ВИНТОВОЙ ГЕРОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ТУРБИННЫМ АКТИВАТОРОМ Российский патент 2003 года по МПК E21B4/02 F03B13/02 

Настоящее изобретение относится к техническим средствам, которые используются для бурения нефтяных и газовых скважин,и в более узком их подразделении - к гидравлическим забойным двигателям, которые приводят во вращение шарошечные долота, разрушающие забои стволов бурящихся скважин.

Дальним аналогом изобретения является турбовинтовой двигатель, подробно описанный на с.47...49 источника: "Винтовые забойные двигатели" - справочное пособие, авторы Д.Ф. Балденко, Ф.Д. Балденко, А.Н. Гноевых, М., Недра, 1999 г.

Однако конструкция этого двигателя обладает рядом очень существенных недостатков, делающих его неконкурентоспособным по сравнению с обычным многозаходным винтовым героторным двигателем при бурении наклонно направленных скважин.

Главным его недостатком является слишком большой осевой габарит (как правило, от 19,5 до 26 м). При таком осевом габарите двигателя точка замера кривизны и азимутального направления ствола бурящейся наклонной скважины отдалена от поверхности углубляемого забоя на расстояние от 20 до 40 м.

Такие большие "неизмеряемые" расстояния лишают буровиков возможности точно позиционировать пространственное положение компоновки низа бурильной колонны в массиве горной породы.

Из-за этого почти 40% всех наклонно направленных скважин в нашей стране не попадают в круговую мишень, диаметр которой, как правило, превышает 50 м. Для того чтобы поднять точность буровой навигации, двигатель должен быть, возможно, более коротким.

Ближайшим аналогом изобретения является "Гидравлический забойный двигатель" по А.С.СССР 1.601.307, кл. Е 21 В 4/02, 1990 г.; БИ 39 от 23.10.90 г.

В этом авторском свидетельстве описан гидравлический забойный двигатель, состоящий из двух двигательных групп рабочих органов различной быстроходности (то есть собственно винтовой героторной рабочей пары - тихоходный элемент конструкции, и турбины - быстроходной элемент конструкции).

Причем героторная рабочая пара монтируется в собственном корпусе, а турбина - в своем корпусе. При этом ротор героторной пары соединяется с валом, на котором монтируются роторные ступени давления турбины с помощью специального соединительного узла - вспомогательного вала - торсиона. Такое исполнение двигателя также требует увеличения его осевых габаритов.

Для получения приемлемых значений вращающих моментов длина таких двигателей не может быть меньше 20-25 м, что противоречит требованиям наклонно направленного бурения. Чрезмерно высокие перепады давлений в турбинах с низким КПД, работающих при частотах вращения 100-200 об/мин, делают невозможным использование гидромониторных шарошечных долот с перепадом давлений в сопловых насадках более чем 3 МПа (вместо требуемых 7-10 МПа).

Поэтому в зарубежной практике бурения от использования таких двигателей отказались.

Изобретение позволяет эффективно реализовать концепцию создания короткого забойного двигателя с большим запасом вращающего момента на его валу и высоким моторесурсом при относительно невысоком перепаде давлений на его рабочих органах.

Сущность изобретения заключается в создании многозаходного винтового двигателя, включающего в свой состав: шпиндель, содержащий шаровую пяту, радиальные опоры и дисковое лабиринтное дроссельное уплотнение и рабочую секцию, содержащую винтовую героторную пару и до шестидесяти статорных и роторных ступеней давления турбины-активатора героторной пары.

Роторные ступени давления турбины-активатора неподвижно зафиксированы на валу рабочей секции совместно с ротором винтовой героторной пары с помощью роторной гайки, а статорные ступени давления турбины-активатора неподвижно зафиксированы в корпусе рабочей секции совместно со статором винтовой героторной пары с помощью нижнего соединительного переводника.

В корпусе рабочей секции размещается (неподвижно зафиксированы) от 4 до 6 статорных амортизаторов-ограничителей поперечных колебаний вала рабочей секции.

Зазоры между лопаточными ободами статорных ступеней давления турбины и соответствующими им ступицами роторных ступеней давления турбины закрываются радиально-торцовыми пластинчатыми резинометаллическими уплотнениями.

Зазоры между концами лопаток каждой роторной ступени давления турбины и соответствующими им ступицами статорных ступеней давления турбины закрываются радиусным округлением, либо конфузорным сжатием каждой выше располагающейся статорной ступени давления турбины со стороны ее наибольшего смоченного периметра.

Хорда профиля лопаток статора располагается под углом от 35 до 55^o к плоскости, перпендикулярной его продольной оси, в то же время хорда профиля лопаток роторных ступеней давления турбины имеет угол наклона от 60 до 90^o к плоскости, перпендикулярной их продольной оси, а предпочтительное направление наклона хорды профиля - правый винт.

На фиг. 1 изображена верхняя часть рабочей секции винтового героторного двигателя с турбинным активатором.

На фиг.2 изображено соединение нижней части рабочей секции со шпинделем винтового героторного двигателя с турбинным активатором.

На фиг.3 изображена нижняя часть шпинделя винтового героторного двигателя с турбинным активатором.

На фиг. 4 изображены статорная и роторная ступени давления турбины-активатора.

На фиг.5 изображена отаторная ступень давления турбины-активатора.

На фиг.6 изображена роторная ступень давления турбины-активатора.

С помощью верхнего соединительного переводника 1 корпус 2 рабочей секции двигателя крепится к колонне бурильных труб. С помощью нижнего соединительного переводника 3 в корпусе 2 за счет осевого усилия сжатия неподвижно фиксируются: верхнее статорное регулировочное кольцо 4; обрезиненный винтовой статор 5 героторной рабочей пары; статорные ступени давления 6 турбины; 4-6 статорных амортизаторов-ограничителей 7 поперечных колебаний вала 8; нижнее статорное регулировочное кольцо 9.

На валу 8 рабочей секции двигателя с помощью роторной гайки 10 за счет осевого усилия сжатия неподвижно зафиксированы: роторная распорная втулка 11; винтовой ротор 12 героторной рабочей пары; роторные ступени давления 13 турбины; роторные втулки 14 статорных амортизаторов-ограничителей 7; упор 15 вала 8.

Винтовой ротор 12 собирается в винтовой статор 5 героторной рабочей пары с расчетным эксцентриситетом е.

В отличие от винтовых рабочих пар многозаходных героторных двигателей, для которых угол подъема винтовых линий выбирается в пределах диапазона значений от 60 до 75^o по отношению к плоскости, перпендикулярной оси ротора (исходя из условия необходимости обеспечения самозапуска двигателя), угол подъема винтовых линий ротора 12 и статора 5 выбирается в пределах диапазона значений от 30 до 60^o.

То есть рабочая пара проектируется заведомо несамозапускающейся, что позволяет на одном погонном метре ее рабочего органа разместить кратно большее число шагов.

Статорные амортизаторы-ограничители 7 на своей внутренней поверхности имеют толстую и мягкую резиновую обкладку 16. Верхняя роторная втулка 14 статорного амортизатора-ограничителя 7 вставляется в него с диаметральным зазором, равным 2е. Следующие за ней (по порядку сверху-вниз) роторные втулки 14 вставляются в соответствующие им статорные амортизаторы-ограничители 7 со все более уменьшающимся зазором. То есть наружный диаметр втулок 14 увеличивается в порядке от верхней до последней.

Последние одна-две втулки 14 вставляются в соответствующие им статорные амортизаторы-ограничители 7 с гарантированным зазором от 0,3 до 0,5 мм.

Статорные амортизаторы-ограничители 7 располагаются в корпусе 2 рабочей секции через каждые 10 -15 статорных ступеней давления 6 турбины.

Каждая статорная ступень давления 6 турбины монтируется относительно роторной ступени давления 13 таким образом, чтобы обеспечивалось необходимое распределение радиальных зазоров между лопаточным ободом 17 статорной ступени давления 6 и роторной ступицей 18 роторной ступени давления 13, что и достигается с помощью статорных амортизаторов-ограничителей 7 и их роторных втулок 14.

При опоре верхней роторной втулки 14 на соответствующий ей статорный амортизатор-ограничитель 7 минимальный гарантированный зазор δ между лопаточным ободом 17 верхней статорной ступени давления 6 турбины и роторной ступицей 18 верхней роторной ступени давления 13 турбины составляет 1 мм; максимальный гарантированный зазор σ равен 2е.

Соответственно минимальный гарантированный зазор δ между концами лопаток верхней роторной ступени давления 13 и соответствующей им ступицей 20 статорной ступени давления 6 составляет 1 мм; максимальный - 2е. При установке в рабочей секции двигателя 40...60 ступеней давления турбины с помощью все увеличивающегося наружного диаметра роторных втулок 14 максимальный гарантированный зазор в турбине последовательно уменьшается сверху-вниз, начиная с величины в 2е до е+0,5 мм. То есть нижние ступени давления ротора 13 и статора 6 турбины располагаются друг относительно друга практически коаксиально.

В каждой статорной ступени давления 6 турбины зазор между лопаточным ободом 17 и соответствующей ему роторной ступицей 16 закрыт с помощью радиально-торцового пластинчатого резинометаллического уплотнения 21, опирающегося на широкий верхний торец лопаточного обода 17. Зазор между концами 19 лопаток каждой роторной ступени давления 13 турбины и соответствующей им ступицы 20 cтаторной ступени давления 13 турбины закрыт гидравлическим затвором, который образован радиусным округлением 22, либо конфузорным сжатием статорной ступени давления 6 турбины со стороны ее наибольшего смоченного периметра, а также соответствующим пространственным положением лопаток турбины.

Лопатки 23 каждой статорной ступени давления 6 турбины имеют хорду профиля 24, которая располагается под острым углом α от 35 до 55^o к плоскости, перпендикулярной ее продольной оси. Направление хорды 24 - правый винт.

Лопатки 25 роторной ступени давления 13 турбины имеют хорду профиля 26, которая располагается под углом β к плоскости, перпендикулярной ее продольной оси.

При этом значение угла β укладывается в пределы диапазона от 90 до 60^o.

Направление хорды 26 может быть как правым, так и левым винтом, однако с точки зрения получения максимально возможного значения КПД при частотах вращения от 90 до 150 об/мин предпочтительно направление правого винта.

Такое исполнение ступеней давления 6 и 13 турбины-активатора позволяет генерировать на валу 8 необходимый вращающий момент для страгивания и запуска в работу самотормозящейся (в состоянии покоя) винтовой героторной пары (позиции 5 и 12).

На нижнем резьбовом конце вала 8 крепится полумуфта 27, которая опирается на гайку-полумуфту 28 полого вала 29 шпинделя двигателя. В полумуфте 28 имеются окна 30, которые гидравлически сообщают внутреннюю расточку-полость вала 29 с пространством внутри корпуса 2 рабочей секции двигателя, в котором размещаются винтовой статор 5 героторной пары и статорные ступени давления 6 турбины.

На валу 29 с помощью гайки-полумуфты 28 за счет осевого усилия сжатия неподвижно зафиксированы: две-четыре роторные втулки 31 статорных элементов 32 радиальных опор, смонтированных в корпусе 33 шпинделя; роторные диски 34 и их проставочные кольца 35 лабиринтного дроссельного уплотнения вала 29 шпинделя, роторные обоймы 36 шаровой пяты и их распорные проставочные кольца 37.

В корпусе 33 шпинделя двигателя с помощью соединительного переводника 38 и ниппеля 39 за счет осевого усилия сжатия неподвижно зафиксированы: статорные элементы 32 двух-четырех радиальных опор; обрезиненные статорные диски 40 и их проставочные кольца 41 лабиринтного дроссельного уплотнения; статорные обоймы 42 шаровой пяты и их распорные проставочные кольца 43.

РАБОТА ВИНТОВОГО ГЕРОТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ТУРБИННЫМ АКТИВАТОРОМ
На роторном столе буровой установки к нижнему резьбовому концу вала 29 шпинделя двигателя присоединяется буровое долото; к верхнему соединительному переводнику 1 рабочей секции крепится первая - нижняя свеча бурильной колонны и начинается спуск компоновки в ствол бурящейся скважины.

По мере увеличения глубины спуска за счет наращивания количества бурильных свеч бурильная колонна через сопла долота,внутреннюю полость вала 29, через окна 30 полумуфты 28, через ступени давления 13 и 6 турбины, через сопряженные линии контакта героторной винтовой пары (статора 5 и ротора 12) заполняется буровым раствором. Примерно в 10 м над "старым" забоем спуск инструмента прекращается, наворачивается на "голову" бурильной колонны ведущая труба-квадрат и запускаются в работу буровые насосы.

Глинистый раствор продавливается через линейные контактные уплотнения героторной винтовой пары и через ступени давления турбины, через окна 30 полумуфты 28 - во внутреннюю полость вала 29 и далее через сопла долота - в кольцевое пространство скважины.

При этом грязный раствор, насыщенный песком и шламом, попавший в бурильные трубы из ствола скважины, при своем обратном движении (режим продавки) составляет содержащиеся в нем кусочки шлама и песок в камерах винтовой героторной пары (детали 5 и 12). Песок и шлам, осевшие в межвинтовых камерах героторной пары в сочетании с относительно малым углом подъема винтовых выступов и впадин, закусывают и тормозят винтовой ротор 12 в его статоре 5. Для того чтобы героторная пара очистилась от песка и шлама и промылась чистым раствором, подаваемым буровыми насосами с поверхности (то есть раствором, прошедшим вибросита, гидроциклонную батарею и центрифугу), необходимо провернуть и завести ротор 12.

Эту функцию выполняют ступени давления 6 и 13 турбины-активатора двигателя, которые в силу своих конструктивных характеристик не забиваются и не шламуются грязным раствором.

При продавке раствора турбина-активатор расходует на себя относительно небольшой перепад давлений (в пределе 2 МПа).

После того как турбина-активатор раскрутит ротор 12 героторной пары, ее камеры очищаются от песка и шлама; коэффициент трения резко падает, а при попадании в двигатель чистого раствора героторная пара начинает нормально работать, генерируя основную часть вращающего момента на валу 29 шпинделя. Через 15-20 мин с момента запуска буровых насосов двигатель с долотом подводится к забою; долото нагружается осевой нагрузкой и начинается нормальный процесс бурения.

Изобретение относится к гидравлическим забойным двигателям, которые приводят во вращение шарошечные долота, разрушающие забои стволов бурящихся скважин. Изобретение позволяет эффективно реализовать концепцию создания короткого забойного двигателя с большим запасом вращающего момента на его валу и высоким моторесурсом при относительно невысоком перепаде давлений на его рабочих органах. Сущность изобретения заключается в создании многозаходного винтового двигателя, включающего в свой состав: шпиндель, содержащий шаровую пяту, радиальные опоры и дисковое лабиринтное дроссельное уплотнение и рабочую секцию, содержащую винтовую героторную пару и до шестидесяти статорных и роторных ступеней давления турбины-активатора героторной пары. Роторные ступени давления турбины-активатора неподвижно зафиксированы на валу рабочей секции совместно с ротором винтовой героторной пары с помощью роторной гайки, а статорные ступени давления турбины-активатора неподвижно зафиксированы в корпусе рабочей секции совместно со статором винтовой героторной пары с помощью нижнего соединительного переводника. В корпусе рабочей секции размещается (неподвижно зафиксированы) до 6 статорных амортизаторов-ограничителей поперечных колебаний вала рабочей секции. Зазоры между лопаточными ободами статорных ступеней давления турбины и соответствующими им ступицами роторных ступеней давления турбины закрываются радиально-торцовыми пластинчатыми резинометаллическими уплотнениями. Зазоры между концами лопаток каждой роторной ступени давления турбины и соответствующими им ступицами статорных ступеней давления турбины закрываются радиусным округлением либо конфузорным сжатием каждой выше располагающейся статорной ступени давления турбины со стороны ее наибольшего смоченного периметра. Хорда профиля лопаток статора располагается под углом от 35 до 55^o к плоскости, перпендикулярной его продольной оси, в то же время хорда профиля лопаток роторных ступеней давления турбины имеет угол наклона от 60 до 90^o к плоскости, перпендикулярной их продольной оси, а предпочтительное направление наклона хорды профиля - правый винт. 4 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Винтовой героторный двигатель с турбинным активатором, включающий в свой состав шпиндель, содержащий шаровую пяту, рабочую секцию, содержащую винтовую героторную пару, статорные и роторные ступени давления турбины, отличающийся тем, что он содержит до шестидесяти статорных и роторных ступеней давления турбины-активатора, при этом роторные ступени давления турбины-активатора неподвижно зафиксированы на валу рабочей секции совместно с ротором винтовой героторной пары с помощью роторной гайки, а статорные ступени давления турбины-активатора неподвижно зафиксированы в корпусе рабочей секции совместно со статором винтовой героторной пары с помощью нижнего соединительного переводника рабочей секции, при этом в корпусе рабочей секции размещается до шести статорных амортизаторов-ограничителей поперечных колебаний вала рабочей секции, а шпиндель содержит радиальные опоры полого вала и имеет дисковое лабиринтное дроссельное уплотнение. 2. Винтовой героторный двигатель с турбинным активатором по п.1, отличающийся тем, что зазоры между лопаточными ободами статорных ступеней давления турбины-активатора и соответствующими им ступицами роторных ступеней давления турбины-активатора закрыты радиально-торцовыми резинометаллическими уплотнениями. 3. Винтовой героторный двигатель с турбинным активатором по п.1, отличающийся тем, что зазоры между концами лопаток каждой роторной ступени давления турбины-активатора и соответствующими им ступицами статорных ступеней давления турбины-активатора закрыты радиусным cкруглением либо конфузорным сжатием каждой статорной ступени давления со стороны ее наибольшего смоченного периметра. 4. Винтовой героторный двигатель с турбинным активатором по п.1, отличающийся тем, что лопатки каждой статорной ступени давления турбины-активатора имеют хорду профиля, располагающуюся под углом от 35 до 55^o к плоскости, перпендикулярной ее продольной оси, направление хорды - правый винт. 5. Винтовой героторный двигатель с турбинным активатором по п.1, отличающийся тем, что лопатки каждой роторной ступени давления турбины-активатора имеют хорду профиля, которая располагается под углом от 60 до 90^o к плоскости, перпендикулярной ее продольной оси, направление хорды - правый винт.