10.1. Турбобур

турбобур

При бурении роторным способом приходится вращать долото посредством длинной колонны бурильных труб, доходящей до 4000 м и больше.

Вращение длинного полого стержня вызывает большие скручивающие и изгибающие усилия, часто приводящие к поломке бурильных труб и оставлению их в скважине. Кроме того, вращение всей колонны бурильных труб вызывает сильный износ труб и соединительных замков, а также требует дополнительной затраты мощности двигателя.

При бурении забойными двигателями колонна бурильных труб в отличие от роторного бурения не вращается. Колонна бурильных труб служит для спуска и поддержания забойного двигателя, а также для прокачки промывочной жидкости, которая, поступая в забойный гидравлический двигатель, приводит долото во вращение, а по выходе из него и долота охлаждает рабочие элементы последнего и выносит разбуренную породу на дневную поверхность. В связи с этим при бурении забойными двигателями резко уменьшаются аварии вследствие поломки бурильных труб.

Отличительной особенностью оборудования при бурении турбобуром является необходимость иметь мощную группу промывочных насосов, рассчитанных на работу при более высоком давлении и повышенной производительности, чем при роторном бурении. Первым гидравлическим забойным двигателем был одноступенчатый гидравлический турбобур, изобретенный инж. М. А. Капелюшниковым.

Турбобур Капелюшникова

В период промышленного применения (1923-1933 гг.), турбобур Капелюшникова показал по сравнению с роторным бурением ряд преимуществ, связанных с переносом двигателя на забой. Этот турбобур состоял из наружного корпуса, одноступенчатой турбины, передаточного механизма или редуктора и шпинделя для соединения турбины с долотом.

Турбина состояла из корпуса направляющего аппарата 1, кольца направляющего аппарата с лопатками 2, наружного обода направляющего аппарата 3, корпуса рабочего колеса 4, кольца с лопатками рабочего колеса 5, наружного обода рабочего колеса 6. В зависимости от конструкции аппарата количество лопаток в направляющем и рабочем колесах может быть различно.

Направляющее колесо укреплено на валу свободно и служит для направления струи промывочного раствора, поступающего в турбину из бурильных труб. Жидкость проходит через каналы в направляющем колесе и с большой скоростью (до 50 м/сек) попадает на лопатки рабочего колеса. Ударяясь о лопатки колеса, струя промывочного раствора приводит его во вращение со скоростью 1600-2100 об/мин. Так как такая скорость для вращения долота велика, то в турбобуре Капелюшникова был предусмотрен редуктор.

Редуктор представляет собою специальную систему зубчатых передач, заключенную в особый кожух и соединяемую с валом турбины. Центральная шестерня представляет одно целое с хвостовой частью вала турбины.

Три внутренние шестеренки находятся во внешнем зацеплении с центральной шестерней и во внутреннем зацеплении с большой наружной шестерней - зубчатым венцом, который остается неподвижным, так как закреплен в пазах наружного корпуса турбобура.

Долото турбобура с одноступенчатой турбиной и трехъярусной зубчатой передачей вращалось с числом оборотов в минуту n=20, а с одноступенчатой турбиной и двухъярусной передачей с n=50, наконец, с одноступенчатой турбиной и одноярусной передачей с n=230.

В результате промышленной эксплуатации турбобура Капелюшникова выявились некоторые недостатки, препятствовавшие в то время дальнейшему его применению наряду с успешно развивавшимся роторным способом бурения.

Турбобур Капелюшникова, работая по принципу трансформации кинетической и потенциальной энергии промывочной жидкости в кинетическую энергию вращения вала одноступенчатой турбины, требовал для обеспечения необходимой мощности на долоте сравнительно большого перепада давления (порядка 20-25 ат), создававшего в направляющем колесе турбины довольно высокие скорости движения жидкости, часто доходившие до 60-80 м/сек. Эти скорости и явились главной причиной быстрого износа как самой турбины, так и редуктора турбобура Капелюшникова. Турбина работала до износа 5-8 час, редуктор - 15-20 час.

Буровое долото для турбобура

Кроме того, для турбобуров потребовался специальный вид долот вследствие того, что крутящий момент был на долоте относительно невелик и применение долот режущего типа оказалось неэффективным. Шарошечные же долота, которые стали основным видом долот для бурения забойными двигателями, начали изготовлять значительно позже (с 1936 г.).

sandvik_sharoshka_3

Эта турбина обеспечивает получение необходимого количества оборотов непосредственно на валу и дает мощность до 200 кет при 700 об/мин. Имея на валу до 100 ступеней, турбина при общем перепаде давления 40 ат дает на каждую ступень не более 0,5 ат. Этот незначительный ступенчатый перепад давления обусловливает такие скорости движения жидкости по лопаткам рабочего колеса, которые практически не изнашивают их.

Другим важным достижением в совершенствовании конструкции современных турбобуров явилась замена упорных и радиальных металлических подшипников качения резиновыми подшипниками скользящего трения, работающими на глинистом растворе как на смазке.

Гуммированные турбобуры

При работе металлических подшипников качения требовалась надлежащая смазка их, полностью изолированная от попадания в нее промывочной жидкости. Износ трущихся частей и наличие промывочной жидкости под большим давлением затрудняли выполнение этого условия, и жидкость через некоторое количество часов: работы турбобура попадала в подшипники и вызывала их износ.

Применение резиновых подшипников в присутствии глинистого раствора обеспечивает коэффициент трения, который находится в пределах 0,02-0,007, что соответствует условиям работы подшипников качения. Поэтому в настоящее время турбобуры изготовляют с опорными резиновыми подшипниками. Эти турбобуры носят название гуммированных.

Конструкция турбобура Т-14М-9 3/4"

Турбобур Т-14М-9 3/4" состоит из вала 7, корпуса 2, переводника 3, ниппеля 4, гайки роторной 5, упора 6, подпятника 7, диска пяты 8, кольца пяты 9, втулки нижней опоры 10, дисков ротора 11, втулки 12, шпонки втулки 13, шпонки роторов 14, гайки пяты 15, контргайки 16, средней опоры 11, статоров 18.

Длина вала турбобура 7 около 7,5 м. Нижняя часть его имеет стандартную конусную резьбу под замок (НПО) 6 5/8" бурильных труб для турбобуров 9 3/4", а для турбобуров 7 3/4"-резьбу замка НПО для 4" бурильных труб.

Вал турбобура является одновременно валом турбины и ведущим валом долота. Для входа промывочной жидкости в валу сделаны отверстия, через которые жидкость выходит из турбины и направляется к долоту. Выше конусной резьбы вала имеется гладкий участок вала, предусмотренный для зарядки машинного ключа при завинчивании и отвинчивании долота и удлинителя.

Выше этого участка находится втулка, сидящая на валу на шпонке. Шпонка предназначена для фиксации втулки относительно вала. При отсутствии шпонки сидящая на валу втулка будет вращаться и разрабатываться, что нарушит герметичность и вызовет движение промывочной жидкости.

Далее вал проточен на длину 5 м под турбинные диски и под втулку средней опоры. Роторы, которые сажаются на вал так же, как и нижняя втулка вала, ставятся на шпонке. Вдоль вала идет сплошная канавка под шпонки. Обычно в эту канавку закладывается четыре шпонки, так как одну длинную шпонку длиной 5 м делать нецелесообразно. Дальше идут ступенька и резьба под гайку, которая стягивает систему роторов, посаженных на вал турбобура.

Выше этой резьбы, на которую навинчена гайка, идет переход под меньший диаметр, причем сразу после резьбы сделана шайба вала с двумя окнами, через которые проходит поступающая в турбобур промывочная жидкость. Выше этих окон имеется проточка, на которую сажаются кольца и диски пяты. Сверху система дисков пяты закрепляется гайкой. Непосредственно гайкой крепить диски не рекомендуется, потому что резьба тогда должна была бы быть продолжена к верхнему диску пяты, а это исключило бы центровку его. Поэтому нажим происходит при помощи маленькой втулочки, в середине которой заканчивается Резьба под верхнюю гайку турбобура.

Нижняя резьба на валу правая; резьба для крепления системы роторов правая, а резьба для крепления системы подпятников левая. Это предусмотрено для того, чтобы вращающие моменты, действующие на гайку в процессе работы, не открепляли резьбу, а наоборот, закрепляли ее.

В целях предохранения вала от истирания в его нижней части посажена на шпонке втулка, вращающаяся в резиновом подшипнике. Выше вместе со втулкой вращается переходная коническая деталь, передающая усилие затяжки роторов, осуществляемое специальной гайкой, на втулку и дальше на торец вала. Вместе с валом турбины вращаются роторы и средняя втулка вала, разделяющая систему роторов надвое. Средняя втулка вращается в резиновом подшипнике и ставится для предохранения вала от истирания. Конструкция турбобура исключает возможность поломки вала от поперечных вибраций, однако работа его на большом числе оборотов может привести к интенсивному радиальному износу статоров и роторов и увеличению радиального зазора между ними. При длительной работе вала на числе оборотов, близком к критическому, может иметь место сильный износ турбин.

Для устранения возникновения критического числа оборотов необходимо увеличение диаметра вала, или сокращение расстояния между опорами, или, что то же самое, введение дополнительной промежуточной опоры.

При устранении средней опоры расстояние между опорами увеличилось бы вдвое, а следовательно, критическое число оборотов снизилось бы вчетверо, т. е. составило бы 550 об/мин и находилось в пределах нормального режима работы турбобура.

Поверх роторной гайки располагается многоступенчатая пята турбобура, состоящая из колец и дисков, вращающихся вместе с валом, и неподвижной системой подпятников, крепящихся переводником турбобура. К корпусу турбобура с одной стороны привинчен ниппель, затягивающий статоры турбины и представляющий одновременно резиновый подшипник турбобура, а с другой стороны верхний переводник турбобура, в который вставлена многоступенчатая пята. Последняя предназначена для восприятия осевых усилий, действующих на вал, и, кроме того, служит третьим радиальным подшипником вала турбобура.

Сборка турбобура

Сборку начинают с вала турбобура. В имеющуюся на валу шпоночную канавку устанавливают шпонку под нижнюю втулку вала, затем на вал надевают нижнюю втулку вала. Далее устанавливают четыре шпонки, предохраняющие систему роторов от вращения относительно вала. После этого надевают упор, на который ставят резиновую прокладку, предохраняющую от промыва раствором области между роторами и валом вдоль шпоночной канавки. На всю систему роторов действует перепад давления порядка 40 ат. Если при этом имеется какой-то путь, даже очень стесненный, по которому сможет проникнуть раствор, то при давлении 40 ат промывочная жидкость, содержащая определенный процент выбуренной породы, может постепенно размыть и расширить этот путь. Последующая установка ротора и затяжка гайки спрессовывают эту резину и обеспечивают герметичное соединение по торцу между упорами и нижней кромкой нижнего ротора. После этого на вал надевают 48 роторов и статоров в определенной последовательности.

Сперва надевается ротор, затем на ротор свободно ставится статор, потом снова ротор, затем статор и т. д. Таким образом, на валу собирают 48 роторов и статоров с той только разницей, что роторы сажают непосредственно на вал, а статоры - на роторы.

Затем на вал надевается средняя втулка, а на втулку вала - средняя опора, представляющая собой резиновый   подшипник.

После этого на вал дополнительно надевается 48 роторов и статоров. Затем вся система роторов и втулок стягивается предварительно роторной гайкой на валу и в таком виде вместе с валом вкладывается снизу в корпус турбобура, пока верхний статор не упрется в борт корпуса. Затем в нижней части корпуса привинчивается ниппель. Ниппель завинчивают до отказа. Это практически осуществляют с помощью цепного ключа № 16 с трубой длиной 3-4 м при одновременном нажиме 3-4 человек. Такая затяжка необходима, чтобы гарантировать от проворачивания систему роторов.

При вращении вала вправо статоры стремятся вращаться влево с таким же моментом, с каким роторы вращают вал вправо. Момент, приложенный к роторам, является активным моментом, а момент, действующий на систему статоров, является реактивным. На ниппель в процессе работы действуют два момента: левый реактивный момент системы статоров и правый момент трения, возникающий между резиновым подшипником и втулкой вала. Так как правый момент трения в резиновом подшипнике действует в условиях вибрации вала, то в отношении самоотвинчивания он является более опасным. Поэтому в ниппеле резьба правая.

При затяжке ниппеля (момент 1000 кем) вал турбобура с посаженными на нем роторами теряет способность проворачиваться относительно корпуса.

При сборке турбобура осевой люфт между статорами и роторами должен был бы теоретически равняться 5 мм. После затяжки роторной гайки приступают к сборке пяты турбобуров.

Надевают нижнее кольцо пяты, нижний подпятник, затем диск пяты, потом снова надевают кольцо, второй подпятник и снова диск. В такой последовательности надевают на вал все 10 дисков и 10 подпятников. Выше верхнего диска пяты ставится втулочка, затем навинчивается гайка и ставится контргайка.

Номинальный осевой люфт в пяте должен равняться 2 мм. Практически удается получить люфт 1,5 мм (полмиллиметра скрадывается из-за неточности изготовления).

До сборки пяты проверяют, насколько верхний конец корпуса турбобура выступает за переходную ступеньку на конце вала турбобура. Делается это таким образом. Ставится линеечка впритык к шейке вала и замеряется штангенциркулем размер от ступеньки вала до края корпуса. Если этот размер обозначить через а, то необходимо сюда поставить нижнюю с прокладками размером б такой длины, чтобы величина равнялась примерно около 1 мм или чуть меньше, что приблизительно будет равно половине люфта пяты. Замерять размер а необходимо при следующих условиях.

Как указывалось выше, люфт системы роторов относительно системы статоров бывает порядка 4 мм. Если нажать на вал с помощью лома сперва с одной стороны, сделать риску, затем нажать ломом с другой стороны, приведя, таким образом, вал во второе крайнее положение, и сделать вторую риску, то между рисками получится зазор в 4 мм. После этого вал подается на 1 мм вниз. Вал устанавливается так, чтобы между низом статоров и верхом роторов был зазор в 1 мм, а между низом роторов и верхом статоров 3 мм.

После того как вал приведен в такое положение, замеряют размер А. Вал относительно корпуса турбобура устанавливают несимметрично, исходя из того, что, как правило, доминирующим является трение в пяте под действием гидравлического давления на систему роторов, превышающего реакцию забоя. На пяту в процессе работы приложены нагрузки сверху вниз, и подпятник изнашивается всегда верхней стороной, поэтому и вся система роторов проседает относительно системы статоров.

После затяжки гайки и контргайки пяты к корпусу турбобура привинчивают верхний переводник, и турбобур считается собранным.

Понравилась эта статья? Поделитесь ею!