ВИНТОВОЙ КЕРНООТБОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК E21B4/02 

Изобретение относится к области техники бурения скважин с отбором керна, а именно к технике отбора керна забойным двигателем со съемной грунтоноской.

Известно керноотборное турбодолото (КТД), представляющее собой турбобур с полым валом, в котором размещена съемная грунтоноска (Справочник инженера по бурению. Под редакцией В.И.Мищевича, Н.А.Сидорова, М. Недра, 1973, стр. 233, рис. VI.17).

В КТД грунтоноска подвешена на неподвижной конусной подвеске (опоре) и прижимается к подвеске потоком промывочной жидкости. Между полым валом и грантоноской уплотнения нет и часть промывочной жидкости проходит по кольцевому зазору, минуя рабочие органы. В результате КТД имеет пониженную мощность (КТД-4С-172-190/48 имеет 51,5 кВт), для компенсации чего приходится увеличивать количество турбинок до двух секций (длина 15500 мм).

Из практики известно, что с целью увеличения мощности для отбора керна часто используют забойные двигатели для сплошного бурения с керноотборными снарядами роторного бурения (Каплун В.А. и др. Опыт отбора керна колонковым снарядом "Недра" с ВЗД, НХ, N 7, 1985). Подобную технику для отбора керна применяют и зарубежные фирмы (Композит-каталог 1992-93 гг. том 1, стр. 1141). Так, фирма "Eastman Christensen" для отбора керна в горизонтальных скважинах со средним радиусом кривизны рекламирует винтовой двигатель МАСН-1 с керноотборным снарядом, но такой инструмент исключает использование съемной грунтоноски.

Известен керноотборный двигатель с использованием винтового рабочего органа с полым ротором (Патент ФРГ N 3613265, E 21 В 25/02, заявл. 19.04.87, опубликован 25.10.87). В этом двигателе полый ротор жестко связан с полым торсионом, который через полый вал шпинделя прикреплен к бурильным трубам. Статор с корпусом двигателя подвешен на шаровой опоре шпинделя и вращается на неподвижном роторе, передавая крутящий момент колонковой бурголовке. Съемная грунтоноска размещена в отверстиях торсиона, ротора и корпуса. От вращения и смещения по оси грунтоноска удерживается специальным стопорным устройством, а от протока промывочной жидкости имеет уплотнение.

Этот двигатель является прототипом заявляемого и имеет ряд преимуществ перед КТД и винтовыми двигателями с керноотборными снарядами. Он позволяет вести отбор керна со съемной грунтоноской, но имеет следующие недостатки:
вращающийся корпус двигателя затрачивает часть мощности на трение о стенки скважины, что особенно характерно для наклонно направленных и горизонтальных скважин;
возможна заклинка съемной грунтоноски в двигателе от шламования стопорного устройства и уплотнения;
вибрация рабочего органа полностью передается съемной грунтоноске.

Сущность заявляемого изобретения, направленная на сокращение длины и увеличение мощности двигателя, заключается в следующем.

В двигателе винтовом керноотборном, содержащем корпус, обрезиненный статор, полый ротор, полый торсион, шпиндель с полым валом, подшипники и уплотнения, съемную грунтоноску и неподвижную подвеску грунтоноски, к неподвижной подвеске грунтоноски посредством полого торсиона присоединен полый ротор, а обрезиненный статор нижним концом прикреплен к полому валу шпинделя и установлен между корпусом и ротором с возможностью вращения.

Присоединение неподвижного полого ротора посредством полого торсиона прямо к неподвижной подвеске грунтоноски позволяет:
воспринимать ротору реактивный момент вращающегося статора и совершать колебательные движения, не касаясь размещенной в нем съемной грунтоноски;
снизить уровень вибрации рабочей пары, передаваемой на съемную грунтоноску, так как вибрация воспринимается неподвижной подвеской грунтоноски;
исключить возможность заклинки грунтоноски, так как промывочная жидкость в зазор между грунтоноской, торсионом и ротором не проходит.

Прикрепление обрезиненного статора нижним концом к полому валу шпинделя и установка его между корпусом и ротором с возможностью вращения позволяет:
передавать крутящий момент на колонковую бурголовку без вращения корпуса двигателя, в результате чего не теряется полезная мощность на трение о стенки скважины.

Помимо указанного выше, между корпусом и вращающимся статором, а также выше и ниже подшипника шпинделя имеются уплотнения, позволяющие направлять поток промывочной жидкости в рабочие камеры винтовой пары.

На чертеже приведен разрез двигателя винтового керноотборного в статическом состоянии. Двигатель состоит из корпуса 1, статора 2, ротора 3, торсиона 4, шпинделя 5 с полым валом 6, шарикоподшипниками 7 и уплотнениями 8. Грунтоноска 9 размещена на неподвижной подвеске 10 с каналами 11 для прохода промывочной жидкости. Между статором 2 и корпусом 1 размещено уплотнение 12. К бурильным трубам и колонковой бурголовке (на чертеже не показаны) двигатель присоединяется резьбами 13.

Работает двигатель винтовой керноотборный следующим образом. При включении циркуляции поток промывочной жидкости прижимает съемную грунтоноску 9 к подвеске 10, чем исключается ее вращение и осевое перемещение.

Промывочная жидкость через отверстия 11 поступает в рабочие каналы статора 2 и ротора 3, приводя во вращение статор 2. Неподвижный полый торсион 4 удерживает реактивный момент ротора 3 и позволяет ему совершить колебательные движения на величину эксцентриситета рабочей пары. При этом ротор 3 и торсион 4 не касаются съемной грунтоноски 9.

Вращающийся статор 2 передает через вал 6 шпинделя 5 крутящий момент бурильной головке (на чертеже не показан).

При заполнении съемной грунтоноски 9 керном цикл бурения останавливается для подъема и замены грунтоноски, после чего продолжается дальше. Вместо грунтоноски 9 в двигатель возможно спустить контейнер с датчиками для необходимых исследований в любом типе скважин.

В разрабатываемой конструкции двигателя винтового керноотборного в габарите 172 мм момент силы на валу получен 3,75 кН•м при максимальной мощности 80 кВт. Длина двигателя составила 8000 мм. В результате этого техническая характеристика существенно лучше, чем у аналого в и прототипа.

Использование: в горной промышленности при бурении скважин забойным двигателем с отбором керна. Сущность изобретения: двигатель включает корпус со средством подсоединения к бурильной колонне, жестко связанные между собой и с корпусом подвеску грунтоноски и полый торсион, установленный с возможностью взаимодействия со статором, связанным с корпусом через подшипниковый узел, полый ротор и буровой инструмент, жестко связанный со статором посредством полого шпинделя. Корпус двигателя выполнен полым, при этом ротор установлен в полости корпуса с образованием кольцевого зазора, в котором размещен статор. 1 ил.

Винтовой керноотборный двигатель, включающий корпус со средством подсоединения к бурильной колонне, жестко связанные между собой и с корпусом подвеску грунтоноски и полый торсион, установленный с возможностью взаимодействия со статором, связанным с корпусом через подшипниковый узел, полый ротор и буровой инструмент, жестко связанный со статором посредством полого шпинделя, отличающийся тем, что корпус выполнен полым, при этом ротор установлен в полости корпуса с образованием кольцевого зазора, в котором размещен статор.