Виды забойных двигателей, принцип их работы.
ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (а. face engine; н. Воhrlochsohlenantrieb; Воhrlochsohlenmotor; ф. moteur d'attaque; и. motor de frente de arranque) — погружная машина, преобразующая гидравлическую, пневматическую или электрическую энергию, подводимую с поверхности, в механическую работу породоразрушающего инструмента (долота) при бурении скважин. Энергия к забойному двигателю подводится от источника по колонне бурильных труб или кабелю. Преобразование подведённой энергии в механическую работу осуществляется в рабочих органах забойного двигателя. По типу движения, сообщаемого породоразрушающему инструменту, различают забойные двигатели вращательные и ударные, по виду энергоносителя — гидравлические, пневматические и электрические, по особенностям породоразрушающего инструмента — для бурения сплошным забоем и колонковые, по конструкции — одинарные, секционные, шпиндельные, редукторные и т.п.
Наиболее существенно отличаются по устройству и принципу действия забойные двигатели вращательного (турбобур, винтовой забойный двигатель и электробур) и ударного типов (гидро- и пневмоударник). Рабочим органом забойного двигателя вращательного типа (рис. 1, рис. 2, рис. 3) является система статор-ротор.
многозаходный винтовой двигатель серии дСтатор фиксирован от проворота в корпусе забойного двигателя, а ротор — на валу. Корпус забойного двигателя соединён с колонной бурильных труб, вал — с долотом. Энергоноситель в рабочих органах забойного двигателя вращательного типа создаёт на роторе и статоре моменты силы, равные по величине и противоположные по направлению (так называемый активный и реактивный моменты). Активный момент используется на вращение долота, реактивный момент воспринимается колонной бурильных труб и гасится на стенках скважин и в приводных механизмах, размещённых на поверхности. Основные элементы забойного двигателя вращательного типа, помимо рабочих органов: осевая и радиальные опоры, уплотнение выхода вала.
Наибольшее использование забойного двигателя вращательного типа имеют в бурении на нефть и газ (свыше 80% общего объёма).
электробур серии эЗабойные двигатели ударного типа сообщают долоту возвратно-поступательные движение. Основным рабочим органом такого забойного двигателя является поршень-молоток, энергия удара которого передаётся долоту. Движение молотка вниз (рабочий ход) и вверх (обратный ход) обеспечивается автоматическим перепуском жидкости или сжатого газа. В различных конструкциях забойного двигателя ударного типа энергия подводимой жидкости (газа) используется как для совершения только прямого или только обратного хода поршня-молотка, так и для прямого и обратного ходов. Забойные двигатели ударного типа приводятся в действие жидкостью (гидроударник) и сжатым газом (пневмоударник).
Гидро- и пневмоударники применяют главным образом при бурении скважин малого диаметра глубина до 1500 м на твёрдые полезные ископаемые и для бурения шпуров.
Использование забойного двигателя (по сравнению с ротором) обеспечивает повышение технико-экономических показателей бурения за счёт увеличения скорости бурения, сокращения количества аварий с бурильной колонной, снижения энергозатрат. Особенно эффективно применение забойного двигателя при бурении наклонно направленных скважин.
Турбобур — это разновидность бурового оборудования, гидравлический забойный двигатель, в котором гидравлическая энергия потока промывочной жидкости (бурового раствора) преобразуется в механическую энергию вращения вала, соединенного с породоразрушающим инструментом (буровым долотом). Рабочим органом, в котором происходит преобразование энергии, служит многоступенчатая турбина осевого типа.
Турбобур содержит корпус, турбинный вал, вал осевой опоры с внутренней цилиндрической полостью, последовательно установленные на турбинном валу роторы турбин, а в корпусе — статоры турбин, радиальные опоры, гайку турбинного вала, осевую опору, ниппель, по меньшей мере, один канал, обеспечивающий гидравлическую связь полости последнего ротора турбины и внутренней цилиндрической полости вала осевой опоры. Турбинный вал и вал осевой опоры соединены между собой с помощью резьбы, причем крутящее усилие на разворот этого соединения больше, чем крутящее усилие на разворот гайки турбинного вала.
Так как турбобур устанавливают непосредственно над породоразрушающим инструментом, то источником энергии и крутящего момента является давление потока жидкости, движущейся под напором поверхностного насоса.
Поток промывочной жидкости через бурильную колонну подается в первую ступень турбобура. В статоре первой ступени происходит формирование направления потока жидкости, то есть жидкость, пройдя каналы статора, приобретает направление. Таким образом, статор является направляющим аппаратом турбины.
Потоки жидкости из каналов статора поступают на лопатки ротора под заданным углом и осуществляют силовое воздействие на ротор, в результате которого энергия движущейся жидкости создает силы, стремящиеся повернуть ротор, жестко связанный с валом турбины. Поток жидкости из каналов ротора первой ступени поступает на лопатки направляющего аппарата второй ступени, где вновь происходят формирование направления движения потока жидкости и подача её на лопатки ротора второй ступени. На роторе второй ступени также возникает крутящий момент.
В результате жидкость под действием энергии давления, проходит все ступени турбины турбобура и через специальный канал подводится к породоразрушающему инструменту. В многоступенчатых турбобурах крутящие моменты всех ступеней суммируются на валу. В процессе работы турбины на статорах, закрепленных неподвижно в корпусе турбобура, создается реактивный момент, равный по значению, но противоположный по направлению. Реактивный момент через корпус турбобура передается на бурильные трубы и осуществляет их закручивание на определенный угол, зависящий от жесткости и длины бурильной колонны.
Разработаны электрические забойные двигатели, соединяемые с долотом, или электробуры. К нижнему концу колонны бурильных труб присоединен электромотор малого диаметра, но значительной длины. К вращающейся части электромотора присоединено долото. Устройство всего аппарата таково, что через его полый вал буровой раствор может поступать к долоту и забою скважины.
В нашей стране создан электрический забойный двигатель - электробур, который показал в ряде случаев ( особенно при работе на больших глубинах и в сложных геологических условиях) превосходство перед турбобуром. Главное его преимущество заключается в том, что передаваемая долоту мощность по электрическому каналу связи не зависит от количества промывочной жидкости и глубины бурения.
В нашей стране создан перспективный электрический забойный двигатель - электробур, который целесообразно применять вместо турбобура при работе на больших глубинах и в сложных геологических условиях.
При бурении нефтяных и газовых скважин применяют гидравлические и электрические забойные двигатели, преобразующие соответственно гидравлическую энергию бурового раствора и электрическую энергию в механическую на выходном валу двигателя. Гидравлические забойные двигатели выпускают гидродинамического и гидростатического типов. Первые из них называют турбобурами, а вторые - винтовыми забойными двигателями.
Основной причиной такого положения является медленное совершенствование электрического забойного двигателя, создание надежного токоподвода, средств понижения числа оборотов электробура. Это объясняется в какой-то мере отсутствием специальной базы, необходимой для организации рациональной эксплуатации электрического двигателя, незначительными объемами его внедрения.
В отрасли накоплен значительный опыт успешного применения электрических забойных двигателей при бурении глубоких скважин.
В 1941 г. советским инженером А. П. Островским был сконструирован электрический забойный двигатель - электробур. Он так же, как и турбобур, спускается вместе с долотом в скважину.
Отмеченная тенденция снижения доли электробурения в общем метраже строительства скважин обусловлена влиянием ряда объективных и субъективных факторов технического и организационного характера, прежде всего тем, что по сравнению с турбобуром электрический забойный двигатель конструктивно гораздо более сложная машина, электроэнергетическая часть которой ( так же как и встраиваемый внутри бурильных труб токо-провод) абсолютно несовместима с агрессивной рабочей гидрохимической внутрискважинной средой п требует надежной герметизации.