Характеристика турбины и турбобура (Лекция 9)

Под характеристикой турбины (рис. 5.10) понимают зависи­мость ее мощности N, вращающего момента М, КПД η, перепада давления Δр 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 = zm (здесь m - момент одной ступени; z - число ступеней).

Мощность на валу N - zmn.

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

где Δр = zрт, Δр _т - перепад в одной ступени; η- КПД.

В качестве иллюстрации образования кривых в характеристике приведем пример кривой мощности N:

где М и п - текущие значения моментов и оборотов соответственно; n_хол - максимальная частота вращения при отсутствии нагрузки на валу турбобура; М_торм - максимальный крутящий момент, достигаемый при полной остановке турбобура.

Величина М =М_торм (1 - n/n_хол ); в то же время

получаем уравнение квадратичной параболы. При n = 0и n_хол = n мощность турбины равна нулю. В отличие от турбины рабочая харак­теристика турбобура учитывает затраты мощности на трение в опорах турбобура и дает, таким образом, возможность определить крутящий момент, мощность на долоте в зависимости от расхода, частоты вра­щения, осевой нагрузки, свойств пород, типа и степени износа долота. Величина мощности в этом случае зависит от конструкции пяты, осе­вой нагрузки на нее, скорости скольжения, свойств бурового раствора и наличия маховых масс.

Построение внешней характеристики турбобура производится с учетом потерь энергии в осевой опоре:

где М_я - крутящий момент, передаваемый на долото; М_п - момент со­противления в осевой опоре; М - крутящий момент турбобура, выра­жаемый зависимостью М = zm, m - момент одной ступени; z - число ступеней.

Для определения момента сопротивлений в осевой опоре служит выражение

где Р - осевая нагрузка на пяту (осевую опору); μ - коэффициент тре­ния в пяте; r_n- приведенный радиус трения, определяемый по формуле

R_н R_в - соответственно наружный и внутренний радиусы трущихся поверхностей.

Момент сопротивления в осевой опоре

где Т - гидравлическая сила воздействия на подвижные элементы тур­бобура, возникающая за счет перепада давления, Т = F_cpAp_Ta; /•',.,, - обобщенная площадь воздействия гидравлической нагрузки (площадь сечения турбобура), пропорциональная квадрату расхода жидкости; Ар_лл - общий перепад на турбобуре (в пяте плюс турбобуре) и долоте; G - вес подвижных деталей турбобура плюс вес долота; К - реакция забоя, равная величине осевой нагрузки на забой (долото).

В современных турбобурах (многосекционных) осевая гидравли­ческая сила достигает 120 - 150 кН. Если (Т + G) > R, нагрузка на под­пятник действует сверху. В этом случае выбираем знак «плюс». Когда (Т + G) < R, то загружена нижняя поверхность резиновой обкладки подпятника осевой опоры. Выбираем знак «минус». В том, случае, ко­гда (7* + G) = R, положение соответствует «плавающему» режиму ра­боты осевой опоры турбобура. Это оптимальный режим работы опоры н турбобура.

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

Здесь p₁ p₂- перепады давления в турбине при расходах Q₁ и Q₂ и плотностях бурового раствора ρ₁ и ρ₂

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

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 работы n_разг- n_уст для турбобуров с шаровой опорой шире, чем турбобуров с резинометаллической опорой. Частота вращения n 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.

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.

Основными достоинствами турбинного бурения являются:

- устранение затрат энергии на вращение бурильной колонны;

- уменьшение износа и аварийности бурильных труб, что позво­ляет применять легкосплавные бурильные трубы;

- повышение частоты вращения долота, следовательно, и механи­ческой скорости бурения;

- упрощение технологии проводки наклонно-направленных сква­жин;

- улучшение условий работы буровиков (снижение шума на устье и вибрации на буровой).