Гидромашины и компрессоры в нефтегазовом деле

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

21 приливами для присоединения всасывающего и нагнетательного трубопрово-

дов, крышек цилиндров и клапанных камер. Иногда клапанная коробка выполняется отдельно от цилиндров и крепится к ним болтами. Цилиндры снабжают сменными втулками, защищающими гидравлическую коробку от износа, а также позволяющими регулировать производительность, если имеется комплект втулок и поршней нескольких размеров.

Поршни (рис. 3.3) бывают цельные и составные (разборные). В качестве уплотнений поршней применяют уплотнительные кольца, изготовленные из чугуна, эбонита (для воды), текстолита (для нефтепродуктов), резины и прорезиненных тканей. В буровых насосах поршни снабжены резиновыми самоуплотняющимися манжетами сменными или привулканизированными к сердечнику.

Рисунок 3.3 – Типы поршней а – цельный с металлическими кольцами, б – разборный с металлическими

кольцами, в – цельный с текстолитовыми кольцами, г - разборный с кожаными манже-

тами, д – с самоуправляющимися манжетами

Плунжеры (скалки) бывают пустотелые и сплошного сечения. Во

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

22 избежание быстрого износа поверхности плунжера придают повышенную

твердость и полируют.

Сальники уплотняют шток поршня и плунжер. Простейшая конструкция сальника представлена на рис. 3.4. Для герметизации используются набивочные материалы и конструктивные средства, аналогичные тем, которые применяются в лопастных насосах. В буровых насосах используются самоуплотняющиеся сальниковые манжеты из резины с металлическим каркасом.

Рисунок 3.4 – Сальник поршневого насоса Клапаны бывают самодействующими и принудительного действия.

Современные поршневые насосы оборудуются исключительно самодействующими клапанами, которые открываются и закрываются при изменении разности давлений по обе стороны клапана. По кинематике различаются: откидные клапаны, имеющие одну степень свободы для вращения вокруг оси, расположенной в плоскости прилегания; шаровые, обладающие шестью степенями свободы (благодаря вращению шара и возможности отклонения от оси седла); подъемные с одной степенью свободы для перемещения вдоль оси клапана.

Откидные клапаны имеют ограниченное применение в насосах с малым числом ходов и при небольших перепадах давления. Шаровые клапаны используют в тихоходных насосах при перекачивании густых и загрязненных жидкостей. Их преимущество – компактность, что позволяет применять их в глубинных насосах.

В обычных конструкциях насосов чаще всего применяют подъемные

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

23 клапаны, которые могут быть весовыми или пружинными.

Весовые клапаны применяют тогда, когда высокая температура или особая коррозионность перекачиваемой жидкости исключают длительную работу пружины. К моменту перехода поршня через мертвую точку клапан всегда несколько запаздывает с посадкой. Пружина служит для уменьшения этого запаздывания.

По конструкции подъемные клапаны разделяются на тарельчатые и кольцевые. Более простой тарельчатый клапан может быть с плоским или коническим седлом, с верхним, нижним, или двумя направлениями, обеспечивающими точную посадку на седло, с притиркой клапана к седлу (для чистых жидкостей) или с резиновым уплотнением (для засоренных жидкостей, см. рис. 3.5,а).

В кольцевом клапане (рис. 3.5, б) жидкость протекает по наружным и внутренним стенкам кольца. Благодаря этому площадь прохода для жидкости получается больше, чем в тарельчатом клапане; однако конструкция кольцевого клапана сложнее.

Рисунок 3.5 – Клапаны: а – тарельчатый, б – кольцевой Седла клапанов выполняются в виде втулки с наружной конической

поверхностью для запрессовки в гнезда гидравлической коробки или с наружным пояском для крепления посредством клетки или стакана.

Пневматические гасители пульсаций давления служат для создания равномерного течения во всасывающей и нагнетательной трубах, поглощая избыток жидкости в момент, когда мгновенный ее расход в трубе больше

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

24 среднего, и отводя в трубу этот поглощенный избыток в момент, когда рас-

ход жидкости становится меньше среднего. Пневматический гаситель пульсации на стороне нагнетания также уменьшает перегрузку двигателя при пуске насоса, так как между поршнем насоса и жидкостью в нагнетательном трубопроводе имеется упругая среда (воздух или инертный газ). Гаситель пульсации на стороне всасывания служит для улучшения процесса всасывания.

Простейшая конструкция гасителя – воздушный колпак (рис. 3.6, а), оборудованный водомерным стеклом и манометром.

Рисунок 3.6 – Пневматические гасители пульсации:

а – со свободным воздухом, б – диафрагмовый тупиковый, в – шаровой, 1 – корпус,

2 – диафрагма, 3 – ограничительная труба, 4 – манометр, 5 – клапан.

В буровых насосах используются усовершенствованные пневматические гасители пульсаций (компенсаторы), устанавливаемые на выкидной линии. Они снабжены упругой мембраной или оболочкой, отделяющей воздушную или азотную подушку от потока жидкости, благодаря чему объем ее остается постоянным (рис. 3.6, б, в).

Предохранительные клапаны являются обязательной принадлежностью поршневого насоса. В отличие от лопастного, поршневой насос, как указано выше, не способен снижать подачу жидкости при увеличении сопротивления в трубопроводе. В случае образования пробки в линии или в случае ошибочного пуска при закрытой задвижке давление возрастает до предела, при котором останавливается двигатель или разрывается трубопровод либо

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

25 корпус насоса. Для предотвращения аварии на нагнетательном трубопроводе

устанавливают предохранительный, клапан. В простейшем исполнении – это поршень, удерживаемый металлическим штифтом, или диафрагма, которые разрываются от повышенного давления и пропускают жидкость в область всасывания. Более оперативны пружинные предохранительные клапаны, которые снова закрываются при снижении давления до нормального.

Лекция 4 Гидравлические забойные двигатели

В настоящее время выпускаются гидравлические забойные двигатели четырех видов:

турбинные забойные двигатели (турбобуры) различного конструктивного исполнения типов Т и А;

редукторные турбинные забойные двигатели типа ТР (турбобуры редукторные);

винтовые забойные двигатели типа Д; турбинно-винтовые забойные двигатели типа ТВД.

4.1 Турбобуры: назначение, принцип действия

Турбобур, предназначенный для вращения долота при бурении скважин, представляет собой многоступенчатую гидравлическую турбину, приводимую в движение потоком промывочной жидкости от бурового насоса. Каждая ступень турбины состоит из двух лопаточных систем: неподвижной (статор) и вращающейся (ротор).

В статоре поток жидкости подготовляется для работы в роторе: скорость увеличивается и изменяет свое направление. В каналах ротора, лопатки которого наклонены к лопаткам статора в противоположном направлении, скорость восстанавливается по величине и направлению. Затем жидкость входит в следующую ступень, где процесс повторяется.

При изменении в межлопаточных каналах скорости потока и соответ-

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

26 ствующего количества движения возникает сила, с которой поток действует

на лопатки, суммируясь во всех ступенях в виде общего крутящего момента. Крутящий момент, создаваемый в статоре, воспринимается корпусом турбобура, жестко связанным с бурильными трубами. Равный, но противоположно направленный вращающий момент, действующий в роторе, через вал турбобура передается долоту.

Вотличие от других гидравлических турбин, применяемых в основном для вращения вала электрогенератора и выполняемых, как правило, одноступенчатыми, турбобур подобно газовым и паровым турбинам является многоступенчатым.

Это объясняется тем, что он применяется в условиях, когда ограничены

всвоем наибольшем значении три следующих фактора, от которых в прямой зависимости находится вращающий момент: 1) расход жидкости, выбираемый из условий эффективного выноса из скважины разбуриваемой породы, не может быть увеличен из-за чрезмерного возрастания давления в циркуляционной системе; 2) диаметр турбины ограничен размером ствола скважины; 3) частота вращения вала турбины, жестко связанного с долотом, подчинена требованиям технологии бурения и не может быть произвольно увеличена.

Большое число ступеней турбины позволяет при ее малом диаметре (100 – 250 мм), сравнительно малом расходе жидкости (25 – 50 л/сек) и низкой частоте вращения (8 – 12 об/сек) создать высокий (2000 – 4000 Н·м) вращающий момент.

Взависимости от конструкции в турбобурах применяется от 25 до 350 ступеней. При большом числе ступеней значительно увеличивается длина турбобура. В таких случаях для удобства изготовления и монтажа его выполняют из отдельных секций (до четырех).

По направлению течения жидкости в лопастных системах турбобур относится к прямоточным турбинам. Как в статоре, так и в роторе жидкость движется вдоль оси турбины, не приближаясь к ней и не удаляясь от нее.

4.2Рабочая характеристика турбины

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

27 Характеристика турбины турбобура графически представляется лини-

ями вращающего момента Мk, перепада давления Δрт, мощности Nk и к. п. д. η в зависимости от частоты вращения п при постоянном расходе жидкости Q (рис. 4.1).

Рисунок 4.1 – Рабочая характеристика турбины

Кривые Мk – п и Δрт – п являются первичными, так как они получаются в результате испытаний нескольких ступеней турбины на стенде. Первая из них служит для определения частоты вращения п по заданному моменту Mk, а вторая – для перепада давления Δрт и, следовательно, гидравлической мощности (Nг = ΔртQ; Q – постоянная). Две другие кривые вторичные; они получаются простым расчетом по формулам:

Здесь ω — угловая скорость.

Если принять, что крутящий момент, перепад давления и мощность пропорциональны числу ступеней, то стендовую характеристику можно пересчитать как для одной ступени, так и для любого числа ступеней, составляющих турбобур.

4.3 Типы и конструктивные особенности турбобуров

Отечественной промышленностью освоено производство турбобуров следующих типов.

Односекционные: бесшпиндельные типа Т12; бесшпиндельные унифицированные типа ТУ-К; со вставным шпинделем типа ТВШ; с независимым креплением роторов типа ТНК; для бурения скважин большого диаметра

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

28

типа ТБД.

Секционные: бесшпиндельные типа ТС; шпиндельные типа ТСШ; шпиндельные унифицированные типов ТСШ1, 2Т-К и 3Т-К; шпиндельные типов ТСША и ТДШ, для бурения алмазными долотами; шпиндельные типа АШ с наклонной линией давления; шпиндельные типа АГТШ со ступенями гидродинамического торможения.

Сплавающими статорами типа ТПС.

Снезависимой подвеской валов секций типа ТНБ.

Термостойкие турбобуры типа ТТА для скважин с температурой до 240°С.

Редукторные турбобуры типов ТР, ТРМ и ТСМ.

Малогабаритные турбобуры типов ТГ, ТШ и ТВ1 для бурения и ремонта скважин.

Турбинные отклонители типа ТО.

Турбобуры-отклонители с независимой подвеской валов турбинных секций типа ТО2 для бурения боковых стволов из старых скважин.

Шпиндель-отклонитель типа ШО1.

Турбодолота колонковые типа КТД для отбора керна. Керноотборное устройство типа УКТ.

Турбинные забойные двигатели выпускаются с турбинами: металлическими цельнолитыми отливкой в землю; металлическими составными точного литья (ТЛ);

пластмассовыми составными, в которых металлические ступицы и пластмассовые проточные части.

Опоры турбобуров – скольжения (резинометаллические проточные) и качения (шаровые), в том числе проточные и непроточные с уплотнением различной конструкции.

В соответствии с требованиями ГОСТ 26673 – 85 предусмотрено изготовление турбобуров односекционных, двухсекционных и трехсекционных, шпиндельных и бесшпиндельных, с наружными диаметрами 172, 195 и 240

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

29 мм, предназначенных как для бурения вертикальных и наклонно-направлен-

ных скважин, так и для комплектования реактивно-турбинных и роторнотурбинных буров типа РТБ.

Турбобуры односекционные бесшпиндельные типа Т12 (Т12М3Е-172, Т12М3Б-195 и Т12М3Б-240) с наружным диаметром 172, 195 и 240 мм предназначены для бурения верхних интервалов глубоких вертикальных и на- клонно-направленных скважин различного назначения, а также для комплектации роторно-турбинных буров типа РТБ диаметрами от 394 до 640 мм. Они применяются при бурении скважин шарошечными и безопорными долотами различных типов и серий диаметром от 190,5 до 393,7 мм, обеспечивающими технологически обоснованный зазор между корпусом забойного двигателя и стенками скважин.

Турбобуры типа Т12М3 (рис. 4.2) изготавливаются в односекционном бесшпиндельном исполнении. На валу турбинной секции размещается от 104 до 106 ступеней турбины в зависимости от диаметра турбобура. Каждая ступень турбины состоит из ротора и статора, имеющих (у разных типов турбин) различное число лопаток соответствующей осевой высоты. На валу турбобура установлены роторы и вращающиеся детали радиальных опор и резинометаллической пяты. Эти детали на валу зажимаются роторной гайкой. В корпусе турбобура установлены невращающиеся детали: статоры, резинометаллические средние опоры и подпятники, которые закрепляются ниппелем. Корпус турбобура присоединяется к бурильной колонне с помощью верхнего переводника.

Вал турбобура оснащен радиальными опорами, воспринимающими поперечные нагрузки, и осевыми опорами, воспринимающими осевые нагрузки, действующих на вал в процессе эксплуатации. В нижней части вала имеются окна для прохода бурового раствора и к нему снизу через предохранительный переводник присоединяется долото.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

30

Рисунок 4.2 – Турбобур типа Т12М3Б-240:

1 – переводник вала; 2 – вал; 3 – ниппель; 4 – упор; 5 – ротор; 6 – статор; 7 – опора средняя;8 – гайка роторная; 9 – контргайка; 10 – корпус; 11 – переводник верхний

Турбобуры односекционные со вставным шпинделем типа ТВШ (ТВШ172, ТВШ-195 и ТВШ-240) предназначены для комплектации роторно-тур- бинных и реактивно-турбинных буров типа РТБ.

Турбобуры типа ТВШ выпускаются с наружным диаметром 240, 195 и 172 мм для комплектации роторно-турбинных буров диаметрами от 394 до 640 мм. Они могут использоваться как самостоятельно – в виде односекционного турбобура, так и в качестве нижней или шпиндельной секции в любом секционном турбобуре соответствующего габарита.

В отличие от серийных турбобуров (например, типа 3ТСШ1-240, у которого опора вынесена в отдельную секцию – шпиндель) турбобур типа ТВШ представляет собой единую турбинную и шпиндельную секцию, размещенную в корпусе стандартной длины. При этом число ступеней турбины сокращается всего на 6 %, а общая длина турбобура уменьшается на длину шпиндельной секции.

Турбобуры типа ТНК с независимым креплением роторов предназна-