Турбобур с отбалансированной роторной сборкой

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин гидравлическими забойными двигателями, а именно к турбобурам. Турбобур состоит из турбинных секций и шпинделя. Турбинная секция включает в себя корпус, соединительные переводники, вал, единичные ступени турбин, радиальные опоры, уплотнительные узлы и шаровые автоматические балансировочные устройства. На валу, рядом с каждой радиальной опорой, установлены противовесы. Шаровые автоматические балансировочные устройства установлены в средней части пакета единичных ступеней турбин и аналогичное шаровое автоматическое устройство встроено в нижний торец вала со стороны нижней полумуфты, а внутри вала расположен масляный лубрикатор, в котором через разделитель сред поршень-мембрану производится выравнивание давления через отверстия в валу с полостью рабочей жидкости перед верхней единичной ступенью турбины, с внутренней полостью радиальной опоры, снабженной с двух сторон уплотнительными узлами, причем один из уплотнительных узлов выполнен по типу разгрузочного поршня, что создает на валу усилия, обратные по знаку гидравлическим усилиям турбины. Обеспечивается снижение инерционных усилий на радиальные опоры и повышение моторесурса турбобура. 1 ил.

 

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин гидравлическими забойными двигателями, турбобурам.

Известны различные типы турбобуров, состоящие из турбинных и шпиндельных секций. Турбинные секции включают в себя корпус, соединительные передники, вал, единичные ступени турбины, радиальные опоры и полумуфты (1, 2).

К недостаткам серийных турбобуров относится очень низкий моторессурс турбинных и шпиндельной секции. Выход из строя турбобура происходит за счет быстрого износа осевых и радиальных опор.

Известен также турбобур, турбинные секции которого включают в себя корпус, соединительные переводники, вал, единичные ступени турбин, радиальные опоры, полумуфты и ряд шаровых автоматических балансировочных устройств, последовательно установленных на верхнем торце вала верхней секции (3).

К недостаткам данного турбобура следует отнести то, что примененное шаровое автоматическое балансировочное устройство, установленное в верхней части вала верхней секции, не выполняет своих функций по балансировке всей роторной сборки между радиальными опорами. Балансировка осуществляется только на участке вала от верхней радиальной опоры до конца верхней полумуфты.

Таким образом, единичные ступени турбин, расположенные между радиальными опорами, балансированию не подвергаются, смещение центра масс системы имеет отклонение от оси вращения.

При дисбалансе роторной сборки вала возникают огромные инерционные силы. Согласно расчетам величина инерционных усилий достигает 18000-20000 кг и более. Столь высокие инерционные усилия сопоставимы с осевой нагрузкой на долоте, что отрицательно сказывается на моторессурсе радиальных опор, поскольку им приходится работать при высоких удельных давлениях и окружных скоростях, а это вызывает нагрев радиальной опоры и выход ее из строя.

Кроме того, использование отбалансированной роторной сборки турбинной секции имеет смысл, когда в радиальных опорах обеспечены минимальные величины радиальных зазоров. В общем машиностроении для опор скольжения рекомендованы величины радиальных зазоров 0,015-0,025 мм (4). Для радиальных опор скольжения, что обычно используются в турбобурах, величина минимального радиального зазора составляет 0,54 мм (5). Наличие таких больших радиальных зазоров свидетельствует о том, что производить балансировку роторной системы вала на резинометаллических опорах "нонсенс" (6, 7).

Целью предлагаемого изобретения является снижение инерционных усилий на радиальные опоры и повышение моторесурса турбобура в целом.

Указанная цель достигается тем, что в турбобуре, включающем корпус, соединительные переводники, вал с установленными на нем единичными ступенями турбин, радиальные опоры, шаровые автоматические балансировочные устройства, на валу, рядом с каждой радиальной опорой, установлены противовесы, а шаровые автоматические балансировочные устройства размещены в средней части пакета единичных ступеней турбин, при этом одно из шаровых автоматических балансировочных устройств встроено в нижний торец вала со стороны, связанной с валом нижней полумуфты, а внутри вала расположен масляный лубрикатор, в котором через разделитель сред поршень-мембрану производится выравнивание давления через отверстие в валу с полостью рабочей жидкости перед верхней единичной ступенью турбины и с внутренними полостями радиальных опор, снабженных с двух сторон уплотнительными узлами, один из которых выполнен по типу разгрузочного поршня, для создания на валу усилий, обратных по знаку гидравлическим усилиям турбины.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство отличается наличием новых признаков и связей.

Во-первых, на валу, рядом с каждой радиальной опорой, установлены противовесы, а шаровые автоматические балансировочные устройства размещены в средней части пакета единичных ступеней турбин, при этом одно из шаровых автоматических балансировочных устройств встроено в нижний торец вала со стороны, связанной с валом нижней полумуфты, что позволяет производить раздельное уравновешивание, между радиальными опорами, многомассовой системы, и дисбаланс устранять последовательно в каждом пакете единичных степеней турбин, после чего окончательно уравновешивают всю роторную систему турбинной секции. При обычном уравновешивании дисбаланс массы между опорами устранялся бы только в плоскостях коррекции, например, по роторам, установленным рядом с радиальными опорами, а при работе гидравлического двигателя в области критических оборотов инерционная сила вызвала бы прогиб вала, появление дополнительного смещения центра тяжести и нарушение уравновешенности системы. При последовательной балансировке этого не случится, так как пакет единичных ступеней турбин будет уравновешиваться в плоскости фактического расположения дисбаланса или вблизи нее (7).

Кроме того, применение шаровых автоматических балансировочных устройств между радиальными опорами позволяет устранять смещение центра тяжести масс при изменении режима работы турбобура.

Во-вторых, внутри вала расположен масляный лубрикатор, в котором через разделитель сред поршень-мембрану производится выравнивание давления через отверстие в валу с полостью рабочей жидкости перед верхней единичной ступенью турбины и с внутренними полостями радиальных опор, снабженных с двух сторон уплотнительными узлами, что позволяет работать радиальной опоре в масляной ванне под давлением масла, равным перепаду давления, сработанному на роторной сборке.

В-третьих, один из уплотнительных узлов выполнен по типу разгрузочного поршня для создания на валу усилий, обратных по знаку гидравлическим усилиям турбины и это позволяет уменьшить величину гидравлической нагрузки на осевой подшипник и сделать условия его работы более благоприятными.

Таким образом, можно заключить, что рассмотренные признаки и связи удовлетворяют условиям новизны.

На чертеже представлен турбобур с отбалансированной роторной сборкой (турбинная секция).

Турбинная секция содержит корпус 1, верхний соединительный переводник 2 и нижний соединительный переводник 3. На валу 4 установлены единичные ступени турбин 5, радиальные опоры 6, противовесы 7, шаровые автоматические балансировочные устройства 8 (ШАБУ), верхняя полумуфта 9 и нижняя полумуфта 10. Внутри вала 4 размещен лубрикатор 11 с поршнем-мембраной 12. Кроме того, одно шаровое балансировочное устройства 8 встроено в нижний торец вала 4, со стороны нижней полумуфты 10.

Полость лубрикатора А заполнена маслом и через радиальные отверстия 13 в валу 4 соединена с внутренней полостью Б радиальной опоры 6. С другой стороны поршня-мембраны 12 расположена полость С. Радиальная опора 6 снабжена уплотнением 14 и 15, причем уплотнение 15 установлено на разгрузочном поршне 16. Ориентированная сборка единичных турбинных ступеней 5, противовесов 7 и ШАБУ 8 обеспечивается шпонкой 17. В нижнем конце вала 4 установлена пробка 18. Радиальная опора 6 снабжена клапаном 19.

Работа турбинной секции турбобура осуществляется следующим образом.

При сборке вала производится балансировка роторной системы с целью получения минимальных инерционных усилий на радиальную опору. Причем балансировка роторной системы может происходить без статоров, а их установку можно произвести после завершения балансировки или в специальном устройстве со всей статорной сборкой. Отбалансированная роторная система турбинной секции (шпиндельной), в собранном виде, заправляется маслом через пробку 18. Для выхода воздуха в радиальных опорах 6 предусмотрены клапана 19. При заправке системы маслом поршень-мембрана 12 перемещается в верхнее положение с таким расчетом, чтобы осталось место для масла при его расширении, порядка (8-12%) от его общего объема. После заправки маслом и проверки на герметичность уплотнительных узлов 14 и 15 роторная сборка устанавливается в корпус 1 турбинной секции, и статорная система крепится соединительными переводниками 2 и 3.

При спуске турбобура на забой давление внутри и снаружи лубрикатора 11 выравнивается поршнем-мембраной 12.

Когда начинается движение жидкости через турбину давление в полостях А, Б и С поднимается и автоматически поддерживается одинаковым, то есть внутри радиальной опоры 6, в полости Б, масло имеет такое же давление, как и перед первой ступенью турбины в полости С. При срабатывании части перепада давления в пакете единичных ступеней турбин с наружной стороны радиальной опоры 6 давление ниже, чем внутри нее. Разность давлений, снаружи и внутри радиальной опоры 6, умноженная на площадь разгрузочного поршня, дает величину усилия гидравлической разгрузки вала. Чем больше разница в давлениях, тем больше величина усилия гидравлической разгрузки вала. Максимальное ее значение достигается на нижней радиальной опоре.

Следует обратить внимания, что при повороте радиальной опоры 6 на 180° на вал 4 будет действовать дополнительное гидравлическое усилие. Этот эффект можно использовать для создания дополнительной осевой нагрузки на долото, например, при наклонно-направленном бурении, где имеет место проблема осевого усилия.

Предлагаемый турбобур с отбалансированной роторной системой обладает целым рядом существенных преимуществ по сравнению с серийным турбобуром.

Во-первых, ориентированная сборка позволяет неоднократно производить сборку и разборку роторной системы без нарушения ее балансировки.

Во-вторых, отбалансированная роторная сборка вала позволяет обеспечить меньший радиальный зазор в единичных ступенях и значительно сократить величину утечки. Это позитивно отразится на кпд единичной ступени и величине вращающегося момента.

В-третьих, отбалансированная роторная сборка обеспечивает существенное уменьшение инерционных усилий на радиальные опоры, что позволяет ей работать в более благоприятных условиях и более длительный срок.

В-четвертых, применение полого вала, единичных ступеней с уменьшенной осевой высотой и осевым люфтом уменьшает массу роторной сборки, а сокращение расстояния между радиальными опорами повышает жесткость системы и снижает величину эксцентриситета центра масс.

В-пятых, уплотнительные узлы радиальных опор работают в благоприятных условиях, когда отсутствуют большие радиальные колебания роторной системы.

В-шестых, применение шарового автоматического сбалансированного устройства в пакете единичных ступеней позволяет автоматически отслеживать смещение центра масс, возникающие между радиальными опорами на различных режимах работы турбобура, и оперативно устранять проявившиеся дисбаланс.

Отмеченные достоинства, целенаправленно работают на повышение моторессурса турбобура и улучшение его выходных характеристик.

Технико-экономическая эффективность от применения турбобура с отбалансированной роторной системой может быть оценена после проведения промышленных испытаний. Однако уже сейчас можно ожидать существенное повышение моторесурса турбобура, поскольку величина радиальных усилий на опоры снижается в десятки раз. Согласно расчетам вместо 4000-5000 кг, действующих на радиальную опору в серийных турбобурах, после балансировки роторной системы это усилие составит порядка 400-500 кг. Радиальная опора начинает работать в очень благоприятных условиях и вполне естественно ожидать повышение ее моторесурса, особенно если принять во внимание, что ее работа происходит в масляной ванне. Таким образом, в турбобуре устраняются основные недостатки, которые в течение десятков лет сдерживали потенциальные возможности машины по повышению ее моторесурса.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Б.З.Султанов и И.Х.Шаммасов. Забойные буровые машины и инструмент. М.: Недра, 1976 стр.51-116.

2. Ю.Р.Иоанесян, В.В.Попко, С.Л.Симонянц. Конструкции и характеристики современных турбобуров М., ВНИИОЭНГ, серия «Машины и нефтяное оборудование» вып.1(53), 1986.

3. Houston Business Journal - August 8., 2002.

4. В.И.Анурьев и др. Справочник конструктора-машиностроителя, том.2, изд.5. М.: Машиностроение, 1973, стр.30.

5. Детали резиновые и резинометаллические для опор гидравлических забойных двигателей ГОСТ 4671-76. М.: Госкомстандарт. СССР.

6. Под редакцией В.А.Шепетильнекова. Балансировка машин и приборов. М.: Машиностроение, 1971 г., стр.157-169.

7. В.И.Беликов, А.Н.Никитин. Сборка авиационных двигателей, изд. 2. М.: Машиностроение, 1971 г., стр.56-66.

Турбобур, включающий в себя корпус, соединительные переводники, вал с установленными на нем единичными ступенями турбин, радиальные опоры, шаровые автоматические балансировочные устройства, отличающийся тем, что на валу, рядом с каждой радиальной опорой установлены противовесы, а шаровые автоматические балансировочные устройства размещены в средней части пакета единичных ступеней турбин, при этом одно из шаровых автоматических балансировочных устройств встроено в нижний торец вала со стороны, связанной с валом нижней полумуфты, а внутри вала расположен масляный лубрикатор, в котором через разделитель сред поршень-мембрану производится выравнивание давления через отверстие в валу с полостью рабочей жидкости перед верхней единичной ступенью турбины и с внутренними полостями радиальных опор, снабженных с двух сторон уплотнительными узлами, один из которых выполнен по типу разгрузочного поршня, для создания на валу усилий, обратных по знаку гидравлическим усилиям турбины.