Характеристика системы «турбобур—долото—забой»

Часть крутящего момента турбины затрачивается на преодоление трения в пяте и в радиальных опорах, а при искривлении вала и корпуса также на трение ротора о статор. Момент сил трения зависит от качества сборки и регулировки турбобура. При расположении осевой опоры в шпинделе (турбобуры 3ТСШ и АШ) или в нижней части вала нижней секции уменьшается или исключается продольный изгиб вала под действием осевой нагрузки на долото, уменьшается нагрузка на радиальные опоры и снижаются потери на трение в этих опорах.

Вследствие механических потерь характеристика турбобура (на долоте) отличается от характеристики турбины. При использовании опор качения указанное различие сравнительно небольшое, поскольку главная часть механических потерь в пяте существенно снижена. Другие потери имеют значение только при кривизне вала и корпуса, превышающей допускаемые нормы, а потери на трение ротора о статор увеличиваются при сильно изношенных радиальных опорах, когда зазоры в них становятся равными радиальным зазорам в турбине.

В турбобуре с резино-металлическими подшипниками при одной и той же характеристике турбины форма кривых характеристики турбобура может быть весьма различной в зависимости от условий взаимодействия долота и разбуриваемой породы, вследствие чего она называется также характеристикой системы турбобур—долото—забой (ТДЗ). Рассмотрим факторы, определяющие эту характеристику.

Момент силы трения в пяте

M_П=Pmr_П=±(T+G-R)mr_П.

Здесь m – коэффициент трения в пяте; r_П – приведенный радиус трения,

r_н и r_в – наружный и внутренний радиусы трущихся поверхностей.

Верхний знак в формуле крутящего момента относится к случаю, когда бурильная колонна поддерживает ротор верхними поверхностями подпятников (Т+G>R), а нижний – к случаю, когда к гидравлической силе приплюсовывается сила тяжести нижнего участка бурильной колонны (Т+G<R) с нагружением нижних поверхностей подпятников.

Крутящий момент турбобура, передаваемый долоту,

М_T=М_k-М_П-М₀ (6.10)

где М_k – момент k-ступенчатой турбины; М₀ – момент сил трения в радиальных опорах и трения ротора о статор.

Момент на долоте приблизительно пропорционален нагрузке на долото: М_Д=М_УR (6.11)

где М_У – удельный момент, зависящий от крепости разбуриваемой породы, конструкции и состояния долота, условий промывки забоя, а также от частоты вращения долота. При равномерном вращении долота М_Т. = М_Д.

Примем, что зависимость момента турбины от частоты вращения линейная:

M_k=kM_max(1-n/n_max),

где k – число ступеней, и исключим из (6.10) и (6.11) нагрузку R, пренебрегая для простоты небольшим моментом М₀. После преобразований получим уравнение момента турбобура:

Обозначим безразмерные величины:

Формула крутящего момента на долоте представлена так:

(6.12)

Чтобы изучить особенности полученной зависимости, примем, что удельный момент трения в пяте mr_П, удельный момент на долоте М_У, а следовательно, j и s—величины постоянные. Зависимость (6.12) графически представляется двумя прямыми, пересекающимися в точке В (рис. 6.6, а) на прямой 1–1. Линия А' В соответствует условию R>Т+G (знак +), а линия ВС' – условию R<Т+G (знак –). В точке В справедливо условие Т+G=R_B, когда пята разгружена.

Угол наклона прямой ВС' зависит от коэффициента j. При j<1 М_У>mr_П, т. е. когда удельный момент сопротивления забоя больше удельного момента трения в пяте, линия ВС' наклонена вправо от вертикали. При j>1 М_У>mr_П, в этом случае линия ВС' наклонена влево. Промежуточный случай: j=1, М_У=mr_П, линия ВС' вертикальная.

В действительности величины j и s не постоянные, а зависят от нагрузки на пяту и частоты вращения вала. Поэтому линии АВ и ВС не прямые, а кривые. Отрезки ординат, заключенные между линией 1—1 и кривой АВС (момента на долоте), соответствуют моменту трения в пяте, а отрезок ОС — частоте холостого вращения турбины n_x при подъеме турбобура с забоя.

Положение точки В определим из условия, что уравнение (6.12) при использовании любого знака дает одинаковый результат:

где

Параметр W, отражающий комплексную взаимосвязь турбобура (k, М_max, G, Т), долота и забоя (М_У), равен ординате точки В. На рис. 6.6, б кривые момента на долоте относятся к нескольким значениям удельного момента М_У. Точки разгрузки пяты тем ближе к тормозному режиму, чем больше значение М_У.

Характер изменения кривой момента на ее ветвях зависит от закономерности изменения величин j и s. В частности, положение точки С зависит от того значения s_x, которое оно имеет при холостом режиме:

n_x/n_max=1-s_x.

Графики забойной мощности даны на том же рис. 6.6, б. Они показывают, что максимум мощности турбобура не совпадает с максимумом мощности турбины и может быть смещен от него в любую сторону в зависимости от типов турбобура, долота, породы, а также от расхода жидкости [1]

В практике бурения возможны следующие варианты характеристики ТДЗ (см. рис. 6.6, б):

1) W<1/2; n_B>n_max/2 (точки а и b). Этот случай характерен для бурения твердых пород;

2) W>1/2; n_B<n_max/2 (точка d), что бывает при бурении слабых пород;

3) W=1/2; n_B<=_max/2 (точка с). В этом случае максимумы мощностей турбобура и турбины приблизительно совпадают, причем (T+G)M_У=kM_max/2.

[1]Расход жидкости влияет потому, что Т и М_max в выражении W зависят от расхода, а G не зависит от него.