6. Забойные двигатели

   1. Турбобуры

В создании забойного турбинного двигателя приоритет принадлежит отечественным ученым и инженерам. Первый в мире проект забойного гидравлического двигателя был разработан в 1890 г. бакинским инженером К. Г. Симченко. В 1923 г. в Баку М. А. Капелюшниковым был создан турбобур, который представлял собой одноступенчатую осевую турбину мощностью 10–12 л. с. и имел многоярусный планетарный редуктор. Вследствие недостаточной мощности и несовершенства конструкции турбобур Капелюшникова не нашел применения.

В 1934–1935 гг. был создан работоспособный многоступенчатый турбобур конструкции П. П. Шумилова, Р. А. Иоаннесяна, И. Э. Тагиева и М. Т. Гусмана. Преимущества этой модели турбобура заключаются в следующем: 1) снижена скорость движения потока рабочей жидкости, что резко повысило мощность и моторесурс турбины, 2) снижено число оборотов ротора турбины, что исключило необходимость в редукторе – уязвимом месте турбобура Капелюшникова. После некоторого усовершенствования конструкции турбобуров, шарошечных долот и буровых насосов турбинное бурение в ряде случаев доказало свое преимущество перед роторным и получило широкое применение во многих районах.

Турбобур представляет собой забойный гидравлический двигатель, преобразующий гидравлическую энергию потока промывочной жидкости в механическую энергию вращения вала. Движущим узлом турбобура является многоступенчатая турбина осевого типа, состоящая из нескольких десятков одинаковых до конструкции элементов. Каждая ступень турбины состоит из неподвижного направляющего колеса (статора) и насаженного на вал вращающегося рабочего колеса (ротора), кольцевые каналы которых разделены радиальными криволинейными перегородками (лопатками) на отдельные полости (рис. 3.16). Поток жидкости, двигаясь по криволинейным каналам турбины, изменяет свое направление, что обусловливает появление реактивных сил А и В, действующих на лопатках ротора и статора в разные стороны. Силы А, суммируясь по всем ступеням турбины, создают вращающий мо- мент на валу турбобура, а силы В создают реактивный момент, воспринимаемый неподвижной бурильной колонной через кор- пус турбобура.

Т

Рис. 3.16. Принцип действия турбины турбобура 1 – вал; 2 – лопатка статора; 3 – статор; 4 – ротор; 5 – лопатка ротора; 6 – корпус

урбобур типа Т12-М3 состоит из корпуса с резьбой для соединения с бурильными трубами (через переводник); вала, в нижнюю часть которого ввинчивают долото; турбины, состоящей из 100 и более ступеней, роторы которой закрепляются на валу турбобура, а статоры неподвижно зажимаются в корпусе; нижней радиальной опоры, установленной в ниппеле, ввинченном в корпус турбобура с усилием, обеспечивающим возникновение на зажатых торцах статоров сил трения, предотвращающих их проворачивание (нижняя опора одновременно выполняет роль сальника); промежуточных радиальных опор, установленных в средней части вала (обычно двух); осевой опоры в виде гребенчатой пяты, состоящей из укрепленных на валу металлических дисков и закрепленных в корпусе турбобура гуммированных подпятников.

На верхнюю часть вала навинчивается роторная гайка с контргайкой, зажимающая все вращающиеся детали и удерживающая их от проворачивания силой трения, действующей на торцах.

Все радиальные опоры, так же как и осевая, выполнены в виде резинометаллических подшипников, смазка и охлаждение которых осуществляются промывочной жидкостью.

Проследим путь движения промывочной жидкости.

Из бурильной колонны промывочная жидкость попадает в корпус турбобура через переводник, проходит через отверстия в неподвижном подпятнике и поступает в первый статор, а затем в первый ротор турбины, во второй статор и во второй ротор турбины. Так, последовательно переходя из турбины в турбину и через отверстия в двух средних опорах, жидкость попадает внутрь вала турбобура и движется к долоту. Попав на забой через долотные отверстия, жидкость захватывает обломки выбуренной породы и устремляется вверх к устью скважины по затрубному пространству, т. е. по пространству между бурильной колонной и стенками скважины.

В процессе работы турбобура вал его испытывает осевую нагрузку, складывающуюся из сил, направленных вниз (от перепада давления и веса вращающихся деталей) и вверх (от реакции забоя). Для восприятия осевой нагрузки существует верхняя опора. В процессе работы турбобура вал его испытывает также радиальные нагрузки, для восприятия которых турбобур имеет четыре радиальные опоры.

Поскольку турбобур является гидравлической машиной, его рабочие параметры (число оборотов, крутящий момент и мощность на валу) зависят от скорости протекания жидкости в каналах турбины, т. е. от ее секундного расхода.