Поликристаллические алмазные долота (PDC)

Тема 3. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ  ИНСТРУМЕНТ

Учебные вопросы:

1. Назначение и классификация породоразрушающего инструмента

2. Буровые долота.

НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Породоразрушающий инструмент (ПРИ) предназначен для разрушения горной породы на забое при бурении скважины.

I. По принципу разрушения породы ПРИ подразделяется на 3 группы:

1) ПРИ режуще-скалывающего действия – применяется для разбуривания вязких, пластичных и малоабразивных пород небольшой твердости;

2) ПРИ дробяще-скалывающего действия – применяется для разбуривания неабразивных и абразивных пород средней твердости, твердых, крепких и очень крепких;

3) ПРИ истирающе-режущего действия – применяется для бурения в породах средней твердости, а также при чередовании высокопластичных маловязких пород с породами средней твердости и даже твердыми.

II. По назначению ПРИ подразделяется:

· Для бурения сплошным забоем (без отбора керна) – буровые долота;

· Для бурения по кольцевому забою (с отбором керна) – бурголовки;

· Для специальных работ в пробуренной скважине (выравнивание и расширение ствола) и в обсадной колонне (разбуривание цементного камня и т.д.)

III. По конструктивному исполнению ПРИ делится на три группы:

· Лопастной (рис. 3.1.);

· Шарошечный (рис. 3.2.);

· Секторный (рис.3.3.);

IV. По материалу породоразрушающих элементов ПРИ делится на четыре группы:

1. Со стальным вооружением;

2. С твердосплавным вооружением;

3. С алмазным вооружением;

4. С алмазно-твердосплавным вооружением.

БУРОВЫЕ ДОЛОТА

Шарошечные долота

Наибольшее распространение в практике бурения нефтяных и газовых скважин получили шарошечные долота дробяще-скалывающего действия с твердосплавным или стальным вооружением. Конструкция трехшарошечного долота приведена на рис. 3.4.

 На верхнем конце конструкции долота нарезается присоединительная резьба 1.

Шарошечное долото состоит из следующих элементов и систем:

резьбовым соединением к бурильной колонне;

D – вооружение;

E – система очистки забоя и элементов долота;

F – опоры шарошек;

G – система герметизации маслонаполненных опор.

Устройство: Три лапы 3 сваривают между собой. На верхнем конце конструкции 1 нарезана замковая присоединительная резьба. Каждая лапа в нижней части завершается цапфой 5, на которой проточены беговые дорожки под шарики и ролики. На цапфе через систему подшипников 6 устанавливается шарошка 4 с беговыми дорожками. Тело шарошки оснащено фрезерованными стальными зубьями 7, размещенными по венцам. На торце со стороны присоединительной резьбы выбиваются шифр долота, его порядковый номер, год изготовления.

Шарошечные долота изготавливают с системой промывки:

· центральной,

· боковой (рис. 3.5.).

На лапах долота с боковой гидромониторной системой промывки выполнены специальные утолщения – приливы 2 с промывочными каналами и гнездами для установки гидромониторных насадок (сечение А-А).

При центральной промывке забоя лучше очищаются от шлама центр забоя и вершины шарошек, шлам беспрепятственно выносится в наддолотную зону. Однако при высокой скорости углубки забоя трудно подвести к долоту необходимую гидравлическую мощность, требуемую для качественной очистки забоя (перепад давления на долотах с центральной промывкой не превышает 0,5-1,5 МПа).

Боковая гидромониторная промывка обеспечивает лучшую очистку наиболее зашламованной периферийной части забоя, позволяет подвести к долоту большую гидравлическую мощность (перепад давления на долотах с гидромониторной промывкой достигает 5-15 МПа). Однако мощные струи бурового раствора, выходящие из гидромониторных насадок экранируют транспортирование шлама через проемы между секциями долота, поэтому часть шлама циркулирует некоторое время в зоне действия шарошек и переизмельчается, а часть – транспортируется в зазорах между стенкой скважины и спинками лап. Поэтому зачастую переходят на ассиметричную систему промывки, заглушая одну или две гидромониторные насадки для повышения пропускной способности основных транспортных каналов долота.

Беговые дорожки цапфы и шарошки и тела качения без сепараторов составляют опору шарошки. Помимо подшипников качения опора может включать подшипники скольжения (антифрикционные втулки) и торцевую пяту (антифрикционный диск). Полость опоры заполняется консистентной смазкой.

Опоры шарошек – наиболее ответственные узлы шарошечного долота, стойкость которых чаще всего определяет долговечность долота в целом. Опоры воспринимают радиальные и осевые нагрузки (по отношению к цапфе).

Опоры шарошек в зависимости от типоразмера долот конструируются из различных сочетаний:

· шариковых и роликовых подшипников качения

· подшипников скольжения.

Шариковые подшипники легче разместить в ограниченных размерах шарошки, они слабо реагируют на возможные перекосы осей шарошек и цапф. Однако из-за проскальзывания шариков по боковым дорожкам эти подшипники быстро нагреваются и требуют интенсивного охлаждения.

Роликовые подшипники могут воспринимать большую, чем шариковые подшипники нагрузку, но труднее вписываются в ограниченные размеры шарошек. Они весьма чувствительны к перекосам осей шарошек и цапф и при износе роликов нередко шарошки заклиниваются на цапфах.

Подшипники скольжения способны воспринимать наибольшие нагрузки. Однако эффективны они только при невысоких частотах вращения долота, когда трущиеся поверхности шарошек и цапф и соседних подшипников качения сильно не нагреваются.

В каждой системе опор обязательно имеется один шариковый подшипник, называемый замковым радиально-упорным подшипником двухстороннего действия. Он удерживает шарошку на цапфе и воспринимает усилия, направленные вдоль и перпендикулярно к оси цапфы. Устанавливается этот подшипник в последнюю очередь, через цилиндрический канал в цапфе, затем в этот канал вставляется стержень (палец) и его наружная часть приваривается к телу цапфы.

Подшипники шарошек в процессе бурения смазываются и охлаждаются буровым раствором, проникающим к ним по зазору между основанием шарошки и упорной поверхностью в цапфе. Поэтому в буровой раствор добавляются специальные реагенты, улучшающие его смазочные свойства.

При бурении с продувкой скважины воздухом условия работы опор шарошек значительно ухудшаются вследствие недостаточного теплоотвода от трущихся деталей подшипников. Поэтому в долотах, предназначенных для бурения с продувкой воздухом, часть воздуха по специальным каналам в лапах и цапфах направляется непосредственно в опоры шарошек.

В последние годы все большее применение находят долота с герметизированной маслонаполненной опорой (рис. 3.6.), у которых специальная смазка поступает к подшипникам из эластичного баллона по имеющемуся в лапе и цапфе каналу. Проникновению бурового раствора в полость такой опоры и утечке смазки препятствует жесткая уплотнительная манжета. Долговечность таких долот при ограниченной частоте оборотов на порядок и более превосходит долговечность долот с открытой опорой.

Для бурения скважин в абразивных породах различной твердости с целью повышения долговечности вооружения шарошки оснащают вставными твердосплавными зубками (штырями). Такие долота часто называют штыревыми. Вставные зубки закрепляются в теле шарошки методом прессования. Для бурения в малоабразивных породах, в теле стальной шарошки фрезеруются призматические зубья, поверхность которых упрочняется термохимической обработкой.

По ГОСТ 20692 «Долота шарошечные» предусматривается выпуск долот диаметром 76-508 мм. трех разновидностей: одно- двух- и трехшарошечных. Наибольший объем бурения нефтяных и газовых скважин в Западной Сибири приходится на трехшарошечные долота диаметрами 190,5; 215,9; 269,9; 295,3 мм.

Типы и область применения шарошечных долот приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1. Типы трехшарошечных долот и их назначение

I. По материалу вооружения шарошечные долота делятся на два класса:

1 класс – долота с фрезерованным стальным вооружением для бурения малоабразивных пород (М, МС, С, СТ, Т, ТК);

2 класс – долота со вставным твердосплавным вооружением для бурения абразивных пород (МЗ, МСЗ, СЗ, ТЗ, ТКЗ, К, ОК)

В настоящее время долота типа СТ и ТК не выпускаются.

II. По расположению и конструкции промывочных или продувочных каналов шарошечные долота делятся:

· с центральной промывкой (Ц);

· с боковой гидромониторной промывкой (Г);

· с центральной продувкой (П);

· с боковой продувкой (ПГ).

III. По скорости (режиму) бурения:

· Долота для высокооборотного бурения (частота оборотов долота более 400 в минуту) изготовляют с опорами на подшипниках качения (В).

· Долота для низкооборотного бурения (частота оборотов долота 100-400 в минуту) изготовляют с опорами на подшипниках качения и одном подшипнике скольжения (Н).

· Долота для бурения на пониженных частотах (частота оборотов долота не более 100 в минуту) изготовляют с опорами на двух и более подшипниках скольжения и подшипниках качения (А).

Выпускаются долота с открытой опорой и с уплотнительными манжетами и резервуарами для смазки (У).

Условное обозначение (шифр) долота:                 III – 215,9 С-ГНУ 2354,

где III – трехшарошечное;

215,9 – номинальный диаметр долота, мм;

С – тип долота (для бурения пород средней твердости);

Г – боковая гидромониторная промывка;

Н – опора для низкооборотного бурения на одном подшипнике скольжения;

У – опора маслонаполненная с уплотнительной манжетой;

2354 – заводской номер долота.

В маркировке трехшарошечных долот и долот с центральной промывкой цифра III и буква Ц не указывается.

2.1.2. ЛОПАСТНЫЕ ДОЛОТА

При бурении нефтяных и газовых скважин чаще всего применяют трехлопастные (3Л и 3ИР) и шестилопастные (6ИР) долота.

Лопастное долото 3Л состоит из:

1) корпуса, верхняя часть которого имеет ниппель с замковой резьбой для присоединения к бурильной колонне,

2)  трех приваренных к корпусу долота лопастей, расположенных по отношению друг к другу под углом 120 градусов.

3) промывочных отверстий, расположенными между лопастями (для подвода бурового раствора к забою).

Лопасти выполнены заостренными и слегка наклонными к оси долота в направлении его вращения. В этой связи по принципу разрушения породы долота 3Л относят к долотам режуще-скалывающего действия, так как под влиянием нагрузки лопасти врезаются в породу, а под влиянием вращающего момента скалывают ее.

Долота 3Л предназначены для бурения в неабразивных мягких пластичных породах (тип М) и для бурения в неабразивных мягких породах с пропластками неабразивных пород средней твердости (тип МС).

Для увеличения износостойкости долот их лопасти укрепляют (армируют) твердым сплавом. У долот типа М в прорезанные по определенной схеме пазы на лопастях наплавляют зернистый твердый сплав релит и лопасть покрывают чугуном, а у долот типа МС в пазы укладывают и припаивают твердосплавные пластинки и покрывают лопасти релитом.

Долота 3Л выпускают как с гидромониторными насадками, так и без. В последнем случае выходные кромки промывочных каналов армируют релитом.

Согласно ОСТ 26-02-1282 «Долота лопастные» предусмотрен выпуск долот 3Л диаметром от 120,6 до 489,9 мм.

Долота 3ИР в сравнении с 3Л имеют следующие отличительные особенности. Три лопасти выполнены притупленными, а не заостренными и приварены к корпусу так, что они сходятся на оси долота, а не наклонены к ней. Лопасти долота армируются также как и у 3Л типа МС, но с дополнительным усилением кромок лопастей, контактирующих с забоем и стенкой скважины, твердосплавными зубками (штырями).

Такая особенность вооружения позволяет долоту 3ИР разрушать породу резанием и истиранием (микрорезанием) абразивных мягких пород с пропластками пород средней твердости (тип МСЗ).

Отраслевым стандартом ОСТ 26-02-1282 предусмотрено изготовление долот 3ИР диаметром от 190,5 до 269,9 мм.

Долота 6ИР имеют три основные лопасти, предназначенные для разрушения породы на забое, и три дополнительные укороченные лопасти, калибрующие стенку скважины. Основные лопасти притуплены и сходятся на оси долота. Дополнительные лопасти также притуплены и расположены между основными лопастями. Эти долота относятся к типу С.

По ОСТ 26-02-1282 предусмотрено изготовление долот 6ИР диаметром от 139,7 до 269,9 мм.

Лопастные долота имеют ряд существенных недостатков:

· интенсивный износ лопастей в связи с непрерывным контактом режущих и калибрующих ствол скважины кромок лопастей долота с забоем и стенками скважины;

· сужение ствола скважины в процессе бурения из-за относительно быстрой потери диаметра долота;

· относительно высокий крутящий момент на вращение долота;

· неудовлетворительная центрируемость на забое, приводящая к интенсивному непроизвольному искривлению.

Отмеченные недостатки объясняют причины редкого применения лопастных долот в практике бурения нефтяных и газовых скважин даже при разбуривании мягких пород.

2.1.3. АЛМАЗНЫЕ ДОЛОТА

Алмазные долота предназначены для разрушения истиранием (микрорезанием) неабразивных пород средней твердости и твёрдых.

Алмазное долото состоит из:

1) стального корпуса с присоединительной замковой резьбой

2)  фасонной алмазонесущей головки (матрицы). Матрица разделена на секторы радиальными (или спиральными) промывочными каналами, которые сообщаются с полостью в корпусе долота через промывочные отверстия.

Алмазонесущую матрицу изготовляют методом прессования и спекания смеси специально подобранных порошкообразных твердых сплавов. Перед прессованием в пресс-форме по заданной схеме размещают кристаллики природных или синтетических алмазов. При однослойном размещении алмазов применяют алмазы в 0,05-0,4 карата (карат – единица измерения массы алмазов, 1 карат равен примерно 4,5 мм). Для бурения в твердых породах изготовляют долота с объемным размещением мелких (менее 0,02 карата) кристаллов алмаза в матрице (импрегнированные алмазные долота). После изготовления долота вылет алмазов над рабочей поверхностью матрицы составляет 0,1-0,25 их диаметра.

Диаметр алмазных долот на 2-3 мм меньше соответствующих диаметров шарошечных долот. Это вызвано созданием условий для перехода к бурению алмазными долотами после шарошечных, у которых, как правило, по мере износа уменьшается диаметр.

Отраслевым стандартом ОСТ 39.026 предусмотрено выпускать алмазные долота диаметрами от 91,4 до 292,9 мм.

Основными достоинствами алмазных долот являются:

· хорошая центрируемость их на забое;

· формирование круглого забоя (в отличие от треугольной с округленными вершинами формы забоя при бурении шарошечными долотами).

Существенным недостатком алмазных долот является:

1) крайне низкая механическая скорость бурения (максимальная не превышает 3 м/ч - у шарошечных долот около 120 м/ч).

2) узкая область применения (исключаются абразивные породы),

3) повышенные требования к предварительной подготовке ствола и забоя скважины.

2.1.4. ДОЛОТА  ИСМ

Особая разновидность долот разработана Институтом сверхтвердых материалов (ИСМ) – долота типа ИСМ. Долота ИСМ предназначены для разрушения резанием и истиранием (микрорезанием) неабразивных пород мягких (М), перемежающихся по твердости (МС) и средней твердости (С).

Эти долота имеют вооружение из сверхтвердого композиционного материала «Славутич», в состав которого входят мелкокристаллические алмазы и дробленный карбид вольфрама. Для оснащения долот применяют цилиндрические вставки (штыри) диаметром 8-12 мм с плоскими или полусферическими рабочими торцами. Штыри в корпусе долота припаивают в гнездах.

Существует две разновидности долот ИСМ по конструкции:

1) лопастная;

2) секторная.

Лопастная разновидность аналогична по конструкции долоту 6ИР.

Секторная разновидность долота состоит из стального корпуса, торцевая профильная поверхность которого, разделена на секторы радиальными промывочными каналами. Штырями из «Славутича» вооружена торцевая и калибрующая поверхности долота. Вылет штырей над поверхностью секторов составляет 3-5 мм. На калибрующей поверхности штыри утоплены.

При бурении в мягких породах штыри работают как резцы, осуществляя резание и скалывание. В перемежающихся по твердости и породах средней твердости работают зерна алмазов, разрушая породу микрорезанием.

Присоединяют долото к бурильной колонне при помощи замковой резьбы.

Отраслевым стандартом ОСТ 39026 предусмотрено выпускать долота ИСМ диаметрами от 91,4 до 391,3 мм.

Преимуществами долот ИСМ являются:

· значительная проходка на долото, достигающая (при соблюдении условий эксплуатации) нескольких сотен метров

·  относительно высокая рейсовая скорость.

К недостаткам следует отнести:

· узкую область применения (только в неабразивных порода М, МС и С)

· высокий момент на вращение долота, ограничивающий применение забойных двигателей.

Поликристаллические алмазные долота (PDC)

· Долота PDC серии T (Матричный корпус--T XXXX, стальной корпус-- TS XXXX) – это новое поколение долот.

Эта серия долот вобрала в себя значительные прорывы во многих областях, включая:

· вычислительную гидродинамику,

· оптимизацию профиля,

· конструкцию расположения резцов,

· конструкцию с малым моментом,

· материалы (поликристаллические),

· технологические процессы и т.д.

Долота PDC серии T имеют лучшие показатели работы и более широкие области применения.

Долота PDC серии T:

· Оптимизированный профиль долот

· Высокая режущая способность как основной, так и периферийной лопастей, эволютное расположение резцов с адекватным углом резания

· Защита калибровочной части композитными материалами и конструкция с малым моментом

· Гидравлически сбалансированная конструкция, разработанная с помощью вычислительной гидродинамики

· Спиральная защита калибровочной части

· Основное и периферийное вооружение

· Балансирная лапа для разделения давления

· Используются конические, аркоподобные, упрочненные отполированные волнообразные твердосплавные вставки.

Номенклатура PDC долот

1-Диаметр долота

2 - Код серии

3- Пласт

4 - Размер резцов

5 - Код коронки

6 - Количество лопастей

7- Дополнительные особенности

T 3 4 4 4

Количество лопастей: 4-ех лопастное долото

Код коронки: короткие параболические

Размер резцов: резцы 19.05mm

Код пласт: мягкий до средне мягкий

Код серии долот

Размер долота (диаметр)

Пример:

В долотах PDC в качестве резцов используются поликристаллические алмазные вставки(PDC). Режущие

кромки резцов PDC обладают способностью самозатачиваться, и резец может проникать в пласт при сравнительно

низких нагрузках на долото и достигать высокой механической скорости проходки путем разрушения пластов

срезывающим воздействием.

В долотах PDC используются резцы различной формы и размеров, различная плотность резцов,

различный угол атаки, расположение резцов, а также соответствующая гидравлика для получения наилучшей

производительности в различных пластах.

Долота PDC могут применяться в роторном бурении или с забойными двигателями.

Поликристаллические алмазные долота (PDC)

Долота PDC серии T (Матричный корпус--T XXXX, стальной корпус-- TS XXXX) – это новое поколение

долот, разработанное нашей Компанией. Через творческое усвоение внедренных технологий и сочетание

результатов науки с независимыми правами на интеллектуальную собственность, эта серия долот вобрала

в себя значительные прорывы во многих областях, включая вычислительную гидродинамику, оптимизацию

профиля, конструкцию расположения резцов, конструкцию с малым моментом, материалы, технологические

процессы и т.д.

Долота PDC серии T имеют лучшие показатели работы и более широкие области применения.

Долота PDC серии T

- Оптимизированный профиль долот

- Высокая режущая способность как основной, так и периферийной лопастей, эволютное

расположение резцов с адекватным углом резания

- Защита калибровочной части композитными материалами и конструкция с малым моментом

-Гидравлически сбалансированная конструкция, разработанная с помощью вычислительной

гидродинамики

- Спиральная защита калибровочной части

- Основное и периферийное вооружение

- Pressure separation balance pad балансирная лапа для разделения давления

-Используются конические, аркоподобные, упрочненные отполированные волнообразные

твердосплавные вставки.

Характеристики долот PDC серии T

РИНКО АЛЬЯНС 43

Основные характеристики

- Оптимизированный короткий параболический профиль, пригодный для бурения однородных мягких

до средне мягких пород.

- Расположение асимметричной эволютной спиральной режущей лопасти обеспечивает долотам

большую стабильность во время бурения.

- Основное и периферийное вооружение продлевает срок службы долот.

- Гидравлически сбалансированная конструкция, разработанная с помощью вычислительной

гидродинамики, приводит к лучшей очистке долот и удалению шлама.

- Использование комбинированных высокопроизводительных вставок PDC существенно продлевает

срок службы долот.

T3444 / M222

Основные__

3.1.5. ДОЛОТА СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Из долот этой группы наиболее распространены пикообразные долота – пикобуры. Эти долота имеют заостренную под углом под углом 90 градусов лопасть, по форме напоминающую пику. Вооружение твердосплавные пластины и штыри.

По назначению выпускают пикобурыдвух типов:

1) ПР для проработки (расширения) ствола пробуренной скважины;

2) ПЦ для разбуривания цементного стакана, моста и металлических деталей в обсадной колонне после ее цементирования.

Во избежание повреждения обсадной колонны боковые грани лопасти у долот ПЦ не армируются твердым сплавом.

 3. ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ОТБОРА КЕРНА

Для отбора керна используется специальный породоразрушающий инструмент – бурильные головки (ГОСТ 21210) и керноприемные устройства (ГОСТ 21949).

Бурголовка(рис. 3.7.), разрушая породу по периферии забоя (колонковое бурение), оставляет в центре скважины колонку породы (керн), поступающую при углублении скважины в керноприемное устройство, состоящее из корпуса и керноприемной трубы (керноприемника).

Корпус керноприемного устройства служит для соединения бурильной головки с бурильной колонной, размещения керноприемника и защиты его от механических повреждений, а также для пропуска бурового раствора к промывочным каналам бурголовки.

Керноприемник предназначен для:

1) приема керна,

2) сохранения его во время бурения от механических повреждений

3) сохранения от гидроэрозионного воздействия бурового раствора

4) сохранения при подъеме на поверхность.

Для выполнения этих функций:

· в нижней части керноприеника устанавливают кернорватели и кернодержатели,

· вверху клапан, пропускающий через себя вытесняемый из керноприемника буровой раствор при заполнении его керном.

По способу установки керноприемника в корпусе ГОСТ 21949 «Устройства керноприемные» предусматривает изготовление керноприемных устройств с несъемными, и со съемными керноприемниками.

При бурении с несъемными керноприемниками для подъема на поверхность заполненного керном керноприемника необходимо поднимать всю бурильную колонну.

При бурении со съемным керноприемником бурильная колонна не поднимается. Внутрь колонны на канате спускается специальный ловитель, с помощью которого из керноприемного устройства извлекают керноприемник и поднимают его на поверхность. При помощи этого же ловителя порожний керноприемник спускают и устанавливают в корпусе.

В настоящее время разработан целый ряд керноприемных устройств с несъемными керноприемниками «Недра», «Кембрий», «Силур» предназначенных для различных условий отбора керна и имеющих аналогичную конструкцию.

Для керноприемных устройств изготовляют шарошечные (рис. 3.8.), алмазные (рис. 3.9.), лопастные и ИСМ бурголовки, предназначенные для бурения в породах различной твердости и абразивности.

ГОСТ 21210 предусмотрено выпускать шарошечные и лопастные бурильные головки диаметрами от 76,0 до 349,2 мм.

Пример условного обозначения бурголовки для керноприемных устройств без съемного керноприемника (К) с наружным диаметром Дн = 212,7, внутренним диаметром Дв = 80 мм для бурения мягких пород:

К 212,7 / 80 М         ГОСТ 21210-75.

Пример условного обозначения бурголовки для керноприемных устройств со съемным керноприемником (КС) с наружным диаметром Дн = 187,3, внутренним диаметром Дв = 40 мм для бурения абразивных пород средней твердости:

КС 187,3 / 40 СЗ            ГОСТ 21210.

3.4. ЗАБОЙНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

При бурении нефтяных и газовых скважин применяют:

· гидравлические забойные двигатели,

·  электрические забойные двигатели

Они преобразующие соответственно гидравлическую энергию бурового раствора и электрическую энергию в механическую на выходном валу двигателя. Гидравлические забойные двигатели выпускают гидродинамического и гидростатического типов. Первые из них называют турбобурами, а вторые – винтовыми забойными двигателями. Электрические забойные двигатели получили наименование электробуров.

3.4.1. ТУРБОБУРЫ

Турбобур представляет собой многоступенчатую гидравлическую турбину, к валу которой непосредственно или через редуктор присоединяется долото.

Каждая ступень турбины состоит из диска статора и диска ротора (рис. 3.16).

В статоре, жестко соединенном с корпусом турбобура, поток бурового раствора меняет свое направление и поступает в ротор, где отдает часть своей гидравлической мощности на вращение лопаток ротора относительно оси турбины. При этом на лопатках статора создается реактивный вращающий момент, равный по величине и противоположный по направлению вращающему моменту ротора. Перетекая из ступени в ступень буровой раствор отдает часть своей гидравлической мощности каждой ступени. В результате вращающие моменты всех ступеней суммируются на валу турбобура и передаются долоту. Создаваемый при этом в статорах реактивный момент воспринимается корпусом турбобура и БК.

Работа турбины характеризуется частотой вращения вала n , вращающим моментом на валу М, мощностью N, перепадом давления DР и коэфициентом полезного действия h.

Как показали стендовые испытания турбины, зависимость момента от частоты вращения ротора почти прямолинейная. Следовательно, чем больше n, тем меньше М, и наоборот.

В этой связи различают два режима работы турбины:

1) тормозной, когда n = 0, а М достигает максимального значения,

2) холостой, когда n достигает максимального, а М = 0.

В первом случае необходимо к валу турбины приложить такую нагрузку, чтобы его вращение прекратилось, а во втором – совершенно снять нагрузку.

Максимальное значение мощности достигается при частоте вращения турбины n = n0.

Режим, при котором мощность турбины достигает максимального значения называется экстремальным. Все технические характеристики турбобуров даются для значений экстремального режима. В этом режиме работа турбобура наиболее устойчива, так как небольшое изменение нагрузки на вал турбины не приводит к сильному изменению n и, следовательно, к возникновению вибраций, нарушающих работу турбобура.

Режим, при котором коэффициент полезного действия h турбины достигает максимального значения называется оптимальным. При работе на оптимальном режиме, т.е. при одной определенной частоте вращения ротора турбины для данного расхода бурового раствора Q, потери напора на преодоление гидравлических сопротивлений в турбине DР минимальны.

При выборе профиля лопаток турбины стремятся найти такое конструктивное решение, чтобы при работе турбины кривые максимальных значений N и h располагались близко друг к другу. Линия давления DР таких турбин располагается почти симметрично относительно вертикали, на которой лежит максимум мощности.

Таким образом, при постоянном расходе бурового раствора Q параметры характеристики турбины определяются частотой вращения ее ротора n, зависящей от нагрузки на вал турбины (на долото).

При изменении расхода бурового раствора Q параметры характеристики турбины изменяются совершенно по другому.

Пусть при расходе бурового раствора Q₁ и соответствующей этому значению частоте вращения ротора турбины n₁ при оптимальном режиме турбина создает мощность N₁ и вращающий момент М₁ , а перепад давления в турбине составляет DР₁. Если расход бурового раствора увеличить до Q₂ , параметры характеристики турбины изменятся следующим образом:

n₁ / n₂ = Q₁ / Q₂ ;

N₁ / N₂ = (Q₁ / Q₂)3

М₁ / М₂ = (Q₁ / Q₂)2

DР₁ / DР₂ = (Q₁ / Q₂)2

Видно, что эффективность турбины значительно зависит от расхода бурового раствора Q. Однако увеличение расхода Q ограничивается допустимым давлением в скважине.

Параметры характеристики турбины изменяются также пропорционально изменению плотности бурового раствора r.

N₁ / N₂ = М₁ / М₂ = Р₁ / DР₂ = r₁ / r₂

Частота вращения ротора турбины n от изменения плотности r не зависит.

Параметры характеристики турбины изменяются также пропорционально изменению числа ступеней.

ГОСТ 26673 предусматривает изготовление бесшпиндельных (ТБ) и шпиндельных (ТШ) турбобуров.

Турбобуры ТБ применяются при бурении вертикальных и наклонных скважин малой и средней глубины без гидромониторных долот. Применение гидромониторных долот невозможно по тем причинам, что через нижнюю радиальную опору (ниппель) даже при незначительном перепаде давления протекает 10 – 25% бурового раствора.

Значительное снижение потерь бурового раствора достигается в турбобурах, нижняя секция которых, названная шпинделем, укомплектована многорядной осевой опорой и радиальными опорами, а турбин не имеет.

Присоединяется секция шпиндель к одной (при бурении неглубоких скважин), двум или трём последовательно соединённым турбинным секциям.

Поток бурового раствора, пройдя турбинные секции, поступает в секцию – шпиндель, где основная его часть направляется во внутрь вала шпинделя и далее к долоту, а незначительная часть – к опорам шпинделя, смазывая трущиеся поверхности дисков пяты и подпятников, втулок средних опор и средних опор. Благодаря непроточной конструкции опор и наличию уплотнений вала, значительно уменьшены потери бурового раствора через зазор между валом шпинделя и ниппелем.

Для бурения наклонно – направленных скважин разработаны шпиндельные турбобуры – отклонители типа ТО.

Турбобур – отклонитель состоит из турбинной секции и укороченного шпинделя. Корпуса турбинной секции и шпинделя соединены кривым переводником.

Для бурения с отбором керна предназначены колонковые турбобуры типа КТД, имеющие полый вал, к которому через переводник присоединяется бурильная головка. Внутри полого вала размещается съёмный керноприёмник. Верхняя часть керноприёмника снабжена головкой с буртом для захвата его ловителем, а нижняя – кернорвателем, вмонтированным в переводник. Для выхода бурового раствора, вытесняемого из керноприёмника по мере заполнения его керном, вблизи верхней части керноприёмника имеются радиально расположенные отверстия в его стенке, а несколько ниже их – клапанный узел. Последний предотвращает попадание выбуренной породы внутрь керноприёмника, когда он не заполняется керном, и в это время клапан закрыт.

Керноприёмник подвешан на опоре, установленной между переводником к БК и распорной втулкой. Под действием гидравлического усилия, возникающего от перепада давления в турбобуре и долоте, и сил собственного веса, керноприёмник прижимается к опоре и во время работы турбобура не вращается.

3.4.2. ВИНТОВОЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Рабочим органом винтового забойного двигателя (ВЗД) является винтовая пара: статор и ротор (рис. 3.17.).

Статор представляет собой металлическую трубу, к внутренней поверхности которой привулканизирована резиновая обкладка, имеющая 10 винтовых зубьев левого направления, обращённых к ротору.

Ротор выполнен из высоколегированной стали с девятью винтовыми зубьями левого направления и расположен относительно оси статора эксцентрично.

Кинематическое отношение винтовой пары 9: 10 и соответствующее профилирование её зубьев обеспечивает при движении бурового раствора планетарное обкатывание ротора по зубьям статора и сохранение при этом непрерывного контакта ротора и статора по всей длине. В связи с этим образуются полости высокого и низкого давления и осуществляется рабочий процесс двигателя.

Вращающий момент от ротора передаётся с помощью двухшарнирного соединения на вал шпинделя, укомплектованного многорядной осевой шаровой опорой и радиальными резино – металлическими опорами. К валу шпинделя присоединяется долото. Уплотнение вала достигается с помощью торцевых сальников.

ВЗД изготовляют согласно ТУ 39-1230.

Типичная характеристика ВЗД при постоянном расходе бурового раствора следующая. По мере роста момента М перепад давления в двигателе Р увеличивается почти линейно, а частота вращения вала двигателя снижается вначале незначительно, а при торможении – резко. Зависимости изменения мощности двигателя и К.П.Д. от момента М имеют максимумы. Когда двигатель работает с максимальным, режим называют оптимальным, а с максимальной мощностью – экстремальным. Увеличение нагрузки на долото после достижения экстремального режима работы двигателя приводит к торможению вала двигателя и к резкому ухудшению его характеристики.

Неэффективны и нагрузки на долото, при которых момент, развиваемый двигателем, меньше момента, обеспечивающего оптимальный режим его работы.

Характер изменения от момента М при любом расходе бурового раствора остаётся примерно одинаковым.

 Таблица 1-Технические характеристики гидравлических забойных двигателей