© к.т.н., инж. Шепелёв В.А., инж. Шепелёв А.В.

Торцевое уплотнение турбогенератора телеметрической аппаратуры бурения скважины

Применение современных цифровых телеметрических и геонавигационных систем является неотъемлемой частью технологии бурения скважин сложного профиля. Такие телеметрические системы содержат комплекс специальных забойных датчиков, автономный турбогенератор, имеющий гидротурбину, соединённую механически с электрическим генератором, вырабатывающим электроэнергию, которая преобразуется блоком питания и в дальнейшем используется для работы элетронных систем с целью решения задач контроля и управления процессом бурения скважины. Наиболее ответственным и, как правило, "слабым звеном" турбогенератора является его прецизионный уплотнительный узел, который предназначен для обеспечения герметичности между вращающимся валом турбогенератора, проходящим через рабочую полость [в которой также размещена электрическая машина], заполненную специальным охлаждающим маслом, и с внешней стороны соединенный с гидравлической турбиной, работающей в буровом растворе. Для достижения высокой надежности и срока службы уплотнительного узла трубогенератора, он должен быть спроектирован с учётом изменяющихся параметров, с обеспечением необходимых условий для работы специального уплотнительного комплекса, стоимость которого может быть соизмерима со стоимостью всего турбогенератора.

В настоящей публикации приводятся результаты краткой экспертизы имеющегося уплотнительного узла турбогенератора телеметрической системы бурения скважины, указываются некоторые недостатки при его проектировании и выборе торцевых уплотнений, предлагаются некоторые возможные пути и методы их устранения путём модернизации - применения специальной модификации торцевого уплотнения ТИП 10.

На эскизе 1 показан разрез конструкции турбогенератора, содержащего справа налево: гидравлическую турбину, уплотнительный узел с двумя простыми торцевыми уплотнениями [схема расположения "тандем"], электрическую машину - электрогенератор. Глубина погружения оборудования в буровую скважину достигает 3000 метров.

турбогенератор телеметрической аппаратуры бурения скважины со штатными уплотнениями

Эскиз 1. Разрез турбогенератора телеметрической аппаратуры бурения скважины с торцевыми уплотнениями [схема расположения "тандем"].

Уплотнительный узел турбогенератора

На эскизе 2 показан фрагмент уплотнительного узла турбогенератора, этот узел содержит два простых гидравлически нагруженных торцевых уплотнения с резиновой защитной оболочкой, размещённые по схеме "лицо к лицу" ["face-to-face"]; некоторые вероятностные данные по рабочим средам и их параметрам.

Примечательно, что проектировщик и изготовитель турбогенератора вначале для уплотнительного узла использовал для уплотнений схему расположения "тандем", а затем, перешел на схему "лицо к лицу".

штатный уплотнительный узел турбогенератора с торцевыми уплотнениями

Эскиз. 2. Фрагмент уплотнительного узла турбогенератора с торцевыми уплотнениями (схема расположения "face-to-face").

Для применённых конструкций простых типовых технических решений торцевых уплотнений с резиновой защитной оболочкой (эластомерным сильфоном) и других подобных уплотнений характерны ограничения: гидравлическая нагрузка уплотнения снаружи рабочей средой, невысокое значение допустимого статического давления, незначительный теплоотвод от колец пары трения, ограниченный момент сопротивления вращению, низкая надежность при работе в высокоабразивной среде в условиях повышенных вибраций и переменных нагрузок.

Основное уплотнение расположено справа, снаружи омывается буровым раствором с высоким содержанием абразивных частиц (более 5% по объему). Вспомогательное уплотнение установлено слева, его наружная поверхность охлаждается маслом ХФ-22-24 без избыточного давления. Внутренние полости уплотнений залиты охлаждающим маслом типа ХФ-22-24 [затворная жидкость] под избыточным давлением ~0,6 атмосфер [на начальном этапе при заправке маслом], т.е. выше, чем давление бурового раствора, поэтому гидравлическая нагрузка снаружи уплотнений не обеспечивается. В результате выбранной схемы расположения уплотнений при указанных параметрах возможно снижение степени герметичности - утечки затворной жидкости с падением её давления. Спроектированная с ошибками тупиковая уплотнительная камера турбогенератора под установку вспомогательного уплотнения не может обеспечить необходимый и достаточный отвод тепла из рабочей зоны этого уплотнения, в результате температура масла в этой зоне может достигать значений выше +175^oC при максимальной скорости вращения вала 2500 мин^-1.

При проектировании трубогенератора телеметрической аппаратуры бурения скважины не проводился гидравлический и тепловой расчёты уплотнений совместно с оборудованием - в результате был сделан ошибочный выбор типа и конструкции уплотнений, их схемы располжения - применялся метод "проб и ошибок", заключающийся в использовании гуманитарного подхода к проблеме решения инженерной задачи. В итоге согласно данным проектировщика и изготовителя этого оборудования, уплотнения выбранной конструкции и схемы расположения работают до выхода из строя в среднем около 250 часов.

Модернизация уплотнительного узла турбогенератора

Решение задачи повышения надежности и срока службы основного уплотнения без существенной модернизации турбогенератора частично может быть достигнута применением специального торцевого уплотнения ТИП 10 СПЦ ВТ с осевой фиксацией контркольца [см. Эскиз 3]. Особенностью прецизионного изделия является возможность его работы при инверсии давлений двух рабочих сред, а также при избыточном перепаде давления до 50 кгс/см², закрытая конструкция обеспечивает защиту пружины от воздействия на неё абразивной рабочей среды. Использование такого конструктивного решения уплотнения позволяет повысить давление нагнетаемого масла при его заправке в турбогенератор до 1...3 кгс/см², что дополнительно увеличит срок службы и надежность работы уплотнительного узла турбогенератора.

эскиз места установки основного уплотнения турбогенератора с применением уплотнения ТИП 10

Эскиз 3. Модернизация основного уплотнения турбогенератора.

Модель. Трехмерная модель основного уплотнения турбогенератора.

Другое возможное размещение специальных торцевых уплотнений 10-го типа по схеме "тандем" для турбогенератора телеметрической аппаратуры бурения скважины показано на эскизе 4, что потребует большой модернизации деталей оборудования.

эскиз модернизированного узла турбогенератора с применением уплотнений ТИП 10 по схеме тандем

Эскиз 4. Разрез турбогенератора телеметрической аппаратуры бурения скважины с торцевыми уплотнениями ТИП 10.

Вывод:

проблема решения задачи по обеспечению герметичности вращающегося вала турбогенератора телеметрической аппаратуры при бурении скважин имеет многолетнюю историю, с 2010 года применяется метод "проб и ошибок", при котором проектировщики оборудования не уделяют должное внимание уплотнительному узлу, применяя гуманитарный подход к решению инженерной задачи, заключающийся в использовании готовых типовых простых по конструкции уплотнений с резиновым сильфоном и т.п., ошибках при проектировании уплотнительной камеры оборудования под установку этих уплотнений, как результат: малый срок службы уплотнительного узла, который по данным проектировщика и изготовителя оборудования составляет в среднем до 250 часов.

Рекомендации для повышения срока службы уплотнительного узла турбогенератора:

провести проектно-расчетную работу с целью модернизации конструкции уплотнительного узла турбогенератора, обеспечив улучшенный теплоотвод и осевую фиксацию контрколец, проведя экспертизу [расчеты и анализ] для схем расположения уплотнений ["тандем", "спина к спине" и "лицо к лицу"] и выбрать их них наиболее рациональную с возможным применением специального уплотнения TYPE 10 SPC HT;
рассмотреть вопрос проведения проектно-расчетной работы с целью возможного создания специального уплотнительного комплекса картриджного исполнения, обеспечивающего повышенный срок службы и ремонтопригодность;
на начальном этапе при заправке турбогенератора повысить избыточное давление масла до 1...3 кгс/см², в эксплуатации обеспечить необходимое давление и циркуляцию затворной жидкости, через уплотнительную камеру турбогенератора с целью необходимого и достаточного отвода тепла от поверхностей уплотнительных колец.

Наша группа специалистов выполняет по техническому заданию заказчика комплекс проектно-расчетных и опытно-конструкторских работ по модернизации уплотнительных узлов, и по мере сил и возможностей, с последующим изготовлением опытных образцов уплотнений.