Материал: Шпиндель забойного двигателя ОУ-195

Шпиндель забойного двигателя ОУ-195

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра нефтегазопромыслового оборудования

Шпиндель забойного двигателя ОУ-195

Пояснительная записка

к курсовой работе по дисциплине

«Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин»

Студент группы МП-03-01 Р.Р. Асадуллин

Преподаватель кафедры НГПО Т.А. Утемисов

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

. ТУРБИННОЕ БУРЕНИЕ СКВАЖИН. НАЗНАЧЕНИЕ ШПИНДЕЛЯ

. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ШПИНДЕЛЯ ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ

.1 Характеристики турбобура 3ТСШ1-195

. ПРОВЕРОЧНЫЕ РАСЧЕТЫ

.1 Расчет резьб переводника

.2 Расчет резьбовых соединений вала

.3 Расчет подшипников на прочность

. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ШПИНДЕЛЯ ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ВЫВОДЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

За 80 лет интенсивного развития и масштабного применения турбобуров в нашей стране было построено огромное количество скважин в Урало-Поволжье, Западной Сибири и других регионах, пробурена самая глубокая скважина в мире - Кольская СГ-3, а Российская Федерация стала одной из крупнейших нефтегазовых держав. В течение многих десятилетий применение турбинного способа составляло около 80 процентов от общего объема проходки. Известные преимущества турбинного бурения заключались в значительном росте скорости бурения по сравнению с другими способами, а также в существенной экономии затрат на дорогостоящие высокопрочные бурильные и утяжеленные трубы.

На сегодняшний день Россия, как и ранее Советский Союз, является единственной страной в мире, продолжающей столь широко использовать турбобуры. Однако, конструкции серийных турбобуров, которыми выполняется весь объем турбинного бурения, были разработаны около 40 лет назад и с тех пор практически не обновлялись. Между тем за последние годы произошли существенные изменения как технических, так и экономических условий, в которых работают буровые предприятия, использующие турбобуры. Появились новые более эффективные типы породоразрушающих инструментов: трехшарошечные долота с герметизированными маслонаполненными опорами и безопорные долота с алмазно-твердосплавными пластинами, требующие иных режимных параметров работы, чем те, которые могут обеспечить серийные турбобуры. Значительно возросли показатели надежности и долговечности низкооборотных винтовых забойных двигателей - основного конкурента турбобуров. Установившиеся в стране рыночные экономические отношения определили новые подходы и требования к проблеме использования турбобуров, когда турбобур следует рассматривать не только как техническое средство для бурения скважин, но и как промышленный товар, который необходимо реализовать на рынке. Если не учитывать эти изменения и не предпринимать соответствующие меры по техническому переоснащению турбинного бурения, то относительные объемы применения этого высокоэффективного, технологичного и прогрессивного способа бурения могут существенно сократиться.

Весь опыт развития конструкций турбобуров свидетельствует о том, что потенциал турбинного бурения далеко не исчерпан. Одним из основных направлений дальнейшего развития и совершенствования турбинного бурения является техническая модернизация конструкций серийно выпускаемых турбобуров с целью обновления морально устаревшего парка гидротурбинных забойных двигателей. К тому же модернизация должна преследовать идеи удешевления процесса изготовления, эксплуатации и ремонта серийно выпускаемых турбобуров. Перспективным направлением является усовершенствование наиболее часто изнашиваемых узлов и деталей, которые работают в наиболее жестких условиях бурения. Такая система предоставляет буровому предприятию непосредственную возможность улучшения эксплуатационных характеристик собственного парка турбобуров без больших капитальных затрат. Так для повышения ресурса бурения в турбобурах 3ТСШ1-195 наиболее изнашиваемая часть вынесена в отдельную секцию. Внеся некоторые изменения в шпиндельную секцию турбобура 3ТСШ1-195 можно добиться улучшения показателей проходки забойного двигателя в целом.

Целью и задачей курсового проекта является изучение конструкции шпиндельной секции турбобура.

1. ТУРБИННОЕ БУРЕНИЕ СКВАЖИН. НАЗНАЧЕНИЕ ШПИНДЕЛЯ

Турбобур представляет собой забойный гидравлический двигатель, предназначенный для бурения скважин в различных геологических условиях. В рабочих колесах турбобура гидравлическая энергия бурового раствора, движущегося под давлением, превращается в механическую энергию вращающегося вала, связанного с долотом.

Основная часть турбобура - турбина, состоящая из большого числа (более сотни) совершенно одинаковых ступеней. Каждая ступень турбины, в свою очередь, состоит из двух частей: вращающейся, соединенной с валом турбобура, называемой ротором, и неподвижной, закрепленной в корпусе турбобура, называемой статором. Статор представляет собой гладкое стальное кольцо, на внутренней поверхности которого имеются изогнутые лопатки. Ротор состоит из кольца и лопаток, подобных лопаткам статора, но обращенных выпуклостью в другую сторону. Между статором и ротором имеется зазор, обеспечивающий свободное вращение ротора в статоре.

Теория малогабаритных турбин для бурения нефтяных и газовых скважин создана советским инженером П. П. Шумиловым. Основные условия построения турбин турбобуров следующие. Для получения необходимой мощности и приемлемого для бурения числа оборотов турбина должна быть многоступенчатой. Все ступени турбины должны быть совершенно одинаковыми.

Турбобуры секционные шпиндельные (3ТСШ-172; 3ТСШ-195; 3ТСШ- 195Л; 3ТСШ-215; 3ТСШ-240), а также турбобуры шпиндельные унифицированные (3ТСШ1-172; 3ТСШ1-195; 3ТСША-195ТЛ; ЗТС1Ш-240Ш) предназначены для бурения глубоких вертикальных и наклонно направленных скважин различного назначения с использованием буровых растворов при температуре не более 120 градусов. Они состоят из трех турбинных и одной шпиндельной секции.

Позволяют бурить шарошечными долотами с обычной схемой промывки, гидромониторными и алмазными долотами (турбобур ЗТСША-195ТЛ); изменять секционность турбобуров в зависимости от условий бурения; производить смену отработанных шпинделей без разборки секций; увеличивать величину вращающего момента при снижении числа оборотов за счет применения тихоходных турбин, выполненных методом точного литья (турбобур 3ТСШ-195ТЛ).

В каждой турбинной секции размещено около 100 ступеней турбины, по четыре радиальные опоры и по три ступени предохранительной осевой пяты, которая применяется для устранения опасности соприкосновения роторов и статоров турбины из-за износа шпиндельного подшипника в процессе работы.

Турбобуры типов 3ТСШ1-172, 3ТСШ1-195, 3ТСШ1-240 выпускаются с наружным диаметром соответственно 172, 195 и 240мм.

В турбобурах типа ТСШ1 проведена межтиповая унификация, т.е. различные типы турбин, корпусы, валы, опоры, полумуфты и переводники в пределах одного габаритного размера имеют одинаковые посадочные и присоединительные размеры, благодаря чему представляется возможным применять в них турбины и осевые опоры любого типа.

Шпиндель предназначен для восприятия нагрузки действующей на долото.

Созданием шпиндельного турбобура был решен ряд задач, связанных с улучшением энергетических характеристик и эксплуатационных качеств турбобура, значительно уменьшены утечки жидкости, из-под ниппеля при увеличенных перепадах давления на долото и повышена прочность валов. Гидравлическую нагрузку, вес вращающихся деталей, а так же реакцию забоя воспринимает шпиндельная секция. Вынесение осевой опоры в шпиндельных турбобурах ТСШ в отдельную секцию позволяет производить замену ее непосредственно на буровой без разборки турбинной секции.

2. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ШПИНДЕЛЯ ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Шпиндельная секция турбобура 3ТСШ1-195 (рисунок 1) состоит из следующих элементов. Вал с набранными и закрепленными на нем деталями устанавливают в корпус шпинделя, крепят переводником 1 и ниппелем 2. На полом валу шпинделя 20 установлены две радиальные резинометаллические опоры 10 с втулками опор 9 (центрируемыми в верхней опоре подкладными втулками 8) и 25 ступеней шарикоподшипников, каждая из которых состоит из диска 15, внутреннего и наружного колец 16, 18 и самого шара качения 17. Весь пакет деталей, включая упорную, дистанционную и промежуточную втулки 21, 13 и 14, закрепляется на валу гайкой 6, колпаком 5, контргайкой 4 и крепится в корпусе 19 посредством переводника нижней секции 1 и ниппеля 23 с использованием регулировочных колец 3, 7, 22.

На верхней части вала шпинделя установлена конусно-шлицевая муфта 2, имеющая промывочные окна для протока рабочей жидкости во внутреннюю полость вала и затем к долоту, присоединяемому к шпинделю через переводник 24. Для облегчения разборки шпинделя в процессе ремонта в верхней и нижней его частях установлены втулки 11 с уплотнительными кольцами 12, обеспечивающими герметизацию диаметральных зазоров между валом и закрепленным на нем пакетом деталей.

Рисунок 1- Шпиндель.

- переводник нижней секции; 2 - конусно-шлицевая муфта; 3, 4, 22 - регулировочные кольца; 5 - колпак; 6, 8, 9, 11, 13, 14, 21 - втулки; 7 - резиновая опора скольжения; 10 - резинометаллические опоры; 12 - уплотнительные кольца; 15 - диск; 16, 18 - кольца; 17 -шарик подшипника; 18 - корпус; 19 - вал шпинделя; 20 - ниппель; 21 - переводник.

Шпиндельная секция имеет на валу и корпусе специальные замковые резьбы с малой конусностью, с помощью которых закрепляются вращающиеся детали шпинделя и неподвижные, а также детали центрующих радиальных резинометаллических опор. Детали шпиндельной секции крепятся резьбами, имеющими два упорных торца. Так, наряду с обычным для замковой резьбы наружным упорным торцом соединения переводника с корпусом имеется внутренний упорный торец, с помощью которого крепятся детали неподвижной части. Полумуфта, навинчиваемая на вал, имеет внутренний упорный торец, упирающийся в торец вала, в то же время наружный упорный торец этой резьбы передает усилие на детали подвижной части, осуществляя их сжатие. Использование такого соединения обеспечивает стабилизацию осевого взаиморасположения валов турбинной секций в условиях вибраций.

Таким образом, соединительные конусные резьбы выполняют одновременно функцию крепления деталей турбины. Это определяет необходимость рассматривать два разных натяга конической резьбы: по наружному и внутреннему торцу. С одним из них связана осевая фиксация, а с другим - деформации при креплении деталей шпинделя.

Установка в шпинделе осевой опоры качения (как жесткой, так и амортизированной - шпиндель типа ШШО) вместо резинометаллической опоры скольжения позволяет турбобуру воспринимать более высокие осевые нагрузки и эффективно работать при более низких числах оборотов.

Так же широко применяются шпиндели типа ШФД с лабиринтными дисковыми уплотнениями. Они предназначены для турбинных секций серийных турбобуров. За счет частичной изоляции картера осевой опоры от поступления бурового раствора, содержащего твердые абразивные частицы, значительно увеличен моторесурс шпинделя.

Желая совместить в себе преимущества изоляции и восприятия больших осевых нагрузок, конструкторами была предложена схема комбинированной опоры, то есть применение одновременно и шарикоподшипников и резинометаллической пяты. Но неравномерный износ этих опор приводил к тому, что первый тип опор изнашивался, в то время как второй тип еще работал. Это создавало большие неудобства в обслуживании и ремонте.

Вал изготовляется из высокопрочной легированной стали, при этом сечения вала увеличивается по мере приближения к долоту. Шпиндельная секция турбобура соединяется с турбинной секцией через переводник нижней секции посредством замковой резьбы, а валы - посредством конусно - шлицевой муфты.

Возможны случаи установок между долотом и шпиндельной секцией стабилизаторов, для лучшей ориентировки траектории бурения.

.1 Характеристики турбобура 3ТСШ1-195

Число ступеней турбин ……………………306

Длина…………………………………………25.7 м

Масса …………………………………………4740 кг

Частота вращения выходного вала:

в режиме холостого вращения                     800 об/мин

в рабочем режиме …………………………400 об/мин

Максимальная мощность …………………115 кВт

Перепад давления …………………………..4,0 МПа

Расход жидкости……………………………0,035 м³/с

Вращающий момент………………………..2700 Н/м

КПД …………………………………………0,5

3. ПРОВЕРОЧНЫЕ РАСЧЕТЫ

.1 Расчет резьб переводника

Расчеты резьбовых соединений на прочность сводится к определению напряжения среза и смятия витков резьбы и сравнение этих величин с допустимыми значениями (Рисунок-3).

В переводнике турбобура 3ТСШ1-195 используется резьба З-171 для соединения с корпусом турбинной секции и резьба на ниппельном конце РКТ-177 для соединении с корпусом шпиндельной секции.

Ниже в таблице 1 приведем параметры используемых резьб в корпусе.

Таблица 1- Параметры резьб корпуса

РКТ-177

З-171

З-121

Средний диаметр в основной плоскости dср, мм

173,362

165,598

115,113

Внутренний диаметр в  основной плоскости dс, мм

 169,98

161,380

111,755

Наружный диаметр в  основной плоскости dо, мм

176

168,890

117,741

 Длина конуса резьбы L, мм

120

127

102

 Шаг резьбы S, мм

5,08

6,35

5,08

 Высота профиля резьбы h, мм

3,01

3,755

2,993

 Конусность

1:16

1:6

1:4

Рисунок-3 Коническая резьба ниппеля

Расчет резьбы РКТ-177 на прочность

Найдем рабочую длину свинчивания по формуле

где - длина конуса резьбы, мм;

- расположение основной плоскости, мм.

Найдем внутренний диаметр резьбы в основной плоскости по формуле

,

где - средний диаметр резьбы в основной плоскости, мм;