ГЕРОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2000 года по МПК E21B4/02 E21B7/08 

Изобретение относится к гидравлическим приводам для вращательного движения, в частности к устройствам для бурения наклонно-направленных скважин в формациях земли.

Известен героторный двигатель, содержащий полый корпус, размещенные внутри него многозаходный героторный механизм, включающий соосно расположенный статор и установленный внутри статора ротор, а также шпиндель, соединенный приводным валом с ротором и размещенный внутри корпуса шпинделя, причем корпуса двигателя и шпинделя соединены изогнутым переводником с резьбами на его краях. Вход двигателя соединен с колонной скважинных труб, а выход шпинделя соединен с долотом [1].

Недостатком известной конструкции является то, что в ней не предусмотрено разъединение изогнутого переводника в вертикальном положении на буровой с использованием хомутов (спайдеров) путем раскрепления и отворачивания резьб между изогнутым переводником и двигателем или шпинделем.

Кроме того, известная компоновка бурильной колонны при нагружении обладает непрогнозируемой составляющей бокового усилия на долото, а, вследствие этого, не позволяет оптимизировать параметры процессов бурения и снижать аварийность при производстве и эксплуатации наклонно-направленных скважин. Боковое усилие на долоте в зависимости от осевой нагрузки в процессе нагружения меняется, но не столь значительно. Знак составляющей бокового усилия, действующего в вертикальной плоскости, указывает на то, что буровая компоновка должна набирать зенитный угол при всех значениях осевых сил. В результате перераспределения реакций в пределах компоновки и бурильной колонны азимутальная составляющая усилия на долоте меняет знак. Следствием этого факта может быть уход профиля в различных направлениях при бурении с различными нагрузками на долото.

Подобный факт на практике можно объяснить случайной причиной, например влиянием неоднородности забоя скважины, но истинная причина остается скрытой, см. стр. 42...44 [2].

Известен также забойный двигатель для наклонно-направленного бурения, включающий двигательную секцию, ротор и торсион которой связаны между собой в своей верхней части, и шпиндельную секцию, корпус которой соединен с корпусом двигательной секции переводником. [3].

Недостатком известной конструкции является то, что в ней не предусматривается разъединение переводника непосредственно на буровой в вертикальном положении с использованием хомутов (спайдеров). Кроме того, в известной конструкции при использовании изогнутого переводника трудно оптимизировать проходку скважины вследствие трудности учета боковой составляющей на долоте, вызывающей реактивный изгибающий момент, меняющий свое направление (знак) при потере устойчивости наклонно-направленной изогнутой колонны.

Наиболее близкой к заявляемой конструкции является героторный двигатель, содержащий полный корпус, размещенные внутри него многозаходный героторный механизм, включающий соосно расположенный статор и установленный внутри статора ротор, а также шпиндель, соединенный приводным валом с ротором и размещенный внутри корпуса шпинделя, причем корпуса двигателя и шпинделя соединены изогнутым переводником с резьбами на его краях [4].

Недостатком известной конструкции является то, что в ней не предусмотрено разъединение изогнутого переводника непосредственно на буровой в вертикальном положении с использованием хомутов (спайдеров). Кроме того, недостатком известной конструкции является то, что она не предусматривает повышения точности проходки скважины при использовании изогнутого переводника. Это объясняется тем, например, см. стр. 42...44 [2], что трудно учесть боковую составляющую на долоте, вызывающую реактивный изгибающий момент, меняющий свое направление, т.е. знак, при потере устойчивости наклонно-направленной изогнутой колонны буровых труб, соединенных с героторным двигателем.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в снижении трудоемкости и стоимости обслуживания работ, связанных с разъединением и установкой требуемого изогнутого переводника. Другой технической задачей является повышение точности проходки скважины, вследствие введения разъемного соединения приводного вала с двигателем и нового переводника со скрещивающимися осями резьб на его краях, позволяющего компенсировать боковое усилие на долоте в устье изогнутой колонны скважинных труб при изменении осевой нагрузки на долото без потери устойчивости буровой колонны скважинных труб.

Сущность технического решения заключается в том, что в героторном двигателе, содержащем полый корпус, размещенные внутри него многозаходный героторный механизм, включающий соосно расположенный статор и установленный внутри статора ротор, а также шпиндель, соединенный приводным валом с ротором и размещенный внутри корпуса шпинделя, причем корпуса двигателя и шпинделя соединены изогнутым переводником с резьбами на его краях, согласно изобретению, корпуса двигателя и шпинделя соединены с изогнутым переводником посредством резьбовых кожухов, ротор и шпиндель соединены с приводным валом посредством резьбовых переходников, а во внутренней полости одного из резьбовых кожухов выполнен кольцевой бурт, в котором установлено кольцо, при этом внутренний диаметр кольца выполнен с зазором относительно приводного вала и не превышает наружного диаметра соответствующего переходника, охватываемого резьбовым кожухом.

Кроме того, согласно изобретению изогнутый переводник, соединяющий корпуса двигателя и шпинделя, выполнен со скрещивающимися осями резьб на его краях, а наибольшее расстояние между осями скрещивающихся резьб равно эксцентриситету ротора относительно статора.

Соединением корпуса героторного двигателя с изогнутым переводником посредством резьбового кожуха, соединением шпинделя с тем же изогнутым переводником посредством другого резьбового кожуха, соединением ротора и шпинделя с приводным валом посредством резьбовых переходников, причем во внутренней полости одного из резьбовых переходников с выполнением кольцевого бурта, в который установлено кольцо, а внутренний диаметр кольца выполнен с зазором относительно приводного вала и не превышает наружного диаметра переходника, достигается разъемное соединение приводного вала с двигателем или шпинделем.

При этом отсоединение шпинделя от двигателя может быть выполнено непосредственно на буровой с использованием хомутов (спайдеров) в вертикальном положении двигателя и шпинделя путем раскрепления и отворачивания резьб между изогнутым переводником и двигателем (или шпинделем). Это требуется для замены изогнутого переводника при проходке наклонно-направленной скважины. В известных аналогах для замены изогнутого переводника требуется горизонтальное расположение двигателя и шпинделя. Это объясняется, например, использованием в приводных валах преимущественно карданно-шариковых соединений, разборка которых в вертикальном положении не предусмотрена.

Выполнением изогнутого переводника, соединяющего корпуса двигателя и шпинделя со скрещивающимися осями резьб на его краях, позволяет смещать центр вращения долота в поперечном сечении против направления вращения долота. Это позволяет компенсировать боковое усилие в устье изогнутой колонны скважинных труб и не допускать изменения зенитного угла изогнутой колонны из-за перераспределения реакций бокового усилия на долоте в зависимости от осевой нагрузки на долоте, т.е. при потере устойчивости наклонно-направленной изогнутой колонны.

Выполнение наибольшего расстояния между осями скрещивающихся резьб в изогнутом переводнике, равном эксцентриситету ротора относительно статора, позволяет оптимизировать параметры процессов бурения в зависимости от осевого усилия на долоте с учетом неоднородности забоя скважины, а также в зависимости от состояния компоновки низа бурильной колонны при критическом нагружении и составляющей бокового усилия на долоте в процессе нагружения.

На фиг. 1 показан продольный разрез верхней части героторного двигателя.

На фиг. 2 показана выходная часть героторного двигателя, соединенного изогнутым переводником с входной частью шпинделя.

На фиг. 3 показана выходная часть шпинделя и место крепления долота.

На фиг. 4 показан разрез А-А на фиг. 1 поперек героторного двигателя.

На фиг. 5 показан разрез Б-Б вдоль переводника на фиг. 2.

На фиг. 6 показан обычный узел, используемый для наклонно- направленного бурения формации земли.

На фиг. 7 показан отстыкованный от героторного двигателя шпиндель с приводным валом и частично открученной резьбой переводника.

Ниже представлен наиболее предпочтительный вариант исполнения героторного двигателя.

Героторный двигатель содержит полый корпус 1, размещенный внутри него многозаходный героторный механизм, включающий соосно расположенный статор 2 и установленный внутри статора ротор 3, а также шпиндель 4, соединенный приводным валом 5 с ротором 3 и размещенный внутри корпуса 6 шпинделя. Корпус 1 двигателя и корпус 6 шпинделя соединены изогнутым переводником 7 с резьбами 8 и 9 на его краях. Корпус 1 двигателя соединен с изогнутым переводником 7 при помощи резьбового корпуса 10.

Корпус 6 шпинделя соединен с изогнутым переводником 7 при помощи резьбового кожуха 11.

Ротор 3 с приводным валом 5 соединен при помощи резьбового переходника 12, а шпиндель с приводным валом 5 соединен при помощи резьбового переходника 13. При этом резьбовой переходник 12 с приводным валом 5 разъемно соединен при помощи конуса Морзе 14 и плоских поверхностей 15, 16, установленных в пазу 17 переходника 12. Верхняя часть 18 переходника 12 содержит карданно-шариковый шарнир 19, соединенный резьбой 20. Шпиндель 4, резьбовой переходник 13 с приводным валом 5 соединен резьбой 21, а приводной вал 5 имеет карданно-шариковый шарнир 22.

Во внутренней полости резьбового кожуха 10 выполнен кольцевой бурт 23, в который установлено (запрессовано) кольцо 24. Внутренний диаметр К кольца 24 выполнен с зазором, необходимым для того, чтобы приводной вал 5 не задевал за поверхность К при планетарном движении и обкатке ротора 3 по статору 2 героторного двигателя.

Внутренний диаметр К кольца 24 не превышает наружного диаметра 25 переходника 12. При этом изогнутый переводник 7, соединяющий корпус 1 героторного двигателя и корпус 6 шпинделя, выполнен со скрещивающимися осями: осью Д резьбы 8 и осью Ш резьбы 9 на его краях, см. фиг. 2. Наибольшее расстояние Е между осями Д резьбы 8 и Ш резьбы 9 переводника 7 равно эксцентриситету Х ротора 3 относительно статора 2, см. фиг. 4, 5. Скрещивающийся угол между осью Д и осью Ш изогнутого переводника 7 обозначен α, см. фиг. 2.

Кроме того, на фиг. 2 показаны наклонные каналы Н в резьбовом переходнике 13, которые определяют центральный путь прохождения жидкости для передачи бурового раствора к долоту 26, см. фиг. 6. На фиг. 3 показана резьбовая втулка 27 с резьбовыми частями d1, d2 для присоединения долота 26.

Героторный двигатель работает следующим образом: промывочная жидкость под давлением 40...60 кгс/см² по колонне буровых труб подается в проточные винтовые каналы между ротором 3 и статором 2, профиль ротора выполнен замкнутым. Возможность подачи промывочной жидкости обеспечивается вследствие разницы в количестве зубьев, т. е. число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев статора. Возникающий на роторе 3 крутящий момент вызывает его планетарное движение относительно статора 2, которое при помощи карданных шарниров 19, приводного вала 5, карданных шарниров 22 преобразуется во вращательное движение шпинделя 4 и долота 26.

При бурении неоднородных пород на изогнутом переводнике, а также на шпинделе 4 и долоте 26 возникает реактивный изгибающий момент вследствие усилий резания на долоте 26. Вышеуказанный реактивный момент компенсируется выполнением изогнутого переводника 7 со скрещивающимися осями: Д на резьбе 8 и осью Ш на резьбе 9. Смещение (в поперечном сечении) оси Д относительно Ш целесообразно выполнять против вращения долота 26. т.к. в этом случае не наблюдается потери направления, т.е. знака, устойчивости изогнутой колонны при изменении нагрузки на долото и компенсируется увеличение или снижение реактивного момента от сил резания на долоте 26. На практике вертикальный ствол скважины бурится до заданной глубины. Затем бурильная колонна извлекается, и меняется изогнутый переводник между героторным двигателем и шпинделем.

Для разъединения изогнутого переводника 7 шпиндель удерживается в вертикальном положении в хомутах (спайдерах) непосредственно на буровой за поясок на резьбовом кожухе 11. Затем отворачивается специальным ключом резьба 8, а героторный двигатель подъемником поднимается вверх. При этом верхняя часть приводного вала 5 выходит из конуса Морзе 14 и пазов 15, 16 за счет того, что кольцо 24 резьбового кожуха имеет диаметр К, не превышающий наружный диаметр 25 переходника 12, т.е. кольцо 24 и кольцевой бурт 23 разъединяют соединение приводного вала 5 и переходника 12.

Предлагаемая конструкция героторного двигателя упрощает разъединение и установку изогнутого переводника со скрещивающимися осями резьб на его краях и повышает точность проходки скважины путем компенсации бокового усилия от долота реактивным моментом на переводнике двигателя и шпинделе изогнутой колонны скважинных труб.

Источники информации:
1. US, патент, 5273123, кл. E 21 B 7/08, 1993.

2. RU, Журнал "Газовая промышленность", февраль 1998 г., стр. 42...44.

3. RU, патент, 2081986, кл. 6 E 21 B 4/02, 1993.

4. US, патент, 5316093, кл. E 21 B 7/06; E 21 B 4/02, 1994.

Изобретение относится к бурению направленных скважин, в частности к героторным двигателям. Геротроный двигатель содержит полый корпус, размещенные внутри него многозаходный героторный механизм, включающий соосно распложенный статор и установленный внутри статора ротор, а также шпиндель, соединенный приводным валом с ротором и размещенный внутри корпуса шпинделя, причем корпуса двигателя и шпинделя соединены изогнутым переводником с резьбами на его краях. Новизна изобретения заключается в том, что корпуса двигателя и шпинделя соединены с изогнутым переводником посредством резьбовых кожухов, ротор и шпиндель соединены с приводным валом посредством резьбовых переходников, во внутренней полости одного из резьбовых кожухов выполнен кольцевой бурт, в который установлено кольцо, а внутренний диаметр кольца выполнен с зазором относительно приводного вала и не превышает наружного диаметра переходника, при этом изогнутый переводник выполнен со скрещивающимися осями резьб на его краях, а наибольшее расстояние между осями скрещивающихся резьб равно эксцентриситету ротора относительно статора. Изобретение упрощает разъединение и установку изогнутого переводника со скрещивающимися осями резьб на его краях и повышает точность проходки скважин путем компенсации бокового усилия от долота реактивным моментом на переводнике, двигателе и шпинделе изогнутой колонны скважинных труб. 7 ил.

Героторный двигатель, содержащий полый корпус, размещенный внутри него многозаходный героторный механизм, включающий соосно расположенный статор и установленный внутри статора ротор, а также шпиндель, соединенный приводным валом с ротором и размещенный внутри корпуса шпинделя, причем корпуса двигателя и шпинделя соединены изогнутым переводником с резьбами на его краях, отличающийся тем, что корпуса двигателя и шпинделя соединены с изогнутым переводником посредством резьбовых кожухов, ротор и шпиндель соединены с приводным валом посредством резьбовых переходников, во внутренней полости одного из резьбовых кожухов выполнен кольцевой бурт, в который установлено кольцо, а внутренний диаметр кольца выполнен с зазором относительно приводного вала и не превышает наружного диаметра переходника, при этом изогнутый переводник выполнен со скрещивающимися осями резьб на его краях, а наибольшее расстояние между осями скрещивающихся резьб равно эксцентриситету ротора относительно статора.