Tehnologija bušenja II - rgf.bg.ac.rsrgf.bg.ac.rs/predmet/RO/VII semestar/Tehnologija izrade busotina II... · Zbog nedovoljne snage i neusavršenosti konstrukcije turbobura, Kapeljušnikov

1. Dubinski motori Tehnologija bušenja II Slide 1 of 48

ININŽŽENJERSTVO NAFTE I GASAENJERSTVO NAFTE I GASA

Tehnologija buTehnologija buššenja IIenja II

1. predavanje


Bušenje dubinskim motorima

g Turbinske bušiliceg Vijčani motor


Počev od ’70 - ih godina prošlog veka u svetu započinje intenzivan razvoj u oblasti izrade koso-usmerenih i horizontalnih bušotina. Za tu namenu pogon dleta dubinskim motorima se pokazao kao nezamenljiv.

Glavna prednost bušenja hidrauličnim pogonskim motorima (HPM) je blizina motora dletu. Zahvaljujući ovome, bušenje HPM ima sledeće prednosti nad bušenjem pomoću rotacionog stola:§gubici izazvani obrtanjem kolone bušaćeg pribora, koja je često dugačka i nekoliko hiljada metara, su eliminisani i skoro sva snaga proizvedena u motoru se prenosi dletu. Tako je pri bušenju HPM više snage dostupno na dnu bušotine, nego pri bušenju sa rotacionim stolom; §lomovi bušaćih šipki su veoma smanjeni i habanje je skoro eliminisano;§broj obrtaja dleta je znatno veći nego pri bušenju sa rotacionim stolom, a sa time i brzine prodiranja dleta;§kako niz bušaćih cevi ne rotira HPM se može koristiti pri kosom i usmerenom bušenju;§nema obrtanja rotacionog stola iznad bušotine i buka je znatno smanjena, što poboljšava uslove rada.

Hidraulični pogonski motori se dele na turbinske i vijčane.


Turbinski motori U istorijatu konstruisanja, izrade i primene dubinskog turbinskog motora

vodeća uloga pripada ruskoj nauci i tehnici. Projekat turbinske bušilice je patentiran 1922. godine (M.A. Kapeljušnikov). Kasnije su, 1924. godine, izbušene prve bušotine turbinskom bušilicom - turboburom, na naftnim poljima Bakua. U konstrukciji tog turbobura korišćene su jednostepene turbine (sa jednim statorom i jednim rotorom) i reduktorom za regulisanje obrtaja rotora. Zbog nedovoljne snage i neusavršenosti konstrukcije turbobura, Kapeljušnikov nije mogao obezbediti konkurentnu primenu turbinskog bušenja. Teoretske osnove konstrukcije višestepenih turbina za bušenje dubokih bušotina, postavio je 1934–1935. godine, ruski inženjer Šumilov. Posle niza usavršavanja turbobura, konusnih dleta i isplačnih pumpi, turbinsko bušenje je našlo široku primenu. Danas u Rusiji primena turbinskih motora predstavlja osnovni metod bušenja pri istraživanju ležišta nafte, gasa i termalnih voda. Godišnje se u ovoj zemlji turbinskim bušilicama izbuši oko 80–85% od ukupnog obima dubokog bušenja. Prvo uspešno bušenje uz primenu turbina izvan Sovjetskog Saveza obavljeno je u južnoj Francuskoj u toku 1959. god. Turbine su takođe primenjene i u SAD 1960. god., ali treba naznačiti da je manje od 1% metraže izbušeno u SAD pomoću turbina. One su se više koristile u nekim delovima Evrope i Severnom moru, mada ne u tolikoj meri kao u bivšem Sovjetskom Savezu


Turbinska bušilica, ili turbina, je dubinski hidraulički motor ugrađen iznad dleta, koji se pogoni isplakom, tako da alat iznad dleta miruje. Njeni turbinski elementi, izrađeni su od livenog čelika i imaju znatne osne i radijalne tolerancije za rad pri visokim pritiscima, vibracijama i izvijanjima, a otporne su u radu sa nečistim tečnostima kao što je isplaka.

Tipovi turbinskih bušilica razlikuju se prema spoljašnjem prečniku, broju sekcija i turbinskih elemenata (stepenova), broju obrtaja osovine i po izradi ležaja. Navedena tehnička svojstva određuju namenu bušilice: za bušenje trokonusnim dletima, dijamantskim ili PDC dletima ili za vertikalno, odnosno dirigovano (koso-usmereno) bušenje.

Po konstruktivnim karakteristikama turbinske bušilice se mogu svrstati u šest grupa:§Brzohodne bušilice obične izrade§Brzohodne bušilice sa vretenom§Sporohodne bušilice sa vretenom§Sporohodne bušilice sa promenljivim otporom§Bušilice za jezgrovanje§Reaktivni turbinski agregati


Pri manjim brzinama i većim otpornim momentima, efikasnost bušenja turbinama je znatno redukovana. Trokonusna dleta zahtevaju velika aksijalna opterećenja i manje brzine obrtanja i zbog toga nisu praktična za primenu sa turbinama. Dijamantska i PDC dleta bolje su prilagođena turbinama, ali dijamantska dleta nisu korišćena za turbinsko bušenje koliko i trokonusna dleta, jer je teško uskladiti određene konstrukcije dijamantskih dleta sa datim tipovima formacije. Čak i inženjeri u bivšem Sovjetskom Savezu, koji su obično bušili turbinama, uglavnom su primenjivali trokonusna dleta. Ovaj pristup ih je naterao da konstruišu motore sa manjim brzinama kao što su: sporohodne bušilice sa vretenom i sporohodne bušilice sa promenljivim otporom, gde se kod maksimalne snage broj obrtaja kreće od 250-300 o/min.Ukoliko se odabere dleto odgovarajuće konstrukcije za datu formaciju i pruži mogućnost odgovarajućem aksijalnom opterećenju na dleto da uravnoteži pritisak i optimizira izlaznu snagu, može se dobiti uspešni rad turbinskim bušenjem. Ovo podrazumeva da operator može da održava rad turbine (bušenje) uz odgovarajući obrtni momenat i brzinu. Jasno, bez nekih sredstva za praćenje performansi u bušotini (obrtnog momenta i brzine), mnogo je teže bušiti turbinom nego vijčanim motorom.


Turbinske višestepene bušilice predstavljaju dubinske hidraulične motoresastavljene od većeg broja, 100–300 potpuno identičnih turbinskih elemenata. Svaki stepen turbine (sl.1) sastoji se iz statora čvrsto spojenog za telo turbinske bušilice, i rotora spojenog sa vratilom turbobura. Uvodjenjem višestepenih turbina stvorena je mogućnost povećanja snage turbina i regulacije brzine obrtanja njegovog rotora, promenom brzine proticanja isplake.

Turboburi rade na principu dejstva mlaza isplake na lopatice turbine usled čega se hidraulička energija isplake pretvara u mehanički rad na rotaciji vratila turbobura na koje je povezano dleto.

Sl. 1. Tok isplake u jednom stepenu turbine.


Na slici 2 prikazan je uredjaj i princip dejstva jednog stepena turbine (statora i rotora). Izmedju spoljašnjeg oboda (1) i unutrašnjeg oboda (3), čeličnog prstena statora, razmeštene su, i čvrsto spojene za obod statora, blago povijene lopatice (2). Lopatice statora služe za usmeravanje, pod odredjenim uglom, kretanja isplake na lopatice rotora (5). Rotor predstavlja čelični prsten na kome su izmedju unutrašnjeg oboda (4) i spoljašnjeg oboda (6) pričvršćene lopatice (5). Lopatice rotora imaju isti oblik kao i lopatice statora, ali je pravac povijanja lopatica rotora suprotan pravcu povijanja lopatica statora. Lopatice statora i rotora izradjuju se od livenog čelika. U novije vreme uspešno se primenjuju plastične lopatice statora koje su veoma otporne na abrazivna dejstva, ali su osetljive na temperature veće od 100°C.

Sl. 2. Princip dejstva turbine1. Spoljašnji obod statora; 2.Lopatice statora; 3. Unutrašnji obod statora; 4.Unutrašnji obod rotora; 5. Lopatice rotora; 6.Spoljašnji obod rotora.


Princip rada turbinske bušilice

Rad turbobura ostvaruje se na sledeći način: Isplaka koju potiskuju isplačne pumpe, kroz kolonu bušaćeg pribora, dolazi pod visokim pritiskom na prvi stepen lopatica statora, menja pravac kretanja i usmerava se na lopatice rotora. Mlaz isplake posle prvog stepena, sukcesivno prolazi kroz drugi stepen, treći i dalje. Na taj način isplaka prolazi kroz sve stepene turbobura što uslovljava pojavu reaktivnih sila A i B, koje dejstvuju na lopatice statora i rotora na različite strane. Sila A, sumira se po svim stepenima turbine, stvarajući obrtni moment na vratilo turbobura, a sila B stvara reaktivni moment, koji se prenosi na bušaću kolonu preko tela turbinske bušilice. Isplaka zatim kroz otvor na vratilu rotora prolazi kroz mlaznice dleta čisti dno bušotine i kroz prstenasti prostor izmedjukolone bušaćeg pribora i zida bušotine vraća se u sistem za pripremu i održavanje isplake na površini.


Obrtni momenat na osovini turbinske bušilice jednak je zbiru svih momenta koji se stvaraju u pojedinim stepenima turbine. Maksimalni momenat se postiže u donjem delu osovine turbine i iznosi:

M=k•∆M

Gde su:M – obrtni momenat u donjem delu osovine turbinske bušilice k – broj stepeni turbine∆M – obrtni momenat jednog stepena

Kretanje isplake u kanalu između dve susedne lopatice, višestepene turbine, prikazano je na slici 3. Mlaz isplake izlazi iz kanala statora brzinom (C), pravcem koji je odredjen uglom α. Na ulazu u kanal rotora, mlaz isplake se naknadno uključuje u rotaciono kretanje brzinom (U), koja uslovljava brzinu obrtanja lopatica.

Protok isplake profilom lopatice rotora odredjuje se relativnom brzinom (W) koja je jednaka geometrijskoj razlici apsolutne brzine mlaza (C) i rotacione brzine (U), kojom isplaka okreće osovinu rotora .


U cilju obezbeđenja minimalnog trošenja turbinskih lopatica profil lopatica rotora je identičan profilu lopatica statora. Iz toga proizilazi da će brzina isplake (W1) na izlazu iz rotora sa vektorom brzine pod uglom (α) biti jednaka brzini (C) na izlazu iz statora, odnosno na ulazu u rotor, sa vektorom brzine pod uglom (α1), pri čemu su uglovi (α) i (α1) jednaki. Ako ulaz isplake u rotor i izlaz iz njega imaju isti presek, onda će veličine brzina (U) i (U1) biti jednake. Usled toga i trouglovi komponenata ulaznih i izlaznih brzina će biti jednaki i apsolutna brzina kretanja tečnosti (C1) na izlazu iz rotora će biti jednaka brzini (W) na ulazu u rotor. Zahvaljujući takvom odnosu komponenata brzina, moguće je obezbediti dovoljno visok koeficijent hidrauličkog korisnog dejstva i srazmerne brzine kretanja tečnosti.

Sl. 3. šema brzine protoka isplake izmedju lopatica statora i rotora turbine


Šumilov, je svojim istraživanjima, ustanovio sledeće osnovne zakonomernosti uticaja isplake na radnu sposobnost turbine.

1. Broj obrtaja turbine proporcionalan je količini isplake koja potiskuje hidrobur tj. pri povećanju količine protoka isplake, na primer tri puta, broj obrtaja turbine takodje se uvećava tri puta, i obratno.

2. Pad pritiska na turbinu proporcionalan je kvadratu količine isplake tj. pripovećanju količine isplake, na primer dva puta, pritisak na turbinu povećava sečetiri puta, i obratno.

3. Obrtni moment turbine, kao i pritisak, proporcionalan je kvadratu količine isplake

2

2

1

2

1

=

QQ

pp

2

2

1

2

1

=

QQ

MM

2

1

2

1

QQ

nn

=


4. Snaga turbine proporcionalna je trećem stepenu količine isplake tj. pri povećanju količine isplake, na primer dva puta, snaga turbine povećava se osam puta, i obratno.

Broj obrtaja ne zavisi od gustine isplake, medjutim, obrtni moment, snaga i pad pritiska direktno su proporcionalni gustini isplake.

3

2

1

2

1

QQ

NN

2

1

2

1

ρρ

=NN

;2

1

2

1

ρρ

=pp ;

2

1

2

1

ρρ

=MM


Tehničke karakteristike turbinske bušilice, kod određenog kapaciteta isplačnih pumpi, određene su sledećim elementima:

§Profilom i nagibom lopatica, od kojih zavise brzine i uglovi strujanja isplake

§Srednjim prečnikom turbine

§Brojem turbinskih elemenata

§Brojem obrtaja osovine u minutu

§Maksimalnom snagom

§Obrtnim momentom

§Otporom proticanju, odnosno padom pritiska kroz turbinu

§Koeficijentom hidrauličkog korisnog dejstva


Konstrukcija višesekcionih turbobura

Turboburi rade u različitim geološkim uslovima što je zahtevalo stvaranju nekoliko tipova turbobura, koji se razlikuju po spoljašnjem prečniku, broju sekcija, broju stepeni, izradi ležajeva, obrtnom momentu vratila, broju obrtaja vratila, padu pritiska na turbini i dr.

Savremene konstrukcije turbinskih bušilica obuhvataju sporohodne i brzohodne, obične i sa vretenom, sa jednom sekcijom i više sekcija. Oblik profila, nagib lopatica i količina turbinskih elemenata od osnovnog su uticaja kakva će turbinska bušilica biti: sporohodna ili brzohodna, sa većim ili manjim otporom proticanja isplake.

U cilju bližeg upoznavanja konstrukcija turbobura, na slici 4 je prikazana jednostepena bušilica tipa T12M3B–9”, sa 100 stepeni turbine i radnim brojem obrtaja 600–700 o/min, konstruisana u Rusiji. Njeni turbinski elementi (stator i rotor), izrađeni od livenog čelika, imaju znatne osne i radijalne tolerancije za rad pri visokim vibracijama i izvijanjima, a otporne su za rad sa heterogenim tečnostima kao što je isplaka. Obrtni delovi njihovih kliznih ležajeva takodje su od čelika, a statori po kojima oni klize od gume. Podmazuje se i hladi isplakom.


Sl. 4. Jednosekciona turbinska bušilica tipa T12M3B–9”

1. Prelaz sa bušilice na teške šipke; 2. Kućište; 3. Osovina; 4. Matica; 5. Konus – osigurač; 6. Dotezna matica rotirajućih delova na osovini; 7. Disk osnog ležaja; 8. Prsten osnog ležaja; 9. Gumirani element osnog ležaja; 10. Regulacioni prsten; 11. Turbinski element – stator; 12. Turbinski element –rotor; 13. Radijalni ležaj; 14. Radijalni ležaj – stator (gumirani); 15. Košuljica donjeg radijalnog ležaja; 16. Donji radijalni ležaj – donji zaptivač.

Donji zaptivač, ima ulogu donjeg radijalnog ležaja i usmeravanja isplake kroz vratilo prema mlaznicama dleta, tj. zaptivanje prostora između vratila i bloka bušilice.

Srednji ležajevi preuzimaju radijalna opterećenja. Sastoje se iz čeličnih košuljica (pozicija 13) koje se sa vratilom okreću unutar gumenog elementa (14). Imaju zadatak da sprečavaju izvijanje i radijalne vibracije vratila, koje bi dovele do trenja rotirajućih i nerotirajućih delova i njihovog oštećenja.

Gornji ležaj služi da prenosi opterećenje bušaćih i teških šipki preko bloka i vratila turbobura na dleto


Tipičan primer sporohodne višesekcione turbinske bušilice, ruskeproizvodnje, sa vretenom je bušilica tipa 3TSŠ–9”TL (sl.5). Primenjujese za bušenje vertikalnih bušotina, konusnim i dijamantskim dletima. Pri maksimalnoj snazi turbobura broj obrtaja se kreće od 250 do 300 o/min. Vreteno ove bušilice može biti sa kliznim (gumiranim) i kugličnim ležajevima koji imaju znatne prednosti kao što su: veća izdržljivost na opterećenje, mogućnost primene turbine na temperaturama do 200°C, nisu osetljive na isplake sa većom gustinom.Izradom turbobura sa vretenom rešava se niz zadataka vezanih zapoboljšanje energetskih karakteristika i kvaliteta eksploatacijeturbobura, znatno poboljšanje zaptivanja pri povećanom padu pritiskana dleto i povećanje čvrstoće vratila.


Sl. 5. Trosekciona sporohodna turbinska bušilica sa vretenom tipa 3TSŠ–9”TL

A. Gornja sekcija: 1. Blok bušilice; 2. Dotezne matice; 3. Rotor turbinskog elementa; 4. Stator turbinskog elementa; 5. Radijalni ležaj; 6. Prsten radijalnog ležaja; 7. Vratilo; 8. Prelaz.B. Srednja sekcija: 9. Konusna spojnica –ženska; 10. Konusna spojnica – muška; 11. Dotezni prelaz; 12. Vratilo.C. Donja sekcija: Svi delovi isti kao pod A i B.D. Vreteno (osni ležaj): 13. Konusna spojnica muška sa prelazom; 14. Radijalni ležaj vretena; 15. Disk osnog ležaja; 16. Prsten osnog ležaja; 17. Gumeni elementi osnog ležaja; 18. Blok; 19. Dotezna matica statora; 20. Osovina sa otvorom za isplaku; 21. Prelaz za dleto.


Zahvaljujući napretku usavršavanja konstrukcije turbinskih bušilica i njihove široke primene, stvorena je mogućnost razvoja jezgrovanja u procesu bušenja turbinskim bušilicama. U tom cilju konstruisane su turbinske bušilice tipa KTD, ruske proizvodnje, sa šupljim vretenom u koje se postavlja jezgrena cev za prihvatanje jezgra. Jezgrena cev, kod ovog modela bušilice, može da primi 3 m jezgra sa prečnikom 35 mm. U cilju zaštite jezgra od vibracija, bušilica je konstruisana tako da jezgrena cev u procesu bušenja ne rotira. Jezgrena cev se spušta u bušotinu i izvlači iz bušotine, kroz kolonu bušaćih šipki, pomoću užeta. Na ovaj način omogućeno je kontinuirano jezgrovanje do istrošenosti dleta ili eventualnih havarija.


Za bušenje gornjih intervala duboke bušotine (uvodna kolona), sa prečnikom 394–920 mm i više, poslednjih godina, primenjuju se reaktivni dubinski agregati koji su sastavljeni od dva paralelno razmeštena i medjusobno čvrsto povezana turbobura. Jedan od takvih turbinskih agregata je agregat tipa RTB–760, ruske proizvodnje (sl.6), sastavljen od dve paralelne turbinske bušilice tipa T12M3B–9” za bušenje bušotina prečnika 760 mm.Bušenje reaktivnim agregatima RTB može se izvoditi klasičnim bušaćim garniturama sa odgovarajućom nosivošću. Isplaka cirkuliše kroz kolonu bušaćeg pribora i razvodi se na turbinske bušilice, pokreće dleto, a reaktivna sila okreće agregat ulevo. Agregat visi na bušaćim šipkama kao klatno, što omogućava bušenje sa neznatnim odstupanjem kanala bušotine od vertikale. Obzirom da se stvara veća količina nabušenog materijala, za čišćenje bušotine se primenjuju isplačne pumpe većeg kapaciteta.


Sl. 6. Reaktivni turbinski agregat RTB–760 je sastavljen od dve vezane bušilice tipa T12M3B–9”, koji sa dva dleta φ 346 mm buši bušotinu φ 760 mm.

1. Prelaz izmedju bušaćih šipki i agregata; 2. Gornji jaram za učvršćivanje turbinske bušilice i razvoda isplake; 3. Bušilica φ 9”, jednosekciona; 4. Srednji jaram za učvršćivanje turbinskih bušilica; 5, 6 i 7. Tegovi; 8. Učvršćivač tegova; 9. Nosač tegova; 10. Razdelni prsten; 11. Donji jaram za učvršćivanje turbinskih bušilica; 12. Prelaz sa osovine RTB na dleto; 13. Konusno dleto φ 346 mm.


Prednosti i nedostaci turbinskih motoraTurbinske bušilice imaju sledeće prednosti u odnosu na rotari bušenje:

§Dubina bušotine nema uticaja na rad turbinske bušilice, jer se ne troši snaga na rotaciji kolone bušaćeg pribora, čija se dužina povećava sa produbljivanjem bušotine. Samim tim, broj havarija u bušotini je znatno manji.

§Bušaće šipke treba da izdrže samo statička opterećenja i da izvrše transport isplake od površine do bušilice. Zahvaljujući tome, tj. odsustvu rotacije, postoji mogućnost primene lakših i jeftinijih bušaćih šipki i spojnica.

§U odnosu na rotari sistem bušenja, ostvaruje se znatno veća mehanička brzina bušenja od 20 do 50%,

§Postiže se značajan uspeh kod bušenja koso–usmerenih bušotina.

§Primena turbinskih bušilica ima i svojih nedostataka kao što su:

§Primenjuju se isplačne pumpe povećane snage u cilju obezbeđenja potrebne količine isplake i neophodnog pritiska,

§Neophodno je detaljno čišćenje isplake od abrazivnih čestica. Bušenjem dubinskim bušilicama povećava se nabavna cena i troškovi bušenja,

§Održavanje turbinskih bušilica zahteva česte remonte koje realizuju specijalizovani stručnjaci.


Turbina za usmereno bušenje: Ø 7¾”(19,685 cm)

Dužina: 19’4” (5,893 m)

Protok: 500 gal/min (1892,7 l/min)

Isplaka: 10 lb/gal(1,198 kg/dm³) O

brt n

i mo m

e nt

Snaga

Max. snaga

Motor RPM

Sl. 7. Tipične krive rada turbinske bušilice

Obrtni moment pri kočenju


Snaga turbine je optimalna samo u ograničenom području radnih uslova.

Turbinska bušilica nije posebno pogodna za rad sa trokonusnimdletima, ali se i ona koriste. O

brt n

i om

ent

Snaga

Motor RPM

Sl. 8. Tipične krive rada turbinske bušilice - nastavak

PDC i dijamantska dleta su pogodna za upotrebu sa turbinama


Primer 1

Odrediti koeficijent iskorišćenja turbine prikazane na sl. 9.

Poznati su podaci:g Broj stepeni, ns = 100g Poluprečnik lopatica, r = 3,0 ing Volumetrijsko iskorišćenje,g Hidrauličko iskorišćenje, 45,0

80,0==

H

V

ηη


Obr

tni o

men

t

Snaga

RPM

Obrtni moment pri kočenju

Max. snaga

Sl. 9. Tipične krive rada turbinske bušilice

K1 = 1,67 ft-lbf/rpm.


Rešenje primera 1gSa krive obrtnog momenta prikazanog na sl. 9.

Nagib K1 = 1,67 ft-lbf/rpm. Koeficijent iskorišćenja pri protoku od 500 gpm (Q) može se izračunati jednačinom:

( )( )

( )( )( )( )( )( )( )( )

%,,

,,,,,,

rQWn,,K

Hms

VM

9272790

034505001010010383861800855671

10383861855

25

251

==

×=

×=

−

− ηη

η


Stator

Rotor

Sl. 10. Poprečni presek jednostepene turbine.

d

h

r

α = izlazni ugao lopatica

Turbine zahtevaju velike brzine ispiranja, prevazilazeći kapacitete pumpi na većini kopnenih postrojenja za bušenje u SAD.

Veći broj stepeni povećava obrtni momenatVeća cirkulacija će povećati obrtni momentkočenja

h = visina lopaticar = radijus lopatica


Opterećenje na dleto,1000 lb (0,453 t)

Obr

tni m

omen

t dle

ta

Brzi

n a b

u šen

ja

Sl. 11. 130-stepena turbina sa dijamantskim dletom.

Povećanjem opterećenja na dleto, obrtni momenat raste linearno; brzina bušenja se povećava do max. i odatle opada. Kako će izgledati ROP kriva sa PDM?

ft-lbfft/hr


Vijčani motoriVijčani motori su konstruisani 1966 god., a dve godine kasnije počeli su

da se koriste u SAD., prvenstveno kao alat za koso-usmereno bušenje. Od tada se vijčani motori koriste širom sveta kao alat za dirigovano (koso-usmereno i horizontalno) i vertikalno bušenje.U Rusiji su takodje, početkom 60–tih godina, započeti radovi na izradi vijčanih bušilica pod rukovodstvom Gusmana. Prvi opitni hidraulučni vijčani motori tipa D1–170 ispitani su 1967–1969. godine. Posle usavršavanja konstrukcije, započeta je široka praktična primena ovih motora.Vijčani motori (Positive Displacement Motors - PDM), hidrauličku energiju cirkulacionog toka pretvaraju u mehaničku pomoću helikoidnog statora i rotora. Vijčani motori se zasnivaju na Moineau-ovom principu, gde se isplaka pod pritiskom usmerava kroz prstenasti zazor, kojeg čine čelični rotor i gumom obloženi stator. Izbočeni delovi rotora i statora (krila i zubi) zbog njihovog helikoidnog oblika uzduž alata čine neprekidnu zaptivku, čime se zatvara prolaz isplaci. U toku rada, pod pritiskom toka isplake rotor se pokrene, što omogućuje prolaz isplaci. Okretanje rotora prenosi se putem univerzalne spojnice do rotacionog prelaza sa kojim je spojeno dleto, dok za to vreme bušaći alat miruje. Cirkulacioni tok isplake, pored toga, sa dna bušotine odstranjuje izbušeni materijal.


Na sl.12, predstavljen je poprečni presek tipičnog vijčanog motora koji se sastoji iz sledećih delova:1. Prelivnog ventila (dump valve) 2. Motora3. Univerzalne spojnice (kardansko vratilo)4. Aksijalnih i radijalnih ležajeva (sekcije ležajeva), osovine5. Rotacionog prelaza za dleto

Sl. 12. Šema poprečnog preseka vijčanog motora

1

2

3

4

5


1. Prelivni ventil ( Dump valve)

Vijčani motor ne propušta isplaku ukoliko na njega ne deluje pritisak cirkulacionog toka, pa prelivni ventil (sl.13) omogućuje da se bušaće alatke tokom spuštanja pune isplakom, a pri vađenju prazne.

Kada se započne sa cirkulacijom, delovanjem pritiska isplake na klip ventila,klip nasedne na sedište i zatvori otvore izrađene u telu ventila. Na taj način, tok isplake se usmeri direktno u motor vijčane bušilice. U trenutku kada se tok isplake prekine, opruga vraća klip u gornji položaj i otvori su slobodni za protok.

Sl. 13. Šematski prikaz prelivnog ventila

(a) otvoren; (b) zatvoren;

a b


2. Motor

Vijčani motor, sl.14, sastoji se od statora i rotora. Stator je ujedno i kućište vijčane bušilice. S unutrašnje strane obloženo je gumom u kojoj su po čitavoj dužini zavojnice koje su oblika dvostruke prostorne spirale. Rotor je izrađen iz visoko kvalitetne čelične legure i obrađen je veoma tvrdim hromom. Helikoidnog je oblika i na krajevima ekscentričan.

Sl. 14. Poprečni presek vijčanog motora


Izbočeni delovi čeličnog rotora i gumene užljebljene zavojnice statora dužmotora stvaraju kontinuirano zaptivanje. Na sl.15. prikazani su odnosi izbočenih delova rotora i gumenih užljebljenih zavojnica statora primenjenih kod vijčanih motora. Zbog ekscentričnosti rotora u statoru isplaka koja cirkuliše ostvaruje torziju na rotoru, izazivajući okretanje rotora i prolazak isplake iz komore u komoru.

Sl. 15. Odnos broja spirala rotora i statora


3. Univerzalna spojnica (kardansko vratilo)

Ekscentrično okretanje rotora univerzalne spojnice pretvaraju u koncentrično kretanje. One su gornjim krajem spojene sa rotorom, a donjim sa osovinom, tako da te dve univerzalne spojnice omogućuju fleksibilnost osovine.Univerzalne spojnice montirane su jedna nasuprot drugoj, a zaštićene su gumenim štitnicima napunjenim mašću.

Sl. 16. Univerzalna spojnica


4. Osovina i sekcija ležajeva

Osovina je gornjim krajem spojena sa univerzalnom spojnicom, a donjim krajem sa rotacionim prelazom za dleto, na koga se direktno navrće dleto za bušenje. U kućištu motora osovina je uklještena gornjim aksijalnim kugličnim ležajem, radijalnim gumenim ležajem i donjim aksijalnim kugličnim ležajem. Aksijalni i radijalni ležajevi se koriste da nose aksijalna i normalna opterećenja na dleto i rotacioni prelaz. Gornji aksijalni ležaj štiti od hidrauličkih udara kada je dleto zadignuto od dna i kada postoji cirkulacija. Pri bušenju teret teških šipki se preko kugličnih aksijalnih ležaja prenosi na dleto (sl. 17).

5. Rotacioni prelaz za dleto

Rotacioni prelaz za dleto je jedini deo vijčanog motora koji rotira, a koji se nalazi izvan njegovog kućišta. Na donjem kraju prelaza izrađen je standardni API navoj, na koji se navrće dleto.

4

5

Sl. 17. Opterećenje ležajeva vijčanih motora


Prva konstrukcija vijčanih motora, je bila sa rotorom koji ima jednu zavojnicu (nr =1), a stator ima dve zavojnice (nst =2), tako da se oni nazivaju i motori sa polu-zavojnicama. Ključni aspekt konstrukcije vijčanih motora je da stator uvek ima jednu zavojnicu više nego rotor, formirajući seriju progresivnih šupljina za isplaku dok se rotor okreće prema jednačini:

Kod vijčanih motora bitno je istaći da je rotor konstruisan sa spoljašnjim prečnikom (dr) i ekscentričnošću (er), kao što je to prikazano na sl. 18.

1+=rst

nn

Sl. 18. Šematski presek radnog elementa jednohodnog vijčanog motora:1. Rotor; 2. Stator; 3. Oblasti visokog pritiska; 4. Oblasti niskog pritiska (šupljine)


Osim vijčanih motora sa polu-zavojnicom, postoje i konstrukcije sa više zavojnica, sa profilima: 3:4, 5:6, i 9:10, kao što je prikazano na sl.15 i 19. Obrtni momenat raste sa povećanjem broja zavojnica, uz srazmerno opadanje brzine obrtanja dleta.Analitičkim ispitivanjima dokazano je da se izlazni parametri vijčanih motora, pri različitim kinematičkim odnosima, bitno razlikuju. Na sl.19 prikazani su grafici zavisnosti obrtnog momenta MT i broja obrtaja, za motore prečnika 172 mm pri konstantnoj potrošnji isplake 1500 dm³/min i padu pritiska 10 bar.

Sl. 19. Dijagram zavisnosti parametara vijčanih motora od broja zavojnica


Proračun osnovnih parametara vijčanih motora

Obrtni momentZa analizu radnog procesa vijčanog motora potrebno je razmotriti dejstvo

pada pritiska isplake u komorama rotora i statora na dužini jednog koraka statora, jer se na dužini koraka statora stvara odvajanje komore sa šupljinama visokog i niskog pritiska, razmeštenih ispod i iznad radnih elemenata (stator, rotor). U svakom poprečnom preseku radnog elementa na dužini koraka rotora stvara se neuravnotežena hidrostatička sila (Fh) koja dejstvuje na centar obrtanja rotora (sl. 20).

Sl. 20. Šematski prikaz dejstva sila na preseku radnih elemenata vijčanog motora:1. Šupljine ispunjene isplakom; 2. “Zubi”rotora.


Brzina rotacije vratila motora zapreminskog dejstva, zavisi isključivo od količine isplake u cirkulacionom toku, a ne od veličine obrtnog momenta i odredjuje se formulom:

gde je: Q = Količina isplake koja se potiskuje na motor (m3/s);Vp= Zapremina komore radnog elementa motora (m3).

pVQn =

Sl. 21. Dijagram snage vijčanog motora


Polazna tačka proračuna konstrukcije vijčanih motora je da se odredi specifično istiskivanje isplake “s”, po broju obrtaja rotora. To je jednako površini poprečnog preseka fluida (isplake) puta dužina napretka fluida (pređeni put), prema jednačini:

APnnsrstr⋅⋅⋅=

gde je:A – površina poprečnog preseka fluida i iznosi približno: dok za vijčane motore sa poluzavojnicom: A=2·er·dr

( )2

2

112

4 +−

⋅⋅

=st

str

nndA π

Proizvođači vijčanih motora daju sledeće tehničke karakteristike pri korišćenju isplaka gustine 1,20 kg/dm3 :

- Brzinu obrtanja vijčanog motora koja je direktno proporcionalna količini ispirnog fluida, prema jednačini:

1

2

12 QQnn =


-- Obrtni momenatObrtni momenat koji je direktno proporcionalan padu pritiska kroz motor, prema jednačini:

-- Izlaznu mehaniIzlaznu mehaniččku snaguku snagu dovedenu do rotora koja je proizvod brzine obrtanja motora i obrtnog momenta, prema jednačini:

-- HidrauliHidrauliččku snaguku snagu ostvarenu na motoru koja je proizvod pada pritiska i količine ispiranja, prema jednačini:

- Koeficijenat iskorišćenja, koji predstavlja odnos:

gde su:n - brzina obrtanja vijčanog motora (o/min)

Q - kapacitet ispiranja (dm3/min)M - obrtni moment (daN m)Phm - hidraulička snaga na vijčanom motoru (kW)Pm - izlazna mehanička snaga na motoru (kW)∆Pm- pad pritiska u motoru (bar)

1

2

12 ppMM

∆∆

=

955nMP

m

⋅=

600QpP m

mh

⋅∆=

QpnMili

PP

mmh

m

⋅∆⋅

== 628,0ηη


Primer:

Vijčani motor tipa “Navy Drill Mach-1” spoljašnjeg prečnika 171,45 mm (6 ¾”) raspolaže sledećim tehničkim karakteristikama:

Qmax = 1.400 lit/min ; Mmax = 345 daN m; nmax = 180 o/min; ∆Pmax=40 bar

Izračunati hidrauličku i mehaničku snagu na motoru, kao i koeficijent iskorišćenja motora.

Rešenje:Hidraulička snaga na vijčanom motoru dobija se iz jednačine:

Izlazna mehanička snaga na motoru dovedena do rotora dobija se iz jednačine:

Koeficijent iskorišćenja motora dobija se iz jednačine:

kWQPP m

hm93

600401400

600=

⋅=

⋅∆=

kWnMPm

65955

180345955

=⋅

=⋅

=

%709365

===hm

m

PP

η


Optimalni rad vijčanog motora različitih spoljašnjih prečnika isključivo je određen tačno utvrđenim kapacitetom ispiranja isplakom. Sa postupnim povećanjem kapaciteta ispiranja, pri okretanju vijčanog motora povećava se i opterećenje na dleto. Time se pad pritiska u vijčanom motoru i obrtni momenat povećavaju. Ukoliko se pad pritiska poveća iznad maksimalno dopuštene vrednosti, vijčani motor se zaustavlja, što se na manometru (površini) registruje kao naglo povećanje cirkulacionog pritiska na pumpi. Daljim povećanjem opterećenja na dleto, pad pritiska u cirkulacionom sastavu se ne menja jer se gumeni oblog statora oštećuje, pa isplaka prolazi kroz vijčani motor, a da se otpor proticanju tečnosti ne povećava. Zbog toga, da bi se sprečilo oštećenje vijčanog motora, treba smanjiti opterećenje na dleto odmah čim se opazi naglo povećanje cirkulacionog pritiska na pumpi.

Tokom rada vijčanog motora obrtni momenat je direktno proporcionalan povećanju otpora proticanju isplake kroz bušilicu. Brzina obrtanja vijčanog motora, kao što je to već naglašeno, zavisi isključivo od kapaciteta ispiranja protiskivane isplake, a ne od veličine obrtnog momenta. Naime, brzina obrtanja se ne menja sa promenom veličine obrtnog momenta. S obzirom da se tokom bušenja ne menja ni kapacitet ispiranja ni brzina obrtanja dleta, te da se istovremeno sa povećanjem opterećenja na dleto povećava i otpor proticanju isplake kroz vijčani motor, to ovaj tip bušilice kod svih opterećenja na dleto ima maksimalni obrtni moment i snagu na dletu.


OgraniOgraniččenja upotrebe vijenja upotrebe vijččanih motoraanih motora

Radni vek vijčanih motora primarno je ograničen habanjem statora, aksijalnih ležajeva i pogonskih komponenti, kao što je univerzalna spojnica. Stator je osetljivi deo motora jer je izložen stalnom „češanju” i deformisanju koje vrširotor. Guma statora mora biti dovoljno elastična da obezbedi efikasno hidrauličko zaptivanje oko rotora, istovremeno omogućavajući rotoru da se slobodno obrće. Statori su ponekad izloženi hemijskom delovanju aromatičnih ugljovodonika u sistemu uljnih isplaka.Veliki padovi pritiska u svakoj fazi motora ubrzavaju habanje statora. Ovaj

problem je redukovan kod motora sa više zavojnica, jer su brzine obrtanja i pad pritiska po fazama manji. Međutim, veće radni obrtni momenti višestepenih motora teže da univerzalnu spojnicu i pripadajuće kompozicije komponenti pretvore u slabu tačku sistema. Ležajevi motora podmazivani isplakom koji su nezaptiveni mogu da otkažu i zbog erozije fluidom, zatim usled izuzetnog opterećenja aksijalnih ležaja i trenja. Kada se vrši promena trajektorije, rad motora je obično dovoljno kratkotrajan i ne prekoračuje se vek trajanja ležaja, ali vek trajanja ležaja može da bude ograničavajući faktor u toku dužih promena trajektorije ili bušenja vertikalnih kanala bušotina. Novije nezaptivene konstrukcije dopuštaju pad pritska do 70 bar dok zaptivni ležajevi rade uz razlike pritisaka do 110 bar.


Neke operacije kao što je znatno ispiranje i proširivanje kanala bušotine, ili rad pri neuobičajeno niskim opterećenjima na dleto, mogu ubrzati habanje ležajeva. Takođe izuzetno velika opterećenja na dleto mogu ubrzati propadanje ležaja na vijčanom motoru. Usavršavanje tehnologije materijala za ležaje doprinelo je tome da trošenje ležaja vijčanih motora postane manje bitan faktor nego što je to bio slučaj u prošlosti.

Ispirni fluidi za rad sa vijčanim motorima

Vijčani motori se mogu koristiti sa isplakama na bazi vode i uljno baznim isplakama. Međutim neka ograničenja postoje:-Preporučuje se maksimalna gustina isplake od 2,04 kg/dm³.-Sadržaj peska treba da je <1%. Sadržaj iznad 5% smanjuje vek alata za 50%.-Treba izbegavati isplake na bazi dizel goriva.-Mogu se koristiti uljno bazne isplake sa niskim sadržajem aromata i niskom toksičnošću.-Oštećenja ležaja i/ili začepljenje motora se smanjuje upotrebom srednje ili fino usitnjenih zaptivnih materija (LCM) i njihovim pažljivim mešanjem pre upumpavanja.


-Anilinska tačka uljno-baznih isplaka: Guma bubri i popušta brzo u prisustvu fluida sa niskom anilinskom tačkom. Anilin je visoko polarni aromatski ugljovodonik. Anilinska tačka uljno-bazne isplake je najniža temperatura pri kojoj se iste zapremine anilina i tečnosti koja se testira potpuno mešaju.

-Visoka temperatura: Kod motora koji rade sa uljno-baznim isplakama gde je temperatura na dnu manja od 93°C, retko se javljaju oštećenja. Između 93°C i 149°C, anilinska tačka i drugi faktori postaju kritični. Pri temperaturi većoj od 149°C, trajnost statora se skraćuje usled širenja gume sa povećanjem temperature. Postoje i statori predviđeni za rad u uslovima visoke temperature. Oni imaju veći unutrašnji prečnik od normalnih statora. Njihova upotreba je neophodna kada se očekuje cirkulaciona temperatura fluida od 93°C.

-Sadržaj čvrste faze: Održavati čvrstu fazu, posebno nabušene čestice ili abrazivne materijale za otežavanje (npr. hematit, aluminijum stearat) na minimumu.


Documents

Tehnologija bušenja II - rgf.bg.ac.rsrgf.bg.ac.rs/predmet/RO/VII semestar/Tehnologija izrade busotina II... · Zbog nedovoljne snage i neusavršenosti konstrukcije turbobura, Kapeljušnikov