§ 5. Резино-металлическая пята турбобура и характеристика «турбобур — долото — забой»

Нагрузка на осевую опору турбобура

Осевая нагрузка на пяту турбобура определяется гидравличе­ской силой Т, действующей на ротор, весом ротора G и реакцией забоя R:

р^Т + С-Д. (111-43)

Обозначим (рис. 111-25) перепады давления Ар„ в верхнем узле (пяте); Др_т — в k ступенях турбины; Др_р — только в роторе одной ступени; Д_р_д — в нижнем узле (долото, ниппель и др.); F_lt F₂, . ., F_b — площади кругов с диаметрами d_lt d^ d₃, d₄, и d_b.

Гидравлическая сила

В общем случае

102

где т_г — коэффициент реактивности. Поэтому

(111-44)

Из (111-44) [видим, что гидравлическая сила зависит от коэффициента реактивности турбины. В чисто активной турбине (тп_г = = 0) гидравлическая сила наименьшая, а в чисто реактивной (m_r = 1) — наибольшая. В симметричных турбинах m_a = m_r = 0,5;

Т = l*±?*- b

или приближенно

где

F •=

ер

/) —средний диаметр каналов тур­бины;

Др_тд— общий перепад давления в турбо­буре и долоте;

Др_тд — Д/?_п + Др_т + Д/V (111-46) Перепады давления Др_п и Д/)_д опреде­ляются опытным путем. Как и любое ги­дравлическое местное сопротивление, каналы верхнего и нижнего узлов могут быть оха­рактеризованы графиком в системе трех па­раметров:

Q ' vD » v ; где Др — перепад давления в узле; D — характерный размер канала.

также при-

Q

коэффициент расхода и.= , коэффициент местного сопро-

Вместо параметра

меняются Q

,,

тивления l, =

давления а = — щадъ сечения.

vv

или коэффициент потери

Z7

, где J* —характерная пло-

Рис. 111-25. Перепады давления в узлах турбо­бура.

103

Перепады давления в верхнем и нижнем узлах турбобура опре­деляются коэффициентами а_а и а_д. Величины этих коэффициентов зависят от диаметра и конструкции долота и турбобура и составляют для турбобуров и долот от 300 до 190 мм: при промывке водой а_л =

— (2,1 -н 4,35)10⁵ — j ; для глинистого раствора а_д = (2,3 -н 4,7) Ю⁵-^;

^ коэффициент а_п = (1,2 -^ 5,7)10⁵^- .

Коэффициентом а_д характеризуется перепад давления в долоте, если возникают утечки через ниппель.

Трение движения в резина-металлической пяте при смазке

ее водой

Несущая способность жидкостного слоя в резино-металлической пяте значительно выше, чем у жестких подпятников, так как упру­гая шероховатость резины усложняет путь смазки к боковым краям подушки нри ее выдавливании.

Режим трения при смазке эластичных пят водой отличается от режима трения жестких опор.

Сила трения F в этих подшипниках подчиняется закону вязкого сдвига

(Ш-47)

где т) — вязкость смазки;

v — 'скорость скольжения;

h~— фактическая толщина смазочного слоя; £ф — площадь наибольшего сближения трущихся рельефов. Пусть

р — удельная нагрузка;

6" — номинальная площадь трения;

]j, — коэффициент трения в пяте, тогда

Так что

H = l£i-. (П1-49)

В жестких опорах неровности поверхностей малы по сравнению с толщиной смазочного слоя h, поэтому величина S* близка к номи­нальной площади трения. В эластичных опорах, смазываемых водой, неровности резиновой поверхности значительно превышают по ве­личине тонкий слой жидкости. В результате выступы резины и ме­талла взаимодействуют, что увеличивает трение в этой опоре и при­водит к упругой деформации резины. С увеличением нагрузки ше­роховатость резиновой поверхности уменьшается, площадь наиболь­шего сближения трущихся поверхностей возрастает и коэффициент трения (г с увеличением р не увеличивается.

104

На рис. 111-26 показано изменение момента трения М в пяте и коэффициента трения fi в зависимости от удельного давления р. На участке АВ площадь трения 5_ф увеличивается. Незначительный рост трения на участке ВС объясняется утонением смазочного слоя при максимальной величине £_ф, а интенсивный рост трения и посте­пенное увеличение коэффициента трения на участке СД — наруше­нием жидкостного режима при выдавливании смазки.

Кроме удельной нагрузки, на величину (л при работе пяты в воде влияют скорость скольжения, температура, конструктивное выпол­нение пяты, твердость трущей­ся пары.

0.808

Скорость сколь­жения определяется на при­веденном радиусе трения

(Ш-50)

0.005

G.QO?

где Лиг

наружный и вну­тренний радиусы трущихся поверх­ностей.

6.0

8.0 t/.м/сеи

//
0.06	\
		V/SS/SS/SSS/J
			ваззааааа
	\
	\		Мл.
Q.01 t			-Л"^"-		*
	' W 1.0 б.о 8.о км/а

Рис, 111-26. Зависимость трения в

резин о-металлической пяте от удель­ной нагрузки.

Рис. 111-27. Скоростные характеристи­ки резинонметаллических опор.

Усиление циркуляции жидкости с ростом скорости скольжения вначале способствует утолщению смазочного слоя и снижению тре­ния. При достижении некоторой критической скорости v₀ дости­гается баланс притока смазки и боковых ее утечек, в результате чего толщина смазки остается постоянной, а некоторое увеличение трения происходит лишь за счет повышения скорости сдвига в слое смазки (рис. 111-27, а). Если же благоприятные условия для затяги­вания смазки не созданы, то трение может не зависеть от скорости (рис. 111-27, 6).

105

Мин

moo moo о

М н hi

I/ Рис. 111-28. Влияние различ­ных факторов на трение в пяте.

JJ М.Н.Н

0 ,2 г 30

106

При снижении скорости до v << V₀ трение в пяте резко усили­вается. Поэтому при малых скоростях вращения турбобур остана­вливается.

При возрастании температурьте глубиной бурения резина размягчается, площадь 5_ф интенсивно возрастает, усиливается мо­лекулярное воздействие между резиной и сталью (рис. 111-28, а).

Влияние конструкции резиновых поду­шек. Округление входного участка подушек большим радиусом способствует снижению трения (рис. III-28, 6), но при этом площадь опорной поверхности сокращается. В результате уменьшение кри­визны входного участка ограничивается некоторым рациональным пределом. Применение клиновидных подушек существенно снижает трение (рис. Ш-28, в). Увеличение числа промывочных осевых кана­лов улучшает охлаждение пяты (рис, Ш-28, г), а при наличии песка в промывочной жидкости улучшает его канализацию.

Твердость резины — 75—85 ед. по Шору. При боль­шей твердости резина менее эластична, поэтому фактические удель­ные нагрузки на выступах трущихся поверхностей увеличиваются (рис. Ш-28, д). При низкой твердости подушки чрезмерно дефор­мируются, площадь 8_ф быстро увеличивается. Поверхность дисков планируют до твердости HRC-58-J-61.

Работа резино-металлической пяты в абразивной среде

Содержание абразива в буровых жидкостях находится в преде­лах 0,5—3% по объему, а в отдельных районах достигает 10% и более.

Резино-металлические подшипники хорошо приспособлены для работы в абразивной среде. Частицы абразива, внедрившиеся в эла­стичную обкладку подпятника, давят на металлическую поверх­ность дисков с силой, зависящей только от упругости резины, но не от нагрузки на опору. Поэтому диски изнашиваются значительно меньше, чем при контакте с жесткими подпятниками.

При замене воды глинистым раствором трение увеличивается примерно в 3 раза. При удельных нагрузках, не превышающих iMn/м², трение от содержания песка почти не зависит, а при уве­личении нагрузки отрицательное влияние абразива на трение воз­растает. Прирост трения определяется главным образом затратами на пластическую деформацию в срезаемом слое при его шлифовании и на преодоление сил трения зерен абразива о шлифуемую поверх­ность. Повышение твердости последней вызывает быстрое притупле­ние абразивных частиц, в результате чего резание заменяется смятием и скольжением зерен по металлу с большими усилиями.

Повышение твердости для уменьшения износа может вызвать нежелательное увеличение сил абразивного трения. Величина сил трения зависит от качества раствора. Так, при утяжелении глини­стого раствора баритом до относительной плотности 1,6,

107

коэффициент трения в пяте за счет этого увеличивается в 1,5— 2,5 раза.

Как показали наблюдения, преобладающим видом износа дета­лей пяты является абразивный износ. Характер и интенсивность воз­действия абразивных частиц на рабочие поверхности пяты зависят от размера частиц. Под действием мелкого абразива (песка или утя­желителя) изнашиваются в основном только диски. Разрушающее действие зерен абразива возрастает с увеличением их размеров; крупные абразивные частицы изнашивают одинаково интенсивно как металлические, так и резиновые поверхности. Характерными видами износа в последнем случае являются: глубокие (до 2—3 мм) канавки на металле, вспарывание резины и изменение поверхности резиновых подушек соответственно рельефу изношенных дисков.

Стойкость пяты зависит от характера разбуриваемых пород, качества промывочной жидкости и температуры в забое. Интенсив­ные вибрации в процессе бурения твердых пород ухудшают условия работы резиновых покрытий опоры, способствуя попаданию крупных частиц абразивного шлама в поверхность трения. В этих условиях усиленно изнашиваются подпятники.

При бурении пластичных пород шлам либо совсем не абразивен (глины), либо состоит из мелких частиц песка, который, как сказано выше, незначительно воздействует на резиновое покрытие.

При эксплуатации турбобуров на южных месторождениях Со­ветского Союза износ резиновых покрытий связан с действием вы­соких забойных температур (растрескивание резины при перегреве и потеря эластичности).

При использовании утяжеленных глинистых растворов условия работы пяты турбобура особенно неблагоприятны. Высокое содер­жание твердой фазы, достигающее иногда 70%, увеличение вязкости, снижение теплоемкости раствора, ухудшение отвода тепла из при-забойной зоны, повышение температуры, вредное действие хими­ческих реагентов на резину — все эти факторы вызывают возраста­ние потерь энергии в пяте турбобура и ускоряют ее износ.

Детали пяты изнашиваются обычно ассимметрично: диски пре­имущественно снизу, подпятники сверху. Это объясняется тем, что осевая нагрузка на подпятники направлена преимущественно вниз. К тому же абразив, особенно крупный, осаждаясь на диск, •отбрасывается в сторону центробежной силой так, что верхние плос­кости дисков остаются чистыми, тогда как нижние плоскости дисков работают с большим количеством абразива, осаждающегося на не­подвижных подпятниках.

Как правило, диски и подпятники изнашиваются интенсивнее по периферии, так как здесь значительнее удельные давления, скорость и количество абразива.

Уменьшение абразивного износа деталей резино-металлической муфты пяты турбобура может быть достигнуто тонкой очисткой промывочной жидкости и защитой пяты от проникновения в нее крупного абразива конструктивными средствами.

108

Характеристика «.турбобур — долото — забой»

Под характеристикой «турбобур — долото — забой» понимается зависимость момента и мощности на долоте от скорости вращения при постоянном расходе жидкости.

Момент сил трения в пяте

Относительно выбора знака (-}-) или ( — ) условимся, что верхний знак относится к случаю, когда бурильная колонна поддерживает ротор верхними поверхностями подпятников (Т -\~ G > Л), а ниж­ний знак — к случаю, когда гидравлической нагрузке помогает вес нижнего участка бурильной колонны (Т + G< R) с нагруже-нием нижних поверхностей подпятников.

Крутящий момент, передаваемый долоту,

где М₀ — момент сил трепия в радиальных опорах турбобура.

Крутящий момент на долоте приблизительно пропорционален нагрузке на долото:

М_Л = М,Н. (111-53)

Здесь М_г -— удельный момент, зависящий от разбуриваемой породы, размеров, конструкции, изношенности долота и условий промывки забоя.

Из (111-52) и (111-53) с учетом (Ш-51) найдем:

kM~mq + \t -г"; M'n (111-54)

М, + цг_п * ^ '

Приняв приближенно, что зависимость крутящего момента на валу турбины от скорости вращения линейная — М =

= Л/_та:£(1 ~~)> после преобразований получим без учета

V " ш ах '

момента М₀:

М=—~± Г^ша, (l —) --£(T + G) [irj. (111-55)

л iix Шах г и I ^р \ i / г hj \ /

Введем обозначения безразмерных величин:

^KJXt mas

Момент на долоте в относительных величинах примет следую­щий вид:

109

Примем, что удельный момент трения в пяте jj,r_u и, следовательно, ф и s — величины постоянные. Зависимость (III-58) графически представится двумя прямыми, пересекающимися в точке Г (рис. 111-29). Линия ГВ' относится к случаю, когда R < Т -}~ G (знак «—»), линия А Т к случаю R > Т -f G (знак «+»). Точка Г является общей и соответствует условию Т -г G = Я_г, когда пята разгружена. Наклон прямой ГВ' зависит от величины коэффициента ф.

При ф < 1, m_i > [xr_n (удельный момент сопротивления забоя больше удельного момента трения в пяте) линия ВТ наклонена

/ "мах

Рис. 111-29. Зависимость момента на долоте от ско­рости его вращения.

вправо от вертикали, а при ф > 1, М^ << иг_п — влево. Промежу­точным является случай ф — 1, М_у = цг_п.

В действительности величины ф и s не постоянные, а зависят от удельной нагрузки на пяту и скорости вращения вала. Поэтому линии АГ и ГВ не прямые, а кривые (рис. 111-29).

Отрезки ординат, заключенные между линиями 1—1 (характе­ристика турбины) и АГВ, соответствуют моментам трения в пяте. При условии (III-53) линия АГВ в другом масштабе характеризует зависимость скорости вращения от нагрузки на забой. Точка В показывает разгонное число оборотов n_f при подъеме турбобура с забоя.

Точка пересечения или касания линий АГВ и 1—1 примечательна для этой совместной характеристики. Ее положение определяется из условия, что уравнение (111-58) при использовании любого знака дает одинаковые результаты, т. е.

но

1-ф

1+ф

откуда

(111-59)

где

(111-60)

Параметр Q отражает комплексную взаимосвязь турбины (&Л/_Ш„, G, У), долота и забоя (Af_y) и графически представляется ординатой точ­ки Г, разделяющей характеристику на две ветви — левую и правую.

На рис. 111-30 изображены характеристики «турбобур — долото — забой» для несколь­ких произвольно выбранных значений удельного момента М , Точки разгрузки пяты (а, 6", #, г) тем ближе к линии тормозного режима, чем больше вели­чина My.

Характер кривой крутящего момента на ее ветвях зависит от закономерности изменения величин ф и 5. В частности, положение точки Б (рис. 111-29)

торое оно имеет при разгонной скорости вращения

Рис. 111-30. Характеристики «турбо­бур — долото — забой».

•^-1-*,. (1П-61)

"шах *

Для каждого сочетания турбобура, долота, забоя и количества про­качиваемой жидкости существует свой максимум мощности на долоте, в общем случае не совпадающий с максимальной мощностью турбины.

В практике бурения возможны три варианта характеристик «турбобур — долото — забой».

1.

-; п_г>

(точки а и б' на рис. Ш-30). Осевые на-

грузки, соответствующие режимам наибольшей мощности на до­лоте, больше нагрузки Т + G, причем низ бурильной колонны находится в сжатом состоянии.

2. Й>-^-; п.<^-~- (точка г'). Нагрузка на долото меньше,

£* tL

чем T-\-G\ бурильные трубы растянуты.

3. Максимум мощности на долоте приблизительно равен макси­ муму мощности турбины только в том случае, если и = — ;

пр —-^-р- (точка в'}.

£л

(111-62) 111

Из формулы (111-60) следует, что регулирование величины Q можно осуществить следующим образом.

А. Изменением величины М„, что достигается подбором со­ответствующих долот. В частности, увеличение М₁ достигается

применением долот с более крупными зубьями и смещением осей

шарошек и, наоборот, пере­ход на долота чистого каче­ния с мелкими зубьями при­водит к уменьшению М .

Б. Изменением веса рото­ра G путем присоединения дополнительной массы в ви­де утяжеленной трубы, что также способствует выравни­ванию хода турбины при рез­ких колебаниях скорости на малых оборотах. На рис. II1-31 показаны харак­теристики «турбобур — до­лото — забой» при изменении веса ротора турбобура. Как

Рис. 111-31. Влияние веса ротора турбо­бура на характеристику «турбобур — до­лото — забой».

видно, утяжеление ротора (индекс «ур» на графике)

повлекло за собой смещение точки разгрузки пяты влево, в зону экстремального режима.

В. Регулированием величины Af_mas путем изменения и_шах, зависящей от углов наклона лопаток на выходе и радиальной ши­рины каналов турбины.

Условия запуска турбобура в скважине

Невозможность запуска турбобура в скважине, нередко вызы­вающая необходимость подъема и спуска колонны, обусловливается резким увеличением трения во время неподвижного контакта резиновых и металлических поверхностей. В известных условиях коэффициент трения при смазке деталей водой возрастает за не­сколько секунд покоя в несколько раз вследствие выдавливания водяной смазки.

В результате более длительного контакта происходит прилипание резины и металла через граничный слой смазки.

Глинистый раствор сопротивляется выдавливанию из смазочного слоя значительно лучше, чем вода и даже масло, и поэтому является хорошей смазкой для резино-металлических опор при запуске. Если в растворе содержится 4% (и даже более) песка, трение страги-вания в зависимости от удельной нагрузки может быть еще более легким. Это объясняется тем, что частицы песка препятствуют пол­ному сближению трущихся поверхностей и способствуют сохранению смазочного слоя. Таким образом, влияние глинистого раствора

112

и содержащегося в ном абразива на статическое трение в рсзино-металлической опоре противоположно влиянию при динамическом трении.

На запуск турбобура отрицательно действует неравномерность распределения осевой нагрузки между подпятниками из-за неточ­ности изготовления, что вызвано спецификой производства резино­вых изделий. Отдельные ступени пяты перегружаются так, что при остановке турбины диск прихватывается подпятниками.

Тонкая водяная пленка по физическому состоянию близка к упругому твердому телу и поэтому не подчиняется закону Паскаля. Поэтому давление среды, окружающей части трения, и давление в смазочном слое не полностью уравновешиваются через жидкост­ную связь, и с увеличением гидростатического давления (на боль­ших глубинах при больших перепадах давления в турбобуре) воз­можен непосредственный (сухой) контакт между резиной и сталью в жидкостной среде. В связи с этим расхаживать турбину посадкой колонны на забой на больших глубинах целесообразнее без цирку­ляции жидкости.

Для облегчения запуска турбобура применяется шаровой под­шипник, устанавливаемый на резиновых подушках вместе со ступенями резино-металлической пяты, и другие конструктивные средства.

Сборка и регулирование резино-металлической пяти

Основным условием сборки многоступенчатой резино-металли­ческой пяты является обеспечение равномерности распределения нагрузки между отдельными дисками и сохранение люфта тур­бобура для обеспечения нормальной работы многоступенчатой турбины.

Люфт турбобура — расстояние, на которое может пере­мещаться вдоль оси вал в собранном турбобуре. При затянутых де­талях ротора и статора люфт турбобура равен люфту пяты — зазору между подпятником и диском пяты (наименьшему среди всех ее ступеней). Величина люфта турбобура обычно превышает 2 мм.

Люфт турбины — наибольшее расстояние, на которое может перемещаться без пяты вдоль оси ротор турбины относительно статора. По мере износа пяты ее люфт увеличивается и возникает опасность соприкосновения дисков ротора и статора. При сборке необходимо обеспечить запас на осевое перемещение ротора, зави­сящий от величины люфта турбины и его распределения.

Распределение осевого люфта турбины С₉ достигается регули­ровочным кольцом турбины. Люфт равен сумме зазоров верхнего а и нижнего в (рис. 111-32):

Высота регулировочного кольца подбирается в зависимости от предполагаемых осевых нагрузок. При небольших нагрузках на долото и усилиях на пяту сверху вниз в результате износа пяты

8 Заказ 1015. 113

ротор проседает. Во время сборки вал заранее необходимо устано­вить в верхнее положение. Если же преобладают осевые усилия на пяту, действующие снизу, то подбором высоты регулировочного

кольца ротор устанавливает­ся в среднем положении.

Высоту регулировочного кольца турбины определяют расчетным путем по конструк­тивным размерам деталей или замером при сборке.

Н а рис. 111-32 показан пример установки регулиро­вочного кольца в корпусе. При нагрузке сверху вниз (рис. 111-32, а)

__с л₌о

где Д, р, s~осевые разме­ры соответствен­но диска пяты, корпуса подпят­ника и резино­вой его обклад­ки; с_п—люфт пяты.

Высота регулировочного кольца

(111-64)

При нагрузке снизу вверх (рис. 32, б) размер с_п в цепи не участвует, поэтому

¹

Рис. Ш-32. Схема определения высоты регулировочного кольца в корпусе турбо­бура.

•=(*•

(HI-65)

Рис. Ш-32, в иллюстрирует способ определения высоты кольца замерами. После сборки секции на вал надевается ступень пяты (детали 1, 2, 3, 4), и при определении положения подпятника 2 за­меряется размер В. Высота регулировочного кольца принимается меньше размера В на величину принятого верхнего зазора а.

В секциях с нижней пятой подобным же образом определяется высота регулировочной втулки.

114

В секционных турбобурах зазоры необходимо регулировать в каж­дой секции. Например, регулировочное кольцо второй секции под­бирается следующим образом. В собранной нижней секции вал подается в нижнее положение. Вал верхней секции заводится в кор­пус нижней секции до соединения с валом нижней секции по конусам

шХ

s

Г

м

МВТ

Рис. 111-33. Схемы проверки зазора в секциях турбобуров.

1 — соединительный переводник; 2 — вал второй секции; 3 — корпус ниж­ней секции; 4 — вал нижней секции; 5 — промежуточный конус; б — полу­муфта верхняя; 7 — полумуфта нижняя.

полумуфт. Замеряется расстояние k между упорными торцами со­единительного переводника и вала второй секции. Высота Н регу­лировочного кольца определяется из размерной цепи в соответствии с необходимой величиной нижнего зазора в. На рис. 111-33 показаны возможные варианты размерной цепи:

торец вала утоплен относительно торца соединительного пере­водника (рис. II1-33, а), Ъ -г k — Н = 0;

торец нала выступает над переводником на величину, не превы­шающую нижний зазор (рис. 111-33, б), Ъ — k — Н = 0;

торец вала выступает над переводником на величину, превыша­ющую нижний зазор (рис. 111-33, в), b -f Н — k = 0;

115

в корпусе секции между соединительным переводником и тур­биной устанавливается упорная втулка (рис. 111-33, г), b -\-- L — — k — II = 0.

В многосекционных турбобурах регулировка регулировочных колец секций и определение их высоты производится в основном так же, как и для двухсекционной турбины. Отличие состоит в том, что при сочленении валов двух секций вследствие отсутствия ияты в нижней секции ее ротор упирается в статор и сумма (b + k) заме­ряется непосредственно, в результате получают значение k±.

После сборки верхней секции нижний зазор можно проверить двумя способами.

1. Замером разницы в нижнем положении верхнего торца вала верхней секции до и после свинчивания с нижней секцией. Эта величина является фактически запасом Ъ на износ пяты.

2. Замерами величины разности уровней торцов валов относи­ тельно корпуса каждой секции в нижних положениях. Замеры про­ изводятся перед сборкой секций.

Высоты дисков ротора и статора отклоняются от их номиналь­ных значений из-за неточности изготовления, вследствие остаточных деформаций при затяжке статора в корпусе и ротора на валу, а также вследствие износа торцов при проворачивании. Отклонения в раз­мере (общая величина по длине турбобура) могут вызвать потерю люфта турбины.

Поэтому перед сборкой турбины производятся контрольные сопоставления высот стопок по 10—12 дисков ротора и статора, устанавливаемых на контрольной плите.

Если разница высот стопок превышает величину, обусловленную инструкцией (обычно 0,1 мм), производится перекомплектовка дис­ков.

В турбобурах некоторых типов закрепление статора в корпусе осуществляется конической резьбой. В этом случае для обеспечения упора торца резьбового соединения при закрепленной и упруго-деформированной системе статоров в цепь деталей статора включается «регулировочное кольцо резьбы». Высота кольца определяется по «месту».