1.4 Електробури

1.4.1 Конструктивні особливості

Електробур – це вибійний буровий двигун, який перетворює електричну енергію у механічну на вихідному валу. Електробури призначені для буріння вертикальних, похилоскерованих та горизонтальних свердловин з використанням промивальних рідин та газоподібних агентів.

Електробур складається з електродвигуна, шпинделя, системи струмопідведення і системи захисту двигуна і шпинделя від попадання промивальної рідини (рисунок 1.31).

1 – кабельний вхід; 2 – перехідник під елеватор; 3 – гумова діафрагма компенсатора; 4 – поршень компенсатора; 5 – пружина; 6 – циліндр компенсатора; 7 – верхній з’єднувальний корпус статора двигуна;

8 – верхній сальник двигуна; 9 – вал двигуна; 10 – пакет магнітопровідної сталі статора; 11 – корпус статора; 12 – проміжний підшипник двигуна; 13 – нижній підшипник двигуна; 14 – корпус шпинделя; 15 – зубчаста муфта; 16 – радіально-осьовий підшипник; 17 – вал шпинделя;

18 – поршень компенсатора шпинделя; 19 – пружина компенсатора;

20 – сальник шпинделя; 21 – перехідник на долото

Рисунок 1.31 – Загальна схема електробура

Електродвигун являє собою високовольтну, трифазну, асинхронну, заповнену мастилом машину з короткозамкнутим ротором. Електродвигун монтують у трубних секціях, з’єднаних між собою за допомогою конічної різьби. Основними частинами електродвигуна є статор і ротор. У корпусі статора запресовані пакети з магнітопровідної сталі,між якими розташовані короткі пакети з немагнітопровідного матеріалу, які є опорою для підшипників ротора. Вихідні кінці обмоток, які закладені в пазах статора, приєднані до кабеля, через який струм підводиться до електродвигуна.

Ротор складається з пустотілого вала, на якому розміщені секції з короткозамкнутими алюмінієвими «білковими» клітками.

Зазор між статором і ротором складає 0,4-0,6 мм, що забезпечує достатньо надійну роботу двигуна. Кількість пазів ротора майже в 1,5 більша від кількості пазів статора.

Для одержання необхідного обертового моменту при невеликому діаметрі двигуна, який обмежений діаметром свердловини, збільшують його довжину. Щоб довгий ротор не викривлявся при обертанні, він розділений на ряд секцій, які центруються у статорі радіальними кульовими підшипниками. Осьове навантаження сприймають опорні кульові підшипники.

Внутрішня порожнина електродвигуна заповнена ізоляцій­ним мастилом. Ущільнення обидвох кінців вала двигуна досягається за допомогою нижнього і верхнього сальників. Щоб запобігти проникненню в електродвигун промивальної рідини через сальники, тиск мастила в порожнині двигуна повинен бути дещо вищий (на 0,1-0,3 МПа) ніж тиск промивальної рідини, яка протікає через пустотілий вал електробура. Для цього у верхній частині корпусу електробура є три лубрикатори або компен­сатори, один з яких заповнений густим авіаційним мастилом і сполучений з верхнім сальником, а два інших заповнені трансформаторним мастилом і сполучені з порожниною двигуна.

Компенсатори в електробурі виконують такі функції:

1. передають тиск зовнішнього середовища у порожнини електродвигуна і шпинделя, а також тиск одної ізольованої порожнини електробура в іншу;

2. створюють надлишковий тиск в порожнинах електродвигуна і шпинделя, який дещо вищий за тиск оточуючого середовища;

3. містять запас мастила, необхідного для поповнення порожнини електробура при роботі;

4. дозволяють мастилу вільно розширятись або скорочуватись в об’ємі не допускаючи надмірних протитисків в порожнинах електробура.

В електродвигунах і шпинделях електробурів використо­вують поршневі компенсатори закритого типу. У поршневому компенсаторі закритого типу мастило двигуна відокремлено від промивальної рідини не тільки поршнем, але і гумовою діафрагмою, один кінець якої закріплений на поршні і переміщується з ним, а інший кінець діафрагми, з’єднаний з циліндром компенсатора, залишається нерухомим. Надлишковий тиск створює пружина. Поршень з циліндром ущільнюють круглим гумовим кільцем (рисунок 1.32).

а) кільцевий відкритого типу; б) циліндричний відкритого типу;

в) закритого типу;

1 і 2 – відповідно зовнішній та внутрішній циліндри; 3 – пружина;

4 – поршень; 5 і 6 – ущільнюючі гумові кільця; 7 – перепускний отвір;

8 – гумова діафрагма; 9 – клапан

Рисунок 1.32 – Схеми поршневих компенсаторів

На рисунку 1.33 показана конструкція компенсатора закритого типу, яку використовують у всіх конструкціях сучасних електродвигунів і шпинделів електробурів.

1 – розклинювач; 2- перехідник під елеватор; 3 – кабельний вхід;

4 – затискуючий циліндр; 5 – перепускний клапан; 6 – гумова діафрагма;

7 – поршень; 8 – циліндр компенсатора; 9 – пружина; 10 – болт із підшипником; 11 – ущільнююче кільце; 12 – стержень стягувальної планки; 13 – стягувальна планка; 14 – основа

Рисунок 1.33 - Компенсатор закритого типу

Циліндр компенсатора закріплений на основі. У циліндрі встановлена розтягнута пружина, нижній кінець якої закріплений на опорі і вільно прокручується навколо болта, а верхній кінець пружини закріплений на деталі поршня. Стискаючись, пружина переміщує поршень, створюючи під ним надлишковий тиск мастила.

На поршні закріплений один кінець еластичної діафрагми, а інший кінець її закріплений на циліндрі компенсатора. У верхній частині поршня встановлений клапан, через який випускається з під діафрагми назовні надлишок мастила.

На рисунку 1.33 поршень показаний у верхньому положенні, яке відповідає перепусканню надлишку мастила з двигуна назовні. Зазвичай, це відбувається після запуску електробура, який спущений у свердловину у перший рейс після ревізії. Мастило, яким заповнений електробур, нагріваючись, розширюється, і його надлишок витікає у свердловину через компенсатор. Внаслідок цього відбувається підвищена витрата мастила у перший рейс роботи електробура.

Деталі компенсатора скріплюють планками, нижній кінець яких закріплений на основі, а верхній – на фланці. Рівень мастила у компенсаторі визначають заміром тиску, який створює компенсатор у порожнині двигуна. У сучасних двигунах об’єм компенсатора складає 3-5 л. Цього мастила достатньо для безперервної нормальної роботи ущільнень протягом 100 годин і більше. У шпинделях об’єм компенсатора складає 3-4 л. Добавляти мастило у двигун можна на буровій при заміні долота. Мінімальний тиск, який створюють компенсатори електродвигуна і шпинделя повинен бути не менший 0,1 МПа. Величини максимальних тисків пружинних компенсаторів не обмежують.

Шпиндель електробура призначений для передавання на долото осьового навантаження і обертового моменту від двигуна. Пустотілий вал шпинделя змонтований на осьових та радіальних підшипниках. Шпиндель герметичний і заповнений авіаційним мастилом.

В середній частині шпинделя розміщений лубрикатор з пружиною, яка створює надлишковий тиск мастила і таким чином захищає підшипники від попадання в них промивальної рідини. Захист пустотілого шпинделя від промивальної рідини знизу забезпечується торцевим сальником. Нижній кінець вала шпинделя закінчується різьбою під перехідник для приєднання долота.

Планетарний редуктор-вставка призначений для зниження швидкості обертання породоруйнівного інструменту і підви­щення обертового моменту. Редуктор-вставку (рисунок 1.34) приєднують до електродвигуна і шпинделя з допомогою корпусних конічних різьб.

1, 9 - з’єднувальні муфти; 2 – верхній сальник; 3 – компенсатор;

4 – вхідний вал; 5 – водило; 6 – нерухома шестерня; 7 – нижній сальник;

8 – ведений вал

Рисунок 1.34 – Схема редуктора-вставки

Ведучий вхідний вал редуктора приєднують до вала двигуна з допомогою зубчастої муфти, а ведений вихідний вал – з допомогою такої самої муфти до вала шпинделя. Герметизація валів редуктора, які обертаються з різною швидкістю, забезпечу­ється торцевими сальниками. У верхній частині редуктор-вставка не має ущільнень, а у нижній частині герметизується торцевим ущільненням.

Для зменшення швидкості обертання долота і підвищення крутного моменту можна використовувати два послідовно з’єднаних редуктора-вставки.

При бурінні похилоскерованих свердловин в електробур включають механізм викривлення. Механізм викривлення (рисунок 1.35) призначений для забезпечення перекосу осей шпинделя і двигуна електробура під кутом 1, 1,5 і 2°.

1 – корпус; 2, 5 – зубчасті муфти; 3 – підшипники; 4 – вал механізму

Рисунок 1.35 – Схема механізму викривлення

Він може бути встановлений між редуктором-вставкою електробура і шпинделем. Вали двигуна і шпинделя з’єднують з допомогою зубчастих муфт і герметизують шарнірними ущіль­неннями. Механізм викривлення не має ущільнень вала з корпу­сом і оскільки він розташований між двигуном та шпинделем, його внутрішня порожнина сполучена з порожниною шпинделя. Загальна порожнина заповнюється мастилом одночасно із заповненням порожнини шпинделя. Буріння електробуром з використанням механізму викривлення можливе при будь-яких осьових навантаженнях, допустимих на електробур.

Система струмопідведення. Схема розміщення обладнання та інструменту при бурінні свердловини електробуром показана на рисунку 1.36.

1 – долото; 2 – електробур; 3 – бурильна колона; 4 – станція керування електробуром; 5 – високовольтний вимикач; 6 – силовий трансформатор; 7 – регулятор подавання долота; 8 – бурова лебідка; 9 – високовольтна скринька; 10 – ведуча труба; 11 – струмоприймач; 12 – вертлюг;

13 – буровий шланг; 14 – зовнішній нерухомий кабель;

15 – пульт керування електробуром; 16 – ротор

Рисунок 1.36 – Схема розміщення інструменту і обладнання при бурінні свердловин електробуром.

Долото з електробуром спускають у свердловину на бурильній колоні. Електроенергія до двигуна електробура підводиться від високовольтної скриньки до силового трансформатора, а від нього через високовольтний вимикач до станції керування електробуром і далі по зовнішньому трижильному кабелю, який підвішений до бурового шланга і по двожильному кабелю, змонтованому всередині бурильної колони, складеної із бурильних труб з висадженими назовні кінцями.

Третій провід, який необхідний для живлення трифазного електродвигуна, утворює бурильна колона. Для введення кабеля всередину бурильної колони і створення безперервної електричної лінії, яка живить струмом електробур як у випадку одночасного обертання бурильної колони та її осьового переміщення, так і при нерухомій бурильній колоні, безпосередньо під вертлюгом встановлюють струмоприймач (рисунок 1.37).

1 – пустотілий вал; 2 – кабельний вхід; 3 – контактні кільця; 4 – щітки;

5 – корпус; 6 – контактна муфта; 7 – трижильний кабель

Рисунок 1.37 – Схема струмоприймача електробура

Кабель всередині бурильної колони змонтований із секцій, довжина яких дорівнює довжині застосовуваних бурильних труб.

Секція двожильного кабеля на одному кінці має двоконтактний стержень, а на іншому – двоконтактну муфту (рисунок 1.38).

1 – двоконтактний стержень; 2 – опора стержня; 3 – двожильний кабель; 4 – опора муфти; 5 – двоконтактна муфта

Рисунок 1.38 – Секція двожильного кабеля

Струмоприймач складається із пустотілого вала зі змонтованими на ньому контактними кільцями і кабельним входом, корпусу зі струмопідвідним пристроєм, який з допомогою щіток здійснює безперервний контакт з контактними кільцями, які встановлені на ізоляторах. До двох контактних кілець за допомогою наконечників приєднують кінці двох проводів кабельного входу. Третє кільце заземляють на ствол струмоприймача.

Кабельний вхід має ущільнення у боковому отворі ствола. Інші кінці проводів кабельного входу припаяні до шин двоконтактної кабельної муфти, яка змонтована у центральному отворі вала. При нагвинчуванні струмоприймача на ведучу трубу контактна муфта з’єднується з контактним стержнем, який є у ніпелі ведучої труби.

Електричний контакт з контактними кільцями здійснюється постійно через контактні щітки, які встановлені у щіткотримачах, закріплених до металевих пластин. Кожна з трьох пластин з’єднана проводами із відповідними затискачами вхідної коробки.

Щітки з щіткотримачами, металеві пластини, спеціальні штирі, контактний стержень вхідного трижильного кабелю змонтовані у корпусі, на підшипниках якого обертається вал.

Струм до струмоприймача підводиться за допомогою трижильного кабеля, який на кінці має контактну муфту, з’єднану з контактним стержнем струмоприймача. Корпус струмоприймача необхідно заземляти.

У процесі експлуатації періодично проводять технічний огляд струмоприймача, під час якого перевіряють стан щіток, контактних кілець, перехідних контактів і поповнюють мастило підшипників.

При існуючій системі живлення електробура за схемою «два проводи – бурильні труби» (ДПТ) триконтактні кабельні з’єднання застосовують тільки у кабельному вході електробура, пристрої для контролю за ізоляцією системи та телеметричних системах, які використовують для заміру вибійних параметрів. У решти частини струмопідведення використовують двоконтактні кабельні з’єднання.

Контактні стержень і муфта виконані із гуми, в якій завулканізовані контактні мідні кільця з шинами. Шини одним кінцем припаяні до контактного кільця, а іншим до жил кабеля. При згвинчуванні бурильних труб контактний стержень входить в контактну муфту і секції кабеля з’єднуються між собою. Кабельні секції мають також опорні елементи для кріплення до опорних сухарів бурильних замків. Кабельні секції експлуатують при напрузі 2200 В і силі струму 160 А з короткочасним перевантаженням до 400 А в умовах вібрацій. Гранична температура середовища становить 120-130 °С.

Силовий трансформатор призначений для регулювання напруги на клемах двигуна електробура у процесі буріння свердловини.

Станція керування електробуром призначена для виконання таких операцій:

1. Пуск та зупинка електробура.

2. Захист при короткому замиканні в колі електродвигуна електробура і струмопідведення з витримкою часу при перевантаженнях.

3. Вимірювання потужності, сили трифазного струму, лінійної напруги в головному колі, опору ізоляції системи струмопідведення електробура.

4. Світлову сигналізацію, яка вказує на включення або відключення електробура і релейно-блінкерну, яка вказує, який вид захисту відключив електробур.

При живленні електробура за схемою "два проводи – бурильні труби" (ДПТ) обидві жили двопровідного кабеля, три фази обмотки статора і силового трансформатора з’єднані із "землею", оскільки одна із фаз обмотки статора підключена до бурильної труби. Проте контролювати опір ізоляції двигуна і двопровідного струмопідвода важко. Тому у процесі експлуатації для контролю за опором ізоляції кабеля та обмотки статора двигуна електробура кабельну систему необхідно періодично відключати від обмотки статора. Для цього над електробуром встановлюють спеціальний напівпровідниковий пристрій для контролю за ізоляцією системи "двоконтактний струмопідвід – електробур" (рисунок 1.39).

1 – корпус; 2 – кабельна секція; 3,6 – опори; 4 – корпус контейнера;

5 – комутуючий вузол

Рисунок 1.39 – Схема пристрою для контролю за ізоляцією системи

У корпусі пристрою розташований герметичний контейнер з комутуючим вузлом, який складається з керованого та некерованого вентилів у ланцюзі керування. Комутуючий вузол включений між третьою фазою і бурильною трубою. Він не повністю розриває електричне коло при відключенні напруги, а лише змінює його опір. Зворотний опір пристрою для контролю за ізоляцією у десятки разів більший ніж опір системи "струмопідвід – електробур". Це дає можливість визначити стан ізоляції струмопідведення і електробура при відключеній напрузі.

Зворотний клапан призначений для запобігання переливу промивальної рідини з бурильної колони при спуско-підіймальних операціях та нарощуванні. В результаті контактний стержень не забруднюється промивальною рідиною. Зворотний клапан встановлюють під першу свічку після ведучої труби, а при сильних переливах під 5-10 свічку.