ТУРБОБУР-РЕДУКТОР Российский патент 2003 года по МПК E21B4/02 

Изобретение относится к техническим средствам, с помощью которых бурятся нефтяные и газовые скважины; в более узком подразделении этих средств - к забойным двигателям - турбобурам, с помощью которых приводятся во вращение шарошечные долота, разрушающие забои стволов бурящихся скважин.

Дальним аналогом нашего изобретения является турбобур, изготовлявшийся и использовавшийся в СССР с 1924 по 1934 год согласно патенту 546; автор М.А. Капелюшников; приоритет от 19.02.22 г.

Однако все главные узлы этого турбобура: турбина, редуктор, осевая опора - обладали очень низким сроком службы (не превышающим 20 часов), были смонтированы в едином корпусе, что не позволяло вести их обезличенный-специализированный ремонт и замену. Из-за своей низкой эффективности он был снят с производства.

Ближайшим аналогом нашего изобретения является "Редукторный турбобур", выполняемый согласно описанию патента РФ 2.112 856, Бюл. 16 от 10.06.98 г.

У этого редукторного турбобура имеются турбинная и шпиндельная секции, снабженные корпусами и валами, и редуктор, располагающийся между турбинной секцией и шпинделем. Входной и выходной валы редуктора связаны между собой планетарной зубчатой передачей Баррета, при этом корпуса турбинной секции, корпус редуктора и корпус шпинделя жестко связаны друг с другом посредством резьб; все элементы редукторной передачи Баррета и опорные элементы шпинделя располагаются в общей маслозаполненной камере.

По нашему мнению, главным недостатком такого редукторного турбобура является сама схема, предусматривающая использование планетарной передачи Баррета, размещенной в одной камере с опорными элементами шпинделя. Дело в том, что опоры сателлитов наиболее слабое силовое звено этой схемы, а опорные элементы шпинделя могут работать в несколько раз дольше (но заменяться должны вместе). К тому же одноярусная схема планетарной передачи редуктора Баррета может обеспечить коэффициент редуцирования оборотов не свыше 3,75, в то время как для реализации всех потенциальных возможностей редукторного турбобура этот коэффициент должен укладываться в пределы диапазона значений от 7 до 10.

Изобретение позволяет решить все проблемы создания долговечного и относительно недорогого "короткого" редукторного турбобура за счет увеличения передаточного отношения в одной ступени при использовании эксцентичного планетарного редуктора с внутренним зацеплением рабочих колес, доведя его до значений в 8-10, и при этом использовать только 15-40 ступеней давления турбины. При этом на турбине будет реализован относительно небольшой перепад давлений, что позволяет увеличить эффективность работы гидромониторных шарошечных долот.

Сущность изобретения заключается в создании турбобура-редуктора, включающего в себя три независимые, скрепляемые друг с другом посредством корпусных резьб (непосредственно на роторном столе буровой установки) секции: нижнюю - шпиндельную, в корпусе которой установлены статорные элементы уплотнения вала шпинделя, статорные обоймы шаровой пяты и их проставочные кольца; на валу шпиндельной секции с помощью гайки-муфты зафиксированы роторные элементы уплотнения и роторные элементы-обоймы шаровой пяты и их проставочные кольца.

Следующая - средняя - редукторная секция, в корпусе которой с помощью двухниппельного переводника эафиксирован фальш-корпус, в котором с возможностью взаимного вращения установлены два вала - ведущий и ведомый. На ведущем валу на эксцентричной цапфе с возможностью вращения относительно нее закреплено внутреннее зубчатое колесо, находящееся в одностороннем зацеплении с большим зубчатым колесом, неподвижно зафиксированным в фальш-корпусе. Внутреннее зубчатое колесо на своем конце имеет кулачковую муфту Ольдгейма, которая передает вращение с внутреннего зубчатого колеса на ведомый вал, также снабженный кулачковой муфтой.

Следующая - верхняя - турбинная секция в своем корпусе имеет неподвижно зафиксированные с помощью двухниппельного переводника статорные ступени давления турбины, статорные элементы радиальных опор, статорные обоймы пяты и их проставочные кольца, а на валу турбинной секции с помощью гайки неподвижно зафиксированы роторные элементы радиальных опор, роторные ступени давления турбины, роторные обоймы осевой пяты и их проставочные кольца. При этом хорда профиля лопаток статорных ступеней давления турбины имеет направление левого винта, а хорда профиля лопаток роторных ступеней давления турбины имеет направление правого винта.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 приведена общая компоновка верхней - турбинной секции.

На фиг.2 - конструкция статорной ступени давления турбины.

На фиг. 3 - конструкция роторной ступени давления турбины.

На фиг.4 - общая компоновка верхней половины средней - редукторной секции.

На фиг. 5 - общая компоновка нижней половины средней - редукторной секции.

На фиг.6 - общая компоновка шпинделя - нижней опорной секции.

Турбобур-редуктор состоит из трех независимых элементов секций, соединяемых посредством корпусных резьб в единый механизм-агрегат, способный вращать долото, непосредственно на роторном столе буровой установки.

Конструкция и специфика изготовления деталей и узлов каждой секции предусматривают их производство на различных заводах: общими элементами всех трех секций могут являться их корпуса; упорно-регулировочные и проставочные втулки; ниппельные переводники; радиальные опоры.

Корпус 1 верхней - турбинной секции своим верхним - резьбовым концом присоединяется к нижней трубе бурильной колонны (на фиг.1 не показана).

В корпусе 1 с помощью двухниппельного соединительного переводника 2 сжаты с большим осевым усилием и неподвижно зафиксированы: упорно-регулировочная втулка 3; упорно-регулировочное кольцо 4; статорные элементы 5 двух-пяти радиальных опор; "фонари" 6 осевой пяты; от одной до двенадцати статорных обойм 7 осевой пяты; проставочные кольца 8 обойм 7; статорные ступени давления 9 турбины. Фонари 6 имеют отверстия 10, гидравлически сообщающие объем пространства внутри корпуса 1, в котором размещаются статорные ступени давления 9 турбины, с пространством, располагающимся между внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью фонарей 6, а также с пространством, располагающимся вне и за статорными обоймами 7 и их проставочными кольцами 8.

На валу 11 верхней турбинной секции с помощью гайки 12 сжаты и неподвижно зафиксированы роторные элементы втулки 13 двух-пяти радиальных опор; от двух до тринадцати роторных обойм 14 осевой пяты и их проставочные кольца 15; упор 16 вала 11 и роторные ступени давления 17 турбины. На валу 11 с помощью резьбы закреплена шлицевая (квадратная или шестигранная) муфта 18. Статорные ступени давления 9 турбины имеют лопатки 19, хорда 20 профиля которых образует с плоскостью, перпендикулярной оси ступени, острый угол α. При этом хорда 20 профиля лопаток 19 имеет направление "левого" винта.

Роторные ступени давления 17 турбины имеют лопатки 21, хорда 22 профиля которых образует с плоскостью, перпендикулярной продольной оси ступени, острый угол β. При этом хорда 22 имеет направление "правого" винта.

В корпусе 23 средней - редукторной секции с помощью двухниппельного переводника 2 сжаты с большим осевым усилием и неподвижно зафиксированы: упорно-регулировочная втулка 3; упорно-регулировочное кольцо 4; статорные элементы 5 двух-четырех радиальных опор; фонари 24 с зафиксированными в них с возможностью осевого перемещения, но без возможности проворота, статорными элементами 25 торцового уплотнения; фонари 24 ввернуты в фальш-корпус 33, в котором неподвижно сжаты и зафиксированы статорные элементы 26 радиально-упорных подшипников и большое зубчатое колесо 27 внутреннего зацепления. Отверстия 10 фонарей 24 гидравлически сообщают верхнюю внутрикорпусную полость 28 с кольцевым пространством, расположенным внутри корпуса 23 и с внешней стороны фальш-корпуса 33. Внутрикорпусная полость 29, расположенная под нижним фонарем 24, через окна 10 также гидравлически связана с кольцевой полостью за фальш-корпусом 33.

Каждый статорный элемент 25 торцового уплотнения, зафиксированный в фонаре 24, имеет резиновое уплотнение 31 и четыре-восемь пружин 32, обеспечивающих возможность осевого перемещения статорного элемента 25. Рабочая поверхность статорного элемента 25 имеет торцовую наплавку 34 износостойкого релитового сплава.

В корпусе 23 с помощью статорных элементов 26 радиально-упорных подшипников фиксируются в осевом и радиальном направлениях с возможностью вращения два вала: ведущий 35 и ведомый 36. Ведущий вал 35 имеет сквозное сверление 37. К верхней части вала 35 на резьбе крепится масляный лубрикатор 38, в котором имеется подвижной поршень-разделитель 39. К верхней части лубрикатора 38 на резьбе крепится шлицевая (квадратная или шестигранная) муфта 40, имеющая сквозное сверление 41, гидравлически соединяющее надмуфтовое пространство с надпоршневой полостью лубрикатора 38. На ведущем валу 35 с помощью гайки-водила 42 сжаты и неподвижно зафиксированы роторные элементы-втулки 13 одной-двух радиальных опор: проставочные втулки 43; роторный диск 44 статорного элемента 25 торцового уплотнения; роторные элементы 45 одного-двух радиально-упорных подшипников.

Гайка-водило 42 имеет подшипниковую цапфу 46, ось которой эксцентрично смещена на 5-25 мм относительно продольной оси вала. Цапфа 46 имеет сквозное сверление 47, которое гидравлически сообщает через сверление 37 вала 35 подпоршневую полость лубрикатора 38 с пространством, располагающимся вне цапфы 46 и гайки-водила 42.

На эксцентричной цапфе 46 с помощью радиально-упорных подшипников 48 фиксируется с возможностью вращения внутреннее зубчатое колесо 49, которое находится в одностороннем внутреннем зацеплении с большим зубчатым колесом 27, неподвижно зафиксированным в фальш-корпусе 33. Внутреннее зубчатое колесо 49 на своем нижнем торце имеет выполненную с ним как одно целое (из одной кованой заготовки) кулачковую полумуфту Ольдгейма 50, которая позволяет передавать вращающий момент при гарантированной несоосности двух вращающихся валов.

На ведомом валу 36 с помощью гайки-полумуфты Ольдгейма 51 сжаты и неподвижно зафиксированы: роторные элементы - втулки 13 одной-двух радиальных опор; роторные элементы 45 одного-двух радиально-упорных подшипников; проставочные втулки 43; роторный диск 44 статорного элемента 25 торцового уплотнения. В нижней части ведомого вала 36 на резьбе крепится шлицевая (квадратная или шестигранная) муфта 52. Вал 36 имеет сквозное сверление 53. Муфта 52 имеет сквозное сверление 54, в нижнем конце которого установлен нагнетательный клапан 55. Клапан 55 через сверление 54 в муфте 52, через сверление 53 в валу 36 и через сверление 37 в валу 35 гидравлически связан с подпоршневой полостью лубрикатора 38.

В корпусе 56 шпинделя (нижняя опорная секция) турбобура-редуктора с помощью ниппельной гайки 57 сжаты с большим осевым усилием и неподвижно зафиксированы: упорно-регулировочная втулка 3; набор обрезиненных по осевой внутренней поверхности стальных втулок 58 общей длиной 1,5-2 м, которые с одной стороны представляют собой наборный статор щелевого дроссельного уплотнения полого вала 59 шпинделя, с другой стороны они представляют собой статорный элемент длинной радиальной опоры вала 59; от одной до пятнадцати статорных обойм 60 шаровой пяты шпинделя и их статорные проставочные кольца 61.

На валу 59 с помощью шлицевой (квадратной или шестигранной) гайки-муфты 62 крепятся: набор цементированных по своей наружной поверхности и закаленных на твердость 57-62 HRC стальных втулок 63, которые представляют собой наборный ротор щелевого дроссельного уплотнения вала 59 и одновременно роторный элемент радиальной опоры вала 59; роторные обоймы 64 (от 2 до 16) шаровой пяты шпинделя и их проставочные кольца 65.

В отличие от обычных радиальных опор шпинделей, которые имеют на внутренней поверхности статорных втулок относительно тонкий слой привулканизированной резины, толщина которой не превышает 6% от диаметра центрируемого вала, притом, что на ее внутренней поверхности имеются от четырех до двадцати промывочных канавок, а также большой гарантированный посадочный зазор на соответствующие им статорные втулки - от 0,3 до 0,7 мм, втулки 58 шпинделя выполняются иначе.

На внутренней поверхности их резиновых обкладок нет промывочных канавок, при этом толщина слоя привулканизированной резины укладывается в пределы диапазона значений от 10 до 20% от диаметра центрируемого вала (в зависимости от диаметрального габарита трубобура).

Такая толщина резиновой обкладки позволяет посадить статорные втулки 58 на соответствующие им роторные втулки 63 с натягом до 0,1 мм и с зазором не более 0,1 мм.

При этом в собранном в цеху шпинделе вал 59 можно провернуть, только приложив к нему вращающий момент порядка 1000 Нм.

Однако при опробовании турбобура на буровой при перепаде давлений в соплах долот в 3-7 МПа потери вращающего момента в щелевом дроссельном уплотнении практически отсутствуют, а утечки раствора через дроссельное уплотнение не превышают двух литров в секунду.

В гайке-муфте 62 имеются окна 66, которые гидравлически сообщают внутреннюю полость вала 59 с пространством, расположенным вне вала 59 и гайки-муфты 62.

С помощью упорно-регулировочной втулки 3 "утопание" торца гайки-муфты 62 относительно верхнего упорного торца корпуса 56 регулируется таким образом, чтобы при креплении корпуса 56 шпинделя к корпусу 23 средней - редукторной секции осевая нагрузка на вал 59 шпинделя не передавалась на роторные элементы 45 радиально-упорных подшипников средней - редукторной секции.

Работа турбобура-редуктора
Три секции турбобура-редуктора: верхняя - турбинная, средняя - редукторная, нижняя - шпиндель, каждая из которых, как правило, имеет длину примерно 3,5 м, одновременно или отдельно друг от друга доставляются бортовой машиной на буровую.

Сборка турбобура в единый агрегат начинается на роторном столе буровой установки. К валу 59 шпинделя, удерживаемого над роторным столом с помощью талей и транспортного корпусного переводника, крепится долото. После этого шпиндель частично опускается под ротор и верхняя часть его корпуса 56 закрепляется в клиновом захвате роторного стола. Транспортный переводник открепляется от корпуса 56 шпинделя и закрепляется на корпусе 23 лежащей на мостках буровой средней - редукторной секции. Элеватор талей буровой заводится на "шею" транспортного переводника, редукторная секция поднимается над роторным столом и крепится своим двухниппельным переводником 2 к корпусу 56 шпинделя. При этом происходит скользящее смыкание муфт 52 редукторной секции и гайки-муфты 62 шпинделя.

Перед закреплением редукторной секции на корпусе 56 шпинделя следует (если это не было сделано в турбинном цеху или, если это было сделано более чем 10 дней тому назад) через клапан 55 муфты 52 закачать во внутренние системы редукторной секции и в подпоршневую полость лубрикатора 38 масло цилиндровое 38 или 52.

Вышеописанным способом к корпусу 23 редукторной секции крепится ниппельный переводник 2 корпуса 1 верхней турбинной секции. При этом происходит скользящее смыкание муфт 18 и 40.

На корпусе 1 закрепляется первая (нижняя) труба, или свеча бурильной колонны, и начинается спуск всей компоновки бурильного инструмента в ствол скважины.

При спуске инструмента бурильная колонна через гидромониторные сопла долота, внутреннюю полость вала 59 шпинделя, через окна 66 гайки-муфты 62, через окна 10 фонарей 24 редукторной секции, через кольцевой пространство между внутренней поверхностью корпуса 23 и наружной поверхностью фальш-корпуса 33, через отверстия 10 фонарей 6 турбинной секции, через роторные ступени давления 17 турбины и ее статорные ступени давления 9 заполняется буровым раствором. Раствор, проникая через скользящие сочленения муфт 18 и 40 и далее через сверление 41, попадает в надпоршневую полость лубрикатора 38. При этом поршень 39 выравнивает давления в надпоршневой и подпоршневой (масляной) полости лубрикатора 38, то есть во всех внутренних маслозаполненных системах редукторной секции.

После доведения инструмента до положения "8 - 10 метров над старым забоем" спуск инструмента прекращают; наворачивают на последнюю - верхнюю трубу ведущий квадрат; включают насосы и турбобур-редуктор, трансформируя в турбине энергию потока бурового раствора в механические параметры мощности: частоту вращения и вращающий момент, реализуемый на долоте, начинает работать.

При этом роторные ступени давления турбины турбобура вращают вал 11 верхней турбинной секции влево (направление левого винта). Планетарная зубчатая передача (большое (статорное) зубчатое колесо 27 и внутреннее (роторное) зубчатое колесо 49 редукторной секции) преобразует вращение ведущего вала 35 в "правильное" - правое вращение ведомого вала 36 и связанного с ним вала 59 шпинделя с закрепленным на его нижнем конце долотом.

Благодаря муфте Ольдгейма, передающей вращающий момент с зубчатого колеса 49 на ведомый вал 36, удается снизить частоту вращения ведомого вала 36 с соответствующим наращиванием вращающего момента в 8-10 раз. Сам процесс бурения забоя скважины отличается по своей технологической специфике от того, что имеет место при использовании героторных винтовых двигателей только тем, что осуществляется при существенно более низких перепадах давлений на рабочих органах и обеспечивает более высокие показатели работы долот.

Изобретение относится к области горного дела, в частности к техническим средствам для бурения нефтяных и газовых скважин, а конкретно к забойным буровым двигателям. Турбобур-редуктор, содержащий три независимые, выполненные с возможностью скрепления между собой секции: нижнюю - шпиндельную, среднюю - редукторную и верхнюю - турбинную, выполнен таким образом, что ведущий и ведомый валы редукторной секции зафиксированы в радиальном и осевом положениях в имеющем фонари фальш-корпусе с помощью роторных элементов радиальных опор и радиально-упорных подшипников, зафиксированных в свою очередь в корпусе редукторной секции двухниппельным переводником, причем ведущий вал имеет гайку-водило, на эксцентричной цапфе которой закреплено внутреннее зубчатое колесо, которое связано с ведомым валом с помощью кулачковой муфты Ольдгейма, а уплотнение вала шпиндельной секции выполнено дроссельным, при этом статорные элементы дроссельного уплотнения вала шпинделя, статорные обоймы пяты и их проставочные кольца зафиксированы в корпусе шпиндельной секции с помощью ниппельной гайки, а на валу шпинделя с помощью гайки-муфты зафиксированы роторные втулки дроссельного уплотнения вала, роторные обоймы пяты и их проставочные кольца, причем хорда профиля лопаток статорных ступеней давления турбины турбинной секции имеет направление левого винта, а хорда профиля лопаток роторных ступеней - направление правого винта. Изобретение обеспечивает повышение эффективности и долговечности использования турбобура-редуктора. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Турбобур-редуктор, включающий три независимые, выполненные с возможностью скрепления между собой секции: нижнюю - шпиндельную, в корпусе которой установлено уплотнение вала шпинделя, на котором с помощью гайки-муфты зафиксированы элементы уплотнения и роторные элементы радиальной опоры вала, среднюю - редукторную секцию, в корпусе которой с помощью двухниппельного переводника зафиксирован фальш-корпус, в котором с возможностью взаимного вращения установлены два вала - ведомый и ведущий, на котором закреплено внутреннее зубчатое колесо, находящееся в одностороннем зацеплении с большим зубчатым колесом, неподвижно зафиксированным в фальш-корпусе, верхнюю - турбинную секцию, в корпусе которой с помощью двухниппельного переводника неподвижно зафиксированы статорные элементы радиальных опор, статорные ступени давления турбины, статорные обоймы пяты и их проставочные кольца, а на валу с помощью гайки неподвижно зафиксированы роторные элементы радиальных опор, роторные ступени давления турбины, роторные обоймы осевой пяты и их проставочные кольца, отличающийся тем, что хорда профиля лопаток статорных ступеней давления турбины имеет направление левого винта, а хорда профиля лопаток роторных ступеней давления турбины имеет направление правого винта, при этом ведущий и ведомый валы редукторной секции зафиксированы в радиальном и осевом положениях в имеющем фонари фальш-корпусе с помощью роторных элементов радиальных опор и радиально-упорных подшипников, зафиксированных в свою очередь в корпусе редукторной секции двухниппельным переводником, причем ведущий вал имеет гайку-водило, на эксцентричной цапфе которой с помощью подшипников закреплено внутреннее зубчатое колесо, которое связано с ведомым валом редукторной секции с помощью кулачковой муфты Ольдгейма, а уплотнение вала шпинделя выполнено дроссельным, при этом статорные элементы дроссельного уплотнения вала, статорные обоймы пяты и их проставочные кольца зафиксированы в корпусе шпиндельной секции с помощью ниппельной гайки, а на валу шпинделя с помощью гайки-муфты зафиксированы роторные втулки дроссельного уплотнения вала, роторные обоймы пяты и их проставочные кольца. 2. Турбобур-редуктор по п.1, отличающийся тем, что к верхней части ведущего вала редукторной секции на резьбе крепится поршневой масляный лубрикатор, к верхней части корпуса которого на резьбе крепится шлицевая, квадратная или шестигранная муфта, имеющая сквозное сверление, гидравлически соединяющее надмуфтовое пространство с надпоршневой полостью лубрикатора. 3. Турбобур-редуктор по п.1, отличающийся тем, что ведущий и ведомый валы редукторной секции, гайка-водило ведущего вала и ее эксцентричная цапфа, а также гайка-полумуфта Ольдгейма ведомого вала имеют сквозные сверления, гидравлически сообщающие рабочую полость редукторной секции с подпоршневой полостью масляного лубрикатора, а на конце ведомого вала закреплена шлицевая, квадратная или шестигранная муфта со сквозным сверлением, в котором закреплен нагнетательный клапан. 4. Турбобур-редуктор по п.1, отличающийся тем, что дроссельное уплотнение вала его шпинделя представляет собой набор обрезиненных по своей внутренней поверхности статорных стальных втулок общей длиной 1,5-2 м, зафиксированных в корпусе шпинделя с помощью ниппельной гайки, а роторный элемент дроссельного уплотнения выполняется в виде набора стальных втулок той же длины, наружная поверхность которых зацементирована и закалена на твердость 57. ..62 единицы Роквелла, зафиксированных на его валу с помощью шлицевой, квадратной или шестигранной муфты, при этом толщина резиновой обкладки внутренней поверхности каждой статорной втулки укладывается в пределы диапазона значений от 10 до 20% диаметра центрируемого вала, а посадочный допуск на соответствующую роторную втулку обеспечивает натяг до 0,1 мм и зазор не менее чем 0,1 мм.