§ 2. ТУРБОБУРЫ

 

  Главная      Учебники - Разные     Буровые машины и механизмы (Лесецкий В.А.) - 1980 год

 

поиск по сайту            правообладателям  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание      ..     47      48      49      50     ..

 

 

 

ЗАБОЙНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

 

§ 2. ТУРБОБУРЫ

 

Принцип действия и устройство турбобура

Турбобур (рис. XIII. 1) представляет собой забойный гидравлический агрегат с многоступенчатой гидравлической турбиной, приводимой в действие потоком бурового раствора, который закачивают в бурильную колонну с поверхности насосами.

Турбобур состоит из двух групп деталей: вращающихся и не вращающихся. Невращающуюся группу деталей составляют переводник 1, при помощи которого турбобур соединяется с бурильной колонной, цилиндрический корпус 2 с кольцами пяты 4, дисками статора 5, 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.

Турбина состоит из большого числа ступеней (100—350). Каждая ступень (рис. XIII.2) представляет собой два диска с лопатками: один диск — ротор — укреплен на валу турбобура, второй — статор. Лопатки статора и ротора расположены под углом друг к другу, вследствие чего поток жидкости, поступающий под углом из каналов статора на лопатки ротора, меняет свое направление и производит силовое воздействие на них. В результате этого создаются силы, стремящиеся повернуть закрепленный на валу ротор в одну сторону, а закрепленный в корпусе диск статора—в другую сторону. Далее поток раствора из каналов ротора вновь поступает на лопатки статора ниже расположенной ступени, где вновь происходят изменение направления потока жидкости и подача его на лопатки ротора этой ступени. На роторе второй ступени также возникают силы, создающие активный крутящий момент, и т. д.

 

 

 

Рис. XIII.1. Многоступенчатый турбобур

Рис. XII 1.2. Ступень турбины турбобура
а — внешний вид; б — схема ступени; 1 — ротор, 2 — статор, 3 — лопатки статора; 4 — обод статора; 5 — лопатки ротора

 

 

Рис. XIII.3. Схема движения раствора в многоступенчатой турбине

Рис. XIII.4. Секция резинометаллической пяты турбобура

 

 

Схема движения жидкости в многоступенчатой турбине показана на рис. XIII.3. Жидкость, поступающая в турбобур, проходит через все его ступени и подводится к долоту. Активный крутящий момент, создаваемый каждым ротором, суммируется на валу, а реактивный момент, создаваемый на лопатках дисков статора, суммируется на корпусе турбобура. Эти оба момента— активный и реактивный — равны по величине и противоположны по направлению. Реактивный момент через корпус турбобура передается соединенной с ним бурильной колонне, а активный — долоту.

В зависимости от требований бурения применяют турбобуры диаметром от 127 до 220 мм с числом ступеней от 25 до 350 и более. При большем числе ступеней для удобства перевозки и монтажа турбобур выполняется из отдельных секций (до четырех) длиной 6—10 м каждая, соединяемых между собой на буровой в один агрегат перед спуском в скважину.

Диски ротора и статора отливают из стали, ковкого чугуна или комбинируют из пластмассовых (капроновых, полипропиленовых) венцов и стальных ступиц ротора и ободов статора. Профили лопаток статора и ротора обычно являются зеркальным отображением. В турбобурах диаметром 170 мм и менее применяют безободные диски.

Ротор фиксируется в статоре посредством радиально-осевого и радиальных резинометаллических подшипников скольжения. 

 

В односекционных турбобурах и первых (нижних) секциях секционных турбобуров используется различное расположение опор.

Опора—пята, через которую передается осевая нагрузка от бурильной колонны долоту, в зависимости от конструкции располагается в верхней или нижней частях турбобура. Резинометаллическая пята состоит из нескольких ступеней (рис. XIII.4). Каждая ступень имеет подпятник, который представляет собой металлический обод 1 с резиновой облицовкой 2, укрепляемый в корпусе, и стальной диск 3, сидящий на валу турбобура. 

 

Эластичная резиновая облицовка одного из элементов пяты или подшипника обеспечивает его работу при смазке буровым раствором и распределяет нагрузку по поверхности трения. Резинометаллические опоры турбобуров в зависимости от условий эксплуатации имеют работоспособность в пределах 50— 150 ч.

Пята, расположенная в верхней части турбобура, снабжается каналами для протока раствора, а пята, расположенная в нижней части вала, не имеет каналов и служит лабиринтным уплотнением, препятствующим утечкам раствора в зазор между валом и ниппелем. При такой конструкции можно работать с некоторым перепадом давления в долотах без значительных утечек раствора через нижнее уплотнение. Валы верхних секций имеют только радиальные опоры.

Ниппель, свинченный с корпусом турбобура, служит для зажатия дисков статора. Резиновая обкладка ниппеля является одновременно нижней радиальной опорой и сальником, уплотняющим зазор между корпусом и валом турбобура.

Валы секций соединяются с помощью конусных фрикционных или шлицевых муфт. Последний тип, более сложный в изготовлении, приспособлен к условиям сильной вибрационной нагрузки при бурении крепких пород. Шлицы предназначены для предотвращения проворота муфты. 

 

Конструкции турбобуров

По конструкции турбобуры делятся на односекционные, многосекционные, высокомоментные, редукторные, шпиндельные и укороченные.

Одно секционные турбобуры Т12МЗ (рис. XIII.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.

Многосекционные турбобуры типа ТС (рис. XII 1.6) состоят из двух и более последовательно соединенных между собой секций, каждая из которых собирается в отдельном корпусе вместе со своим валом и имеет 100 и более ступеней. Валы секций соединяются конусно-шлицевыми муфтами при свинчивании корпусов секций. Свинчиваются секции в вертикальном положении на буровой над устьем скважины.

У секционного турбобура одна общая осевая опора располагается в нижней секции. Конструкция резинометаллической пяты такая, как и у односекционных турбобуров. Конструктивно нижняя секция отличается от односекционного турбобура тем, что корпус в верхней части снабжен переводником с конической, резьбой, а на верхней части вала имеется соединительная полу-муфта. Положение роторов относительно статоров регулируется с помощью кольца, установленного между турбиной и осевой пятой.

 

 

 

Рис. XII 1.5. Односекционный турбобур:
1 — вал; 2— втулка ниппеля; 3—шпонка; 4 — упорная втулка, 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 

 

Рис. XIII 6. Многосекционный турбобур:
I — нижняя секция; II — средняя секция; III — верхняя секция:
1, 2, 3 — корпуса нижней, средней и верхней секций; 4, 6, 14 — нижний, средний и верхний переводники; ф, 7, 8 — валы нижней» средней и верхней секций; 10, — нижняя и верхняя полумуфты, 11 — подпятник; 12 — ниппель; 13 — контргайка

 

 

 

 

Рис. XIII 7. Шпиндельный турбо-бур:
1 — вал; 2 — корпус; 3, 4 — радиальные опоры; 5 — подпятник; 6 — диск пяты, 7, 8 — гайка и контргайка, 9 — нижняя полумуфта, 10 — переводник

 

 

Статоры в корпусе закрепляются с помощью ниппеля. У турбобуров ТС5Б-9", ЗТС5Б-9", ТС4А-5", ТС4А-4" ниппель имеет цилиндрическую резьбу. Секционные турбобуры других типов  имеют коническую соединительную резьбу. Для создания необходимого натяга для сжатия статоров применяют регулировочные кольца.

В средних и верхних секциях турбобуров нет осевых пят. Положение вала с роторами относительно корпуса со статорами определяется регулировочным кольцом, устанавливаемым между соединительным переводником и дисками статора.

Крепления статоров в корпусах верхней и средних секций осуществляется затяжкой конического резьбового соединения через регулировочные кольца. В турбобурах ТС4А-5" и ТС4А-4" применяется цилиндрическая резьба.

Шпиндельный турбобур (рис. XIII.7) был разработан с целью уменьшения потерь бурового раствора через нижний подшипник — ниппель — при бурении с гидромониторными долотами, для которых необходимо большое давление раствора при выходе его из вала турбобура. Для этого к нижней части турбобура присоединяется на резьбе отдельная секция — шпиндель, имеющая осевую пяту и радиальные подшипники, сконструированные так, чтобы снизить утечку раствора через зазоры между валом и подшипником корпуса.

Шпиндельные турбобуры изготовляют диаметрами 240, 195, 185, 172 и 164 мм. Шпиндель состоит из вала, укрепленного в корпусе на двух радиальных подшипниках. Для восприятия осевых нагрузок служит резинометаллическая пята, которая состоит из набора стальных дисков и резинометаллических подшипников, чередующихся между собой. Корпус шпинделя присоединяется к нижней турбинной секции через переводник, а вал—через муфту так же, как секции соединяются между собой.

 

 

Рис. XII 1.9. Клапанная перепускная приставка к турбобуру:
I — корпус; 2 — седла; 3 — поршень; 4 — пружины; 5 — переводник; 6 — хвостовик; 7 —втулка

Рис. XIII.8. Турбобур с предельной турбиной и шариковыми опорами:
I,II—нижняя и верхняя секции; 1 — вал; 2 — упор; 3 — ниппель; 4 — упорно-радиальный . шарикоподшипник; 5 — торцовый сальник; 6, 7 — втулки; 8 — ротор; 9 — статор; 10 — шариковые опоры; 11 — гайки; 12 — колпак; 13 — контргайки; 14 — полумуфты; 15 — корпус; 16, 17 — переводники

 

 

В настоящее время конструкции секционных турбобуров унифицированы, и они могут использоваться со шпинделем как одно- или многосекционные.

Турбобуры с предельными турбинами типа А (рис. XIII.8) отличаются от ранее описанных тем, что их турбины имеют изменяющуюся характеристику при постоянном расходе жидкости. Эти турбины сконструированы так, что перепад давления на турбине уменьшается в зависимости от нагрузки на долото и изменяющегося при этом тормозного момента. В них использованы так называемые высокоциркулятивные турбины, постоянный перепад на которых поддерживается с помощью перепускного клапана, через который часть жидкости сбрасывается в затрубное пространство, минуя турбобур. Этим достигается стабильный режим работы турбины при переменном расходе жидкости.

Эти турбобуры отличаются от ранее описанных еще и тем, что в них вместо резинометаллических опор и подшипников применены шарикоподшипники. Пята этого турбобура расположена в нижней части и выполнена в виде десятирядного шарикоподшипника. Эти подшипники работают в среде бурового раствора, поэтому для предохранения подшипника от попадания в него крупных абразивных частиц установлены защитные сальники. Турбины расположены в верхней части с промежуточными шариковыми радиальными подшипниками, через которые протекает буровой раствор. Подшипники применяют без сепараторной конструкции.

Крепление турбин, корпусов и соединение валов аналогично описанным выше. Конечно, работоспособность шарикоподшипников в среде бурового раствора небольшая, так как происходит их сильный абразивный износ.

Турбобуры типа А изготовляют диаметрами 240, 195 и 164 мм следующих шифров; А9К5Са, А7Н4С и А6КЗС с числом ступеней до 240. В нижней секции устанавливают 110 ступеней, а остальные — в верхней.

Для улучшения условий работы долота и обеспечения повышенного крутящего момента при увеличении нагрузки на долото при бурении турбобуры типа А7Н могут использоваться с редукционным клапаном, устанавливаемым непосредственно над турбобуром или на некотором расстоянии от него.

Клапанная перепускная приставка (рис. XI11.9) имеет обратный клапан, к которому пружиной прижата втулка. При уменьшении разности давления под клапаном и над клапаном втулка перемещается вниз и открывает боковое отверстие А, сообщая внутреннюю полость труб с затрубным пространством. Если разности давлений нет, то втулка под действием нижней пружины поднимается вверх, перекрывает боковое отверстие, и весь буровой раствор поступает в турбобур.

Эти приставки могут работать при Применении двигателей привода буровых насосов с регулируемой частотой вращения. В этом случае по мере торможения долота снижается перепад на турбине, а следовательно, и Мощность. Двигатели насосов автоматически увеличивают частоту вращения и подачу насосов, что ведет к повышению крутящего момента, развиваемого турбобуром.

Многообразие конструктивных вариантов турбобуров объясняется стремлением создать турбинный двигатель, который мог бы обеспечить требуемую рабочую характеристику долоту. Шарошечные долота при частотах вращения более 250 об/мин работают всего несколько часов и дают небольшую проходку, а турбинный двигатель хорошо работает при высоких частотах вращения (более 500 об/мин).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание      ..     47      48      49      50     ..