книги из ГПНТБ / Фоменко, Ф. Н. Бурение скважин электробуром

магнитопроводом (см. рис. 16, б), где соединительная резьба дол­ жна вписаться в толщу корпуса 3. В таком статоре легко паять и изолировать лобовые части; отмотка может быть выполнена бо­ лее надежной, чем в варианте, показанном на рис. 16, а, однако при этом уменьшается мощность двигателя или снижается надеж­ ность резьбового соединения.

Улучшение условий производства и ремонта обмотки без сни­ жения мощности и прочности резьбового соединения может быть достигнуто применением втягиваемых в пазы парных П-образных стержней (см. рис. 16, в). В этой конструкции проводники концов П-образного стержня выходят за пределы другого торца корпуса и могут быть спаяны и изолированы. Однако в варианте, показан­ ном на рис. 16, в, затруднен ремонт верхней корпусной резьбы. Этот недостаток устраняется применением сварного корпуса (см. рис. 16, г). В нем сердечник статора смонтирован в тонкостенной трубе с минимальной толщиной стенки 6, что можно допустить при условии прочности корпуса. Конические резьбовые соединения хо­ рошо вписываются в утолщенные приварные надставки.

Всвязи с тем что наибольшие напряжения в корпусе возни­ кают при транспортировке электробура и затаскивании его на бу­ ровую, а мощность двигателя можно повысить путем увеличения наружного диаметра магнитопровода, т. е. уменьшения толщины стенки корпуса, электробур перевозят в специальном футляре.

Вварианте, показанном на рис. 16, г, может быть принят наи­ больший диаметр Z), и, следовательно, при прочих равных усло­

виях может быть получена наибольшая мощность, отнесенная к единице длины машины данного диаметра.

Создание обмотки статора, которая надежно работала бы в ус­ ловиях бурения скважины, является наиболее сложной задачей в разработке всего комплекса технических средств для электробу­ рения. В этом направлении выполнен значительный объем научноисследовательских работ. Были разработаны, изготовлены и испы­ таны различные конструкции электробуров со статорами по схе­ мам, приведенным на рис. 16 *.

В этих статорах применены различные типы и конструкции об­ моток: протяжные, стержневые с катушечной и волновой обмоткой, с различными конструкциями и размерами лобовых частей, со все­ возможными современными изоляционными материалами. Много­ численные опытные образцы электробуров с экспериментальными обмотками испытаны в промышленных условиях при бурении неф­ тяных и газовых скважин.

Наиболее надежным оказался статор, выполненный по схеме, показанной на рис. 16, г. Она принята для всех типоразмеров сов­ ременных электробуров.

*Работы выполнялись ^втором во ВНИИБТ, на базах буровых предприятий

ина Харьковском электромеханическом заводе. С 1964 г. работы в данном на­ правлении проводили в специальном конструкторском бюро по электробурению.

60

Стержень пропитывают в глифталевомасляном лаке, прессуют и запекают.

Изменение сопротивления изоляции обмотки статора в зависи­ мости от температуры приведено ниже:

обмотки двигателя электробура от температуры.

Большой интерес представляет изменение длины стержней об­ мотки в зависимости от температуры. Режим работы двигателя электробура с перегрузками и остановками обусловливает перио­ дические нагревы и охлаждение обмотки с колебаниями темпера­ туры в пределах от 20 до 150° С. Различные относительные удлине­ ния стали корпуса и меди обмотки при повышении температуры вызывают перемещения стержней в пазах, что может вызвать раз­ рушение лобовых частей, перетирание и растрескивание изоляции, смещение обмотки в одну сторону, замыкания и др.

При заводских испытаниях одного из двигателей электробура был проведен опыт, при котором измеряли перемещения корпуса и концов стержней обмотки, нагреваемой током. Результаты заме­ ров удлинения стержней показаны на кривых рис. 20. При нагреве обмотки до 138° С и неизменной температуре корпуса (16° С) удли­ нение стержня / составляет 12,8 мм; стержня I I — 13,4 мм, сред-

62

нее— 13,1 мм. Удлинение стержня длиной 6380 мм при нагреве на 124° С по расчету составляет 13,3 мм.

Второй опыт по измерению удлинения стержней проводили при нагретом до 97° С корпусе; удлинение его составило 6,7 мм (рас­ четное удлинение при <х=11,9- ІО“6 составляет 6,48 мм). При этом замеряли также удлинение двух других стержней с нижней стороны. Перемещение их при температуре 138° С относительно корпуса со­ ставило 6,2 мм. Удлинение стержней обмотки со стекломиканитовой изоляцией происходит в соответствии с коэффициентом удлинения медного стержня, находящегося в свободном состоянии. Стержни перемещаются в основном от середины в обе стороны. Следова­ тельно, изоляция стержней должна быть стойкой против истирания в пазах статора.

Несмотря на то, что катушечная обмотка со стекломиканитовой изоляцией оказалась лучше других испытанных типов обмотки, ее нельзя считать совершенной. Основным ее недостатком является гигроскопичность. При накоплении влаги в изоляции, особенно при непосредственном проникновении бурового раствора в полость дви­ гателя, в лобовых частях обмотки происходит пробой изоляции.

При эксплуатации двигателей электробуров со стекломиканито­ вой изоляцией система уплотнений должна не допускать проник­ новения влаги в такой степени, чтобы масло насыщалось водой. Однако это не всегда удается.

Существенным недостатком этой обмотки является большая толщина стекломиканитовой изоляции. В главе 2 было показано, как незначительное уменьшение толщины изоляции обмотки дви­ гателей электробуров приводит к существенному повышению их мощности, особенно в электробурах малых диаметров. Следует также учитывать, что при более тонкой изоляции улучшается от­ вод тепла от обмотки и, таким образом, можно допускать боль­ шую плотность тока в обмотке.

Научно-исследовательскими и конструкторскими организациями проводятся работы по созданию обмоток с более тонкими, тепло­ стойкими, маслостойкими, высокопрочными изоляционными мате­ риалами. Часть из них, выполненная автором, освещена в ра­ боте [74].

Принцип герметизации электробура, перепады давлений

Внутренняя полость электробура заполняется маслом: двига­ тель заполняется изоляционным маслом, шпиндель — авиационным. Двигатель и шпиндель разобщены сальником и имеют самостоя­ тельные компенсаторы.

Для исключения проникновения окружающей жидкости в по­ лость электробура как во время циркуляции раствора, так и при неподвижном состоянии его, система защиты предусматри­ вает заполнение электробура маслом и создание в его полости противодавления. Последнее создается при помощи компенсаторов,

63

передающих внешнее давление внутрь машины посредством переме­ щающегося в цилиндре поршня и действующей на поршень пружины.

При отсутствии циркуляции бурового раствора превышение внутреннего давления над давлением окружающей среды должно составлять 1—3 кгс/см2. Этот перепад сохраняется при любой глу­ бине погружения электробура. Компенсатор содержит запас масла для компенсации утечек и позволяет маслу свободно расширяться при нагреве, предотвращая увеличение противодавления внутри электробура. При тепловом расширении масла в двигателе пор­ шень компенсатора подходит к предельному положению, открывая перепускное отверстие.

При отсутствии циркуляции бурового раствора масло, наполня­ ющее электробур, находится под избыточным давлением, созда­

Wn. ты, создает в компенсаторе давление в пределах от рт ах до рт m

(.F — площадь поршня в см2).

Под усилием Wn понимается усилие, развиваемое пружиной за вычетом силы трения между уплотнением поршня и стенками ци­ линдра компенсатора.

Разность удельных весов бурового раствора ужи масла ум при высоте столба масла h обусловливает уменьшение перепада давле­ ния, создаваемого пружиной компенсатора, и в зависимости от вы­ соты столба масла может быть

Д р^Т ^-М Т ж -Т м )

(h — высота столба масла в м).

Минимальное давление, создаваемое пружиной компенсатора Рты всегда должно быть больше величины снижения перепада дав­ ления, возникающего вследствие разности удельных весов буро­ вого раствора и масла, т. е. обязательным условием правильно рассчитанной защиты должно быть

Anin= J % 2ll£- > V T .

В противном случае в нижней части полости, заполненной мас­ лом, перепад будет направлен внутрь машины, что нельзя до­ пустить.

При циркуляции бурового раствора через электробур возникают потери напора в вале двигателя Дрв. дв, шпинделе Дрв. ш и долоте Ардол, общая сумма которых

64

В зависимости от количества и свойств бурового раствора, а также величины промывочных отверстий в долоте величина 2Лр может колебаться в широких пределах. Для долот обычных типов при оптимальном количестве прокачиваемого раствора 2Д/? = Зч- -н20 кгс/см2. Причем верхний предел относится к электробурам ма­ лого диаметра. Для гидромониторных долот при интенсивной про­ мывке эта величина может достигать 80 кгс/см2.

Компенсатор двигателя расположен перед входом в централь­ ный канал. На поршень действует соответствующее давление, ко­ торое передается на масло, заполняющее двигатель. Следовательно, масло в двигателе находится под давлением, равным сумме давле­ ния перед входом в центральный канал и давления, развиваемого пружиной компенсатора.

Анализ потерь напора на отдельных участках пути бурового раствора позволяет определить перепады давлений на уплотнениях вала, в резьбовых соединениях и других сопряженных деталях

к о н ц а в а л а , т. е. на верхнем сальнике АрВс направлен изнутри и при прямой промывке равен давлению, создаваемому пружиной компенсатора двигателя Арвс=рпр.дв, практически изменяющемуся от ртах = 3 кгс/см2 до Цтіп = 1 кгс/см2. Этот же перепад давления будет на уплотнении кабельного ввода, уплотнениях компенсатора, втулок головки и других сопрягаемых деталях верхней части дви­ гателя.

В зависимости от количества и свойств бурового раствора, а также от величины промывочных отверстий в долоте величина Арне может изменяться в широких пределах и будет зависеть главным образом от составляющих

крв. д в I ^Рв.Ш~]~^Рд о л >

т. е. перепад давления на нижнем сальнике при крайне неблаго­ приятных условиях может достигать 80 кгс/см2 и при закупорке отверстий долота или вала может быть равным давлению, развива­ емому поршневым насосом, так как другие составляющие в этом случае незначительны:

У п л о т н е н и е р е з ь б о в о г о с о е д и н е н и я , соединяющего корпус статора с нижним соединительным корпусом, будет испыты­ вать перепад давления почти такой же, как и нижний сальник дви­ гателя, и будет больше на величину давления, создаваемого пру­ жиной компенсатора шпинделя

Уплотнение резьбового соединения, соединяющего корпус ста­ тора с верхним соединительным корпусом, будет испытывать пе­ репад

ш п и н д е л я испытывает перепад давления

Д/ ;шу= = Д / 7в. ш^ЬА/^дол Рпр. ш

и направлено из отверстия вала в шпиндель. При закупорке отвер­ стий долота или вала шпинделя это уплотнение выдерживает дав­ ление, развиваемое насосами.

который обычно не превышает 2 кгс/см2.

При обратной промывке в связи с изменением направления и уменьшением количества прокачиваемого раствора изменяются ве­ личина и направление перепадов давления. Если при прямой про­ мывке зона наибольших давлений находится в верхней части дви­ гателя — в головке, а зона наименьших давлений — с внешней стороны электробура, то при обратной промывке зона наибольших давлений с внешней стороны электробура, а зона наименьших дав­ лений в головке. Поэтому при обратной промывке компенсатор двигателя должен сообщаться с затрубным пространством и изоли­ роваться от внутритрубного давления.

Относительное движение окружающей жидкости при спуске электробура следует рассматривать как частный случай обратной циркуляции раствора. В этом случае электробур, перемещаясь вниз, действует как поршень, создавая давление перед нижним концом.

При вязком растворе и быстром спуске бурильной колонны' под нижним концом электробура может возникать значительное по ве­ личине давление. Необходимо, чтобы нижнее уплотнение электро­ бура могло выдерживать давление, возникающее под нижним кон­ цом электробура при спуске.

Одним из существенных недостатков рассмотренной системы за­ щиты электробура является переменный и в некоторых случаях

66

высокий перепад давления на нижнем сальнике двигателя. Воз­ можны другие схемы электробура, обеспечивающие стабильность перепадов на различных участках двигателя [74].

Кольцевые уплотнения

Для герметизации неподвижных и подвижных соединений де­ талей электробура применяют кольца круглого сечения из синтети­ ческой маслостойкой резины. Кольцо обычно помещается в канавку, проточенную в вале, поршне или корпусе, и сжимается в радиаль­ ном направлении между дном канавки и цилиндрической поверх­ ностью сопряженной детали (рис. 21).

Рис. 21. Канавки в цилиндре и на валу (в поршне) для установки круглых резиновых уплотнительных колец:

При возникновении перепада давлений первоначальное уплотне­ ние, создаваемое сжатием кольца, не нарушается и даже несколько улучшается вдавливанием кольца в зазор между сопрягаемыми по­ верхностями.

На рис. 22 показаны различные положения уплотняющего коль­ ца в канавке в зависимости от величины и направления перепада давления.

На схеме а показано предварительное сжатие кольца до воз­ никновения перепада давления. На схеме б показано уплотнение резиновым кольцом под действием перепада давления. Кольцо, пер­ воначально сжатое между дном канавки и цилиндром, под дейст­ вием перепада давления прижимается к одной из стенок канавки, к дну канавки и поверхности цилиндра. При этом материал кольца начинает течь, стремясь выйти в зазор между сопрягаемыми по­ верхностями. Кольцевое резиновое уплотнение имеет двустороннее

действие.

Если предварительного сжатия резинового кольца нет, уплот­ нения не будет (схема в). Величина натяга не должна быть

чрезмерной, так как при монтаже резина может быть срезана. Ши­ рина канавки должна составлять 1,2—1,3 ширины кольца, а сечение канавки должно быть больше сечения резинового кольца, так как в противном случае избыток резины будет срезан при монтаже деталей.

Уплотнительное кольцо поршня, перемещающегося под давле­ нием жидкости (схема г), будет находиться в первоначальном по­ ложении и не прижмется к стенкам канавки до тех пор, пока сила давления жидкости не превысит силы трения кольца о поверхность цилиндра. Если направления перепада давления и движения

поршня противоположны, то кольцо будет прижато к стенке силой,' противоположной действию давления.

Резиновое кольцо круглого сечения надежно уплотняет непод­ вижные соединения при перепадах давления до 350 кгс/см2.

При возвратно-поступательном движении поршней или враще­ нии валов, герметизированных круглыми резиновыми кольцами, происходит незначительная утечка жидкости, зависящая от пере­ пада давления, вязкости жидкости и состояния уплотняемых по­ верхностей; при малых вязкостях жидкости будет повышенный из­ нос кольца из-за отсутствия смазывающей пленки, поэтому следует применять вязкую жидкость. Так как резина при отсутствии обиль­ ной смазки имеет высокий коэффициент трения о металл, то эти уплотнения нельзя применять при больших скоростях поступатель­ ного или вращательного движения.

68

Длительность работы уплотнения будет тем больше, чем меньше перепад давления и скорость перемещения и чем меньше сила трения резинового кольца о стенки уплотняемой поверхности. Сила трения резинового кольцевого уплотнения зависит от твердости ре­ зины, величины предварительного сжатия, размеров кольца, мате­ риала уплотнения, состояния уплотняемых поверхностей, смазки,

О5 10 15 20 25

Шору.

скорости движения и перепада давления. Она может быть прибли­ женно вычислена по следующим формулам:

Высокие перепады давления приводят к выдавливанию резины в зазор, как показано на рис. 22, б. Такое кольцо, извлеченное из места установки, имеет форму сечения, сходную с архимедовой спиралью. Сопротивление резины выдавливанию прямо пропорцио­ нально твердости резины и обратно пропорционально величине за­ зора между валом (поршнем) и отверстием (цилиндром). На рис. 25

69