ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК E21B4/02 

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для использования при бурении скважин.

Гидравлические двигатели шестеренного типа существуют в общепромышленной практике (Башта Т.М. Гидравлические двигатели летательных аппаратов.-М.: Машиностроение, 1967, с.156, рис.89), но никоим образом не приспособлены и не могут быть использованы в качестве забойных двигателей при бурении скважин. Рабочим телом промышленных шестеренных двигателей является масло, подаваемое под давлением от насоса. Промышленные шестеренные двигатели обычно состоят из неподвижного герметичного корпуса, внутри которого синхронно вращаются в противоположные стороны две постоянно сцепленные между собой шестерни наружного зацепления с одинаковым количеством зубьев, вал одной из которых служит для отвода мощности. Кинематически такой двигатель достаточной мощности не вписывается в поперечные размеры скважины.

Известны две разновидности гидравлических забойных двигателей вращательного действия для бурения скважин - многоступенчатый турбинный (турбобур) и винтовой. Оба известных забойных двигателя сложны по конструкции, дороги в изготовлении и эксплуатации, могут применяться только при жидкостной промывке, требуют большого расхода промывочной жидкости, отличаются большой длиной.

Кроме того, турбобур не является объемным гидравлическим двигателем, т. е. частота его вращения не определяется только подачей жидкости, но зависит также от крутящего момента (осевой нагрузки) и в принципе не может быть эффективным при малых диаметрах, свойственных современному алмазному бурению разведочных скважин на твердые полезные ископаемые.

Производительность алмазного бурения прямо пропорциональна частоте вращения алмазного породоразрушающего инструмента до 2000 - 3000 об/мин. Однако обеспечить достаточно высокие для алмазного бурения обороты без забойного двигателя невозможно из-за неизбежно возникающей вибрации бурильной колонны. Так, несмотря на меры борьбы с вибрацией (смазка колонны, применение эмульсионных растворов и др.), при глубине скважины более 500 м допустимой считается скорость вращения бурового снаряда менее 500 об/мин.

Неизбежно большая длина существующих забойных двигателей препятствует их применению для быстрого наращивания кривизны при бурении наклонно-направленных скважин.

В качестве прототипа рассмотрим забойный двигатель (а.с. СССР N 400689, кл. E 21 B 3/12, 1970), включающий в себя несущий корпус, в котором размещен рабочий орган в виде зубчатой пары - статора с внутренними винтовыми зубьями и ротора с наружными винтовыми зубьями, причем вращающийся под действием потока жидкости ротор совершает круговое движение по внутренней винтовой поверхности статора, образуя нагнетательные и сливные полости, в результате чего этот гидравлический двигатель в отличие от турбобура является объемным, т. е. частота его оборотов определяется только подачей жидкости и не зависит от осевой нагрузки (крутящего момента). Однако данный забойный двигатель обладает следующими недостатками: поскольку ось ротора всегда эксцентрична оси двигателя, необходим шпиндель, в котором размещен карданный вал с двумя универсальными шарнирами, что усложняет конструкцию, удорожает изготовление, снижает КПД и долговечность двигателя в эксплуатации.

Задача изобретения заключается в устранении указанных недостатков, т.е. в упрощении конструкции, повышении КПД и долговечности забойного двигателя. Технический результат достигается тем, что в забойном двигателе, содержащем несущий корпус, зубчатый рабочий орган, нагнетательную и выпускную полости, рабочий орган выполнен в виде постоянно сцепленных между собой внутренней шестерни с наружным зацеплением и наружной шестерни с внутренним зацеплением, причем разделяющий их невращающийся корпус, несущий на себе внутреннюю шестерню с наружным зацеплением, имеет каналы для подачи и выпуска рабочего тела и жестко связан с колонной бурильных труб, а наружная шестерня с внутренним зацеплением жестко связана с породоразрушающим инструментом. При этом отпадает необходимость в шпинделе и карданном вале с двумя универсальными шарнирами.

Предлагаемый забойный двигатель лишен недостатков существующих турбинного и винтового двигателей: прост по конструкции, дешев в изготовлении и эксплуатации, может применяться как при жидкостной промывке, так и при промывке пеной и продувке сжатым воздухом (газом), не требует повышенного расхода промывочной жидкости (пены, газа), имеет небольшую длину и, кроме того, может быть изготовлен любого малого диаметра применительно к алмазному бурению на твердые полезные ископаемые.

Применение предлагаемого забойного двигателя, в частности, при алмазном бурении позволит существенно повысить производительность за счет постоянно высоких оборотов алмазного породоразрушающего инструмента независимо от глубины скважины, многократно снизить аварийность, простои и расход бурильных труб, поскольку бурильная колонна в процессе бурения не вращается и может работать многократно дольше.

На фиг.1 изображен общий вид предложенного забойного двигателя, продольный разрез; на фиг.2 - сечение АА на фиг.1.

Забойный двигатель состоит из несущего корпуса 1, жестко связанного с невращающейся при бурении колонной бурильных труб 2, внутренней шестерни 3 с наружным зацеплением, сидящей в подшипниках 4 в теле несущего корпуса, и постоянно сцепленной с нею наружной шестерни 5 с внутренним зацеплением, сидящей на подшипниках 6, также установленных в теле корпуса 1, и жестко связанной с породоразрушающим инструментом 7 при бескерновом бурении (или с колонковым набором при бурении с отбором керна). В теле несущего корпуса 1 выполнены расположенные в осевом направлении и не связанные друг с другом канал 8, соединяющий через тангенциально расположенные сверления 9 внутренний канал бурильной колонны 2 с нагнетательной полостью "а" забойного двигателя, и канал 10, соединяющий через тангенциально расположенные сверления 11 выпускную полость "b" забойного двигателя с внутренним каналом породоразрушающего инструмента 7 (или колонковым набором). Канал 8 и сверление 9 служат для подачи под давлением рабочего тела (промывочная жидкость) в нагнетательную полость "а", а канал 10 и сверление 11 - для выхода отработанного рабочего тела из выпускной полости "b".

При сборке бурового снаряда предлагаемый забойный двигатель устанавливается между концом бурильной колонны 2 и породоразрушающим инструментом 7 (или колонковым набором). После спуска бурового снаряда в скважину, но до постановки на забой в канал бурильной колонны с поверхности под давлением подается промывочная жидкость (пена, сжатый воздух), которая по каналам 8, 9 попадает в нагнетательную полость "а" двигателя и в силу большей площади продольного сечения несмыкающихся зубьев за счет перепада давления приводит обе сцепленные между собою шестерни 3 и 5 во вращательное движение по часовой стрелке (если смотреть сверху). При этом наружная шестерня 5 с внутренним зацеплением приводит во вращение породоразрушающий инструмент 7 (или колонковый набор). Буровой снаряд с вращающимся породоразрушающим инструментом ставится на забой с определенной осевой нагрузкой, и начинается процесс бурения скважины. Частота вращения забойного двигателя и соответственно породоразрушающего инструмента изменяется прямо пропорционально расходу несжимаемой промывочной жидкости, а крутящий момент зависит от фактического перепада давления на двигателе, т.е. является функцией осевой нагрузки и расхода (подачи) жидкости.

Отработанная промывочная жидкость из выпускной полости "b" по каналам 11 и 10 поступает во внутренний канал породоразрушающего инструмента 7 (или в колонковую трубу) и в дальнейшем используется для охлаждения породоразрушающего инструмента и выноса продуктов разрушения породы с забоя скважины.

После завершения рейса бурения подача промывочной жидкости прекращается, и буровой снаряд вместе с забойным двигателем и породоразрушающим инструментом (или колонковым набором вместе с керном) извлекается на поверхность.

Для обеспечения длительной безотказной работы двигателя в верхней и нижней частях бурильной колонны следует устанавливать сетчатые фильтры аналогично тому, как это делается при турбинном бурении.

Предлагаемый забойный двигатель может работать как гидравлический с использованием в качестве рабочего тела несжимаемой жидкости (воды, водного раствора ПАА, эмульсионного, малоглинистого растворов и др.) и как пневматический с использованием сжимаемого рабочего тела (газо-жидкостной смеси, пены, сжатого воздуха, азота и др.). Во втором случае применение фильтров в бурильной колонне не требуется. Зависимости частоты вращения и крутящего момента от расхода сжимаемого рабочего тела более сложны, чем в случае использования несжимаемой жидкости.

Забойный двигатель предназначен для использования при бурении скважин. Двигатель содержит постоянно сцепленные между собой внутреннюю шестерню с наружным зацеплением и наружную шестерню с внутренним зацеплением. Шестерни разделяет невращающийся корпус, несущий внутреннюю шестерню. В корпусе выполнены каналы для подачи и выпуска рабочего агента, корпус жестко связан с колонной бурильных труб, а вращающаяся за счет энергии потока рабочего агента наружная шестерня жестко связана с породоразрушающим инструментом. Такое выполнение забойного двигателя позволяет повысить его КПД и долговечность. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Забойный двигатель, включающий в себя несущий корпус, рабочий орган в виде зубчатой пары, нагнетательную и выпускную полости, отличающийся тем, что рабочий орган выполнен в виде постоянно сцепленных между собой внутренней шестерни с наружным зацеплением и наружной шестерни с внутренним зацеплением, причем разделяющий их несущий корпус жестко связан с колонной бурильных труб, а наружная шестерня с внутренним зацеплением жестко связана с породоразрушающим инструментом. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что не связанные между собой каналы для подачи под давлением рабочего тела в нагнетательную полость и выхода отработанного рабочего тела из выпускной полости выполнены в теле несущего корпуса, каждый в осевом и тангенциальном направлениях.