разработке турбобуров, способных эффективно работать при бурении и более глубоких скважин.
|
Рис. 5. – Многорядная осевая опора качения |
1 – |
кольцо наружное; 2 – кольцо внутренне; 3 – шарик; |
4 - |
кольцо наружное распорное; 5 – кольцо внутреннее |
|
распорное |
Турбобур работает в специфических условиях, характеризующихся небольшими поперечными габаритами скважины.
Конструкция турбобура должна удовлетворять следующим основным требованиям:
-иметь простую конструкцию, необходимую для достижения высокой работоспособности при эксплуатации в среде абразивной жидкости под действием вибрационных и динамических нагрузок;
-безотказность и долговечность должны быть достаточными для обеспечения работы в нормальных условиях
вчасах, соответствующих межремонтному периоду;
-иметь достаточную прочность, исключающую разрушение или деформацию деталей при действии максимальной нагрузки;
-обеспечивать ремонтопригодность и возможность замены отдельных быстро изнашивающихся деталей или узлов.
11
2КЛАССИФИКАЦИЯ ТУРБОБУРОВ
2.1Классификация турбобуров по конструктивным параметрам
Серийно выпускаемые турбобуры по конструктивным параметрам, можно классифицировать следующим образом [I]:
-секционные унифицированные шпиндельные [2];
-с системой гидроторможения [2];
-с плавающими статорами [3];
-с редуктором-вставкой [4, 5].
2.1.1Секционные унифицированные шпиндельные
турбобуры
Секционные унифицированные шпиндельные турбобуры типа ЗТСШ1 предназначены для бурения скважин шарошечными и алмазными долотами. Турбобуры ЗТСШI выпускают с диаметром корпуса 240, 195 и 172 мм. В турбобуре ЗТСШI используется цельнолитая металлическая турбина, изготавливаемая методом полукокельного литья, а в турбобурах ЗТСШ1 -ТА составная металлическая турбина, проточная часть которой (лопаточный венец) изготавливается методом точного литья по выплавляемым моделям. В каждой из трех турбинных секций устанавливают порядка 100 ступеней турбин, четыре радиальные опоры и три ступени предохранительной осевой пяты.
Шпиндель представляет собой отдельную, самостоятельную секцию турбобура. На валу шпинделя установлена непроточная, многоступенчатая резинометаллическая осевая опора с подпятниками, эластичная обкладка которых выполнена заподлицо с металлическим остовом (пята с утопленной резиной), одновременно служащая для уплотнения вала.
Шпиндель имеет наружный диаметр равный диаметру турбинных секций, и может выпускаться отдельно, например ШС-195 (шпиндельная секция для турбобура диаметром 195 мм). В радиальном направлении вал шпинделя центрируется
12
семью радиальными резинометаллическими опорами: три в верхней и четыре в нижней части вала. При этом нижние радиальные опоры установлены с максимально возможным приближением к месту присоединения долота, что в сочетании с увеличенной опорной поверхностью вала существенно повышает эффективность работы шпинделя, особенно при бурении наклонно-направленных скважин.
Важной особенностью шпинделя ШС-195 является возможность оснащения его опорно-центрирующими элементами (стабилизаторами), которые могут быть установлены как в нижней, так и в верхней части корпуса.
Таблица 1
Технические параметры шпинделя ШС-195
Наружный диаметр, мм |
195 |
|
|
Длина, мм |
3600 |
|
|
Присоединительные резьбы: |
|
- к долоту |
З-117 |
- к бурильным трубам |
З-171 |
|
|
Наружный диаметр стабилизатора, мм |
210 – 215 |
|
|
Длина опорной поверхности стабилизатора, мм |
300 – 550 |
|
|
Эластичные обкладки осевых и радиальных опор шпинделя выполнены из резины со специальными добавками, обладающей хорошей способностью скольжения по металлу, облегчающей запуск гидравлического забойного двигателя на забое скважины. Рабочие поверхности металлических втулок радиальных опор и дисков подпятников имеют упрочняющее покрытие.
Разработана и серийно выпускается новая серия усовершенствованных универсальных осевых опор типа ПУМ, предназначенных для использования в шпинделях турбобуров, а также в винтовых забойных двигателях. В настоящее время разработаны и выпускаются осевые опоры следующих типоразмеров:
13
-ПУМ-240 - для ГЗД с диаметром корпуса 240 мм и вала шпинделя диаметром 130 мм;
-ПУМ-195 - для ГЗД с диаметром корпуса 195 мм и вала шпинделя диаметром 105 мм;
-ПУМ-172 - для ГЗД с диаметром корпуса 172 мм и вала шпинделя диаметром 92 мм.
Каждая ступень опоры состоит из подпятника с утопленной резиной, диска и двух проставочных колец. Эластичная обкладка подпятника выполнена заподлицо с металлическим остовом. В комплект опоры входят 25 ступеней. Опора обладает повышенной износостойкостью и низким коэффициентом трения за счет использования специальных добавок к материалу резины. Рабочие поверхности металлических дисков имеют упрочняющее покрытие.
Осевая опора ПУМ-172 предназначена для использования в шпинделях турбобуров и винтовых забойных двигателей с диаметром корпуса 172 мм и валом шпинделя диаметром 92 мм. Каждая ступень опоры состоит из подпятника с утопленной резиной, диска и двух проставочных колец. Эластичная обкладка подпятника выполнена заподлицо с металлическим остовом. В комплект опоры входят 25 ступеней. Опора обладает повышенной износостойкостью и низким коэффициентом трения за счет использования специальных добавок к материалу резины. Рабочие поверхности металлических дисков имеют упрочняющее покрытие.
Габариты опоры соответствуют стандартным, и имеют следующие
значения: |
|
|
|
|
- |
высота |
- |
1080 |
мм; |
- |
наружный диаметр |
- |
165 мм; |
|
- |
внутренний диаметр - |
105 |
мм; |
|
- |
вес |
- |
30-35 кг |
|
Рис. 6 – Внешний вид осевой опоры
14
Осевая опора ПУМ-195 предназначена для использования в шпинделях турбобуров и винтовых забойных двигателей с диаметром корпуса 195 мм на вал шпинделя диаметром 105 мм. Каждая ступень опоры состоит из подпятника с утопленной резиной, диска и двух проставочных колец. Эластичная обкладка подпятника выполнена заподлицо с металлическим остовом. В комплект опоры входят 25 ступеней. Опора обладает повышенной износостойкостью и низким коэффициентом трения за счет использования специальных добавок к материалу резины. Рабочие поверхности металлических дисков имеют упрочняющее покрытие Геометрия подпятника опоры соответствует геометрии стандартной опоры П2-195/124 по ГОСТ 4671-76, но имеет больший ресурс работы (примерно в 2 раза) за счет
применяемых материалов и технологии. |
|
||
Осевая |
опора |
ПУМ-240 предназначена |
для |
использования в шпинделях турбобуров и винтовых забойных двигателей с диаметром корпуса 240 мм на вал шпинделя диаметром 130 мм. Каждая ступень опоры состоит из подпятника с утопленной резиной, диска и двух проставочных колец. Эластичная обкладка подпятника выполнена заподлицо с металлическим остовом. В комплект опоры входят 25 ступеней. Опора обладает повышенной износостойкостью и низким коэффициентом трения за счет использования специальных добавок к материалу резины. Рабочие поверхности металлических дисков имеют упрочняющее покрытие.
Техническая характеристика секционных унифицированных турбобуров ЗТСШI приведена в таблице 2.
15
Таблица 2
Техническая характеристика секционных, унифицированных турбобуров ЗТСШ1
Турбобур |
Тур- |
Кол |
- |
Рас- |
Вра- |
Час- |
Пере- |
Дли- |
Мас- |
Диа- |
|
бина |
во |
|
ход |
щаю- |
тота |
пад |
на, |
са, |
метр, |
|
|
сту |
|
жид- |
щий |
вра |
дав- |
|
|
|
|
|
пе- |
|
ко- |
мо- |
ще- |
ле- |
|
|
|
|
|
ней |
|
сти, |
мент |
ния, |
ния, |
|
|
|
|
|
|
|
м3/с |
Н х м |
с-1 |
МПа |
м |
кг |
мм |
ЗТСШI-240 |
30/16,5 |
315 |
|
0,032 |
2648 |
7,4 |
5,5 |
23,3 |
5975 |
240 |
ЗТСШI-195 |
26/16,5 |
330 |
|
0,030 |
1481 |
6,6 |
3,9 |
25,7 |
4790 |
105 |
ЗТСШI- |
24/18 |
318 |
|
0,040 |
1746 |
5,9 |
2,9 |
25,7 |
4915 |
195 |
195ТЛ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ЗТСШI- |
21/16,5 |
327 |
|
0,030 |
1961 |
12,1 |
6,5 |
25,9 |
4745 |
195 |
195ТЛ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ЗТСШI-172 |
28/16 |
336 |
|
0,025 |
1765 |
10,4 |
8,8 |
25,4 |
3536 |
172 |
2.1.2 Турбобуры с системой гидравлического торможения
Турбобуры с системой гидравлического торможения типа АГТШ предназначены для бурения глубоких скважин, в основном шарошечными долотами. Турбобуры типа АГТШ выпускают с диаметром корпуса 240, 195 и 164 мм. Турбобуры типа АГТШ состоят из трех секций и шпинделя. В двух турбинных секциях устанавливается многоступенчатая высокоциркуляционная турбина со 100 ступенями в каждой секции. В третьей секции размещаются ступени гидродинамического торможения (ГТ).
Техническая характеристика турбобуров с системой гидроторможения типа АГТШ приведена в таблице 3.
16
Таблица 3
Техническая характеристика турбобура с системой гидроторможения, типа АГТШ
Турбобур |
Турбина |
Кол-во ступеней, шт |
Кол-во ступеней ГТ, шт |
Расход жидкости, м3/с |
Вращающий момент Н х м |
Частота вращения, с1 |
Перепад давления, МПа |
Длина, м |
Масса, кг |
Диаметр, мм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А9ГТШ |
А9К5Са |
210 |
99 |
0,045 |
3060 |
4,9 |
5,5 |
23,3 |
6165 |
240 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А7ГТШ |
А7Н4С |
228 |
114 |
0,03 |
1840 |
6 |
6,9 |
24,9 |
4425 |
195 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А6ГТШ |
А6КЗС |
240 |
75 |
0,02 |
779 |
6 |
4,5 |
24,5 |
2960 |
164 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ступени ГТ также как и ступени турбины состоят из статора и ротора, лопатки которых в отличие от турбины наклонены в одну сторону (рис.7). Режим безударного обтекания лопаток ступеней ГТ соответствует тормозному. При вращении ротора ГТ создается вращающий момент, направление которого противоположно направлению момента турбины турбобура.
Величина тормозного момента пропорциональна частоте вращения вала. Для уплотнения вала используются круглые резиновые кольца IIPУ. В шпинделе турбобура размещен радиально-упорный шарикоподшипник серии I28000.
В современных конструкциях турбобуров данного типа А9-ГТШ и ТРХ-240 используются турбины новой конструкции, которые устанавливаются в двух верхних секциях турбобуров, по 90 ступеней в секции.
17
Рис. 7. Ступень турбины для турбобуров типа А9-ГТШ и ТРХ- 240 1- статор (аппарат сопловой); 2 - ротор (колесо рабочее)
Проведенные испытания ступеней турбин показали высокую устойчивость изделий к абразивному износу, хорошую сбалансированность, что позволяет повысить ресурс серийных изделий в среднем на 20%. Испытания проводились на буровом растворе, в котором присутствовал утяжелитель, усиливающий абразивный износ.
2.1.3 Турбобуры с плавающими статорами (роторами)
Турбобуры с плавающими статорами типа ТПС предназначены для бурения скважин, в основном, шарошечными долотами. Турбобуры ТПС выпускают с корпусом диаметром 172 мм. Конструкция турбобуров, данного типа, отличается от конструкций серийных турбобур тем, что статор турбобура свободно перемещается в осевом направлении, а от «проворота» под действием собственного реактивного момента удерживается с помощью шпонки, заходящей в специальный паз на внутренней поверхности корпуса. Статоры не имеют поставочных дистанционных колец и опираются на соответствующий ротор, служащий ему пятой. Такая конструкция турбины позволяет не только максимально увеличить средний диаметр турбины, но и до минимума
18
уменьшить осевой люфт ступени. В результате в корпусе стандартной длины можно разместить в 1,4 раза больше ступеней.
Турбобур с плавающими статорами состоит из трех турбинных секций и шпинделя с двумя вариантами опоры: подшипник ШШО-172 (538925) и резинометаллическая пята ПУ-I72.
Техническая характеристика турбобуров с плавающими статорами и корпусом диаметром 172 мм (ТПС-I72) и 195 мм (ЗТСШ1 М1-195, серийно не выпускаются) приведена в таблице
4.
Таблица 4
Техническая характеристика турбобуров с плавающими статорами типа ТПС
Турбобур |
Кол-во |
Расход |
Вращаю- |
Частота |
Перепад |
|
ступе- |
жид- |
щий |
враще- |
давления, |
|
ней, |
кости, |
момент, |
ния, |
МПа |
|
шт |
м3/с |
Н х м |
с-1 |
|
ТПС-172 |
435 |
0,025 |
2100 |
7,5 |
6,57 |
|
|
|
|
|
|
ЗТСШIМI- |
455 |
0,03 |
2875 |
6,85 |
5,97 |
195 |
|
|
|
|
|
Также на основе турбобуров ТПС, разработаны и внедряются турбобуры с плавающими роторами ТПР, предназначены для бурения вертикальных, наклонно- направленных и горизонтальных скважин, разбуривания цементных мостов, стаканов и пробок долотами диаметром 118139 мм.
Турбобур ТПР состоит из шпиндельной и двух турбинных секций. Турбинная секция включает многоступенчатую стальную турбину, выполненную методом литья по выплавляемым моделям. Конструкция турбобура выполнена по схеме с плавающим ротором на профильном валу, что упрощает сборку и регулировку секций, их
19
взаимозаменяемость и позволяет отрабатывать осевую опору шпинделя до максимального износа.
2.1.4Турбобуры с редуктором-вставкой
Турбобуры с редуктором-вставкой типа РМ предназначены для эффективного использования шарошечных долот с маслонаполненными опорами при уменьшенных расходах раствора и пониженных перепадах давления. Маслонаполненный редуктор-вставка используется в сочетании с турбинными секциями и шпинделем серийно выпускаемых турбобуров наружным диаметром корпуса 195 мм. Редуктор- вставка устанавливается между шпинделем и турбинными секциями, имеет планетарную передачу и систему масло защиты передачи и опор. Планетарная передача двухрядная с зацеплением Новикова. Система масло защиты 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 является автономным узлом, который может быть заменен непосредственно на буровой. Энергетические характеристики турбобура с редуктором- вставкой приведены в таблице 5.
Таблица 5
Энергетические характеристики турбобуров с редуктором- вставкой
Тип |
Кол-во |
|
Расход |
|
Вращающий момент, |
Перепад |
|
турбинной |
турбинны |
|
жид- |
|
Н х м |
давле- |
|
секций |
х секций |
|
кости, |
|
предельны |
при Nmax |
ния, |
|
|
|
м3/с |
|
й |
|
МПа |
ЗТСША- |
1 |
0,024 |
|
4826 |
2413 |
2,7 |
|
195А |
|
|
|
|
|
|
|
ЗТСШ1-195 |
1 |
0,04 |
|
4806 |
2403 |
3,6 |
|
А7ГТШ |
1 |
0,03 |
|
3656 |
1825 |
3 |
|
|
|
|
|
20 |
|
|
|