12. Классификация забойных двигателей.

В качестве забойных двигателей при бурении используют турбобур, электробур и винтовой двигатель, устанавливаемые непосредственно над долотом.

Турбобур - это многоступенчатая турбина (число ступеней до 350), каждая ступень которой состоит из статора, жестко соединенного с корпусом турбобура, и ротора, укрепленного на валу турбобура. Поток жидкости, стекая с лопаток статора, натекает на лопатки ротора, отдавая часть своей энергии на создание вращательного момента, снова натекает на лопатки статора и т.д. Хотя каждая ступень турбобура развивает относительно небольшой момент, благодаря их большому количеству, суммарная мощность на валу турбобура оказывается достаточной, чтобы бурить самую твердую породу.

При турбинном бурении в качестве рабочей используется промывочная жидкость, двигающаяся с поверхности земли по бурильной колонне к турбобуру. С валом турбобура жестко соединено долото. Оно вращается независимо от бурильной колонны.

При бурении с помощью электробура питание электродвигателя осуществляется через кабель, укрепленный внутри бурильных труб. В этом случае вместе с долотом вращается лишь вал электродвигателя, а его корпус и бурильная колонна остаются неподвижными.

Основными элементами винтового двигателя (рис. 16) являются статор и ротор. Статор изготовлен нанесением специальной резины на внутреннюю поверхность стального корпуса. Внутренняя поверхность статора имеет вид многозаходной винтовой поверхности. А ротор изготовляют из стали в виде многозаходного винта. Количество винтовых линий на одну меньше, чем у статора.

Ротор расположен в статоре с эксцентриситетом. Благодаря этому, а также вследствие разницы чисел заходов в винтовых линиях статора и ротора их контактирующие поверхности образуют ряд замкнутых полостей - шлюзов между камерами высокого давления у верхнего конца ротора и пониженного давления у нижнего. Шлюзы перекрывают свободный ток жидкости через двигатель, а самое главное - именно в них давление жидкости создает вращающий момент, передаваемый долоту.

13. Конструкция и принцип действия турбобуров.

Турбобур – это забойный гидравлический двигатель, преобразующий гидравлическую энергию бурового раствора в энергию вращения выходного вала, связанного с долотом.

Основная часть турбобура – малогабаритная турбина, состоящая из десятков одинаковых ступеней. Каждая ступень состоит из двух частей: вращающегося ротора и неподвижного статора. Статор представляет собой стальное кольцо, на внутренней поверхности которого имеются стальные выпуклые лопатки. Ротор имеет такие же лопатки, но обращенные выпуклой стороной в другую сторону (рис. 24.1). Между статором и ротором имеется зазор, обеспечивающий свободное вращение ротора. Поток жидкости проходит через лабиринт множества лопаток, изменяет свое количество движения, формирует импульсы сил и приводит во вращение роторные секции турбобура. Таким образом, расход промывочной жидкости Q является основным параметром, от которого зависят все остальные параметры.

Рис. 24.1. Пара ротор-статор ступени турбобура:

1 – статор; 2 – лопатки ротора; 3 – лопатки статора; 4 – обод статора; 5 – обод ротора; 6 – кольцо ротора

При бурении турбобуром необходимая для разрушения породы энергия подводится к расположенному возле забоя турбобуру по бурильной колонне потоком промывочной жидкости. Источником этой энергии являются буровые насосы. Часть энергии потока промывочной жидкости теряется на преодоление гидравлических сопротивлений в нагнетательной линии, бурильных трубах, замках, долоте и в затрубном пространстве. Оставшаяся часть гидравлической энергии потока через лопатки ротора турбобура передается долоту и расходуется на бурение.

Основные закономерности работы турбин следующие:

скорость вращения турбины n пропорциональна расходу (количеству) прокачиваемой жидкости Q.

перепад давления на турбине ∆P и вращающий момент на турбине M пропорциональны квадрату расхода прокачиваемой жидкости.

развиваемая турбиной мощность N пропорциональна кубу расхода прокачиваемой жидкости.

Основная задача проектирования режима турбинного бурения заключается в подборе типа турбобура и осевой нагрузки на долото, чтобы получить наиболее высокие показатели бурения. Во время бурения турбобуром частота вращения долота меняется в зависимости от нагрузки на забой и крепости проходимых пород. При бурении в твердых породах нагрузку увеличивают, но при этом частота вращения долота уменьшается. При отсутствующей осевой нагрузке частота вращения вала максимальная и называется скоростью вращения на холостом ходу. Скорость вращения вала на оптимальном режиме примерно в два раза меньше скорости вращения на холостом ходу. При переходе от режима холостого хода к тормозному перепад давления на турбине увеличивается примерно на 10%.

Графики зависимости перепада давления ∆P, вращающего момента M, развиваемой мощности N и КПД от числа оборотов вала n при постоянном значении расхода Q называется рабочей характеристикой турбобура. Рабочие характеристики для каждого типа турбобура определяются на основе стендовых испытаний.