Турбинно-винтовые забойные двигатели

 

Модульные турбинновинтовые забойные двигатели (ТНВ) - новая концепция забойного привода породоразрушающего ин­струмента.

ТНВ органично сочетает на­дежность, свойственную турбобу­рам, и высокий уровень соотноше­ния «момент силы - частота враще­ния» (М/«), свойственный винто­вым забойным двигателем (рис. 5.18; табл. 5.13).

При работе на малоабразивной жидкости двигатели ТНВ способны безотказно работать 400 - 550 часов.

Двигатели ТНВ выполняются с наружным диаметром 172, 195 и 240 мм.

С помощью этих двигателей производится проходка сплошным забоем прямолинейных и искрив­ленных участков скважин. Кроме того, ими можно осуществлять при­вод керноотборных устройств при отборе керна.

Применение двигателей ТНВ рекомендуется при температуре про­мывочной жидкости до 110 °С, плот­ности до 1700 кг/м и содержании углеводородных соединений до 5%. Конструктивно двигатели ТНВ выполнены на базе трех узлов: шпинделя, турбинной секции и винтового модуля. Конструкцией пре­дусмотрены различные варианты агрегатирования указанных узлов. Их монтаж может производиться как в условиях цеха, так и на буро­вой. В зависимости от ситуации могут быть собраны следующие ком­поновки: шпиндель + винтовой модуль; шпиндель + турбинная секция; шпиндель + турбинная секция + винтовой модуль.

От режима холостого хода (нулевой момент силы) до рабочего режима частота вращения вала снижается в пределах 10 %, а рост пе­репада давлений не превышает 30 %

 

 

Электробур

Наряду с гидравлическими машинами разрабатываются и элек­трические - электробуры. Электробур - это электрическая забойная машина, своеобразный электродвигатель, смонтированный в трубном корпусе малого диаметра и предназначенный для привода долота на забое скважины.

Современный электробур представляет собой, как правило, асин­хронный маслонаполненный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Впервые в 1899 в России был запатентован электробур на канате. В 30-х гг. в США прошел промышленные испытания электробур с яко­рем для восприятия реактивного момента, опускавшийся в скважину на кабеле-канате. В 1936 в СССР Квитнером и Н.В. Александровым разработана конструкция электробура с редуктором.

Конструкция промышленного электробура была разработана в 1937 - 1940 гг. группой инженеров (А.П. Островский, Н.В. Александ­ров, Ф.Н Фоменко, A.JI. Ильский, Н.Г. Григорян и др.). В 1940 в Баку электробуром пробурена первая скважина. В 1951-52 в Башкирии при бурении нефтяной скважины по предложению А.А. Минина, А.А. По- гарского и К.А. Чефранова впервые применили электробур знакопере­менного вращения для гашения реактивного момента, опускаемый на гибком электрокабеле-канате. Последующие опытно-конструкторские работы позволили значительно модернизировать электробур по срав­нению с первыми образцами: была создана безредукторная машина, мощность на валу электробура была увеличена в 2 - 3 раза (от 70 до

120 - 230 кВт) и наряду с этим уменьшен наружный диаметр. Серийное производство электробуров в нашей стране налажено с 1956 г.

Конструктивная схема электробуров первых серийных выпусков и основном сохранена и в современных электробурах. Современный >лектробур представляет собой забойную машину, состоящую из элек­тродвигателя и шпинделя. Для уменьшения скорости вращения вала между электродвигателем и шпинделем может быть вмонтирован ре­дуктор-вставка. Корпус электробура приспособлен, как и у турбобура, для захвата его элеватором и для соединения с бурильной колонной. К нижнему концу вала шпинделя присоединяется долото.

Параметрический ряд электробуров состоит из семи диаметров: 164, 170, 185, 215, 240 и 290 мм. Длины электробуров колеблются от 10 до 14 м. Обозначения электробуров, например, Э164-8: Э - электро­бур; 164 - диаметр корпуса, мм; 8 - число полюсов электродвигателя. В конце шифра могут стоять буквы М - модернизация и Р - электробур с редуктором-вставкой. Шпиндель обозначается как Ш164.

Обозначение электродвигателя содержит сведения о наружном диаметре корпуса, общей длине магнитопровода с длиной немагнито- нроводных пакетов и о числе полюсов. Например, маркировка МАП1-17-658/6 расшифровывается следующим образом: МАП - мотор асинхронный погружной, 1 - для электробура, 17 - наружный диаметр корпуса в см; 658 - общая длина магнитопровода и немагнитных паке­тов статора в см, 6 - число полюсов.

В электробуре применен маслонаполненный трехфазный асин­хронный электродвигатель, размещенный в трубном корпусе. Статор двигателя собран в цилиндрических корпусах, соединенных между собой на конических резьбах. В пазах статора заложена стержневая обмотка, верхние концы которой соединены с контактным стержнем, соединяющим ее с системой токоподвода.

Ротор двигателя выполнен секционным и многоопорным. Длина магнитопровода каждой секции в зависимости от диаметра двигателя принята в пределах 400 - 500 мм. Величина зазора между статором и ротором составляет 0,4 - 0,6 мм, что обеспечивает достаточную надеж­ность работы двигателя с учетом начального эксцентриситета осей статора и ротора, износа подшипников и жесткости вала. Вал электро­двигателя, имеющий по всей длине один диаметр, установлен на ша­рикоподшипниках, опирающихся непосредственно на расточки немаг- нитопроводных пакетов статора. Осевая опора ротора выполнена в виде двухрядных шариковых подшипников, установленных на нижнем конце вала и рассчитана на усилие только от массы ротора. Нижний конец вала электродвигателя соединяется при помощи зубчатой муфты и шарнирной уплотняющей втулки с валом шпинделя или редуктора- вставки. Внутренняя полость двигателя заполнена электрически ней­тральным маслом.

 

Маслонаполненный (смазочное масло) шпин­дель служит для восприятия реакции забоя при создании нагрузки на долото.

Выпускаемый промышленностью электробур включает трехфазный асинхронный маслонапол­ненный двигатель А и маслонаполненный шпин­дель Б на подшипниках качения (рис. 5.19 и 5.20).

В трубном корпусе электробура помещены пакеты магнитопроводной стали статора 6, они разделены пакетами немагнитопроводной стали в местах расположения радиальных шариковых опор ротора. Пакеты ротора 7 с алюминиевой об­моткой насажены на полом валу двигателя 5. Ро­тор располагается в статоре с зазором 0,5 - 0,6 мм на сторону. Внутренняя полость двигателя запол­няется сухим изоляционным маслом. От внешней среды внутренняя полость двигателя изолируется верхним 4 и нижним 8 сальниками. В сальники подается машинное масло. Для компенсации уте­чек масла через сальники и поддержания некото­рого избыточного давления внутри двигателя, препятствующего попаданию промывочной жид­кости внутрь, в верхней части электробура в луб- рикаторной головке размещаются лубрикаторы двигателя 3 и сальника 2. Внутри верхнего пере­водника проходит кабельный ввод от контактного стержня 1 до обмотки статора. Для восприятия веса вала в нижней его части над нижним сальни­ком установлен упорный шариковый подшипник. Осевые нагрузки на породоразрушающий инстру­мент полностью воспринимаются осевой опорой шпинделя и на вал двигателя не передаются.

Снизу к двигателю присоединяется шпиндель. В шпинделе находит­ся многорядная осевая опора на шариковых подшипниках 10. Полый вал центрируется в корпусе с помощью роликовых и шариковых подшипни­ков. Вал шпинделя соединен с валом двигателя посредством соедини­тельной зубчатой муфты 9, в месте соединения валов находится шарнир­ное уплотнение для изоляции внутреннего пространства от промывочной жидкости, поступающей к забою по внутреннему каналу в валу двигателя и шпинделя. В нижней части шпинделя помещено сальниковое уплотне­ние 12. Шпиндель заполняется густым машинным маслом и оснащен луб­рикатором 11. Избыточно давление лубрикатор создает за счет усилия сжатой пружины, которая давит на поршень, а под поршнем находиться резерв масла, восполняющий его потери из шпинделя.

 

Асинхронные двигатели для электробуров имеют жесткую харак­теристику, т.е. диапазон изменения их частоты вращения довольно ограничен. Ее изменение зависит от скольжения ротора относительно поля статора:

 

где п - частота вращения ротора двигателя; n_п - частота вращения маг­нитного поля статора ,f- частота тока, р - число пар полю­сов; двигатели выпускаются 10, 8, и 6-полюсными); s - скольжение, при номинальной нагрузке скольжение

В электробуре, вращающий момент двигателя прямо пропорцио­нален квадрату напряжения на вводе двигателя. Снижение напряжения приводит к заметному падению вращающего момента. В связи с этим необходимо учитывать потери напряжения в токоподводе от поверх­ности к двигателю, а падение напряжения при кратковременных пере­грузках двигателя рекомендуется компенсировать некоторым повыше­нием напряжения на вводе двигателя на 5 - 10 % против номинально­го. Номинальное напряжение на клеммах электробуров 1000 - 1200 В в зависимости от типа двигателя.

Буровой раствор проходит через электробур к долоту по цен­тральному каналу в валах двигателя и шпинделя. С помощью лубрика­тора поддерживается давление масла на 0,1 - 0,3 МПа больше давления раствора в скважине.

Электрическая энергия, подаваемая на буровую по линии элек­тропередач, поступает в распределительное устройство высокого на­пряжения (рис. 5.21). Отсюда она через понижающий трансформатор и станцию управления по наружному кабелю подается на токоприемник. Последний передает энергию на кабель, расположенный внутри бу­рильных труб. По кабелю энергия поступает к электробуру и преобра­зуется в механическую энергию вращения долота. Кнопки и приборы управления вынесены на пульт, с которого бурильщик управляет рабо­той электробура. Для опускания бурильной колонны в процессе буре­ния служит автоматический регулятор подачи.

Электроэнергия к забойному двигателю подводится по секциони­рованному кабелю, помещенному внутри бурильной колонны.

Токоподвод может осуществляться по трех- или двухжильному кабелю. В последнем случае в качестве третьего провода используется бурильная колонна. Эта система питания носит название «два провода - земля» (сокращенно ДПЗ).

Система ДПЗ позволяет увеличить площадь сечения проходного канала в бурильной колонне и тем самым способствует снижению по­терь напора при циркуляции промывочной жидкости по бурильной колонне.

 

 

нении труб. В единую цепочку секции соединяют с помощью контакт­ных элементов - контактного стержня на верхнем конце и контактной муфты на нижнем. Контактный стержень защищен от механических повреждений защитным стаканом. Соединение контактных элементов происходит автоматически при свинчивании бурильных труб, при этом контактный стержень входит в муфту с некоторым натягом, обеспечивающим герметичность соединения от проникновения буро­вого раствора.

Для монтирования секции электрокабеля используют специаль­ные бурильные трубы типа ЭБШ с гладкопроходным сечением. Они выпускаются диаметром 140 и 114 мм с высаженными наружу конца­ми. Трубы изготовляют из стали групп прочности Д и Е.

Кабельный подвод электробура - одно из наиболее слабых звень­ев системы. Вследствие загрязнения и недостаточной герметичности соединений секций омическое сопротивление изоляции снижается. Если при спуске инструмента наблюдается резкое падение сопротив­ления (первоначальное сопротивление самого электробура 50 МОм), спуск инструмента прекращают и выбраковывают трубы с низким со­противлением в изоляции кабеля. В процессе работы в соединениях с недостаточной герметичностью происходят пробои. Пробои и разрывы электрической цепи могут происходить также вследствие поломки медных контактов в муфте и излома кабеля в местах его сращивания с контактными соединениями.

Частота вращения электробура от 750 до 440 об/мин. Для разбу ривания большой группы мягких и средней твердости пород, особенно залегающих на больших глубинах, эти частоты вращения велики. По­этому на практике обороты снижают путем уменьшения частоты тока питания электробура с 50 до 20-26 Гц и применением редуктора. Пер­вый путь не эффективен, так как не сопровождается соответствующим повышением крутящего момента. Использованием одной или двух редукторных вставок с передаточным отношением 1:2 между электро­двигателем и шпинделем удается повысить вращающий момент и сни­зить обороты в 2 - 4 раза при уменьшении мощности лишь на величину где N- мощность электродвигателя; η_р - КПД редуктора.

Технические характеристики электробуров приводятся в табл. 5.14.

Мощность на долоте при бурении электробуром определяется выражением

где N_п - мощность, потребляемая электробуром от сети; ΔN_T - потери мощности в токоподводе; η= 0,55 - 0,75 - КПД электродвигателя; N_хлст - мощность на холостое вращение шпинделя; Р - осевая нагрузка на долото; μ- условный коэффициент трения в упорном подшипнике; d - внутренний диаметр упорного подшипника; n - частота вращения вала шпинделя.

Коэффициент передачи мощности на забой

Мощность, реализуемая на долоте, может быть выражена через осевую нагрузку Р и удельный момент М_уд:

где N₀ - мощность на вращение долота при отсутствии осевой нагрузки.

Момент на долоте

При выборе режима бурения добиваются более полного исполь зования мощности электробура, т.е.

Характеристика двигателя элек­тробура представлена на рис. 5.22. Асинхронный двигатель длительное время может работать в режиме номи­нальной мощности N_H0M и в области n_у < n_i < n_x при моменте М₀ < М < М_нт„ где М₀ - момент сопротивления в опорах двигателя, шпинделя, редук­тора. Изменяя осевую нагрузку на долото 0 < P₁ < P_max, можно изменять частоту вращения и в более широких пределах: от n_i до n_max. Момент при этом также изменяется от М₀ + M₁ до М_max. В режиме М_ном электробур также может работать длительное время. Двигатель электробура обла­дает довольно большой перегрузочной способностью по мощности (до 50 %), что позволяет без остановки вращения преодолевать резкие изменения нагрузок на долото при чередовании пород по твердости и неравномерной подаче.

Поскольку мощность в цепи питания изменяется по мере увели­чения или уменьшения нагрузки и момента на долоте, при бурении электробуром удобно контролировать отработку долот, приводить различные исследования буровых долот и режимов бурения, опера­тивно устанавливать оптимальный режим.

Чтобы предупредить чрезмерное повышение пускового тока и заклинивание нового долота, электробур включают, пока он не дошел до забоя (сужения). При опасности зависания бурильная колонна медленно вращается ротором (5 - 30 об/мин).

Обладая всеми достоинствами, присущими забойным двигателем (облегчение условий работы бурильной колонны, существенное сни­жение износа бурильных труб в скважине, исключение затрат мощности на холостое вращение и т.п.), электробур имеет ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с гидравлическими забойными машинами:

- при бурении электробуром возможно применение в качестве очистного агента любого бурового раствора, аэрированных жидкостей, пены, сжатого воздуха и природного газа;

режим работы электробура не зависит от расхода промывочной жидкости, который в данном случае можно выбрать только по условию полной и своевременной очистки забоя от шлама;

- режим работы электробура практически не зависит от свойств циркуляционного агента; это позволяет применять его при использо­вании утяжеленных растворов, пенообразных агентов и продувки;

- на забое можно использовать гидромониторный эффект, но гид­равлические сопротивления в трубах ЭБШ выше, чем в обычных тру­бах, вследствие наличия внутри кабеля и устройств для его подвески. Поэтому при одинаковых условиях может быть реализован меньший перепад давления;

- двигатель электробура имеет более высокий КПД, может обес­печить передачу на долото достаточно больших мощностей и крутя­щего момента при приемлемых отношениях М/n

- электробур легче управляется с поверхности, обеспечивает при­менение систем телеконтроля при направленном бурении, бурении горизонтальных и многозабойных скважин; упрощается оптиматизация процесса бурения;

- при работе с электробуром открывается возможность автомати­зировать процесс бурения по данным забойных датчиков для наилуч­шего использования мощности двигателя;

- поскольку электробур представляет собой маслонаполненный двигатель, все детали которого работают в среде, изолированной от бурового раствора, он меньше подвержен абразивному износу и его рабочая характеристика остается практически неизменной в течение всего срока работы.

К недостаткам электробура относятся: усложнение наземного и забойного оборудования и бурильной колонны, высокая стоимость забойного двигателя, опасность потери дорогостоящей машины вслед­ствие прихвата в скважине, ограниченный срок межремонтной работы вследствие недостаточной износостойкости уплотнительных сальни­ков самого электробура и недостаточной надежности системы токоподвода, создание специальных ремонтных служб, более высокие тре­бования к квалификации обслуживающего персонала.

 

Объем бурения скважин электробурами в СНГ в последние годы стабилизировался, причем этим способом в основном бурят в Башкирии и на Украине, где имеются хорошо оснащенные базы ремонта. Применяется он также в Туркмении и незначительно в Азербайджане.

В настоящее время (до 1996 г.) в В ПО «Башнефть», «Туркмен нефть», «Азнефть» и «Укрнефть» пробурено более 11 млн. метром горных пород. При этом технико-экономические показатели электробурами по сравнению с другими способами выше в 1,3-1,8 раза, а се­бестоимость метра проходки ниже на 10 - 15 %.

Доказано, что достигнутый уровень показателей механического бурения электробуром несколько выше показателей турбинного буре­ния: больше проходка на долото и рейсовая скорость.

Перспективы развития буровых работ с применением электробу­ров связаны с существенным повышением ресурса работы электробура с системой токоподвода до 200 ч и более, улучшением его выходных характеристик, позволяющих поддерживать оптимальный режим рабо­ты породоразрушающего инструмента.

В будущем имеет также перспективу использование электробура по­стоянного тока. Этот турбобур обладает рядом преимуществ таких, как:

- имеет однопроводной токоподвод, что значительно уменьшает гидравлические сопротивления в трубах и можно применять торпеды;

- обладает возможностью в широком диапазоне осуществлять плавное регулирование частоты вращении долота и имеет более высо­кую перегрузочную способность по сравнению с электробуром пере­менного тока.

 

Контрольные вопросы к разделу 5.

1. Способы привода долота во вращение.

2. Мощность на привод поверхностного оборудования и на враще­ние бурильной колонны в жидкости.

3. Условия применения роторного бурения.

4. Что такое турбинное бурение? Принцип действия первого и со­временного турбобуров.

5. Отличительные особенности турбинного и роторного бурения.

6. Конструкции современных турбобуров, их достоинства и недостатки.

7. Характеристика турбин турбобуров.

8. Реактивно-турбинное бурение.

9. Бурение винтовыми (объемными) двигателями. Их достоинства и недостатки. Рабочая характеристика винтового двигателя.

10.Электробурение. Достоинства и недостатки. Характеристика электробура.