Теоретический вопрос

Вопрос 3. Что представляет собой характеристика «турбобур-долото-забой», и каковы её основные свойства? Характеристика системы «турбобур—долото—забой»

Часть крутящего момента турбины затрачивается на преодо­ление трения в пяте и в радиальных опорах, а при искривлении вала и корпуса также на трение ротора о статор. Момент сил тре­ния зависит от качества сборки и регулировки турбобура. При рас­положении осевой опоры в шпинделе (турбобуры ЗТСШ и АШ) или в нижней части вала нижней секции уменьшается или исклю­чается продольный изгиб вала под действием осевой нагрузки на долото, уменьшается нагрузка на радиальные опоры и снижаются потери на трение в этих опорах.

Вследствие механических потерь характеристика турбобура (на долоте) отличается от характеристики турбины. При исполь­зовании опор качения указанное различие сравнительно неболь­шое, поскольку главная часть механических потерь в пяте суще­ственно снижена. Другие потери имеют значение только при кривизне вала и корпуса, превышающей допускаемые нормы, а потери на трение ротора о статор увеличиваются при сильно изношенных радиальных опорах, когда зазоры в них становятся равными радиальным зазорам в турбине.

В турбобуре с резинометаллическими подшипниками при одной и той же характеристике турбины форма кривых характе­ристики турбобура может быть весьма различной в зависимости от условий взаимодействия до/юта и разбуриваемой породы, вслед­ствие чего она называется также характеристикой системы турбо­бур—долото—забой (ТДЗ). Рассмотрим факторы, определяющие эту характеристику.

Момент силы трения в пяте

Здесь — коэффициент трения в пяте; — приведенный радиус трения,

;

и - наружный и внутренний радиусы трущихся поверх­ностей.

Верхний знак в формуле крутящего момента относится к слу­чаю, когда бурильная колонна поддерживает ротор верхними по­верхностями подпятников (Т + G > R), а нижний — к случаю, когда к гидравлической силе приплюсовывается сила тяжести нижнего участка бурильной колонны (Т + G < R) с нагружением нижних поверхностей подпятников.

Крутящий момент турбобура, передаваемый долоту,

М_Т = М_к - М_n - М₀, (6.10)

где M_k — момент k-ступенчатой турбины; М₀ — момент сил тре­ния в радиальных опорах и трения ротора о статор.

Момент на долоте приблизительно пропорционален нагрузке на долото:

M_Д = M_y R , (6.11)

где М_у — удельный момент, зависящий от крепости разбуривае­мой породы, конструкции и состояния долота, условий промывки забоя, а также от частоты вращения долота. При равномерном вращении долота М_Т = М_Д.

Примем, что зависимость момента турбины от частоты вра­щения линейная:

,

где k — число ступеней, и исключим из (6.10) и (6.11) нагрузку R, пренебрегая для простоты небольшим моментом М₀. После пре­образований получим уравнение момента турбобура:

.

Обозначим безразмерные величины:

; .

Формула крутящего момента на долоте представлена так:

. (6.12)

Чтобы изучить особенности полученной зависимости, примем, что удельный момент трения в пяте , удельный момент на долоте , а следовательно, φ и s — величины постоянные. Зависимость (6.12) графически представляется двумя прямыми, пересекающимися в точке В (рис. 6.6, а) на прямой 1— 1. ли­ния А'В соответствует условию R > Т + G (знак +), а линия ВС - условию R < Т + G (знак -). В точке В справедливо условие Т + G = R_B, когда пята разгружена.

Угол наклона прямой ВС` зависит от коэффициента φ. При φ < 1 Мy > , т. е. когда удельный момент сопротивления забоя больше удельного момента трения в пяте, линия ВС` на­клонена вправо от вертикали. При φ > 1 М_у < , в этом слу­чае линия ВС` наклонена влево. Промежуточный случаи: φ=1, My= линия ВС вертикальная.

В действительности величины φ и s не постоянные, а зависят от нагрузки на пяту и частоты вращения вала. Поэтому линии АВ и ВС не прямые, а кривые. Отрезки ординат, заключенные между линией 1—/ и кривой ABC (момента на долоте), соответствуют моменту трения в пяте, а отрезок ОС — частоте холостого враще­ния турбины п_х при подъеме турбобура с забоя.

Положение точки В определим из условия, что уравнение (6.12) при использовании любого знака дает одинаковый результат:

,

Где

Параметр , отражающий комплексную взаимосвязь турбо­бура (k, M_max, G, Т), долота и забоя (М_у), равен ординате точки В. На рис 6.6, б кривые момента на долоте относятся к нескольким значениям удельного момента М_у. Точки разгрузки пяты тем ближе к тормозному режиму, чем больше значение М_у.

Характер изменения кривой момента на ее ветвях зависит от закономерности изменения величин φ и s. В частности, положение точки С зависит от того значения S_x, которое оно имеет при хо­лостом режиме: n_x/n_max — 1 — S_x.

Графики забойной мощности даны на том же рис. 6.6, б. Они показывают, что максимум мощности турбобура не совпадает с максимумом мощности турбины и может быть смещен от него в любую сторону в зависимости от типов турбобура, долота, породы, а также от расхода жидкости (расход жидкости влияет потому, что Т и Mmax в выражении П зависят от расхода, a G не зависит от него)^..

В практике бурения возможны следующие варианты характе­ристики ТДЗ (см. рис. 6.6, б):

1) Ω < 1/2; n_в > n_max /2 (точки а и b).

Этот случай характерен для бурения твердых пород;

2) Ω > 1/2; n_в < n_max/2 (точка d), что бывает при бурении слабых пород;

3) Ω = 1/2; n_в — n_max/2 (точка с).

В этом случае максимумы мощностей турбобура и турбины приблизительно совпадают, причем (Т + G) М_у = kM_max/2.