Монтаж и эксплуатация бурового оборудования

лекций
Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Инженерная школа природных ресурсов

вращения долота находится в пределах 35–150 об/мин.
При применении энергоемких и

высокомоментных долот.
Бурение скважин в осложненных условиях, требующих применение буровых растворов плотностью более 1,7 гр/см3, большой вязкости и большого СНС.
Бурение скважин с продувкой забоя воздухом и промывкой аэрированной жидкостью с высокой степенью аэрации.
Бурение скважин в условиях высоких забойных температур, более 1500 С.

до 3500 метров.
Использование буровых растворов плотностью менее 1,7 гр/см3 (для

стабильной работы рекомендуется не более 1,2-1,3 гр/см3).
Бурение скважин в условиях низких забойных температур, менее 1500С. Про больших температурах идет интенсивная деформация и деструкция эластомеров и резинотехнических опор двигателя.

частотах вращения (150–200 об/мин) приводит к быстрому износу бурильных труб,

бурильных замков, а также к авариям. Для роторного бурения требуются бурильные трубы повышенной прочности и сбалансированный тяжелый низ бурильной колонны.

ВЗД смогли обзавестись дополнительными преимуществами, которые ранее были присущи только роторному способу бурения:
При бурении глубоких интервалов (более 3500 метров).
Когда оптимальная частота вращения долота находится в пределах 60–200 об/мин.
Разбуривание мощных толщ горных пород, для которых целесообразно применять энергоемкие долота.

Воhrlochsohlenmotor; ф. moteur d'attaque; и. motor de frente de arranque)

— погружная машина, преобразующая гидравлическую, пневматическую или электрическую энергию, подводимую с поверхности, в механическую работу породоразрушающего инструмента (долота) при бурении скважин. 

через верхнюю гайку из внутреннего канала буровой трубы. Через перепускные

отверстия сжатый воздух приводит в движение поршень – ударник 7 который преобразует энергию сжатого воздуха в энергию удара. Нижняя часть поршня – ударника при ударе непосредственно воздействует на торцевую поверхность хвостовика коронки. Серия ударов циклически повторяется, частота и сила удара зависят от давления сжатого воздуха и объёмной производительности компрессора бурового станка.

(бурового насоса) отбирается на рабочем ходе. При этом часть ее

передается бойку, а часть накапливается в пружине, за счет которой обеспечивается холостой ход.

Гидроударники обратного действия - энергия потока отбирается на холостом ходе бойка и накапливается, в основном, в пружине (упругом элементе) в виде потенциальной энергии сжатия

Гидроударники одинарного действия с одной рабочей полостью цилиндра, у которых один ход бойка совершается под действием промывочной жидкости, другой – за счет силы пружины или собственного веса бойка

Гидроударники двойного действия, с двумя рабочими полостями цилиндра, у которых возвратно-поступательное движение бойка обеспечивается энергией потока жидкости без участия пружин за собственного веса бойка

Две рабочие полости цилиндра, контролируемые водораспределительными устройствами.

Гидроударники со ступенчатым (дифференциальным) поршнем, разделяющим цилиндр на две камеры.

3 — резиновая диафрагма компенса­ции двигателя; 4 — поршень компенсатора;

5, 31 — пружины; 6 — цилиндр ком­пенсатора; 7 — соединительный корпус двигателя; 8, 19_- верхний и нижний сальники двигателя соответственно; 9 — верхний клапан двигателя; 10, 17 — верхняя и нижняя части обмотки статора; И — вал двигателя; 12 — пакет магни­топроводной стали статора; 13 — корпус статора из немагнитопроводного мате­риала; 14 — пакет немагнитопроводной стали; 15, 18 — промежуточный и ниж­ний подшипники двигателя соответственно; 16 — секция ротора двигателя; 20 — клапан; 21 — нижний соединительный корпус; 22 — корпус шпинделя; 23 — втул — ка; 24 — зубчатая муфта; 25 — клапан; 26, 32 — верхний и нижний радиальные подшипники соответственно; 27 — упорный подшипник; 28 — наружная обойма распределителя осевой нагрузки; 29 — внутренняя обойма; 30 — поршень ком­пенсатора шпинделя; 33 — пробка; 34 — сальник шпинделя; 35 — вал шпинделя; 36 — переводник на долото

1950-1960 – изобретен электобур

контроля работы (в гидравлических двигателях информация о функционировании оценивается по

перепаду давлений).

для бурения скважин получен Гроссом.
1890 г. – Симченко Г.Г. (г.

Баку) разработал проект первого забойного круговращательного гидравлического двигателя.
Начало 1900-х – Вольский разработал и использовал практике для быстроударного бурения твердых пород забойный гидравлический двигатель, создававший 500-600 ударов/минуту.
1923 г. – Капелюшников М.А. совместно с Волохом С.М. и Корневым Н.А. разработал турбинный аппарат для бурения скважин, называемый турбобуром Капелюшникова (12 л.с., одноступенчатая турбина, многоярусный планетарный редуктор).
Итоговый вид турбобура, получивший широкое распространение был создан Шумиловым П.П., Иоаннесяном Р.А., Тагиевым Э.И., Гусманом М.Т.
1950-е гг. – разработка секционных турбобуров для снижения частоты вращения долот. Позже осевая опора была вынесена отдельно в шпинедль.
Конец 1950-х гг. – работы по разработке опоры качения турбобура.
Начало 1960-х – Иоаннесяном Р.А., Малышевым Д.Г., Иоаннесяном Ю.Р. создана упорно-радиальная шаровая опора (многоступенчатый шарикоподшипник).

регулятором расхода бурового раствора;
с системой демпфирования вибрации;
с разделенным потоком жидкости

и полым валом;
с плавающей системой статора;
с тормозной приставкой гидромеханического типа;
с редукторной вставкой.

– наружное рабочее кольцо
2 – внутреннее рабочее кольцо
3 – кольцо
4

– наружное распорное кольцо
5 – внутреннее распорное кольцо

1 – статор, 2 - ротор

1 – пята, 2 – подпятник, 3 – диск пяты

давления в турбобуре - существенно зависят от расхода промывочной жидкости

Q и частоты вращения вала машины n. Зависимость крутящего момента М, мощности на валу N, перепада давления ΔР и коэффициента полезного действия и от частоты вращения n.

Мягкая механическая характеристика - это характеристика, при которой с изменением момента скорость значительно изменяется. 

долбление была до 350 м, а в СССР – не

более 90 м.
Первый работоспособный ВЗД – насос Муано – планетарно-роторный тип гидромашин.
Середина 1960-х – начало работа над создание опытных образцов ВЗД в США и СССР.
1966 г. – во ВНИИБТ Гусманом М.Т., Никомаровым С.С., Деркачем Н.Д., Захаровым Ю.В. и Меньшениным В.Н. первый ВЗД, рабочие элементы которого были выполнены на базе многозаходного винтового героторного механизма, выполняющего роль планетарного редуктора.
Позже этими учеными, а также Балденко Д.Ф. И Вадецким Ю.В. была разработана теория рабочего процесса ВЗД, технология их изготовления и эксплуатации

момента, требуемую частоту вращения инструмента (для шарошечных долот 100-300 об/мин

и для алмазных – 500-800 об/мин), высокий КПД двигателя (использование мощности насосов), пропорциональная зависимость между расходом и частотой вращения, а также между крутящим моментом и перепадом давления (управление режимом бурения).
Рабочие элементы должны быть износо- и термостойкими, обеспечивающими возможность использование требуемого бурового раствора, в том числе с наполнителями.
Компоновка двигателя и проектные запасы прочности обеспечивают: стойкость двигателя для стабильной работы с современными долотами, возможность искривления корпуса для нужд ННБ, возможность установки опорно-центрирующих элементов на корпусе.
Размеры двигателя обеспечивают сооружение заданного интервала скважины без осложнений.

- двухшарнирное соединение; 4 - вал шпинделя; 5 - корпус;

6 -шариковая осевая опора; 7 - радиальный подшипник; 8 - торцевой сальник.

ВИНТОВОЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ - это разновидность забойной гидравлической машины, в которой для преобразования энергии потока промывочной жидкости в механическую энергию вращательного движения использован винтовой механизм.

к камерам высокого и низкого давления
Замыкатели-винты (уплотнение двиагателя)
1 –корпус, 2

– ротор, 3 – вал, 4 – осевые подшипники, 5- радиальный подшипник, 6- долото

I-V - осевые сечения.

а - однозаходный,
б- двухзаходный,
в - трехзаходный,

СТАТОР - это резинометаллическая деталь, состоящая из металлического корпуса и привулканизированной к нему резиновой обкладки. Внутренняя часть обкладки представляет собой зубчатый венец с винтовыми зубьями.
РОТОР - представляет собой многозаходный винт с нарезкой специального профиля, выполняемый из конструкционной или нержавеющей стали.

коническими дорожками качения, б — с тороидными дорожками качения, в

- с комбинированными дорожками качения; 1-наружнее кольцо, 2-внутреннее кольцо, 3-шар, 4,5-распорные втулки, 6-вал, 7- проставочное кольцо

Шпиндель передает крутящий момент и осевую нагрузку на породоразрушающий инструмент, воспринимает реакцию забоя и гидравлическую осевую нагрузку, действующую в РО, а также радиальные нагрузки от долота и шарнирного соединения.

Шпиндель включает монолитный полый вал, соединенный в нижней части с долотом посредством наддолотного переводника, а в верхней части с помощью муфты - с шарниром.

используются в компоновках ВЗД, как правило, при бурении горизонтальных скважин

по малому и среднему радиусам.

Гибкий вал представляет собой металлический стержень круглого сечения с утолщенными концами. На концах предусмотрено выполнение присоединительных элементов: гладкого конуса, конической резьбы или шлица.

сообщения внутренней полости бурильной колонны с затрубным пространством при спускоподъемных

операциях. Применение клапана уменьшает гидродинамическое воздействие на забой, а также устраняет холостое вращение двигателя.

переводник с ниппельными резьбами по концам, оси которых смещены на

определенный угол (до 4°).

Сконструирован по принципу поворота двух сопряженных цилиндрических элементов, имеющих косой срез

кратности действия рабочих органов; по кинематике рабочих органов; по конструктивной

компоновке; по конструкции силовой секции; по характеру распределения потока рабочей жидкости; по конструкции ротора рабочих органов; по конструкции узла соединения ротора и вала шпинделя; по типу осевой опоры в шпинделе; по конструкции уплотнения вала шпинделя; по назначению; по наружному диаметру; по термостойкости; по частоте вращения выходного вала; по типу механизма искривления; по роду рабочего реагента; по типу зацепления профилей рабочих органов.

Винтовой забойный двигатель: классификация

Общего назначения

Для наклонно-направленного и горизонтального бурения

Для отбора керна

Для ремонта скважин

С раздельным потоком

на роторе и статоре
Разогрев обкладки статора «традиционной» двигательной секции 5/6,

max t = 123°С

Разогрев обкладки статора R-Wall RS172N645W,
max t = 96°С

Остов статора R-Wall

перепадом давления и расходом рабочей жидкости. При постоянном расходе Q

двигатель характеризуется изменением вращающего момента M от перепада давления ∆p , частоты вращения n вала шпинделя, мощности N и коэффициентом полезного действия η

Абсолютно жесткая характеристика - скорость вращения двигателя остается неизменной при изменении нагрузки двигателя в пределах от нуля для номинальной. 

UART (универсальный асинхронный приемопередатчик) для упрощения написания управляющей программы. - Наличие

FLASH-памяти для возможности многократного перепрограммирования. - Низкая стоимость.

Выявление отказа ВЗД и его причины

Не запуск нового или отремонтированного двигателя над устьем скважины

Повышение давления в нагнетательной линии при работе двигателя в скважине(при отрыве от забоя давление не снижается)

Снижение МСП; двигатель плохо принимает осевую нагрузку

Снижение давления в нагнетательной линии, остановки двигателя при осевом нагружении, отсутствие проходки

1. Большой натяг
резины в рабочей паре
2 Отслоение или
повреждение резиновой
обкладки статора
3. Заклинивание
шарнира кардана
4. Неисправен
шпиндель

1. Засорение фильтра
под рабочей трубой
2. Зашламование
двигателя
3. Попадание
посторонних
предметов в рабочую
пару и повреждение
резиновой обкладки
статор

1. Износ рабочих органов (ротора и статора)
2 Износ осевой и радиальных опоры шпинделя
3. Проворот пакета опор в шпинделе вследствие
неправильной сборки,
регулировки и закрепления
4. Нет герметичность
переливного клапана

1. Промыв
переливного клапана
2. Износ рабочих
органов
3. Выход из строя
шарниров
(расцепление ротора с валом шпинделя)

предложена коллективом ВНИИБТ в составе Гусмана М.Т., Балденко Д.Ф., Кочнева

А.М., Никомарова С.С.
Особенности: высокая стойкость свойственная турбобурам и оптимальная энергетическая характеристика характерная для ВЗД (высокий уровень отношения M/n при незначительном падении частоты вращения при нагрузке двигателя).
Турбовинтовой двигатель – редукторный турбобур с редуктором в виде винтовой пары.

Исполнение

Винтовая пара монтируется над турбинной секцией

Винтовая пара монтируется между турбинными секциями

забойные двигатели типа ТПС-У состоят из взаимозаменяемых двух или трех

турбинных секций, шпиндельной секции с осевой опорой и преобразователя частоты вращения выходного вала (винтовая пара «статор» - «ротор»).

Унифицированные модульные турбинно - винтовые двигатели 2ТУ240КД

Нижняя секция двигателя представляет собой односекционный турбобур ТУ240. Средняя секция двигателя конструктивно выполняется аналогично серийной турбине. Верхняя секция двигателя является активным тормозным модулем, содержащим в одном корпусе турбинную часть и рабочие органы винтового забойного двигателя, соединяющиеся с помощью съемного торсиона.

Модульные турбинно-винтовые двигатели ТНВ

Конструктивно двигатели ТНВ выполнены на базе трех узлов: шпинделя, турбинной секции и винтового модуля. Конструкцией предусмотрены различные варианты агрегатирования указанных узлов.

(роторно-турбинные буры) и 760-2600 мм (реактивно-турбинные буры).
Конструкция: верхняя секция с

шпинделя турбобура, используется параллельно несколько турбобуров

Роторно-турбинный бур

(роторно-турбинные буры) и 760-2600 мм (реактивно-турбинные буры).
Конструкция: верхняя секция с

шпинделя турбобура, используется параллельно несколько турбобуров

Реактивно-турбинный бур

1- переводник, 2 – траверса, 3 – ниппель, 4 – переводник предохранительный, 5 – переводник глухой, 6 – турбобур, 7 – хомутверхний, 8 – груз-утяжелитель верхний, 10 – груз утяжелитель нижний, 11 – плита, 12 – переводник вала, 13 - долото