ТУРБИННОЕ БУРЕНИЕ. ТУРБОБУРЫ

В турбинном бурении наибольшая величина крутящего момента обу­словлена только сопротивлением породы вращению долота (труб и меха­низмов между долотом и турбобуром в случае их установки). В роторном бурении максимальный крутящий момент труб определяется сопротивле­нием породы вращению долота, сопротивлением трению труб о стенки скважины и вращающейся жидкости и инерционным эффектом упругих крутильных колебаний. Максимальный крутящий момент в трубах, опреде­ляемый расчетом турбины (значением ее тормозного момента), не зависит от глубины скважины, числа оборотов долота, осевой нагрузки на долото и механических свойств проходимых горных пород. Практика применения турбобуров показывает, что стойкость труб примерно в 10 раз превышает стойкость труб в роторном бурении.

В турбинном бурении коэффициент передачи мощности от источника энергии к долоту значительно выше, чем в роторном. Идея использования гидравлического двигателя для бурения скважин возникла в 80-е годы XIX в: первый патент на турбину для бурения нефтяных скважин был взят в 1873 г. Гроссом. В 1890 г. Г.Г. Симченко (Баку) разработал проект первого забойного круговращательного гидравлического двигателя.

В начале 1900-х годов был разработан и использован на практике для быстроударного бурения в твердых породах забойный гидравлический та­ран, создававший 500 — 600 ударов в минуту по забою. В 1923 г. М.А. Капе-люшников разработал (совместно с СМ. Волохом и Н.А. Корневым) тур­бинный аппарат для бурения скважин, названный турбобуром Капелюш-никова. Он развивал мощность до 12 л.с. и представлял собой гидравличе­ский двигатель, выполненный на базе одноступенчатой осевой турбины, вал которой через промежуточный многоярусный планетарный редуктор приводил во вращение долото. Проблема реализации турбинного буре­ния была решена П.П. Шумиловым, Р.А. Иоаннесяном, Э.И. Тагиевым и

М.Т. Гусманом. Позднее, благодаря работам ВНИИБТ, турбинное бурение приобрело общее признание.

Успехи современного турбинного бурения главным образом зависят от возможности реализации оптимальных режимов отработки новых конст­рукций высокопроизводительных долот, созданных в последнее время1.


Турбобур — машина быстроходная. Поэтому большое значение имеют работы, направленные на создание низкооборотных турбобуров, способных эффективно отрабатывать шарошечные долота с герметизированными мас-лонаполненными опорами типов ГНУ и ГАУ.

В области турбоалмазного бурения особую актуальность приобрета­ет создание высокомоментных турбобуров для работы с новыми долотами с поликристаллическими алмазными режущими элементами типа Stra-topax.

Современный турбобур должен обеспечивать:

1. Достаточный крутящий момент при удельных расходах жидкости
не более 0,07 л/с на 1 см2 площади забоя.

2.     Устойчивую работу при частотах вращения меньше 7 с"1 для шаро­
шечных и 7 — 10 с"1 для алмазных долот.

3.     Максимально возможный КПД.

4.     Срабатывание перепада давления на долоте не менее 7 МПа.

5.     Наработку на отказ не менее 300 ч.

6.     Долговечность не менее 2000 ч.

7.     Постоянство энергетической характеристики по меньшей мере до
наработки на отказ.

8.     Независимость энергетической характеристики от давления и тем­
пературы окружающей среды.

9.     Возможность изменения реологических свойств бурового раствора в
процессе долбления.

10.    Возможность введения в буровой раствор различных наполнителей
и добавок.

11.    Возможность осуществления промывки ствола скважины без вра­
щения долота.

12.    Возможность проведения замеров траектории ствола скважины в
любой точке вплоть до долота без подъема бурильной колонны.

13.    Стопорение выходного вала с корпусом в случае необходимости и
освобождение от стопорения.

14.    Гашение вибраций бурильного инструмента.

15.  Экономию приведенных затрат на  1  м проходки скважины по
сравнению с альтернативными способами и средствами бурения.

Понятно, что в одной конструкции все или большую часть этих требо­ваний воплотить очень сложно. В то же время для одного и того же диа­метра целесообразно иметь возможно меньшее количество типов турбо­буров.

В начале 50-х гг. в связи с увеличением глубин скважин стали стре­миться к увеличению числа ступеней турбины для снижения частот враще­ния долот. Появились секционные турбобуры, состоящие из двух — трех секций, собираемых в одну машину непосредственно на буровой. Секции свинчивали с помощью конической резьбы, а их валы соединяли сначала

конусными, а затем конусно-шлицевыми муфтами. Осевая опора секцион­ного турбобура устанавливалась в нижней секции.

В дальнейшем, с целью упрощения эксплуатации турбобуров, осевую опору вынесли в отдельную секцию — шпиндель. Это усовершенствование позволило производить смену на буровой наиболее быстроизнашиваемого узла турбобура — его опоры.

Секционные шпиндельные турбобуры типа ЗТСШ в настоящее время серийно выпускаются машиностроительными заводами Минхиммаша с диаметрами корпуса 172, 195 и 240 мм.

В конце 50-х гг. во ВНИИБТ были начаты интенсивные исследования по разработке опоры качения турбобура. Дело в том, что резинометалличе-ская пята, хорошо работающая при использовании в качестве бурового раствора воды или буровых (глинистых) растворов с относительно низким содержанием твердой фазы, а также при невысоких значениях перепада давления на долоте, в случае применения утяжеленных или сильно загряз­ненных буровых растворов существенно искажала выходную характери­стику турбобура, что в свою очередь снижало эффективность турбинного способа бурения.

В начале 60-х гг. Р.А. Иоаннесяном, Д.Г. Малышевым и Ю.Р. Иоанеся-ном была создана упорно-радиальная шаровая опора турбобура типа 128 000, представляющая собой многоступенчатый шарикоподшипник двух­стороннего действия.

Турбобуры с шаровой опорой серии А в настоящее время серийно выпускаются машиностроительными заводами Минхиммаша с диаметрами корпуса 164, 195 è 240 ìì.

Дальнейшее совершенствование конструкций турбобура связано с по­явлением новых высокопроизводительных шарошечных долот с герметизи­рованными маслонаполненными опорами. Для эффективной отработ­ки этих долот требуются частоты вращения около 2,5… 5 с"1 [2]. Это приве­ло к созданию целого ряда новых направлений в конструировании турбо­буров:

с системой гидродинамического торможения;

многосекционных;

с высокоциркулятивной турбиной и клапаном-регулятором расхода бурового раствора;

с системой демпфирования вибраций;

с разделенным потоком жидкости и полным валом;

с плавающей системой статора;

с тормозной приставкой гидромеханического типа;

с редукторной вставкой.

Появились также гидравлические забойные двигатели объемного ти­па — винтовые.

Среди конструкторов турбобуров еще нет единого мнения о наиболее эффективном и перспективном направлении развития техники турбинного способа бурения. С целью объективной оценки новых конструкций и вы­бора лучшей из них для широкого внедрения в серийное производство проводятся сравнительные испытания макетных образцов новых забойных двигателей.

Обратите внимание:

Добавить комментарий