Применение различных типов турбин для агрегатов РТБ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

* ц.з 0,01*

0,02 О

150 300 600 п,

^ г л

етод реактивно-турбинного бурения (РТБ) создавали для бурения стволов большого диаметра стандартным оборудованием и инструментом, применяющимся при проводке нефтяных скважин. Первый эксперимент по РТБ был проведен в 1950 г. [1] в тресте «Дагнефть» при разбуривании мягких пород двухтурбинным агрегатом с трехшарошечными долотам диаметром 500 мм скважины диаметром 1030 мм. Скважину бурили с глубины 17 м до глубины 152 м со средней механической скоростью 2,6 м/ч. В агрегате использовались серийные турбобуры Т14М1-93/4”, причем 30 м ствола было пробурено с вращением агрегата по часовой стрелки ротором, а остальные 105 м - с вращением агрегата против часовой стрелки за счет реактивного момента. Первый опыт применения РТБ показал, что бурение с вращением агрегата за счет реактивных моментов турбобуров более эффективно, чем при вращении агрегата ротором.

В дальнейшем возникла необходимость в строительстве скважин методом РТБ для водопонижения в обводненных месторождениях полезных ископаемых, для вентиляции и вспомогательных целей на шахтах и рудниках, для сооружения нефтяных шахт и других целей.

Второй эксперимент с РТБ был проведен в 1952-1953 гг. на шахте 8 бис треста «Снежнякантрацит» с использованием трехтурбинного агрегата с теми же турбобурами и долотами при проводке вентиляционного ствола диаметром 2,07 м. Буре-

Н.А. Артемьев, Ю.Н. Артемьева, Ю.Н. Захаров

ПРИМЕНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ТУРБИН ДЛЯ АГРЕГАТОВ РТБ

Семинар № 16

ние вели в твердых и абразивных пород VII - IX категорий буримости. Как и в первом случае, агрегат вращали как ротором, так и за счет реактивных моментов турбобуров. В данном эксперименте показатели бурения при реактивном вращении агрегата оказались также предпочтительнее [2].

Коэффициент полезного действия процесса углубления забоя (без учета расхода энергии на очистку забоя) для условий вращательного бурения, осуществляемого ротором или турбобуром, имеет следующий вид [3]

Куз = -- ---- ,

2М

где 5 - углубление за один оборот долота; Муд - удельный момент, зависящий от физико-механических свойств пород, типа долота, давлений, возникающих при контакте зубцов с забоем и частоты вращения долота п.

Как отмечается в [3], к.п.д. углубления забоя в низкооборотном бурении выше, чем в высокооборотном (при прочих равных условиях), так как на эффективность процесса разрушения породы забоя влияет не только давление на контакте зубцов шарошек с забоем, но и время контакта. Недостаточное время контакта в высокооборотном бурении может компенсироваться повышением осевой нагрузки на долото, для чего необходимо увеличивать моменты вращения, развиваемые турбобуром, а с другой стороны, снижать мо-ментоемкость долот. Зависимость к^, от п для нагрузок 120 и 140 кН показана на рис. 1.

При бурении реактивно-турбинным способом необходимы специальные долота, обладающие малой моментоемкостью, способные при ограниченных осевых нагрузках создавать высокие давления на контакте зубцов шарошек с породой забоя. Такие долота дадут возможность обеспечить эффективный процесс разрушения породы и при высоких частотах вращения реализовать большие мощности, необходимые для получения высоких ме-

Рис. 1. Зависимость КПД углубления забоя куз от частоты вращения долота п при осевой нагрузке долото 140 (1) и 120 (2) кН

ханических скоростей бурения.

При роторном бурении для повышения контактных давлений увеличивают осевую нагрузку на долото. При РТБ данный процесс лимитируется вращающим моментом, развиваемым турбобуром. В связи с этим при РТБ необходимо от применения многошарошечных долот. При ограниченных моментах вращения, развиваемых турбобурами, единственной возможностью повышения давлений на контакте зубцов шарошек с забоем для обеспечения эффективного процесса разрушения породы является переход от многошарошечных долот к двухшарошечным.

Повышение показателей РТБ в значительной степени связано с наличием реактивного вращения агрегатов. При этом мощность турбобуров расходуется не только на разбуривание забоя, но и на вращения агрегата, т.е. на создание переносного движения долот, при котором на зубцах шарошек создается скалывающий эффект при разрушении породы. У турбобуров Т14М1-93/4 , применявшихся на первом этапе развития РТБ, вращающие моменты и мощности были существенно большими, чем у турбобуров Т12РТ-240, используемых в настоящее время.

В связи этим для повышения технических показателей РТБ для турбобуров Т12РТ-240 необходимо создать новую

Рис. 2. Неравномерная загрузка турбобуров агрегата РТБ

мощную высокомоментную турбину, лопаточный аппарат которой должен снижать срабатываемое давление с уменьшением частоты вращения от режима экстремальной мощности к тормозному. При такой линии давления расход потока по турбобурам при неодинаковом их нагружении будет саморегулироваться. Неравномерность загрузки турбобуров объясняется в первую очередь тем, что площади, разбуриваемые каждым из них неодинаковы (рис. 2). Саморегулирование потока жидкости по турбобурам необходимо при РТБ. Уже при одном застопоренном турбобуре не будет реактивного вращения агрегата, так как суммарного момента остальных турбобуров будет недостаточно для обеспечения застопоренному турбобуру переносного движения, долото которого в этих условиях будет работать только на скалывание породы забоя.

Увеличение освой нагрузки на долото связано с повышением вращающего момента на валу турбобура и сопровождается снижением частоты вращения. При нагружении турбобура до режима экстремальной мощности частота вращения уменьшается монотонно, так как при этом возрастает мощность. Дальнейшее нагружение турбобура и снижение частоты вращения должно происходить в условиях уменьшения мощности, что делает данную зону режимов работы неустойчивой. В

Рис. 3. Трансформация характеристик турбины с наклонной линией давления р при перегрузке турбобура в агрегате РТБ

этой зоне даже небольшая перегрузка приводит к стопорению вала турбобура.

Если агрегат РТБ укомплектован турбинами с наклонной к тормозному режиму линией давления, то в перегруженный турбобур, работающий при меньшей частоте вращения и напоре, будет поступать за счет других турбобуров больший объем бурового раствора. Тогда пропорционально квадрату расхода на его валу увеличится момент вращения и пропорционально кубу - его мощность.

Такие турбины широко используются при бурении глубоких нефтяных и газовых скважин и характеризуются саморегулированием по нагрузке системы долото - турбобур - бурильные трубы. Исследования, проведенные в работе [4], показали, что наибольшей оборотной устойчивостью при внезапном изменении крутящего момента на долоте обладает турбобур с падающей к тормозу линией давления и наименьшей - турбобур с пропеллерной турбиной. Практика эксплуатации турбобуров с падающей к тормозу линией давления при бурении нефтяных и газовых скважин показала, что они наиболее эффективны на проработках и расширении ствола скважины, а также при бурении лопастными долотами, у которых колебания крутящего момента особенно велики.

Введенный авторами коэффициент перегрузки, характеризующий пере-

грузочную способность турбобура, дает возможность выработать рекомендации для отношения рх/рт, которое определяет наклон линии давления турбобура. Из исследований авторов следует, что чем выше отношение рх/рт, тем выше перегрузочная способность турбобура; кроме того, процесс саморегулирования тем эффективнее, чем выше моментоемкость взаимодействия долота с основным разрезом.

На рис. 3 для агрегата, укомплектованного турбинами с наклонной линией давления, показана трансформация момента и мощности перегруженного турбобура. Из рисунка видно, что экстремальная мощность перегруженного турбобура в этой зоне частот не только выше исходной, но и смещена в область пониженных п, что существенно расширяет зону его устойчивой работы.

Впервые в 1987 году турбины с наклонной линией давления А9К5Са-240 были испытаны в агрегате РТБ в Донбассе при бурении в шахтном управлении «Алмазное» и на шахте «Вергелевская» стволов диаметром 2,6 и 4 м. При испытаниях использовались турбобуры с составленным валом, в которых размещалось только 85 турбин (вместо 104, как в серийных турбобурах), что не могло не отразиться отрицательно на выходных характеристике турбобура. Однако, несмотря на это, применение в этих турбобурах турбин А9К5Са-240 вследствие саморегулирования расхода жидкости по турбобурам позволило получить более высокие технические показатели, чем при бурении серийными турбобурами.

Согласно результатам проведенных испытаний, в Донбассе механические скорости бурения при использовании укороченных турбобуров с турбинами А9К5Са оказались на 10-11% выше, чем при бурении серийными турбобурами. Следует полагать, что если бы этими турбинами были укомплектованы серийные турбобуры типа Т12РТ-

240, то прирост механической скорости был бы большим.

До настоящего времени качество турбины для бурения скважин оценивали по величине вращающего момента, мощности, срабатываемому напору и к.п.д. Теперь при оценке качества турбины серьезное внимание уделяется параметру М/п и форме линии давления турбины, что особенно важно для РТБ, так как форма линии давления определяет регулирование расхода жидкости по турбобурам.

Чем выше параметр М/п в высокооборотном бурении, тем больше коэффициент ку.з, т.е. механическая скорость бурения и проходка за рейс. Этот параметр очень важен для РТБ, при котором долота совершают планетар-ное вращение. В РТБ возникающие на валах турбобуров моменты и частота вращения зависят не только

1. Иоаннесян Р.А. Основы теории и техники турбинного бурения. - М.: Гостоптехиздат, 1953. - 400 с.

2. Иоаннесян Р.А., Рыбалка А.А. Повышение эффективности реактивно-турбинного бурения стволов большого диаметра // Нефтяное хозяйство. - 1990. - № 10. - с. 29-34.

от осевой нагрузки на долото, но и от скорости переносного движения (частоты вращения агрегата).

При увеличении частоты вращения вала турбобура и сохранения частоты вращения агрегата, т.е. скорости переносного движения моментоемкость долота уменьшается, а нагрузочная способность турбобуров - увеличивается.

Проведенные работы [2] показали, что повышение показателей работы РТБ связано с увеличением к.п.д. процесса углубления забоя, а это в свою очередь определяет необходимость применения в агрегатах турбин с высоким параметром М/п и наклонной линией давления к тормозному моменту, обеспечивающей саморегулирование расхода потока промывочной жидкости по турбобурам в зависимости от их загрузки.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Иоаннесян Р.А., Королько Е.И. Повышение эффективности турбинного бурения // Нефтяное хозяйство. - 1989. - № 11.- с. 11-15.

4. Иоаннесян Ю.Р., Кузин Б.В. Саморегули-руемость по нагрузке турбобуров с наклонной линией давления. Труды ВНИИБТ, вып. XXII, Изд-во «Недра», - М. 1969.

— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------

Захаров Ю.Н. - Доктор технических наук, Академик МАМР, профессор, заведующий кафедрой «Техника и технология нефтегазового производства»,

Артемьев Н.А. - кандидат технических наук, доцент кафедры «Техника и технология нефтегазового производства»,

Артемьева Ю.Н. - аспирант,

Московский государственный открытый университет.

--------------------------------------------- © А.К. Семенченко, О.Е. Шабаев,

Д.А. Семенченко, Н.В. Хиценко, 2005

УДК 622.232

А.К. Семенченко, О.Е. Шабаев, Д.А. Семенченко,

Н.В. Хиценко

МЕТОДИКА ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ АКСИАЛЬНЫХ КОРОНОК И ИХ СИСТЕМ ПОДАЧИ