Гидравлические забойные двигатели

Гидравлические забойные двигатели

Методические указания по выполнению лабораторных работ по курсу

«Гидравлические машины и компрессоры»

для студентов направления «Нефтегазовое дело»

Пермь 2009

Гидравлические забойные двигатели

Гидравлические забойные двигатели предназначены для передачи крутящего момента на долото при бурении скважин. При бурении скважин используют гидравлические забойные двигатели двух типов: динамического (лопаточного, турбинного) типа – турбобуры и объемного типа – винтовой забойный двигатель.

Забойные гидравлические двигатели

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. В связи с постоянным совершенствованием конструкций и улучшением технологии изготовления забойных двигателей приводимые

характеристики могут незначительно отличаться. 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 трубодолота 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, в т. ч. как с уплотнениями, так и без них - проточные).

Турбобуры

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

Рисунок 1. Ступень турбины турбобура. (1 – ротор; 2 – статор)

Многоступенчатость турбобура объясняется тем, что ограничены значения трех следующих 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 скважины4

3) частота вращения вала турбины, задается режимом бурения применительно к типу используемых долот и не может быть произвольно увеличена.

Большое число ступеней турбины при её малом диаметре (100 – 250 мм0, малом расходе жидкости (до 50 л/с) и частоте вращения вала (60 – 900 об/мин) позволяет создать довольно высокий (до 4 кН*м) крутящий момент. В разных моделях турбобуров применяется от 100 до 350 ступеней (укороченные, предназначенные для бурения в искривленных участках скважины, 30 – 60 ступеней, например Т12М3К – 215 бывает с 30 и 55 ступенями). При большом числе ступеней значительно увеличивается длина турбобура. Такие турбобуры для удобства изготовления и монтажа выполняют многосекционными (две – три секции).

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 работы в роторе: скорость 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, но противоположно направленный крутящий момент (активный), действующий в роторе, через вал турбобура передается долоту.

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 а и б – резино-металлические подшипники, в и г – многорядные бессапараторные шарикоподшипники.

На а упорно-радиальный резинометаллический подшипник. На б – упорный подшипник с резинометаллической пятой.

а) б)

Рисунок 4. Опоры турбобура

Редукторные турбобуры

Редукторные турбобуры с наружным диаметром 105, 120, 145, 178, 195 и 240 мм. предназначены для бурения глубоких вертикальных, наклонно-направленных и горизонтальных скважин на нефть и газ, сверхглубоких и геотермальных скважин, а также для бурения с отбором керна.

Благодаря высокому моменту силы они могут быть использованы как с шарошечными, так и с алмазными долотами и долотами с алмазно-твердосплавными 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 редукторного турбобура позволяет изменять мощность, момент силы и частоту вращения выходного вала турбобура непосредственно на бурящейся скважине путем изменения количества и типа турбинных секций, смены 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 собираются в обычном исполнении из турбинных секций и шпинделя.

Рисунок 5. Редукторный турбобур ТРМ-195.

А-турбина; В-опорный узел; С-редуктор-вставка; Д-опорный узел; Е-долото.

1-полумуфта; 2-радиальная опора; 3-клапан; 4-лубрикатор; 5-уплотнение; 6-роликоподшипник; 7-входной вал; 8-планетарная передача; 9-корпус; 10-выходной вал.

Редуктор-вставка (рис.5) 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 кН 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.

Рисунок 6. Турбобур – отклонитель ТО-2

Во всех турбобурах-отклонителях типа ТО2 (см. рис. 6) 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°).

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 выход керна диаметром соответственно 48; 60 и 40 мм.

Рисунок 8. Колонковое турбодолото КТДЗ-240-269/48

Конструкция односекционного турбодолота КТДЗ-240-269/48 (рис.8) 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.

Винтовые забойные двигатели

Образование вращающего момента на валу ВЗД.

В следствии разницы чисел заходов в винтовых линиях 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 как бы перекрыт шлюзами, в которых действие давления жидкости приводит к появлению результирующего момента.

Вращающий момент на роторе может быть определен по формуле:

М = М₀•Р•D•e•t

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

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.

Рисунок 14 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.14 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. 14) 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.

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.

В зависимости от заданных характеристик двигателя рабочие органы выполняются как с однозаходным, так и с многозаходным ротором. Роторы изготавливаются из коррозионно-стойкой или легированной стали с износостойким покрытием, а обкладка статора -из эластомера (преимущественно резины), обладающего сопротивляемостью абразивному изнашиванию и работоспособностью в среде бурового раствора.

В отечественных двигателях первого поколения (Д1-172, Д2-172, Д2-172М), выпускавшихся в 70-х годах, рабочие органы имели незначительную длину, не превышавшую 1-1,5 шага винтовой поверхности статора. В двигателях второго поколения, выпускаемых с начала 80-х годов, длина рабочих органов составляет 2-3 шага статора.

Наиболее перспективна монолитная конструкция рабочих органов, обеспечивающая простоту и малодетальность машин. Увеличение активной длины монолитной рабочей пары ограничивается технологическими возможностями литейно-прессового оборудования при изготовлении статора.

За рубежом в двигателях применяются рабочие органы протяженностью 5 и более шагов.

Рабочие органы винтового забойного двигателя комплектуются с натягом. Значение натяга зависит от диаметральных и осевых размеров рабочих органов, свойств бурового раствора и материала обкладки статора и оказывает существенное влияние на характеристики и долговечность двигателя.

Шпиндель

Все отечественные винтовые двигатели, начиная с первых образцов, выпускаются в шпиндельном исполнении. Под термином "шпиндель" подразумевается автономный узел двигателя с выходным валом с осевыми и радиальными подшипниками. В большинстве случаев шпиндель может быть отсоединен без демонтажа силовой секции, при необходимости и на буровой.

Шпиндели отечественных винтовых забойных двигателей выполняются немаслонаполненными. Все узлы трения смазываются и охлаждаются буровым раствором. Отказ от использования маслонаполненных и герметизированных шпинделей объясняется как традиционным подходом к конструированию забойных двигателей - турбобуров, так и практической целесообразностью иметь гидромашину, обладающую примерно равным ресурсом отдельных узлов.

Шпиндель является одним из главных узлов двигателя. Он передает крутящий момент и осевую нагрузку на породоразрушающий инструмент, воспринимает реакцию забоя и гидравлическую осевую нагрузку, действующую в рабочих органах, а также радиальные нагрузки от долот и шарнирного соединения (гибкого вала). В ряде случаев при использовании гидромониторных долот шпиндель должен выполнять функции уплотнения выходного вала, позволяя создавать необходимый перепад давления в насадках долота.

Рисунок 18. Шпиндельная секция винтового забойного двигателя.

1 – переводник нижний; 2 – муфта; 3 – втулка регулировочная; 4 – кольцо регулировочное; 5,11 – втулка подкладная; 6 – опора нижняя; 7 – втулка нижней опоры; 8 – сальник торцовый; 9,12 – кольцо; 10 – вал шпинделя; 13 – пакет упорных подшипников; 14, 18 – втулка упорная; 15 – кольцо; 16 – втулка уплотнительного кольца; 17- втулка регулировочная; 19,21 – переводник; 20 – гайка; 22 – корпус.

Наиболее распространенная конструкция шпинделя (рис. 18) включает монолитный полый вал, соединенный посредством наддолотного переводника в нижней части с долотом, а с помощью муфты в верхней части - с шарниром (или гибким валом). Для восприятия осевых нагрузок используются как упорно-радиальные, так и упорные подшипники.

Подшипники выполняются многорядными и сохраняют работоспособность при выработке зазора (люфта) до 5-7 мм. В отечественных двигателях применяются упорно-радиальные подшипники качения :

Рисунок 19. Упорно-радиальный подшипник с коническими дорожками качения.

1 – наружное кольцо; 2 – внутреннее кольцо; 3 – шар; 4, 5 – распорные втулки.

- с коническими дорожками качения (серия 128700), используемые в двигателях с наружными диаметрами 105, 108, 195 и 240 мм (рис. 19);

Рисунок 20. Упорно-радиальный подшипник с тороидными дорожками качения.

1 – наружное кольцо; 2 – внутреннее кольцо; 3 – шар.

- с тороидными дорожками качения (серия 296000), используемые в двигателях с наружными диаметрами 85, 88 и 127 мм (рис. 20);

Рисунок 21. Упорно-радиальный подшипник с комбинированными дорожками качения.

1 – наружное кольцо; 2 – вал; 3 – шар; 4 – проставочное кольцо.

- с комбинированными дорожками качения (рис. 21), используемые в двигателях Д-48, Д1-54, ДГ-95, ДГ-108. Для увеличения нагрузочной способности при одновременном упрощении конструкции тороидные дорожки для шаров этих опор расположены непосредственно на валу .

В некоторых модификациях двигателей диаметром 172 мм использовались упорные подшипники качения с тороидными дорожками и резиновым компенсатором типа ШШО (серия 538900).

Рисунок 22. Ступень многорядного упорного подшипника качения с резиновым компенсатором типа ШШО.

1 – резинометаллический компенсатор; 2 – наружная обойма; 3 – среднее кольцо; 4 – крайнее кольцо; 5 – внутренняя втулка.

Механизм действия многорядной опоры можно рассмотреть на примере подшипника типа ШШО, одна ступень которого показана на рис. 22.

Среднее кольцо 3 двойного подшипника закреплено в корпусе с помощью наружных обойм 2, а крайние кольца 4 расположены на наружной поверхности внутренней втулки 5, которая зажимается на валу шпинделя вместе с резинометаллическим компенсатором 1. Осевая нагрузка передается с корпуса на вал шпинделя через резиновые подушки компенсаторов 1 и шары, в результате обеспечивается равномерное распределение нагрузки по рядам опоры и демпфирование динамических нагрузок.

Детали подшипников качения выполняются из специальной подшипниковой стали марки 55СМА или 55СМА5ФА (ТУ 14-1-3189-81) с пределом текучести σ ≥Т 1100 МПа и ударной вязкостью α ≥ 800 кДж/м2.

Рисунок 23. Многорядного осевая опора скольжения.

1–наружное кольцо; 2–диск; 3–внутреннее кольцо; 4–подпятник; 5–корпус шпинделя; 6–вал.

В некоторых конструкциях шпинделей винтовых забойных двигателей используются многорядные упорные подшипники скольжения непроточного типа (рис. 23).

Выбор типа осевых подшипников зависит от условий эксплуатации винтового забойного двигателя. Многолетние стендовые и промысловые испытания подтвердили преимущества резинометаллических упорных подшипников скольжения при эксплуатации двигателей в абразивной среде и при высоких нагрузках. Недостаток подшипников скольжения - повышенные механические потери, особенно при невысоких частотах вращения.

Радиальные подшипники шпинделя в большинстве случаев представлены парой трения скольжения.

Рисунок 24. Радиальная опора шпинделя.

Неподвижный элемент выполняется в виде резинометаллической детали (рис. 24), рабочая эластичная поверхность которой имеет профильные канавки. Ответная деталь - металлическая, ее рабочая поверхность подвержена упрочнению. В двигателях для наклонно направленного и горизонтального бурения радиальные подшипники выполняются в виде пары трения "металл - металл". Ввиду повышенных радиальных нагрузок, присущих винтовым забойным двигателям этого класса (вследствие действия отклоняющей силы на долото), данный узел является одним из самых недолговечных, определяющих межремонтный период двигателя в целом.

Клапаны

Объемный принцип действия винтовых двигателей предопределил необходимость оснащения их специальными клапанами. В большинстве двигателей они представляют собой автономный узел, а иногда встроены в ротор.

Переливной клапан предназначен для сообщения внутренней полости бурильной колонны с затрубным пространством при спуско-подъемных операциях. Применение клапана уменьшает гидродинамическое воздействие на забой при спуске и подъеме колонны, а также устраняет холостое вращение двигателя при этих операциях.

Разработаны и используются несколько конструкций переливных клапанов. В одной из них, не имеющей линейно перемещающихся деталей, в качестве запорного элемента применена резиновая манжета, деформирующаяся за счет падения давления при движении жидкости в щели клапана. Клапан устанавливается в верхней части полого ротора. Серьезный недостаток этой схемы - невозможность определения утечки при

опробовании клапана на устье скважины.

Рисунок 26.Периливной клапан двигателя Д-240.

1–гидравлическая коробка; 2–седло; 3–клапан; 4–корпус; 5–пружина; 6–шток; 7–переводник.

В конструкции переливного клапана в первых моделях двигателей диаметром 240 и 172 мм и уплотнительный элемент клапана заимствован от бурового насоса. Выполнение основных функций клапана обеспечивает специальная гидравлическая коробка (рис. 26).

Рисунок 27. Золотниковый переливной клапан.

1– корпус; 2– поршень; 3– пружина; 4– седло.

В зарубежных двигателях повсеместно используются золотниковые клапаны (рис. 27).

Гидравлические забойные двигатели

Методические указания по выполнению лабораторных работ по курсу

«Гидравлические машины и компрессоры»

для студентов направления «Нефтегазовое дело»

Пермь 2009

Гидравлические забойные двигатели

Гидравлические забойные двигатели предназначены для передачи крутящего момента на долото при бурении скважин. При бурении скважин используют гидравлические забойные двигатели двух типов: динамического (лопаточного, турбинного) типа – турбобуры и объемного типа – винтовой забойный двигатель.