СТУПЕНЬ ДАВЛЕНИЯ ТУРБИНЫ ТУРБОБУРА Российский патент 2001 года по МПК E21B4/02 

Изобретение относится к техническим средствам, предназначенным для бурения нефтяных и газовых скважин и в более узком подразделении этих средств - к конструктивным узлам забойных двигателей - турбобуров, с помощью которых приводятся во вращение буровые долота.

Аналогом изобретения является ступень давления турбины, описанная на стр. 18, фиг. 2 (см. Турбинное бурение нефтяных скважин. П.П.Шумилов, часть I, ОНТИ.НКТП. СССР, Москва 1936 г., Ленинград).

В приведенном источнике описывается ступень давления турбины, имеющая коноидальные поверхности, ограничивающие лопаточный венец статора, при этом роторный венец выполнен без наружного обода.

Такая конструкция ступени давления турбины обладает двумя существенными недостатками: большой осевой гидравлической нагрузкой на ротор турбины и невозможностью бурения турбобуром на буровых растворах, содержащих инертный плагирующий наполнитель типа мелкорубленного кордного волокна или пластинчатой рыбьей чешуи, которые, попадая в узкий зазор между лопатками роторных венцов и соответствующих им ступиц статорных ступеней давления турбины, заклинивают вал турбобура.

Наиболее близким аналогом изобретения является турбина, выполняемая согласно формуле изобретения патента Российской Федерации N 2032063 (см. пп. 18 и 19). В этом патенте описана ступень давления турбины, имеющая безободной лопаточный венец ступени давления ротора и ободной лопаточный венец ступени давления статора турбины турбобура. Но при этом в указанном патенте не решен и не описан ни один конструктивный признак, позволяющий снизить до минимума осевую гидравлическую нагрузку на ротор турбобура и избежать заклинки концов лопаток роторных венцов инертным наполнителем. Поэтому турбобурами до настоящего времени не бурят в геологических разрезах, склонных к поглощениям бурового раствора.

Изобретение позволяет бурить турбобуром в любых геологических формациях, в том числе и склонных к частичным или полным поглощениям бурового раствора, при этом позволяя за счет увеличения безотказного срока службы осевых опор турбобура существенно увеличить его межремонтный срок эксплуатации.

Сущность нашего изобретения заключается в создании редколопаточной турбины, безободной лопаточный венец ступени давления ротора которой имеет большой радиальный зазор относительно соответствующей ему ступицы статора. Этот зазор настолько велик, что в нем не могут заклиниваться чешуйки наполнителя, вымываемые из него потоком бурового раствора.

Во всех без исключения конструкциях ступеней давления турбин турбобуров увеличение радиальных зазоров в лопаточных венцах роторов относительно соответствующих им ступиц лопаточных венцов статорных ступеней давления турбины ведет к резкому уменьшению значения КПД турбины турбобура. В конструкциях турбин с безободными лопаточными венцами роторных ступеней давления (см. ближайший аналог) под действием центробежной силы шлам и наполнитель смещаются в сторону концов лопаток, заклинивают и ломают их. При этом ротор турбобура либо сразу заклинивается в его статоре, либо сломанные лопатки, попадая в нижерасположенные ступени давления, ломают и их лопатки, после чего вся турбина турбобура превращается в металлолом.

В изобретении лопатки роторных венцов профилируются и устанавливаются таким образом, что на рабочих частотах вращения вала-ротора турбобура основная часть перепадов давлений в турбине реализуется в статорных лопаточных венцах. Тем самым до возможного минимума уменьшается гидравлическая осевая нагрузка на ротор турбобура и сокращаются утечки бурового раствора в зазорах роторных венцов. Это обстоятельство особенно важно для конструкций турбобуров, имеющих независимый от шпинделя осевой подшипник-пяту в каждой секции.

Изобретение поясняется тремя фигурами.

На фиг. 1 приведена общая компоновка ступени давления турбины.

На фиг. 2 приведена деталь - лопаточный венец ступени давления статора турбины.

На фиг. 3 приведена деталь - лопаточный венец ротора турбины.

Ступень давления турбины турбобура (в трех-, пятитурбинных секциях их может устанавливаться от 300 до 480) состоит из ступицы статора 1, в которую запрессовывается или закрепляется любым другим технологически приемлемым способом лопаточный венец статора 2, который имеет внутренний обод 3. Лопаточный венец 2 может отливаться или штамповаться из стали, алюминия, пластмассы и других подходящих материалов.

Внутрь ступицы статора 1 и лопаточного венца статора 2 свободно вставляется ступица ротора 4, на которую напрессован (или закреплен другим подходящим способом) лопаточный венец ротора 5. На фиг. 1 ступица ротора 4 опирается на кольцо 6 (в сборке турбобура оно не используется), с помощью которого ступица ротора 4 занимает то реальное положение, в котором она находится в собранном турбобуре. При этом верхний осевой зазор a составляет величину от 2 до 4 мм. Нижний осевой зазор b всегда больше, чем зазор a и составляет величину от 8 до 12 мм. Лопатки 7 статорного венца 2 выполняются таким образом, что их радиальная высота h₁, измеренная по входной кромке, всегда больше, чем их радиальная высота h₂, измеренная по выходной кромке. Внутренняя поверхность большего диаметра лопаточного венца 2 статора скругляется радиусом "R", центр которого располагается со стороны оси ступени давления турбины. Такое исполнение уменьшает проходную площадь сечения лопаточного венца 2 у выходных кромок его лопаток. Внутренний обод 3 имеет преимущественно прямоугольную форму сечения, которое в верхней своей части может иметь плавное радиусное скругление.

Лопаточный венец ротора 5 имеет радиальную высоту h₃ лопаток 8, равную или на 1-3 мм большую, чем радиальная высота h₂ лопаток статорного венца 2. Радиальный зазор Z лопаток роторного венца 5 относительно ступицы 1 укладывается в пределы диапазона значений от 0,1 до 0,2 от радиальной высоты h₃ лопаток 8 роторного венца 5.

У турбобуров относительно большого диаметра на ступице ротора 4 может выполняться канавка 9, в которую вставляется резиновое или резинометаллическое уплотнение 10, которое может иметь круглую, прямоугольную или эллиптическую форму.

Уплотнение 10 перекрывает зазор между ободом 3 лопаточного венца 2 статора и ступицей ротора 4.

У турбобуров малого диаметра на ступице 4 невозможно выполнить канавку 9, поэтому на наружной поверхности ступицы 4 нарезается мелкая метрическая резьба (правый винт).

Лопатки 7 статорного венца 2 выполняются таким образом, чтобы наклон L хорды 11 к плоскости, перпендикулярной оси ступени давления турбины, не превышал бы значения в 50^o, а минимальный зазор - d_с между двумя смежными лопатками 7 был бы не меньше 10 мм.

Лопатки 8 роторного венца 5 выполняются таким образом, что их хорда 12 совпадает с атакуемой плоскостью внутренней поверхности лопаток 8. При этом хорда 12 наклонена под углом β к плоскости, перпендикулярной оси ступени давления турбины, на угол не менее чем в 70^o. При этом наклон хорды 11 лопаток 7 статора отличается от наклона хорды 12 лопаток 8 ротора на угол более чем в 20^o.

Минимальный зазор d_р между двумя смежными лопатками 8 роторного венца должен быть не менее 11 мм. Такое исполнение лопаточных венцов 2 статора и 5 ротора позволяет в диапазоне рабочих частот вращения турбобура сработать основную часть перепада давлений в статоре турбобура одновременно подняв до максимально возможных значений КПД турбины и снизив до возможного минимума величину гидравлической осевой нагрузки на осевые подшипники турбобура. Одновременно такое исполнение ступеней давления турбины позволяет турбобуру нормально работать на растворах, содержащих волокнистые и пластинчатые наполнители.

РАБОТА СТУПЕНИ ДАВЛЕНИЯ ТУРБИНЫ ТУРБОБУРА
Поток бурового раствора, доходящий через лопатки 7 статорного венца 2, генерирует кинетическую энергию. При наличии уплотнения 10 ликвидируется утечка части расхода раствора в кольцевой канал, образованный ободом 3 и ступицей ротора 4, что увеличивает эффективность работы статора турбобура. Вместе с утечкой ликвидируется и эффект "затаскивания" наполнителя в указанный кольцевой канал, то есть ликвидируется и причина, вызывающая заклинку вращающейся ступицы 4 роторной ступени давления турбины турбобура.

При отсутствии на ступице 4 уплотнения 10 попавший в кольцевой зазор наполнитель с помощью резьбы, нарезанной на наружной поверхности ступицы 4, "проталкивается" в осевой верхний межвенцовый зазор a.

Поток бурового раствора, проходящий по лопаткам 7 статорного венца 2, стекая по поверхности, образованной радиусом R, отклоняется от концов лопаток 8 роторного венца 5. При этом на концевой острой кромке (сопряжение радиуса R и выходных кромок лопаток 7) лопаточного венца 2 образуется циркуляционный вихрь, вращение которого направлено против движения часовой стрелки. Этот вихрь экранирует зазор Z (между концами лопаток 8 и соответствующей им ступицей 1 статорной ступени давления турбины). Если отдельные частицы или чешуйки наполнителя и попадают в этот зазор, под действием центробежной силы, возникающей на вращающихся лопатках 8, то в отличие от безободных турбин с малой величиной этого зазора, они не заклинивают роторную ступень давления турбины в ступице 1 статорной ступени давления и потоком раствора выносятся в нижний осевой зазор b.

Минимальные проходные сечения между лопатками 7 статорного венца 2 (обозначение d_с) и лопатками 8 роторного венца 5 (обозначение d_р) существенно больше, чем у турбин других конструктивных типов. Это позволяет "пропускать" через лопаточные венцы вязкие буровые растворы с высокой концентрацией плагирующего наполнителя (наполнитель бурового раствора для борьбы с поглощениями промывочной жидкости в стволе скважины).

Изобретение относится к турбинному бурению глубоких скважин, в частности к выполнению турбины турбобура. Ступень давления турбины турбобура состоит из ступицы статора, запрессованного в ней статорного лопаточного венца, имеющего внутренний обод, при этом хорда лопаток статорного венца наклонена к плоскости, перпендикулярной оси ступени давления турбины, под углом, не превышающим 50°. Внутренняя поверхность большего диаметра статорного лопаточного венца скруглена радиусом R, центр которого располагается со стороны оси ступени давления турбины. Внутрь ступицы статора и запрессованного в ней лопаточного венца свободно вставляется ступица ротора с напрессованным на ней роторным лопаточным венцом. При этом хорда лопаток роторного венца наклонена к плоскости, перпендикулярной оси ступени давления турбины, под углом не менее чем в 70°. Лопатки роторного венца имеют гарантированный зазор Z относительно ступицы статора, укладывающийся в диапазон значений от 0,1 до 0,2 от радиальной высоты h₃ лопаток роторного венца. Изобретение обеспечивает увеличение срока службы осевых опор турбобура и в целом увеличение межремонтного срока эксплуатации турбобура. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Cтупень давления турбины турбобура, состоящая из ступицы статорной ступени давления с закрепленным в ней статорным лопаточным венцом, имеющим внутренний обод, и роторной ступени давления, состоящей из ступицы роторной ступени давления с закрепленным на ней роторным лопаточным венцом, отличающаяся тем, что радиальный зазор между концами лопаток роторного венца и соответствующей ему статорной ступицы укладывается в пределы диапазона значений от 0,1 до 0,2 от радиальной высоты лопаток роторного венца. 2. Ступень давления турбины турбобура, выполняемая по п.1, отличающаяся тем, что статорный лопаточный венец имеет внутреннюю поверхность большего диаметра, описанную радиусом, центр которого располагается со стороны оси ступени давления турбины. 3. Ступень давления турбины турбобура, выполняемая по п.1, отличающаяся тем, что наклон хорды лопаток статорного венца к плоскости, перпендикулярной оси ступени давления турбины, отличается от наклона хорды лопаток роторного венца к той же плоскости на угол более чем 20°, при этом хорда лопаток статорного венца наклонена к указанной плоскости на угол не более чем в 50°, а хорда лопаток роторного венца - на угол не менее чем в 70°. 4. Ступень давления турбины турбобура, выполняемая по п.1, отличающаяся тем, что ступица роторной ступени давления турбины имеет упругое уплотнение, контактирующее с внутренней поверхностью обода статорного лопаточного венца. 5. Ступень давления турбобура, выполняемая по п.1, отличающаяся тем, что на внешней поверхности ступицы роторной ступени давления турбины выполняется резьбовая нарезка.