Забойные двигатели

Забойный двигатель – привод породоразрушающего инструмента. Он отличается от ротора, тем, что являются погружным оборудованием – его монтируют не на поверхности, а на забое, над долотом. Использование забойного двигателя вместо ротора сокращает финансовые затраты на бурение и расход энергии, ускоряет работы и повышает безопасность. Этим обусловлено их использование в 80% буровых работ в сфере добыче углеводородов.

История развития

Возможность использования забойных двигателей рассматривалась с конца XIX в. Первый вариант в виде одноступенчатого турбобура проходил испытания в 20 гг. в СССР, но не получил развития из-за недостаточной надежности. Чуть позже также безуспешно испытывали прототип многоступенчатого турбобура с редуктором. Первый удовлетворительный вариант появился в 30-40 гг. в СССР. Это был многоступенчатый турбобур с шарикоподшипниковой опорой, замененной позднее на резинометаллическую. Несмотря на быстрый износ долот и относительно невысокую скорость бурения, этот забойный двигатель был принят во второй половине 40 гг. и получил широкое распространение. Первый электробур был создан почти в то же время – к началу 40 гг. В 60 гг. начали разработку винтовых вариантов, и к концу десятилетия были испытаны первые экземпляры.

Классификация

В систематике забойных двигателей используется несколько критериев. 2 основных базируются на особенностях функционирования.

По используемой энергии.

• Гидравлические.
• Электрические.
• Пневматические.

По механизму функционирования.

• Вращательные.
• Ударные.

Устройство

Особенности конструкции забойных двигателей определяются механизмом функционирования и используемой энергией. Так, основные функциональные элементы для вращательных моделей представлены ротором и статором, для ударных – поршнем и молотком. Конструктивные отличия забойных двигателей, использующих разные типы энергии, рассмотрены далее.

Гидравлические

Гидравлические забойные двигатели дифференцируют на турбины (турбобуры) и варианты объемного действия (винтовые).
Турбобуры представлены в одно- и многоступенчатых вариантах. Основной конструктивный элемент универсален – унифицированная шпиндельная секция. Она включает верхний и нижний переводники, корпус с пакетами турбины и статоров гидротормоза. У нее отсутствует осевая опора – вместо этого она находится в шпиндельной секции. Различные модели отличаются числом секций, диаметром, конструкцией и расположением опор, устройством турбинных агрегатов. В многосекционных вариантах валы секций соединяют конусными или шлицевыми муфтами.

Принцип функционирования состоит в приводе гидравлической энергией вала, соединенного через вал шпинделя с долотом. Ступени турбины включают статор и ротор. Оба имеют лопатки, установленные под углом друг к другу. Это обеспечивает возникновение противоположно направленных вращающих сил на лопастях статора и ротора в результате давления на них потока жидкости, поступающей из каналов статора на ротор. В результате поток меняет направление и возвращается от ротора к статору следующей ступени, откуда вновь поступает на ротор следующей. Таким образом, раствор под давлением бурового насоса проходит через все ступени турбины вдоль ее оси. Активный вращающий момент, формируемый всеми роторами, суммируется на валу, а реактивный, создаваемый статорами – на корпусе. Первый передается долоту, второй – бурильной колонне.

Бурение углеводородных скважин осуществляется преимущественно трехшарошечными долотами, оптимальная производительность которых достигается в определенном диапазоне частот вращения. Это вынуждает подгонять турбинные забойные двигатели под породоразрушающий инструмент, чем объясняется их многообразие.

Турбобуры подразделяют по соотношению рабочих параметров.

• Низколитражные. Характеризуются максимальной мощностью и высокими показателями напора, вращающего момента, частоты вращения.
• Среднелитражные. Обладают максимальным вращающим моментом при средней частоте вращения и высоком расходе жидкости.
• Высоколитражные. Отличаются максимальным соотношением вращающего момента и частоты вращения при низком втором показателе и высоком расходе жидкости.

К тому же выделяют специализированные модификации. Среди них – турбобур для бурения с отбором проб (турбодолото), представленный 1- или 2-секционным двигателем с пустотелым валом и осевой опорой. Для наклонных скважин используют укороченные варианты, допускающие увеличенный угол установки.

Наконец, существуют реактивно-турбинные агрегаты, включающие несколько запараллеленных турбобуров: 2 для верхних интервалов скважин, 3-4 для горнорудных работ.

Ввиду затраты значительной части энергии бурового насоса на привод долота приходится использовать альтернативные подходы для разрушения и очистки забоя. Так, с турбобурами невозможно использовать гидромониторные долота. Это основной недостаток этих устройств.

Винтовой двигатель включает статор и эксцентрично размещенный винтовой ротор. Ротор совершает планетарные движения по статору, следовательно, его ось движется по окружности. Шпиндель по конструкции тот же, что для турбобура.
По принципу функционирования винтовые двигатели относят к объемным роторным машинам. Основные функциональные элементы разделяют рабочий объем на полости. Те из них, что взаимодействуют с областями высокого и низкого давления, называют камерами, а замкнутые – шлюзами. При вращении камеры взаимодействуют с областями высокого и низкого давления и превращаются в шлюзы. На протяжении одного шага разобщаются камеры выше и ниже рабочих органов. Пересекаясь зубья ротора и статора отделяют области высокого и низкого давления жидкости, предотвращая сообщение. Перепад давления жидкости формирует вращающий момент, прямо пропорциональный его величине. Таким образом, винтовой двигатель по принципу функционирования аналогичен поршневому гидравлическому. Роль поршня, движущегося по винтовой линии вдоль оси ротора, выполняют отсекающие поверхности ротора.

Передаточные числа определяются соотношением количества зубьев статора и ротора. Варианты со значением 1:2 характеризуются максимальной частотой вращения при минимальном вращающем моменте. С ростом заходов сокращается частота вращения и возрастает вращающий момент. Многозаходные модели отличаются меньшим механическим и общим КПД и большей нагрузочной способностью.

К основным параметрам винтовых двигателей относят передаточное число, перепад давления, расход жидкости. Максимальный вращающий момент соответствует режиму торможения, максимальная частота вращения – холостому ходу. Оптимальным считают режим максимального КПД, а эффективным – режим максимальной мощности. Обычно они не совпадают, поэтому рабочий режим находится между ними и расширяется с повышением расхода раствора.
К достоинствам винтовых двигателей относят простоту конструкции, обусловленную отсутствием распределителей потока, и надежность, обеспечиваемую отсутствием трущихся элементов. К тому же постоянное изменение положения линии контакта функциональных элементов позволяет удалять абразивные частицы буровым раствором. Однако износ существенно сказывается на характеристиках ввиду утраты герметичности рабочей пары и утечек.

Электрические

Электрические модели представлены маслонаполненными электродвигателями трехфазного переменного тока. Они заключены в цилиндрические герметичные корпуса и имеют секционную конструкцию. Корпус статора представлен трубкой с чередующимися пакетами магнитной и немагнитной стали. Ротор состоит из насаженных на пустотелый вал пакетов немагнитной стали с алюминиевой обмоткой в пазах. Каждый из них представляет собой короткозамкнутый ротор. Пакеты разделены радиальными шарикоподшипниками. Таким образом, электрический забойный двигатель представляет совокупность нескольких последовательно установленных на валу короткозамкнутых двигателей. К нижней части корпуса присоединен шпиндель. Для снижения частоты вращения последнего в некоторых моделях его отделяют от двигателя планетарным редуктором.

Электроэнергия подается с поверхности по кабелю, проложенному в бурильной колонне. Использование электрического забойного двигателя определяет отличную схему электроснабжения буровой установки. Здесь применяют силовой трансформатор с 2 вторичными обмотками. Одна из них – индивидуальная для электробура. Вторая служит для привода лебедки и ротора. К тому же используется дополнительное комплектное устройство, служащее для мониторинга рабочих параметров и защиты электробура. Как и в роторном бурении, буровой раствор используется для очистки забоя. Электродвигатель защищен от его попадания внутрь.

В сравнении с гидравлическими забойными двигателями основным преимуществом электрических считают независимость рабочих параметров от условий функционирования: нагрузки на долото, глубины скважины, количества и особенностей бурового раствора. Это обеспечивает постоянство частоты вращения. К тому же электробуры отличаются большей устойчивостью к перегрузкам, возможностью контроля рабочих параметров, кривизны и отклонения с поверхности. К недостаткам относят сложность конструкции и необходимость подачи электрической и гидравлической энергии к забою.

Пневматические

Пневматическую энергию используют в забойных двигателях ударного типа, называемых пневмоударниками. Существуют альтернативные модели на гидравлической энергии – гидроударники. Такие устройства подходят для бурения шпуров и скважин на твердые полезные ископаемые глубиной до 1,5 км.

Принцип функционирования состоит в придании молотку поршнем за счет перепуска газа или жидкости возвратно-поступательных движений. Различные варианты конструкции предполагают использование энергии для прямого и обратного хода поршня или одного из них.