Гидравлические забойные двигатели. Методические указания по выполнению лабораторных работ по курсу Гидравлические машины и компрессоры
 Скачать 8.33 Mb.
|
|
Соединение ротора и вала шпинделя Соединение ротора винтового забойного двигателя и вала шпинделя является одним из основных узлов двигателя, определяющим долговечность и надежность гидромашины в целом. Механизм, соединяющий планетарно движущийся ротор с концентрично вращающимся валом, работает в тяжелых условиях. Помимо передачи крутящего момента и осевой силы, этот узел должен воспринимать сложную систему сил в рабочих органах, характеризующуюся непостоянной ориентацией ротора. В отличие от известных в технике соединений, передающих вращение между двумя несоосными концентрическими вращающимися валами, рассматриваемое соединение в винтовом забойном двигателе является связующим звеном с ротором, совершающим планетарное движение. Эти обстоятельства предопределяют повышенные требования к циклической прочности соединения, особенно при использовании многозаходных винтовых забойных двигателях. Своеобразные условия работы соединения и невозможность переноса напрямую из других отраслей техники готового технического решения предопределили многообразие компоновок этого узла. Принципиально могут быть использованы четыре типа соединений на базе: - деформации одного или нескольких элементов конструкции; - обеспечения свободы перемещения ротора за счет введения элементов с относительно большим люфтом; - шарнирных соединений; - гибкого вала (торсиона). Первый и второй типы соединения ввиду существенных удельных нагрузок в винтовых забойных двигателях не нашли применения. Шарнирные соединения винтового забойного двигателя работают, как правило, в среде абразивных жидкостей. Поэтому надежная герметизация шарниров является одним из основных направлений повышения их работоспособности. Проблема герметизации осложняется тем, что полости, которые требуется изолировать, вращаются вокруг смещенных осей в условиях вибрации и значительного гидростатического давления. Поэтому герметизирующие элементы должны быть гибкими и прочными при циклической нагрузке, а устройство для герметизации в целом простым и надежным.  Рисунок 25. Двухшарнирное соединение. 1 –соединительная труба; 2 –корпус; 3 –шар; 4 –втулка; 5 –манжета; 6 –гайка; 7 –полумуфта. Сначала в шарнирах использовались простейшие резиновые уплотнения, в дальнейшем стали применять уплотнения сильфонного и манжетного типов (рис. 25). Существенный шаг, оказавший влияние на подходы к конструированию винтового забойного двигателя в целом, был сделан в середине 70-х годов, когда во ВНИИБТ была разработана конструкция гибкого вала. В отличие от шарниров в гибких валах внешнее трение деталей заменяется на внутреннее трение материала вала. В двигателях с наружным диаметром 88 мм и более гибкий вал размещается в расточке ротора, а в малогабаритных двигателях - ниже ротора. В большинстве случаев гибкий вал винтового забойного двигателя представляет собой металлический стержень круглого сечения с утолщенными концами. На концах выполняются присоединительные элементы: гладкий конус или коническая резьба. Иногда гибкий вал выполняется полым со сквозным цилиндрическим каналом для подвода рабочей жидкости высокого давления непосредственно к долоту. Преимущества использования гибких валов заключаются в простоте конструкции и высокой технологичности, большом сроке службы, соизмеримым с ресурсом корпусных деталей двигателя, а также возможности реализации различных компоновок двигателей. Опыт эксплуатации двигателей в наклонно направленном и горизонтальном бурении выявил недостаточную стойкость гибких валов при углах перекоса секций более 1°30'. В связи с этим двигатели типа ДГ стали оснащать шарнирно-торсионными соединениями. Клапаны Объемный принцип действия винтовых двигателей предопределил необходимость оснащения их специальными клапанами. В большинстве двигателей они представляют собой автономный узел, а иногда встроены в ротор. Переливной клапан предназначен для сообщения внутренней полости бурильной колонны с затрубным пространством при спуско-подъемных операциях. Применение клапана уменьшает гидродинамическое воздействие на забой при спуске и подъеме колонны, а также устраняет холостое вращение двигателя при этих операциях. Разработаны и используются несколько конструкций переливных клапанов. В одной из них, не имеющей линейно перемещающихся деталей, в качестве запорного элемента применена резиновая манжета, деформирующаяся за счет падения давления при движении жидкости в щели клапана. Клапан устанавливается в верхней части полого ротора. Серьезный недостаток этой схемы - невозможность определения утечки при опробовании клапана на устье скважины.  Рисунок 26.Периливной клапан двигателя Д-240. 1–гидравлическая коробка; 2–седло; 3–клапан; 4–корпус; 5–пружина; 6–шток; 7–переводник. В конструкции переливного клапана в первых моделях двигателей диаметром 240 и 172 мм и уплотнительный элемент клапана заимствован от бурового насоса. Выполнение основных функций клапана обеспечивает специальная гидравлическая коробка (рис. 26).  Рисунок 27. Золотниковый переливной клапан. 1– корпус; 2– поршень; 3– пружина; 4– седло. В зарубежных двигателях повсеместно используются золотниковые клапаны (рис. 27). Опорно-центрирующие элементы К опорно-центрирующим элементам относятся калибраторы, центраторы и децентраторы. Они используются в компоновках низа бурильной колонны при проводке вертикальных, наклонных и горизонтальных скважин в целях повышения качества ствола скважины и управления параметрами его искривления, а также предупреждения осложнений в процессе бурения. Калибратор предназначен для калибрования ствола скважин, центрирования и снижения поперечных колебаний долота и вала двигателя и устанавливается на выходном валу непосредственно над долотом. Центратор предназначен для центрирования нижней части бурильной колонны и забойного двигателя с целью стабилизации параметров искривления ствола или изменения зенитного угла скважины. Децентратор предназначен для смещения оси забойного двигателя или бурильной колонны за ось скважины в месте его установки. Геометрические параметры опорно-центрирующих элементов и расположение их относительно долота определяют из назначения КНБК. Центраторы и децентраторы устанавливают между секциями или непосредственно на корпусе забойного двигателя. Конструктивное исполнение (с прямыми или спиральными планками, с шарошками), тип и вид вооружения, а также размеры калибраторов и центраторов забойных двигателей регламентированы ОСТ 39-078-79. Корпусные центраторы в двигателях диаметром 95 и 108 мм устанавливаются между двигательной и шпиндельной секциями, а для двигателей 155 мм - на корпусе шпинделя. Децентраторы двигателей ДГ-108 имеют одну лопасть длиной 150 мм и шириной 70 мм. Радиус опорной поверхности децентраторов равен 74, 76 и 78 мм. В двигателях ДГ-155 децентраторы выполнены также с одной лопастью длиной 146 мм и шириной 100 мм. Радиусы опорной поверхности децентраторов составляют 118 и 122 мм. Механизмы искривления двигателя Механизм искривления является неотъемлемым узлом винтовых забойных двигателей, предназначенных для бурения наклонно- направленных и горизонтальных скважин. Механизм искривления предназначен для перекоса осей секций забойного двигателя или самого забойного двигателя относительно нижней части бурильной колонны. Механизм искривления может устанавливаться над двигателем или между силовой и шпиндельной секциями. В качестве механизма искривления используются искривленные (кривые) переводники и корпусные шарниры. Искривленные переводники. Жесткий искривленный переводник (с фиксированным перекосом осей) - наиболее простое и распространенное исполнение механизма искривления. Он представляет собой корпусной переводник с ниппельными резьбами по концам, оси которых смещены на определенный угол (до 6°). Двигатели оснащаются комплектом таких переводников, отличающихся углами перекоса. Механизм искривления в этом исполнении применяется при наборе кривизны по большому и среднему радиусам. Регулируемые на поверхности искривленные переводники начали использоваться с середины 90-х годов в зарубежных винтовых забойных двигателях. Они сконструированы по принципу поворота двух сопряженных цилиндрических элементов, имеющих косой срез. В отечественных двигателях также постепенно внедряются регулируемые переводники. Известно несколько оригинальных конструкций, в частности переводник искривленный регулируемый (ПИР), разработанный ВНИИБТ (рис. 28).  Рисунок 28. Регулируемый искривленный переводник. 1 –верхний переводник; 2 –нижний переводник; 3 –эластичная труба; 4,5 –кольца; 6 –гайка. Корпусные шарнирные соединения используются в компоновках винтовых забойных двигателей, как правило, при бурении горизонтальных скважин по малому и среднему радиусам. Различают шарниры с двумя и одной степенью свободы. Шарниры первого типа устанавливаются над забойным двигателем преимущественно с целью снижения сил сопротивления при перемещении КНБК по стволу скважины. Шарниры с одной степенью свободы обеспечивают поворот корпуса вокруг оси шарнира на заданный угол только в одной плоскости. Угол перекоса такого шарнира рассчитывается как для искривленного переводника. Поэтому корпусной шарнир должен включать конструктивные элементы, ограничивающие угол перекоса. Для совмещения центра шарниров с осью скважины на их наружной поверхности устанавливают центрирующие элементы или расположенные в нижней части подпоры. Это мероприятие позволяет уменьшить радиус искривления скважины при использовании отклоняющей компоновки. Одна из конструкций корпусного шарнира приведена на рис. 29.  Рисунок 29. Корпусный шарнир двигателя ДГ-108. 1–верхний переводник; 2–уплотнение; 3–палец; 4–эластичная труба; 5–нижний переводник. Турбинно-винтовые забойные двигатели. Турбинно-винтовые забойные двигатели предназначены для бурения глубоких вертикальных и наклонно направленных скважин различного назначения. Они могут выполнять также функции забойного привода керноотборных устройств для бурения с отбором образцов породы (керна) и двигателя-отклонителя (при замене обычного шпинделя на шпиндель-отклонитель). Универсальные турбинно-винтовые двигатели типа ТПС - У. Универсальные турбинно-винтовые двигатели типа ТПС-172У с преобразователями частоты вращения вала предназначены для глубоких вертикальных и наклонно-направленных скважин различного назначения с использованием буровых растворов плотностью до 1800 кг/м3. Конструкции двигателей ТПС-172У разработаны на базе схемы турбобуров с плавающими статорами типа ТПС, обладающих рядом энергетических и эксплуатационных преимуществ по сравнению с турбобурами, традиционной конструктивной схемы. Система деталей в корпусе турбинной секции не закреплена путем сжатия осевым усилием и имеет возможность осевого перемещения на 100...150 мм вдоль корпуса вместе с валом секции и установленными на нем деталями. Благодаря этому они отличаются повышенной надежностью и безотказностью в работе. Турбинно-винтовые забойные двигатели типа ТПС-172У состоят из взаимозаменяемых двух или трех турбинных секций, шпиндельной секции с осевой опорой и преобразователя частоты вращения выходного вала. Двигатели типа ТПС-172У обеспечивают при постоянном расходе бурового раствора ступенчатое изменение частоты вращения выходного вала в диапазоне 80...400 мин-1 в зависимости от конструктивного исполнения применяемых винтовых пар в преобразователе частоты вращения вала. Последний заменяется при необходимости непосредственно на буровой. Исключение преобразователя частоты вращения вала из компоновки двигателя ведет к увеличению частоты вращения его выходного вала до 400 мин-1. Преобразователь частоты вращения вала двигателя устанавливается между шпинделем и нижней секцией турбобура. Преобразователь частоты вращения вала двигателя включает винтовую пару - ротор и статор, гибкие валы, конусно-шлицевые полумуфты и соединительные переводники. Конструктивно предусмотрена установка преобразователя между любыми турбинными секциями двигателя. Конструкция шпиндельной секции позволяет устанавливать в ней либо многоступенчатую резинометаллическую опору скольжения с двумя радиальными опорами, либо шаровую амортизированную опору качения с лабиринтным уплотнением вала. При этом обеспечивается работа двигателей при бурении долотами с перепадом давлений в насадках 6...8 МПа. Унифицированные модульные турбинно - винтовые двигатели 2ТУ240КД. Унифицированные модульные турбинно-винтовые двигатели 2ТУ240КД с улучшенными энергетическими характеристиками, увеличенной в 1,5 раза наработкой на отказ и уменьшенной удельной металлоемкостью предназначены для бурения вертикалыных и наклонно-направленных скважин различного назначення с использованием шарошечных и безопорных долот разных типов и серий диаметрами 269,9 ...393,7 мм, обеспечивающих технологически требуемый зазор между корпусом двигателя и стенками скважин и конкретных геолого-технических условиях месторождений. Двигатель 2ТУ240КД состоит из трех унифицированных секций - модулей, взаимозаменяемых с серийными турбобурами, имеющих стандартные присоединительные размеры. Нижняя секция двигателя представляет собой односекционный турбобур ТУ240. Средняя секция двигателя конструктивно выполняется аналогично серийной турбине с той лишь разницей, что в ней установлено 120 ступеней турбины пониженной осевой высоты 37/11-240ТЛ, которая при необходимости может быть заменена на серийную турбину с соответствующим уменьшением числа ступеней и, как следствие, ухудшением характеристики двигателя. Новые турбины пониженной высоты изготавливаются либо методом точного литья по выплавляемым моделям - турбина 37/11ТЛ, либо полукокильным методом - литьем в земляные формы - турбина 37/11-240ТВШ. Верхняя секция двигателя является активным тормозным модулем, содержащим в одном корпусе турбинную часть и рабочие органы винтового забойного двигателя, соединяющиеся с помощью съемного торсиона. Отличительной особенностью тормозного модуля является его полная взаимозаменяемость с серийной секцией, не вносящая никаких дополнительных затруднений при ее монтаже в условиях бурящейся скважины. Верхняя секция так же, как и средняя и нижняя секции, оснащается турбиной пониженной осевой высоты, взаимозаменяемой с серийной турбиной любого типа. Все турбинные секции и тормозной модуль содержат радиальные опоры повышенной долговечности. Модульные турбинно-винтовые двигатели ТНВ. Модульные турбинно-винтовые низкооборотные двигатели (ТНВ) - новая концепция забойного привода породоразрушающего инструмента. Известные турбинные двигатели (турбобуры) характеризуются нерациональным, с точки зрения эффективности работы долот, соотношением М/n (момента и частоты вращения). Винтовые объемные двигатели обладают необходимым соотношением М/n. Однако эти двигатели очень чувствительны к величине натяга в винтовой паре, что определяет их сравнительно малый ресурс безотказной работы ( менее 100 ч). Модульные турбинно-винтовые двигатели органично сочетают надежность, свойственную турбобурам, и высокий уровень соотношения М/n при большой жесткости линии моментов, свойственные объемным двигателям. При прочих равных условиях двигатели ТНВ имеют в 3-4 раза большую наработку на отказ, чем винтовые объемные двигатели. При работе на малоабразивной жидкости двигатели ТНВ способны безотказно работать порядка 400-550 часов. Двигатели ТНВ выполняются с наружным диаметральным размером 172, 195 и 240 мм.  Рисунок 30. Конструктивная схема турбинно-винтового низкооборотного двигателя ТНВ. Конструктивная схема турбинно - винтового низкооборотного двигателя ТНВ приведена на рис. 30. С помощью этих двигателей производится проходка сплошным забоем прямолинейных и искривленных участков скважин. Кроме того, ими можно осуществлять привод керноотборных устройств при колонковом бурении. Применение двигателей ТНВ рекомендуется при температуре промывочной жидкости до 120С°, плотности до 1700 кг/м3 и содержании углеводородных соединений до 5%. Конструктивно двигатели ТНВ (см. рис. 30) выполнены на базе трех узлов: шпинделя, турбинной секции и винтового модуля. Конструкцией предусмотрены различные варианты агрегатирования указанных узлов. Их монтаж может производиться как в условиях цеха, так и на буровой. В зависимости от ситуации могут быть собраны следующие компоновки: - шпиндель + винтовой модуль; - шлиндель + турбинная секция; - шпиндель + турбинная секция + винтовой модуль. Используемые в турбинной секции рабочие органы с запатентованной конструкцией проточной части, обеспечивают работу винтового модуля с минимальной моментной нагрузкой. Учитывая, что винтовые рабочие органы являются наиболее уязвимым элементом двигателя, снижение моментной нагрузки является исключительно важным фактором в обеспечении высокой надежности двигателя. Роторно-турбинные и реактивно-турбинные буры типа РТБ. Проблема строительства верхних интервалов вертикальных скважин увеличенного и большого диаметра решается с помощью роторно-турбинных (диаметрами 394 - 640 мм) и реактивно-турбинных (диаметрами 760 - 2600 мм) буров (РТБ). Роторно-турбинные буры - РТБ-394, РТБ-445, РТБ-490, РТБ-590, РТБ-640, предназначены для бурения вертикальных скважин различного назначения диаметром от 394 до 640 мм. Они идентичны по конструкции и отличаются геометрическими размерами узлов и деталей и типоразмерами используемых турбобуров и долот .РТБ позволяют также забуривать новые стволы из скважин с искривлением более 3-4°, расширять и прорабатывать скважины с меньшей кривизной. |