ТУРБОБУР-ЗАБУРНИК Российский патент 1999 года по МПК E21B4/02 

Настоящее изобретение относится к техническим средствам, с помощью которых на дне морских заливов и на реках в достаточно прочных донных отложениях бурятся относительно неглубокие скважины, в которые устанавливаются и в которых цементируются трубные сваи диаметром 700 - 1500 мм, служащие основанием для причалов, нефтеналивных эстакад и мостов.

В более узком подразделении таких средств настоящее изобретение относится к скважинным забойным двигателям, назначение которых - привод во вращение буровых долот, с помощью которых углубляются забои скважин.

Известные конструкции таких двигателей - турбобуров имеют ряд существенных особенностей, которые в очень большой мере затрудняют их использование для целей бурения скважин под свайные основания.

Наиболее неудобные из них - очень большая длина (от 10 до 16 м), необходимая для получения достаточного для вращения долот сверх большого диаметра крутящего момента. Также чрезмерно высокая холостая и рабочая частоты вращения, которые быстро выводят из строя опоры и вооружение очень дорогих долот сверх большого диаметра, шарошки которых имеют частоты вращения в 2,5 - 6 раз более высокие, чем частоты вращения ротора турбобура. Наконец, очень высокие гидравлические осевые нагрузки на пяту турбобуров затрудняют их запуск и очень сильно сокращают отказной срок службы осевой опоры, для демонтажа и замены которой турбобуры часто приходится отправлять "на берег" в специализированные на их ремонте цеха. В конечном итоге эти недостатки в значительной мере удорожают и без того чрезвычайно дорогое строительство нефтеналивных эстакад, мостов и других подобных им сооружений.

Известная конструкция турбобура-турбодолота (см. Р.А.Иоаннесян "Основы теории и техники турбинного бурения", Москва-1953 г., стр. 135 - 137), предназначенная для использования с алмазной бурильной головкой способна решить только одну проблему - снять избыточную гидравлическую нагрузку с пяты турбобура.

Наиболее близким прототипом нашего турбобура-забурника является изобретение, выполненное согласно патенту РФ N 2071531 "Свая морской нефтегазовой платформы".

В этом изобретении для уменьшения холостой и рабочих частот вращения долота (долотного щита) используется лопастной гидротормоз, который крепится к валу-ротору турбобура, а под ним (гидротормозом) крепится долото. Подобная компоновка, состоящая из долота, гидротормоза и турбобура позволяет уменьшить до необходимых значений холостую и рабочие частоты вращения долота, но при этом приходится существенно усложнять конструкцию двигателя, так как на его осевую пяту в процессе работы воздействует весьма значительная гидравлическая нагрузка. Это обстоятельство существенно осложняет запуск двигателя и "съедает" значительную часть потенциально достижимого отказного срока службы. Другим большим недостатком всех скважинных двигателей с диаметром корпуса больше чем 240 мм является необходимость крепления корпусных переводников моментами в 3000 - 5000 кГс•м, что требует использования специальных тяжелых и весьма дорогих механических ключей. Поэтому двигатели большого диаметра ремонтируются и собираются в специально приспособленных для этой цели цехах.

Наш ближайший прототип из-за высоких гидравлических нагрузок на пяту двигателя не позволяет существенно нарастить кинетическую энергию на его валу-роторе из-за его небольшого диаметра (относительно корпуса). Поэтому не удается обеспечить стабильности и плавности изменения его рабочих частот вращения. Как следствие - элементы качения опор шарошек долот, работающие в режимах больших ускорений, быстрее выходят из строя.

Целью нашего изобретения является создание возможно меньших гидравлических нагрузок на осевую пяту турбобура-забурника, при обеспечении оптимально низких частот вращения долота в сочетании с высоким значением вращающего момента и запасенной кинетической энергией на роторе турбобура при возможности его сборки и ремонтах без использования весьма значительных крепежных моментов на его корпусных переводниках.

Сущность изобретения заключается в использовании в турбобуре с вращающимся корпусом-ротором с большим наружным диаметром (обеспечивающим достаточный запас кинетической энергии, а следовательно, и высокую стабильность при работе на низких частотах вращения) фланцевой системы затяжки роторных ступеней давления турбины, а также вихревого многолопаточного гидротормоза, закрепленного в нижней части корпуса-ротора над долотом, прикрепленным к нижней части корпуса. При этом в самой нижней части внутреннего пространства переводника корпуса размещаются один или несколько лопаточных венцов, закручивающих поток воды в сторону, противоположную направлению вращения долота. Сочетание этих конструктивных особенностей позволяет эффективно решить главные задачи, которые были поставлены нами при создании турбобура-забурника: получить высокий вращающий момент на долоте при максимально возможной кинетической энергии; получить достаточно короткий, а следовательно, удобный в работе скважинный двигатель; обеспечить оптимально низкие устойчивые частоты вращения долот сверх большого диаметра, гарантирующие высокие отказные их стойкости; обеспечить удобство сборок и ремонтов.

Изобретение поясняется фигурами.

На фиг. 1 приведена общая компоновка турбобура-забурника с долотом и вихревым гидротормозом.

На фиг. 2 дается внутренний разрез турбобура-забурника и его рабочих узлов и деталей.

На фиг. 3 приведен общий вид вихревого многолопаточного гидротормоза.

На фиг. 4 приведен вид сверху вихревого многолопаточного гидротормоза.

На фиг. 5 изображены лопаточные венцы, размещенные во внутреннем пространстве переводника корпуса турбобура.

На фиг. 1 не показаны шланг или дополнительная труба, которые на резьбе крепятся к верхнему переводнику статорной оси турбобура и крюк палиспастной системы плавучего крана (или монтажного крана пирса), которые поддерживают "на весу" собранную компоновку турбобура-забурника.

На фиг. 1 позицией 1 обозначен верхний переводник статорной оси 2 турбобура. Корпус 3 турбобура в своей нижней части имеет фланец 4, который крепится на корпусе на резьбе или сварке. К фланцу 4 крепится фланец 5, который крепит в корпусе 3 роторные ступени давления турбины. Фланец 5 с помощью сварки или на резьбе закреплен на переводнике 6 корпуса 3 турбобура. К переводнику 6 на резьбе или с помощью фланцевого соединения крепится вихревой гидротормоз 7, к нижней части которого на резьбе или с помощью фланца крепится долото 8 сверх большого диаметра.

Статорная ось 2 турбобура, на которой крепится переводник 1 имеет внутреннюю полость 9, которая гидравлически сообщается через окна 10 и окна 11 распорного фонаря 12 с внутренним пространством 13 корпуса 3 турбобура. Во внутреннем пространстве корпуса 3 турбобура неподвижно закреплены с помощью фланцевого соединения 4 и фланцевого соединения 5 переводника 6 корпуса турбобура роторные ступени давления 14 турбины, роторные элементы 15 пяты турбобура и его радиальная опора 19.

На статорной оси 2 неподвижно закреплены с помощью гайки 16 статорные ступени давления 17 турбины турбобура, фонарь 12 статорные элементы 18 пяты турбобура и втулка 20 радиальной опоры.

В нижней части внутреннего пространства переводника 6 корпуса 3 турбобура на гайке 16 неподвижно закреплены один или несколько лопаточных венцов 21. Вихревой гидротормоз 7, который крепится к переводнику 6 корпуса 3 турбобура, представлен на фиг. 3 и 4.

На внешней поверхности корпуса 7 вихревого гидротормоза с помощью тяг 23 закрепляются лопатки 24, наружный диаметр которых на 100 - 200 мм меньше наружного - габаритного диаметра долота 8. Тяги 23 и лопатки 24 могут располагаться в один или несколько рядов вдоль продольной оси корпуса 7 вихревого гидротормоза. При этом в зависимости от необходимости получения конкретных параметров энергетической характеристики турбобура-забурника лопатки 24 могут устанавливаться под различными углами Z к плоскости, перпендикулярной оси корпуса 3 турбобура-забурника (см. фиг. 1).

То же относится к радиальной высоте h_r лопаток 24 и их осевой высоте - h_ос. Количество лопаток, устанавливаемых в одном или нескольких рядах может также изменяться.

Во внутренней полости 22 корпуса 7 вихревого гидротормоза располагаются лопаточные венцы 21, которые неподвижно закреплены на гайке 16.

Лопаточные венцы 21 имеют лопатки, установочный угол которых - β , измеряемый от плоскости, перпендикулярной оси корпуса 7 вихревого гидротормоза (см. фиг. 5) уменьшается от самого верхнего венца (для которого наилучший угол равен 40^o) до самого нижнего. Если таких венцов только два, то на нижнем угол может быть равен 10 - 15^o.

Направление установки лопаток венцов должно обеспечить прокатывание между лопатками под действием силы тяжести шара в сторону, противоположную вращению часовой стрелки (если смотреть на турбобур со стороны переводника 1 его статорной оси 2.

Работа турбобура-забурника
Турбобур-забурник, собранный согласно описанию (см.фиг. 1), вместе с вихревым гидротормозом 7 и долотом 8 присоединяется своим верхним переводником 1 к гибкому шлангу насосной группы, которая может располагаться на отдельной барже или на строящемся пирсе и подвешивается на крюке палиспастной системы подъемного крана (плавучего или установленного на строящемся пирсе). От поворота под действием реактивного момента оси 2 турбобура-забурника палиспастная система крана фиксируется с помощью специальных тросов-оттяжек.

Турбобур-забурник "подается" к дну залива и фиксируется над дном на расстоянии примерно одного метра. После этого включаются насосы и вода подается к ступеням давления турбины (позиции 14 и 17) и через переводник 6 корпуса 3 турбобура и корпус вихревого гидротормоза 7 к долоту 8.

При этом корпус-ротор 3 турбобура начинает вращаться, вращая долото 8.

Долото 8 бурильщик плавно подает к дну залива и нагружает его всем весом турбобура-забурника. Бурение ствола осуществляется на заданную глубину, после чего вся компоновка извлекается из пробуренного ствола и может использоваться для бурения на следующей "точке". В процессе вращения лопастей 24 вихревого гидротормоза 7 турбобура на нем реализуется избыточный вращающий момент, что не позволяет турбобуру выходить в зону высоких частот вращения долота 8.

Турбобур-забурник используется для бурения скважин сверх большого диаметра в донных отложениях заливов и рек. В этих скважинах устанавливаются и цементируются сваи диаметром 700-1500 мм, необходимые для строительства причалов, эстакад и мостов. Турбобур-забурник состоит из статорной оси, которая своим верхним переводником соединяется с гибким шлангом, по которому насосы подают воду к турбобуру. На статорной оси с помощью гайки неподвижно закреплены статорные элементы осевой пяты, статорные ступени давления турбины, статорные втулки радиальных опор. В корпусе-роторе турбобура неподвижно закреплены с помощью фланцев роторные элементы осевой пяты, роторные ступени давления турбины, радиальные опоры. В корпусе переводника закреплены венцы, назначение которых отклонить поток воды в направлении, обратном направлению вращения корпуса турбобура. К переводнику корпуса турбобура крепится вихревой гидротормоз, к нижней резьбе которого прикрепляется долото. Изобретение позволяет повысить надежность турбобура-забурника за счет снижения нагрузок на его осевую пяту при обеспечении оптимально низких частот вращения долота. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Турбобур-забурник, включающий статорные ступени давления турбины, статорные элементы осевой пяты и радиальных опор, роторные ступени давления турбины, роторные элементы осевой пяты и радиальных опор, вихревой гидротормоз, долото, отличающийся тем, что статорные ступени давления турбины неподвижно закреплены на статорной оси, связанной с верхним переводником турбобура-забурника, роторные ступени давления турбины которого неподвижно закреплены в корпусе с возможностью его вращения совместно с корпусом вихревого гидротормоза, на наружной поверхности которого закреплены лопатки, при этом роторные элементы осевой пяты, роторные ступени давления турбины и радиальные опоры закреплены в корпусе турбобура-забурника с помощью фланцевого соединения переводника корпуса турбобура-забурника, а долото связано с вихревым гидротормозом. 2. Турбобур-забурник по п.1, отличающийся тем, что он имеет во внутренней полости переводника корпуса, располагающегося над вихревым гидротормозом, лопаточные венцы, углы установок лопаток которых направлены против часовой стрелки.