ЗАБОЙНЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1996 года по МПК E21B4/02 

Изобретение относится к буровой технике, а именно к двигателям для бурения горизонтальных участков ствола скважины.

Известен забойный гидравлический двигатель для бурения горизонтальных участков ствола скважины в виде коротких турбобуров, который в составе компоновки низа бурильной колонны пропускается через искривленные участки ствола скважины за счет укороченной своей длины и прогиба в бурильных трубах [1] Недостатком такого двигателя является его малая приводная мощность для бурения горизонтальных участков из-за короткой его длины, влияющей на мощность двигателя, и относительно трудный пропуск его через искривленный ствол скважины.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является забойный гидравлический двигатель, включающий последовательно соединенные рабочие секции, связанные между собой элементами для искривления оси двигателя, выполненными в виде сферических шарниров, установленных между корпусами и в виде шарниров Гука, установленных между валами [2] Недостатком такого двигателя является то, что в сложных геологических условиях залегания, предназначенных для разбуривания пластов, ствол скважины не всегда получается идеальной формы, т. к. шарнирное соединение, уменьшающее упругость двигателя, необходимую для поддержания прямолинейности двигателя на горизонтальных участках, может создавать перекосы корпуса двигателя, в результате чего может изменяться заданное горизонтальное направление ствола скважины.

Задачей изобретения является повышение точности проводки горизонтальных участков ствола скважины за счет обеспечения прямолинейного состояния двигателя в горизонтальном стволе скважины независимо от его качества путем повышения жесткости и упругости двигателя с одновременным сохранением его гибкости.

Поставленная задача достигается тем, что в забойном гидравлическом двигателе, состоящем из последовательно соединенных рабочих секций, связанных между собой элементами для искривления оси двигателя, элементы для искривления оси двигателя выполнены из двух коаксиально установленных бурильных труб со следующим соотношением длин бурильных труб и длин рабочих секций
где l длина элемента для искривления оси двигателя, см;
L длина рабочей секции, см;
R радиус дуги окружности, описанной вокруг изогнутого двигателя, см;
r допустимый радиус дуги изгиба элемента искривления, удовлетворяющий условию, см
r где Е модуль Юнга
d диаметр элемента для искривления оси двигателя, см;
σ напряжение предела текучести при при этом концы наружной и внутренней бурильных труб жестко соединены с корпусами смежных рабочих секций и с валами соответственно.

Выполнение элементов искривления из двух коаксиально установленных бурильных труб с указанными соотношениями наделяют корпус двигателя упругими свойствами и в свободном состоянии двигатель будет выпрямляться всем корпусом.

Предложенное соотношение длин секций обеспечивает изгиб двигателя и пропуск его через искривленный ствол скважины без остаточных деформаций в корпусе двигателя после его изгиба и основано на геометрическом анализе положения вписанного в ствол скважины двигателя и допущении чистого изгиба в трубах дополнительных секций.

На чертеже изображено геометрическое построение условий задачи.

Между двумя дугами окружностей, наружная из которых является минимально допустимым радиусом искривления ствола скважин, с расстоянием между другими, соответствующим допустимому диаметру ствола скважины при этом радиусе R, вписаны рабочие секции 1 двигателя, между которыми расположен элемент для искривления оси двигателя 2, т.е. когда соблюдено условие
r где r радиус изгиба дополнительной секции, см;
Е модуль Юнга
σ напряжение предела текучести, ось 3 секции 1 является касательной к изогнутой оси 4 элемента для искривления 2, а прямая 5, проведенная в плоскости контакта торцев 6 элемента для искривления и рабочей секции, перпендикулярна к оси 3 секции 1 и к касательной дуги 4, т.е. т.е. и является радиусом r изгиба элемента искривления, при котором происходит чистый изгиб без остаточных деформаций. Из чертежа длина 1/2 половины дуги элемента для изгиба 2 равна rα, где α- угол между радиусами, ограничивающими дугу, длина L/2 половины дуги, на которую опирается рабочая секция 1 равна Rα rα, а отношение длин этих дуг
Выражая длину дуги l' через длину l элемента для искривления 2, а длину дуги L' через длину L секции 1, разница между которыми незначительна и ею можно пренебречь, отношение этих длин имеет то же значение:
при r
Изменение этого соотношения приведет при увеличении длины элемента для искривления к скручиванию вращающим моментом двигателя внутренней трубы элемента для искривления, а следовательно вала двигателя, а при уменьшении длины элемента для искривления к остаточным деформациям в ее трубах от напряжений сжатия и растяжения при изгибе труб, достигших предела текучести материала.

Забойный гидравлический двигатель состоит из последовательно соединенных рабочих секций 1 с приводными органами и опорными элементами, между которыми установлен элемент для искривления 2 из двойных бурильных труб, соотношение длин которых
находятся в пределах деформации бурильных труб.

Так, например, при минимальном радиусе искривления ствола скважины R 40м, при длине вписывающейся в этот ствол каждой из рабочих секций двигателя L 6 м, при элементе искривления из бурильных труб, изгиб которых допускается по радиусу r 30 м без достижения в них напряжениями предела текучести длина элемента для искривления будет соответствовать l 10 м.

Работает забойный гидравлический двигатель следующим образом.

В процессе спуска бурильной колонны через искривленный ствол скважины, двигатель, входящий в состав компоновки, благодаря гибкости элемента 2 принимает форму ствола скважины. В изогнутом положении двигатель вместе с изгибающимися по мере поступления в кривой ствол бурильными трубами, продвигается по кривому стволу к забою.

При попадании компоновки низа бурильной колонны в горизонтальный участок двигателя благодаря упругости элемента для искривления 2 полностью выпрямляется и держит горизонтальное направление, независимо от дефектов ствола скважины благодаря своей жесткости.

Преимущества предлагаемого двигателя по сравнению с прототипом заключаются в том, что повышается точность проводки горизонтальных участков ствола скважины и сокращаются затраты времени и средств на горизонтальное бурение.

Использование: в горном деле для бурения наклонно направленных скважин. Сущность изобретения: забойный гидравлический двигатель включает последовательно соединенные рабочие секции, связанные между собой элементами для искривления оси двигателя, выполненными из двух коаксиально установленных бурильных труб со следующим соотношением длин бурильных труб и длин рабочих секций l/l= 1(R/r-1), где l - длина элемента для искривления оси двигателя, см; L - длина рабочей секции, см; R - радиус дуги окружности, описанной вокруг изогнутого двигателя, см; r - допустимый радиус дуги изгиба элемента для искривления оси двигателя (см), удовлетворяющий условию
r=Ed/2σ
где E - модуль Юнга, кг/см²; d - наружный диаметр наружной бурильной трубы в элементе для искривления оси двигателя, см; s напряжение предела текучести, кг/см²; при этом концы наружной и внутренней бурильных труб в элементе для искривления оси двигателя жестко соединены с корпусами и валами рабочих секций соответственно. 1 ил.

ЗАБОЙНЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ, состоящий из последовательно соединенных рабочих секций, связанных между собой элементами для искривления оси двигателя, отличающийся тем, что элементы для искривления оси двигателя выполнены из двух коаксиально установленных бурильных труб со следующим соотношением длин бурильных труб и длин рабочих секций:

где l длина элемента для искривления оси двигателя, см;
L длина рабочей секции, см;
R радиус дуги окружности, описанной вокруг изогнутого двигателя, см;
r допустимый радиус дуги изгиба элемента для искривления оси двигателя, см, удовлетворяющий условию

где E модуль Юнга, кг / см²;
d диаметр наружной бурильной трубы в элементе для искривления оси двигателя, см;
s напряжение предела текучести, кг/см²,
при этом концы наружной и внутренней бурильных труб в элементе для искривления оси жестко соединены с корпусами и валами смежных рабочих секций соответственно.