УСТАНОВКА ВЫСОКОМОМЕНТНОГО РЕДУКТОРНОГО ТУРБОБУРА Российский патент 2012 года по МПК E21B4/02 

Изобретение относится к технике бурения наклонных и горизонтальных скважин.

Известен редукторный турбобур [Пат. 2068064 RU, МПК⁶ E21B 4/00, опубл. 1996.20.10].

Опорно-редукторный узел турбобура выполнен в виде модуля. Пакет выполнен в виде последовательно установленных блоков с ведущим валом и опорами, с синусошариковым редуцирующим механизмом, с ведомым валом и опорами. Пакет закреплен посредством переводников. Опорно-редукторный узел соединен с валом привода и инструментом посредством резьбовых муфт. Известный редукторный турбобур позволяет осуществлять редуцирование частоты вращения и момента ведущего вала.

Недостатком известного редукторного турбобура является проскальзывание рабочих органов синусошарикового редуцирующего механизма и непостоянство динамического передаточного отношения в условиях повышенной вибрации.

Наиболее близким к предлагаемому решению является редукторный турбобур [Пат. 2263757 RU, МПК⁷ E21B 4/02, опубл. 2005.10.11], содержащий корпус, верхний соединительный переводник и нижний соединительный переводник. На валу установлены на шпонке единичные ступени турбин, шаровое автоматическое балансировочное устройство, противовес, осевая опора, радиальная опора и стопорные гайки нижняя и верхняя. Через зубчатую муфту вал турбинной секции соединен с быстроходным валом редуктора, на котором установлен сателлит, обкатывающийся по неподвижному колесу и передающий вращающий момент через шестерню на выходной вал. На быстроходном валу размещены противовесы. Редукторный турбобур снабжен уплотнительными узлами, а также диафрагменным лубрикатором и картером высокого давления. Для заправки масляной ванны редукторный турбобур оснащен клапанами.

Данный редукторный турбобур позволяет осуществлять редуцирование частоты вращения и момента ведущего вала, однако планетарная передача, используемая в редукторе, обладает ограниченной нагрузочной способностью.

Задача изобретения - редуцирование частоты вращения ведущего вала турбобура при обеспечении высоких значений крутящих передаваемых на шпиндель.

Технический результат - расширение кинематических и энергетических возможностей редукторных турбобуров, а именно возможности увеличения крутящего момента, передаваемого на шпиндель турбобура.

Указанный технический результат достигается тем, что установка высокомоментного редукторного турбобура состоит из турбинной секции с валом, роторами и статорами, полумуфты и редуцирующего модуля, расположенного между шпиндельной секцией и турбинной секцией посредством переводника редуцирующего модуля и переводника турбинной секции соответственно, содержащим корпус, двухвенцовый сателлит с парой зубчатых венцов z₁ и z₂, свободно вращающийся на подшипниках вокруг кривошипного вала, неподвижно закрепленное к корпусу редуцирующего модуля колесо с числом зубьев z₃, зубчатую муфту с числом зубьев z₄, соединенную с выходным валом, заливную пробку и уплотнительные элементы. Увеличение крутящего момента возникает в результате наличия прецессии двухвенцового сателлита и наличия двух пар противоположно расположенных под углом 180° зон зацепления зубчатых венцов z₁-z₃ и z₂-z₄.

На фиг. изображена заявляемая установка высокомоментного редукторного турбобура.

Установка высокомоментного редукторного турбобура состоит из турбинной секции 1 с валом 2, роторами 3 и статорами 4, полумуфты 5, редуцирующего модуля 6, расположенного между шпиндельной секцией 7 и турбинной секцией 1 посредством переводников 8 и 9 турбинной секции 1 и редуцирующего модуля 6 соответственно.

Установка высокомоментного редукторного турбобура на колонне бурильных труб спускается в колонну обсадных труб. Крутящий момент от вала 2 турбинной секции 1 через переводник 8 и полумуфту 5 передается на кривошипный вал 10 редуцирующего модуля 6.

Редуцирующий модуль 6 установки состоит из двухвенцового сателлита 11 с парой зубчатых венцов z₁ и z₂, свободно вращающегося на подшипниках вокруг кривошипного вала 10, колеса 12 с числом зубьев z₃, неподвижно закрепленного к корпусу редуцирующего модуля 6, зубчатой муфты 13 с числом зубьев z₄, соединенной с выходным валом 14, который соединен со шпинделем 19 посредством переводника 9 редуцирующего модуля 6.

Редуцирующий модуль 6 является маслонаполненным и имеет заливную пробку 15 и уплотнительные элементы 16, 17, 18.

Установка высокомоментного редукторного турбобура работает следующим образом.

Установка спускается в полость обсадных труб на колонне бурильных труб. Гидравлическая турбина осевого типа с роторами 3 и статорами 4 развивает крутящий момент, который через полумуфту 5 передается на кривошипный вал 10 редуцирующего модуля 6.

Двухвенцовый сателлит 11 совершает сложное планетарное движение - вращение вокруг наклонной оси J-J и вместе с кривошипным валом 10 вокруг оси O-O, вызывая вращение зубчатой муфты 13. При этом образуются две пары противоположно расположенных под углом 180° зоны зацепления z₁-z₃ и z₂-z₄ зубчатых венцов. Вращение от зубчатой муфты 13 передается на выходной вал 14, соединенный со шпинделем 19 посредством переводника 9 редуцирующего модуля 6.

Общее передаточное число редуцирующего модуля 6 определяется следующей формулой:

где z₁, z₂ - числа зубьев венцов двухвенцового сателлита 11;

z₃ - число зубьев неподвижного колеса 12;

z₄ - число зубьев зубчатой муфты 13

Диапазон возможных передаточных чисел редуцирующего модуля 6 находится в широких пределах и для указанной схемы установки, например при значениях чисел зубьев z₁=39; z₂=43; z₃=42; z₄=40, и применении в установке трех многоступенчатых гидравлических турбинных секций 1 турбобура 3ТСШ1-195 с частотой вращения вала 2 n_в=7,25 с^-1, частота вращения шпинделя 19 составит:

,

При этом значение крутящего момента на шпинделе 19:

где M_в=1558 Н·м - крутящий момент на валу 2 для трех многоступенчатых гидравлических турбинных секций турбобура 3ТСШ1-195.

Такая частота вращения и крутящий момент на шпинделе соответствуют требуемым параметрам современного турбинного бурения при эффективном процессе разрушения породы забоя в глубоких скважинах.

В зацеплениях редуцирующего модуля 6 пары зубьев, соседние с той, в которой в некоторой фазе зацепления имеется геометрический контакт, расположены достаточно близко. В связи с этим в момент приложения нагрузки отмеченный зазор будет «выбираться» и в контакте располагаются несколько пар зубьев. Упругая деформация зубьев двухвенцового сателлита 11, неподвижного колеса 12, зубчатой муфты 13 и нагрузка на них перераспределяются, образуя многопарное зацепление.

При этом в одной зубчатой паре одновременно находится от 0,25 до 0,3 от общего числа зубьев пары, что в приближенных расчетах учитывается коэффициентом многопарности зацепления. Число пар зубьев, одновременно находящихся в зацеплении z₂-z₄ (коэффициент многопарности),

k_ε≈0,275·(z₂+z₄)/2≈0,275·41≈11,4

Тогда крутящий момент на зубьях двухвенцового сателлита 11 и зубчатой муфты 13 (в паре z₂-z₄), составит

Изобретение относится к технике бурения наклонных и горизонтальных скважин. Технический результат - расширение кинематических и энергетических возможностей редукторных турбобуров, а именно возможности увеличения крутящего момента передаваемого на шпиндель турбобура. Установка высокомоментного редукторного турбобура состоит из турбинной секции 1 с валом 2, роторами 3 и статорами 4, полумуфты 5, редуцирующего модуля 6, расположенного между шпиндельной секцией 7 и турбинной секцией 1 посредством переводников 8 и 9, турбинной секции 1 и редуцирующего модуля 6 соответственно. Установка высокомоментного редукторного турбобура на колонне бурильных труб спускается в колонну обсадных труб. Крутящий момент от вала 2 турбинной секции 1 через переводник 8 и полумуфту 5 передается на кривошипный вал 10 редуцирующего модуля 6. Редуцирующий модуль 6 установки состоит из двухвенцового сателлита 11 с парой зубчатых венцов z₁ и z₂, свободно вращающегося на подшипниках вокруг кривошипного вала 10, колеса 12 с числом зубьев z_3, неподвижно закрепленного к корпусу редуцирующего модуля 6, зубчатой муфты 13 с числом зубьев z₄, соединенной с выходным валом 14, который соединен со шпинделем 19, посредством переводника 9 редуцирующего модуля 6. Редуцирующий модуль 6 является маслонаполненным и имеет заливную пробку 15 и уплотнительные элементы 16, 17, 18. 1 ил.

Установка высокомоментного редукторного турбобура, содержащая турбинную секцию с валом, роторами и статорами, полумуфту, редуцирующий модуль, расположенный между шпиндельной секцией и турбинной секцией посредством переводника редуцирующего модуля и переводника турбинной секции соответственно, отличающаяся тем, что редуцирующий модуль содержит двухвенцовый сателлит с парой зубчатых венцов, свободно вращающийся на подшипниках вокруг кривошипного вала, неподвижно закрепленное к корпусу редуцирующего модуля колесо, зубчатую муфту, соединенную с выходным валом, заливную пробку и уплотнительные элементы, при этом неподвижное колесо сопряжено с венцом двухвенцового сателлита, а зубчатая муфта соединена с выходным валом, который соединен со шпинделем посредством переводника редуцирующего модуля, и одновременно сопряжена с венцом двухвенцового сателлита.