РЕГУЛЯТОР УГЛА ПЕРЕКОСА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2012 года по МПК E21B4/02 E21B7/08 

Изобретение относится к устройствам для бурения изогнутых наклонно направленных нефтяных и газовых скважин, а именно к регуляторам угла перекоса гидравлических забойных турбинных двигателей (турбобуров).

Известен регулятор угла перекоса, состоящий из центрального трубчатого элемента и соединенных с ним трех несоосных между собой трубчатых элементов, каждый из которых имеет внутреннее сквозное отверстие, при этом внутренний трубчатый элемент расположен в центре между первым и вторым элементами, а первый и второй трубчатые элементы соединены с внутренним трубчатым элементом резьбами на обращенных друг к другу краях, при этом первый трубчатый элемент предназначен для соединения резьбой с корпусом забойного двигателя, а второй трубчатый элемент предназначен для соединения с корпусом шпинделя, в котором размещен вал с долотом для бурения скважины (US 5343966 A, 06.09.1994).

В известной конструкции центральный и внутренний трубчатые элементы соединены шлицевым соединением и предусматривают переустановку нового значения угла перекоса при подъеме колонны бурильных труб без разъединения с гидравлическим забойным двигателем.

Недостатком известного регулятора угла перекоса является неполная возможность его использования в гидравлических забойных турбинных двигателях (турбобурах) для бурения изогнутых наклонно направленных скважин, что объясняется ускоренным износом радиальных опор вала турбинного ротора твердыми абразивными частицами бурового раствора.

При бурении изогнутых наклонно направленных скважин, например, с углом отклонения 3° приводной (карданный) вал, расположенный под углом к оси вала турбинного ротора, создает дополнительные радиальные нагрузки на вал турбинного ротора, что способствует ускоренному абразивному износу радиальных опор вала турбинного ротора, не обеспечивает требуемого межремонтного ресурса, например не менее 150 часов (непрерывной циркуляции бурового раствора), и надежности гидравлического забойного турбинного двигателя.

Другим недостатком известной конструкции является то, что она имеет две точки перекоса и три несовпадающие центральные продольные оси элементов, определяющих угол искривления, и, как следствие, две плоскости искривления, при этом регулятор искривляется в двух плоскостях, результирующий угол искривления имеет сложную пространственную форму, что усложняет его точное вычисление.

Кроме того, при использовании известной конструкции в прямом варианте, с нулевым углом перекоса, шпиндельная и двигательная секции гидромашины имеют параллельные, несоосные между собой центральные продольные оси. Это приводит к отклонению траектории скважины при бурении прямых участков, а также не обеспечивает расчетной точности траектории бурения изогнутой наклонно направленной скважины.

Известен регулятор угла перекоса с устройством для управления положением плоскостей искривления героторного двигателя, содержащий кривой вал с наружными шлицами, муфту с торцовыми зубьями, верхний и кривой переводники, несоосно расположенные между собой, при этом муфта установлена на шлицах кривого вала, а верхний и кривой переводники соединены с кривым валом резьбами на обращенных друг к другу краях, причем оси резьб, выполненных на искривленных участках кривого вала и кривого переводника, пересекаются в одной точке на центральной оси кривого вала, имея одну плоскость искривления, при этом он содержит промежуточный вал с присоединительными резьбами и наружными шлицами, обойму с зубчатой насечкой на торце, установленную на наружных шлицах промежуточного вала, и соединительный переводник с зубчатой насечкой на верхнем торце, взаимодействующей с зубчатой насечкой обоймы, причем промежуточный вал скреплен резьбами с нижним краем кривого переводника и верхним краем соединительного переводника, кроме того, соединительный переводник установлен на промежуточном валу с возможностью окружного смещения относительно обоймы и скреплен резьбой с верхним краем статора героторного двигателя (RU 2358084 C1, 10.06.2009).

Недостатком известной конструкции является несовпадение точки пересечения 9 с поперечной плоскостью стыка торцовых зубьев 4 муфты 3 и торцовых зубьев 7 кривого переводника 6, где поз.9 - точка пересечения под углом α центральной оси 8 кривого вала 1 и оси искривленного участка кривого вала 1, показано на фиг.1.

При этом регулятор угла перекоса I и устройство III для управления положением плоскостей искривления героторного двигателя искривляются в двух плоскостях, результирующий угол искривления имеет сложную пространственную форму, что усложняет его точное вычисление при промежуточных дискретных установках угла перекоса.

Второй регулятор угла перекоса I или устройство III для управления положением плоскостей искривления героторного двигателя размещают обычно выше одной из секций забойного двигателя, что обеспечивает более простую регулировку величины угла перекоса или возможности отклонения, а также позволяет вращать двигатель в скважине во время прямого (роторного) бурения.

Недостатками известной конструкции являются также:

- увеличение, по существу, в два раза ее длины и вследствие этого увеличение длины карданного вала, а также невозможность размещения карданного вала внутри кривого вала 1 и промежуточного вала 10 при максимальных (до 3°) углах перекоса регулятора угла перекоса I и регулируемого отклоняющего устройства III вследствие задевания его за внутренние стенки кривого вала 1 и промежуточного вала 10;

- высокая стоимость работ по определению угла смещения плоскостей искривления регулятора угла перекоса I и регулируемого отклоняющего устройства III героторного двигателя с использованием продольных рисок 20 и 21 и переноса их на соответствующие продольные риски 22 и 23 регулятора угла перекоса I при подъеме из скважины вследствие необходимости проведения вышеуказанных работ механизированным ключом, содержащим устройство для предотвращения перезатяжки (overtorquing) чрезмерным крутящим моментом;

- ухудшение проходимости, т.е. повышение сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны за счет увеличения длины известной конструкции, по существу, регулятора и устройства для управления положением плоскостей искривления героторного двигателя при прохождении (с вращением колонны бурильных труб) через радиусные участки ствола скважины;

- недостаточные ресурс и надежность при максимальных (до 3°) углах перекоса регулятора угла перекоса I и регулируемого отклоняющего устройства III вследствие невозможности вращения колонны бурильных труб при прохождении через радиусные участки ствола наклонно направленной скважины, имеющие участки малого и среднего радиуса 30÷100 м, в условиях интенсивного трения по стволу скважины.

Другим недостатком известного регулятора угла перекоса является неполная возможность его использования в гидравлических забойных турбинных двигателях (турбобурах) для бурения изогнутых наклонно направленных скважин, что объясняется ускоренным износом радиальных опор вала турбинного ротора твердыми абразивными частицами бурового раствора.

При бурении изогнутых наклонно направленных скважин, например, с углом отклонения 3° приводной (карданный) вал, расположенный под углом к оси вала турбинного ротора, создает дополнительные радиальные нагрузки на вал турбинного ротора, что способствует ускоренному абразивному износу радиальных опор вала турбинного ротора, не обеспечивает требуемого межремонтного ресурса, например не менее 150 часов (непрерывной циркуляции бурового раствора), и надежности гидравлического забойного турбинного двигателя.

Известен шпиндель-отклонитель бурового забойного двигателя, содержащий полый корпус, вал, осевые и радиальные опоры, искривляющий переводник, узел соединения вала шпинделя с валом рабочего органа двигателя, включающий герметизированный сферический шарнир с осевой опорой, ведущая часть узла соединения связана с валом рабочего органа двигателя с возможностью передачи осевого усилия и крутящего момента, а ведомая часть узла соединения зафиксирована на валу шпинделя, при этом сферический шарнир образован обращенными друг к другу концами ведущей и ведомой частей узла соединения вала шпинделя с валом рабочего органа (RU 48569 U1, 27.10.2005).

В известной конструкции сферический шарнир размещен в полости, образованной внутри ведущей части узла соединения вала шпинделя с валом рабочего органа (турбинного привода) двигателя, при этом центр вращения сферического шарнира совмещен с секущей плоскостью перекоса.

Недостатком известного регулятора угла перекоса является неполная возможность его использования в гидравлических забойных турбинных двигателях (турбобурах) для бурения изогнутых наклонно направленных скважин, что объясняется ускоренным износом радиальных опор вала турбинного ротора твердыми абразивными частицами бурового раствора.

При бурении изогнутых наклонно направленных скважин, например, с углом отклонения 3° приводной (карданный) вал, расположенный под углом к оси вала турбинного ротора, создает дополнительные радиальные нагрузки на вал турбинного ротора, что способствует ускоренному абразивному износу радиальных опор вала турбинного ротора, не обеспечивает требуемого межремонтного ресурса, например не менее 150 часов (непрерывной циркуляции бурового раствора), и надежности гидравлического забойного турбинного двигателя.

Другим недостатком известной конструкции является необходимость переустановки нового изогнутого резьбового переводника с новым фиксированным значением угла перекоса при подъеме колонны бурильных труб, по существу, с разъединением резьбовых переводников между корпусами бурового забойного (турбинного) двигателя и шпинделя.

Известен гидравлический забойный (турбинный) двигатель, содержащий полый корпус, размещенный внутри него привод с ротором, а также шпиндель, установленный внутри корпуса шпинделя на осевой и радиальных опорах, снабженный долотом и соединенный приводным валом с ротором, причем корпуса двигателя и шпинделя соединены изогнутыми резьбовыми переводниками, а ротор и шпиндель соединены с приводным валом, снабженным ведущим и ведомым шарнирными узлами с осевыми опорами скольжения, посредством резьбовых переходников, при этом корпус шпинделя выполнен с поперечным разъемом между осевой и радиальной опорой со стороны долота, шпиндель выполнен с кольцевой канавкой в плоскости поперечного разъема корпуса шпинделя, в канавке установлено разъемное кольцо, диаметр которого превышает диаметр шпинделя, внутри корпуса шпинделя закреплены опорная втулка и кольцо-ловитель, а радиальная опора корпуса шпинделя со стороны долота выполнена в виде размещенной на съемной втулке и закрепленной внутри корпуса шпинделя упругоэластичной опоры скольжения, при этом расстояние между осевыми опорами приводного вала не превышает длины осевой опоры шпинделя (RU 2232859 C2, 20.07.2004).

Недостатком известного регулятора угла перекоса является неполная возможность его использования в гидравлических забойных турбинных двигателях (турбобурах) для бурения изогнутых наклонно направленных скважин, что объясняется ускоренным износом радиальных опор вала турбинного ротора твердыми абразивными частицами бурового раствора.

При бурении изогнутых наклонно направленных скважин, например, с углом отклонения 3° приводной (карданный) вал, расположенный под углом к оси вала турбинного ротора, создает дополнительные радиальные нагрузки на вал турбинного ротора, что способствует ускоренному абразивному износу радиальных опор вала турбинного ротора, не обеспечивает требуемого межремонтного ресурса, например не менее 150 часов (непрерывной циркуляции бурового раствора), и надежности гидравлического забойного турбинного двигателя.

Другим недостатком известной конструкции является необходимость переустановки нового изогнутого резьбового переводника с новым фиксированным значением угла перекоса при подъеме колонны бурильных труб, по существу, с разъединением резьбовых переводников между корпусами бурового забойного турбинного двигателя и шпинделя.

Наиболее близким к заявляемой конструкции является регулируемое отклоняющее устройство с концевыми присоединительными резьбами, состоящее из центрального вала с уплотнениями и с наружными резьбами, причем вал имеет искривленный участок под углом α, снаружи вала расположена с возможностью перемещения вдоль вала по шпонке или шлицам муфта, на одном из торцов которой выполнены торцевые зубья, на один конец вала навинчен прямой переводник, контактирующий с торцом муфты, а на другой конец вала навинчен кривой переводник, внутренняя резьба которого наклонена к его оси под углом α, кривой переводник установлен с возможностью взаимодействия своими торцовыми зубьями с торцом муфты, на котором расположены зубья, при этом центральный вал ориентирован искривленным участком к кривому переводнику таким образом, что центральные оси резьб кривого переводника и вала пересекаются в одной точке и имеют одну плоскость искривления (RU 2235181 C2, 27.08.2004).

Недостатком известного регулятора угла перекоса является неполная возможность его использования в гидравлических забойных турбинных двигателях (турбобурах) для бурения изогнутых наклонно направленных скважин, что объясняется ускоренным износом радиальных опор вала турбинного ротора твердыми абразивными частицами бурового раствора.

При бурении изогнутых наклонно направленных скважин, например, с углом отклонения 3° приводной (карданный) вал, расположенный под углом к оси вала турбинного ротора, создает дополнительные радиальные нагрузки на вал турбинного ротора, что способствует ускоренному абразивному износу радиальных опор вала турбинного ротора, не обеспечивает требуемого межремонтного ресурса, например не менее 150 часов (непрерывной циркуляции бурового раствора), и надежности гидравлического забойного турбинного двигателя.

В известной конструкции центральный вал 2 ориентирован искривленным участком к кривому переводнику 3 таким образом, что центральные оси резьб кривого переводника 3 и центрального вала 2 пересекаются в одной точке 8 и имеют одну плоскость искривления в одном положении, а именно при установке кривого переводника 3, внутренняя резьба которого наклонена к его оси под углом α₂, при этом вал 2 имеет искривленный участок под равным ему углом α₁, как показано на фиг.1.

При промежуточных дискретных установках угла перекоса, при несовпадающих между собой промежуточных значениях углов α₁ и α₂, определяемых расположением торцовых зубьев муфты 4 и торцовых зубьев кривого переводника 3, известное регулируемое отклоняющее устройство с концевыми присоединительными резьбами также имеет две точки искривления (перекоса) и три несовпадающие центральные продольные оси элементов, участвующих в задании угла искривления, и, как следствие, две плоскости искривления. В связи с тем что регулятор искривляется в двух плоскостях, результирующий угол искривления имеет сложную пространственную форму, что усложняет его точное вычисление.

Другой недостаток известной конструкции объясняется произвольным расположением вдоль центральной продольной оси точки пересечения 8 центральной продольной оси прямого переводника 7 и центральной продольной оси кривого переводника 3 относительно какого-либо базового торца, показано на фиг.1.

При этом регулируемое отклоняющее устройство искривляется в двух плоскостях искривления, результирующий угол искривления имеет неопределенную сложную пространственную форму, что усложняет его точное вычисление при промежуточных дискретных установках угла перекоса, при несовпадающих между собой промежуточных значениях углов α₁ и α₂.

Недостатком известной конструкции является, по существу, несовпадение точки пересечения 8 с поперечной плоскостью стыка торцовых зубьев муфты 4 и торцовых зубьев кривого переводника 3, где точка пересечения 8 центральной продольной оси прямого переводника 7 и центральной продольной оси кривого переводника 3, показано на фиг.1.

При этом регулируемое отклоняющее устройство искривляется в двух плоскостях искривления, результирующий угол искривления имеет неопределенную (без привязки системы координат к базовому торцу) сложную пространственную форму, что усложняет его точное вычисление при промежуточных дискретных установках угла перекоса, по существу, при несовпадающих между собой промежуточных значениях углов α₁ и α₂.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении ресурса и надежности гидравлического забойного турбинного двигателя при бурении изогнутых наклонно направленных скважин путем снижения реактивного воздействия долота в забое скважины через вал шпинделя и приводной (карданный) вал на радиальные опоры вала турбинного ротора за счет того, что внутри прямого переводника размещена собственная радиальная муфтовая опора, шлицевая муфта установлена с возможностью вращения и продольного перемещения в собственной радиальной муфтовой опоре, а центральные продольные оси прямого переводника, собственной радиальной муфтовой опоры, шлицевой муфты, а также вала турбинного ротора расположены соосно между собой.

Другая техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении точности установки углов перекоса регулятора, а также точности проводки скважины за счет того, что точка пересечения центральной продольной оси резьбовой части кривого переводника, предназначенной для соединения с корпусом шпинделя, и центральной продольной оси резьбовой части полого кривого вала, соединяющей его с прямым переводником, расположена в поперечной плоскости стыка торцовых зубьев зубчатой муфты и кривого переводника.

Сущность технического решения заключается в том, что регулятор угла перекоса гидравлического забойного двигателя, содержащий полый кривой вал с наружными шлицами и резьбами на его краях, зубчатую муфту с внутренними продольными шлицевыми пазами и зубьями на торце, установленную на наружных продольных шлицах полого кривого вала, прямой и кривой переводники, несоосно расположенные между собой, на торце кривого переводника выполнены зубья, входящие в зацепление с зубьями на торце зубчатой муфты, а прямой и кривой переводники соединены с полым кривым валом резьбами на обращенных друг к другу краях, согласно изобретению установлен между турбинной секцией, содержащей вал турбинного ротора со ступенями лопаток, размещенный внутри корпуса турбинной секции на радиальных опорах, и секцией шпинделя, содержащей вал шпинделя, размещенный внутри корпуса шпинделя на осевой и радиальных опорах, соединенных шлицевой муфтой и приводным валом, содержащим ведущий и ведомый шарнирные узлы, причем вал турбинного ротора соединен с ведущим шарнирным узлом приводного вала при помощи шлицевой муфты, а ведомый шарнирный узел приводного вала соединен с валом шпинделя, при этом внутри прямого переводника размещена собственная радиальная муфтовая опора, шлицевая муфта установлена с возможностью вращения и продольного перемещения в собственной радиальной муфтовой опоре, а центральные продольные оси прямого переводника, собственной радиальной муфтовой опоры, шлицевой муфты, а также вала турбинного ротора расположены соосно между собой.

Внутри прямого переводника выполнена цилиндрическая расточка, а собственная радиальная муфтовая опора размещена между двумя гильзами в цилиндрической расточке внутри прямого переводника, расположенной со стороны турбинной секции, и зафиксирована резьбовым переходником, скрепленным с корпусом турбинной секции.

Собственная радиальная муфтовая опора выполнена с рядом радиальных ребер, образующих продольные сквозные каналы для текучей среды, и идентична одной из радиальных опор для вала турбинного ротора.

Внутри собственной радиальной муфтовой опоры, а также внутри каждой из радиальных опор для вала турбинного ротора закреплена эластомерная втулка.

Ведущий шарнирный узел приводного вала содержит конусный хвостовик и шлицы, предназначенные для соединения с шлицевой муфтой, при этом конусный хвостовик ведущего шарнирного узла приводного вала расположен в плоскости эластомерной втулки в собственной радиальной муфтовой опоре на длине, равной диаметру шлицевой части конусного хвостовика.

Точка пересечения центральной продольной оси резьбовой части кривого переводника, предназначенного для соединения с корпусом шпинделя, и центральной продольной оси резьбовой части полого кривого вала, соединяющей его с прямым переводником, расположена в поперечной плоскости стыка торцовых зубьев зубчатой муфты и кривого переводника.

Выполнение регулятора угла перекоса гидравлического забойного турбинного двигателя таким образом, что он установлен между турбинной секцией, содержащей вал турбинного ротора со ступенями лопаток, размещенный внутри корпуса турбинной секции на радиальных опорах, и секцией шпинделя, содержащей вал шпинделя, размещенный внутри корпуса шпинделя на осевой и радиальных опорах, соединенных шлицевой муфтой и приводным валом, содержащим ведущий и ведомый шарнирные узлы, причем вал турбинного ротора соединен с ведущим шарнирным узлом приводного вала при помощи шлицевой муфты, а ведомый шарнирный узел приводного вала соединен с валом шпинделя, при этом внутри прямого переводника размещена собственная радиальная муфтовая опора, шлицевая муфта установлена с возможностью вращения и продольного перемещения в собственной радиальной муфтовой опоре, а центральные продольные оси прямого переводника, собственной радиальной муфтовой опоры, шлицевой муфты, а также вала турбинного ротора расположены соосно между собой, повышает межремонтный ресурс (циркуляции бурового раствора) и надежность гидравлического забойного турбинного двигателя при бурении изогнутых наклонно направленных скважин путем снижения реактивного воздействия долота в забое скважины через вал шпинделя и приводной (карданный) вал на радиальные опоры вала турбинного ротора.

Выполнение регулятора угла перекоса гидравлического забойного турбинного двигателя таким образом, что внутри прямого переводника выполнена цилиндрическая расточка, а собственная радиальная муфтовая опора размещена между двумя гильзами в цилиндрической расточке внутри прямого переводника, расположенной со стороны турбинной секции, и зафиксирована резьбовым переходником, скрепленным с корпусом турбинной секции, обеспечивает экономические преимущества вследствие того, что для собственной радиальной муфтовой опоры может быть использована одна из промежуточных радиальных опор вала турбинного ротора с рядом радиальных ребер, образующих продольные сквозные каналы для текучей среды (бурового раствора), при этом обеспечивается точное продольное расположение собственной радиальной муфтовой опоры относительно шлицевой муфты, скрепленной резьбой с выходной частью вала турбинного ротора.

Выполнение регулятора угла перекоса гидравлического забойного турбинного двигателя таким образом, что внутри собственной радиальной муфтовой опоры, а также внутри каждой из радиальных опор для вала турбинного ротора закреплена эластомерная втулка, обеспечивает упругое демпфирование реактивного воздействия долота в забое скважины через вал шпинделя и приводной (карданный) вал на радиальные опоры для вала турбинного ротора в процессе бурения, преимущественно при изменении реактивного воздействия долота в забое скважины, когда азимутальная составляющая усилия на долоте меняет знак, что дополнительно повышает ресурс и надежность гидравлического забойного турбинного двигателя.

Выполнение регулятора угла перекоса гидравлического забойного турбинного двигателя таким образом, что ведущий шарнирный узел приводного вала содержит конусный хвостовик и шлицы, предназначенные для соединения с шлицевой муфтой, при этом конусный хвостовик ведущего шарнирного узла приводного вала расположен в плоскости эластомерной втулки в собственной радиальной муфтовой опоре на длине, равной диаметру шлицевой части конусного хвостовика, уменьшает напряжения от изгиба конусного хвостовика ведущего шарнирного узла приводного вала в собственной радиальной муфтовой опоре, повышает ресурс и надежность приводного (карданного) вала гидравлического забойного турбинного двигателя.

Выполнение регулятора угла перекоса гидравлического забойного турбинного двигателя таким образом, что точка пересечения центральной продольной оси резьбовой части кривого переводника, предназначенного для соединения с корпусом шпинделя, и центральной продольной оси резьбовой части полого кривого вала, соединяющей его с прямым переводником, расположена в поперечной плоскости стыка торцовых зубьев зубчатой муфты и кривого переводника, обеспечивает повышение точности установки углов перекоса регулятора как при максимальном угле отклонения, по существу, до 3°, так и при промежуточных дискретных установках угла перекоса, упрощает вычисление углов перекоса регулятора, а также обеспечивает повышение вследствие этого точности проводки наклонно направленной скважины.

Ниже представлен лучший вариант регулятора угла перекоса, обеспечивающего изменение угла перекоса от нуля до трех градусов с шагом в одну четверть градуса, для гидравлического забойного турбинного двигателя (турбобура) ТОР-240РС.810.

На фиг.1 показана турбинная секция гидравлического забойного турбинного двигателя с регулятором угла перекоса, секцией шпинделя и долотом в компоновке низа колонны бурильных труб.

На фиг.2 показан элемент I на фиг.1 выходной части турбинной секции гидравлического забойного турбинного двигателя, соединенной регулятором угла перекоса с секцией шпинделя.

На фиг.3 показан регулятор угла перекоса гидравлического забойного турбинного двигателя в плоскости искривления.

На фиг.4 показан разрез А-А на фиг.3 поперек плоскости продольных наружных шлицев полого кривого вала и внутренних продольных шлицевых пазов зубчатой муфты, входящих в зацепление друг с другом.

На фиг.5 показан разрез Б-Б на фиг.3 поперек плоскости стыка торцовых зубьев зубчатой муфты и кривого переводника.

На фиг.6 показан разрез В-В на фиг.3 поперек плоскости собственной радиальной муфтовой опоры.

Турбинная секция 1 гидравлического забойного турбинного двигателя (турбобура) с регулятором 2 угла перекоса, секцией шпинделя 3 и долотом 4 в компоновке низа колонны бурильных труб 5 показана на фиг.1.

Регулятор 2 угла перекоса гидравлического забойного турбинного двигателя 1 содержит полый кривой вал 6 с наружными продольными шлицами 7 и резьбами 8, 9 на его краях 10, 11, зубчатую муфту 12 с внутренними продольными шлицевыми пазами 13 и внутренними прямоугольными зубьями 14 на торце 15, установленную на наружных продольных шлицах 7 полого кривого вала 6, прямой переводник 16 и кривой переводник 17, несоосно расположенные между собой, причем на торце 18 кривого переводника 17 выполнены прямоугольные зубья 19, входящие в зацепление с прямоугольными внутренними зубьями 14 на торце 15 зубчатой муфты 12, при этом прямой переводник 16 и кривой переводник 17 соединены с полым кривым валом 6 резьбами соответственно 8 и 9 на обращенных друг к другу краях, по существу, на крае 10 полого кривого вала 6 и на крае 20 прямого переводника 16, а также на другом крае 11 полого кривого вала 6 и на крае 21 кривого переводника 17, показано на фиг.2, 3, 4, 5.

Регулятор угла перекоса гидравлического забойного двигателя установлен между турбинной секцией 1, содержащей вал 22 турбинного ротора со ступенями лопаток 23 (148 ступеней), размещенный внутри корпуса 24 турбинной секции 1 на четырех радиальных опорах 25 скольжения, и секцией шпинделя 3, содержащей вал 26 шпинделя, размещенный внутри корпуса 27 шпинделя на осевой (многоступенчатой) опоре 28 скольжения и двух радиальных опорах 29 скольжения, соединенных шлицевой муфтой 30 и приводным валом 31, содержащим ведущий шарнирный узел 32 и ведомый шарнирный узел 33, причем вал 22 турбинного ротора соединен с ведущим шарнирным узлом 32 приводного вала 31 при помощи шлицевой муфты 30 и конусной резьбы 34, а ведомый шарнирный узел 33 приводного вала 31 соединен с валом 26 шпинделя при помощи конусной резьбы 35, показано на фиг.2.

Внутри прямого переводника 16 размещена собственная радиальная муфтовая опора 36 скольжения, шлицевая муфта 30 установлена с возможностью вращения и продольного перемещения в собственной радиальной муфтовой опоре 36, а центральная продольная ось 37 прямого переводника 16, центральная продольная ось 38 собственной радиальной муфтовой опоры 36, центральная продольная ось 39 шлицевой муфты 30, а также центральная продольная ось 40 вала 22 турбинного ротора расположены соосно между собой, показано на фиг.2.

Внутри прямого переводника 16 выполнена цилиндрическая расточка 41, а собственная радиальная муфтовая опора 36 размещена между двумя гильзами 42, 43 в цилиндрической расточке 41 внутри прямого переводника 16, расположенной со стороны турбинной секции 1, и зафиксирована резьбовым переходником 44, скрепленным с корпусом 24 турбинной секции 1, показано на фиг.2, 3.

Собственная радиальная муфтовая опора 36 скольжения выполнена с рядом радиальных продольных ребер 45, образующих продольные сквозные каналы 46 для текучей среды 47, и идентична одной из радиальных опор 25 для вала 22 турбинного ротора, показано на фиг.2, 3, 6.

Внутри собственной радиальной муфтовой опоры 36, а также внутри каждой из радиальных опор 25 для вала 22 турбинного ротора закреплена эластомерная (опорная) втулка 48, показано на фиг.2, 3, 6.

Ведущий шарнирный узел 32 приводного вала 31 содержит конусный хвостовик 49 и продольные шлицы 50, предназначенные для соединения с шлицевой муфтой 30, при этом конусный хвостовик 49 ведущего шарнирного узла 32 приводного вала 31 расположен в плоскости эластомерной втулки 48 в собственной радиальной муфтовой опоре 36 на длине 51, равной диаметру 52 шлицевой части 50 конусного хвостовика 49, показано на фиг.2.

Точка пересечения 53 центральной продольной оси 54 резьбовой части 9 кривого переводника 17, предназначенного для соединения с корпусом 27 шпинделя, и центральной продольной оси 55 резьбовой части 8 полого кривого вала 6, соединяющей его с прямым переводником 16, расположена в поперечной плоскости 15 стыка торцовых зубьев 14 зубчатой муфты 12 и торцовых прямоугольных зубьев 19 кривого переводника 17, показано на фиг.3

Один из продольных наружных шлицев 56 полого кривого вала 6 и один из внутренних продольных шлицевых пазов 57 зубчатой муфты 12, входящих в зацепление друг с другом, выполнены отличающимися по толщине шлица и, соответственно, по ширине паза от остальных, соответственно, продольных наружных шлицев 7 полого кривого вала 6 и внутренних продольных шлицевых пазов 13 зубчатой муфты 12, например, с уменьшенной толщиной шлица 56 и, соответственно, с уменьшенной шириной внутреннего продольного шлицевого паза 57, показано на фиг.4.

Зубчатая муфта 12 выполнена с собственной контактной сегментной площадкой 58, расположенной над краем 20 прямого переводника 16 и над краем 21 кривого переводника 17 со стороны, противоположной углу α, 59 перекоса между центральной продольной осью 54 резьбовой части 9 кривого переводника 6, предназначенного для соединения со шпинделем 3 забойного двигателя 1, и центральной продольной осью 37 резьбовой части 8 прямого переводника 16, предназначенного для соединения с резьбовым переходником 44 и корпусом 24 забойного двигателя 1, показано на фиг.3.

Кроме того, на фиг.1 показано: поз.60 - зона захвата для механического ключа на прямом переводнике 16; поз.61 - зона захвата для механического ключа на кривом переводнике 17; поз.62 - кольцевой стык между зубчатой муфтой 12 и прямым переводником 16; поз.63 - направление вращения зубчатой муфты 12 для увеличения угла перекоса; поз.64 - резьба для соединения прямого переводника 16 и резьбового переходника 44, скрепленного с корпусом 24 турбинной секции 1, 2.

Регулятор угла перекоса гидравлического забойного турбинного двигателя со шпинделем и долотом в компоновке низа бурильных труб работает следующим образом: поток полимерного глинистого бурового раствора плотностью 1,16÷4,26 г/см³, содержащего твердые абразивные частицы, например, до 3% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 10% нефтепродуктов, при гидростатическом давлении 25÷40 МПа, по колонне бурильных труб 5 прокачивается через турбинную секцию, содержащую вал 22 турбинного ротора со ступенями лопаток 23, размещенный внутри корпуса 24 турбинной секции на четырех радиальных опорах 25.

Количество ступеней турбины - 148, наружный диаметр турбинной секции - 240 мм, длина турбинной секции 10660 мм, перепад давления на турбинной секции 3÷4,5 МПа, частота вращения вала 22 турбинного ротора на режиме холостого хода составляет 910÷1000 мин^-1, расход бурового раствора составляет 50÷55 л/с, момент силы на валу 22 турбинного ротора на тормозном режиме составляет 300÷370 кгс·м.

Возникающий на рабочих лопатках 23 ротора 22 крутящий момент через коническую резьбу 34 шлицевой муфты 30, продольные шлицы 50 и конусный хвостовик 49 ведущего шарнирного узла 32, приводной вал 31, ведомый шарнирный узел 33 и коническую резьбу 35 передается на вал 26 шпинделя с закрепленным на нем долотом 4 (диаметром 393,7 мм), осуществляя бурение скважины.

Выполнение регулятора угла перекоса гидравлического забойного турбинного двигателя таким образом, что внутри прямого переводника 16 размещена собственная радиальная муфтовая опора 36 скольжения, шлицевая муфта 30 установлена с возможностью вращения и продольного перемещения в собственной радиальной муфтовой опоре 36, а центральная продольная ось 37 прямого переводника 16, центральная продольная ось 38 собственной радиальной муфтовой опоры 36, центральная продольная ось 39 шлицевой муфты 30, а также центральная продольная ось 40 вала 22 турбинного ротора расположены соосно между собой, при этом внутри прямого переводника 16 выполнена цилиндрическая расточка 41, а собственная радиальная муфтовая опора 36 размещена между двумя гильзами 42, 43 в цилиндрической расточке 41 внутри прямого переводника 16, расположенной со стороны турбинной секции 1, и зафиксирована резьбовым переходником 44, скрепленным с корпусом 24 турбинной секции 1, собственная радиальная муфтовая опора 36 скольжения выполнена с рядом радиальных продольных ребер 45, образующих продольные сквозные каналы 46 для текучей среды 47, и идентична одной из радиальных опор 25 для вала 22 турбинного ротора, внутри собственной радиальной муфтовой опоры 36, а также внутри каждой из радиальных опор 25 для вала 22 турбинного ротора закреплена эластомерная (опорная) втулка 48, при этом ведущий шарнирный узел 32 приводного вала 31 содержит конусный хвостовик 49 и продольные шлицы 50, предназначенные для соединения с шлицевой муфтой 30, при этом конусный хвостовик 49 ведущего шарнирного узла 32 приводного вала 31 расположен в плоскости эластомерной втулки 48 в собственной радиальной муфтовой опоре 36 на длине 51, равной диаметру 52 шлицевой части 50 конусного хвостовика 49, многократно снижает реактивное воздействие долота 4 в забое скважины через вал 26 шпинделя и приводной (карданный) вал 6 на радиальные опоры 25 для вала 22 турбинного ротора, что повышает межремонтный ресурс (непрерывной циркуляции бурового раствора) и надежность гидравлического забойного турбинного двигателя 1 при бурении изогнутых наклонно направленных скважин.

Вертикальный ствол скважины бурят до заданной глубины. Затем буровые трубы бурильной колонны поочередно раскрепляют и поднимают, при этом компоновка низа бурильной колонны находится в вертикальном положении на буровой установке, как показано на фиг.1.

Устанавливают механические ключи на зону 60 прямого переводника 16 и зону 61 кривого переводника 17 регулятора 2 угла перекоса гидравлического забойного турбинного двигателя 1, как показано на фиг.1.

Раскрепляют резьбовое соединение 8 между полым кривым валом 6 и прямым переводником 16, а затем отворачивают прямой переводник 16 регулятора 2 угла перекоса до появления зазора 20±2 мм в кольцевом стыке 62 между кольцевым поясом зубчатой муфты 12 и кольцевым поясом прямого переводника 16 регулятора 2 угла перекоса, показано на фиг.1, 3.

В процессе раскрепления резьбового соединения 8 зубчатая муфта 12 и кривой переводник 17 регулятора 2 угла перекоса гидравлического забойного турбинного двигателя 1 должны находиться в зацеплении, по существу, прямоугольные зубья 19 на торце 18 кривого переводника 17 должны находиться в зацеплении с прямоугольными внутренними зубьями 14 на торце 15 зубчатой муфты 12.

Поднимают зубчатую муфту 12 вверх до выхода из зацепления прямоугольных внутренних зубьев 14 на торце 15 зубчатой муфты 12 с прямоугольными зубьями 19 на торце 18 кривого переводника 17. Удерживая зубчатую муфту 12 в верхнем положении, поворачивают ее относительно кривого переводника 17 регулятора 2 угла перекоса забойного двигателя 1 до совпадения продольных меток требуемого угла (продольные метки требуемого угла не показаны). Для увеличения угла перекоса поворачивают зубчатую муфту 12 в направлении 63, для уменьшения - в обратном направлении, показано на фиг.1.

Устанавливают механические ключи на зону 60 прямого переводника 16 и зону 61 кривого переводника 17 регулятора 2 угла перекоса гидравлического забойного турбинного двигателя 1, как показано на фиг.1. Заворачивают резьбовое соединение 8 между полым кривым валом 6 и прямым переводником 16, а затем затягивают на заданный крутящий момент резьбу 64 для соединения прямого переводника 16 и резьбового переходника 44.

Величину крутящего момента свинчивания задают по технологическому процессу. В процессе свинчивания зубчатая муфта 12 и кривой переводник 17 регулятора 2 угла перекоса забойного двигателя 1 должны находиться в зацеплении, по существу, прямоугольные зубья 19 на торце 18 кривого переводника 17 должны находиться в зацеплении с прямоугольными внутренними зубьями 14 на торце 15 зубчатой муфты 12.

Совпадающие продольные метки угла перекоса указывают величину угла в регуляторе 2 угла перекоса гидравлического забойного турбинного двигателя 1 со шпинделем 3 и долотом 4 в компоновке низа бурильных труб 5, при этом плоскость искривления регулятора 2 угла перекоса проходит через совпадающие продольные метки.

Изобретение относится к устройствам для бурения изогнутых наклонно направленных нефтяных и газовых скважин, а именно к регуляторам угла перекоса гидравлических забойных турбинных двигателей (турбобуров). Регулятор содержит полый кривой вал с наружными шлицами и резьбами на его краях, зубчатую муфту с внутренними продольными шлицевыми пазами и зубьями на торце, установленную на наружных продольных шлицах полого кривого вала, прямой и кривой переводники, несоосно расположенные между собой, на торце кривого переводника выполнены зубья, входящие в зацепление с зубьями на торце зубчатой муфты, а прямой и кривой переводники соединены с полым кривым валом резьбами на обращенных друг к другу краях. Регулятор установлен между турбинной секцией, содержащей вал турбинного ротора со ступенями лопаток, размещенный внутри корпуса турбинной секции на радиальных опорах, и секцией шпинделя, содержащей вал шпинделя, размещенный внутри корпуса шпинделя на осевой и радиальных опорах, соединенных шлицевой муфтой и приводным валом, содержащим ведущий и ведомый шарнирные узлы, причем вал турбинного ротора соединен с ведущим шарнирным узлом приводного вала при помощи шлицевой муфты, а ведомый шарнирный узел приводного вала соединен с валом шпинделя, при этом внутри прямого переводника размещена собственная радиальная муфтовая опора, шлицевая муфта установлена с возможностью вращения и продольного перемещения в собственной радиальной муфтовой опоре, а центральные продольные оси прямого переводника, собственной радиальной муфтовой опоры, шлицевой муфты, а также вала турбинного ротора расположены соосно между собой. Повышается межремонтный ресурс (непрерывной циркуляции бурового раствора) и надежность турбобура при бурении изогнутых наклонно направленных скважин за счет снижения реактивного воздействия долота в забое скважины на радиальные опоры вала турбинного ротора, повышается точность установки углов перекоса регулятора, а также точность проводки скважин. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Регулятор угла перекоса гидравлического забойного двигателя, содержащий полый кривой вал с наружными шлицами и резьбами на его краях, зубчатую муфту с внутренними продольными шлицевыми пазами и зубьями на торце, установленную на наружных продольных шлицах полого кривого вала, прямой и кривой переводники, несоосно расположенные между собой, на торце кривого переводника выполнены зубья, входящие в зацепление с зубьями на торце зубчатой муфты, а прямой и кривой переводники соединены с полым кривым валом резьбами на обращенных друг к другу краях, отличающийся тем, что установлен между турбинной секцией, содержащей вал турбинного ротора со ступенями лопаток, размещенный внутри корпуса турбинной секции на радиальных опорах, и секцией шпинделя, содержащей вал шпинделя, размещенный внутри корпуса шпинделя на осевой и радиальных опорах, соединенных шлицевой муфтой и приводным валом, содержащим ведущий и ведомый шарнирные узлы, причем вал турбинного ротора соединен с ведущим шарнирным узлом приводного вала при помощи шлицевой муфты, а ведомый шарнирный узел приводного вала соединен с валом шпинделя, при этом внутри прямого переводника размещена собственная радиальная муфтовая опора, шлицевая муфта установлена с возможностью вращения и продольного перемещения в собственной радиальной муфтовой опоре, а центральные продольные оси прямого переводника, собственной радиальной муфтовой опоры, шлицевой муфты, а также вала турбинного ротора расположены соосно между собой.

2. Регулятор угла перекоса гидравлического забойного двигателя по п.1, отличающийся тем, что внутри прямого переводника выполнена цилиндрическая расточка, а собственная радиальная муфтовая опора размещена между двух гильз в цилиндрической расточке внутри прямого переводника, расположенной со стороны турбинной секции, и зафиксирована резьбовым переходником, скрепленным с корпусом турбинной секции.

3. Регулятор угла перекоса гидравлического забойного двигателя по п.1, отличающийся тем, что собственная радиальная муфтовая опора выполнена с рядом радиальных ребер, образующих продольные сквозные каналы для текучей среды, и идентична одной из радиальных опор для вала турбинного ротора.

4. Регулятор угла перекоса гидравлического забойного двигателя по п.1, отличающийся тем, что внутри собственной радиальной муфтовой опоры, а также внутри каждой из радиальных опор для вала турбинного ротора закреплена эластомерная втулка.

5. Регулятор угла перекоса гидравлического забойного двигателя по п.1, отличающийся тем, что ведущий шарнирный узел приводного вала содержит конусный хвостовик и шлицы, предназначенные для соединения с шлицевой муфтой, при этом конусный хвостовик ведущего шарнирного узла приводного вала расположен в плоскости эластомерной втулки в собственной радиальной муфтовой опоре на длине, равной диаметру шлицевой части конусного хвостовика.

6. Регулятор угла перекоса гидравлического забойного двигателя по п.1, отличающийся тем, что точка пересечения центральной продольной оси резьбовой части кривого переводника, предназначенного для соединения с корпусом шпинделя, и центральной продольной оси резьбовой части полого кривого вала, соединяющей его с прямым переводником, расположена в поперечной плоскости стыка торцовых зубьев зубчатой муфты и кривого переводника.