Забойные двигатели

В современной буровой технике используются два основных способа бурения скважин для добычи и разведки полезных ископаемых: роторное и турбинное. При роторном бурении долото приводится во вращение вместе со всей бурильной колонной с помощью ротора, установленного на поверхности над устьем скважины, а при турбинном – забойными двигателями, установленными в нижней части бурильной колонны непосредственно над долотом.

Главное условие высокоэффективного бурения при этом состоит в обеспечении большого крутящего момента при относительно невысокой скорости вращения бурового инструмента.

Обеспечить данное условие при роторном бурении не представляет особых затруднений, однако его недостатком является резкое возрастание энергозатрат на вращение бурильной колонны с увеличением глубины скважины, что ограничивает возможности его применения. При бурении же забойными двигателями энергозатраты на его осуществление от глубины скважины практически не зависят, вследствие чего оно широко применяется при глубинном бурении.

Забойные двигатели могут быть гидравлическими и электрическими. Среди гидравлических двигателей наиболее известны многоступенчатые турбины, называемые турбобурами, и двигатели объёмного действия или винтовые. Электрические забойные двигатели или электробуры представляют собой маслонаполненные трехфазные двигатели переменного тока.

Основными частями известных гидравлических забойных двигателей являются статор и ротор.

В современных турбобурах статор и ротор установлены соосно друг другу и выполнены в виде безредукторных многоступенчатых осевых турбин. Ступени турбины в них установлены последовательно и состоят из направляющего аппарата, жёстко связанного с корпусом статора, и рабочих лопаток, равномерно размещённых по периметру ротора. Лопатки ротора и направляющего аппарата при этом установлены под углом друг к другу.

В винтовых двигателях статор и ротор представляют собой как бы винтовую пару с внутренним зацеплением и винтовыми зубьями, в которой число зубьев статора на один больше числа зубьев ротора, а ротор установлен эксцентрично относительно оси статора. Для соединения ротора с валом шпинделя или долота, соосных статору, служит двухшарнирная шаровая муфта, компенсирующая эксцентриситет.

Кроме упомянутых типов известны также турбовинтовые двигатели, представляющие собой сочетание низкооборотного винтового механизма с быстроходной турбиной, а также двигатели, в которых для создания крутящего момента при протекании через них рабочей жидкости в статоре и роторе выполняются разного рода полости и вырезы, винтовые каналы и лопасти, фигурные выступы и прочие элементы, образующие рабочие камеры переменного объёма, которые при этом могут снабжаться впускными и выпускными клапанами или золотниковыми устройствами /1-7/.

Указанные забойные двигатели наряду с присущими им достоинствами имеют весьма существенные недостатки, подробный анализ которых проведен ниже.

Главным недостатком электрических забойных двигателей является необходимость подачи в забой кроме электрической энергии рабочей жидкости для выноса на поверхность продуктов бурения, что существенно ограничивает возможности их применения.

Наиболее существенными недостатками известных турбобуров являются неудовлетворительное по современным требованиям соотношение крутящего момента и частоты вращения вала ротора, высокий перепад давления, требующийся для обеспечения их работы, большая длина. Указанные недостатки обусловлены тем, что крутящий момент в каждой ступени турбины создаётся за счёт изменения количества движения протекающей через неё рабочей жидкости, вследствие чего, как и частота вращения турбины, изменяется пропорционально её расходу. Поскольку образующийся при этом на каждой ступени турбины крутящий момент мал, то вследствие их последовательного расположения получить в указанном двигателе суммарный крутящий момент необходимой величины возможно только путём многократного увеличения числа её ступеней, что неизбежно приводит к значительному увеличению его длины и необходимости повышения суммарного перепада давления подаваемой в двигатель рабочей жидкости до очень высоких значений. Скорость вращения вала ротора при этом также существенно возрастает.

Винтовые двигатели имеют лучшее соотношение крутящего момента и частоты вращения вала ротора и меньшую длину, чем турбобуры, однако для обеспечения их запуска и создания необходимой мощности требуются высокий перепад давления и большой расход рабочей жидкости. К их существенным недостаткам следует отнести также наличие поперечных вибраций, создаваемых эксцентрично вращающимся ротором и приводящих к быстрому износу радиальных опор.

Наиболее существенными недостатками остальных гидравлических двигателей являются, как правило, сложность конструкции, малый крутящий момент, неравномерность изменения объёмов рабочих камер, приводящая к пульсирующему характеру подачи рабочей жидкости в двигатель, особенно в конструкциях, оснащаемых впускными и выпускными клапанами или золотниковыми устройствами.

Из сказанного следует, что основной причиной, которая предопределяет отмеченные выше недостатки существующих гидравлических забойных двигателей, является последовательная подача рабочей жидкости в их рабочие камеры. Устранение указанной причины и обусловленных ею недостатков возможно путем создания забойных двигателей с параллельной подачей рабочей жидкости в рабочие камеры.

Нами предложен такой гидравлический забойный двигатель, на который получено два патента. Упомянутый тип двигателя обладает целым рядом достоинств, позволяющих рассчитывать на его широкое практическое использование, в частности:

Список использованных источников

  1. Ильский А.Л., Шмидт А.П. Буровые машины и механизмы., М., Недра, 1989 г.
  2. Патент РФ №2166054 по кл. Е21 В 4/02.
  3. Патент РФ №2181851 по кл. Е21 В 4/02.
  4. Патент РФ №2200814 по кл. Е21 В 4/02.
  5. Патент РФ №2200815 по кл. Е21 В 4/02.
  6. Патент РФ №2203380 по кл. Е21 В 4/02.
  7. Патент РФ №2283936 по кл. Е21 В 4/02.
  8. Авторское свидетельство СССР SU № 1313997 по кл. Е 21 В 4/00, 1987 г.
  9. Авторское свидетельство СССР № 569692 по кл. Е 21 В 4/02, 1975 г.