ВСТУП

1 Вибійні двигуни

У сучасній буровій практиці нафтових і газових свердловин для передачі обертання і крутного моменту долоту застосовують два принципово відмінні способи, які відрізняються за місцем розташування приводних двигунів. У першому з них приводні двигуни розташовані на денній поверхні (роторне буріння), а в іншому у свердловині в безпосередній близькості від долота (буріння з вибійними двигунами).

При роторному бурінні потужність двигуна через систему трансмісії передається ротору, а від нього через ведучу трубу і бурильну колону долоту. При цьому способі передачі енергії значна частина її марно витрачається на подолання шкідливих опорів у поверхневих механізмах і на обертання бурильної колони, а частка потужності, що доходить до долота, зменшується зі збільшенням глибини свердловини.

При бурінні з вибійними двигунами бурильна колона не обертається, а потужність двигуна практично без втрат передається долоту. При цьому способі буріння відсутні втрати на обертання бурильної колони у свердловині, зменшуються навантаження на колону та змінюється їх характер, полегшуються умови роботи бурильної колони, зменшується рівень шуму в буровій. Величина потужності, яка передається долоту, не лімітується міцністю бурильної колони. Свердловини можна бурити при будь-якій орієнтації бурильної колони. Ці та інші переваги сприяли розвитку та вдосконаленню конструкції вибійних двигунів і розповсюдженню їх в буровій практиці.

При бурінні нафтових і газових свердловин використовують два різновиди вибійних двигунів:

1. гідравлічні – турбобури, гвинтові вибійні двигуни (об’ємні двигуни), турбогвинтові двигуни.

2. електричні – електробури.

Гідравлічні двигуни залежно від характеру використання енергії потоку рідини поділяють на три типи:

1. Гідравлічний двигун, який працює під дією ваги рідини, тобто який використовує для роботи енергію положення рідини і називається водяним колесом. Водяні колеса використовувались у сиву давнину. В даний час внаслідок громіздкості і низького коефіцієнта корисної дії вони витіснені досконалішими двигунами.

2. Гідравлічні двигуни, в яких використовують кінетичну або швидкісну енергію потоку рідини, називають гідравлічними турбінами. В турбінах робота здійснюється, головним чином, внаслідок зміни кількості руху рідини.

3. Гідравлічні двигуни, які здійснюють роботу за рахунок використання енергії тиску рідини (ротаційні двигуни, об’ємні ротаційні двигуни, гідроциліндри).

Гідравлічні турбіни за напрямком руху рідини по відношенню до робочого органу поділяють на :

• відцентрові;

• доцентрові (радіальні із зовнішнім підводом);

• доцентрово-відцентрові (двократні);

• тангенціальні (ковшові);

• осьові (крилові);

• змішані (радіально – осьові).

У турбобурах використовують осьові турбіни. Осьові турбіни за конфігурацією лопаток робочого органа поділяють на крилові або пропелерні і лопаткові. Лопаткові турбіни можуть бути одноступінчастими і багатоступінчастими.

1. Турбобури

1.1.1 Конструктивні особливості та принцип роботи

Турбобур – це гідравлічний вибійний двигун, пристосований для роботи при високих тисках в умовах свердловини і здатний перетворювати гідравлічну енергію високонапірного потоку рідини у механічну енергію обертання вала і з’єднаного з ним безпосередньо або через редуктор породоруйнівного інструмента (долота).

Перший працездатний промисловий турбобур було створено М.А.Капелюшниковим у 1923 р. в Баку. Це була високообертова, одноступінчаста гідравлічна турбіна, оснащена планетарним редуктором для зменшення швидкості обертання вихідного вала. Цей турбобур мав невелику довговічність редуктора і гідравлічної турбіни та недостатню потужність.

На основі розробленої П.П.Шумиловим теорії роботи багатоступінчастої осьової турбіни групою інженерів і вчених під керівництвом М.Т.Гусмана, Р.А.Іоанесяна, Е.І.Тагієва, П.П.Шумілова в 1934 р. був створений працездатний багатоступінчастий безредукторний турбобур, який став прототипом сучасного.

Сучасний односекційний турбобур складається з турбіни, вала, корпуса та опор (осьових і радіальних).

В турбобурах використовують багатоступінчасті осьові турбіни лопаткового типу. Один ступінь турбіни складається зі статора жорстко з’єднаного із корпусом і ротора, закріпленого на валу турбобура (рисунок 1.1).

1, 2 – профілі лопаток ротора і статора; 3 – корпус; 4 – статор;

5 – ротор; 6 – вал; 7 – обод лопаток ротора;

D₁,D₂ – діаметри проточної частини статора і ротора;

D_Т – діаметр турбобура; S₁ – осьова висота лопаток статора і ротора; S – висота ступені турбіни

Рисунок 1.1 – Схема ступеня турбіни турбобура

В турбіні турбобура диски статорів і роторів чергуються в осьовому напрямі і мають однакові середні діаметри проточної частини.

Канали турбіни утворені рівномірно розташованими по колу проточної частини дисків лопатками, нахиленими відносно осьової площини турбіни (рисунок1.1). Лопатки дисків статора і ротора нахилені в протилежні сторони і являють собою дзеркальне відображення одне одного. Профіль лопаток має обтічну форму, що сприяє зменшенню шкідливих опорів у проточній частині (рисунок 1.2).

1 - зовнішній обод статора; 2 – лопатки статора;

3 – внутрішній обод статора; 4 – внутрішній обод ротора;

5 – лопатки ротора; 6 – зовнішній обод ротора

Рисунок 1.2 – Принцип дії турбіни

Робота турбіни відбувається таким чином. Потік промивальної рідини через бурильну колону подається в перший ступінь турбобура. При русі рідини в каналах дисків статора потік рідини відхиляється від початкового напрямку і набуває певного напрямку (рисунок 1.2). Тобто, статор є направляючим апаратом турбіни. Потік рідини із каналів статора, жорстко з’єднаного з корпусом, поступає на лопатки ротора під заданим кутом і спричиняє силову дію на ротор, в результаті якої енергія рухомої рідини створює сили, які намагаються повернути ротор, жорстко з’єднаний з валом. Якщо знехтувати зазором між статором і ротором, то можна прийняти, що рідина виходить із каналів статора і входить в канали ротора з однією і тією ж швидкістю під кутом (рисунок 1.3) і продовжує свій рух зі швидкістю відносно лопатей ротора і переносною швидкістю відносно осі турбіни.

Рисунок 1.3 — Профілі статора і ротора турбіни

Аналогічний трикутник швидкостей збережеться і на виході із лопаток статора, оскільки профілі лопаток ротора і статора дзеркально відображені. Отже, відносна вихідна швидкість буде дорівнювати абсолютній вхідній швидкості руху , а її вектор буде нахилений під таким самим кутом, але у протилежний бік ( ). Величини колових швидкостей руху потоку рідини на вході в ротор і виході з нього будуть також рівними ( ), а абсолютна швидкість на виході рідини із лопаток ротора буде дорівнювати відносній швидкості на вході в ротор. Потік рідини із каналів ротора першого ступеня поступає на лопатки статора (направляючого апарату) другого ступеня, де знову відбувається формування напрямку руху потоку рідини і подача її на лопатки ротора другого ступеня. На роторі другого ступеня також виникає крутний момент. Так, послідовно перетікаючи зі ступеня в ступінь, рідина віддає частину своєї гідравлічної потужності кожному ступеню. Таким чином, рідина під дією енергії тиску проходить всі ступені турбіни турбобура і через спеціальний канал підводиться до долота. У результаті потужності та крутні моменти, створювані всіма ступенями, сумуються на валу турбобура, а значить, на долоті.

У процесі роботи турбіни на статорах, закріплених нерухомо в корпусі турбобура, створюється реактивний момент, який рівний за величиною, але протилежний за напрямком крутному моменту. Реактивний момент через корпус турбобура передається на бурильні труби і спричиняє їх закручування на певний кут, який залежить від жорсткості і довжини бурильної колони .

Перепад тиску , крутний момент M та потужність на валу турбобура зростають прямо пропорційно збільшенню кількості ступеней турбіни. Збільшуючи кількість ступеней турбіни досягають при малих діаметрах турбобура значних потужностей і крутних моментів при порівняно низьких швидкостях обертання вала.

; ; , (1.1)

де - кількість ступеней;

- відповідно потужність, крутний момент, та перепад тиску на одному ступені.

Гідравлічні і механічні параметри турбіни турбобура, залежно від кількості (витрати) рідини, яка протікає через турбіну, характеризуються такими залежностями:

Швидкість обертання турбіни " " пропорційна витраті рідини "Q"’ в першій степені

. (1.2)

Перепад тиску ” ” і крутний момент “ ”, пропорційні витраті рідини ” ” в квадраті

; (1.3)

. (1.4)

Потужність на валу турбобура ” ” пропорційна витраті рідини “ ” в кубі

. (1.5)

Основні параметри турбіни при зміні густини “ ”, прокачуваної через турбіну рідини, змінюється пропорційно її збільшенню (в першій степені)

. (1.6)

Швидкість обертання вала турбобура не змінюється при зміні густини робочої рідини.

При одній і тій же витраті рідини, тиск, момент і потужність пропорційні кількості ступеней турбіни, а швидкість обертання турбіни “ ” і кількість ступеней “ ” зв'язані таким співвід­ношенням

; (1.7)

. (1.8)

де: - відповідно параметри для турбін з кількістю ступенів і .

Часткові рівняння подібності для перерахунку індивідуальної характеристики турбіни при зміні тільки витрати і густини рідини мають такий вигляд:

; (1.9)

; (1.10)

; (1.11)

. (1.12)

Рівняння подібності дають точні результати для ідеальних турбін. Для стендових характеристик рівняння подібності менш точні, але цілком допустимі для практичних розрахунків.