ЕДИНИЧНАЯ СТУПЕНЬ ТУРБИНЫ ТУРБОБУРА Российский патент 2005 года по МПК E21B4/02 F03B13/02 

Изобретения относятся к области бурения нефтяных и газовых скважин гидравлическими забойными двигателями, а именно к турбобурам.

Известны единичные ступени турбины, которые изготавливаются стальным литьем по выплавляемой модели в виде статора и ротора, представляющих собой законченные изделия после механической обработки [1, стр. 53; 2, стр.73].

Недостатками известного устройства являются недостаточно высокий моторесурс единичной ступени турбины при работе на абразивных буровых растворах и нестабильная энергетическая характеристика самой турбины.

Известна также единичная ступень турбины турбобура, содержащая металлические ступицы статора и ротора, в которые концентрично запрессованы венцы статора и ротора, выполненные из литьевой стали [3, стр.44-47, 4, 5]. Изготовление венцов статора и ротора методом точного литья повышает качество изделия и улучшает энергетическую характеристику турбины в целом.

Недостатками известного устройства является следующее.

Во-первых, недостаточно высокий моторесурс единичной ступени турбины, порядка 400-600 часов при работе на буровых растворах, содержащих большой процент твердой фазы.

Во-вторых, при работе на воде и на абразивных буровых растворах скорость потока жидкости в металлических турбинах ограничена 5-8 м/с, так как при увеличении скорости потока жидкости выше указанного значения износ лопаточного аппарата резко интенсифицируется, пропорционально отношению скоростей в кубе, и время работы турбины заметно падает (150-350 часов).

В-третьих, по мере работы металлической турбины в буровом растворе снижаются ее энергетические характеристики. Проведенные промышленные испытания показали, что с самого начала эксплуатации турбобура коэффициент полезного действия турбин снижается на 27-32%, а вращающий момент на 22-32% [3, стр. 46-47].

В-четвертых, металлические турбины не работают на утяжеленных буровых растворах с плотностью ρ ≥ 1700 кг/м³ и при небольших расходах промывочной жидкости Q≤ 20· 10^-3 м³/с (например, в габарите 195 мм). То есть современные турбины не способны полностью использовать все потенциальные возможности, присущие турбинному способу бурения - турбобурам.

В-пятых, в условиях высоких вибраций и периодических перезапрессовках венцов в ступицы разбивается место под прессовую посадку, при этом возможен самопроизвольный поворот венцов.

Целью изобретения является повышение моторесурса проточной части турбины и надежность ее работы.

Указанная цель достигается тем, что в единичной ступени турбины турбобура, содержащей металлические ступицы статора и ротора, в которые концентрично запрессованы венцы статора и ротора, венцы статора и ротора выполнены из износостойкой керамики, при этом венец статора имеет выступы, входящие в пазы, выполненные на ступице статора, ступица ротора имеет буртик для исключения перемещения венца ротора вниз, причем сверху на ступицу ротора устанавливается металлическая втулка-фиксатор, имеющая впадины, а на венце ротора выполнены выступы, входящие во впадины на втулке-фиксаторе для фиксирования венца ротора от поворота и осевых смещений.

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

Во-первых, венцы статора и ротора выполнены из износостойкой керамики, что позволяет весьма существенно, минимум в 10-20 раз, поднять моторесурс проточной части турбины. Полностью снять все ограничения на плотность бурового раствора, расход жидкости, скорость потока жидкости по лопаточному аппарату турбины и наиболее полно использовать потенциальные возможности турбобура.

Во-вторых, венцы статора и ротора дополнительно оснащены соединениями, позволяющими исключить неконтролируемый поворот венцов в ступицах и их самопроизвольное перемещение, что способствует надежному креплению венцов в ступице, исключает самопроизвольный поворот их относительно друг друга под действием вращающего момента, а также их осевое перемещение. Кроме того, утопание керамических венцов относительно ступицы предупреждает их механическое разрушение от действия осевых усилий.

На фиг.1 представлена единичная ступень турбины турбобура с керамическими венцами, на фиг.2 – вид А на фиг.1.

Единичная ступень турбины турбобура содержит ступицу 1 статора и венец 2 статора, выполненный из керамики, а также ступицу 3 ротора, керамический венец 4 ротора и втулку-фиксатор 5.

Поскольку керамика хорошо работает на сжимающие напряжения, венец 2 статора устанавливается в ступице 1 статора на легкопрессовой посадке и своими выступами 6 входит в пазы 7, выполненные на ступице 1 статора.

Венец 4 ротора устанавливается в ступице 3 ротора на ходовых посадках, поскольку керамика очень плохо работает на растягивающие напряжения. Буртик на ступице 3 ротора не позволяет венцу 4 ротора перемещаться вниз. Сверху на ступицу 3 ротора устанавливается втулка-фиксатор 5 по прессовой посадке. Причем впадины 8 на втулке-фиксаторе 5 входят в выступы венца 9 ротора и надежно ограничивают венец 4 ротора от поворота и осевых перемещений.

Работа единичной ступени турбины осуществляется следующим образом.

При движении потока жидкости по лопаткам турбины за счет разности скоростей по “спинке” и “корыту” лопатки возникает разница в давлении. По корыту величина давления больше. Произведение давления на площадь определяет силу, которая создает момент относительно оси турбины. Ротор турбины начинает вращаться, а статор воспринимает реактивный момент.

На статоре реактивный момент с лопаточного аппарата передается на обод статора, затем через легкопрессовую посадку, пазы 7 и выступы 6 на ступицу 1 статора, которая зажимается осевым усилием при сборке в корпусе турбобура. При изготовлении статора необходимо следить, чтобы венец 2 статора располагался своим торцом ниже, чем торец ступицы 1 статора, на 0,5 мм, что позволит исключить его разрушение при сборке.

Когда легкопрессовая посадка в статоре может оказаться нежелательной и приведет к разрушению керамического венца 2, при сборке возможно соединение венца 2 статора и ступицы 1 статора на клею, что предотвратит самопроизвольное перемещение венца 2 относительно ступицы 1 в осевом направлении.

Вращающий момент с лопаточного аппарата ротора передается на внутренний обод ротора, затем через пазы 8 и выступы 9 на металлическую втулку-фиксатор 5, которая устанавливается на прессовой посадке в ступице 3 ротора. Таким образом, осуществляется надежная передача вращающего и реактивного момента с венцов 2 и 4 на ступицы 1 и 3.

Технико-экономическая эффективность от применения керамических венцов очень высока. Практически устанавливаются все недостатки, присущие единичным ступеням турбин, выполненным из металла. Турбина турбобура с керамическими венцами может надежно работать на буровых растворах с высокой плотностью ρ _ж≈_{2700 кг/м³ и расходах промывочной жидкости Q≈ (10-12)· 10^-3 м³/с без всякого снижения энергетической характеристики турбобура в процессе его эксплуатации. Это так называемые качественные показатели, которые могут отразиться на технико-экономических показателях бурового процесса и стоимости одного метра проходки.}

Наиболее ощутимый экономический эффект достигается за счет высокого моторесурса единичной ступени турбины.

Во-первых, определимся с величиной моторесурса. Согласно промысловым данным сопловые аппараты, выполненные из износостойкой керамики ЦМ-332 или ТСМ-303, при скорости истечения 100 м/с имеют стойкость 80 часов. Износ сопла составляет порядка 1 мм. Если предположить, что сопловой аппарат турбины идентичен сопловому аппарату насадки долота и может иметь место износ на уровне 0,25 мм, то в этом случае его моторесус составит 20 часов при скорости 100 м/с.

Как отмечалось выше, скорость потока в турбине ограничена 5-8 м/с. Примем, что скорость по лопаточным аппаратам турбины равна 10 м/с. Тогда стойкость керамических венцов составит

t=20· (100/10)³=20· 1000=20000 часов.

Если применить коэффициент запаса по моторесурсу k=2,0, то гарантированный моторесурс керамической турбины составит 10000 часов, вместо 400-600 часов металлической турбины, то есть в 16,7-25 раз больше. При коэффициенте использования забойного оборудования в бурении в год k=0,125 единичная ступень турбины, оснащенная керамическими венцами, может успешно работать в течение 10 лет. При стоимости серийной единичной ступени турбины точного литья в 375 рублей и с учетом того, что в течение года имеет место смена трех комплектов турбин в количестве 330 ступеней, например в одном трехсекционном турбобуре 3ТСШ1-195, сумма затрат составит 375· 330· 3=371250 рублей. При использовании единичных ступеней турбины, которые оснащены керамическими венцами, таких затрат не будет.

Таким образом, в год на одном турбобуре типа 3ТСШ1-195 без учета затрат на транспортировку от турбинного цеха на буровую и обратно, а также потерь денежных средств на затаскивание, опробование и разборку турбобура прибыль составит минимум 371250 рублей в год. Если полученную прибыль распространить на одно буровое предприятие, имеющее парк турбобуров в 100 штук, то годовой экономический эффект от использования керамических венцов составит минимум 37125000 рублей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. В.П.Грабович. Эксплуатация и ремонт турбобуров, М.: Недра, 1966 г.

2. Ю.В.Вадецкий. Бурение нефтяных и газовых скважин, М.: Недра, 1985 г.

3. Обзорная информация серии “Машины и нефтяное оборудование”, “Конструкции и характеристики современных турбобуров” Ю.Р.Иоаннесян, В.В.Попко, С.А.Симонянц, М.: ВНИИОЭКТ, 1980 г.

4. Авт.свед. СССР №111795 А, кл. Е 21 В 4/02, 1958 г.

5. Патент РФ №2005890 С1, 1994 г.

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин гидравлическими забойными двигателями, а именно к турбобурам. Ступень турбины турбобура состоит из металлических ступиц статора и ротора, в которые концентрично запрессованы венцы статора и ротора. Венцы статора и ротора выполнены из износостойкой керамики и дополнительно оснащены соединениями, позволяющими исключить неконтролируемый проворот венцов в ступицах и их самопроизвольное осевое перемещение. Изобретение обеспечивает повышение моторесурса проточной части турбины и надежность ее работы. 2 ил.

Единичная ступень турбины турбобура, содержащая металлические ступицы статора и ротора, в которые концентрично запрессованы венцы статора и ротора, отличающаяся тем, что, венцы статора и ротора выполнены из износостойкой керамики, при этом венец статора имеет выступы, входящие в пазы, выполненные на ступице статора, ступица ротора имеет буртик для исключения перемещения венца ротора вниз, причем сверху на ступицу ротора установлена металлическая втулка-фиксатор, имеющая впадины, а на венце ротора выполнены выступы, входящие во впадины на втулке-фиксаторе для фиксирования венца ротора от поворота и осевых смещений.