Буровое оборудование: Забойные двигатели

[EpikhinAV]

Часть 1

Забойный двигатель – это машина погружного типа, которая использует подведенную к ней энергию для того, чтобы преобразовать ее в механическую работу породоразрушающего инструмента.

 

Забойные двигатели принято классифицировать по нескольким критериям.

 

По источнику энергии:

- гидравлические;

-  электрические;

-  пневматические.

 

Если рассматривать глубокое бурение нефтяных и газовых скважин, то здесь наиболее распространены забойные двигатели гидравлического типа. При бурении скважин на твердые полезные ископаемые и при бурении неглубоко залегающих интервалов преимущественно используются пневматические забойные двигатели. Электрические двигатели имеют ограниченное применение, в первую очередь, из-за сложности подачи электрической энергии от поверхности к двигателю.

 

По принципу действия забойные двигатели делятся на:

-  ударные;

-   вращательные;

- ударно-вращательные.

 

При бурении глубоких скважин на нефть и газ преимущественно используются двигатели вращательного типа, а при бурении крепких и твердых пород скального типа (особенно в верхних интервалах) могут успешно использоваться двигатели ударного типа.

 

В общем виде любой забойный двигатель состоит из нескольких узлов:

-  силовая или рабочая секция – модуль, который переводит энергию подводимого питания во вращательное, ударное или ударно-вращательное движение;

-  шпиндельная секция – модуль, в котором находится опорный узел двигателя и который отвечает за передачу вращения долота и восприятие реактивных нагрузок от него;

-   технологическая оснастка – отдельные модули, конструктивные элементы, которые обеспечивают сочленение силовой и шпиндельной секции, а также позволяют защищать двигатель от преждевременного износа, нештатной работы и поломок.

[EpikhinAV]

Часть 2

Раскроем категории забойных двигателей, которые применяются при строительстве нефтяных и газовых скважин (безусловно, с различной степенью частоты).

 

Электрические забойные двигатели или попросту электробуры – по сути это электродвигатель с выходным валом, на котором размещается долото, спущенный на забой. 

 

Современный электробур представляет собой, как правило, асинхронный маслонаполненный двигатель с короткозамкнутым ротором.

 

Конструкция промышленного электробура была разработана в СССР в 1937–1940 гг. группой инженеров (А.П. Островский, Н.В. Александров, Ф.Н. Фоменко, А.Л. Ильский, Н.Г. Григорян и др.). 

 

Со временем, благодаря ряду опытноконструкторских работ произошла значительная модернизация электробура по сравнению с первыми образцами: 

- была создана безредукторная машина, 

- мощность на валу электробура была увеличена в 2–3 раза (от 70 до 120–230 кВт);

- наряду с предыдущими пунктами -  уменьшен наружный диаметр. 

 

Основным условием его функционирования является наличие кабель-канала «забой-устье» для получения своевременного и достаточного для работы питания. Безусловно это и является определяющей причиной почему электробуры имеют (правильнее сказать, имели) крайне узкую степень распространения в отрасли. Сравнение с электроцентробежными насосами в данном случае некорректно по трем причинам:

-              В случае электробуров зазор «стенка бурильной колонны – стенка скважины» значительно меньше, чем при работе с УЭЦН;

-              Когда работает УЭЦН, то нам не приходится колонну НКТ подвергать сильным динамическим нагрузкам, вращению, расхаживанию – он стационарен, чего не скажешь про работы связанные с электробуром;

-              Весь процесс бурения сопровождается спускоподъемными операциями, причем они совершаются многократно при бурении одной скважины, чего не скажешь про ее этап эксплуатации с УЭЦН – количество рейсов колонны с находящимся в затрубье кабелем значительно меньшь во время добычи.

 

К слабым сторонам электробура стоит отнести еще характерные недостатки любых электрических машин:

-              Температурную прихотливость – при перегреве происходит оплавление внутренних обмоток двигателя и выход его из строя;

-              «Страх» влажности – все отлично знают, что электрические машины при попадании в них влаги получают состояние короткого замыкания, а влажность (наличие бурового раствора) и бурение скважины – это словно сиамские близнецы, неотъемлемы друг от друга.

[EpikhinAV]

Часть 3

Турбобуры

Турбобур – это забойный двигатель гидравлического типа, в котором скорость потока промывочной жидкости переводится в крутящий момент (вращение) на выходном валу.
 
В общем виде, принято считать, что турбобуры - это «скоростные» двигатели, а ВЗД – «объемные». Их отличие заключается в принципе преобразования энергии потока бурового раствора во вращательное движение долота: турбобур использует реактивную силу турбины, а ВЗД — объемный эффект взаимодействия винтов. 
 
Турбобур был изобретен в Советском Союзе, первый промышленный образец был создан в 1922–1923 годах под руководством М.А. Капелюшникова и П.П. Шумилова. Изначально идея турбинного бурения возникла еще в конце XIX века, но именно в этот период удалось реализовать ее на практике. 
 
Первый промышленный образец турбобура был выполнен на базе одноступенчатой турбины. Его конструкция была выполнена следующим образом. В корпусе цилиндрического типа размещалась одна ступень турбины (ротор +статор), редуктор, водило, подшипники, маслянная ванна и шпиндель.
 
Вращение создавалось в турбине, благодаря перемещению ротора относительно статора при прокачивании через турбобур промывочной жидкости. 
 
Далее оно (вращение) передавалось через вал (на котором устанавливалась секция ротора) на редуктор и далее через водило на шпиндель турбобура. 
 
Редуктор использовался для снижения частоты вращения выходного вала до приемлемого для бурения уровня. 
 
Масляная ванна обеспечивала смазку редуктора и в ней находились опорные элементы (подшипники). 
 
Шпиндель использовался для передачи крутящего момента на долото.
 
Мощность турбобура Капелюшникова составляла 12 л.с.
 
В дальнейшем турбобур был многократно модернизировал для применения в различных условиях бурения и прочно занял место в качестве основного забойного привода долота вплоть до создания винтового забойного двигателя (ВЗД) в 60х годах 20 века.