Модернизация турбинно-винтового забойного двигателя (ТВЗД) ТВД-240-Курсовая работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

Модернизация турбинно-винтового забойного двигателя (ТВЗД) ТВД-240-Курсовая работа-Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин
Целью дипломного проекта является модернизация турбинно-винтового забойного двигателя. Проект состоит из пояснительной записки и чертежей.
В пояснительной записке приведено описание турбинно-винтового забойного двигателя, назначение и классификация забойных двигатей, патентно-информационный обзор. Отдельный раздел дипломного проекта посвящен описанию модернизированного турбинно-винтового забойного двигателя. Основой модернизации ТВЗД является повышение ресурса двигателя. Повышение ресурса двигателя повышает его время нароботки на отказ. В конструкторской части приведены основные расчеты. Проект рассмотрен с точки зрения безопасности и экологичности, рассчитана экономическая выгода от применения модернизации.
Объем расчетно-пояснительной записки составляет 94 страниц. В них 6 рисунков, 9 таблицы, 21 источников использованной литературы. Графическая часть составляет 11 листов.

2.3. Турбинно-винтовые забойные двигатели

Турбинно-винтовые забойные двигатели, разработанные ОАО НПО "Буровая техника" - ВНИИБТ, являются новой концепцией забойного привода породоразрушающего инструмента.
Турбинно-винтовые забойные двигатели предназначены для бурения глубоких вертикальных и наклонно направленных скважин различного назначения. Они могут выполнять также функции забойного привода керноотборных устройств для буречия с отбором образцов породы (керна) и двигателя-отклонителя (при замене обычного шпинделя на шпиндель-отклонитель).
Универсальные турбинно-винтовые двигатели типа ТПС - У.
Универсальные турбинно-винтовые двигатели типа ТПС-172У с преобразователями частоты вращения вала предназначены для глубоких вертикальных и наклонно-направленных скважин различного назначения с использованием буровых растворов плотностью до 1800 кг/м3.
Конструкции двигателей ТПС-172У разработаны на базе схемы турбобуров с плавающими статорами типа ТПС, обладающих рядом энергетических и эксплуатационных преимуществ по сравнению с турбобурами, традиционной конструктивной схемы.
Система деталей в корпусе турбинной секции не закреплена путем сжатия осевым усилием и имеет возможность осевого перемещения на 100... 150 мм вдоль корпуса вместе с валом секции и установленными на нем деталями. Благодаря этому они отличаются повышенной надежностью и безотказностью в работе.
Турбинно-винтовые забойные двигатели типа ТПС-172У состоят из взаимозаменяемых двух или трех турбинных секций, шпиндельной секции с осевой опорой и преобразователя частоты вращения выходного вала. Двигатели типа ТПС-172У обеспечивают при постоянном расходе бурового раствора ступенчатое изменение частоты вращения выходного вала в диапазоне 80...400 мин-1 в зависимости от конструктивного исполнения применяемых винтовых пар в преобразователе частоты вращения вала. Последний заменяется при необходимости непосредственно на буровой. Исключение преобразователя частоты вращения вала из компоновки двигателя ведет к увеличению частоты вращения его выходного вала до 400 мин-1.
Преобразователь частоты вращения вала двигателя устанавливается между шпинделем и нижней секцией турбобура. Преобразователь частоты вращения вала двигателя включает винтовую пару - ротор и статор, гибкие валы, конусно-шлицевые полумуфты и соединительные переводники. Конструктивно предусмотрена установка преобразователя между любыми турбинными секциями двигателя.
В двигателе ТПС-172У для получения частоты вращения выходного вала 250 мин-1 применяется преобразователь ТПС-172У.060, а для частоты 150 мин-1 - преобразователь ТПС-172У.060.01.
Конструкция шпиндельной секции позволяет устанавливать в ней либо многоступенчатую резино-металлическую опору скольжения с двумя радиальными опорами, либо шаровую амортизированную опору качения с лабиринтным уплотнением вала. При этом обеспечивается работа двигателей при бурении долотами с перепадом давлений в насадках 6...8 МПа.
Конструктивная схема турбинно-винтовых двигателей типа ТПС-172У позволяет получить практически постоянную величину частоты вращения вала при изменении осевой нагрузки на долото в широких пределах.

Унифицированные модульные турбинно-винтовые двигатели 2ТУ240КД.
Унифицированные модульные турбинно-винтовые двигатели 2ТУ240КД с улучшенными энергетическими характеристиками, увеличенной в 1,5 раза наработкой на отказ и уменьшенной удельной металлоемкостью являются новой концепцией Кунгурского машиностроительного завода и предназначены для бурения вертикалыных и наклонно-направленных скважин различного назначення с использованием шарошечных и безопорных долот разных типов и серий диаметрами 269,9 ...393,7 мм, обеспечивающих технологически требуемый зазор между корпусом двигателя и стенками скважин и конкретных геолого-технических условиях месторождений.
Двигатель 2ТУ240КД состоит из трех унифицированных секций-модулей, взаимозаменяемых с серийными турбобурами, имеющих стандартные присоединительные размеры.
Нижняя секция двигателя представляет собой односекционный турбобур ТУ240К.
Средняя секция двигателя конструктивно выполняется аналогично серийной турбине с той лишь разницей, что в ней установлено 120 ступеней турбины пониженной осевой высоты 37/11-240ТЛ, которая при необходимости может быть заменена на серийную турбину с соответствующим уменьшением числа ступеней и, как следствие, ухудшением характеристики двигателя.
Новые турбины пониженной высоты изготавливаются либо методом точного литья по выплавляемым моделям - турбина 37/11ТЛ, либо полукокильным методом - литьем в земляные формы - турбина 37/11-240ТВШ.
Верхняя секция двигателя является активным тормозным модулем, содержащим в одном корпусе турбинную часть и рабочие органы винтового забойного двигателя, соединяющиеся с помощью съемного торснона. Отличительной особенностью тормозного модуля является его полная взанмозаменяемость с серийной секцией, не вносящая никаких дополнительных затруднений при ее монтаже в условиях бурящейся скважины. Верхняя секция так же, как и средняя и нижняя секции, оснащается турбиной пониженной осевой высоты, взаимозаменяемой с серийной турбиной любого типа.

Модульные турбинно-винтовые двигатели ТНВ.
Известные турбинные двигатели (турбобуры) характеризуются нерациональным, с точки зрения эффективности работы долот, соотношением М/п (момента силы и частоты вращения).
Винтовые объемные двигатели обладают необходимым соотношением М/п. Однако эти двигатели очень чувствительны к величине натяга в винтовой паре, что определяет их сравнительно малый ресурс безотказной работы ( менее 100 ч).
Модульные турбинно-винтовые двигатели органично сочетают надежность, свойственную турбобурам, и высокий уровень соотношения М/п при большой жесткости линии моментов, свойственные объемным двигателям.
При прочих равных условиях двигатели ТНВ имеют в 3-4 раза большую наработку на отказ, чем винтовые объемные двигатели. При работе на малоабразивной жидкости двигатели ТНВ способны безотказно работать порядка 400-550 часов.
С помощью этих двигателей производится проходка сплошным забоем прямолинейных и искривленных участков скважин. Кроме того, ими можно осуществлять привод керноотборных устройств при колонковом бурении.
Применение двигателей ТНВ рекомендуется при температуре промывочной жидкости до 120С°, плотности до 1700 кг/м3 и содержании углеводородных соединений до 5%.





































2 Описание конструкции турбинно-винтового забойного двигателя

Модульные турбинно-винтовые двигатели типа ТВД, разработанные ОАО НПО «Буровая техника», являются новой концепцией привода породоразрушающего инструмента.
Двигатели типа ТВД предназначены для бурения глубоких вертикаль-ных и наклонно направленных скважин различного назначения. Они могут выполнять также функции забойного привода керноотборных устройств при бурении с отбором керна и двигателя-отклонителя (при замене обычного шпинделя на шпиндель-отклонитель).
Эти двигатели выпускаются с наружным диаметром 195 и 240 мм и применяются при бурении скважин в сочетании с шарошечными (всех ти-пов и серий), лопастными и алмазными, в том числе армированными ал-мазно-твердосплавными пластинами типа АТП, долотами и бурильными головками соответствующих диаметров, обеспечивающих минимальный технологически обоснованный зазор между корпусом двигателя и стенками скважины.
Турбинно-винтовой двигатель типа ТВД (рис. 1) представляет собой универсальный забойный двигатель, содержащий три основных узла: одну, две или три турбинных секции 2, один винтовой модуль 3 и шпиндель 1 с осевой опорой (при необходимости — шпиндель-отклонитель).
Конструктивно предусмотрены различные варианты агрегирования указанных узлов в условиях как специализированного цеха по ремонту за-бойных двигателей, так и в условиях буровой на строящейся скважине, благодаря чему бурение верхних интервалов скважин может осуществлять-ся при относительно высокой частоте вращения долота — 380 об/мин (без использования винтового модуля), а нижних интервалов — при сравни-тельно низкой частоте вращения долота — 75 об/мин (с применением вин-тового модуля).
Учитывая различные технологические требования, предъявляемые в конкретных горно-геологических условиях разрезов месторождений, турбинно-винтовые двигатели могут быть агрегатированы в единую компоновку в соответствии с приведенными в табл. 1.
1 — шпиндель; 2 — турбинная секция; 3 — винтовой модуль
Рис. 1. Турбинно-винтовой двигатель типа ТВД


Двигатель типа ТВД-240 выполнен с учетом максимального использования унифицированных узлов серийно выпускаемых турбобуров, высоко - моментных турбобуров типа А7П3 и серийных винтовых пар. Такая компоновка двигателя обеспечивает высокие значения момента силы на выходном валу при относительно низкой частоте его вращения. При этом предусмотрена разгрузка винтового модуля на номинальном режиме работы двигателя: модуль либо повышает, либо поглощает момент силы только при преодолении пика момента на долоте или его перегрузке, что предопределяет значительное увеличение безотказной наработки винтовой пары.
Турбинно-винтовой забойный двигатель типа ТВД обладает рядом принципиально важных достоинств. Он органично сочетает стабильность во времени энергетической характеристики, свойственную турбинному приводу, а также высокое соотношение параметров M/n и высокую жесткость линии моментов, свойственную объемным гидромашинам.
Этот двигатель избавлен от недостатков турбобура (относительно низкий момент силы на валу и «мягкость» линии моментов) и от недостатков винтового забойного двигателя (низкий срок службы винтовой пары и отрицательное воздействие на долото поперечных колебаний, генерируемых близко расположенной к нему винтовой рабочей парой).
Высокая надежность двигателя обеспечена применением в его конст-рукции ряда оригинальных технических решений. К этим решениям относятся: узлы соединения торсиона с винтовым ротором и валом турбинной секции; система, устраняющая негативное влияние силы, вызванной вращением неуравновешенной массы торсиона и винтового ротора, а также перекашивающего момента, действующего на последний.
Условиями, ограничивающими применение двигателей типа ТВД, яв-ляются температура бурового раствора более 120 °С; плотность бурового раствора более 1700 кг/м3; содержание в буровом растворе углеводородных соединений более 5 %.
Ввиду того, что современные долота обладают стойкостью, превы-шающую 100 ч, должна быть обеспечена и работоспособность двигателя, гарантирующая отработку не менее трех таких долот. Такая гарантия обес-печивается при использовании турбинно-винтового двигателя, конструкция которого в целом и его узлов относительно отработаны.

4. Техническое предложение по модернизации турбинно-винтового забойного двигателя

4.1 Основание для модернизации турбинно-винтового забойного двигателя

Проведя патентно-информационный обзор, мною были выявлены достоинства и недостатки различных видов ТВЗД. Одной из основных проблем во всех видах ТВЗД является малая наработка на отказ. Многие узлы ТВЗД имеют малый срок нароботки на отказ, меньший 1,5÷4 раза наработки времени на отказ долота. Мероприятия, направленные на устранение или снижение негативного воздействия, как правило, малоэффективны, не решают проблему в целом, а также требуют значительных материально-технических затрат. На сегодняшний момент повышение надежности ТВЗД, представлена весьма ограниченным количеством технических решений.
Для повышения надежности в дипломном проекте произведена модернизация ТВЗД. Основой модернизации является применение более совершенного статора, осевых опор скольжения, шпиндельной части.
В качестве базового ТВЗД в дипломном проекте принят ТВД-240. Преимуществом данного аппарата является улучшенные энергетические характеристики, увеличен¬ная в 1,5 раза наработка на отказ и уменьшенная удельная металлоемко¬сть.
В конструкции ТВЗД, были выявлены детали, которые при интенсивной работе обладают малой нароботкой на отказ, что ведет ТВЗД к частым выходам из строя. Выход из строя ТВЗД приводит к длительному, трудоемкому, и зачестую не возможному ремонту не посредственно на рабочем объекте. Так как для ремонта требуются специальные ключи (К-2,К-7) и стенды(СР-35, СР-70).
Все вышеперечисленные недостатки устранены в ходе модернизации ТВЗД.
4.2 Техническое предложение по модернизации турбинно-винтового забойного двигателя

Основной модернизацией ТВЗД является замена узлов, обладающих более лучшими показателями надежности.
Статор состоит из корпуса 1, профилированной оболочки 2, при вулканизированной эластоменой обкладки, так же профилированной оболочки находится жесткий элемент 4.
Корпус 1 статора изготавливается из стали, имеет цилиндрическую форму, на концах корпуса нарезана замковая резьба. Внутри корпусу приварена профилированная оболочка 2, которая имеет пространство под жесткий элемент 4, жесткий элемент перемещается в пространстве. При контакте зубьев ротора и статора, жесткость ротора увеличивается за счет жесткого элемента 4. Профилированная оболочка заключена в эластомерную обкладку 3.
В дипломном проекте также доработана опора скольжения. В базовой конструкции шпинделя были установлены подшипники качения. Подшипники качения обладают недостатком, При разных условиях бурения и разных режимов работы ТВД, обладают малой наработкой на отказ. В целях устранения указанного недостатка в дипломном проекте применяются осевые резинометаллические опора скольжения.
Осевая опора скольжения состоит из наружного кольца 2, подпятника 3 по сторонам которого утоплен эластомер, диска 4.
Эластомер выполнен из полибутадиена.
Конструкция работает следующим образом. Пята сальник установлена в шпиндельной части, представляет собой 25-ступенчатый подшипники, который установлен на валу шпинделя. Когда вал шпинделя крутится, то и осевые опоры приходят в движение, диски 4 установленные на валу шпинделя начинают крутится и соприкасаются с подпятником между которыми возникает сила трения. Так же опора воспринимает осевую нагрузку.
Еще одним недостатком базовой конструкции ТВД является возможность выхода из строя шпиндельной секции. Для устранения указанного недостатка в модернизированном ТВД предусматривается замена штатного шпинделя на модернизированный.
Шпиндель состоит из переводника 1 на крученного на корпус 3,на конце корпуса накручен ниппель. Внутри расположен вал 7, к которому накручена муфта 2, вал закреплен внутри при помощи осевой опоры 6 и радиальной опоры 5.
Данная модернизация работает следующим образом. Муфта передаёт крутящий момент на вал шпинделя, который через переводник передает момент на долото. Вал закреплен на двух радиальных опорах, между которыми расположена осевая опора скольжения.







5 Описание работы ТВД

Основное преимущество ТВД органич¬но сочетает стабильность во времени энергетической характеристики, свойственную турбинному приводу, а также высокое соотношение пара¬метров M/n и высокую жесткость линии моментов, свойственную объем¬ным гидромашинам. Этот двигатель избавлен от недостатков турбобура (относительно низ¬кий момент силы на валу и «мягкость» линии моментов) и от недостатков винтового забойного двигателя (низкий срок службы винтовой пары и от-рицательное воздействие на долото поперечных колебаний, генерируемых близко расположенной к нему винтовой рабочей парой).
Представленный в дипломном проекте ТВД представляет собой горизонтальный цилиндрический аппарат, состоящий из трех секций.
Напор, создаваемый насосами, подается по бурильным трубам на забой.
Буровой раствор, проходя через бурильные трубы и переливной клапан, попадает ТВД, а точнее в его винтовую часть, винтовая часть представляет собой винтовой забойный двигатель, внутри которого расположен ротор с валами, при создаваем напоре ротор начинает крутиться. Кручение происходит из-за того что ротор и статор имеют винтовую поверхность. Ось ротора при кручении смещается на величину эксентриситета. Буровой раствор продя по каналам пары ротор-статор, приводит в движение ротор, и создает крутящий момент, который передается на торсионный вал. Торсионный вал присоединяется к муфте, на другом конце которой присоединяется вал турбобура, турбинной части. Которая состоит из вала на который надеты турбины. Вал держится в турбинной части при помощи радиальных опор. На вал подается крутящий момент создаваемый винтовой частью, а так же напор от винтовой части поступает в турбины, приводя их в движение. Которые передают свой крутящий момент на вал турбобура. Крутящие моменты от ротора и турбин передаются на вал соединенный с промывочной муфтой шпиндельной части ТВД. Через промывочные отверстия проходит бурой раствор под напором, промывочная муфта соединена с полым валом шпинделя. Вал шпинделя закреплен на двух радиальных опорах, между которыми расположена 25-ступенчатая осевая опора скольжения. Буровой раствор проходя через полый вал шпинделя, проходит через переводник, и попадает на долото для для выноса выбуренной породы. Вал шпинделя крутится из за создаваемого крутящего момента винтовой и турбинной части, передавая момент на долото, для разрушения породы.
Все многообразие геологического строя скважин в нашей стране не позволяют подобрать и изготовить оборудование, которое может эффективно работать во всех условиях. И чтобы хотя бы приблизиться к этой цели был создан турбинно-винтовой забойный двигатель, хорошо сочетающий все достоинства турбобура и винтового забойного двигателя.
Но они имеют слабое место, малое время нароботки на отказ, это не связанно с плохим изготовлением запчастей, браком, или устаревшей конструкции. Это в первую очередь связанно с условием эксплуатации, агрессивной средой, низкой квалификацией персонала.
Эти и другие причины указывают на необходимость повышения надежности ТВД.
Частью такой повышения надежности является замена не которых частей конструкции.
В данном дипломном проекте была комплексно рассмотрена оборудование для бурения скваженны.
В патентно-информационном обзоре были представлены различные конструкции статоров винтовой части ТВД, опор скольжения и конструкции шпиндельной части. Также была рассмотрена модернизация узлов ТВД. Были произведены расчеты основных параметров.
Модернизация данного ТВЗД позволила повысить на работку на отказ двигателя 2 раза, уменьшить затраты на покупку запасных частей, уменьшить затраты по выплате заработной платы при ремонте, уменьшить стоимость двигателя по сравнению с базовым, уменьшить стоимость ремонта.