Забойные двигатели для направленного бурения. Типы, ограничения

Забойный двигатель - погружная машина, преобразующая гидравлическую, пневматическую или электрическую энергию, подводимую с поверхности, в механическую работу породоразрушающего инструмента (долота) при бурении скважин. Энергия к забойному двигателю подводится от источника по колонне бурильных труб или кабелю. Преобразование подведённой энергии в механическую работу осуществляется в рабочих органах забойного двигателя. По типу движения, сообщаемого породоразрушающему инструменту, различают забойные двигатели вращательные и ударные, по виду энергоносителя - гидравлические, пневматические и электрические, по особенностям породоразрушающего инструмента - для бурения сплошным забоем и колонковые, по конструкции - одинарные, секционные, шпиндельные, редукторные и т.п.

Наиболее существенно отличаются по устройству и принципу действия забойные двигатели вращательного (турбобур, винтовой забойный двигатель и электробур) и ударного типов (гидро- и пневмоударник). Рабочим органом забойного двигателя вращательного типа является система статор-ротор.

Статор фиксирован от проворота в корпусе забойного двигателя, а ротор - на валу. Корпус забойного двигателя соединён с колонной бурильных труб, вал - с долотом. Энергоноситель в рабочих органах забойного двигателя вращательного типа создаёт на роторе и статоре моменты силы, равные по величине и противоположные по направлению (так называемый активный и реактивный моменты). Активный момент используется на вращение долота, реактивный момент воспринимается колонной бурильных труб и гасится на стенках скважин и в приводных механизмах, размещённых на поверхности. Основные элементы забойного двигателя вращательного типа, помимо рабочих органов: осевая и радиальные опоры, уплотнение выхода вала.

ТУРБОБУР представляет собой многоступенчатую гидравлическую турбину, к валу которой непосредственно или через редуктор присоединяется долото. Каждая ступень турбины состоит из диска статора и диска ротора.

В статоре, жестко соединенном с корпусом турбобура, поток бурового раствора меняет свое направление и поступает в ротор, где отдает часть своей гидравлической мощности на вращение лопаток ротора относительно оси турбины. При этом на лопатках статора создается реактивный вращающий момент, равный по величине и противоположный по направлению вращающему моменту ротора. Перетекая из ступени в ступень буровой раствор отдает часть своей гидравлической мощности каждой ступени. В результате вращающие моменты всех ступеней суммируются на валу турбобура и передаются долоту. Создаваемый при этом в статорах реактивный момент воспринимается корпусом турбобура и БК.

Турбобуры применяются при бурении вертикальных и наклонных скважин малой и средней глубины без гидромониторных долот. Применение гидромониторных долот невозможно по тем причинам, что через нижнюю радиальную опору (ниппель) даже при незначительном перепаде давления протекает 10 – 25% бурового раствора.

В разведочном бурении для отбора керна в полом валу Т. размещается съёмная грунтоноска. Для бурения в условиях борьбы с кривизной ствола скважины используют Т. с вращающимся корпусом.

ВИНТОВОЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ - гидравлический забойный двигатель объёмного типа, рабочие органы которого выполнены по схеме планетарного механизма, приводимого в действие за счёт энергии промывочной жидкости. Многозаходный винтовой забойный двигатель - героторный планетарный механизм, статор которого выполнен в виде стального цилиндра с привулканизированным к его внутренней поверхности многозаходным резиновым винтом.

Ротор (однозаходный или многозаходный винт с числом заходов, на единицу меньшим, чем у винта статора) расположен внутри статора. Под давлением промывочной жидкости ротор, обкатываясь по внутренней поверхности статора, совершает планетарное движение, которое через универсальные шарниры передаётся валу шпинделя, вращающему породоразрушающий инструмент. Диаметр винтового забойного двигателя 54-195 мм, частота вращения около 2-6 с-1, вращающий момент 80-5000 Нм, перепад давления 4-6 МПа, расход промывочной жидкости 0, 0015-0, 036 м3/с и более. Наиболее эффективны винтовые забойные двигатели при проходке глубинных интервалов.

ЭЛЕКТРОБУР - забойная буровая машина с погружным электродвигателем, предназначенная для бурения глубоких скважин, преимущественно на нефть и газ. Идея электробура для ударного бурения принадлежит русскому инженеру В. И. Делову (1899). Электробур состоит из маслонаполненного электродвигателя и шпинделя. Мощность трёхфазного электродвигателя зависит от диаметра электробура и составляет 75-240 кВт. Для увеличения вращающего момента электробура применяют редукторные вставки, монтируемые между двигателем и шпинделем и снижающие частоту вращения до 350, 220, 150, 70 об/мин. Частота вращения безредукторного электробура 455-685 об/мин. Длина электробура 12-16 м, наружный диаметр 164-290 мм.

При бурении электробур, присоединённый к низу бурильной колонны, передаёт вращение буровому долоту. Электроэнергия подводится к электробуру по кабелю, смонтированному отрезками в бурильных трубах. При свинчивании труб отрезки кабеля сращиваются специальными контактными соединениями. К кабелю электроэнергия подводится через токоприёмник, скользящие контакты которого позволяют проворачивать колонну бурильных труб. Для непрерывного контроля пространственного положения ствола скважины и технологических параметров бурения при проходке наклонно направленных и разветвлённо-горизонтальных скважин используется специальная погружная аппаратура (в том числе телеметрическая). При бурении электробуром очистка забоя осуществляется буровым раствором, воздухом или газом.