Размещено на http://www.allbest.ru/

Гидравлические двигатели

1. Общие положения

Цель лабораторной работы «Гидравлические двигатели» - освоение дисциплинарных компетенций, направленных на приобретение студентами знаний в области гидравлических двигателей как базы для освоения профессиональных дисциплин по сооружению и ремонту объектов систем трубопроводного транспорта, бурению нефтяных и газовых скважин и эксплуатации и обслуживании объектов добычи нефти.

В процессе изучения дисциплины студент осваивает части следующих компетенций:

· использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОПК-2);

· эксплуатировать и обслуживать технологическое оборудование, используемое при строительстве, ремонте, реконструкции и восстановлении нефтяных и газовых скважин, добыче нефти и газа, сборе и подготовке скважинной продукции, транспорте и хранении углеводородного сырья (ПК-3);

· осуществлять оперативный контроль за техническим состоянием технологического оборудования, используемого при строительстве, ремонте, реконструкции и восстановлении нефтяных и газовых скважин, добыче нефти и газа, сборе и подготовке скважинной продукции, транспорте и хранении углеводородного сырья (ПК-9).

Задачи лабораторной работы

· формирование знаний о назначении, конструкции, принципах работы и областях применения гидравлических двигателей, используемых при строительстве, ремонте, реконструкции и восстановлении нефтяных и газовых скважин, добыче нефти и газа, сборе и подготовке скважинной продукции, транспорте и хранении углеводородного сырья;

· формирование навыков использования характеристик гидравлических двигателей с учетом конкретного технологического процесса;

· формирование умения выбора гидравлических двигателей с учетом конкретных условий их применения;

· формирование первичных навыков обслуживания, контроля и регулирования эксплуатационных характеристик гидравлических двигателей;

· применение полученных знаний, навыков и умений в последующей профессиональной деятельности.

Предметом освоения в данном разделе дисциплины являются следующие объекты:

- конструкции гидравлических двигателей;

? узлы и детали гидравлических двигателей;

- принцип работы гидравлических двигателей;

- внешние характеристики гидравлических двигателей;

- средства регулирования и изменения эксплуатационных параметров.

Подготовка к лабораторным работам

Выполнение лабораторных работ способствует более глубокому усвоению теоретического материала, раскрытию физической природы гидравлических явлений и приобретению навыков в постановке и ведении экспериментальных наблюдений.

Теоретическая подготовка к работе заключается в самостоятельном изучении того или иного вопроса по литературе и по конспекту лекций.

Если какой-либо из вопросов будет непонятен, следует обратиться за консультацией к преподавателю.

После изучения теории необходимо внимательно ознакомиться с описанием лабораторной работы и методикой её выполнения. Затем в тетради для лабораторных работ следует записать основные расчетные формулы, заготовить (при необходимости) табличные формы.

Подготовка к лабораторным работам осуществляется вне времени аудиторных занятий.

Выполнение работы в лаборатории

Лабораторные работы выполняются в часы, предусмотренные расписанием. Каждая группа студентов разбивается на две подгруппы. В подгруппе, как правило, назначается старший, который перед началом лабораторной работы получает у лаборанта или преподавателя методические пособия, необходимые измерительные приборы и инструменты. После этого студенты знакомятся с содержанием лабораторной работы и методикой её выполнения.

До начала лабораторной работы или одновременно с её выполнением преподаватель проверяет знание студентами вопросов, связанных с выполняемой работой.

Выполнять лабораторную работу необходимо внимательно, соблюдая правила техники безопасности.

Производимые во время работы расчеты нужно заносить в таблицу и предъявлять для просмотра руководителю. Если полученные результаты будут признаны неудовлетворительными, то работу следует повторить.

После получения удовлетворительных результатов необходимо отключить установку, уложить переносные приборы и плакаты на свои места, сдать инструмент и методические пособия преподавателю.

Расчеты и оформление отчета по лабораторной работе необходимо производить в лаборатории сразу же после окончания работы.

Оформление отчета

По выполненной лабораторной работе каждый студент составляет индивидуальный отчет и предъявляет его на очередном занятии преподавателю. В противном случае он не допускается к выполнению следующей лабораторной работы.

Отчет выполняется в отдельной тетради с клетчатой бумагой формата А5 (148х210 мм). При аккуратном ведении записей для всех лабораторных работ достаточно тетради объемом в 24 листа.

Каждый отчет должен включать в себя следующее: название лабораторной работы, схему лабораторной установки, основные расчетные формулы и размерность входящих в них величин, таблицу результатов наблюдений и вычислений, основные выводы. Некоторые отчеты, кроме того, могут содержать графические зависимости

Отчет следует писать разборчиво, с достаточными для заметок полями.

Схемы лабораторных установок и оборудования следует вычерчивать карандашом, нанося необходимые обозначения и пояснения.

Графики выполняются на листах-вкладышах из миллиметровой бумаги. Экспериментальные или расчетные точки на графике должны быть хорошо видны и очерчены окружностью, треугольником или квадратом. В соответствии с расположением точек проводится плавная кривая, которая прерывается на каждой нанесенной точке. Координатные оси графика должны быть проименованы, а график подписан.

Выводы по лабораторной работе могут содержать толкование результатов эксперимента с точки зрения теории, объяснения расхождения результатов эксперимента с теоретическими данными, рекомендации прикладного характера и т.п.

Защита отчета

Защита отчета по выполненной работе производится во время очередного лабораторного занятия путем индивидуального собеседования. Работа засчитывается, если правильно выполнена, аккуратно оформлена и если студент на собеседовании обнаружил знание конструкции изучаемых насосов, овладел методикой лабораторного эксперимента, уяснил физическую сущность того или иного явления, правильно объясняет полученные результаты.

После выполнения и защиты всех лабораторных работ, предусмотренных календарным планом прохождения дисциплины, студенты допускаются к сдаче экзамена по теоретической части дисциплины.

Если при выполнении лабораторных работ и защите отчетов студент систематически показывает высокие знания, то по решению кафедры он может быть освобожден от сдачи экзамена по теоретической части курса.

Лабораторная работа № 4

1. Гидравлические двигатели.

1.1. Классификация гидравлических двигателей.

Гидравлические двигатели в зависимости от особенностей преобразования гидравлической энергии в механическую работу можно разделить на две группы: на статические и динамические.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В гидродвигателях статического типа процесс преобразования гидравлической энергии в механическую работу сопровождается изменением объёма рабочей камеры, а в гидродвигателях динамического типа - изменением скорости и направления движения жидкости в лопаточном рабочем органе машины. В связи с этим в литературе можно встретить классификацию в другом толковании: машины статического типа часто называют объёмными машинами, а динамического типа - лопаточными. На наш взгляд, и та и другая классификации имеют право на существование.

Ввиду ограниченного времени на аудиторные занятия в данной работе будут рассмотрены динамические гидродвигатели осевого типа и статические гидродвигатели винтового типа, как наиболее распространенные в нефтегазовой отрасли. Гидравлические двигатели других типов и конструкций предлагается изучить студентам самостоятельно, в часы самостоятельной работы.

Гидравлические двигатели динамического и статического типов в нефтегазовой отрасли используются главным образом для бурения и ремонта скважин, работая в забойных условиях. Поэтому они называются гидравлическими забойными двигателями. Они служат для передачи крутящего момента породоразрушающему инструменту - долоту.

В настоящее время отечественными машиностроительными заводами выпускаются четыре вида гидравлических забойных двигателей:

- турбинные забойные двигатели (турбобуры) различного конструктивного исполнения (Т);

- винтовые забойные двигатели типа Д (ВЗД);

- турбинно-винтовые забойные двигатели (ТВЗД);

- агрегаты РТБ (реактивно-турбинные буры и роторно-турбинные буры), комплектуемые серийными турбинными или винтовыми забойными двигателями.

Основным разработчиком забойных гидравлических двигателей является ОАО НПО «Буровая техника - ВНИИБТ».

Заводами изготавливаются следующие основные типы гидравлических забойных двигателей:

1.Турбинные забойные двигатели (турбобуры) (Т):

- односекционные бесшпиндельные типа Т12;

- односекционные бесшпиндельные унифицированные типа ТУ-К;

- секционные бесшпиндельные типа ТС;

- секционные шпиндельные унифицированные типа ТСШ1; 2Т-К; ЗТ-К;

- секционные шпиндельные для бурения алмазными долотами типа ТСША;

- секционные шпиндельные с наклонной линией давления, со ступенями гидродинамического торможения типа АГТШ;

- с плавающими статорами типа ТПС;

- редукторные типа ТР;

- турбинные отклонители типа ТО;

- турбобуры-отклонители с независимой подвеской валов турбинной секции типа ТО2;

- шпиндель-отклонитель типа ШО1;

- для отбора образцов пород (керна) колонковые трурбодолота типа КТД;

- керноприемное устройство типа УКТ.

2. Винтовые забойные двигатели (ВЗД):

- односекционные типа Д, Д1;

- секционные типа ДС, ДЗ;

- секционные с полым ротором, с торсионом типа Д2, ДГ.

3. Турбинно-винтовые забойные двигатели (ТВЗД):

- модульные турбинно-винтовые низкооборотные двигатели типа ТНВ;

- универсальные типа ТПС-У; - унифицированные модульные типа 2ТУ-КД.

4. Роторно-турбинные и реактивно-турбинные буры типа РТБ:

- роторно-турбинные буры типа IРТБ ;

- реактивно-турбинные буры типа IIРТБ,

Турбинные забойные двигатели (турбобуры) выпускаются с турбинами:

- металлическими цельнолитыми (отливка в земляные формы);

- металлическими, составными точного литья (ТЛ);

- пластмассовыми, составными (металлические ступицы и пластмассовые проточные части).

С опорами:

- скольжения (резинометаллическими);

- качения (шаровыми, как с уплотнениями, так и без них - проточными).

1.2. Турбобуры

Турбобур представляет собой гидравлическую многоступенчатую осевую турбину, приводимую в движение потоком промывочной жидкости. Основные детали: многоступенчатая турбина, вал, опоры и корпус. Турбина - многоступенчатая, осевая, каждая ступень которой состоит из двух лопастных систем: неподвижной - статор 2 и вращающейся - ротор 1 (см. рис. 1).

Рис. 1. Ступень турбины турбобура. 1 - ротор; 2 - статор.

Многоступенчатость турбины турбобура объясняется тем, что ограничены значения следующих трех факторов, от которых в прямой зависимости находится крутящий момент:

1) расход промывочной жидкости не может быть увеличен из-за возрастания давления в циркуляционной системе и на выкиде бурового насоса;

2) диаметр турбобура ограничен размером ствола скважины;

3) частота вращения вала турбины не может быть произвольно увеличена и предопределяется параметрами режима бурения.

Большое число ступеней турбины при её малом диаметре (43 - 240 мм), малом расходе жидкости (до 50 л/с) и частоте вращения вала 300 - 900 об/мин. позволяют получить довольно высокий (до 4 кН·м) крутящий момент. В разных моделях турбобуров применяется от 100 до 350 ступеней. Например, Т12М3К - содержит 215 ступеней.

При большом числе ступеней значительно увеличивается длина турбобура. Поэтому турбобуры для удобства изготовления, монтажа и транспортировки выполняют в виде отдельных секций (две - три).

По направлению течения жидкости в лопастных системах турбобур относится к прямоточным турбинам. Как в статоре, так и в роторе жидкость движется вдоль оси турбины.

Принцип действия

В статоре поток жидкости подготовляется для эффективного преобразования гидравлической энергии в механическую работу в роторе, при этом скорость жидкости увеличивается и изменяет направление (см. рис. 1). В каналах ротора, лопасти которого наклонены в противоположном направлении, скорость восстанавливается по величине и направлению. Затем жидкость входит в следующую ступень, где процесс повторяется.

При изменении скорости в межлопаточных каналах (и соответствующего импульса потока) возникает сила, с которой поток действует на лопасти, суммируясь во всех ступенях в общий крутящий момент. Крутящий момент в статоре (реактивный) воспринимается корпусом турбобура, жестко связанным с бурильной колонной. Равный по величине, но противоположно направленный крутящий момент (активный), действующий в роторе, через вал турбобура передается долоту.

Величина момента на ступени ротора может быть найдена по формуле:

M_i= с·Q(n_max-n) = с·Q·a_м(n_max-n), (1)

где - плотность жидкости; Q - расход жидкости через ротор; n_max - максимальная частота вращения ротора при отсутствии нагрузки; n - частота вращения ротора при наличии нагрузки; r_ср - средний радиус проточной части ротора; a_м - коэффициент момента, вычисляемый по формуле:

a_м=.

Мощность на роторе ступени вычисляют по формуле:

N_i= M_i·щ = с·Q(u_max-u)u= с·Q·a_n(n_max-n)n, (2)

где - угловая частота вращения ротора; a_n - коэффициент мощности, вычисляемый по формуле:

a_n=.

Устройство односекционного турбобура

Устройство односекционного турбобура показано на рис. 2. Он состоит из деталей двух систем: вращающейся - ротора и неподвижной - статора. К ротору относится вал с насаженными на нем рабочими (турбинными) колесами, втулками средних опор, вращающимися частями осевых опор и крепежными деталями. Систему статора составляют корпус с переводником, ступени статора, расположенные в корпусе, неподвижные детали радиальных и осевых опор. Крепление деталей на валу и в корпусе исключающим их относительное вращение обеспечивается силами трения, действующими по торцам деталей при затяжке резьбовых соединений роторной гайки и ниппеля. Ротор фиксируется относительно статора при помощи осевой и радиальной опор. Для регулировки взаимного положения лопастных систем ротора и статора служит регулировочное кольцо, расположенное между статором и подпятником.

Рис. 2. Односекционный

Турбобур.

1 и 24 - переводники; 2 - втулка корпуса; 3 - корпус; 4 - контргайка; 5 - колпак; 6 - роторная гайка; 7 и 10 - диски пяты; 8 - подпятник; 9 - кольцо пяты; 11 и 18 - регулировочные кольца; 12 и 17 - уплотнительные кольца; 13 - статор; 14 - ротор; 15 - втулка средней опоры; 16 - средняя опора; 19 - упор; 20 - шпонка; 21 - втулка нижней опоры; 22 - ниппель; 23 - вал

Выходные параметры турбобура: мощность на валу, крутящий момент, перепад давления в турбобуре - существенно зависят от расхода промывочной жидкости Q и частоты вращения вала машины n. Зависимость крутящего момента М, мощности на валу N, перепада давления ДР и коэффициента полезного действия з от частоты вращения n при постоянном расходе жидкости через турбину, представляет собой рабочую характеристику турбины турбобура (рис. 3)



Рис. 3. Энергетическая характеристика турбины турбобура.

Режим работы турбобура, соответствующий максимальной мощности на валу при постоянном расходе промывочной жидкости, называется экстремальным.

Поскольку при работе турбобура часть мощности затрачивается на преодоление трения в опорах, а иногда и между статорами и роторами, внешняя характеристика турбобура будет отличаться от рабочей характеристики турбины. Внешняя характеристика турбобура отражает зависимость мощности и крутящего момента от частоты вращения вала турбобура с учетом потерь в опорах.

1.2.3. Элементы устройства

Турбинные колеса

Турбинные колеса бывают цельнолитыми или составными. В условиях вибрационной нагрузки более прочны монолитные (цельнолитые) колеса, но лучшие формы лопастей с чистой поверхностью имеют колеса, сменные венцы которых изготовлены из стали методом точного литья или из полимерных материалов. Ступицы составных колес соединяются с лопастной частью посредством эксцентричного соединения. Для повышения прочности венцы имеют ободы, однако в турбобурах малого диаметра применяют безободные диски.

Опоры

В качестве опор вала турбобура используют резино-металлические подшипники скольжения и шарикоподшипники: упорно-радиальные, упорные и радиальные.

На рис. 4 приведена конструкция резино-металлического подшипника проточного типа, а на рис. 5 - резино-металлического подшипника непроточного типа.

Рис. 4. Ступень осевой резино-металлической опоры проточного типа.

1-кольцо пяты; 2-подпятник; 3-резиновое кольцо; 4-диск пяты; 5-вал; 6-корпус. d₁, d₂ - внутренний и наружный диаметр поверхности трения

Рис. 5. Ступень осевой резино-металлической опоры непроточного типа.

1-кольцо пяты; 2, 4-промежуточное наружное кольцо; 3-подпятник; 5, 10-диск пяты; 6-вал; 7-корпус; 8, 9-резиновые кольца.

На рис. 6 приведены разновидности конструкций упорно-радиального (рис. 6 а) и упорного комбинированного (рис. 6 б) шарикового подшипника с резинометаллической пятой.

а)

б)

Рис. 6. Многорядные бессепараторные осевые опоры.

а) - шаровая упорно-радиальная осевая опора: 1-кольцо наружное; 2, 6- кольцо промежуточное; 3-шарик; 4-кольцо внутреннее; 5-корпус; 7-вал.

б) - многоступенчатая шаровая упорная осевая опора: 1-амортизационное упорное кольцо; 2-кольцо нижнее; 3-шарик; 4-верхнее упорное кольцо; 5-корпус; 6-вал; 7-распорное кольцо;

Редукторные турбобуры

Рис. 7. Редукторный турбобур ТРМ-195. А-турбина; В-опорный узел; С-редуктор-вставка; Д-опорный узел; Е-долото. 1-полумуфта; 2-ради-альная опора; 3-клапан; 4-лубрикатор; 5-уп-лотнение; 6-ролико-подшипник; 7-входной вал; 8-планетарная передача; 9-корпус; 10-выходной вал.

Редукторные турбобуры предназначены для бурения глубоких преимущественно вертикальных и наклонно-направлен-ных скважин на нефть и газ.

Благодаря высокому моменту силы они могут быть использованы как с шарошечными, так и с алмазными долотами и долотами с алмазно-твердо-сплавными пластинами. Высокая прочность редуктора позволяет компоновать с ним одну или несколько турбинных секций различных типов и выполнять редуктор с одной или двумя ступенями передачи.

Применение редукторной вставки позволяет изменять мощность, момент силы и частоту вращения выходного вала турбобура непосредственно в бурящейся скважине путем изменения количества и типа турбинных секций, применения редукторов с различными передаточными отношениями.

Разработаны редукторные турбобуры в трех модификациях:

- турбобуры ТРМ с редуктором-вставкой РМ;

- турбобуры ТРШ с редукторным шпинделем РШ;

- турбобуры ТР с турбинно-редукторной секцией.

Если по условиям бурения применение редуктора не требуется, то турбобуры собирают в обычном исполнении из турбинных секций и шпинделя.

Редуктор-вставка (рис. 7) изготовляется в одном диаметральном размере 195 мм под шифром РМ - 195. Он представляет собой сменный узел, выполненный в отдельном корпусе, в котором размещены:

- двухрядная зубчатая планетарная передача с зацеплением Новикова, отличающаяся высокой износостойкостью и прочностью, способная передавать момент силы более 10 кНм при ограниченных радиальных размерах турбобура;

- ведущий и ведомый валы с несущими опорами, установленными с возможностью компенсации перекосов;

- система маслозащиты, включающая уплотнения торцового типа и лубрикатор, предназначенный для компенсации возможных утечек масла в процессе эксплуатации и выравнивания давления в масляной полости редуктора в внешним давлением.

Конструкция, материалы и технология изготовления уплотнений обеспечивают их надежную работу в абразивной и химически активной средах при осевых и радиальных вибрациях в условиях пульсации давления бурового раствора.

Турбобуры-отклонители

Турбобуры-отклонители типа ТО (ТО-105Р, TO-195К и TO-240К) предназначены для бурения интервалов изменения направления наклонных скважин по зенитному углу и азимуту, а также для забуривания новых стволов скважин в аварийных ситуациях или по технологическим требованиям строительства скважин. Они выпускаются с наружными диаметрами 195 и 240 мм и состоят из турбинной и шпиндельной (отклонительной) секций.

Корпусы секций соединяются с помощью искривленного переводника с углом искривления 1°30', а валы - шарнирной муфты, позволяющей передавать момент силы валов с пересекающимися осями вращения.

В турбобурах-отклонителях типа ТО используется турбинная секция от секционных турбобуров, в верхнем переводнике которой помещен узел ориентации, а в секции отклонителя смонтированы проточная осевая и радиальная опоры от турбобура соответствующего типоразмера.

Турбобуры-отклонители с независимой подвеской валов турбинной секции типа Т02 (Т02-195, ТО2-240) предназначены для бурения интервалов изменения направления наклонных скважин по зенитному углу и азимуту, а также для забуривания новых стволов скважин в аварийных ситуациях или по технологическим требованиям строительства скважин. Они выпускаются с наружными диаметрами 195 и 240 мм и состоят из турбинной и шпиндельной (отклонительной) секций.



Рис. 8. Турбобур-отклонитель ТО-2

1 - промежуточный переводник; 2, 15 - полумуфты; 3, 4, 12, 18, 19, 24 - регулировочные кольца; 5, 7 - верхний и нижний фонари; 6, 22 - многорядные упорно-радиальные шарикоподшипники типа 128700; 8 - статор; 9 - ротор; 10 - средняя опора; 11, 13 - корпус и вал турбинной секции; 14, 16 - соединительный и искривленный переводники; 17 - шарнирное соединение; 20 - нижняя опора; 21 - ступени пяты-сальника; 23, 26 - корпус и вал шпиндельной секции; 25 - ниппельная гайка; 27 - переводник вала.

Во всех турбобурах-отклонителях типа ТО2 (см. рис. 8) используется специальная турбинная секция, имеющая существенные отличия от турбинных секций турбобуров типа ТСШ1 и АШ. Турбобуры-отклонители ТО2-195 и ТО2-240 унифицированы с турбобурами А7Ш2 и А9Ш2. Основное отличие состоит в том, что валы турбинной и шпиндельной секций соединяются между собой с помощью одинарного шарнирного соединения, состоящего из двух полумуфт, а корпусы - с помощью искривленного переводника с углом искривления 1°30' (по заказу потребителя шпиндельная секция может комплектоваться переводниками с углом перекоса осей 1°; 1° 15' и 2°).

Шпиндель-отклонитель ШО1 - 195

Шпиндель-отклонитель ШО1-195 предназначен для бурения интервалов изменения направления скважин по зенитному углу и азимуту, а также для забуривания новых стволов скважин в аварийных ситуациях или по технологическим требованиям строительства скважин. Он выпускается наружным диаметром 195 мм и применяется в сочетании с двумя или тремя турбинными секциями турбобура ЗТСШ1-195 или ЗТСШ1-195ТЛ.

Рис. 9. Шпиндель-отклонитель ШО1-195.

1 - переводник нижней секции; 2 - полумуфта шпинделя; 3,10 - корпус; 4 - упорно-радиальный многорядный шарикоподшипник № 128721; 5 - нижняя опора; 6,11 - вал; 7 - переводник; 8 - двойной шарнир; 9 - искривленный переводник; 12 - ниппельная гайка; 13 - переводник вала.

Шпиндель-отклонитель ШО1-195 (рис. 9) выполнен в виде самостоятельной секции, являющейся осевой опорой турбобура, замена которой, как и обычного шпинделя турбобура, может производиться непосредственно на бурящейся скважине. Он состоит из двух узлов, корпусы которых соединены между собой с помощью искривленного переводника с углом искривления 1° 15' (по заказу потребителя шпиндель-отклонитель может поставляться с искривленным переводником, имеющим угол искривления 1° или 1°30'), а валы - с помощью двойного шарнира, в качестве которого использованы шлицевые муфты, работающие по принципу крестовых муфт.

Шарнирная муфта (двойной шарнир) шпинделя-отклонителя разгружена от осевых усилий благодаря установке в верхней его части многорядного упорно-радиального шарикоподшипника №128721 и одной радиальной опоры, расположенной над ним, а в нижней части - многорядного упорно-радиального шарикоподшипника №128721 и двух радиальных опор, смонтированных по обе стороны от последнего.

Использование двойного шарнира снижает требования к точности регулировки и сборки шпинделя-отклонителя ШО1-195 в ремонтном цехе, т. к. двойной шарнир позволяет исключить влияние его расположения относительно плоскости искривления корпуса на долговечность шарнира и условия запуска турбобура. Корпусы шпинделя-отклонителя и турбинной секции соединяются с помощью конического резьбового соединения, а их валы - конусно-шлицевой полумуфты, имеющей отверстия для отвода бурового раствора из проточной части турбины турбобура в полые валы шнинделя-отклоннтеля.

Благодаря описанной конструкции шпинделя-отклонителя достигается высокая наработка на отказ - в 4...5 раз по сравнению с серийными турбинными отклонителями ТО-195 и ТО2-195, повышенная надежность работы и запуска отклоняющей компоновки.

Колонковые трубодолота

Турбобуры для отбора образцов породы (керна) - колонковые турбодолота типа КТД (КТДЗ-240-269/48, КТД4С-195-214/60 и КТД4С-172-190/40) со съемной грунтоноской предназначены для бурения скважин с отбором образцов породы (керна) турбинным способом без подъема бурильной колонны. Они выпускаются с наружными диаметрами 172; 195 и 240 мм и применяются при бурении скважин в сочетании с бурильными головками различных типоразмеров, рекомендуемых применительно к конкретным геолого-техническим условиям месторождений, обеспечивая при этом диаметр керна составляет соответственно 40; 48; и 60 мм.



Рис. 10. Колонковое турбодолото КТДЗ-240-269/48

I - переводник корпуса; 2 - грунтоноска; 3 - вал; 4 - корпус; 5 - ротор; 6 - статор; 7 - фонарь: 8 - ниппель: 9 - переводник вала.

Конструкция односекционного турбодолота КТДЗ-240-269/48 (рис. 10) аналогична конструкции односекционного турбобура Т12МЗБ-240 и отличается от него полым валом, внутри которого устанавливается съемная колонковая труба - грунтоноска, имеющая специальный бурт в верхней части для захвата шлипсом при необходимости ее подъема. Посадка грунтоноски производится по конической поверхности в неподвижной опоре, жестко связанной с корпусом турбодолота. В процессе отбора керна грунтоноска прижимается к опоре под действием гидравлического усилия, возникающего от перепада давления в турбодолоте и бурильной головке. Силы трения, возникающие при этом на конической поверхности, предотвращают вращение грунтоноски. В последней предусмотрен клапан, перепускающий буровой раствор из колонковой трубы в зазор между валом и грунтоноской при входе керна в трубу. В нижней части грунтоноски расположен кернорватель, который удерживает керн, поступающий в колонковую трубу в процессе работы бурильной головки.

Устройство керноотборное турбинное 2УКТ-172/40

Устройство керноотборное турбинное 2УКТ-172/40 предназначен для бурения нефтяных и газовых скважин диаметром 187,3 и 190,5 мм с отбором керна.

Устройство (рис. 11) выполнено по конструктивной схеме турбобуров с плавающими статорами, сущность которой соcтоит в том, что вал турбобура с пакетом турбин может перемещаться вдоль корпуса.

Рис. 11. Устройство керноотборное турбинное 2УКТ-172/40 1 - турбинная секция; 2 - шпиндель; 3 - бурголовка; 4 - керноприемник; 5 - ступень турбины; 6 - осевая опора шпинделя.

Такое конструктивное решение дает возможность:

- наиболее полно использовать диаметральные и осевые размеры турбин, что улучшает энергетическую характеристику турбобура (снижается частота вращения и увеличивается вращающий момент силы), что существенно улучшает показатели работы шарошечных бурильных головок, способствует увеличению механической скорости бурения;

- полностью исключить при сборке турбобура операцию регулировки турбины, и тем самым предотвратить отказы в работе турбобура в скважине;

- позволяет снять ограничение на величину осевого люфта в шпинделе при работе турбобура в в скважине, что обеспечивает значительную наработку турбобура на отказ (до 300 часов);

- позволяет надежно демпфировать вал турбобура от осевых и поперечных колебаний вследствие отсутствия осевого люфта между роторами и статорами турбины и использования в конструкции оригинальных цельнорезиновых опор,указанное демпфирование способствует повышению (до 65%) выноса керна и улучшению его качества.

Винтовые забойные двигатели

Классификация винтовых двигателей

Винтовые забойные двигатели могут быть классифицированы по следующим признакам:

1. По кратности действия рабочих органов различают двигатели с однозаходным (z₂ =1) и многозаходным ротором (z₂ > 1) в которых ротор и статор имеют многозаходные винтовые поверхности.

Отечественные винтовые забойные двигатели имеют многозаходные рабочие органы. Зарубежные компании производят двигатели как с однозаходным ротором, так и с многозаходными рабочими органами.

Наиболее распространен вариант компоновки, характеризующийся неподвижным статором и планетарно-вращающимся ротором. Этот вариант имеет следующие преимущества:

- разделение полостей высокого и низкого давления осуществляется внутри рабочих органов, т.е. не требуется каких-либо дополнительных сальниковых устройств;

- имеется возможность непосредственно соединять статор с колонной бурильных труб (реактивный момент на статоре закручивает резьбовые соединения бурильных труб).

2. По конструктивной компоновке различают шпиндельные и бесшпиндельные двигатели. Большая часть двигателей выпускается в шпиндельном исполнении, с вынесением осевой и радиальных опор в отдельный автономный узел, расположенный под рабочими органами. Таким образом, конструктивная схема винтового двигателя аналогична турбобурной схеме.

В большинстве случаев рабочие органы двигателей выполняются в монолитном исполнении длиной в 2-3 шага статора. Секционные двигатели характеризуются последовательным расположением стандартных рабочих органов. Роторы секционных двигателей обычно соединяются между собой посредством гибких валов или шарниров, статоры - резьбовыми переводниками. Основная цель секционирования - повышение крутящего момента двигателя или снижение контактных напряжений в рабочих органах.

По конструкции секционных двигателей различают безориентированные и ориентированные модификации. При ориентированной сборке секции соединяются таким образом, что они образуют единую винтовую нарезку и в идеале подобны монолитным рабочим органам. Преимущество ориентированного соединения секций - снижение межвиткового перепада давления и перекашивающего момента.

3. По конструкции ротора рабочих органов различают двигатели с цельным и полым ротором. Двигатели с наружным диаметром 88 мм и более, как правило, выполняются с полым ротором. Такое исполнение позволяет разместить в расточке ротора гибкий вал (торсион), а также снизить инерционные силы в машине.

Двигатели с наружным диаметром менее 88 мм выполняются с цельным ротором. Однако с развитием прогрессивных технологий (гидроштамповка, горячая прокатка) в будущем не исключено использование полых роторов во всех типоразмерах двигателей.

4. По конструкции узла соединения ротора и вала шпинделя винтового забойного двигателя выполняются в двух вариантах: шарнирном или торсионном (с гибким валом).

Первые отечественные двигатели (Д2-172М, ДЗ-172) оснащались двухшарнирными соединениями. В настоящее время почти во всех двигателях используются гибкие валы (торсионы). В некоторых случаях в двигателях с большим перекосом осей (более 1,5°) силовой и шпиндельной секций для повышения надежности используется комбинированная шарнирно-торсионная компоновка.

5. По конструкции шпинделя различают открытые и маслозаполненные шпиндели. В открытых шпинделях (они используются во всех серийных отечественных двигателях) узлы трения смазываются и охлаждаются буровым раствором. В маслонаполненных шпинделях узлы трения находятся в масляной ванне с избыточным давлением превышающем на 0,1-0,2 МПа давление окружающей среды.

6. По типу осевой опоры в шпинделе различают забойные двигатели с опорами качения и скольжения. Опоры качения выполняются в виде многоступенчатых радиально-упорных или упорных шарикоподшипников. Опоры скольжения представлены многорядными упорными подшипниками. В отечественных конструкциях используется пара "обрезиненный подпятник - металлический диск", т.е. осевую опору, которая в турбобуре называется пятой-сальником. Однако наибольшее распространение получил винтовой забойный двигатель с осевыми опорами качения.

7. По конструкции уплотнения вала шпинделя различают шпиндели с торцевыми и многорядными лабиринтными уплотнениями. Уплотнения вала устанавливаются для обеспечения эффективной работы гидромониторных работ.

8. По назначению различают двигатели:

- универсального применения (общего назначения);

- для наклонно направленного бурения;

- для горизонтального бурения;

- для ремонта скважин (буровых работ внутри обсадных колонн и насосно-компрессорных труб);

- специального применения (например, двигатели для горизонтального бурения с вращением КНБК).

9. По наружному диаметру выделяют винтовые забойные двигатели:

- обычного исполнения (диаметром 127 мм и более);

- малогабаритные (диаметром от 54 до 127 мм);

- миниатюрные (диаметром менее 54 мм).

10. По термостойкости различают двигатели:

- в обычном исполнении для температуры до 100 °С;

- термостойкие, предназначенные для бурения при забойной температуре 120-150 °С.

Термостойкость винтового забойного двигателя определяется физико-химическими свойствами эластичной обкладки статора клея, обеспечивающего крепление обкладки с металлом. Для повышения термостойкости винтового забойного двигателя используются специальные эластомеры, а также особые конструкции статоров, например со шлицевым креплением обкладки. В отечественной практике термостойкие двигатели серийно не выпускаются. За рубежом ряд компаний предлагают винтовые забойные двигатели, предназначенные для работы в условиях забойной температуры до 150 °С.

11. По частоте вращения выходного вала различают двигатели:

- обычные (n = 80-150 об/мин);

- быстроходные (n > 150 об/мин);

- тихоходные (n < 80 об/мин).

К обычным двигателям относятся двигатели типа Д в габарите 127-240 мм, к быстроходным - двигатели в габарите 54-88 мм. Тихоходные двигатели встречаются редко, к ним относится одна из модификаций двигателя ДК-108.

12. По типу механизма искривления различают винтовой забойный двигатель с:

- кривым переводником с одним перекосом осей;

- кривым переводником с двумя перекосами осей (двигатель DTU фирмы "Baker Hughes") ;

- регулируемым на поверхности кривым переводником (на устье скважины или в цеху);

- регулируемым на забое кривым переводником (система "Telepilot" Французского института нефти);

- шарнирным переводником.

Наибольшее распространение получили двигатели с переводником, расположенным между силовой и шпиндельными секциями.

13. По роду рабочего агента известны двигатели, использующие жидкость (вода, глинистый раствор), воздух или газ, газожидкостную смесь.

14. По типу зацепления профилей рабочих органов различают двигатели с гипо- и эпициклоидальным зацеплением. Наибольшее распространение получили двигатели с гипоциклоидальным центроидным зацеплением рабочих органов.

Конструкции винтовых двигателей

Выпускаемые в нашей стране винтовые двигатели выполнены по единой компоновочной схеме и имеют неподвижный статор и планетарно-вращающийся ротор (рис. 12).

На рис. 12 показано устройство винтового забойного двигателя Д2 - 172М в продольном и поперечном разрезах.

Двигатель состоит из трех основных узлов: секции двигательной, секции шпинделя и клапана (на рис. 12 не показан), которые соединяются между собой с помощью резьб.

Секция двигательная включает статор 2 и ротор 3, двухшарнирное соединение 5 и корпусные переводники 6 и 7. Рабочие органы, ротор и статор представляют собой зубчатую пару с внутренним косозубым зацеплением (винтовой героторный механизм) с разницей в числах зубьев, равной единице.

Статор 2 имеет десять внутренних винтовых зубьев левого направления, выполненных из эластомера, привулканизированного к корпусу.

Ротор 3, на наружной поверхности которого нарезаны девять винтовых зубьев левого направления, выполняется из коррозионностойкой стали или из конструкционной стали с хромированием зубьев. Ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равной половине высоты зуба.

Рабочие органы являются самыми ответственными деталями двигателя и должны отвечать определенным, высоким требованиям. В частности, для обеспечения нормальной работы двигателя отклонения образующих зубьев статора и ротора от прямолинейности не должны превышать 0,3 мм. Обкладка статора должна быть надежно прикреплена к его корпусу, а рабочая поверхность резины не должна иметь дефектов (трещин, расслоений и др.). Для повышения прочности крепления концевых участков эластомера к корпусу в последнем выполнены протоки специальной формы.

Рис. 12. Винтовой забойный двигатель Д2 - 172М.

1, 6, 7 - верхний, средний и нижний переводники; 2 - статор; 3 - ротор; 4 - распорное кольцо; 5 - двухшарнирное соединение; 8 - соединительная муфта; 9 - многорядная упорная шаровая опора; 10 - вал шпинделя; 11 - радиальный подшипник; 12 - корпус шпинделя; 13 - ниппель.

Образование вращающего момента на валу ВЗД

В следствии разницы чисел заходов в винтовых поверхностях статора и ротора их контактирующие поверхности образуют ряд замкнутых полостей - шлюзов между камерами высокого давления у верхнего конца ротора и пониженного давления у нижнего. Свободный ток жидкости через двигатель перекрыт шлюзами на длине шага винтовой поверхности. Благодаря этому неравномерно распределённое давление жидкости приводит к появлению вращающего момента.

Вращающий момент на роторе может быть определен по формуле:

М = М₀·Др·D·e·t, (3)

где М₀ - удельный момент двигателя (безразмерная величина) величина которого зависит от числа заходов винтовой поверхности и отношения величины эксцентриситета к радиусу зуба; Др -- перепад давления на винтовой паре двигателя; D -- расчетный диаметр винтового механизма, D = 2ez; z₂ ? число заходов у ротора; e - эксцентриситет винтового механизма; t - шаг винтовой линии ротора.

Рис. 13. Контуры сечения рабочих поверхностей статора (А) и ротора (Б) винтового двигателя. Заштрихованы шлюзовые камеры высокого давления.

Для нормальной работы двигателя необходимо соблюдать определенное соотношение между шагом ротора t и шагом статора T:

где z₁ и z₂ соответственно число зубьев ротора и статора.

Частота вращения ротора определяется по формуле:

n_т==;

S=e²[-4,648-c_o(7,547-0,0346c_e)+c_e(7,963-0,0053z₁)-z₁(1,334-7,420c_o)]

где V_o - рабочий объём двигателя (расход жидкости за один оборот вала);

Т- шаг винтовой линии статора; с_о - коэффициент внецентроидности; с_е - коэффициент формы зуба.

Увеличивая число заходов z₂ можно снижать частоту вращения ротора до 100-150 об/мин.

Поскольку ротор в двигателе перемещается с эксцентриситетом, вращающий момент с ротора на вал шпинделя передается двухшарнирным карданным соединением. Шпиндель имеет осевую многорядную опору, радиальную резинометаллическую опору и сальниковое уплотнение для снижения утечек через опоры шпинделя.

Таким образом, объемный двигатель имеет вполне приемлемую для работы породоразрушаюшего инструмента характеристику, и в первую очередь для шарошечных долот, т.к. он обладает большой нагрузочной способностью.

Наиболее быстро изнашивается рабочая пара двигателя: при работе на воде средняя продолжительность работы пары составляет около 100 ч, на глинистом растворе (по данным отработки в Пермском крае) 50 - 90 ч. По мере износа контактирующих поверхностей статора и ротора характеристика двигателя ухудшается вследствие роста объёмных потерь. Поэтому одна из главных проблеем - повышение износостойкости статора и ротора.

Одним из возможных путей повышения энергетических параметров объемного двигателя является создание многосекционного варианта.

Характеристики ВЗД

Характеристики ВЗД необходимы для выбора оптимальных параметров режима бурения и поддержания их в процессе долбления, а также для определения путей дальнейшего совершенствования конструкций ВЗД и технологии бурения с их использованием. Типовая характеристика ВЗД приведена на рис. 14.

Рис. 14. Характеристика винтового забойного двигателя.

М - момент на валу (тормозной момент); n - частота вращения вала; ДР - перепад давления на двигательной части; N - мощность на валу; з - коэффициент полезного действия.

Современные программы бурения ведущих зарубежных фирм предусматривают стендовые испытания каждою гидродвигателя с целью получения их фактических характеристик. Несмотря на дополнительные затраты, это позволяет наиболее эффективно использовать ВЗД, в частности, косвенно по давлению на стояке контролировать нагрузку на долото, что в конечном итоге приводит к улучшению технико-экономических показателей процесса бурения.

В России стендовые испытания также стали проводить заводы-изготови- гели двигателей.

Различают четыре основных режима: холостой (М = 0); оптимальный (максимального КПД); экстремальный (максимальной мощности) и тормозной (п = 0).

Рабочий режим ВЗД принимается соответствующим экстремальному (паспортные данные двигателя приводятся для данного режима) или режима максимально допустимого перепада давления (ограниченною объемным КПД или контактными напряжениями в паре). Некоторые фирмы в своих каталогах приводят конкретные значения допустимого р.

Оптимальный режим смещен влево по отношению к экстремальному, т.е. наступает при меньших значениях крутящего момента как правило, экстремальный режим, соответствующий условиям наиболее эффективного разрушения горных пород, расположен рядом с границей зоны устойчивой работы ВЗД, при достижении которой дальнейшее увеличение нагрузки приводит к торможению двигателя.

Типоразмеры винтовых забойных двигателей

В России в серийном и опытном производстве находится около 40 типоразмеров винтовых забойных двигателей, которые выпускаются пятью машиностроительными заводами. Основные технические показатели, технологические требования и комплектность поставки винтовых забойных двигателей регламентируются техническими условиями «Двигатели винтовые забойные» ТУ 366425-00147074-001-98 и СТП ВНИИБТ 1018-99.

Двигатели общего назначения

Отечественные двигатели этой модификации охватывают диапазон наружных диаметров от 127 до 240 мм и предназначены для привода долот диаметром 139,7-295,3 мм. Зарубежные двигатели представлены более широкой номенклатурой наружных диаметров от 120,6 до 286 мм.

Отечественные двигатели создавались на основе многолетнего опыта конструирования турбобуров, и в них использовались апробированные конструкции опорных узлов шпиндельной секции, резьбовых соединений, элементов соединения валов и др.

В то же время специфические узлы и детали двигателей (рабочие органы, соединение ротора и выходного вала, переливной клапан) не имеют аналогов и разрабатывались по результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований. Выпускаемые в России и за рубежом винтовые забойные двигатели выполняются по единой схеме и имеют неподвижный статор и планетарно вращающийся ротор.

Рис. 15. Двигатель общего назначения Д2-195.

1-верхний переводник; 2-муфта ротора; З-ротор; 4-статор; 5-гибкий вал; 6-переводник пинделя; 7-муфта шпинделя; 8-корпус шпинделя; 9-радиальная опора; 10-торцовый сальник; 11-многорядный упорно-радиальный подшипник; 12-вал шпинделя; 13-ниппель; 14-наддолотный переводник.

Конструкция винтового двигателя в продольном и поперечном разрезах приведена на рис.15 Двигатель состоит из двух секций: силовой и шпиндельной.

Корпусные детали секций соединяются между собой замковыми резьбами, а валы - с помощью конусных, конусно-шлицевых или резьбовых соединений. Третий узел двигателя - переливной клапан, как правило, размещается в автономном переводнике непосредственно над двигателем или между трубами бурильной колонны.

Силовая секция (см. рис. 15) включает в себя статор 4, ротор 3, соединение 5 ротора и выходного вала 12 и корпусные переводники 1 и 6. Шпиндельная секция состоит из корпуса 8, вала 12 с осевыми 11 и радиальными 9 опорам, наддолотного переводника 14.

Двигатели для наклонно-направленного и горизонтального бурения

Эта серия предназначена для бурения наклонно направленных (с большой интенсивностью искривления) и горизонтальных скважин. Обладая рядом конструктивных особенностей и рациональным критерием эффективности М/n, двигатели этой серии, в отличие от турбобуров, эффективно используются в различных технологиях наклонно направленного и горизонтального бурения, в том числе при зарезке и бурении вторых (дополнительных) стволов через окно в эксплуатационной колонне.

При использовании винтового забойного двигателя в горизонтальном бурении реализуются их преимущества по сравнению с турбобурами, в частности меньшей зависимости от диаметра, а также повышенного удельного момента двигателя. Это позволяет сконструировать силовую секцию длиной 1-2 м с наружным диаметром, существенно меньшим, чем у турбобура для аналогичных целей.

Новая серия забойных двигателей типа ДГ диаметром 60-172 мм создана для проводки новых горизонтальных скважин и ремонта существующих. При проектировании двигателей использовался двадцатипятилетний опыт конструирования винтовых забойных двигателей общего назначения и в то же время учитывались требования технологии горизонтального бурения.

Рис. 16. Двигатель для горизонтального бурения ДГ-108.

1- верхний переводник; 2 - ротор в сборе; 3 - статор; 4 - гибкий вал; 5 - шарнир; 6 - корпус шпинделя; 7 - осевая опора; 8 - радиальная опора; 9 - наддолотный переводник.

Основные особенности двигателей серии ДГ (рис.16):

- уменьшенная длина, достигаемая сокращением как силовой, так и шпиндельной секции, при этом силовая секция, как правило, выполняется двухшаговой, что обеспечивает необходимую мощность и ресурс рабочих органов;

- уменьшенный наружный диаметр (108 против 120 мм; 155 против 172 мм), что при сохранении оптимальных характеристик винтового забойного двигателя обеспечивает надежную проходимость двигателя с опорно-центрирующими элементами в стволе скважины и улучшенную гидродинамическую ситуацию в затрубном пространстве;

- многообразие механизмов искривления корпуса (жесткий искривленный переводник, регулируемый переводник, корпусные шарниры с одной или двумя степенями свободы) что позволяет использовать различные технологии проводки скважин;

- возможность размещения на корпусе двигателя опорно-центрирующих элементов;

- усовершенствованное соединение ротора и вала шпинделя, гарантирующее надежную работу с большими углами перекоса.

Варьируя геометрическими параметрами компоновок, а также диаметром и месторасположением опорно-центрирующих элементов на корпусе двигателя, можно проводить бурение горизонтальных и наклонно-направленных скважин по заданному радиусу (от 10 до 100 м и более).

Двигатели для ремонта скважин

Двигатели, применяемые при ремонте нефтяных и газовых скважин, выпускаются с наружным диаметром 108 мм и менее. Диапазон наружных диаметров, конструкция двигателей, а также их характеристики позволяют использовать эти машины для всевозможных буровых работ, встречающихся при ремонте скважин.

Винтовые забойные двигатели используются при разбуривании цементных мостов, песчаных и гидратных пробок, фрезеровании труб, кабелей электропогружных насосов и прочих предметов. Эти двигатели могут производить бурение как внутри насосно-компрессорных труб, так и внутри эксплуатационных колонн. При проведении капитального ремонта внутри колонн может использоваться также двигатель Д1-127. По своей конструкции винтовые забойные двигатели для ремонта скважин принципиально не отличаются от двигателей общего назначения.

Наибольшими возможностями обладает многофункциональный двигатель ДК-108, разработанный ВНИИБТ. Особенностью данного двигателя является широкий диапазон его характеристик, обеспечивающийся наличием в комплекте трех модификаций рабочих органов с различными рабочими объемами, что позволяет использовать эти винтовые забойные двигатели для разнообразных видов ремонтно-восстановительных работ при капитальном ремонте скважин.

Элементы конструкций двигателей и их компоновок

Рабочие органы

Несмотря на многообразие типоразмеров винтовых двигателей, их рабочие органы имеют общие особенности:

1. Рабочие органы выполняются по одной кинематической схеме: неподвижный статор и находящийся внутри него планетарно движущийся ротор.

2. Направление винтовой поверхности рабочих органов - левое, что обеспечивает заворачивание реактивным моментом корпусных резьб винтового забойного двигателя и резьб бурильных труб.

...