Применение алмазных осевых опор в шпиндельной секции турбобура

Дипломная работа "Применение алмазных осевых опор в шпиндельной секции турбобура", защищалась в 2013 году в РГУ нефти и газа им. Губкина на оценку "хорошо". ...

СОДЕРЖАНИЕ

Содержание 2
Введение 4
Глава 1. Анализ конструкций гидравлических забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин 9
1.1. Анализ конструкций современных турбобуров 9
1.2. Анализ конструкций современных винтовых забойных двигателей 13
Глава 2. Выбор прототипа ГЗД для бурения наклонно-направленных скважин 23
2.1. Описание конструкции прототипа 71
2.2. Краткая техническая характеристика 71
2.3. Принцип действия и устройство прототипа 71
Глава 3. Обоснование необходимой модернизации конструкции прототипа 72
3.1. Характер разрушения основных деталей турбобура 72
3.2. Особенности многоступенчатой турбины 76
Глава 4. Основы теории рабочего процесса турбобура 72
4.1. Основы расчета осевых и радиальных опор 72
4.2. Особенности расчета многоступенчатой турбины 76
Глава 5.Патентные исследования в области усовершенствования турбобуров 72
Глава 6. Расчетная часть 72
6.1. Расчет конструкции скважины 72
6.2. Расчет бурильной колонны 76
6.3. Гидравлический расчет промывки скважины 76
6.4. Расчет вала шпинделя на прочность 76
6.5. Расчет моментов при сборке турбобура 76
6.6. Расчет осевой опоры 76
6.7. Расчет ступени турбобура методом подобия 76
6.8. Компьютерное моделирование в программе SolidWorks Simulation 76
Глава 7. Особенности эксплуатации турбобуров 72
7.1. Оценка работоспособности турбобура 72
7.2. Технологический процесс ремонта турбобуров 72
7.3. Монтаж и испытание турбобуров 72
Глава 8. Технико-экономическое обоснование применения алмазных опор в конструкции турбобура 72
Глава 9. Безопасность и экологичность проекта 72
Литература 87

Сейчас, в новых условиях хозяйствования, особенно необходимо найти такие формы внедрения научно-технического прогресса и реализации инновационного процесса, которые позволят решить наиболее приоритетные задачи в области разработки и рационального использования буровой техники. Таких задач сегодня две: создание принципиально новых конструкций и модернизация конструкций серийно выпускаемого оборудования с целью обновления морально устаревшего парка. Причем особенно актуальной сегодня представляется вторая задача-модернизация и повышение эффективности применения существующих, серийно выпускаемых конструкций, с целью расширения их технологических возможностей применительно к изменяющимся требованиям проводки скважин в различных горно-геологических условиях.

2. Турбобур по п.1, отличающийся тем, что боковые поверхности каждого осевого канала проставочной втулки вала сопрягаются с боковыми поверхностями соответствующего радиального канала проставочной втулки вала.3. Турбобур по п.1, отличающийся тем, что одна из боковых поверхностей каждого осевого канала проставочной втулки вала выполнена параллельно оси проставочной втулки вала, а другая - под углом, причем широкий вход каждого осевого канала проставочной втулки вала обращен в сторону последнего ротора турбины, а суженый выход - в сторону радиального канала проставочной втулки вала.4. Турбобур по п.1, отличающийся тем, что суммарная длина широких входов осевых каналов проставочной втулки вала определяется соотношением(М1+М2+М3+ )=(1,0-0,85)L,где М1+М2+М3+  - длина широкого входа соответственно первого,второго, третьего и др. осевых каналов;L - длина окружности наружной поверхности проставочной втулки вала.5. Турбобур по п.1, отличающийся тем, что наружная поверхность проставочной втулки вала выполнена с минимальным зазором по отношению к внутренней поверхности проставочной втулки корпуса.Особенности конструкции:Исполнение турбобура сокращает эрозионный износ деталей турбобура и увеличивает его надежность и долговечность (большое количество песка до 25%).Увеличивается КПД турбобура за счет снижения завихрений и перепада давлений в гидравлических каналахПовышается надежность турбобура при использовании его на интервалах бурения с повышенными скоростями проходки и большим содержанием песка в промывочной жидкости.Гидравлический забойный двигатель с твердосплавными радиальными опорами скольженияИзобретение относится к устройствам приводов вращения, размещаемых в скважине, и может быть использовано в гидравлических героторных винтовых двигателях и турбобурах для вращения ротора от насосной подачи текучей абразивной среды, в частности с твердосплавными радиальными опорами скольжения шпинделя, снабженного долотом для бурения нефтяных и газовых скважин [6].Известна конструкция вставок (зубков) с поликристаллическими алмазами для долота, слой алмазов PDC (Polycrystalline Diamond Compakt) во вставках долота имеет толщину Z и расположен на определенном расстоянии Е относительно лобовой поверхности корпусных зубчатых лопастей долота, а также на определенном расстоянии Х относительно поверхности корпусной лопасти долота, воспринимающей давление породы на боковую поверхность вставки, при этом параметры связаны соотношением Z/(Х-Е)0,40 (US 7159487, Jan.9, 2007).Недостатком известной конструкции является неполная возможность использования вставок с поликристаллическими алмазами в прокачиваемых буровым раствором радиальных опорах скольжения шпинделей гидравлических забойных двигателей для обеспечения ресурса, по меньшей мере, равного ресурсу долота, что объясняется недостаточной ударной прочностью, а также низкой стойкостью к термическому удару поликристаллических алмазов во вставках вследствие скопления абразивных частиц в радиальной опоре скольжения, разрушения поликристаллических алмазов на поверхностях трения, возникновения вибраций, "прихвата" и разрушения радиальных опор скольжения от воздействия абразивных частиц, например, до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов, содержащихся в полимер - глинистом буровом растворе плотностью 1,15÷1,28 г/см3.Известна опора скольжения [7] для радиальных давлений, предназначенная для шпинделей гидравлических забойных двигателей, содержащая корпус шпинделя с размещенным внутри него валом (для закрепления в резьбе 20 долота), который установлен на радиальных опорах скольжения и осевой многорядной шариковой опоре вращения, при этом радиальная опора скольжения выполнена в виде роторной втулки 142 (или 64) и статорной втулки 146 (или 62) с закрепленными в каждой из них пластинами 66, например, из твердого сплава карбид вольфрама - кобальт, статорная втулка 146 закреплена в корпусе 12 шпинделя, роторная втулка 142 скреплена с валом 26 шпинделя, а часть текучей абразивной среды прокачивается через радиальные опоры скольжения и осевую многорядную шариковую опору качения.В известной конструкции пластины 66, например, из твердого сплава карбид вольфрама - кобальт, скреплены с роторной 142, также со статорной 146 втулками, расположены с радиальным и осевым смещением (в шахматном порядке), а пластины 66 из твердого сплава скреплены с каждой из втулок 142, 146 пропиткой порошка износостойкого материала, например, измельченного литого карбида вольфрама расплавленным металлом-связкой.Недостатком известной опоры скольжения с пластинами из твердого сплава является неполная возможность повышения ресурса и надежности в прокачиваемых буровым раствором радиальных опорах скольжения шпинделя, что объясняется недостаточной ударной прочностью, а также низкой стойкостью к термическому удару материала металлокомпозитных пластин из твердого сплава при воздействии "холодного" бурового раствора на "горячие" рабочие поверхности трения в случае "прихвата", образования на рабочих поверхностях пластин сетки трещин, выкрашивания и отрыва (выпадания) пластин при действии максимальной осевой и радиальных нагрузок (от долота) в изогнутой колонне бурильных труб, при изменении знака осевой нагрузки, действующей на радиальные опоры скольжения, возникновения вибраций, повышенного износа радиальных опор скольжения и разрушения пластин из твердого сплава при радиальных люфтах, определяемых величиной износа, например, в пределах 30÷50% от величины допустимого износа вала шпинделя с долотом в нижней опоре скольжения вследствие скопления абразивных частиц, например, до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов в полимер - глинистом буровом растворе плотностью 1,16÷1,26 г/см3 на поверхностях связки-припоя между пластинами 66 из твердого сплава.Известна твердосплавная опора скольжения [8], предназначенная для шпинделей гидравлических забойных двигателей, которая выполнена в виде роторной или статорной втулок с закрепленными в каждой из них пластинами, например, из твердого сплава карбид вольфрама-кобальт, пластины выполнены в форме параллелепипеда, стороной основания расположены вдоль образующей и в шахматном порядке на определенном расстоянии друг от друга, а также скреплены с каждой из втулок и между собой пропиткой порошка износостойкого материала, например, измельченного литого карбида вольфрама расплавленным металлом-связкой.Недостатком известной опоры скольжения с пластинами из твердого сплава является неполная возможность повышения ресурса и надежности в прокачиваемых буровым раствором радиальных опорах скольжения шпинделя, что объясняется недостаточной ударной прочностью, а также низкой стойкостью к термическому удару материала металлокомпозитных пластин из твердого сплава при воздействии "холодного" бурового раствора на "горячие" рабочие поверхности трения в случае "прихвата", образования на рабочих поверхностях пластин сетки трещин, выкрашивания и отрыва (выпадания) пластин при действии максимальной осевой и радиальных нагрузок (от долота) в изогнутой колонне бурильных труб, при изменении знака осевой нагрузки, действующей на радиальные опоры скольжения, возникновения вибраций, повышенного износа радиальных опор скольжения и разрушения пластин из твердого сплава при радиальных люфтах, определяемых величиной износа, например, в пределах 30÷50% от величины допустимого износа вала шпинделя с долотом в нижней опоре скольжения вследствие скопления абразивных частиц, например, до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов в полимер - глинистом буровом растворе плотностью 1,16÷1,26 г/см3 на поверхностях связки-припоя 4 между пластинами 3 из твердого сплава.Наиболее близким к заявляемой конструкции является гидравлический забойный двигатель с твердосплавными радиальными опорами скольжения [9], содержащий корпус двигателя с размещенным внутри него ротором, вращение которого осуществляется насосной подачей текучей среды, а также корпус шпинделя с размещенным внутри него валом, который установлен на осевой и радиальных опорах скольжения, вал шпинделя соединен приводным валом с ротором двигателя, радиальная опора скольжения шпинделя выполнена в виде роторной 26 (33) и статорной 3 (4) втулок с закрепленными в каждой из них пластинами 39 из твердого сплава, например, из карбида вольфрама, а пластины 39 из твердого сплава скреплены с каждой из втулок пропиткой порошка износостойкого материала, например, измельченного литого карбида вольфрама расплавленным металлом-связкой, статорные втулки 3 закреплены в корпусе 1 шпинделя, роторные втулки 26 скреплены с валом 6 шпинделя, а часть текучей среды прокачивается через осевую и радиальные опоры скольжения шпинделя.Недостатком известной опоры скольжения с пластинами 39 из твердого сплава является неполная возможность повышения ресурса и надежности в прокачиваемых буровым раствором радиальных опорах скольжения шпинделя, что объясняется недостаточной ударной прочностью, низкой стойкостью к термическому удару материала металлокомпозитных пластин 39 из твердого сплава при воздействии "холодного" бурового раствора на "горячие" рабочие поверхности трения в случае "прихвата", образования на рабочих поверхностях пластин 39 сетки трещин, выкрашивания и отрыва (выпадания) пластин при действии максимальной осевой и радиальных нагрузок (от долота) в изогнутой колонне бурильных труб, при изменении знака осевой нагрузки, действующей на радиальные опоры скольжения, возникновения вибраций, повышенного износа радиальных опор скольжения и разрушения пластин 39 из твердого сплава при радиальных люфтах, определяемых величиной износа, например, в пределах 30÷50% от величины допустимого износа вала шпинделя с долотом в нижней опоре скольжения вследствие скопления абразивных частиц, например, до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов в полимер - глинистом буровом растворе плотностью 1,16÷1,26 г/см3, на поверхностях связки-припоя между пластинами 39 из твердого сплава, показано на фиг.1А, 1В, 1C.При этом бурение изогнутых наклонно направленных и горизонтальных скважин при радиальных люфтах, определяемых величиной износа, например, в пределах 42÷58% (0,39÷0,85 мм) от величины допустимого износа вала шпинделя с долотом в нижней опоре скольжения с пластинами из твердого сплава уже не допускается вследствие невозможности компенсации положительных и отрицательных выбросов динамических колебаний осевой нагрузки на долото и поддержания оптимальной осевой нагрузки на долото путем сохранения текущих значений осевой нагрузки без потери устойчивости наклонно направленной изогнутой колонны бурильных труб и обеспечения параметров кривизны ствола скважины.Недостатки известной конструкции объясняются узким градиентом мгновенных температур термического удара материала металлокомпозитных пластин из твердого сплава, в частности ограничены градиентом температур (15÷25)°С, а при расширении градиента мгновенных температур термического удара на поверхности пластин образуется первичная сетка трещин, концентраторов напряжений и выкрашиваний.Недостатки известной конструкции объясняются также большим значением коэффициента напряжения радиальной опоры скольжения в корпусе шпинделя (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению), по существу, равного 7-9, а также большой вероятностью возникновения вибраций, термического удара пластин из твердого сплава при воздействии "холодного" бурового раствора на "горячие" рабочие поверхности трения в случае "прихвата", образования на рабочей поверхности сетки трещин, выкрашивания и отрыва (выпадания) пластин при действии максимальной осевой и радиальных нагрузок (от долота) в изогнутой колонне бурильных труб, при изменении знака осевой нагрузки, действующей на радиальные опоры скольжения, при использовании двигателя в горизонтальных управляемых компоновках низа бурильной колонны, на участках изменения кривизны наклонной скважины, преимущественно в режиме максимальной мощности.Техническая задача заключается в повышении ресурса и надежности гидравлического забойного двигателя с твердосплавными радиальными опорами скольжения шпинделя с размещенным внутри него валом, который установлен на осевой и радиальных опорах скольжения, каждая радиальная опора скольжения шпинделя выполнена в виде роторной и статорной втулок с закрепленными в каждой из них пластинами из твердого сплава, например, из карбида вольфрама, а пластины из твердого сплава скреплены с каждой из втулок пропиткой порошка износостойкого материала, например измельченного литого карбида вольфрама расплавленным металлом-связкой, за счет повышения ударной прочности, повышения стойкости к термическому удару пластин из твердого сплава при воздействии "холодного" бурового раствора на "горячие" рабочие поверхности трения в случае "прихвата", предотвращения образования на рабочей поверхности сетки трещин, выкрашивания и отрыва (выпадания) пластин при действии максимальной осевой и радиальных нагрузок (от долота) в изогнутой колонне бурильных труб, при изменении знака осевой нагрузки, действующей на радиальные опоры скольжения.Другая техническая задача заключается в уменьшении амплитуды резонансных колебаний вала шпинделя за счет демпфирования резонансных колебаний ротора двигателя, приводного вала и вала шпинделя при радиальных люфтах, определяемых величиной износа, например, в пределах 30÷50% (0,33÷0,75 мм) от величины допустимого износа вала шпинделя с долотом в нижней опоре скольжения с пластинами из твердого сплава.Другая техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в обеспечении экономического преимущества:уменьшения стоимости твердосплавных радиальных опор скольжения шпинделя за счет уменьшения толщины твердосплавных пластин, унификации твердосплавных пластин и использования пластин минимальной, например, равной половине длины в каждом продольном ряду твердосплавных пластин с одного края радиальной опоры.Сущность технического решения заключается в том, что в гидравлическом забойном двигателе с твердосплавными радиальными опорами скольжения, содержащем корпус двигателя с размещенным внутри него ротором, вращение которого осуществляется насосной подачей текучей среды, а также корпус шпинделя с размещенным внутри него валом, который установлен на осевой и радиальных опорах скольжения, вал шпинделя соединен приводным валом с ротором двигателя и скреплен с долотом, каждая радиальная опора скольжения шпинделя выполнена в виде роторной и статорной втулок с закрепленными в них окружными и/или продольными рядами пластин, например, из твердого сплава карбид вольфрама-кобальт, а пластины из твердого сплава скреплены с каждой из втулок пропиткой порошка износостойкого материала расплавленным металлом-связкой, статорные втулки закреплены в корпусе шпинделя, роторные втулки скреплены с валом шпинделя, а часть текучей среды прокачивается через радиальные и осевую опоры скольжения шпинделя, согласно изобретению, в поперечных сечениях, по меньшей мере, одной из радиальных опор скольжения, проходящих через каждую твердосплавную пластину продольного ряда, число твердосплавных пластин в роторной втулке на единицу меньше числа твердосплавных пластин в статорной втулке, а в каждом продольном ряду твердосплавных пластин с одного края радиальной опоры скольжения закреплена твердосплавная пластина, длина которой выполнена минимальной, при этом на каждом из краев радиальной опоры скольжения в окружном направлении по обе стороны от каждой целой твердосплавной пластины закреплены две твердосплавных пластины, длины которых выполнены минимальными, а на противоположном от целой пластины крае радиальной опоры скольжения в этом продольном ряду длина пластины выполнена минимальной, при этом толщина Х каждой твердосплавной пластины и толщина У роторной, а также статорной втулок в месте крепления твердосплавных пластин связаны соотношением Х=(0,045÷0,111)У.Площадь F1 контактирующего торца каждой твердосплавной пластины в роторной, а также в статорной втулках и площадь F2 основания каждой твердосплавной пластины, скрепляемой с роторной, а также со статорной втулкой спеченным порошком связки-припоя, связаны соотношением F1=(0,61÷0,86) F2.Каждая твердосплавная пластина минимальной длины L и длина L1 каждой целой твердосплавной пластины связаны соотношением L=(0,45÷0,77)L1.Расстояния между направленными друг к другу боковыми сторонами смежных твердосплавных пластин, а также между направленными друг к другу торцами смежных твердосплавных пластин выполнены равными ширине твердосплавных пластин.Расплавленный порошок связки-припоя для крепления пластин из твердого сплава содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: Ni 32÷47, Fe 2, Cr 7÷14, Si 2, WC остальное, при этом твердость материала, образованного пропиткой твердого сплава компонентами связки-припоя, составляет (52÷65) HRC.Выполнение твердосплавных радиальных опор скольжения (нижней и верхней) шпинделя гидравлического забойного двигателя таким образом, что в поперечных сечениях, по меньшей мере, одной из радиальных опор скольжения, проходящих через каждую твердосплавную пластину продольного ряда, число твердосплавных пластин в роторной втулке на единицу меньше числа твердосплавных пластин в статорной втулке, а в каждом продольном ряду твердосплавных пластин с одного края радиальной опоры скольжения закреплена твердосплавная пластина, длина которой выполнена минимальной, при этом на каждом из краев радиальной опоры скольжения в окружном направлении по обе стороны от каждой целой твердосплавной пластины закреплены две твердосплавных пластины, длины которых выполнены минимальными, а на противоположном от целой пластины крае радиальной опоры скольжения в этом продольном ряду длина пластины выполнена минимальной, при этом толщина Х каждой твердосплавной пластины и толщина У роторной, а также статорной втулок в месте крепления твердосплавных пластин связаны соотношением Х=(0,045÷0,111)У, повышает ресурс и надежность гидравлического забойного двигателя с твердосплавными радиальными опорами скольжения шпинделя с размещенным внутри него валом, который установлен на осевой и радиальных опорах скольжения, каждая радиальная опора скольжения шпинделя выполнена в виде роторной и статорной втулок с закрепленными в каждой из них пластинами, например, из твердого сплава карбид вольфрама-кобальт, за счет повышения ударной прочности, повышения стойкости к термическому удару пластин из твердого сплава при воздействии "холодного" бурового раствора на "горячие" рабочие поверхности трения в случае "прихвата", предотвращения образования на рабочей поверхности сетки трещин, выкрашивания и отрыва (выпадания) пластин при действии максимальной осевой и радиальных нагрузок (от долота) в изогнутой колонне бурильных труб, при изменении знака осевой нагрузки, действующей на радиальные опоры скольжения, предотвращения вибраций радиальных опор скольжения.Такое выполнение, например, нижней твердосплавной радиальной опоры скольжения шпинделя гидравлического забойного двигателя расширяет, по существу, в 3÷5 раз градиент мгновенных температур термического удара в материале металлокомпозитных пластин из твердого сплава при воздействии "холодного" бурового раствора на "горячие" рабочие поверхности трения в случае "прихвата", при этом обеспечивается градиент (155÷175)°С мгновенных температур термического удара.Такое выполнение твердосплавных радиальных опор скольжения (нижней и верхней) шпинделя гидравлического забойного двигателя обеспечивает также уменьшение амплитуды резонансных колебаний вала шпинделя за счет демпфирования резонансных колебаний ротора двигателя, приводного вала и вала шпинделя при радиальных люфтах, определяемых величиной износа, например, в пределах 30÷50% (0,33÷0,75 мм) от величины допустимого износа вала шпинделя с долотом в нижней опоре скольжения с пластинами из твердого сплава.