§ 8. Гидробуры

Принцип действия и устройство гидробура

Гидробур представляет собой гидравлический забойный агре­гат с гидравлическим винтовым двигателем объемного действия, приводимый в действие потоком бурового раствора, который закачивается в бурильную колонну с поверхности насосами (рис. XIII.16).

Гидравлический винтовой двигатель гидробура состоит из статора и эксцентрично расположенного винтового ротора, представляющего собой как бы зубчатую пару с внутренним зацеплением с винтовыми зубьями. Число зубьев статора на один больше зубьев ротора, что позволяет ему совершать пла­нетарное движение, как бы обкатываясь по зубьям статора, ось ротора при этом движется по окружности с диаметром, равным двойному эксцентриситету е. Для соединения ротора с валом шпинделя, соосно расположенного с корпусом, служит шарнир­ная муфта, компенсирующая эксцентриситет.

Шпиндель гидробура сходен по конструкции со шпинделем турбобура. Он укреплен на радиальных резино-металлических подшипниках и снабжен пятой для восприятия осевой нагрузки. Вал шпинделя пустотелый, в верхней части снабжен каналами для прохода жидкости к долоту, присоединяемому через пере­водник к нижней части вала гидробура. Корпус гидробура через переводник прикрепляется к нижней части бурильной ко- ¹ лонны.

По принципу действия винтовые двигатели (рис. XIIIЛ7) от­носятся к объемным роторным машинам. Основными элемен­тами рабочих органов таких машин являются:

статор — корпус с полостями, примыкающими по концам к камерам высокого и низкого давлений;

ведущий ротор — винт, вращающий момент которого пере­дается валу шпинделя;

замыкатели винтовой поверхности, предназначенные для герметизации рабочих органов и предотвращения перетекания жидкости из камеры высокого давления в камеру низкого дав­ления.

Винтовые поверхности статора и ротора делят рабочий объем двигателя на ряд полостей. Полости, связанные с обла­стями высокого и низкого давлений, называются камерами, а замкнутые полости — шлюзами. В поперечном сечении име­ются камеры, разделенные между собой контактной линией. Каждая камера по мере вращения Периодически связывается с полостями высокого и низкого давлений и в каждый задан­ный момент времени -становится шлюзом. Теоретически на длине одного шага происходит разобщение полостей, находя­щихся выше и ниже рабочих органов.

П

Рис. XIII. 16. Гидробур с винтовым двигателем Д2-172:

1, 2 — винтовой статор и ротор; 3 — двухшарнирное соединение; 4 — вал шпинделя; 5 — корпус; 6 — шариковая осевая опора; 7 — радиальный резинометаллический подшип­ник; 8 — торцевой сальник

Рис. XIII. 17. Рабочие органы винтового гидродвигателя: 1 — винтовой ротор; 2 — статор; I—V — осевые сечения

оверхности винтовых зубьев ротора и статора, взаимно пе­ресекаясь, отсекают область высокого давления жидкости от области низкого давления и препятствуют свободному перетоку жидкости. Под действием перепада давления жидкости на ве-

Рис. XIII.18. Кинематика рабочих органов винтового двигателя с различным числом зубьев:

а — однозаходный; б — двухзаходный; в — трехзаходный; Oi и 0₂ — оси ротора и ста­тора, е — эксцентриситет; а\, аг, .. as—точки контакта; а и р — начальные окруж­ности

дущем винте образуется вращающий момент, передаваемый на вал шпинделя. Чем больше перепад давления на двигателе, тем больше вращающий момент. По принципу действия винтовой двигатель можно сравнить с поршневым гидравлическим дви­гателем, снабженным поршнем, перемещающимся вдоль оси ро­тора по винтовой линии. Роль поршня выполняют отсекающие поверхности винтового ротора.

В каждом поперечном сечении кинематика рабочих органов характеризуется двумя начальными окружностями аир (рис.

13. 18). В винтовых машинах ротор совершает планетарное движение. Смещение оси ротора относительно оси статора на­зывается эксцентриситетом е двигателя.

Однозаходный ротор не симметричен относительно центра своей начальной окружности. Сечение ротора представляет собой круг с центром 0\, а сечение статора — овал, симметрич­ный относительно точки 0₂. Винтовые двигатели с однозаход- ным ротором довольно просты по конструкции и поэтому ши­роко применяются в различных отраслях промышленности.

Винтовые роторные двигатели имеют ряд преимуществ, чдо позволило использовать их как гидравлические забойные дви­гатели:

1. отсутствие клапанных или золотниковых распределите­лей потока жидкости;

2. отсутствие относительного перемещения трущихся дета­лей пары ротор — статор;

3. непрерывное изменение положения линии контакта ра­бочих органов при вращении ротора позволяет потоку бурового раствора удалять абразивные частицы из камер и шлюзов.

Условия создания шлюзов в паре ротор — статор объемных винтовых двигателей следующие:

число зубьев или заходов статора z\ должно быть на еди­ницу больше зубьев ротора z₂\

отношение шага зубьев статора Т к шагу зубьев ротора t должно быть пропорционально отношению их числа, т. е.

Tlt = z₁lz₂. (XIII.50)

Отношение чисел зубьев ротора и статора называется пере­даточным отношением:

u = zjz_v (XIII.51)

Теоретически винтовой двигатель может иметь любое пере­даточное отношение.

Двигатели с малозаходными винтовыми механизмами раз­вивают большие частоты вращения при небольшом вращающем моменте. По мере увеличения числа заходов ротора вращаю­щий момент увеличивается и снижается частота вращения. Это объясняется тем, что винтовой механизм с многозаходным ро­тором выполняет роль двигателя и одновременно редуктора, пе­редаточное отношение которого пропорционально числу захо­дов ротора.

Основные параметры винтовых гидродвигателей

Вращающий момент. При анализе рабочего процесса винтового двигателя рассматривается действие перепада давления жид­кости в камерах пары ротор — статор на длине одного шага статора, так как на этой длине происходит разобщение камер с полостями высокого и низкого давлений, которые располо­жены выше и ниже рабочих органов. В каждом поперечном се­чении на длине шага ротора возникает неуравновешенная гид­равлическая сила Ri, действующая на центр вращения ротора (рис. XIII.19).

В двигателях с многозаходным ротором площадка, на ко­торую действует гидравлическая сила, непостоянна по длине шага. Если провести второе сечение на некотором расстоянии от рассматриваемого, то возникает гидравлическая сила на еди­нице длины рабочего органа. Вращающий момент (в Н*м) на длине шага ротора

М,*= ^р01‘^г>-, (XIII.52)

где р — перепад давления, Па; D — расчетный диаметр ротора, м; t — шаг ротора, м; е — эксцентриситет, м; — число зубьев статора.

Поперечная удельная си­ла (в Н/м) на длине поло­вины шага ротора составляет

Г

Рис. XIII.19. Схема действия сил в рабочих органах винтового дви­гателя

_у = -^. (ХШ.53)

Для определения вращаю­щего момента винтового дви­гателя с однозаходным рото­ром используется зависимость 4 pDte

(

М_г

XIII.54)

Вращающий момент винто­вых двигателей можно вычис­лить по формуле

M = M₀pDte, (XIII.55)

где М₀ — удельный момент винтового двигателя,

м„ = -^ -j- ²

З

пС_е

аштрихованные полости заполнены жид­костью высокого давления, незаштрихо- ванные — низкого давления

(XIII.56) (С_е — безразмерный пара­метр являющийся отношением эксцентриситета е к радиусу зуба зацепления г).

Удельный момент зависит от числа заходов ротора и без­размерного параметра С_е. По физическому смыслу удельный момент представляет собой момент винтового механизма с еди­ничными размерами (D, е и t) и единичным перепадом давле­ния. Удельный момент минимален для однозаходных механиз­мов и возрастает с увеличением числа заходов.

Ч

n = Q/V₀

астота вращения вала двигателей объемного действия оп­ределяется по формуле

(XIII.57)

где Q — расход жидкости, подаваемой в двигатель, м³/с; V₀ — объем камеры рабочего органа двигателя, м³.

Расход жидкости за один оборот вала, т. е. рабочий объем винтового двигателя, можно найти из выражения

Vo^FnTz,. (X 111*58)

Здесь Лц — площадь сечения шлюза, м²; Т — шаг винтовой поверхности статора, м; %% — число зубьев ротора.

В винтовых двигателях с гипоциклоидальным центроидным зацеплением площадь сечения шлюза определяется по формуле

Кроме того, поскольку передаточное отношение опреде­ляет скорости переносного о)_пер и относительного со_от движений, можно записать

(XIII.60)

После подстановок и соответствующих преобразований по­лучим выражение для расчета частоты вращения выходного вала винтового двигателя:

(XIII.61)

г

(XIII.62)

де п₀ — удельная частота вращения-выходного вала, безраз­мерный параметр, определяемый заходностью рабочего органа двигателя z₂ и коэффициентом С_е,

[2S(z,-l) + ±Jz,

По физическому смыслу величина По представляет собой ча­стоту вращения винтового механизма с единичными геометри­ческими размерами и единичным расходом жидкости.

Наибольшей величиной по обладают механизмы с одноза- ходным ротором. В частном случае при и~¹1₂ формула (XIII.58) приобретает следующий вид:

n

(XIII.63)

= Q/SerT.

Однозаходные винтовые двигатели являются высокоскорост­ными, поэтому более рациональными являются многозаходные винтовые механизмы. В частности, для получения частоты вра­щения выходного вала двигателя в пределах 100—200 об/мин число заходов ротора должно быть не менее восьми. В двига­телях Д2-172 выбрано число заходов ротора, равное девяти.

Характеристика забойного винтового гидродвигателя

Энергетические параметры винтового гидравлического двига­теля определяются его передаточным отношением, перепадом давления и расходом рабочей жидкости. При постоянном рас­ходе ф двигатель характеризуется изменением вращающего мо­мента М от перепада давления Ар, частоты вращения п вала шпинделя, мощности N и к. п. д. ц.

На рис. XIII.20 приведена рабочая характеристика винто­вого забойного двигателя Д2-172.

Н

	с?	ас V
	200	-150	-8
/?,%	150	100	5
			-
100	-100		4
50		чп	_
	- 50		2
0	, 0	L о	0

wo

							✓ ✓ ✓
				п	*
			*»•		ч \ к ч
	л*			г N	V	ч^ч
	7^		7				L..

300

500

700 М.нН м

Рис XIII20 Рабочая характеристика винтового забойного двигателя Д2-172 при постоянном расходе

аибольшая частота вращения соответствует режиму холо­стого хода, а максимальный вращающий момент — режиму тор­можения при п—0. Запуск двигателя происходит при перепаде давления 1—2 МПа. Это давление расходуется на механические

и гидравлические потери. При увеличении момента торможе­ния перепад давления возрастает, одновременно повышаются мощность и к. п. д.

Режим максимальной мощности называется эффективным, а наивысшего к. п. д. — оптимальным. Обычно в этих двига­телях они не совпадают. Зона устойчивой работы двигателя находится между этими режимами при частотах вращения 50— 100 об/мин. В рабочем режиме гидромеханический к. п. д. со­ставляет 0,4—0,5, объемный — 0,8—0,9, а общий достигает 0,50—0,55.

При достижении предельного момента торможения вал дви­гателя останавливается, а величина давления определяется гер­метичностью пары ротор — статор. При нарушении герметично­сти раствор протекает через двигатель.

В рабочей области от режима холостого хода до оптималь­ного частота вращения п прямо пропорциональна расходу Q, поэтому при изменении расхода Qi на Q₂ частота определя­ется как

(

п,= п_л

Qi

XIII.64)

С увеличением расхода раствора диапазон устойчивой ра­боты двигателя расширяется. В винтовых двигателях частота вращения зависит от величины вращающего момента.

В этих двигателях по мере их износа при эксплуатации ха­рактеристики их ухудшаются. Это объясняется повышением утечек жидкости' через зазоры по мере их увеличения при из­носе. Износ ротора и статора по выступам и профилю зубьев приводит к нарушению герметичности рабочей пары, увеличе­нию объемных потерь и снижению нагрузочной характеристики. Износ рабочей пары определяет межремонтный срок службы двигателя, составляющий 50—200 ч: в зависимости от качества двигателя и свойств бурового раствора.

Назначение и схема

Электробур, служащий для привода во вращение бурового до­лота, представляет собой забойный агрегат с электрическим двигателем трехфазного переменного тока, электроэнергия к ко­торому передается с поверхности по кабелю, расположенному внутри колонны бурильных труб.

Оборудование на буровой установке при бурении электро­буром применяется в основном такое же, как и при бурении ро­торным или турбинным способом.

Электробур с долотом опускают в скважину на бурильных трубах, по которым прокачивается буровой раствор, подавае­мый от насосов по гибкому буровому шлангу через вертлюг в трубы. Электроэнергия подводится к электробуру от транс­форматора, установленного в буровой. Она подается по наруж­ному кабелю к кольцевому токоприемнику, укрепленному ниже вертлюга. Токоприемник является как бы электрическим верт­люгом, позволяющим ввести электроэнергию внутрь вращаю­щейся колонны бурильных труб от наружного кабеля через щетки и токоприемные кольца к кабелю, расположенному внутри труб. По этому кабелю электроэнергия подводится к дви­гателю электробура.

Давление на долото для разрушения породы так же, как и при роторном бурении, осуществляется нижней частью бу­рильной колонны, которая воспринимает реактивный момент. Разбуренная порода выносится на поверхность буровым ра­створом по кольцевому пространству между стенками сква­жины и бурильной колонной.

Электробур состоит из электродвигателя, шпинделя, соеди­ненного с валом двигателя, внутренние полости которых запол­нены маслом, и системы защиты этих механизмов от проник­новения бурового раствора.

Преимуществами электрического двигателя по сравнению с гидравлическим являются: независимость частоты вращения, момента и других параметров от количества подаваемой жид­кости, ее плотности, и физических свойств и глубины скважины; постоянство частоты вращения, большая перегрузочная способ­ность электродвигателя и возможность контроля процесса ра­боты с поверхности земли.

К недостаткам электродвигателя относятся необходимость одновременной подачи к забою двух видов энергии — электри­ческой и гидравлической и сложность конструкции.

Электробур (рис. XIII.21) представляет со­бой цилиндрическую, сильно развитую в длину герметичную маслонаполненную машину, в верхней части которой располо­жен трехфазный асинхронный электродви­гатель 1 с короткозамкнутым ротором 2 из нескольких секций. Корпус статора 3 электродвигателя представляет собой трубу с соединительными резьбами на концах, в которую запрессованы пакеты магнитной стали, чередующиеся с пакетами из немаг­нитной стали. Последние служат для уменьшения электрических потерь в ста­торе в местах установки подшипников 4 вала 5 ротора. В пакетах ротора имеются пазы, в которых заложена обмотка. Концы ее соединены с кабелем 6, имеющим кон­тактный стержень 7, который расположен в верхнем переводнике 8 электробура.

Н

fa

111-

а пустотелом валу насажены пакеты ротора, собранные из шихтованной листо­вой немагнитной стали с алюминиевой об­моткой типа «беличье колесо». Каждый па­кет представляет собой небольшой корот­козамкнутый ротор. Между пакетами уста­навливается радиальный шарикоподшип­ник 4, Таким образом, двигатель электро­бура представляет собой как бы несколько (10—12) последовательно соединенных на одном валу короткозамкнутых двигателей.

О

Рис. XIII.21. Схема конструкции электро­бура

севая нагрузка от веса ротора воспри­нимается нижним подшипником 9. Герме­тизация двигателя осуществляется сальни­ковыми уплотнениями, установленными в нижней 10 и верхней И его частях, и уп­лотнением соединений корпусов.

Чтобы устранить проникновение в дви­гатель через сальник бурового раствора, давление масла внутри двигателя немного выше (на 0,2—0,3 МПа) давления буро­вого раствора, протекающего через элек­тробур. Для этого в верхнем корпусе элек-‘ тробура устанавливают лубрикаторы 12, состоящие из цилиндра, заполняемого маслом, на которое да­вит поршень. Давление на поршень осуществляется пружиной и жидкостью, Пружина создает только избыточное давление.

зт

Верхняя часть цилиндра лубрикатора сообщается с по­лостью, заполненной буровым раствором, а нижняя — с внут­ренней полостью двигателя, заполненной маслом. Лубрикаторы позволяют иметь запас масла и компенсировать его утечку при эксплуатации, а также регулируют объем масла внутри элек­тродвигателя при изменении температуры, что исключает опас­ность значительного повышения давления и разрушения саль­ников. На электробуре установлены два лубрикатора. Один соединен с двигателем, другой 13 заполнен густым маслом и соединен с верхним сальником для уменьшения расхода жид­кого масла двигателя.

К нижней части корпуса двигателя присоединяется шпин­дельное устройство, в котором на мощных радиальных и упор­ных подшипниках 14 смонтирован полый вал шпинделя 15 с при­соединенным долотом 16. Валы двигателя и шпинделя соеди­нены рубчатой муфтой. Буровой раствор из вала двигателя по каналу в валу шпинделя поступает через долото на забой. Вы­ходной нижний конец вала шпинделя уплотнен сальником.

Шпиндель смонтирован в заполненном маслом цилиндриче­ском корпусе, который на резьбах соединен с корпусом электро- двигателя. Вал шпинделя также полый, смонтирован на ра­диальных и упорных подшипниках качения. Нижняя часть шпинделя имеет резьбу для присоединения долота. Радиальные нагрузки воспринимаются роликовыми подшипниками, а осе­вые— многорядной пятой, состоящей из упорных подшипников качения.

Внутренняя полость шпинделя заполнена более густым, чем в двигателе, маслом и имеет свой кольцевой лубрикатор, рас­положенный в верхней части шпинделя. Лубрикатор служит для поддержания повышенного давления масла внутри шпин­деля и тем самым защищает подшипники шпинделя от попа­дания в них бурового раствора. Незначительные утечки масла восполняются из лубрикатора.

Для предохранения от проникновения бурового раствора внутрь ^шпинделя и двигателя, заполненных маслом, все соеди­нения корпусов электробура уплотнены резиновыми кольцами круглого сечения, расположенными в специальных канавках у Стыков соединяемых корпусов. Для предупреждения попада­ния бурового раствора, проходящего через полые валы двига­теля и шпинделя, внутрь электробура применяется шарнирное уплотнение, а в нижней части двигателя установлен торцовый сальник, отделяющий масло двигателя от масла шпинделя. Для уменьшения частот вращения вала шпинделя в некоторых кон­струкциях электробуров устанавливают редуктор между двига­телем и шпинделем.

Существуют электробуры диаметрами 170, 215 и 250 мм, мощностью 100—130 кВт при синхронной частоте вращения 600 и 750 об/мин. и напряжении 1100—1650 В.

Электробуры выпускают под шифрами Э250/16, Э250/8, Э215/8, Э170/6 и т. д. Расшифровываются они так: Э — элек­тробур; 250 или другое число — наружный диаметр корпуса в мм; 16, 8 или другая цифра — число пар полюсов, которое оп­ределяет частоту вращения двигателя.

Система токоподвода

Токоподвод, по которому ток напряжением 1000—1500 В с по­верхности подводится к двигателю, состоит из секций шланго­вого кабеля с кабельными муфтами на концах. Каждая секция имеет такую же длину, что и труба, и смонтирована на опорах внутри нее.

На рис. XIII.22 показана секция кабеля с контактными муф­тами, а на рис. XIII.23 — секционный токоподвод к электро­буру с секциями кабеля внутри колонны труб. Электроэнергия к электробуру, находящемуся в скважине, подводится от сети по кабелю через кольцевой токоприемник к секциям кабеля,, расположенным внутри колонны труб. Секции кабеля, находя­щиеся внутри вращающегося ствола токоприемника, снабжены автоматической контактной муфтой.

В свою очередь, нижний конец кабельной секции ведущей трубы также имеет автоматическую контактную муфту, укреп­ленную на опоре в ее замке. При свинчивании бурильного замка эта муфта автоматически соединяется с контактным стержнем, укрепленным на опоре в ниппеле замка бурильной трубы. Замковая муфта бурильной колонны, свинченная со вто­рым ее концом, снабжена такой же контактной муфтой, как и нижняя часть ведущей трубы. Такими кабельными секциями с контактными муфтами и стержнями оборудованы все буриль­ные трубы колонны. Верхняя головка электробура также имеет контактный стержень, соединяющий электробур с токоподво- дом.

Таким образом, внутри каждого элемента бурильной ко­лонны есть кабельная секция с автоматическим контактным соединением. Так как токоподвод расположен внутри труб, он защищен от повреждений при спусках и подъемах, транспор­тировке и других операциях с трубами на буровой.

Рис. XIII.22. Кабельная секция:

1 — кабель; 2 — контактный стержень; 3 — контактная муфта, 4, 5 — опоры стержня и муфты

В связи с тем что кабель размещен внутри бурильных труб, уменьшается сечение для прохода бурового раствора, особенно в местах крепления кабельных секций в замках. Поэтому при бурении электробурами применяют бурильные трубы с наружу высаженными концами и широкопроходные бурильные замки типа ЗШ, приспособленные для'крепле­ния кабеля.

Т рехфазный переменный ток может подводиться к двигателю по трехжиль- ному кабелю или двухжильному с одной заземленной фазой.

Контактное соединение состоит из муфты и стержня. Контактная муфта представляет собой резиновое тело с кольцами, к которым присоединены шины секции кабеля. Резиновые изоля­ции кабеля и муфты сращиваются ме­жду собой, Контактный стержень также состоит из резины, контактных колец с присоединенными концами токоведу­щих шин секции, кабельной секции. Ре­зиновое тело муфты при соединении плотно обжимает стержень, в результате - чего осуществляется герметизация сое­динения.

При спуске бурильной колонны в скважину, заполненную жидкостью, уп­лотнение и контакт токоподводящих ко­лец улучшаются за счет обжатия муфты гидростатическим давлением.

Поверхность соединения муфты и стержня смазывается при эксплуатации касторовым маслом для улучшения изо­ляции и предохранения от попадания оаствора.

Рис. XIII.23. Секционный токоподвод:

1 — кабель; 2 — корпус токоприемника; 3 — вращающий­ся ствол; 4 — вводная головка кабеля; 5 — изоляторы; о —провода щеток; 7 — контактные кольца; 8, 12 — контактные муфты; 9 — опора муфты; 10 — бурильная труба; 11 — кабельная секция; 13 — защитный стакан; 14 — бурильный замок; 15 — электробур

При подготовке электробуров к бурению проверяют степень за­полнения их лубрикаторов маслом и сопротивление изоляции обмотки. Контактный стержень смазывают касторовым маслом, а электробур опускают в скважину, после чего свинчивают свечи и спускают колонну.

После спуска каждой свечи проверяют сопротивление ее изо­ляции прибором, установленным на посту бурильщика. Если колонна собирается первый раз, проверяют направление вра­щения электробура по реактивному моменту.

По мере роста глубины скважины увеличивается длина то- коподвода и уменьшается напряжение на вводном стержне электробура. Для поддержания номинального напряжения на двигателе в зависимости от длины кабеля и режимов его ра­боты применяют трансформаторы с отводами на первичной и вторичной обмотках, которые периодически переключают.

Если на трансформаторе установить такое напряжение, чтобы при номинальной нагрузке двигателя на его зажимах оно было номинальное, то во время холостого вращения напря­жение на двигателе будет выше номинального, соответственно будет выше и величина силы тока. ■

По мере повышения нагрузки двигателя напряжение на его зажимах снижается, падает реактивная и возрастает активная составляющие тока. При спуске электробура потеря напряже­ния в токоподводе возрастает в соответствии с кратностью пускового тока. В свою очередь кратность пускового тока,

и, следовательно, пускового момента двигателя определяется напряжением на его зажимах. Фактическая кратность пускового момента будет ниже расчетной.

Опыт эксплуатации электробуров подтверждает, что если установить напряжение трансформатора по номинальной на­грузке двигателя, то его пусковой момент обычно достаточен для вращения долота вхолостую.

После окончания работы электробур извлекают на поверх­ность, измеряют сопротивление изоляции, заполняют лубрика­торы смазкой и осматривают его. Затем-электробур вновь спус­кают в скважину. Профилактические и ремонтные работы с электробурами производят в специально оборудованных ма­стерских.

Электробурами бурят скважины глубиной более 5000 м.