Při metodě vrtání s turbínou se vrtná kolona neotáčí, ale přijímá jalový moment z motoru hlubinného otvoru a slouží jako kanál pro dodávání hydraulické energie do vrtu. Rotace korunky je přenášena z hřídele turbíny, poháněna proudem vrtné kapaliny, tzn. u turbínové metody funguje jeden kanál přenosu výkonu na dno. Na rozdíl od rotačního vrtání, kde se při konstantním n M a tedy i zatížení vrtáku G může měnit v širokých mezích, se při vrtání turbínou n výrazně mění se změnami G a M.

Turbovrták je umístěn přímo nad korunkou a je to stroj, který přeměňuje hydraulickou energii proudu vrtné kapaliny na mechanickou energii potřebnou k otáčení korunky. Pohonnou jednotkou turbodrillu je hydraulická turbína, skládající se z mnoha prvků shodné konstrukce, nazývaných stupně. Vrtná kapalina prochází postupně všemi stupni a točivé momenty vytvořené těmito stupni se sečtou.

Charakteristikou turbovrtací turbíny se rozumí závislost jejího výkonu N, krouticího momentu M, součinitele výkonu (účinnosti), tlakového spádu na otáčkách hřídele n pro dané množství Q jím čerpané vrtné kapaliny. Frekvence otáčení hřídele odpovídá otáčkám rotoru turbíny a točivý moment je roven součtu momentů všech stupňů M = zm.

kde m je moment jedné fáze.

Výkon N lze určit průtokem Q a tlakovou ztrátou, kde je tlaková ztráta v jednom stupni, tzn.

Těleso turbovrtáku je připojeno k vrtací koloně pomocí pomocného prvku a přenáší jalový moment na zablokovaný stůl rotoru prostřednictvím hnacího potrubí a vložek rotoru. Ve velkých hloubkách se zakřiveným vrtem se celý jalový moment nebo jeho významná část přenáší na stěny vrtu. Aby se zabránilo vyšroubování závitů turbovrtáku vlivem krouticího momentu, měly by být všechny závitové spoje zajištěny správným utahovacím momentem. Na hřídel turbovrtáku je našroubován sub, kalibrátor a bit.

Výkonnostní charakteristiky turbovrtačky

Výkonová charakteristika turbodrillu na rozdíl od turbíny zohledňuje spotřebu energie na tření v podpěrách turbodrillu a umožňuje tak určit točivý moment a výkon na bitu v závislosti na průtoku, rychlosti otáčení a axiálním zatížení. na bitu. Záleží také na typu a stavu podpěr turbovrtáku a vlastnostech vrtné kapaliny.

Pro snadnost použití a přehlednost jsou provozní charakteristiky turbovrtací turbíny uvedeny v grafické podobě.

Vzhledem k tomu, že se nebere v úvahu ztráta výkonu v ložiskách, pokud není hřídel zatížena, bude se turbína otáčet maximální frekvencí nx. Když se na hřídeli vytvoří rotační odpor, rychlost otáčení klesá úměrně s aplikovaným kroutícím momentem. Když se hřídel úplně zastaví (n=0), moment dosáhne své maximální hodnoty, nazývané brzdný moment Mt. Hodnota točivého momentu na hřídeli turbíny při otáčkách hřídele 0

V tomto případě výkon na hřídeli turbíny

Studie této funkce ukazuje, že N je maximum při n0 = nx/2 (režim maximálního výkonu turbíny).

Se změnou množství a kvality vrtné kapaliny čerpané přes turbínu se mění její energetické parametry podle vztahů z teorie turbíny:

ČTĚTE VÍCE
Jak vybrat velikost pánve pro indukční vařič?

Zde p1 a p2 jsou tlakové ztráty v turbíně při průtokech Q1 a Q2 a hustotách vrtné kapaliny a.

Poměr M/n pro rotační vrtání je výrazně vyšší než pro vrtání s turbínou. Tento rozdíl je zvláště výrazný u turbovrtáků s malým průměrem, protože vliv průměru turbovrtáku na jeho výkon a točivý moment je velký (s ostatními parametry beze změny):

kde d1 a d2 jsou průměry turbovrtáku.

Při znalosti energetických parametrů pro jeden režim výplachu ze laboratorních studií a pomocí těchto vztahů je možné určit parametry turbíny pro jinou kvalitu a množství vrtné kapaliny.

Závislost výkonu a krouticího momentu na hřídeli turbovrtáku na otáčkách pro danou energetickou náročnost bitu se nazývá komplexní charakteristika procesu vrtání turbíny nebo charakteristika TDZ (turbodrill – bit – spodní otvor).

Pro zvýšení výkonu, zjednodušení výroby, přepravy a oprav jsou turbovrtačky vyráběny ve dvou a třech sekcích. Sekční turbovrták se skládá z několika (obvykle dvou nebo tří) běžných vícestupňových turbovrtáků (sekcí), umístěných nad sebou, jejichž hřídele jsou vzájemně spojeny kuželovou třecí nebo kuželovo-drážkovou spojkou. Při sešroubování těles sekcí se spojí i hřídele. Konstrukce sekčních turbodrillů je taková, že spodní sekci lze použít samostatně nebo s libovolným počtem horních sekcí. Proto v případě potřeby můžete snadno změnit výkon a krouticí moment dodávaný do bitu.

Dalším způsobem, jak zlepšit momentovou charakteristiku, je použití mechanických převodovek, které 2-3krát snižují rychlost otáčení bitu a odpovídajícím způsobem zvyšují točivý moment. Rozšiřuje se tak oblast efektivního využití turbovrtáků při vrtání hlubokých vrtů do plastových hornin s bity, které vyžadují vysoký krouticí moment.

Byl také vyvinut způsob, jak snížit rychlost otáčení turbovrtáku rozdělením toku na dva: jeden prochází stupni turbíny a druhý jde do trysek vrtáků a obchází turbínu. U vrtů malého průměru však není možné přenášet dostatečně velké výkony a krouticí momenty na korunku, zejména při vrtání hlubokých vrtů.

KTD jádrové turbo bity jsou určeny pro vrtání s jádrovým vzorkováním. Mají dutou hřídel, ve které je umístěno zařízení pro uložení jádra.

Vlastnosti turbínového vrtání jsou následující.

Oproti rotační metodě se zlepšují provozní podmínky vrtné kolony, což ji usnadňuje a zlevňuje a umožňuje použití vrtných trubek z lehkých slitin a tenkostěnných. Axiální zatížení na korunku, jako při rotačním vrtání, je přenášeno částí hmotnosti vrtací kolony, avšak délka vrtacího límce může být zkrácena, protože stlačená část kolony přenášející axiální zatížení nepůsobí taková složitá napětí jako při rotačním vrtání a únavové poruchy jsou méně časté. Aby se zabránilo zamrznutí a přilepení struny ke stěně studny, je vhodné ji pravidelně otáčet rotorem. Životnost vrtací kolony je zpravidla 2x delší než u rotační metody. Zvýšené tlaky v cirkulačním systému však způsobují častější proplachování závitů, což vyžaduje pečlivé sledování a mazání, dobré upevnění a použití vysoce těsných spojů.

ČTĚTE VÍCE
V jaké vzdálenosti od umyvadla je zavěšeno koupelnové zrcadlo?

Rychlost mechanické penetrace se zvyšuje díky vysoké rychlosti rotace bitů, což vede k výraznému zvýšení komerční rychlosti, zejména u mělkých a středně hlubokých vrtů. Průnik na bit je však snížen kvůli zvýšenému opotřebení držáků a výzbroje bitů, nepřítomnosti bitů s utěsněným držákem pro vysokorychlostní vrtání a omezenému poklesu tlaku v trysce bitu a rychlosti toku vrtné kapaliny z nich . Životnost mezi generálními opravami podpěr turbovrtáků není dostatečně dlouhá, což snižuje efektivitu používání diamantových bitů odolných proti opotřebení a bitů ICM; V některých případech je točivý moment nedostatečný pro jejich efektivní využití.

Lze použít všechny typy vrtných kapalin, jedinou výjimkou je čištění vzduchem. Při vrtání s proplachem provzdušňovanými roztoky je možné částečně užitečně využít instalovaný výkon pohonu kompresorů. Turbína má však relativně nízký výkon při použití velmi viskózních a těžkých roztoků. Turbíny a podpěry se rychle opotřebovávají kvůli vysokému obsahu pevných látek, kalu a písku v roztoku.

Je snazší vychýlit vrt do požadovaného směru.

Zlepšují se pracovní podmínky obsluhujícího personálu, protože nedochází k trvalému hluku rotoru a jsou sníženy vibrace v místě vrtání.

Zmíněné výhody turbínového vrtání vedly k jeho širokému použití v naší zemi, zejména s přechodem na clusterové vrtání směrových vrtů. S touto metodou je spojeno mnoho úspěchů v oblasti vysokorychlostního vrtání studní v zemi. Objem turbínových vrtů se stále zvyšuje, a to i přes současné navyšování objemu vrtů jinými metodami.

1.3.2 Vrtání s objemovými šroubovými motory

V zahraničí používané šroubové motory jsou inverzní šroubové čerpadlo s jednozávitovým šroubem. Mají vlastnosti podobné těm turbodrills, ale jsou poněkud nižší ve výkonu. Například „Dyna-Drill“ o průměru 197 mm a průtoku kapaliny 28 l/s má rychlost otáčení 320 ot./min., kroutící moment 1300, výkon 42 kW a tlakovou ztrátu 1,7 MPa, což přibližně odpovídá charakteristikám turbodrillu A7N4S.

Na Obr. Obrázek 7.3 ukazuje šroubový motor typu D2-172M. Skládá se z pryžového statoru 1, pevně upevněného ve skříni, a ocelového rotoru 2. Rotor a stator jsou jako dvojice vnitřních ozubených kol. Zuby jsou uspořádány podél šroubovice, takže rotor lze považovat za vícechodý šroub a stator za vícechodou matici s různými stoupáními. Počet zubů (náběhů) statoru je o jeden větší než počet zubů rotoru.

Rotor je umístěn šikmo ve statoru a zcela odděluje vstupní a výstupní dutinu motoru. Vrtná kapalina, která pod tlakem vstupuje do uzavřeného prostoru, tlačí na povrch rotoru a nutí jej, aby se odvaloval po povrchu statoru a vykonává planetární pohyb. Ten se pomocí závěsů převádí na rotační pohyb vřetena, který je svým účelem a konstrukcí podobný vřetenu turbovrtačky.

ČTĚTE VÍCE
Jaké metody se používají k určení poruch v kabelových vedeních?

V polovině 1970. let se u nás rozběhla sériová výroba celé řady šroubových vrtných motorů (DMM). PDM byly použity v hloubkovém rozsahu 15-5560 m a v Kola superhlubokém vrtu SG-3 provedly 40 výjezdů v hloubkách od 4332 do 9040 m. Fungují vcelku uspokojivě na všechny existující typy vrtných kapalin o hustotě až do 2 g/cm3.

Vlastnosti šroubového motoru se liší od charakteristik turbodrillu. Teoreticky je jeho frekvence otáčení úměrná průtoku vrtné kapaliny a nezávisí na kroutícím momentu. Jak se točivý moment na bitu zvyšuje, tlaková ztráta se zvyšuje:

kde q je objem dutin šroubového motoru; – Účinnost motoru.

V praxi v důsledku značného tření v motoru a netěsností není točivý moment přímo úměrný poklesu tlaku a rychlost otáčení se s nárůstem točivého momentu poněkud klesá, ale mnohem méně než u turbovrtačky.

Teoreticky rychlost otáčení

– průtok kalového čerpadla, dm3/s.

U šroubového motoru dochází ke ztrátě energie na překonání hydraulického odporu, tření rotoru o stator, tření ve vřetenu, deformace statorové pryže (pro spolehlivé utěsnění dutin vstupuje rotor do statoru s určitým zásahem). Proto je maximální účinnost SDM nízká – 25-35% a životnost statoru je v průměru pouze 30 – 50 hod. S opotřebením statoru se rušení snižuje a mezi rotorem a statorem vzniká mezera, která vede ke snížení točivého momentu až 2krát. V důsledku toho PDM ztrácí schopnost převzít zatížení bitu. Pro boj s tímto jevem byly vyvinuty dvousekční PDM, které analogicky se sekčním turbovrtákem obsahují dvě motorové sekce a společnou vřetenovou sekci. Dělení sekcí umožňuje zachovat požadovanou momentovou charakteristiku PMDM při opotřebení statorů a výrazně zvýšit jejich životnost.

Výkon šroubového motoru závisí na průtoku vrtné kapaliny a poklesu tlaku:

Velmi důležitou roli hraje kinematický poměr – poměr počtu vstupů rotoru a statoru. Jsou-li všechny ostatní věci stejné, určuje M a n SDM.

Vlastnosti PMDM vrtání

Při vrtání PDM do tvrdých hornin se penetrace na bit zvyšuje více než 2krát a do měkkých hornin o 20–50 % ve srovnání s turbovrtákem, přičemž rychlost mechanického vrtání je v obou případech nižší o 20–50 %. Při hloubce vrtu větší než 1500 – 2000 m jsou však PDM výhodné, protože poskytují vyšší cestovní rychlost, která je nedílným ukazatelem účinnosti mechanického vrtání.

PDM je konstrukčně jednodušší, má výrazně menší délku a hmotnost ve srovnání s turbodrillem. Krátká délka je velmi výhodná pro vrtání nakloněných a zejména vodorovných studní, protože poloměr zakřivení kmene a tím i jeho délka lze snížit na minimum.

Při vrtání PMJ je možné ovládat vrtání korunky tlakem a cirkulačním systémem (v klidu), protože tlaková ztráta napříč motorem je úměrná točivému momentu spotřebovanému korunkou. PDM jsou velmi slibné pro vrtání s ISM bity, RSD bity s velkými frézami vyrobenými z kompozitních materiálů obsahujících diamant, válečkové bity s olejem plněnými utěsněnými kluznými ložisky. K tomu je však nutné výrazně zvýšit životnost PMDM především zvýšením životnosti statoru. V současné době jsou vyvíjeny multifunkční motory DK-108 vybavené výměnnými páry šroubů různých parametrů, umožňující změnu rychlosti otáčení od 20 do 230 ot./min. Jsou určeny k provádění různých speciálních prací ve studnách, které se vrtají a opravují. Vyvíjí se také malorozměrový motor typu D-48 pro práci uvnitř potrubí na ohebných průběžných trubkách o průměru 38 – 42 mm. VDM jsou tedy dnes velmi slibné.

ČTĚTE VÍCE
Jaká opatření by měla být přijata v případě povodní v bytě, aby se vrátily náklady na poškozený majetek?

Turbodrill je hydraulický vrtací motor. Hydraulická energie vrtné kapaliny, procházející stupni turbovrtáku, se přeměňuje na mechanickou energii rotujícího hřídele.

Hlavní částí turbodrillu je turbína skládající se z několika stovek stejných stupňů. Každá fáze se skládá ze dvou částí (obrázek 41):

Rotor – rotační část spojená s hřídelí turbovrtáku

Stator – stacionární část spojená s tělem turbodrillu

Pro minimalizaci opotřebení mají lopatky rotoru a statoru stejný profil, ale jsou orientovány v opačných směrech. Pro zajištění požadovaného výkonu turbodrillu musí být turbína vícestupňová. Pokles tlaku na turbíně musí odpovídat technickým vlastnostem kalových čerpadel.

Obrázek 41. Stupeň turbovrtačky

Obrázek 42. Vývojový diagram řešení

ve vícestupňové turbíně

Vzorce vlivu množství proplachovací kapaliny na výkon turbíny:

1. Rychlost otáčení turbíny je úměrná množství čerpané kapaliny

2. Pokles tlaku na turbíně je úměrný druhé mocnině množství čerpané kapaliny:

3. Točivý moment na turbíně je úměrný druhé mocnině množství čerpané kapaliny

4. Výkon turbíny je úměrný třetí mocnině množství čerpané kapaliny

Největší hydraulický výkon na turbíně při maximálním tlaku ve výtlačném potrubí lze získat za předpokladu:

Рт = P, (29)

kde Pт pokles tlaku v turbodrillu;

Р tlak ve výtlačném potrubí.

Vzhledem k tomu, že během procesu vrtání studny se hydraulický odpor ve vrtných trubkách, nástrojovém kloubu a prstencovém prostoru neustále zvyšuje, s rostoucí hloubkou vrtu je nutné snížit průtok kalových čerpadel tak, aby pokles tlaku napříč turbína zůstává konstantní. Průtok čerpadla je regulován výměnou vložek válců jiného průměru.

Axiální zatížení vrtáku se volí v závislosti na tvrdosti hornin. Čím vyšší tvrdost, tím větší zatížení bitu. Rychlost otáčení vrtáku by se však měla snižovat se zvyšující se tvrdostí vrtaných hornin. Kombinace těchto parametrů umožňuje lepší vrtací výkon.

Výkonové charakteristiky turbodrillu. Při vrtání turbovrtákem se rychlost otáčení vrtáku plynule mění v závislosti na zatížení vrtáku a tvrdosti hornin, tzn. Čím větší je zatížení vrtáku, tím nižší je rychlost otáčení hřídele turbovrtáku.

Obrázek 43. Výkonnostní charakteristika

Nazývá se změna výkonu, účinnosti, krouticího momentu a tlakové ztráty při konstantním napájení čerpadla v závislosti na rychlosti otáčení výkonnostní charakteristiky turbodrillu (obrázek 43).

ČTĚTE VÍCE
Kdy je nutné seřídit napnutí kotlových závěsů?

V režimu brzdění, tzn. při nulové rychlosti otáčení je účinnost turbodrillu rovněž nulová. Se zvyšující se rychlostí otáčení se zvyšuje účinnost, poté, co dosáhne své maximální hodnoty, začne klesat a při volnoběhu se rovná nule. Nazývá se provozní režim turbodrillu, ve kterém jeho účinnost dosahuje maximální hodnoty optimální.

Výkonové charakteristiky turbodrillu s konstantním podáváním kalového čerpadla jsou u každého typu jiné. Různé typy turbovrtáků jsou navrženy pro různé režimy vrtání:

V sekcích turbíny lze nainstalovat následující:

masivní kovové turbíny;

kovové kompozitní turbíny

Vřetenové sekce mohou používat pryžokovová nebo kuličková ložiska.

Turbovrtáky typ KTD (jádrový turbo bit) určený pro odběr vzorků jádra při vrtání studny. Uvnitř dutého hřídele turbovrtáku je umístěn nosič zeminy a jednotka pro jeho připevnění. Konstrukce jádrových turbo bitů umožňuje použití odnímatelného nosiče půdy, který zajišťuje odběr vzorků jádra bez zvedání vrtných trubek, dokud není jádro zcela vytěženo.

Sekční vřetenové turbovrtáky 3TSSh se skládají ze tří turbínových a jedné vřetenové sekce. Výhodou těchto turbodrillů je výměna použitých vřeten bez demontáže sekcí a změna členitosti turbodrillu v závislosti na podmínkách vrtání.

Sekční turbovrtáky se šikmým tlakovým vedením A7Sh a A7GTSh – u těchto turbodrillů jsou pro snížení rychlosti akcelerace navíc instalovány hydrodynamické brzdové mřížky. Takové turbovrtáky umožňují pracovat při nízkých rychlostech a zlepšují spuštění turbovrtáku ve vysoce abrazivních a těžkých jílových roztocích. Navíc vám umožňují pracovat při vysokém zatížení bitu.

Nevýhodou turbodrillů se šikmou tlakovou linií je to, že při poklesu zatížení udidla se tlakový spád napříč turbodrilem prudce zvyšuje.

Převodové turbovrtačky může pracovat v kombinaci s bity pro nízkorychlostní vrtání do 200 ot./min. RT se skládají ze tří hlavních částí – turbodrill, vložkové převodovky a vřetena.

Pravidla provozu. Sledování normálního provozu turbodrillu ve spodní části se provádí podle údajů na tlakoměru a indikátoru hmotnosti. Při konstantním napájení čerpadla se tlaková ztráta v turbodrillu téměř nemění se změnou jeho provozního režimu. Prudký nárůst nebo pokles tlaku ve výtlačném potrubí je známkou nesprávného provozu turbodrillu.

Pro sledování rychlosti otáčení turbovrtáku během procesu vrtání se používá turbotachometr.

Tlak v turbodrillu se může zvýšit v důsledku ucpaných kanálů turbíny. Po každém výjezdu při zvedání turbodrillu je nutné zkontrolovat jeho axiální vůli. Přípustná velikost axiální vůle pro každý typ turbovrtáku není stejná (3-8 mm).

Každé 2 výjezdy, v závislosti na podmínkách vrtání, je nutné zkontrolovat a zpevnit závity vsuvky a podstavce.