ТУРБИННАЯ СЕКЦИЯ ТУРБОБУРА Российский патент 2004 года по МПК E21B4/02 F03B13/02 

Изобретение относится к области бурения скважины, в частности, к забойным двигателям.

Известна турбинная секция, включающая корпус с размещенными в нем турбинами статора и радиально-упорными подшипниками скольжения, турбины ротора, установленные на подвижном относительно их ступиц профильном валу [1].

К недостаткам известного устройства относится то, что на профильном валу и ступицах турбин ротора выполнена одна лыска, которая не может обеспечить удовлетворительное центрирование турбин ротора даже при небольшом зазоре между их ступицами и профильным валом. Но при малом зазоре в процессе бурения и хранения вследствие ржавления стального вала и попадания в зазор множества мелких твердых частиц из бурового раствора происходит заклинивание турбин ротора на профильном валу, который теряет подвижность. Секция становится непригодной к эксплуатации, затрудняется ее разборка, и увеличиваются затраты на техническое обслуживание.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является турбинная секция турбобура, включающая корпус с размещенными в нем пакетами турбин статора, пакеты турбин ротора с радиально-упорными подшипниками скольжения на подвижном относительно их ступиц профильном валу [2], которая принята за прототип.

К недостаткам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известной турбинной секции профильный вал выполнен шестигранным, который может обеспечить удовлетворительное центрирование ступиц турбин ротора и радиально-упорных подшипников скольжения только при небольшом зазоре между ними и профильным валом. Но при малом зазоре зачастую происходит выход секции из строя из-за заклинивания турбин ротора на профильном валу, затрудняется ее разборка и увеличиваются затраты на техническое обслуживание. При увеличении зазора до значений, предотвращающих заклинивание, усиливается смещение турбин ротора на профильном валу, вследствие чего требуется увеличивать радиальные зазоры между турбинами ротора и статора, через которые увеличиваются “паразитные” утечки раствора мимо лопаточного аппарата турбин, то есть растут объемные гидравлические потери, снижается эффективность работы устройства.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение эффективности функционирования устройства.

Технический результат осуществления изобретения заключается в повышении коэффициента полезного действия, надежности и долговечности работы турбинной секции, снижении затрат на ее техническое обслуживание.

Указанный результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в данной турбинной секции, включающей корпус с размещенными в нем пакетами турбин статора, пакеты турбин ротора с радиально-упорными подшипниками скольжения на подвижном относительно их ступиц профильном валу, особенностью изобретения является то, что последний выполнен в виде цилиндрического вала, на котором образованы расположенные под углом 120° друг к другу в поперечном сечении три центрирующие лыски с возможностью зацепления с центрирующими лысками, образованными в ступицах турбин ротора и радиально-упорных подшипников скольжения, при этом ширина лысок определяется из соотношений:

- для профильного вала

- для ступиц

где k - коэффициент, выбираемый в интервале 1,6-2;

d - диаметр профильного вала;

Δ - зазор по диаметру между профильным валом и ступицами.

Кроме того, особенность турбинной секции состоит в том, что содержит упругие уплотнительные элементы, выполненные, например, из резины в виде тороидальных колец или полуколец и размещенные на профильном валу между ступицами радиально-упорных подшипников скольжения и верхних турбин ротора в каждом пакете.

Указанный технический результат, в частности повышение коэффициента полезного действия турбинной секции, достигается путем снижения объемных гидравлических потерь вследствие уменьшения радиальных зазоров между турбинами статора и ротора за счет точного центрирования последних на профильном валу по трем выполненным в них центрирующим лыскам.

Повышение надежности и долговечности работы, сокращение затрат на техническое обслуживание секции достигается за счет предупреждения заклинивания турбин ротора на профильном валу и сохранения его подвижности в процессе бурения и хранения секции путем увеличения зазора между профильным валом и ступицами турбин ротора до значений, предотвращающих заклинивание.

Все признаки независимого пункта формулы изобретения являются существенными, то есть необходимыми для обеспечения технического результата.

Остальные признаки являются частью существенными, необходимыми для реализации частного решения конструкции устройства.

Так, размещение упругих уплотнительных элементов, выполненных, например, из резины в виде тороидальных колец или полуколец, на профильном валу между ступицами радиально-упорных подшипников скольжения и верхних турбин ротора в каждом пакете позволяет за счет упругого торцевого поджатия всех турбин ротора в пакете, перекрытия зазора между турбинами ротора и профильным валом предотвратить течение бурового раствора по зазору, образование ржавчины и отложений частиц твердой фазы в нем, тем самым сохранить подвижность профильного вала, повысить надежность и долговечность работы, сократить затраты на техническое обслуживание турбинной секции.

В связи с тем, что из данной области техники не известна совокупность признаков, характеризующих предложенное изобретение, позволяет сделать вывод о том, что заявленное изобретение отвечает условию “новизна”.

Из вышеизложенного следует, что изобретение отвечает и условию “изобретательский уровень”, так как не является очевидным для специалистов в данной отрасли промышленности.

На чертежах представлено: на фиг.1 изображена турбинная секция турбобура; на фиг.2 - поперечное сечение профильного вала со ступицей турбины ротора в статическом положении; на фиг.3 - поперечное сечение профильного вала со ступицей турбины ротора в рабочем положении.

Турбинная секция состоит из корпуса 1 с размещенными в нем пакетами турбин статора 2, пакетов турбин ротора 3 и радиально-упорных подшипников скольжения 4, размещенных на подвижном относительно их ступиц 5 и 6 профильном валу 7, который выполнен цилиндрическим с тремя центрирующими лысками 8, в зацеплении с которыми входят центрирующие лыски 9, образованные в ступицах турбин ротора и радиально-упорных подшипников скольжения.

В турбинной секции могут быть установлены на профильном валу между ступицами радиально-упорных подшипников скольжения и верхних турбин ротора в каждом пакете упругие уплотнительные элементы 10, выполненные, например, из резины в виде тороидальных колец или полуколец.

Турбинная секция работает следующим образом. При прокачивании бурового раствора через нее турбины ротора 3 начинают вращаться относительно турбин статора 2, закрепленных в корпусе 1, вследствие чего ступицы 5 турбин ротора поворачиваются относительно профильного вала 7, сцепляются своими центрирующими лысками 9 с центрирующими лысками 8 профильного вала и центрируются на нем (фиг.3). Профильный вал начинает вращаться, поворачивается относительно ступиц 6 радиально-упорных подшипников скольжения 4, сцепляется своими центрирующими лысками с центрирующими лысками ступиц 6 и центрируется в радиально-упорных подшипниках скольжения. Вращение от профильного вала передается долоту.

При использовании в конструкции турбинной секции упругих уплотнительных элементов 10, установленных на профильном валу между ступицами радиально-упорных подшипников скольжения и верхних турбин ротора в каждом пакете (фиг.1), предотвращаются перетоки бурового раствора через зазоры между ступицами турбин ротора и профильным валом, а также накопление в зазорах осадка твердой фазы. Кроме того, при спуске секции в скважину на колонне бурильных труб и заполнении последних через секцию скважинной жидкостью, содержащей частицы разбуренной породы, а также при возникновении продольных перемещений вала, вызванных осевыми колебаниями долота, упругие уплотнительные элементы предотвращают возникновение разъемов между ступицами турбин на профильном валу, попадание через них твердой фазы в зазоры между ступицами турбин ротора и профильным валом. Тем самым сохраняется подвижность вала относительно пакета турбин ротора и радиально-упорных подшипников скольжения.

Таким образом, средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в области бурения скважин, а именно в забойных двигателях, в частности, в турбобурах. Для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью известных средств. Устройство, воплощающее заявленное изобретение, способно обеспечить достижение указанного выше технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “промышленная применимость”.

Источники информации

1. А.с. SU № 137075, кл. Е 21 В 4/00, 1960.

2. А.с. SU № 1550068, кл. Е 21 В 4/00, 1987 (прототип).

Изобретение относится к области бурения скважины, в частности, к забойным двигателям. Турбинная секция включает корпус с размещенными в нем пакетами турбин статора, пакеты турбин ротора с радиально-упорными подшипниками скольжения на подвижном относительно их ступиц профильном валу, выполненном в виде цилиндрического вала, на котором образованы расположенные под углом 120° друг к другу в поперечном сечении три центрирующие лыски с возможностью зацепления с центрирующими лысками, образованными в ступицах турбин ротора и радиально-упорных подшипников скольжения. Ширина центрирующих лысок определяется из соотношений: для профильного вала - для ступиц - где k – коэффициент, выбираемый в интервале 1,6 – 2; d – диаметр профильного вала; - зазор по диаметру между профильным валом и ступицами. Изобретение обеспечивает повышение коэффициента полезного действия, надежности и долговечности работы турбинной секции, снижение затрат на ее техническое обслуживание. 3 ил.

1. Турбинная секция турбобура, включающая корпус с размещенными в нем пакетами турбин статора, пакеты турбин ротора с радиально-упорными подшипниками скольжения на подвижном относительно их ступиц профильном валу, отличающаяся тем, что последний выполнен в виде цилиндрического вала, на котором образованы расположенные под углом 120° друг к другу в поперечном сечении три центрирующие лыски с возможностью зацепления с центрирующими лысками, образованными в ступицах турбин ротора и радиально-упорных подшипников скольжения, при этом ширина центрирующих лысок определяется из соотношений

для профильного вала

для ступиц

где k - коэффициент, выбираемый в интервале 1,6 - 2;

d - диаметр профильного вала;

Δ - зазор по диаметру между профильным валом и ступицами.