:
При закреплении резьб на торцах стягиваемых деталей создается осевая сила и момент трения, предохраняющий эти детали от проворачивания. Этот момент трения должен быть больше тормозного момента турбобура:
, (1)
Мтр – момент трения на торцах стягиваемых деталей;
Мт – тормозной момент турбобура;
Qз – осевое усилие затяжки;
d – наименьший средний диаметр стягиваемых деталей ;
К1 - коэффициент, учитывающий наличие двух поверхностей трения, К1=2;
f – коэффициент трения стали по стали, f=0,15-0,2;
К – коэффициент надежности, К=1,2.
...

3.1 Характер разрушения основных деталей турбобуров.
Наиболее характерными видами износа деталей турбобура являются:
1) истирание дисков пяты, уменьшение их рабочей высоты, приводящее к увеличению осевого люфта турбобура;
2) истирание колец пяты и втулок опор, уменьшение их наружного диаметра, приводящее к увеличению радиального люфта турбобура;
3) уменьшение рабочей высоты лопаток турбины в результате торцового касания роторов о статор во время работы вследствие чрезмерно увеличенного осевого люфта турбобура;
4) уменьшение толщины обода лопаток или поломка лопаток в результате радиального касания роторов о статоры во время работы вследствие чрезмерно увеличенного радиального люфта турбобура;
5) набухание резины деталей опор в результате наличия в рабочей жидкости нефти или газа, а также при высоких забойных температурах скважины;
6) заострение профиля резьбы соединений в результате длительной работы.
...

3.2 Технологический процесс ремонта турбобуров.

Рис.25 Схема технологического процесса капитального ремонта

Все детали турбобура работают в абразивной среде при больших давлениях и осевых нагрузках, что вызывает интенсивный износ деталей.
Перед спуском турбобура на забой проверяют:
легкость вращения вала, который должен легко прокручи­ваться цепным ключом с плечом не более 1 м от усилия одного рабо­чего;
осевой зазор вала, который не должен превышать установлен­ную для данного турбобура величину, так как больший зазор ука­зывает на износ пяты турбобура;
радиальный зазор между втулкой нижней опоры и ниппе­лем, который должен быть в пределах допустимого. Большой радиальный зазор показывает, что резиновая поверхность ниппеля изношена.
Затем турбобур опробуют, спустив его в скважину на ведущей трубе. Он должен легко запускаться при давлении 5—15 кгс/см2, а все резьбовые соединения должны быть герметичными.
...

1.6. Монтаж и испытание забойных двигателей после ремонта.
Проверенные и прочищенные детали подаются для сборки. При сборке турбобура торцы каждой детали протираются ветошью.
В процессе сборки применяются следующие смазки.
Машинное масло марки УС-2(Л) для смазки посадочных поверхностей вала под ротор, диски и кольца пяты. Его наносят тонким слоем на смазываемые поверхности кистью или ветошью.
Графитовая смазка (40-45% графита) для смазки резьб.
Насосная смазка (ТУ 577-55) для смазки резьб и наружной поверхности набранных на вал статоров, подпятников и средних опор.
Касторовое масло в небольшом количестве наносится на смазываемые детали при помощи кисти или рукой.
Графитную или насосную смазку наносят щеткой равномерным слоем во впадины резьбы на первые 5-6 ниток. Перед нанесением смазки резьбу следует обезжирить (растворитель, авиационный бензин Б-70) и протереть насухо.
...

Список литературы:

1. Баграмов Р.А., «Буровые машины и комплексы». – М.: Недра,1988.
2. Касьянов В.М., «Турбобуры».- М.: Гостоптехиздат, 1959.
3. Ильский А.Л., Шмидт А.П., «Буровые машины и механизмы». – М.: Недра, 1989.
4. Гусман А.Т., Любимов Б.Г., «Расчет, конструирование и эксплуатация турбобуров». – М.: Недра, 1976.
5. Касьянов В.М., «Гидромашины и компрессоры». – М.: Недра, 1981.
6. Чернавский С.А., Боков К.Н., «Курсовое проектирование деталей машин». Изд. «Машиностроение». 1987.
7. Грабович В.П., «Эксплуатация и ремонт турбобуров». – М.: Недра, 1966.