Результат интеллектуальной деятельности: ТУРБОБУР

Изобретение относится к буровой технике, а именно к турбобурам, применяемым при бурении скважин.

Известен турбобур, содержащий узел осевой опоры и турбинные секции с размещенными в них ступенями силового устройства и ступенями гидродинамического торможения [а.с. N 299176, E 21 В 4/02, 15.04.90].

К недостаткам такого турбобура следует отнести то, что число ступеней в турбинных секциях устанавливается произвольно, что непосредственно не связано с оптимальным режимом бурения, а это в свою очередь снижает эффективность углубления скважины.

Известен так же турбобур, включающий узел осевой опоры и турбинные секции с размещенными в них ступенями силового устройства и ступенями гидродинамического торможения, число которых определяется по осевой нагрузке на осевые опоры [Малышев Д.Г. Регулирование турбобуров. - М.: Недра, 1985, c. 10].

Недостатком является то, что параметры турбобура выбираются при постоянной осевой нагрузке, соответствующей экстремальному режиму, тогда как для устойчивой работы турбобура параметры режима его работы необходимо выбирать в узком диапазоне изменения осевой нагрузки и частоты вращения в соответствии с постоянно меняющимися геолого-техническими условиями бурения.

Задача состоит в повышении эффективности углубления скважин.

Техническим результатом настоящего изобретения является получение оптимальных значений крутящего момента и частоты вращения вала турбобура для конкретных геолого-технических условий.

Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что в турбобуре, содержащем узел осевой опоры и турбинные секции с размещенными в них ступенями силового устройства и ступенями гидродинамического торможения, число ступеней силового устройства (K_c) и ступеней гидродинамического торможения (K_гт) в турбинных секциях определяется по формулам




где M_т - результирующий суммарный вращающий момент на валу турбобура при тормозном режиме, кгс·м;
n_х - результирующая частота вращения вала турбобура при холостом режиме, об/мин;
Δ M_с - вращающий момент одной ступени силового устройства при максимальной мощности (кгс·м) и частоте вращения n_с (об/мин);
Δ M_гт - затормаживающий момент одной ступени гидродинамического торможения (кгс·м) при частоте n_гт (об/мин);
n₁, n₂ - устанавливаемый диапазон изменения частоты вращения (об/мин) при изменении осевой нагрузки от G₁ до G₂ (тс);
M_уд1, M_уд2 - удельные моменты на долоте (кгс·м/тс) при частотах вращения, соответственно, n₁ и n₂ (об/мин), принимаемые как функция f (n) и определяемые по формуле:

где K - коэффициент, учитывающий типоразмер долота;
M_тр1, M_тр2 - затраты момента на холостое вращение долота в скважине и преодоление сил трения в узле осевой опоры турбобура (кгс·м) соответственно при частотах вращения n₁ и n₂ (об/мин);
Для обеспечения устойчивой работы турбобура при заданных параметрах режима бурения G₁ и n₁ необходимо иметь запас момента на валу, что обеспечивается возможностью воспринимать турбобуром увеличенную нагрузку на долото G₂ при снижении частоты вращения на величину n₂.

Рекомендуется принимать значения G₂-G₁= 0,5 -1 тс и n₁-n₂ = 50 -100 об/мин.

Параметры ступеней активного устройства и ступеней гидродинамического торможения рассчитываются при выбранном расходе жидкости Q плотностью ρ.
Чтобы обеспечить равномерную работу каждой турбинной секции, ступени активного устройства и гидродинамического торможения распределяются равномерно в каждой турбинной секции так, что частоты вращения вала и вращающие моменты равны между собой.

На чертеже показана схема турбобура.

Турбобур содержит узел осевой опоры l, i-е количество турбинных секций 2 с размещенными в них ступенями гидродинамического торможения 3 количеством K_гт, определяемым по формуле (2), и ступенями силового устройства 4 количеством K_с, определяемым по формуле (1). В каждой турбинной секции 2 размещается K_гт/i ступеней гидродинамического торможения и K_с/i ступеней силового устройства.

Турбобур работает следующим образом. При прокачивании жидкости плотностью ρ производительностью Q за счет ступеней активного устройства начинает вращаться вал, но благодаря наличию ступеней гидродинамического торможения частота вращения снижается до величины n_х. Для эффективного разрушения породы на забое на долоте создается осевая нагрузка равная G₁, при этом частота вращения вала снижается до величины равной n₁, что и обеспечивает эффективное углубление скважины. Необходимый вращающий момент и частота вращения достигаются числом ступеней активного устройства и гидродинамического торможения, полученным расчетным путем. При изменении состава горной породы, когда возрастает удельный момент на долоте, для сохранения выбранного режима бурения турбобур имеет запас вращающего момента, обусловленный произведением G₂-M_уд2 при снижении частоты вращения до n₂.

Чтобы исключить вредные нагрузки, обусловленные неравномерностью вращения валов в турбинных секциях, ступени активного устройства и ступени гидродинамического торможения равномерно распределяются по секциям.