§ 2. Турбобуры

При турбинном бурении долото приводится во вращение забойным двигателем — трубобуром, преобразующим гидравлическую мощность потока промывочной жидкости, поступающей из бурильной колонны, в механическую работу вращающегося вала турбобура и долота.

Турбобур — многоступенчатая турбина (число ступеней от 25 до 350). Каждая ступень турбины (рис. 41) состоит из статора /, жестко соединенного с корпусом турбобура, и ротора 2, укрепленного на валу турбобура. В статоре и роторе поток жидкости меняет направление движения (рис. 42) и, перетекая из ступени в ступень (рис. 43), отдает часть гидравлической мощности каждой ступени. В результате мощность, создаваемая всеми ступенями, суммируется на валу турбобура и подводится к долоту.

Расчеты показали, что для эффективной работы турбобура необходимо иметь около ста турбин, т. е. сто роторов и сто статоров. С увеличением числа турбин не только повышаются мощность и вращающий момент, но и снижается частота вращения вала турбобура.

Односекционный многоступенчатый турбобур (рис. 44) состоит из двух групп деталей — вращающихся и неподвижных. Вращающиеся детали посажены на вал 12, заканчивающийся вверху резьбой, а внизу полым концом с внутренней резьбой, при помощи которой к турбобуру через переводник 19 присоединяется долото.

Порядок сборки турбобура следующий. На вал 12 сверху надеваются втулка нижней опоры 18 и кольцо-упор 16, затем первая ступень турбины (рис. 45, а). После того как будут посажены 33 турбины, на вал надевается средняя опора со своей втулкой (рис. 45,б). Внутренняя часть средней опоры облицовывается резиной. Затем аналогично надеваются 33 комплекта турбин, вторая втулка средней опоры совместно со средней опорой, 34 комплекта турбин. На этом заканчивается сборка комплектов роторов и статоров совместно с двумя средними опорами (рис. 45, в).

Рис. 41. Ступень турбины

На вал надевается регулировочное кольцо 10 (см. рис. ^44), и начинается сборка верхней опоры турбобура, состоящей из 12 комплектов деталей. Каждый комплект имеет диск верхней опоры 7, кольцо верхней опоры 8 и подпятник 9. Вслед за регу лировочным кольцом детали верхней опоры надеваются на вал турбобура в только что перечисленном порядке, комплект за комплектом (рис. 45, г).

После этого на вал навинчивается роторная гайка 6 (см. рис. 44),. надевается колпак 4 и во избежание отвинчивания гайка крепится контргайкой 3 (рис. 45, д). При навинчивании роторной гайки 6 диски и кольца верхней и нижней опор, роторов и втулок средних опор прижимаются друг к другу и к упору 16.

К. корпусу турбобура 2 привинчивается переводник /, устанавливается внутрь корпуса распорная втулка 5 и вал с собранными деталями вставляется в корпус через его нижнюю часть. Затем ниппель 17, имеющий внутри резиновую облицовку, ввин-чиваетя в корпус. При ввинчивании ниппель своим торцом прижимает статоры, средние опоры, регулировочное кольцо 10, подятники и роторную втулку друг к другу и к торцу переводника /. Таким образом осуществляется жесткое крепление всех деталей турбобура.

Рис. 44. Односекционный многоступенчатый турбобур:

1 — переводник; 2— корпус; 3 — контргайка; _4 — колпак; 5 — распорная втулка; 6 — роторная гайка; 7 — диск верхней опоры; 8 — кольцо верхней опоры; 9 — подпятник; 10 — регулировочное кольцо; 11— статор; 12—■ вал; 13 — ротор; 14—втулка средней опоры; 15 ~ средняя опора; 16 — упор; 17 — ниппель; 18 — втулка нижней опоры; 19 — переводник вала

Проследим путь движения промывочной жидкости. Из бурильной колонны промывочная жидкость через переводник попадает в корпус турбобура, проходит через отверстия в неподвижном подпятнике и поступает в первый статор, а затем в первый ротор турбины, во второй статор и во второй ротор турбины. Так, последовательно переходя из турбины в турбину и через отверстия в двух средних опорах, жидкость попадает внутрь вала турбобура и движется к долоту. Попав на забой через отверстия в долоте, жидкость захватывает обломки выбуренной породы и по затрубному пространству (по пространству между бурильной колонной и стенкой скважины) устремляется вверх к устью скважины.

В процессе работы турбобура вал его испытывает осевую нагрузку, складывающуюся из сил, направленных вниз (от перепада давления и веса вращающихся деталей) и вверх (от реакции забоя). Осевая нагрузка воспринимается верхней опорой (рис. 46), которая состоит из подпятника 1, диска 2 и кольца 3. В средней части и по внутреннему ободу подпятники облицованы резиной. В зависимости от направления осевой нагрузки диски подпятника, вращаясь вместе с валом, верхней или нижней своей поверхностью опираются на резиновую облицовку подпятников.

В процессе работы вал турбобура испытывает также радиальные нагрузки, для восприятия которых предусмотрены четыре радиальные опоры. Роль верхней радиальной опоры выполняют кольца подпятника и подпятники. При вращении вала вместе с кольцами подпятника последние трутся по внутреннему ободу подпятника, облицованному резиной, и тем самым передают ему радиальные нагрузки. Втулки и средние опоры, помещенные между турбинами, воспринимают радиальные нагрузки, возникающие в средней части вала. Нижней радиальной опорой является ниппель.

На базе односекционных турбобуров созданы двух-, трех- и четырехсекционные турбобуры, имеющие соответственно до 230, 270 и 280 турбин. Корпусы секций соединяются посредством конической резьбы; соединение валов осуществляется при помощи конусной фрикционной муфты. Предназначены секционные турбобуры для бурения глубоких скважин, так как они "имеют больший вращающий момент и большую мощность на валу.

Для бурения скважин турбинным способом с отбором керна созданы колонковые турбобуры (турбодолота), предусматривающие применение съемной грунтоноски. Колонковый турбобур представляет собой турбобур с полым валом, на конец которого навинчивается бурильная головка.

Съемная грунтоноска (рис. 47) по-мещается в полом вале турбобура и состоит из головки 1, верхней трубы 2, клапана 3, который предназначен для выпуска жидкости, вытесняемой керном из колонковой трубы 4, кернодержателя 5. Посадка грунтоноски осуществляется на конусную поверхность опоры, прижатой к корпусу турбобура распорной втулкой. Грунтоноска прижимается к опоре под действием гидравлического усилия, которое возникает от перепада давления в трубобуре и долоте. При этом силы трения удерживают грунтоноску от проворачивания.

Рис. 47. Съемная грунтоноска колонкового турбобура

В верхней части головки грунтоноски имеется бурт для захвата ее ловителем, спускаемым в бурильную колонну при помощи лебедки. В остальном конструкция колонковых турбобуров аналогична конструкции обычных турбобуров.

В СССР выпускаются турбобуры с наружным диаметром от 102 до 235 мм, что позволяет применять их при бурении скважин долотами различных диаметров.