Лекция 3

3. Забойные двигатели

При бурении нефтяных и газовых скважин применяют гидравлические и электрические забойные двигатели, преобразующие соответственно гидравлическую энергию бурового раствора и электрическую энергию в механическую на выходном валу двигателя. Гидравлические забойные двигатели выпускают гидродинамического и гидростатического типов. Первые из них называют турбобурами, а вторые - винтовыми забойными двигателями. Электрические забойные двигатели получили наименование электробуров.

3.1. Турбобуры

4.1.1. Принцип действия

Турбобур представляет собой многоступенчатую гидравлическую турбину, к валу которой непосредственно или через редуктор присоединяется долото.

Каждая ступень турбины состоит из статора и ротора (рис. 15).

Рис.15. Элемент рабочей пары турбобура (статор-ротор) 1 – корпус; 2 – статор; 3 – ротор; 4 – шпонка; 5 - вал

Рис. 16. Принципиальная схема преобразования гидравлической энергии потока жидкости в механическую энергию вращения вала турбобура

В статоре, жестко соединенном с корпусом турбобура, поток бурового раствора меняет свое направление и поступает в ротор, где отдает часть своей гидравлической мощности на вращение лопаток ротора (рис.16). При этом на лопатках статора создается реактивный вращающий момент, равный по величине и противоположный по направлению вращающему моменту ротора. Перетекая из ступени в ступень, буровой раствор отдает часть своей гидравлической мощности каждой ступени. В результате вращающие моменты всех ступеней суммируются на валу турбобура и передаются долоту. Создаваемый при этом в статорах реактивный момент воспринимается корпусом турбобура и бурильной колонной.

3.1.2. Характеристика турбины, способы изменения характеристики

Подхарактеристикой турбины (рис.17) понимают зависимость ее мощности N, вращающего момента М, КПД , перепада давления р от частоты вращения п при заданном расходе Q перекачиваемого через нее бурового раствора. Частота враще­ния вала соответствует частоте вращения роторного колеса, а вра­щающий момент равен сумме моментов всех ступеней: М = z т (здесь т - момент одной ступени).

Мощность на валу N = z m n.

Мощность N можно также определить по расходу Q и перепаду давления р:

N = p Q ,

где р = z р_m ; р_m - перепад в одной ступени; - КПД.

С

Рис. 17. Рабочая характеристика турбины турбобура при постоянном расходе жидкости Q

изменением подачи и качества бурового раствора, прокачиваемого через турбину, изменяются ее энергетические параметры согласно соотношениям, впервые предложенным П.П.Шумиловым:

; ; ; ; ; .

Здесь p₁ и р₂ - перепады давления в турбине при расходах Q₁ и Q₂ и плотностях бурового раствора ₁ и ₂.

Отношение М/п при роторном бурении значительно больше, чем при турбинном. Особенно четко это видно для турбобуров малых диаметров, поскольку

,

где D₁ и D₂ - диаметры турбобура.

Зная энергетические параметры при одном режиме промывки из стендовых исследований и пользуясь этими соотношениями, можно определить параметры турбины при различных значениях расхода и разном качестве бурового раствора.

Применение маховых масс приводит к смещению и расширению рабочей области турбобура.

С изменением осевой нагрузки и трения в опорах турбобура изменяются и передаваемые на долото мощность и момент.

Область устойчивой работып_р – п_у для турбобуров с шаровой опорой шире, чем турбобуров с резино-металлической опорой. Частота вращения п_у соответствует предельно допустимому крутящему моменту (осевой нагрузке), при превышении которого вал турбобура перестает вращаться, и определяет устойчивую область работы турбобура слева, т.е. минимальную частоту вращения вала турбобура.

Кроме секционирования, улучшить моментную характеристику турбобура можно применением механических редукторов, которые снижают частоту вращения в 2-3 раза. Например, редукторный турбобур ТР2Ш-195 с многорядным планетарно-фрикционным редуктором имеет частоту вращения около 200 об/мин при КПД = 0,55.