1.5 Обладнання для обертання бурильного інструменту

1.5.1 Ротори

Ротори призначені для виконання таких операцій: обертання поступально рухомої бурильної колони при бурінні свердловин обертовим (роторним) способом; сприйняття реактивного моменту і забезпечення поздов-жньої подачі бурильної колони при використанні вибійних двигунів; утримання бурильної чи обсадної колони над устям свердловини при нарощуванні і СПО; проведення робіт з штучного викривлення свердловин; провертання інструменту при ловильних роботах та інших ускладненнях у процесі буріння і кріпленні свердловин. Вони мають забезпечувати необхідну частоту обертання долота, а їх вантажопідйомність мусить перевищувати вагу найважчої колони (бурильної або обсадної).

Конструктивна схема бурового ротора представляє конічний редуктор, ведений вал якого виконаний у вигляді вертикального порожнистого циліндра (рис. 1.52). Бурові ротори відрізняються за діаметром прохідного отвору (460…1260 мм), потужністю (200…600 кВт) і допустимим статичним навантаженням на стіл ротора (2700…8000 кН).

а б

Рисунок 1.52 – Ротор Р-560:

а – схема ротора; 1 – стіл; 2 – допоміжна опора;

3 – корпус; 4 – основна опора; 5 – кожух периферійної частини стола; 6 – зубчастий конічний вінець; 7 – вкладиші; 8 – затискачі; 9 – конічна шестірня; 10 – фіксатор; 11 – ланцюгова зірочка;

12 – станина; 13 – швидкохідний вал;

14 – олива; б – вигляд на ротор на буровій установці

Ротор складається із корпуса 3, у внутрішній порожнині якого встановлений на кулькових підшипниках 4 (основна опора) і 2 (допоміжна опора) стіл 1 із закріпленим зубчастим конічним вінцем 6, швидкохідного вала 13 з ланцюговою зірочкою 11 (або фланцем карданного вала) з однієї сторони і конічною шестірнею 9 – з іншої, кожуха 5, що захищає периферійну частину стола, що обертається, вкладишів 7 і затискачів 8 для ведучої труби. В отворі квадратного перерізу, що утворився між затискачами, вільно розміщується ведуча труба також квадратного перерізу. Тому ведуча труба має можливість вільно переміщатися уздовж осі ротора і сприймати обертовий момент від стола. Для фіксації швидкохідного вала 13 від провертання при бурінні вибійними двигунами передбачений фіксатор 10. Змащування підшипників і зубчастої пари і відведення тепла здійснюється оливою 14, залитою в картер корпуса 3.

Діаметр отвору в столі ротора залежить від максимального діаметра долота, або колони для відділення води (буріння на морі), що може пройти крізь нього.

1.5.2 Гідравлічні вибійні двигуни

До гідравлічних вибійних двигунів належать турбобури різних конструкцій, гвинтові двигуни і турбогвинтові двигуни.

Турбобури. При турбінному бурінні долото приводиться в обертання вибійним двигуном – турбобуром, який перетворює гідравлічну енергію потоку промивної рідини в механічну роботу обертання вала турбобура і долота (рис. 1.53). Вперше турбобур, як винахід, був запатентований у 1922 році російськими інженерами Капелюшніковим, Волохом і Корнєвим.

Рисунок 1.53 – Турбобур:

1 – опора; 2 – ступені

Турбобур – багатоступінчаста турбіна (число ступеней від 25 до 350). Кожний ступінь турбіни (рис. 1.54) складається із ротора 1 закріпленого на валу турбобура і статора 2, жорстко з’єднаного з корпусом турбобура.

Рисунок 1.54 – Ступінь турбобура: 1 – ротор; 2 – статор

Рисунок 1.55 – Схема потоку у ступенях турбобура

У статорі і роторі потік рідини змінює напрям руху і, перетікаючи із ступеня в ступень (рис. 1.55), віддає їй частину гідравлічної потужності. У результаті потужність, що створюється всіма ступенями, підсумовується на валу турбобура.

Для ефективної роботи турбобура необхідно мати близько ста ступенів, тобто сто роторів і сто статорів. Із збільшенням кількості ступенів не тільки підвищуються потужність і обертовий момент, але і знижується частота обертання вала турбобура.

Схема багатоступінчастого турбобура показана на рис. 1.56.

Турбобур містить шпиндельну і три турбінні секції. У шпиндельній секції встановлені багаторядний радіально-упорний кульковий підшипник, який сприймає наван-таження від ваги турбінних валів і реакцію вибою, захищений кільцевими гумовими ущільненнями, а також радіальний твердосплавний підшипник ковзання.

Турбінна секція турбобура виконана за конст-руктивною схемою з “плаваючим ротором” на профільному валу. Осьовий люфт шпинделя не впливає на регламентований проміжок між турбінами статора і ротора, зберігаючи постійним ККД на весь термін експлуатації.

Рисунок 1.56 – Схема багатоступінчастого турбобура: 1 – захисний ковпак; 2 – нижня напівмуфта; 3 – нижній перехідник; 4 – вал ротора; 5 – опора радіально-осьова; 6 – турбінки статора; 7 – корпус; 8 – турбінки ротора; 9 – обмежувач вала; 10 – регулювальне кільце; 11 – верхня напівмуфта; 12 – верхній перехідник; 13 – захисна пробка; 14 – з’єднувальна напівмуфта; 15 – опора-дросель твердосплавна верхня; 16 – пружини тарілчасті статора; 17 – опора кулькова захищена; 18 – пружини тарілчасті ротора; 19 – опора-дросель твердосплавна нижня; 20 – вал шпинделя; 21 – долото з генератором хвиль тиску

У турбінній секції розташована багатоступінчаста турбіна, яка містить 93 пари роторів і статорів, розділених на 4 пакети. Кожний пакет роторів спирається на радіально-осьовий твердосплавний підшипник. Статори фіксуються від провертання в корпусі внаслідок осьового стиску при згвинчуванні верхнього і нижнього перехідників. Вал має можливість осьового переміщення на 30 мм у результаті установки на шийці вала обмежуючої шайби. З’єднання валів шпиндельної і турбінної секції здійснюється за допомогою конусно-шліцевих муфт.

Турбобур призначений для розбурювання цементних стаканів, мостів і технологічних пробок при капітальному ремонті свердловин та для буріння глибоких свердловин з використанням як робочої промивної рідини води, бурового розчину.

У процесі роботи турбобура вал його сприймає осьове навантаження, що складається з сил, спрямованих вниз (від перепаду тиску і ваги деталей, які обертаються) і вгору (від реакції вибою). Осьове навантаження сприймається верхньою опорою (рис. 1.57).

Верхня опора складається з підп’ятника 1, диска 2 і кільця 3. У середній частині і по внутрішньому ободу підп’ятники облицьовані гумою. Залежно від напряму осьового навантаження диски підп’ятника, обертаючись разом з валом, верхньою або нижньою своєю поверхнею опираються на гумове облицювання підп’ятників.

У процесі роботи вал турбобура сприймає також радіальні навантаження, для чого передбачені чотири радіальні опори.

Роль верхньої радіальної опори виконують кільця підп’ятника і підп’ятники. При обертанні вала разом з кільцями підп’ятника останні труться по внутрішньому ободу підп’ятника, облицьованого гумою, і тим самим передають йому радіальні навантаження. Втулки і середні опори, розміщені між турбінами, сприймають радіальні навантаження, які виникають у середній частині вала. Нижньою радіальною опорою є ніпель.

а б

Рисунок 1.57 – Верхня опора турбобура:

а – опора; 1 – підп’ятник; 2 – диск; 3 – кільце;

б – зовнішній вигляд підп’ятників

На базі односекційних турбобурів створені дво-, три- і чотирисекційні турбобури. Корпуси секцій з’єднуються за допомогою конічної нарізі; з’єднання валів здійснюється за допомогою конусних фрикційних муфт.

Секційні турбобури призначені для буріння глибоких свердловин, оскільки вони мають більший обертовий момент і велику потужність на валу.

Для буріння свердловин турбінним способом з відбо-ром керна створені колонкові турбобури (турбодолота), в яких передбачено застосування знімної грунтоноски. Колонковим турбобуром є турбобур з порожнистим валом, на кінець якого нагвинчується бурильна головка.

Знімна грунтоноска (рис. 1.58) вміщається в порож-нистому валі турбобура і складається з головки 1, верхньої труби 2, клапана 3, призначеного для випуску рідини, яка витісняється керном з колонкової труби 4, кернотримача 5. Посадка грунтоноски здійснюється на конусну поверхню опори, притиснутої до корпуса турбобура розпірною втулкою.

Рисунок 1.58 – Знімна грунтоноска колонкового турбобура

Грунтоноска притискається до опори під дією гідравлічного зусилля, яке виникає від перепаду тиску в турбобурі і долоті. При цьому сили тертя утримують грунтоноску від провертання.

У верхній частині головки грунтоноски є бурт для захоплення її уловлювачем, який спускається в бурильну колону за допомогою лебідки. В іншому конструкція колонкових турбобурів аналогічна конструкції звичайних турбобурів.

Згідно з ГОСТ 26673-90 випускаються турбобури різних типів і конструктивних виконань із зовнішнім діаметром корпуса від 104,4 до 240 мм, що дозволяє застосовувати їх при бурінні свердловин долотами різних діаметрів.

Гвинтові двигуни. Вибійні гвинтові двигуни (ВГД) для буріння свердловин були запропоновані в 1966 р., їх серійне виробництво освоєно менше ніж за 10 наступних років. Тепер, наприклад, в Російській Федерації за допомогою ВГД бурять близько 15 % від загального метражу, в певних районах їх частку доведено до 40 %. Найбільше застосування вони знайшли при бурінні свердловин з інтенсивно викривленими та горизонтальними ділянками стовбура, а також при капітальному ремонті експлуатаційних свердловин.

ВГД зберігають працездатність при варіації густини промивних рідин у широкому діапазоні – від пін і аерованих до обважнених з густиною до 2000 кг/м³, з вмістом у них частинок гірської породи розміром до 1 мм з концентрацією до 1 %, вони допускають перепад тиску на насадках гідромоніторних доліт до 8…10 МПа, можуть працювати за температури у вибійній зоні свердловини до 100 °С.

За принципом дії гвинтові двигуни належать до об’ємних гідравлічних машин, багатозахідні робочі органи яких представляють планетарно-роторний механізм із внутрішнім косозубим зачепленням. Це означає, що частота обертання, без врахування протікань бурового розчину в ущільненні, не залежить від зовнішнього навантаження гвинтового двигуна, а момент визначається перепадом тиску.

Пунктирною лінією переріз поділений на дві зони: високого тиску (під пунктиром, ліворуч) і низького тиску (над пунктиром, праворуч). У кожній зоні є камери, утворювані між зовнішньою поверхнею ротора – багатозахідного гвинта і внутрішньою поверхнею нерухомого статора. Камери не з’єднуються, оскільки ізольовані одна від одної витками нарізки ротора. До камер високого тиску каналом бурильної колони від бурових насосів надходить робоча – промивна рідина.

Рівнодіюча R сили тиску промивної рідини в камерах високого тиску є геометричною сумою двох складових, з них нормальна N притискає ротор до статора по радіусу, а тангенціальна Т створює обертовий момент відносно поздовжньої осі двигуна і приводить в обертовий рух ротор. Величина цього моменту практично незалежна від швидкості руху робочої рідини в камерах.

Принцип дії ВГД демонструє рис. 1.59, на якому зображено поперечний переріз робочої пари – ротора 1 і статора 2.

Рисунок 1.59 – Поперечний переріз робочої пари вибійного гвинтового двигуна: R – рівнодіюча сил тиску робочої рідини в камерах високого тиску; N – нормальна складова рівнодіючої; T – тангенціальна складова рівнодіючої; 1 – ротор; 2 – статор

ВГД виконує свою функцію перетворення потенційної енергії тиску робочої рідини в механічну енергію обертового руху вала ротора завдяки втіленню таких конструктивних чинників:

- число заходів зовнішньої нарізки на роторі на одиницю менше за число заходів внутрішньої нарізки в статорі-корпусі;

- відношення кроку внутрішньої нарізки статора до кроку зовнішньої нарізки ротора дорівнює відношенню числа заходів нарізки статора до числа заходів нарізки ротора;

- довжина робочої (нарізаної) частини на роторі і в статорі не менша за крок нарізки статора;

- профілі витків нарізок на роторі і в статорі в поперечному перерізі взаємно огинають один одного у безперервному контакті в довільній фазі зачеплення.

За призначенням ВГД поділяються на:

- двигуни загального призначення (для буріння вертикальних свердловин суцільним вибоєм);

- двигуни для буріння похилоспрямованих і горизонтальних стовбурів свердловин;

- для буріння кільцевим вибоєм з відбиранням керна;

- для ремонту експлуатаційних свердловин;

- ВГД з розділеним потоком робочої рідини.

У загальному випадку ВГД складається з секцій двигуна і шпинделя. Секція двигуна приєднується замковою наріззю до нижнього кінця обважнених бурильних труб. Її статор – це сталева трубчаста деталь, усередині якої привулканізована гумова оболонка. Внутрішня поверхня оболонки має вигляд багатозахідної гайки. У статор з певним ексцентриситетом до його осі вміщено сталевий ротор – багатозахідний гвинт з витками відповідного профілю.

Односекційні гвинтові вибійні двигуни типу Д (рис. 1.60) належать до двигунів загального призначення. Вони містять секції двигуна, шпинделя і переливного клапана. Корпуси секцій з’єднуються між собою за допомогою конічної нарізі.

Вузол з’єднання ротора і вихідного вала шпинделя, який виконаний у вигляді двошарнірного кардана або гнучкого вала, призначений для перетворення планетарного руху ротора у збіжне обертання вала шпинделя. Опори шпинделя сприймають радіальні навантаження від карданного вала.

Шпиндельна секція двигунів різних типорозмірів характеризується деякими особливостями і містить корпус, вихідний вал, осьову опору – багаторядний радіально-осьовий підшипник кочення, радіальні гумометалеві опори та ущільнення. На нижньому кінці вихідного вала встановлюється перехідник для з’єднання вала з долотом. У гідромоніторних долотах для зменшення протікань розчину опорний вузол двигуна містить ущільнення, яке забезпечує буріння при перепадах тиску на долоті 8…10 MПа.

Такий гвинтовий вибійний двигун здатний передавати високий момент за низької його частоти обертання, має високу довговічність і надійність роботи.

а б	Рисунок 1. 60 – Односекційний гвинтовий вибійний двигун типу Д: а – схема двигуна; б – 3-D модель; 1,6 – перехідник; 2 – статор; 3 – ротор; 4 – торсіон; 5 – карданний вал; 6 – шпиндель

Секційні гвинтові двигуни типу ДС комплектуються з двох-трьох секцій двигуна, які складаються з гвинтових пар двигунів типу Д, і однієї шпиндельної секції. Комплектування робочих органів сприяє підвищенню довговічності гвинтових пар і двигуна. Для комплектування робочих органів двигуна розроблені різні варіанти з’єднання:

- складання з орієнтуванням робочих органів за гвинтовою лінією з жорстким з’єднанням роторів і статорів за допомогою перехідників.

- складання без орієнтування робочих органів з жорсткими з’єднаннями статорів та з’єднанням роторів за допомогою шарніру, або гнучкого вала.

Гвинтові двигуни з порожнистим ротором дозволяють зменшити масу двигуна та істотно підвищити стійкість вузла з’єднання ротора з валом шпинделя.

Ротор виготовляють з трубної заготовки, яку отримають методом фрезерування або штампування та з’єднується з валом шпинделя торсіоном, розміщеним усередині ротора. Така конструкція двигуна дозволяє поліпшити енергетичну характеристику і коефіцієнт корисної дії та знизити рівень вібрацій двигуна. Завдяки уніфікації приєднувальних елементів робочих органів і торсіона ці двигуни можуть бути секційними. У двигунах застосовується простий і надійний переливний клапан манжетного типу.

Гвинтові двигуни типу ДГ призначені для буріння інтервалів набору кривизни та горизонтальних свердловин. Двигуни ДГ мають коротший шпиндель. Вони оснащені опорно-центрувальними елементами і корпусними шарнірами, які забезпечують ефективне проходження горизонтальних свердловин за потрібною траєкторією.

Турбінно-гвинтові двигуни. Турбінно-гвинтові двигуни – це універсальні вибійні двигуни (рис. 1.61). Вони містять три основні вузли: одну, дві або три турбінні секції, один гвинтовий модуль і шпиндель з осьовою опорою (при необхідності – шпиндель відхилення). Їх компоновка побудована на максимальному використанні уніфікованих вузлів серійних турбобурів, високомоментних турбобурів і гвинтових пар.

Така компоновка двигуна забезпечує високі величини моменту на вихідному валу при відносно низькій частоті його обертання. При цьому передбачено розвантаження гвинтового модуля на номінальному режимі роботи двигуна: модуль або підвищує, або поглинає момент тільки при подоланні піку моменту на долоті, або його перевантаженні, що зумовлює значне підвищення безвідмовного наробітку гвинтової пари. Порівнюючи з відомими в практиці буріння турбобурами і гвинтовими вибійними двигунами, турбінно-гвинтовий вибійний двигун має ряд принципово важливих переваг. Він органічно поєднує стабільність енергетичної характеристики, високу збіжність параметрів моменту і частоти обертання, а також високу жорсткість лінії моментів, характерну для об’ємних гідромашин. Такий двигун позбавлений недоліків турбобура і недоліків гвинтового вибійного двигуна.

Рисунок 1.61 – Турбінно-гвинтовий двигун: 1 – долото; 2 – турбіна; 3 – вал турбіни; 4 – з’єднання торсіону і вала турбіни; 5 – шпиндельна секція; 6 – торсіон; 7 – опора осьова; 8 – статор гвинтовий; 9 – ротор гвинтовий; 10 – секція двигуна