2. Конструкции забойных двигателей – (турбобуры и взд) и их технико-технологические характеристики.

Секционные унифицированные шпиндельные турбобуры

Секционные унифицированные шпиндельные турбобуры типа ЗТСШ1 предназначены для бурения скважин шарошечными и алмазными долотами.

В настоящее время выпускаются турбобуры ЗТСШ1 с диа­метрами корпуса 172, 195 и 240 мм.

Турбобуры состоят из трех турбинных и одной шпин­дельной секции. В шпинделе установлена непроточ­ная резинометаллическая осевая опора, которая выполняет также функцию уплотнения вала турбобура.

В каждой турбинной секции размещено около 100 ступе­ней турбины, по четыре радиальные опоры и по три ступени предохранительной осевой пяты. Последняя применяется для устранения опасности соприкосновения роторов и статоров турбины из-за износа шпиндельного подшипника в процессе работы.

В турбобурах ЗТСШ1 устанавливается цельнолитая метал­лическая турбина, а в турбобурах ЗТСШ1-ТЛ - составная турбина, проточная часть которой изготовлена методом точ­ного литья.

В качестве запасного комплекта к турбобурам ЗТСШ1-195ТЛ поставляется и турбина типа 24/18-195ТПК, лопаточ­ный венец которой выполнен из пластмассы.

Технические характеристики секционных унифицирован­ных шпиндельных турбобуров ЗТСШ1 приведены в табл. 7.1 (при плотности жидкости 1000 кг/м²).

Высокомоментные турбобуры с системой гидроторможения

Высокомоментные турбобуры типа АГТШ с системой гидродинамического торможения предназначены для бурения глубоких скважин шарошечными долотами, но могут применяться и при алмазном бурении. Выпускают турбобуры типа АГТШ с диаметрами корпуса 164, 195 и 240 мм.

Турбобуры состоят из трех секций и шпинделя. Две турбинные секции содержат многоступенчатую высоко-циркулятивную турбину. В третьей устанавливаются ступени гидродинамического торможения (ГТ). Ступени ГТ состоят из статора и ротора, лопатки венцов которых имеют безудар­ное обтекание жидкостью на тормозном режиме. При вра­щении такого ротора возникает крутящий момент, противо­положный моменту, развиваемому турбиной турбобура. Зна­чение тормозящего момента пропорционально частоте вра­щения вала.

В шпинделе турбобура установлен упорно-радиальный ша­рикоподшипник серии 128 000. В качестве уплотнения вала используются круглые резиновые кольца ПРУ.

Многосекционные турбобуры

С целью снижения частоты вращения долота и наращива­ния крутящего момента на валу турбобура применяются мно­госекционные (свыше трех секций) турбинные сборки. Се­рийные турбобуры, собранные из пяти-шести турбинных секций, позволяют эффективно отрабатывать высокопроиз­водительные долота при пониженных расходах бурового рас­твора, а также предоставляют технологам значительно более широкие возможности для выбора оптимальных параметров режима бурения.

По своей конструктивной схеме многосекционный турбобур не отличается от серийного. Однако увеличение числа турбинных секций предъявляет более высокие тре­бования к надежности работы шпинделя турбобура. Он должен быть не только более надежным, но и более дол-говечным, чем применяемые в настоящее время шпиндели серийных турбобуров. Этим требованиям отвечают шпин­дели с лабиринтным дисковым уплотнением типа ШФД.

Турбобур с независимой подвеской

Каждая турбинная секция с независимой подвеской имеет свой упорный шарикоподшипник. Корпусы секций соединя­ются между собой с помощью конической резьбы, а валы -квадратными полумуфтами и могут свободно перемещаться в осевом направлении. В результате такой компоновки секций износ упорного подшипника шпинделя не влияет на осевой зазор между статором и ротором турбины. Последний опре­деляется только износом подшипников, установленных в турбинных секциях. Поскольку осевая нагрузка на эти под­шипники действует только с одной стороны и практически не имеет динамической составляющей, то этот износ легко прогнозируется. При сборке ротор турбины устанавливается в крайнее верхнее положение относительно статора, что поз­воляет увеличить время работы упорного подшипника сек­ции. Турбобур с независимой подвеской может быть собран с турбиной любого типа. В каждой секции можно установить по 80-90 ступеней.

Ниже приводится характеристика трехсекционного турбо­бура А7ГТШМ (при плотности жидкости 1000 кг/м³).

Число ступеней:

турбины 249

ГТ 66

Расход жидкости, л/с 28

Крутящий момент*, Н-м 1800

Частота вращения*, с"¹ 5,2

Перепад давления*, МПа 7

•При максимальной мощности турбобура JV_mal.

Турбобур с плавающим статором

Каждый статор такого турбобура имеет свободу переме­щения в осевом направлении и с помощью шпонки, заходя­щей в специальный паз корпуса, запирается от проворота под действием собственного реактивного момента. Каждый ротор представляет собой и пяту для соответствующего ста­тора, который не имеет приставочных дистанционных колец.

Такое исполнение ступени турбины, с одной стороны, позволяет до максимума увеличить средний диаметр турбины, а с другой, — до минимума сократить осевой люфт в ступе­ни. Тем самым в корпусе стандартной длины удается размес­тить число ступеней турбин в 1,4 раза больше, чем у серий­ных турбобуров. Недостаток этой конструкции - свобод­ный выход бурового раствора на внутреннюю поверхность корпуса турбинной секции.

Отсутствие взаимосвязи между осевыми люфтами турбины и осевой опорой шпинделя позволяет исключить из практики турбинного бурения торцовый износ лопаточных венцов турбин и повысить межремонтный период работы шпинде­лей. Турбобур состоит из трех турбинных секций и шпинделя с двумя вариантами осевой опоры: подшипник ШШО-172 (538920) и резинометаллическая пята ПУ-172.

Турбобур с полым валом

Предназначенные для бурения скважин ша­рошечными и алмазными долотами в сложных горно­геологических условиях. Турбобур состоит из турбинных секций и шпинделя. В зависимости от условий эксплуатации возможно использование от трех до плести турбинных сек­ций для обеспечения требуемой характеристики турбобура.

Как видно турбинные секции состоят из кор­пуса и полого вала, установленного внутри корпуса на четы­рех резинометаллических радиальных опорах. В пространст­ве между корпусом и полым валом установлено около 100 ступеней турбины. Концы полого вала оборудованы конусно-шлицевыми полумуфтами, внутри которых имеются уплотни-тельные элементы, предотвращающие утечку бурового рас­твора из полости вала к турбине. При сборке турбинных секций соблюдаются заданные размеры вылета и утопания полумуфт для обеспечения необходимого положения роторов относительно статоров.

Шпиндель турбобура состоит из корпуса и полого вала, установленного внутри корпуса на резинометаллических ра­диальных опорах и упорно-радиальном шариковом подшипника.

При сборке турбинных секций предусмотрена возмож­ность установки стабилизаторов между турбинными секция­ми или между турбинной секцией и шпинделем. Для этого на нижнем переводнике турбинной секции на резьбе закрепля­ется стабилизатор, а на нижнем конце вала — удлинитель соответствующей длины так, чтобы не изменять ранее отре­гулированные присоединительные размеры утопания и выле­тов полумуфт.

Турбобур с редуктором-вставкой

Турбобуры с редуктором-вставкой типа РМ предназначены для эффективного использования шарошеч­ных долот с маслонаполненными опорами при технологичес­ки необходимом расходе бурового раствора и уменьшенным по сравнению с другими гидравлическими двигателями пере­падом давлений.

Маслонаполненный редуктор-вставка применяется в соче­тании с турбинными секциями и шпинделем серийно выпус­каемых турбобуров. Редуктор-вставка устанавливается между шпинделем и турбинными секциями, снабжен планетарной передачей и системой маслозащиты передачи и опор.

Планетарная передача двухрядная, зубчатая, с косозубым зацеплением Новикова. Система маслозащиты имеет уплот­нения торцового типа. Выходной вал с помощью шлицевой муфты соединен с валом шпинделя, а входной вал с помо­щью полумуфты - с турбинными секциями.

Редуктор-вставка представляет собой автономный узел, который может быть заменен непосредственно на буровой. Энергетические характеристики турбобура с редуктором-вставкой и разными типами турбин приведены в табл. 7.6.

При испытаниях турбобуров средняя наработка на отказ маслонаполненного редуктора составила 100—115 ч, а при бурении скважин с высокими забойными температурами (свыше 150 °С) - около 40 ч.

Турбины современных турбобуров

Турбина турбобура представляет собой пре­образователь гидравлической энергии потока жидкости в ме­ханическую энергию вращения вала.

Турбина современного турбобура — многоступенчатая, осевого типа и состоит из систем статоров и роторов. Как правило, система статоров связана с корпусом, а система ро­торов - с валом турбобура.

При постоянном значении расхода бурового раствора че­рез турбину развиваемый ею крутящий момент определяется по формуле Эйлера

М = Орг(с_1ц - c_2u)z,

где Q — расход жидкости; р — плотность жидкости; г — средний радиус турбины; с_1ц, с_2и - проекции абсолютной скорости потока жидкости, протекающего соответственно.

Принцип действия турбины турбобура (пара стартор - ротор):

1, 5 — наружный обод ротора и статора;

2, 3 — лопатка ротора и статора; 4, 6 - внутренний обод статора и ротора.

Винтовые двигатели(ВЗД)- Винтовые двигатели относятся к объемным роторным гидравлическим машинам.

Согласно общей теории винтовых роторных гидравличес­ких машин элементами рабочих органов (РО) являются:

1. статор двигателя с полостями, примыкающими по кон­цам к камерам высокого и низкого давления;

2. ротор-винт, носящий назва­ние ведущего, через который кру­тящий момент передается исполни­тельному механизму;

3. замыкатели-винты, носящие название ведомых, назначение ко­торых уплотнять двигатель, т.е. препятствовать перетеканию жид­кости из камеры высокого давле­ния в камеру низкого давления.

В одновинтовых гидромашинах используются механизмы, в кото­рых замыкатель образуется лишь двумя деталями, находящимися в постоянном взаимодействии, -статором и ротором.

Рабочие органы ВЗД на продольном и поперечном разрезах.