3.9. Характеристика «турбобур-долото-забой» (тдз).

Действительная характеристика существенно отличается от характеристики турбины, поскольку турбобур содержит радиальные опоры и узел осевой опоры. Кроме того, в процессе бурения на вал турбобура действует сила реакции забоя, обусловленная осевой нагрузкой на долото и момент сил сопротивления вращению долота. Указанная сила и момент на вращение долота суммируются с внутренними силами и моментами, образующимися в турбине в процессе преобразования гидравлической энергии в механическую и, таким образом, формируют внешнюю характеристику гидравлического забойного двигателя.

Рассмотрим более подробно силы, действующие на вал ГЗД. Основные силы направлены вдоль оси вала. К ним относится сила, обусловленная весом всей вращающейся системы (с учетом Архимедовых сил) и направленная вниз, гидравлическая сила, обусловленная перепадом давления на роторах и статорах ступеней турбины и по направлению совпадающая с силой тяжести.

При бурении возникает третья сила, обусловленная реакцией забоя и направленная в противоположную сторону по отношению к первым двум силам. Результирующая сила, равная алгебраической сумме перечисленных трёх сил, передаётся осевой опоре, а от неё – бурильной колонне.

Рис. 6. Принципиальная схема турбобура.

Составим уравнение равновесия осевых сил, приложенных к валу ГЗД в процессе бурения.

G + T – R=P, (39)

где G - вес вращающейся системы с учетом Архимедовых сил; T - гидравлическая сила; R – реакция забоя; P – сила, передаваемая на осевую опору.

К валу ГЗД приложены следующие моменты: момент, вырабатываемый турбиной М_к, момент сил трения в радиальных опорах М_р.о., момент сил трения в элементах осевой опоры М_о.о.и момент сил сопротивления вращению долота М_д.

Следовательно, уравнение моментов будет иметь вид:

М_д= М_к – М_р.о. – М_п. (40)

Представив момент на долоте в виде М_д=М_у·R и отбросив момент в радиальных опорах М_р.о. в виду его малости (в сравнении с другими моментами), уравнение (40) примет вид:

М_у· R= М_к – М_п. (41)

Момент в осевой опоре представим в виде:

М_п.= P·μ·r_пр= ± (G + T – R) μ·r_пр, (42)

где μ – коэффициент трения; r_пр – приведенный радиус трения, r_пр=.

Подставим в уравнение (41) значение момента сил трения в осевой опоре в соответствии с уравнением (42):

М_у· R= М_к ± (G + T – R) μ·r_пр (43)

Проведем преобразования в уравнении (43), записав его в виде:

М_у· R ± R· μ·r_пр = М_к ± (G + T) μ·r_пр ,

R(М_у ± μ·r_пр)= М_к ± (G + T) μ·r_пр (44)

Уравнение (44) запишем в виде:

R=(45)

Умножив правую и левую части уравнения (45) на М_у, а так же принимая во внимание линейную зависимость момента турбины М_к от числа оборотов, получим:

R· М_у= М_д=(46)