Изобретение относится к гидравлическим приводам для вращательного бурения, размещаемым в скважинах, в частности к осцилляторам для бурильной колонны, предназначенным для создания гидромеханических импульсов, воздействующих на бурильную колонну.
Известен забойный инструмент для очистки обсаженного участка скважины, содержащий корпус, входное отверстие для флюида, через которое флюид может войти в корпус, и множество выходных отверстий, через которые флюид может выйти из корпуса и воздействовать на материал стенки скважины, а также компоновку клапанов для избирательного регулирования объема флюида, направленного из выходного отверстия между, по меньшей мере, одним из выходных отверстий и, по меньшей мере, еще одним другим выходным отверстием, при этом с компоновкой клапанов в первой конфигурации больший объем флюида направляется от входного отверстия в указанное, по меньшей мере, одно из выходных отверстий, и меньший объем флюида направляется от входного отверстия в указанное, по меньшей мере, еще одно другое выходное отверстие, и с компоновкой клапанов во второй конфигурации меньший объем флюида направляется из внутренней полости в указанное, по меньшей мере, одно из выходных отверстий и больший объем флюида направляется от входного отверстия в указанное, по меньшей мере, еще одно другое выходное отверстие (US 8251144 В2, 28.08.2012).
Недостатком известной конструкции является неполная возможность ее использования в компоновке низа бурильной колонны (КНБК) для создания гидромеханических импульсов с заданной частотой и амплитудой колебаний для снижения сил трения бурильной колонны о стенки скважины, уменьшения крутильных напряжений в бурильной колонне при роторном бурении (с вращением бурильной колонны) наклонных и горизонтальных скважин героторным винтовым гидравлическим двигателем, а также для предотвращения прихвата бурильной колонны, возникающего под действием перепада давления, что объясняется отсутствием выходной проточной части, необходимой для подачи бурового раствора под давлением в КНБК для привода ротора героторного винтового гидравлического двигателя с долотом.
Недостатком известной конструкции является также размещение на входе упора с отверстиями в поперечной стенке, при этом твердые абразивные частицы бурового раствора, например, до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов полимер-глинистого бурового раствора плотностью 1,16÷1,26 г/см3, прокачиваемого при гидростатическом давлении, например, 25÷35 МПа, вызывают шламование и увеличивают потери давления при прохождении бурового раствора через упор с отверстиями в поперечной стенке, вследствие этого не обеспечивается требуемая механическая мощность ударного инструмента и амплитуда колебаний бурильной колонны.
Недостатком известной конструкции является также жесткое закрепление колеблющейся пластины 34 из твердого сплава (карбида вольфрама) в клапанном элементе 22, который определяет главную продольную ось 20, и жестко скреплен резьбой с ротором 52, вследствие этого не обеспечивается ресурс пластин из твердого сплава, основные дефекты известной конструкции - выкрашивания, сколы и разрушения скользящих контактных прямоугольных торцов колеблющейся клапанной пластины 34 и неподвижной клапанной пластины 24, также выполненной из твердого сплава, изображено на фиг. 2.
Известно забойное импульсное устройство в сочетании с бурильной колонной, включающей насосно-компрессорные трубы, буровой двигатель, состоящий из статора, подсоединенного к насосно-компрессорным трубам, и ротора, зафиксированного в статоре таким образом, чтобы вращаться относительно статора и насосно-компрессорных труб под влиянием потока бурового флюида под давлением в насосно-компрессорных трубах, буровое долото, присоединенное к нижнему концу ротора бурового двигателя таким образом, чтобы вращаться с ротором бурового двигателя, и фиксатор ротора, забойное импульсное устройство, включающее трубчатый корпус, соединенный с насосно-компрессорными трубами, корпусом, имеющим осевое отверстие, простирающееся вдоль оси, чтобы сделать возможным проход через него бурового флюида, клапан, размещенный в отверстии трубчатого корпуса и определяющий размер сечения для потока бурового флюида, клапан, состоящий из неподвижной части, неподвижно расположенный относительного трубчатого корпуса, и вращающейся частью, подвижно расположенной в трубчатом корпусе таким образом, чтобы варьировать площадь проходного сечения за счет вращения вращающейся части относительно неподвижной части, а также приводное звено, расположенное между вращающейся частью клапана и ротором бурового двигателя, так чтобы вращать вращающуюся часть клапана относительно насосно-компрессорных труб вместе с ротором бурового двигателя, при этом фиксатор ротора включает кольцевой стопорный элемент, монтированный последовательно с насосно-компрессорными трубами между корпусом статора бурового двигателя и трубчатым корпусом импульсного устройства и фиксирующий элемент, проходящий через стопорный элемент таким образом, чтобы подсоединяться между ротором бурового двигателя и приводным звеном, а также фиксирующий элемент, включающий часть увеличенного размера над стопорным элементом, который не может проходить через кольцевой стопорный элемент (US 8181719 В2, 22.05.2012).
Недостатком известной конструкции является увеличивающийся при работе продольный люфт плунжера 80, а также необходимость настройки расходного сечения 64 в положении, когда перекрываются каналы 70 плунжера 80 при помощи резьбовой втулки 48 и винтов 52, при этом плунжер 80 удерживается в продольном направлении карданным валом 72, переходником 32, ротором 20 винтового героторного двигателя, шпиндельным узлом, скрепленным с долотом 22, и определяет величину продольного люфта плунжера 80, щелевого конического канала 64 и расход бурового раствора через сечения 64, изображено на фиг. 4, 6, 8.
Вследствие этого, по мере наработки известного забойного импульсного устройства в компоновке бурильной колонны, снижаются энергетические характеристики импульсов давления текучей среды, направленных против потока в сторону ударного инструмента, а также не обеспечивается механическая мощность ударного инструмента, необходимого для уменьшения сил трения бурильной колонны о стенки скважины, уменьшения крутильных напряжений в бурильной колонне при бурении горизонтальных скважин, а также для предотвращения прихвата бурильной колонны.
Другим недостатком известной конструкции является увеличение вероятности гидроабразивного размыва щелевого конического канала 64, что объясняется тем, что твердые абразивные частицы бурового раствора, например, до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов полимер - глинистого бурового раствора плотностью 1,16÷1,26 г/см3, прокачиваемого при гидростатическом давлении, например, 25÷40 МПа, при воздействии на плунжер 80 усилия от долота 22, направленного от забоя скважины на забойное импульсное устройство, передающегося через ротор 20 объемного двигателя, переходник 32, и карданный вал 72, увеличивают износ соединений и продольный люфт плунжера 80, вследствие этого уменьшается проходное сечение щелевого конического канала 64, скорость течения бурового раствора через щелевой конический канал 64 возрастает, не обеспечивается требуемая механическая мощность ударного инструмента и амплитуда колебаний бурильной колонны для снижения сил трения бурильной колонны о стенки скважины.
Известно импульсное устройство потока для обеспечения ударного эффекта, содержащее корпус для установки в колонне, на корпусе имеется сквозное отверстие для обеспечения прохождения жидкости через него, клапан, расположенный в отверстии, для обеспечения прохода потока, включающий компонент клапана, который является подвижным для того, чтобы изменять площадь прохождения текучей среды, предназначенный для изменения потока текучей среды, проходящей через него, а также гидравлический забойный двигатель с гидравлическим приводом, функционально связанный с клапаном для привода компонента клапана и устройство, чувствительное к давлению, которое расширяется или сужается в ответ на изменение давления жидкости, создающееся посредством изменения потока жидкости, при этом сужение и расширение устройства, чувствительного к давлению, обеспечивает ударный эффект (US 6279670 В1, 28.08.2001).
Недостатком известной конструкции является ее сложность и высокая стоимость, а также то, что импульсная сила используется преимущественно для создания эффекта ударного бурения на долоте, вследствие этого снижаются технологические возможности использования в компоновке низа бурильной колонны (КНБК) для создания гидромеханических импульсов с заданной частотой и амплитудой колебаний, воздействующих на колонну для снижения сил трения вращающейся бурильной колонны о стенки скважины, уменьшения крутильных напряжений в бурильной колонне при бурении горизонтальных скважин, а также для предотвращения прихвата бурильной колонны.
Недостатком известной конструкции является также размещение на входе в двигатель расходной вставки 14 (изображено на фиг. 2), при этом твердые абразивные частицы бурового раствора, например, до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов полимер - глинистого бурового раствора плотностью 1,16+÷1,26 г/см3, прокачиваемого при гидростатическом давлении, например, 25÷35 МПа, приводят к шламованию бурового раствора в расходной вставке 14, которая перекрывает траекторию потока бурового раствора, а также к потерям давления при прохождении через отверстия вставки 14, вследствие этого в бурильной колонне возникают гидравлические удары, не обеспечиваются энергетические характеристики пульсирующего давления текучей среды, направленного в сторону ударного инструмента 3 (US 6588518 B2, Jul. 8,2003), чувствительного к давлению для создания импульсной силы на участок бурильной колонны, где импульсная сила используется только для создания эффекта ударного бурения на долоте.
Известно ударно-вращательное устройство, содержащее корпус, приспособленный для монтажа на опорном элементе, объемный двигатель, имеющий статор и ротор, в котором при эксплуатации ротор колеблется, вращаясь и перемещаясь в поперечном направлении внутри статора, и клапан, включающий колеблющийся первый клапанный элемент и неподвижный второй клапанный элемент, причем каждый клапанный элемент образует клапанное отверстие и имеет основную продольную ось, первый клапанный элемент соединен с ротором и имеет возможность перемещения относительно второго клапанного элемента, при этом при эксплуатации клапанные элементы взаимодействуют, совместно образуя переменное проходное сечение через клапан, и, по меньшей мере, одно из отверстий клапанных элементов смещено от соответствующей основной продольной оси (RU 2362866 С2, 27.07.2009).
При работе перепад давления бурового раствора через винтовой героторный гидравлический двигатель 19 сдвигает в сторону клапанного устройства 30 ротор 24, этой силе препятствует клапанное устройство 30, управляемое (вращаемое) ротором 24 двигателя 19, при этом перепад давления может быть через двигатель 19 в противоположном направлении и может сдвигать ротор 24 в сторону упора 32 с поперечной стенкой, расположенного на входе в двигатель, вследствие этого ротор 24 сам является источником знакопеременных осевых ударных нагрузок.
Недостатком известной конструкции является жесткое закрепление колеблющейся пластины 34 из твердого сплава (карбида вольфрама) в клапанном элементе 38, который определяет главную продольную ось А, и жестко скреплен резьбой 42 с ротором 24, вследствие этого не обеспечивается ресурс, при этом основные дефекты известной конструкции - выкрашивания, сколы и разрушения скользящих контактных прямоугольных торцов колеблющейся пластины 34 и неподвижной клапанной пластины 36, также из твердого сплава, изображено на фиг. 3,5.
Другим недостатком известной конструкции является размещение на входе в двигатель упора 32 с отверстиями 19 в поперечной стенке, при этом твердые абразивные частицы бурового раствора, например, до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов полимер - глинистого бурового раствора плотностью 1,16÷1,26 г/см3, прокачиваемого при гидростатическом давлении, например, 25÷35 МПа, приводят к шламованию бурового раствора на поперечной стенке упора 32, который перекрывает траекторию потока бурового раствора, а также к потерям давления при прохождении через отверстия упора 32, вследствие этого в бурильной колонне возникают гидравлические удары, не обеспечивается требуемая механическая мощность ударного инструмента и амплитуда колебаний бурильной колонны для снижения сил трения бурильной колонны о стенки скважины, уменьшения крутильных напряжений в бурильной колонне при бурении горизонтальных скважин, а также для предотвращения прихвата бурильной колонны.
Известен осциллятор для бурильной колонны, содержащий героторный винтовой гидравлический двигатель, включающий статор с закрепленной в нем обкладкой из эластомера с внутренними винтовыми зубьями и расположенный внутри статора ротор с наружными винтовыми зубьями, вращение ротора осуществляется насосной подачей текучей среды, число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев обкладки из эластомера, ходы винтовых зубьев обкладки из эластомера и ротора пропорциональны их числам зубьев, центральные продольные оси ротора и обкладки из эластомера смещены между собой на величину эксцентриситета, и клапан, включающий первый клапанный элемент и неподвижный второй клапанный элемент, первый клапанный элемент снабжен первой клапанной пластиной, второй клапанный элемент снабжен установленной в нем второй клапанной пластиной, причем второй клапанный элемент с установленной в нем второй клапанной пластиной образует клапанное отверстие и имеет основную продольную ось, первый клапанный элемент скреплен с ротором и имеет возможность перемещения относительно второго клапанного элемента, при этом при эксплуатации клапанные элементы взаимодействуют, совместно образуя переменное проходное сечение для текучей среды через клапан, при этом осциллятор содержит плунжерный модуль, скрепленный с первым клапанным элементом, первая клапанная пластина размещена внутри плунжерного модуля с возможностью продольного перемещения, а плунжерный модуль снабжен пружинным устройством, нагружающим первую клапанную пластину для постоянного контакта со второй клапанной пластиной, размещенной во втором клапанном элементе, при этом первая клапанная пластина, размещенная в плунжерном модуле, имеет сплошной торец для контакта со второй клапанной пластиной, установленной во втором клапанном элементе и образующей клапанное отверстие, а также содержит трансмиссионный вал, скрепленный с входной частью ротора, радиально-упорную опору вращения, включающую полый вал, установленный в указанной радиально-упорной опоре вращения с возможностью вращения и скрепленный с трансмиссионным валом, и генератор гидромеханических импульсов, расположенный выше по потоку от радиально-упорной опоры вращения, содержащий корпус, выполненный из наружных трубчатых элементов, размещенную внутри корпуса оправку, выполненную из внутренних трубчатых элементов, телескопически соединенных между собой, элементы для передачи крутящего момента между корпусом и оправкой при продольном перемещении относительно друг друга, указанные трубчатые элементы оснащены резьбами, а также содержащий пружинный модуль между корпусом и оправкой, упорную втулку между верхним упорным торцом корпуса и пружинным модулем, указанные наружные трубчатые элементы, имеющие расположенные вдоль верхний и нижний упорные торцы на противоположных краях пружинного модуля, верхний упорный торец первого трубчатого элемента и нижний торец второго трубчатого элемента, одновременно зацепляющие и нагружающие пружинный модуль при продольном сжатии указанных трубчатых элементов относительно друг друга, верхний упорный торец второго трубчатого элемента и нижний упорный торец первого трубчатого элемента, одновременно зацепляющие и нагружающие пружинный модуль при растяжении указанных трубчатых элементов относительно друг друга, кольцевой поршень с уплотнениями на наружной и внутренней поверхностях, установленный между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью оправки, реагирующий на давление текучей среды, а также содержащий уплотнения в верхней части между корпусом и оправкой и камеру для рабочей жидкости - масла, ограниченную уплотнениями в верхней части корпуса и уплотнениями кольцевого поршня между корпусом и оправкой, и упорное кольцо, установленное на внутреннем трубчатом элементе, составляющем нижнюю часть оправки, при этом вращательный привод для передачи момента между оправкой и корпусом при продольном перемещении относительно друг друга снабжен ударным кольцом, установленным в оправке с возможностью продольного перемещения оправки с ударным кольцом внутри упорной втулки (RU 2565316 С1, 20.10.2015).
Недостатком известной конструкции является неполная возможность увеличения ресурса и надежности вследствие высокой активности кавитационных процессов потока гидроабразивной среды, например, полимер - глинистого бурового раствора, плотностью 1,16÷1,26 г/см3, содержащего до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 10% нефтепродуктов, прокачиваемого при гидростатическом давлении, например, 20÷35 МПа, что объясняется интенсивным абразивным и эрозионным износом (размывом) плунжерного модуля 23, жестко скрепленного с клапанным элементом 14 при помощи общей резьбы 24, а также клапанной пластины 16 из твердого сплава, размещенной в плунжере 27, установленном в отверстии 28 плунжерного модуля 23 с возможностью телескопического перемещения вдоль собственной центральной продольной оси 29, а также шламованием и прихватом пружинного устройства 30, зафиксированного гайкой 31, нагружающего плунжер 27 с размещенной в ней клапанной пластиной 16, имеющей сплошной торец 33 для контакта с торцом 34 клапанной пластины 17, установленной в клапанном элементе 15 и образующей клапанное отверстие 18, совместно образуя переменное проходное сечение 22 для текучей среды 7 через клапан 13.
В известной конструкции поток текучей среды 7 направляется через колонну бурильных труб, в которой содержится осциллятор, в клапан 13 снаружи, из полости внутри осциллятора, охватывающей плунжерный модуль 23, в промежуток между торцом 33 клапанной пластины 16 и торцом 34 клапанной пластины 17, причем клапанная пластина 16, размещенная в плунжере 27 внутри плунжерного модуле 23, имеет сплошной торец 33 для контакта с торцом 34 клапанной пластины 17, установленной в клапанном элементе 15 и образующей клапанное отверстие 18, совместно образуя переменное проходное сечение 22 для текучей среды 7 - бурового раствора через клапан 13, вследствие этого известная конструкция имеет недостаток: металлические частицы (стружка и окалина), прошедшие сквозь фильтр бурильной колонны, тормозятся и зашламовываются на торце неподвижного клапанного элемента 15 и на торце 34 клапанной пластины 17, установленной в клапанном элементе 15, вследствие этого не предотвращается возможность попадания абразивных частиц, прошедших через фильтр бурильной колонны, между контактирующими торцами 33 и 34 клапанных пластин 16, 17, что нарушает работу осциллятора в скважине.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является осциллятор для бурильной колонны, содержащий героторный винтовой гидравлический двигатель, включающий трубчатый статор с закрепленной в нем обкладкой из эластомера с внутренними винтовыми зубьями и расположенный внутри статора ротор с наружными винтовыми зубьями, вращение ротора осуществляется насосной подачей текучей среды, число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев обкладки из эластомера, ходы винтовых зубьев обкладки из эластомера и ротора пропорциональны их числам зубьев, а центральные продольные оси ротора и обкладки из эластомера в статоре смещены между собой на величину эксцентриситета, и клапан, включающий первый клапанный элемент и неподвижный второй клапанный элемент, первый клапанный элемент снабжен установленной в нем первой клапанной пластиной, второй клапанный элемент снабжен установленной в нем второй клапанной пластиной, причем второй клапанный элемент с установленной в нем второй клапанной пластиной образует клапанное отверстие и имеет основную продольную ось, первый клапанный элемент скреплен с ротором и имеет возможность перемещения относительно второго клапанного элемента, а при эксплуатации клапанные элементы взаимодействуют, совместно образуя переменное проходное сечение для текучей среды через клапан, а также содержащий плунжерный модуль, размещенный между первым клапанным элементом и клапанной парой, а также содержащий трансмиссионный вал, скрепленный с входной частью ротора, радиально-упорную опору вращения, включающую полый вал, установленный в упомянутой радиально-упорной опоре вращения с возможностью вращения и скрепленный с трансмиссионным валом, и генератор гидромеханических импульсов, расположенный выше по потоку от радиально-упорной опоры вращения, содержащий корпус, выполненный из наружных трубчатых элементов, размещенную внутри корпуса оправку, выполненную из внутренних трубчатых элементов, телескопически соединенных между собой, элементы для передачи крутящего момента между корпусом и оправкой при продольном перемещении относительно друг друга, указанные трубчатые элементы оснащены резьбами, а также содержащий пружинный модуль между корпусом и оправкой, упорную втулку между верхним упорным торцом корпуса и пружинным модулем, указанные наружные трубчатые элементы, имеющие расположенные вдоль верхний и нижний упорные торцы на противоположных краях пружинного модуля, верхний упорный торец первого трубчатого элемента и нижний торец второго трубчатого элемента, одновременно зацепляющие и нагружающие пружинный модуль при продольном сжатии указанных трубчатых элементов относительно друг друга, верхний упорный торец второго трубчатого элемента и нижний упорный торец первого трубчатого элемента, одновременно зацепляющие и нагружающие пружинный модуль при растяжении указанных трубчатых элементов относительно друг друга, кольцевой поршень с уплотнениями на наружной и внутренней поверхностях, установленный между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью оправки, реагирующий на давление текучей среды, а также содержащий уплотнения в верхней части между корпусом и оправкой и камеру для рабочей жидкости - масла, ограниченную уплотнениями в верхней части корпуса и уплотнениями кольцевого поршня между корпусом и оправкой, и упорное кольцо, установленное на внутреннем трубчатом элементе, составляющем нижнюю часть оправки, при этом вращательный привод для передачи момента между оправкой и корпусом при продольном перемещении относительно друг друга снабжен ударным кольцом, установленным в оправке с возможностью продольного перемещения оправки с ударным кольцом внутри упорной втулки, при этом первый клапанный элемент, скрепленный с ротором, снабжен трубчатым хвостовиком, направленным к клапану, внутренняя полость трубчатого хвостовика первого клапанного элемента выполнена с возможностью сообщения с потоком текучей среды на выходе из героторного винтового гидравлического двигателя и образования проточного канала через внутреннюю полость трубчатого хвостовика к клапану, а плунжерный модуль содержит закрепленную внутри него обкладку из эластомера и установлен на трубчатом хвостовике первого клапанного элемента с возможностью вращения и продольного перемещения относительно упомянутого трубчатого хвостовика первого клапанного элемента, при этом первая клапанная пластина выполнена в виде скрепленной с плунжерным модулем дроссельной втулки с проточным каналом, внутренний профиль которого выполнен конфузорным вниз по потоку, максимальное смещение центральной продольной оси проточного канала дроссельной втулки относительно центральной продольной оси обкладки из эластомера в статоре равно удвоенной величине эксцентриситета центральной продольной оси ротора относительно центральной продольной оси обкладки из эластомера в статоре, а максимальное смещение центральной продольной оси проточного канала второй неподвижной втулки относительно центральной продольной оси обкладки из эластомера в статоре равно величине эксцентриситета центральной продольной оси ротора относительно центральной продольной оси обкладки из эластомера в статоре (RU 2645198 С1, 16.02.2018).
Недостатком известного осциллятора является неполная возможность повышения энергетических характеристик пульсирующего давления текучей среды, а также механической мощности генератора гидромеханических импульсов и рабочего диапазона частоты и амплитуды колебаний бурильной колонны при меньших потерях давления.
Недостатки известной конструкции объясняются тем, что клапан, включающий первый клапанный элемент, скрепленный с ротором, снабженный трубчатым хвостовиком, направленным к клапану, внутренняя полость трубчатого хвостовика первого клапанного элемента выполнена с возможностью сообщения с потоком текучей среды на выходе из героторного винтового гидравлического двигателя и образования проточного канала через внутреннюю полость трубчатого хвостовика, и неподвижный клапанный элемент, которые при эксплуатации взаимодействуют, совместно образуя переменное проходное сечение для текучей среды, размещен в выходной части осциллятора, вследствие этого снижаются энергетические характеристики направленных против потока импульсов давления текучей среды через полый вал радиально-упорной опоры вращения и, далее, через перемещающиеся по потоку, изолированные друг от друга камеры между зубьями ротора и оболочки из эластомера статора в героторном винтовом гидравлическом двигателе в сторону генератора гидромеханических импульсов, вследствие этого не обеспечивается механическая мощность генератора гидромеханических импульсов, необходимого для уменьшения сил трения бурильной колонны о стенки скважины, уменьшения крутильных напряжений в бурильной колонне при бурении наклонных и горизонтальных скважин, а также для предотвращения прихвата бурильной колонны, вследствие этого требуется дополнительная механическая мощность (повышенное давление насоса на буровой), необходимая для привода размещенного ниже по потоку от осциллятора в бурильной колонне героторного винтового гидравлического двигателя с долотом для бурения скважины.
Недостатком известного осциллятора является также неполная возможность увеличения ресурса и надежности вследствие того, что он содержит трансмиссионный вал 47, по существу, гибкий торсионный вал 47, скрепленный с входной частью 48 ротора 5 двигателя 1 и выходной частью полого вала 50, установленного в радиально-упорной опоре 49 вращения и скрепленного с торсионным валом 47 при помощи переходника 51, предназначенного для направления потока текучей среды 7 из полого вала 50 на вход героторного винтового гидравлического двигателя 1, вращение ротора 5 в котором осуществляется насосной подачей текучей среды 7 для привода клапана 13 осциллятора, изображено на фиг. 1, 9.
При насосной подаче текучей среды 7 (бурового раствора) на винтовые зубья ротора 5 действует осевая нагрузка, направленная вниз по потоку текучей среды 7, а на торсионный вал действуют эквивалентные напряжения (по Мизесу) от момента затяжки резьбы торсионного вала 47, растягивающей нагрузки, связанной с удержанием ротора 5 в продольном направлении для разгрузки клапана 13 от продольных перемещений, и перекашивающего усилия (эксцентриситета) планетарно вращающегося в обкладке 3 из эластомера ротора 5 с винтовыми зубьями, передающими крутящий момент на торсионный вал 47.
При этом эквивалентные напряжения (по Мизесу) от момента затяжки резьбы торсионного вала 47, а также от растягивающей нагрузки, действующей на торсионный вал 47, связанной с удержанием ротора 5 в продольном направлении для разгрузки клапана 13 от продольных перемещений и перекашивающего усилия (эксцентриситета) планетарно вращающегося в обкладке 3 из эластомера ротора 5 с винтовыми зубьями, не обеспечивают требуемых значений эквивалентных напряжений в критических зонах, по существу, в "зарезьбовых" канавках торсионного вала 47.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение ресурса и надежности осциллятора для бурильной колонны, снижение сил трения бурильной колонны о стенки скважины, уменьшение крутильных напряжений в бурильной колонне, повышение ресурса долота и увеличение скорости проходки при бурении наклонных и горизонтальных скважин путем повышения энергетических характеристик пульсирующего давления текучей среды и механической мощности генератора гидромеханических импульсов с заданной частотой и амплитудой колебаний бурильной колонны при меньших потерях давления за счет того, что скрепленная с корпусом дроссельная втулка неподвижного клапанного элемента размещена примыкающей ниже по потоку к генератору гидромеханических импульсов, внутренний профиль проточного канала скрепленной с корпусом дроссельной втулки неподвижного клапанного элемента выполнен конфузорным вниз по потоку, плунжерный модуль, включающий закрепленную внутри него обкладку из эластомера и установленный на трубчатом хвостовике подвижного клапанного элемента с возможностью вращения и продольного перемещения относительно трубчатого хвостовика клапанного элемента, размещен на входе в героторный винтовой гидравлический двигатель и скреплен с входной частью ротора героторного винтового гидравлического двигателя, подвижный клапанный элемент выполнен в виде скрепленной с плунжерным модулем дроссельной втулки с проточным каналом, внутренний профиль которого выполнен диффузорным вниз по потоку, центральная продольная ось проточного канала установленной в упомянутом плунжерном модуле дроссельной втулки смещена относительно центральной продольной оси ротора героторного винтового гидравлического двигателя, радиально-упорная опора вращения размещена в выходной части осциллятора, а трансмиссионный вал размещен между выходной частью ротора героторного винтового гидравлического двигателя и входной частью полого вала радиально-упорной опоры вращения и скреплен одним краем с выходной частью ротора героторного винтового гидравлического двигателя, а другим краем - с входной частью вала радиально-упорной опоры вращения.
Сущность технического решения заключается в том, что в осцилляторе для бурильной колонны, содержащем героторный винтовой гидравлический двигатель, включающий трубчатый статор с закрепленной в нем обкладкой из эластомера с внутренними винтовыми зубьями и расположенный внутри статора ротор с наружными винтовыми зубьями, вращение ротора осуществляется насосной подачей текучей среды, число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев обкладки из эластомера, ходы винтовых зубьев обкладки из эластомера и ротора пропорциональны их числам зубьев, а центральные продольные оси ротора и обкладки из эластомера в статоре смещены между собой на величину эксцентриситета, и клапан, включающий подвижный клапанный элемент и неподвижный клапанный элемент, подвижный клапанный элемент снабжен установленной в нем первой клапанной пластиной, неподвижный клапанный элемент снабжен установленной в нем второй клапанной пластиной, причем неподвижный клапанный элемент с установленной в нем второй клапанной пластиной образует клапанное отверстие и имеет продольную ось, подвижный клапанный элемент имеет возможность перемещения относительно неподвижного клапанного элемента, а при эксплуатации клапанные элементы взаимодействуют, совместно образуя переменное проходное сечение для текучей среды через клапан, а также содержащем плунжерный модуль, в котором подвижный клапанный элемент снабжен трубчатым хвостовиком, внутренняя полость трубчатого хвостовика подвижного клапанного элемента выполнена с возможностью сообщения с потоком текучей среды и образования проточного канала через внутреннюю полость трубчатого хвостовика, а плунжерный модуль содержит закрепленную внутри него обкладку из эластомера и установлен на трубчатом хвостовике подвижного клапанного элемента с возможностью вращения и продольного перемещения относительно трубчатого хвостовика подвижного клапанного элемента, при этом первая клапанная пластина выполнена в виде скрепленной с плунжерным модулем первой дроссельной втулки с проточным каналом, а вторая клапанная пластина выполнена в виде скрепленной с корпусом второй дроссельной втулки с проточным каналом, а также содержащем трансмиссионный вал, радиально-упорную опору вращения, включающую полый вал, установленный в радиально-упорной опоре вращения с возможностью вращения, и генератор гидромеханических импульсов, содержащий корпус, выполненный из наружных трубчатых элементов, размещенную внутри корпуса оправку, выполненную из внутренних трубчатых элементов, телескопически соединенных между собой, элементы для передачи момента вращения между корпусом и оправкой при продольном перемещении относительно друг друга, указанные трубчатые элементы оснащены резьбами, а также содержащий пружинный модуль между корпусом и оправкой, упорную втулку между верхним упорным торцом корпуса и пружинным модулем, указанные наружные трубчатые элементы, имеющие расположенные вдоль верхний и нижний упорные торцы на противоположных краях пружинного модуля, верхний упорный торец первого трубчатого элемента и нижний торец второго трубчатого элемента, одновременно зацепляющие и нагружающие пружинный модуль при продольном сжатии указанных трубчатых элементов относительно друг друга, верхний упорный торец второго трубчатого элемента и нижний упорный торец первого трубчатого элемента, одновременно зацепляющие и нагружающие пружинный модуль при растяжении указанных трубчатых элементов относительно друг друга, кольцевой поршень с уплотнениями на наружной и внутренней поверхностях, установленный между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью оправки, реагирующий на давление текучей среды, а также содержащий уплотнения в верхней части между корпусом и оправкой и камеру для рабочей жидкости - масла, ограниченную уплотнениями в верхней части корпуса и уплотнениями кольцевого поршня между корпусом и оправкой, и упорное кольцо, установленное на внутреннем трубчатом элементе, составляющем нижнюю часть оправки, при этом привод для передачи момента вращения между оправкой и корпусом при продольном перемещении относительно друг друга снабжен ударным кольцом, установленным в оправке с возможностью продольного перемещения оправки с ударным кольцом внутри упорной втулки, согласно изобретению скрепленная с корпусом дроссельная втулка неподвижного клапанного элемента размещена примыкающей ниже по потоку к генератору гидромеханических импульсов, внутренний профиль проточного канала скрепленной с корпусом дроссельной втулки неподвижного клапанного элемента выполнен конфузорным вниз по потоку, плунжерный модуль, включающий закрепленную внутри него обкладку из эластомера и установленный на трубчатом хвостовике подвижного клапанного элемента с возможностью вращения и продольного перемещения относительно трубчатого хвостовика клапанного элемента, размещен на входе в героторный винтовой гидравлический двигатель и скреплен с входной частью ротора героторного винтового гидравлического двигателя, при этом подвижный клапанный элемент выполнен в виде скрепленной с плунжерным модулем дроссельной втулки с проточным каналом, внутренний профиль которого выполнен диффузорным вниз по потоку, а центральная продольная ось проточного канала установленной в упомянутом плунжерном модуле дроссельной втулки смещена относительно центральной продольной оси ротора героторного винтового гидравлического двигателя, причем максимальное смещение центральной продольной оси проточного канала установленной в плунжерном модуле дроссельной втулки, внутренний профиль которого выполнен диффузорным вниз по потоку, относительно центральной продольной оси ротора героторного винтового гидравлического двигателя, равно величине эксцентриситета центральной продольной оси ротора героторного винтового гидравлического двигателя относительно центральной продольной оси обкладки из эластомера в статоре, при этом радиально-упорная опора вращения размещена в выходной части осциллятора, а трансмиссионный вал размещен между выходной частью ротора героторного винтового гидравлического двигателя и входной частью полого вала радиально-упорной опоры вращения и скреплен одним краем с выходной частью ротора героторного винтового гидравлического двигателя, а другим краем - с входной частью вала радиально-упорной опоры вращения.
Максимальный зазор между торцом дроссельной втулки, скрепленной с плунжерным модулем подвижного клапанного элемента, и торцом дроссельной втулки, скрепленной с корпусом неподвижного клапанного элемента, равен величине эксцентриситета центральной продольной оси трубчатого хвостовика подвижного клапанного элемента относительно центральной продольной оси ротора героторного винтового гидравлического двигателя.
Выполнение осциллятора для бурильной колонны таким образом, что скрепленная с корпусом дроссельная втулка неподвижного клапанного элемента размещена примыкающей ниже по потоку к генератору гидромеханических импульсов, внутренний профиль проточного канала скрепленной с корпусом дроссельной втулки неподвижного клапанного элемента выполнен конфузорным вниз по потоку, плунжерный модуль, включающий закрепленную внутри него обкладку из эластомера и установленный на трубчатом хвостовике подвижного клапанного элемента с возможностью вращения и продольного перемещения относительно трубчатого хвостовика клапанного элемента, размещен на входе в героторный винтовой гидравлический двигатель и скреплен с входной частью ротора героторного винтового гидравлического двигателя, при этом подвижный клапанный элемент выполнен в виде скрепленной с плунжерным модулем дроссельной втулки с проточным каналом, внутренний профиль которого выполнен диффузорным вниз по потоку, а центральная продольная ось проточного канала установленной в упомянутом плунжерном модуле дроссельной втулки смещена относительно центральной продольной оси ротора героторного винтового гидравлического двигателя, причем максимальное смещение центральной продольной оси проточного канала установленной в плунжерном модуле дроссельной втулки, внутренний профиль которого выполнен диффузорным вниз по потоку, относительно центральной продольной оси ротора героторного винтового гидравлического двигателя, равно величине эксцентриситета центральной продольной оси ротора героторного винтового гидравлического двигателя относительно центральной продольной оси обкладки из эластомера в статоре, при этом радиально-упорная опора вращения размещена в выходной части осциллятора, а трансмиссионный вал размещен между выходной частью ротора героторного винтового гидравлического двигателя и входной частью полого вала радиально-упорной опоры вращения и скреплен одним краем с выходной частью ротора героторного винтового гидравлического двигателя, а другим краем - с входной частью вала радиально-упорной опоры вращения, обеспечивает повышение ресурса и надежности осциллятора для бурильной колонны, снижение сил трения бурильной колонны о стенки скважины, уменьшение крутильных напряжений в бурильной колонне, повышение ресурса долота и увеличение скорости проходки при бурении наклонных и горизонтальных скважин путем повышения энергетических характеристик пульсирующего давления текучей среды и механической мощности генератора гидромеханических импульсов с заданной частотой и амплитудой колебаний бурильной колонны при меньших потерях давления.
При насосной подаче текучей среды (бурового раствора) под давлением, например, 25÷35 МПа, на винтовые зубья ротора героторного винтового гидравлического двигателя действует осевая нагрузка, направленная вниз по потоку текучей среды.
Осциллятор содержит трансмиссионный вал, выполненный в виде карданного вала, включающего две муфты, каждая муфта охватывает край вала, между каждой муфтой и краем вала размещен ряд приводных механизмов, выполненных в виде ряда шариков, с возможностью передачи момента вращения и углового перемещения, а также размещены подпятники для восприятия продольной сжимающей нагрузки на вал, а внутри каждой муфты размещено упорное кольцо, закрепленное резьбовой втулкой, с возможностью ограничения перемещения ротора героторного винтового гидравлического забойного двигателя, скрепленного с валом, против потока текучей среды.
Осциллятор содержит радиально-упорную опору вращения, предназначенную для удержания ротора героторного винтового гидравлического двигателя, скрепленного с карданным валом и полым валом упомянутой радиально-упорной опоры вращения от продольных перемещений, связанных с возникновением осевой нагрузки, направленной вниз по потоку текучей среды, а также от веса ротора (при бурении вертикальных скважин).
Такое выполнение осциллятора для бурильной колонны обеспечивает "разгрузку" ротора героторного винтового гидравлического двигателя, скрепленного с карданным валом и полым валом радиально-упорной опоры вращения от продольных перемещений, связанных с возникновением осевой нагрузки, направленной вниз по потоку текучей среды, действующих на механизм привода клапанов, по существу, образует защитный слой текучей среды (бурового раствора) между торцами клапанных втулок, вследствие этого устраняются ударные нагрузки на торцы клапанных втулок из твердого сплава, повышается усталостная прочность клапанных втулок в клапанных элементах, обеспечивается "мягкая" и бесшумная работа клапанной пары.
При этом обеспечивается демпфирование гидродинамических нагрузок, действующих на механизм привода клапанов вследствие того, что скрепленная с корпусом дроссельная втулка неподвижного клапанного элемента размещена примыкающей ниже по потоку к генератору гидромеханических импульсов, внутренний профиль проточного канала скрепленной с корпусом дроссельной втулки неподвижного клапанного элемента выполнен конфузорным вниз по потоку (с критическим сечением), при протекании потока текучей среды через конфузорный канал неподвижной дроссельной втулки с критическим сечением создается перепад давления, на выходе из канала скорость потока увеличивается, вследствие этого давление текучей среды падает, на выходе дроссельной втулки образуется зона пониженного давления, создается перепад давления на дроссельной втулке, который действует на плунжерный модуль и скрепленную с ним дроссельную втулку и стремится переместить плунжерный модуль и скрепленную с ним дроссельную втулку в направлении к торцу неподвижной дроссельной втулки.
Вследствие этого действие потока текучей среды, протекающего из скрепленной с плунжерным модулем дроссельной втулки с проточным каналом, внутренний профиль которого выполнен диффузорным вниз по потоку, внутри плунжерного модуля, включающего закрепленную внутри него обкладку из эластомера и установленный на трубчатом хвостовике подвижного клапанного элемента с возможностью вращения и продольного перемещения относительно трубчатого хвостовика клапанного элемента, размещенного на входе в героторный винтовой гидравлический двигатель и скрепленного с входной частью ротора героторного винтового гидравлического двигателя, в частично перекрытом положении расходного сечения клапана, направлено в противоположном направлении - против потока текучей среды (ротор неподвижно удерживается в продольном направлении карданным валом и полым валом радиально-упорной опоры вращения), и стремится переместить плунжерный модуль и скрепленную с ним дроссельную втулку в направлении против потока, при планетарном вращении ротора двигателя, скрепленного с ним плунжерного модуля и дроссельной втулки эти процессы циклически повторяются, а между торцами клапанных втулок образуется демпфирующий слой текучей среды, предохраняющий торцы клапанных втулок от ударов и износа.
Выполнение осциллятора для бурильной колонны таким образом, что радиально-упорная опора вращения размещена в выходной части осциллятора, а трансмиссионный (карданный) вал размещен между выходной частью ротора героторного винтового гидравлического двигателя и входной частью полого вала радиально-упорной опоры вращения и скреплен одним краем с выходной частью ротора героторного винтового гидравлического двигателя, а другим краем - с входной частью вала радиально-упорной опоры вращения, повышает эквивалентные напряжения (по Мизесу), которые может с учетом запаса прочности воспринимать карданный вал от момента затяжки резьбы карданного вала, в котором определяющей становится сжимающая нагрузка, связанная с удержанием ротора в продольном направлении карданным валом для демпфирования гидродинамических нагрузок, действующих на механизм привода клапанов, и перекашивающего усилия (эксцентриситета) планетарно вращающегося в обкладке из эластомера ротора с винтовыми зубьями, передающими крутящий момент на карданный вал.
Выполнение осциллятора для бурильной колонны таким образом, что максимальный зазор между торцом дроссельной втулки, скрепленной с плунжерным модулем подвижного клапанного элемента, и торцом дроссельной втулки, скрепленной с корпусом неподвижного клапанного элемента, равен величине эксцентриситета центральной продольной оси трубчатого хвостовика подвижного клапанного элемента относительно центральной продольной оси ротора героторного винтового гидравлического двигателя, повышает энергетические характеристики пульсирующего давления текучей среды и механическую мощность генератора гидромеханических импульсов с заданной частотой и амплитудой колебаний бурильной колонны при меньших потерях давления.
Ниже представлен осциллятор ОС-172РС.800 для бурильной колонны, предназначенный для создания гидромеханических импульсов, воздействующих на бурильную колонну в скважине.
На фиг. 1 изображен осциллятор для создания гидромеханических импульсов, воздействующих на бурильную колонну в скважине.
На фиг. 2 изображен элемент I на фиг. 1 плунжерного модуля и клапана, ось диффузорного канала подвижной втулки смещена относительно центральной продольной оси ротора двигателя, максимальный зазор в клапанной паре, соосное расположение конфузорного канала неподвижной втулки и обкладки из эластомера в статоре.
На фиг. 3 изображен элемент I на фиг. 1 плунжерного модуля и клапана, ось диффузорного канала подвижной втулки смещена относительно центральной продольной оси ротора двигателя, минимальный зазор в клапанной паре, минимальное проходное сечение клапана.
На фиг. 4 изображен элемент I на фиг. 1 плунжерного модуля и клапана, соосное расположение проточного канала неподвижной и подвижной втулок, максимальное проходное сечение клапана.
На фиг. 5 изображен разрез А-А на фиг. 3 поперек плунжерного модуля внутри корпуса осциллятора.
На фиг. 6 изображен героторный винтовой гидравлический двигатель, приводящий клапанный механизм осциллятора.
На фиг. 7 изображен разрез Б-Б на фиг. 6 поперек героторного винтового гидравлического двигателя.
На фиг. 8 изображен элемент II на фиг. 1, радиально-упорная опора вращения.
На фиг. 9 изображен элемент III на фиг. 1, генератор гидромеханических импульсов.
На фиг. 10 изображен разрез В-В на фиг. 9 поперек шлицевого соединения между корпусом и оправкой в генераторе гидромеханических импульсов.
На фиг. 11 изображен разрез Г-Г на фиг. 9 поперек разъемного ударного кольца, установленного в кольцевой канавке между торцами наружных шлицев оправки в генераторе гидромеханических импульсов.
Осциллятор для бурильной колонны содержит героторный винтовой гидравлический двигатель 1, включающий трубчатый статор 2 с закрепленной в нем обкладкой 3 из эластомера (упруго-эластичного материала), например, из резины марки R1 (DE), с внутренними винтовыми зубьями 4 и расположенный внутри обкладки 3 из эластомера в трубчатом статоре 2, ротор 5 с наружными винтовыми зубьями 6, вращение ротора 5 осуществляется насосной подачей текучей среды 7 - бурового раствора, который имеет плотность до 1500 кг/м3, содержит до 2% песка и до 5% нефтепродуктов, под давлением, например, 25÷35 МПа, число зубьев 6 ротора 5 на единицу меньше числа зубьев 4 обкладки 3 из эластомера в статоре 2, ход 8, Т внутренних винтовых зубьев 4 в обкладке 3 из эластомера в статоре 2 и ход 9, Т1 наружных винтовых зубьев 6 ротора 2 пропорциональны их числам зубьев, а центральная продольная ось 10 ротора 5 и центральная продольная ось 11 обкладки 3 из эластомера в статоре 2 смещены между собой на величину эксцентриситета 12, е, при этом число заходов, по существу, отношение числа зубьев 6 ротора 5 к числу зубьев 4 обкладки 3 из эластомера составляет 4/5, изображено на фиг. 1, 6, 7.
Ход 8, Т винтовой линии внутренних винтовых зубьев 4 обкладки 3 из эластомера в статоре 2 (или шаг Pz каждого винтового зуба 4) и ход 9, Т1 наружных винтовых зубьев 6 ротора 2 (или шаг Pz каждого винтового зуба 6) равен расстоянию по сосной поверхности между двумя положениями точки, образующей линию винтового зуба, соответствующими ее полному обороту вокруг оси зубчатого колеса, например, вокруг центральной продольной оси 11 обкладки 3 из эластомера, закрепленной в статоре 2, или вокруг центральной продольной оси 10 ротора 5, показано, например, в ГОСТ 16530-83, стр. 17, а также изображено на фиг. 6, 7.
Осциллятор для бурильной колонны содержит клапан 13, включающий подвижный клапанный элемент 14 и неподвижный клапанный элемент 15, подвижный клапанный элемент 14 снабжен установленной в нем первой клапанной пластиной 16, а неподвижный клапанный элемент 15 снабжен установленной в нем второй клапанной пластиной (втулкой) 17, причем неподвижный клапанный элемент 15 с установленной в нем второй клапанной пластиной (втулкой) 17 образует клапанное отверстие 18 и имеет продольную ось 19, подвижный клапанный элемент 14 скреплен с ротором 5 при помощи резьбы 20 с заданным моментом затяжки и выполнен с возможностью перемещения в поперечном направлении 21 при планетарном вращении винтового ротора 5 относительно винтовых зубьев 4 обкладки 3 из эластомера в статоре 2 и одновременном вращении упомянутого ротора 5 вокруг собственной продольной оси 10 в направлении, противоположном направлению планетарного вращения, а также скрепленного резьбой 20 с ротором 5 подвижного клапанного элемента 14 относительно неподвижного клапанного элемента 15, при эксплуатации клапанные элементы 14 и 15 взаимодействуют, совместно образуя переменное проходное сечение 22 для текучей среды 7 через клапан 13, изображено на фиг. 1, 2, 3, 5.
Осциллятор содержит плунжерный модуль 23, размещенный между подвижным клапанным элементом 14 и клапанной парой: 16 и 17, образующей при эксплуатации переменное проходное сечение 22 для текучей среды 7 через клапан 13, изображено на фиг. 1, 2, 4, 5.
Подвижный клапанный элемент 14, жестко скрепленный с ротором 5 резьбой 20, снабжен трубчатым хвостовиком 24, внутренняя полость 25 трубчатого хвостовика 24 подвижного клапанного элемента 14 выполнена с возможностью сообщения при помощи отверстий 26 с потоком текучей среды 7 и образования проточного канала 27 через внутреннюю полость 25 трубчатого хвостовика 24, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.
Плунжерный модуль 23 содержит закрепленную внутри него обкладку 28 из эластомера, например, из резины марки R1 (DE), установлен на трубчатом хвостовике 24 первого клапанного элемента 14 с возможностью вращения относительно наружного пояса 29 трубчатого хвостовика 24 подвижного клапанного элемента 14 и продольного перемещения относительно наружного пояса 29 трубчатого хвостовика 24 подвижного клапанного элемента 14, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.
Первая клапанная пластина 16 выполнена в виде жестко скрепленной (прессовой посадкой) с плунжерным модулем 23 дроссельной втулки 30 (из карбида вольфрама), с проточным каналом 31 (клапанным отверстием 18), внутренний профиль которого выполнен диффузорным вниз по потоку 7, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.
Максимальное смещение 32 центральной продольной оси 19 проточного канала 31 установленной в плунжерном модуле 23 дроссельной втулки 30, внутренний профиль которого выполнен диффузорным вниз по потоку 7, относительно центральной продольной оси 10 ротора 5 героторного винтового гидравлического двигателя 1 равно величине эксцентриситета 12, е, центральной продольной оси 10 ротора 5 героторного винтового гидравлического двигателя 1 относительно центральной продольной оси 11 обкладки 3 из эластомера в статоре 2, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.
Обкладка 28 из эластомера, закрепленная на внутренней поверхности 33 плунжерного модуля 23, выполнена с шестью продольными пазами 34 на внутренней поверхности 35 обкладки 28 с возможностью охлаждения и смазки трущихся частей: наружного пояса 29 трубчатого хвостовика 24 подвижного клапанного элемента 14 и внутренней поверхности 35 обкладки 28 из эластомера частью потока текучей среды 7 на выходе из проточного канала 31 плунжерного модуля 23, установленного на трубчатом хвостовике 24 первого клапанного элемента 14 с возможностью вращения и продольного перемещения (люфта) относительно наружного пояса 29 трубчатого хвостовика 24 подвижного клапанного элемента 14, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.
Осциллятор содержит трансмиссионный вал, выполненный в виде карданного вала 36, включающего две муфты 37 и 38, каждая муфта, соответственно, 37 и 38 охватывает край, соответственно, 39 и 40 карданного вала 36, между каждой муфтой, соответственно, 37 и 38 и краем 39 и 40 карданного вала 36 размещен ряд приводных механизмов, соответственно, 41, 42, выполненных, каждый, в виде ряда из восьми шариков, соответственно, 43, 44, с возможностью передачи момента вращения и углового перемещения, а также размещены сферические подпятники, соответственно, 45, 46 для восприятия продольной сжимающей нагрузки на карданный вал 36, а внутри каждой муфты, соответственно, 37, 38 размещены упорные кольца, соответственно, 47, 48, закрепленные, каждое, резьбовой втулкой, соответственно, 49, 50, с возможностью ограничения перемещения ротора 5 героторного винтового гидравлического двигателя 1, скрепленного с карданным валом 36, против потока текучей среды 7 (при пульсациях давления текучей среды 7), изображено на фиг. 1.
Осциллятор содержит радиально-упорную опору 51 вращения, предназначенную для удержания ротора 5 героторного винтового гидравлического двигателя 1, скрепленного с карданным валом 36, от продольного перемещения, связанного с возникновением осевой нагрузки, направленной вниз по потоку текучей среды 7, а также от веса ротора 5 героторного винтового гидравлического двигателя 1 (при бурении вертикальных скважин), и восприятия сжимающей нагрузки, связанной с удержанием ротора 5 гидравлического двигателя 1 в продольном направлении карданным валом 36, а также для демпфирования гидродинамических нагрузок, действующих на клапан 13, и перекашивающего усилия (эксцентриситета) планетарно вращающегося в обкладке 3 из эластомерного материала ротора 5 с винтовыми зубьями 6, передающими крутящий момент на карданный вал 36, выполненную в виде упорно-радиального многорядного шарикового подшипника 52, и двух идентичных радиальных опор скольжения 53, состоящих, каждая, из наружной втулки 54 и внутренней втулки 55, размещенных в корпусе 56 радиально-упорной опоры 51 вращения, и соответственно, на полом валу 57, изображено на фиг. 1, 8.
Наружная и внутренняя втулки, соответственно, 54 и 55 двух идентичных радиальных опор 53 скольжения выполнены, каждая, в виде единой конструкции с пластинами 58 из твердого сплава, преимущественно из карбида вольфрама, образующими поверхности скольжения между втулками 54 и 55, при этом пластины 58 скреплены в каждой из втулок 54, а также в каждой из втулок 55 между собой пропиткой твердого сплава компонентами связки-припоя, а расплавленный порошок связки-припоя для крепления пластин 58 из твердого сплава содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %: Ni 32÷47, Fe 2, Cr 7÷14, Si 2, WC остальное, при этом полый вал 57 скреплен с муфтой 38 карданного вала 36 переходником 59 при помощи резьбы 60, изображено на фиг. 1, 8.
Осциллятор содержит генератор 61 гидромеханических импульсов и включает корпус 62, выполненный из наружных трубчатых элементов 63, 64, 65, размещенную внутри корпуса 62 оправку 66, выполненную из внутренних трубчатых элементов 67, 68, телескопически соединенных между собой и скрепленных резьбой 69, а также элементы для передачи вращающего момента бурильной колонны - внутренние шлицы 70 внутри наружного трубчатого элемента 63 корпуса 62 и соответствующие им наружные шлицы 71 на внутреннем трубчатом элементе 67 оправки 66 между корпусом 62 и оправкой 66 при продольном перемещении относительно друг друга, изображено на фиг. 1, 9, 10.
В верхней части внутреннего трубчатого элемента 67 выполнена внутренняя резьба 72, предназначенная для соединения с низом верхней части бурильной колонны (не показанной), наружные трубчатые элементы 63 и 64 скреплены резьбой 73, наружные трубчатые элементы 64 и 65 скреплены резьбой 74, в нижней части наружного трубчатого элемента 65 выполнена внутренняя резьба 75, при этом через оправку 66 прокачивается буровой раствор 7, например, полимер - глинистый, содержащий абразивные частицы, например, до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов плотностью 1,16÷1,26 г/см3, при гидростатическом давлении, например, 25÷35 МПа, изображено на фиг. 1, 9.
Генератор 61 гидромеханических импульсов содержит пружинный модуль 76 (тарельчатые пружины) между корпусом 62 (наружными трубчатыми элементами 63, 64, 65) и оправкой 66 (внутренними трубчатыми элементами 67, 68), а также содержит упорную втулку 77 между верхним упорным торцом 78 корпуса 62 (наружного трубчатого элемента 63) и пружинным модулем 76, изображено на фиг. 1, 9.
Генератор 61 гидромеханических импульсов содержит верхний упорный торец 79 шлицев 71 оправки 66 (внутреннего трубчатого элемента 67) и нижний упорный торец 80 корпуса 62 (наружного трубчатого элемента 65), одновременно зацепляющие и нагружающие пружинный модуль 76 при продольном сжатии корпуса 62 и оправки 66 относительно друг друга, изображено на фиг. 1, 9.
Генератор 61 гидромеханических импульсов содержит верхний упорный торец 78 корпуса 62 (наружного трубчатого элемента 63) и нижний упорный торец 81 оправки 66 (внутреннего трубчатого элемента 68), одновременно зацепляющие и нагружающие пружинный модуль 76 (тарельчатые пружины) через упорную втулку 77, расположенную между верхним упорным торцом 78 корпуса 62 (наружного трубчатого элемента 63) и пружинным модулем 76 при растяжении корпуса 62 и оправки 66 относительно друг друга, изображено на фиг. 1, 9.
Генератор 61 гидромеханических импульсов содержит кольцевой (плавающий) поршень 82 с уплотнениями 83 из эластомерного материала на его наружной поверхности 84 и уплотнениями 85 на его внутренней поверхности 86, установленный между внутренней поверхностью 87 наружного трубчатого элемента 65 корпуса 62 и наружной поверхностью 88 внутреннего трубчатого элемента 68 оправки 66, реагирующий на давление текучей среды 7 (бурового раствора), прокачиваемого внутри оправки 66 и корпуса 62 под давлением, например, 25÷35 МПа, изображено на фиг. 1, 9.
Генератор 61 гидромеханических импульсов содержит уплотнения 89 в верхней части 90 между корпусом 62 и оправкой 66 и камеру 91 для рабочей жидкости-масла, например, Mobilube I SHC 75W-90, ограниченную уплотнениями 89 в верхней части 90 корпуса 62 и уплотнениями 83, 85 кольцевого (плавающего) поршня 82 между корпусом 62 и оправкой 66, а также содержит упорное кольцо 92, установленное при помощи резьбы 93 на внутреннем трубчатом элементе 68, составляющем нижнюю часть 94 оправки 66, изображено на фиг. 1, 9.
Кольцевой (плавающий) поршень 82 с уплотнениями 83 на его наружной поверхности 84 и уплотнениями 85 на его внутренней поверхности 86, установленный между внутренней поверхностью 87 наружного трубчатого элемента 65 корпуса 62 и наружной поверхностью 88 внутреннего трубчатого элемента 68 оправки 66, отделяет камеру 91 для рабочей жидкости-масла, например, Mobilube I SHC 75W-90, ограниченную уплотнениями 89 в верхней части 90 корпуса 62 и уплотнениями 83, 85 кольцевого поршня 82 между корпусом 62 и оправкой 66, от внутренней полости 95 оправки 66 и корпуса 62, через которые прокачивается буровой раствор 7 при гидростатическом давлении, например, 25÷35 МПа, что способствует растяжению корпуса 62 и оправки 66 относительно друг друга, изображено на фиг. 1, 9.
В генераторе 61 гидромеханических импульсов привод для передачи момента вращения между оправкой 66 и корпусом 62 (для вращения бурильной колонны) при продольном перемещении относительно друг друга, по существу, элементы для передачи вращающего момента: наружные шлицы 71 части 67 оправки 66 между корпусом 62 и оправкой 66 и соответствующие им внутренние шлицы 70 верхней части 63 корпуса 62, снабжен ударным кольцом 96, установленным во внутреннем трубчатом элементе 67 оправки 66 с возможностью продольного перемещения оправки 66 с ударным кольцом 96 внутри упорной втулки 77, при этом ударное кольцо 96 выполнено разъемным в меридианном направлении 97, состоит из двух частей 98, 99 и установлено в кольцевой канавке 100 между торцами 101 и 102 наружных шлицев 71 внутреннего трубчатого элемента 67 оправки 66 с возможностью продольного перемещения оправки 66 с ударным кольцом 96 (98, 99) внутри упорной втулки 77, размещенной в наружном трубчатом элементе 64 корпуса 62, изображено на фиг. 9, 10, 11.
В генераторе 61 гидромеханических импульсов при растяжении корпуса 62 и оправки 66 относительно друг друга продольный ход составляет, например, величину, равную ширине кольцевой канавки 100 между торцами 101 и 102 наружных шлицов 71 оправки 66 (внутреннего трубчатого элемента 67), а продольный ход 103 при продольном сжатии корпуса 62 и оправки 66 относительно друг друга составляет, например, величину, равную расстоянию от упорного торца 78 наружного трубчатого элемента 63 до торца 104 наружных шлицов 71 оправки 66 (внутреннего трубчатого элемента 67), изображено на фиг. 9, 10, 11.
Продольный ход 103 при сжатии корпуса 62 и оправки 66 относительно друг друга ограничен максимальным ходом ударного кольца 96, состоящего из двух частей 98, 99, внутри упорной втулки 77, размещенной в наружном трубчатом элементе 64 корпуса 62, до упора в торец 78 наружного трубчатого элемента 64, что обеспечивает возможность приложения сверхвысокой нагрузки при работе гидромеханическим ясом (для удара вверх) для освобождения от прихвата в компоновке низа бурильной колонны при бурении наклонных и горизонтальных скважин, изображено на фиг. 9, 10, 11.
Скрепленная с корпусом 105 дроссельная втулка 17 неподвижного клапанного элемента 15 размещена примыкающей ниже по потоку 7 к генератору 61 гидромеханических импульсов, внутренний профиль 106 проточного канала 107 скрепленной с корпусом 105 дроссельной втулки 17 неподвижного клапанного элемента 15 выполнен конфузорным вниз по потоку 7, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.
Плунжерный модуль 23, включающий закрепленную внутри него обкладку 28 из эластомера, например, из резины марки R1 (DE), установленный на трубчатом хвостовике 24 подвижного клапанного элемента 14 с возможностью вращения и продольного перемещения относительно трубчатого хвостовика 24 клапанного элемента 14, размещен на входе 108 в героторный винтовой гидравлический двигатель 1 и скреплен с входной частью 109 ротора 5 героторного винтового гидравлического двигателя 1 резьбой 20, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.
Подвижный клапанный элемент 14 выполнен в виде скрепленной (прессовой посадкой) с плунжерным модулем 23 дроссельной втулки 30 с проточным каналом 31, внутренний профиль которого выполнен диффузорным вниз по потоку 7, а центральная продольная ось 19 проточного канала 31 установленной в упомянутом плунжерном модуле 23 дроссельной втулки 30 смещена относительно центральной продольной оси 10 ротора 5 героторного винтового гидравлического двигателя 1, причем максимальное смещение 32 центральной продольной оси 19 проточного канала 31 установленной в плунжерном модуле 23 дроссельной втулки 30, внутренний профиль которого выполнен диффузорным вниз по потоку 7, относительно центральной продольной оси 10 ротора 5 героторного винтового гидравлического двигателя 1 равно величине эксцентриситета 12, е, центральной продольной оси 10 ротора 5 героторного винтового гидравлического двигателя 1 относительно центральной продольной оси 11 обкладки 3 из эластомера в статоре 2, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.
Радиально-упорная опора 51 вращения, предназначенная для удержания ротора 5 героторного винтового гидравлического двигателя 1, скрепленного с карданным валом 36, от продольного перемещения, связанного с возникновением осевой нагрузки, направленной вниз по потоку текучей среды 7, а также от веса ротора 5 героторного винтового гидравлического двигателя 1 (при бурении вертикальных скважин), и восприятия сжимающей нагрузки, связанной с удержанием ротора 5 гидравлического двигателя 1 в продольном направлении карданным валом 36, а также для демпфирования гидродинамических нагрузок, действующих на клапан 13, и перекашивающего усилия (эксцентриситета) планетарно вращающегося в обкладке 3 из эластомерного материала ротора 5 с винтовыми зубьями 6, передающими крутящий момент на карданный вал 36, выполненную в виде упорно-радиального многорядного шарикового подшипника 52, и двух идентичных радиальных опор скольжения 53, состоящих, каждая, из наружной втулки 54 и внутренней втулки 55, размещенных в корпусе 56 радиально-упорной опоры 51 вращения, и соответственно, на полом валу 57, размещена в выходной части - в корпусе 56 осциллятора, изображено на фиг. 1, 8.
Трансмиссионный вал, выполненный в виде карданного вала 36, включающего две муфты 37 и 38, каждая муфта, соответственно, 37 и 38 охватывает край, соответственно, 39 и 40 карданного вала 36, между каждой муфтой, соответственно, 37 и 38 и краем 39 и 40 карданного вала 36 размещен ряд приводных механизмов, соответственно, 41, 42, выполненных, каждый, в виде ряда из восьми шариков, соответственно, 43, 44, с возможностью передачи момента вращения и углового перемещения, а также размещены сферические подпятники, соответственно, 45, 46 для восприятия продольной сжимающей нагрузки на карданный вал 36, а внутри каждой муфты, соответственно, 37, 38 размещены упорные кольца, соответственно, 47, 48, закрепленные, каждое, резьбовой втулкой, соответственно, 49, 50, с возможностью ограничения перемещения ротора 5 героторного винтового гидравлического двигателя 1, скрепленного с карданным валом 36, против потока текучей среды 7 (при пульсациях давления текучей среды 7), размещен между выходной частью 110 ротора 5 героторного винтового гидравлического двигателя 1 и входной частью - переходника 59, скрепленного с полый валом 57 радиально-упорной опоры вращения 52, изображено на фиг. 1. 6, 8.
Трансмиссионный вал, выполненный в виде карданного вала 36, скреплен одним краем - муфтой 37 карданного вала 36 с выходной частью 110 ротора 5 героторного винтового гидравлического двигателя 1 при помощи резьбы 111, а другим краем: муфтой 38 карданного вала 36 и переходником 59 - с входной частью 112 полого вала 57 радиально-упорной опоры вращения 52 при помощи резьбы 60, изображено на фиг. 1. 6, 8.
Максимальный зазор 113 между торцом 114 дроссельной втулки 30, скрепленной с плунжерным модулем 23 подвижного клапанного элемента 14, и торцом 115 дроссельной втулки 17, скрепленной с корпусом 105 совместно с неподвижным клапанным элементом 15, равен величине эксцентриситета 12, е центральной продольной оси 19 трубчатого хвостовика 24 подвижного клапанного элемента 14 относительно центральной продольной оси 10 ротора 5 героторного винтового гидравлического двигателя 1, изображено на фиг. 1. 2, 3.
При этом наружный пояс 29 трубчатого хвостовика 24 подвижного клапанного элемента 14, проточный канал 18, 31 дроссельной втулки 16, 30, внутренний профиль которого выполнен диффузорным вниз по потоку 7, и проточный канал 27 для текучей среды 7 через внутреннюю полость 25 трубчатого хвостовика 24 на вход 108 героторного винтового гидравлического двигателя 1 расположены соосно между собой, изображено на фиг. 2, 3, 5, 6.
Кроме того, поз.116 - наружная резьба корпуса 56 радиально-упорной опоры 51 вращения, предназначенная для соединения с верхом нижней части бурильной колонны (не показанной), изображено на фиг. 1.
В скважинах регионов Российской Федерации в КНБК используют героторные винтовые гидравлические двигатели и гидравлические ясы (патенты RU 2515627, RU 2439284, ООО "Фирма "Радиус-Сервис), а также заявляемый осциллятор для бурильной колонны для проходки наклонно-направленных скважин с горизонтальным окончанием.
Осциллятор для бурильной колонны размещают в бурильной колонне над бурильным ясом и утяжеленной бурильной трубой, в КНБК содержится героторный гидравлический двигатель Д-172РС с регулятором угла перекоса и долотом, а также скважинные модули телеметрической системы-модули измерения (MWD) и каротажа (LWD).
Проходку горизонтальной скважины осуществляют с вращением бурильной колонны ротором бурового станка 5000ЭУ с частотой вращения 20÷30 об/мин, при совместной работе героторного винтового гидравлического двигателя, вращающего долото, при этом поток бурового раствора 7 обеспечивает промывку забоя скважины и вынос на поверхность выбуриваемой породы.
Осциллятор для бурильной колонны работает следующим образом: поток бурового раствора 7, содержащего твердые абразивные частицы, например, до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов полимер - глинистого бурового раствора плотностью 1,16÷1,26 г/см3, прокачивают насосом буровой установки при гидростатическом давлении, например, 25÷35 МПа, через колонну бурильных труб.
Буровой раствор 7 прокачивают через внутреннюю полость 95 оправки 66, скрепленной резьбой 72 с низом верхней части бурильной колонны, в генераторе 61 гидромеханических импульсов, при этом кольцевой (плавающий) поршень 82 с уплотнениями 83 на его наружной поверхности 84 и уплотнениями 85 на его внутренней поверхности 86, установленный между внутренней поверхностью 87 наружного трубчатого элемента 65 корпуса 62 и наружной поверхностью 88 внутреннего трубчатого элемента 68 оправки 66, воздействует на камеру 91 для рабочей жидкости-масла, ограниченную уплотнениями 89 в верхней части 90 корпуса 62 и уплотнениями 83, 85 кольцевого поршня 82 между корпусом 62 и оправкой 66 от внутренней полости 95 оправки 66 и корпуса 62, через которые прокачивается буровой раствор 7 при гидростатическом давлении, что способствует растяжению корпуса 62 и оправки 66 относительно друг друга и постоянной готовности генератора 61 гидромеханических импульсов к работе в скважине, изображено на фиг. 1, 9.
Буровой раствор 7 прокачивают через скрепленную с частью 105 корпуса 62 дроссельную втулку 17 неподвижного клапанного элемента 15, которая размещена примыкающей ниже по потоку 7 к генератору 61 гидромеханических импульсов, причем внутренний профиль 106 проточного канала 107 скрепленной с частью 105 корпуса 62 дроссельной втулки 17 неподвижного клапанного элемента 15 выполнен конфузорным вниз по потоку 7, далее буровой раствор 7 прокачивают через подвижный клапанный элемент 14 выполненный в виде скрепленной с плунжерным модулем 23 дроссельной втулки 30 с проточным каналом 31, внутренний профиль которого выполнен диффузорным вниз по потоку 7, далее буровой раствор 7 прокачивают через многозаходные винтовые (шлюзовые) камеры между наружными винтовыми зубьями 6 винтового ротора 5 гидравлического двигателя 1 и внутренними винтовыми зубьями 4 обкладки 3 из эластомера, закрепленной в статоре 2, при этом поток бурового раствора 7 образует область высокого давления и момент от гидравлических сил, который приводит в планетарно-роторное вращение ротор 5 гидравлического двигателя 1 внутри эластомерной обкладки 3, закрепленной в статоре 2, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.
Винтовые многозаходные (изолированные) камеры между винтовыми зубьями ротора 5 и винтовыми зубьями эластомерной обкладки 3, закрепленной в статоре 2, под действием насосной подачи текучей среды-бурового раствора 7 периодически перемещаются по потоку бурового раствора 7.
При насосной подаче текучей среды 7 (бурового раствора) под давлением, например, 25÷35 МПа, на винтовые зубья 6 ротора 5 героторного винтового гидравлического двигателя 1 действует осевая нагрузка, направленная вниз по потоку текучей среды 7.
Планетарно-роторное вращение винтового ротора 5 внутри обкладки 3 из эластомера, закрепленной в статоре 2, передает вращающий момент (в противоположном направлении) на плунжерный модуль 23, размещенный между подвижным клапанным элементом 14 и клапанной парой: 16 и 17, образующей при эксплуатации переменное проходное сечение 22 для текучей среды 7 через клапан 13, а также на трансмиссионный вал, выполненный в виде карданного вала 36, скрепленный одним краем - муфтой 37 карданного вала 36 с выходной частью 110 ротора 5 героторного винтового гидравлического двигателя 1 при помощи резьбы 111, а другим краем: муфтой 38 карданного вала 36 и переходником 59 - с входной частью 112 полого вала 57 радиально-упорной опоры вращения 52 при помощи резьбы 60, а также на радиально-упорную опору 51 вращения, предназначенную для удержания ротора 5 героторного винтового гидравлического двигателя 1, скрепленного с карданным валом 36, от продольного перемещения, связанного с возникновением осевой нагрузки, направленной вниз по потоку текучей среды 7, а также от веса ротора 5 героторного винтового гидравлического двигателя 1 (при бурении вертикальных скважин), и восприятия сжимающей нагрузки, связанной с удержанием ротора 5 гидравлического двигателя 1 в продольном направлении карданным валом 36, а также для демпфирования гидродинамических нагрузок, действующих на клапан 13, и перекашивающего усилия (эксцентриситета) планетарно вращающегося в обкладке 3 из эластомерного материала ротора 5 с винтовыми зубьями 6, передающими крутящий момент на карданный вал 36, выполненную в виде упорно-радиального многорядного шарикового подшипника 52, и двух идентичных радиальных опор скольжения 53, состоящих, каждая, из наружной втулки 54 и внутренней втулки 55, размещенных в корпусе 56 радиально-упорной опоры 51 вращения, и соответственно, на полом валу 57, размещенную в выходной части - в корпусе 56 осциллятора.
Подвижный клапанный элемент 14, жестко скрепленный с ротором 5 резьбой 20, снабжен трубчатым хвостовиком 24, при этом внутренняя полость 25 трубчатого хвостовика 24 подвижного клапанного элемента 14 сообщается при помощи отверстий 26 с потоком текучей среды 7 и образует проточный канал 27 через внутреннюю полость 25 трубчатого хвостовика 24, а плунжерный модуль 23, содержащий закрепленную внутри него обкладку 28 из эластомера и установленный на трубчатом хвостовике 24 первого клапанного элемента 14, вращается относительно наружного пояса 29 трубчатого хвостовика 24 подвижного клапанного элемента 14 с возможностью продольного перемещения (люфта) относительно наружного пояса 29 трубчатого хвостовика 24 подвижного клапанного элемента 14, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.
Обкладка 28 из эластомера, закрепленная на внутренней поверхности 33 плунжерного модуля 23, выполненная с продольными пазами 34 на внутренней поверхности 35 обкладки 28, обеспечивает демпфирование плунжерного модуля 23, а также смазку и охлаждение буровым раствором 7 наружного пояса 29 трубчатого хвостовика 24 подвижного клапанного элемента 14 при вращении и продольном перемещении плунжерного модуля 23, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.
Изменение переменного проходного сечения 22 для бурового раствора 7 через плунжерный модуль 23 и клапан 13 создает пульсацию давления в буровом растворе 7, действие которой передается на кольцевой поршень 82 с уплотнениями 83 на наружной поверхности 84 и уплотнениями 85 на внутренней поверхности 86, установленный между внутренней поверхностью 88 наружного трубчатого элемента 65 корпуса 62 и наружной поверхностью 88 внутреннего трубчатого элемента 68 оправки 66, реагирующий на давление бурового раствора 7, прокачиваемого внутри оправки 66 и корпуса 62 под давлением 25÷35 МПа, в генераторе 62 гидромеханических импульсов, выполненном из наружных трубчатых элементов 63, 64, 65, размещенную внутри корпуса 62 оправку 66, выполненную из внутренних трубчатых элементов 67, 68, телескопически соединенных между собой и скрепленных резьбой 69, а также элементов для передачи вращающего момента бурильной колонны - внутренних шлиц 70 внутри наружного трубчатого элемента 63 корпуса 62 и наружных шлиц 71 на внутреннем трубчатом элементе 67 оправки 66 между корпусом 62 и оправкой 66 при продольном перемещении относительно друг друга, изображено на фиг. 1, 9, 10.
При этом генератор 61 гидромеханических импульсов, реагирующий на давление текучей среды 7 (бурового раствора), прокачиваемого внутри оправки 66 и корпуса 62 под давлением 25÷35 МПа, возбуждает продольные циклические колебания бурильной колонны с частотой 12÷19 Гц при расходе бурового раствора 30 л/с.
Выполнении осциллятора для бурильной колонны таким образом, что скрепленная с корпусом 105 дроссельная втулка 17 неподвижного клапанного элемента 15 размещена примыкающей ниже по потоку 7 к генератору 61 гидромеханических импульсов, внутренний профиль 106 проточного канала 107 скрепленной с корпусом 105 дроссельной втулки 17 неподвижного клапанного элемента 15 выполнен конфузорным вниз по потоку 7, плунжерный модуль 23, включающий закрепленную внутри него обкладку 28 из эластомера, установленный на трубчатом хвостовике 24 подвижного клапанного элемента 14 с возможностью вращения и продольного перемещения относительно трубчатого хвостовика 24 клапанного элемента 14, размещен на входе 108 в героторный винтовой гидравлический двигатель 1 и скреплен с входной частью 109 ротора 5 героторного винтового гидравлического двигателя 1 резьбой 20, при этом подвижный клапанный элемент 14 выполнен в виде скрепленной с плунжерным модулем 23 дроссельной втулки 30 с проточным каналом 31, внутренний профиль которого выполнен диффузорным вниз по потоку 7, а центральная продольная ось 19 проточного канала 31 установленной в упомянутом плунжерном модуле 23 дроссельной втулки 30 смещена относительно центральной продольной оси 10 ротора 5 героторного винтового гидравлического двигателя 1, а максимальное смещение 32 центральной продольной оси 19 проточного канала 31 установленной в плунжерном модуле 23 дроссельной втулки 30, внутренний профиль которого выполнен диффузорным вниз по потоку 7, относительно центральной продольной оси 10 ротора 5 героторного винтового гидравлического двигателя 1 равно величине эксцентриситета 12, е, центральной продольной оси 10 ротора 5 героторного винтового гидравлического двигателя 1 относительно центральной продольной оси 11 обкладки 3 из эластомера в статоре 2, при этом радиально-упорная опора 51 вращения, предназначенная для удержания ротора 5 героторного винтового гидравлического двигателя 1, скрепленного с карданным валом 36, от продольного перемещения, связанного с возникновением осевой нагрузки, направленной вниз по потоку текучей среды 7, а также от веса ротора 5 героторного винтового гидравлического двигателя 1 и восприятия сжимающей нагрузки, связанной с удержанием ротора 5 гидравлического двигателя 1 в продольном направлении карданным валом 36, а также для демпфирования гидродинамических нагрузок, действующих на клапан 13, и перекашивающего усилия планетарно вращающегося в обкладке 3 из эластомера ротора 5 с винтовыми зубьями 6, передающими крутящий момент на карданный вал 36, выполненную в виде упорно-радиального многорядного шарикового подшипника 52, размещена в выходной части - в корпусе 56 осциллятора, при этом трансмиссионный вал, выполненный в виде карданного вала 36, скреплен одним краем - муфтой 37 карданного вала 36 с выходной частью 110 ротора 5 героторного винтового гидравлического двигателя 1 при помощи резьбы 111, а другим краем: муфтой 38 карданного вала 36 и переходником 59 - с входной частью 112 полого вала 57 радиально-упорной опоры вращения 52 при помощи резьбы 60, обеспечивает повышение ресурса и надежности осциллятора для бурильной колонны, снижение сил трения бурильной колонны о стенки скважины, уменьшение крутильных напряжений в бурильной колонне, повышение ресурса долота и увеличение скорости проходки при бурении наклонных и горизонтальных скважин путем повышения энергетических характеристик пульсирующего давления текучей среды и механической мощности генератора гидромеханических импульсов и рабочего диапазона частоты и амплитуды колебаний бурильной колонны при меньших потерях давления.
Выполнении осциллятора для бурильной колонны таким образом, что плунжерный модуль 23 содержит закрепленную внутри него обкладку 28 из эластомера установлен на трубчатом хвостовике 24 первого клапанного элемента 14 с возможностью вращения относительно наружного пояса 29 трубчатого хвостовика 24 подвижного клапанного элемента 14 и продольного перемещения относительно наружного пояса 29 трубчатого хвостовика 24 подвижного клапанного элемента 14, при этом обкладка 28 из эластомера, закрепленная на внутренней поверхности 33 плунжерного модуля 23, выполнена с шестью продольными пазами 34 на внутренней поверхности 35 обкладки 28 с возможностью охлаждения и смазки трущихся частей: наружного пояса 29 трубчатого хвостовика 24 подвижного клапанного элемента 14 и внутренней поверхности 35 обкладки 28 из упруго-эластичного материала частью потока текучей среды 7 на выходе из проточного канала 31 плунжерного модуля 23, установленного на трубчатом хвостовике 24 первого клапанного элемента 14 с возможностью вращения и продольного перемещения (люфта) относительно наружного пояса 29 трубчатого хвостовика 24 подвижного клапанного элемента 14, обеспечивает гидрокомпенсацию клапанных втулок 31,17 потоком текучей среды 7, по существу образует защитный слой текучей среды 7 (бурового раствора) между торцами 44 и 45 клапанных втулок 30 и 17, вследствие этого уменьшаются ударные нагрузки на торцы 114 и 115 клапанных втулок 30 и 17 из твердого сплава, повышается усталостная выносливость и прочность клапанных втулок 30 и 17 из твердого сплава в клапанных элементах 14, 15, обеспечивается "мягкая" и бесшумная работа клапана 13.
Выполнении осциллятора для бурильной колонны таким образом, что в генераторе 61 гидромеханических импульсов содержится привод для передачи момента вращения между оправкой 66 и корпусом 62 (для вращения бурильной колонны) при продольном перемещении относительно друг друга, по существу, элементы для передачи вращающего момента: наружные шлицы 71 части 67 оправки 66 между корпусом 62 и оправкой 66 и соответствующие им внутренние шлицы 70 верхней части 63 корпуса 62, снабженный ударным кольцом 96, установленным во внутреннем трубчатом элементе 67 оправки 66 с возможностью продольного перемещения оправки 66 с ударным кольцом 96 внутри упорной втулки 77, при этом ударное кольцо 96 выполнено разъемным в меридианном направлении 97, состоит из двух частей 98, 99 и установлено в кольцевой канавке 100 между торцами 101 и 102 наружных шлицев 71 внутреннего трубчатого элемента 67 оправки 66 с возможностью продольного перемещения оправки 66 с ударным кольцом 96 (98, 99) внутри упорной втулки 77, размещенной в наружном трубчатом элементе 64 корпуса 62, обеспечивается возможность приложения сверхвысокой осевой нагрузки (190000 кгс) на осциллятор при работе гидромеханическим ясом (для удара вверх) в компоновке бурильной колонны для освобождения от прихвата.
Изобретение обеспечивает повышение ресурса и надежности осциллятора для бурильной колонны, снижение сил трения бурильной колонны о стенки скважины, уменьшение крутильных напряжений в бурильной колонне, повышение ресурса долота и увеличение скорости проходки при бурении наклонных и горизонтальных скважин путем повышения энергетических характеристик пульсирующего давления текучей среды и механической мощности генератора гидромеханических импульсов с заданной частотой и амплитудой колебаний бурильной колонны при меньших потерях давления.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ОСЦИЛЛЯТОР ДЛЯ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ | 2016 |
|
RU2645198C1 |
| ОСЦИЛЛЯТОР ДЛЯ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ | 2022 |
|
RU2791761C1 |
| ОСЦИЛЛЯТОР БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ | 2021 |
|
RU2768784C1 |
| ОСЦИЛЛЯТОР БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ | 2023 |
|
RU2820910C1 |
| ОСЦИЛЛЯТОР ДЛЯ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ | 2022 |
|
RU2781681C1 |
| ОСЦИЛЛЯТОР ДЛЯ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ | 2014 |
|
RU2565316C1 |
| ОСЦИЛЛЯТОР БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ | 2020 |
|
RU2750144C1 |
| ГЕРОТОРНЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ | 2017 |
|
RU2669603C1 |
| Ударно-вращательное устройство для бурильной колонны | 2017 |
|
RU2664737C1 |
| ГЕРОТОРНЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ | 2023 |
|
RU2813646C1 |
Изобретение относится к гидравлическим приводам для вращательного бурения, размещаемым в скважинах, в частности к осцилляторам для бурильной колонны, предназначенным для создания гидромеханических импульсов, воздействующих на бурильную колонну. Осциллятор содержит героторный винтовой гидравлический двигатель, клапан, плунжерный модуль, трансмиссионный вал, радиально-упорную опору вращения, генератор гидромеханических импульсов, пружинный модуль. Клапан включает подвижный клапанный элемент и неподвижный клапанный элемент. Подвижный клапанный элемент снабжен установленной в нем первой клапанной пластиной и имеет возможность перемещения относительно неподвижного клапанного элемента. Неподвижный клапанный элемент снабжен установленной в нем второй клапанной пластиной, образует с ней клапанное отверстие и имеет продольную ось. При эксплуатации клапанные элементы взаимодействуют, совместно образуя переменное проходное сечение для текучей среды через клапан. Подвижный клапанный элемент снабжен трубчатым хвостовиком, внутренняя полость которого выполнена с возможностью сообщения с потоком текучей среды и образования проточного канала через внутреннюю полость трубчатого хвостовика. Первая клапанная пластина выполнена в виде скрепленной с плунжерным модулем первой дроссельной втулки с проточным каналом. Вторая клапанная пластина выполнена в виде скрепленной с корпусом второй дроссельной втулки с проточным каналом. Дроссельная втулка неподвижного клапанного элемента размещена примыкающей ниже по потоку к генератору гидромеханических импульсов. Внутренний профиль проточного канала дроссельной втулки неподвижного клапанного элемента выполнен конфузорным вниз по потоку. Плунжерный модуль размещен на входе в героторный винтовой гидравлический двигатель и скреплен с входной частью ротора героторного винтового гидравлического двигателя. Подвижный клапанный элемент выполнен в виде скрепленной с плунжерным модулем дроссельной втулки с проточным каналом, внутренний профиль которого выполнен диффузорным вниз по потоку. Центральная продольная ось проточного канала установленной в плунжерном модуле дроссельной втулки смещена относительно центральной продольной оси ротора героторного винтового гидравлического двигателя, ее максимальное смещение относительно центральной продольной оси ротора героторного винтового гидравлического двигателя равно величине эксцентриситета центральной продольной оси ротора героторного винтового гидравлического двигателя относительно центральной продольной оси обкладки из эластомера в статоре. Радиально-упорная опора вращения размещена в выходной части осциллятора, а трансмиссионный вал размещен между выходной частью ротора героторного винтового гидравлического двигателя и входной частью полого вала радиально-упорной опоры вращения и скреплен одним краем с выходной частью ротора героторного винтового гидравлического двигателя, а другим краем - с входной частью вала радиально-упорной опоры вращения. Обеспечивается повышение ресурса и надежности осциллятора, снижение сил трения бурильной колонны о стенки скважины, уменьшение крутильных напряжений в бурильной колонне, повышение ресурса долота и увеличение скорости проходки при бурении наклонных и горизонтальных скважин. 1 з.п. ф-лы, 11 ил.
1. Осциллятор для бурильной колонны, содержащий героторный винтовой гидравлический двигатель, включающий трубчатый статор с закрепленной в нем обкладкой из эластомера с внутренними винтовыми зубьями и расположенный внутри статора ротор с наружными винтовыми зубьями, вращение ротора осуществляется насосной подачей текучей среды, число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев обкладки из эластомера, ходы винтовых зубьев обкладки из эластомера и ротора пропорциональны их числам зубьев, а центральные продольные оси ротора и обкладки из эластомера в статоре смещены между собой на величину эксцентриситета, и клапан, включающий подвижный клапанный элемент и неподвижный клапанный элемент, подвижный клапанный элемент снабжен установленной в нем первой клапанной пластиной, неподвижный клапанный элемент снабжен установленной в нем второй клапанной пластиной, причем неподвижный клапанный элемент с установленной в нем второй клапанной пластиной образует клапанное отверстие и имеет продольную ось, подвижный клапанный элемент имеет возможность перемещения относительно неподвижного клапанного элемента, а при эксплуатации клапанные элементы взаимодействуют, совместно образуя переменное проходное сечение для текучей среды через клапан, а также содержащий плунжерный модуль, в котором подвижный клапанный элемент снабжен трубчатым хвостовиком, внутренняя полость трубчатого хвостовика подвижного клапанного элемента выполнена с возможностью сообщения с потоком текучей среды и образования проточного канала через внутреннюю полость трубчатого хвостовика, а плунжерный модуль содержит закрепленную внутри него обкладку из эластомера и установлен на трубчатом хвостовике подвижного клапанного элемента с возможностью вращения и продольного перемещения относительно трубчатого хвостовика подвижного клапанного элемента, при этом первая клапанная пластина выполнена в виде скрепленной с плунжерным модулем первой дроссельной втулки с проточным каналом, а вторая клапанная пластина выполнена в виде скрепленной с корпусом второй дроссельной втулки с проточным каналом, а также содержащий трансмиссионный вал, радиально-упорную опору вращения, включающую полый вал, установленный в радиально-упорной опоре вращения с возможностью вращения, и генератор гидромеханических импульсов, содержащий корпус, выполненный из наружных трубчатых элементов, размещенную внутри корпуса оправку, выполненную из внутренних трубчатых элементов, телескопически соединенных между собой, элементы для передачи момента вращения между корпусом и оправкой при продольном перемещении относительно друг друга, указанные трубчатые элементы оснащены резьбами, а также содержащий пружинный модуль между корпусом и оправкой, упорную втулку между верхним упорным торцом корпуса и пружинным модулем, указанные наружные трубчатые элементы, имеющие расположенные вдоль верхний и нижний упорные торцы на противоположных краях пружинного модуля, верхний упорный торец первого трубчатого элемента и нижний торец второго трубчатого элемента, одновременно зацепляющие и нагружающие пружинный модуль при продольном сжатии указанных трубчатых элементов относительно друг друга, верхний упорный торец второго трубчатого элемента и нижний упорный торец первого трубчатого элемента, одновременно зацепляющие и нагружающие пружинный модуль при растяжении указанных трубчатых элементов относительно друг друга, кольцевой поршень с уплотнениями на наружной и внутренней поверхностях, установленный между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью оправки, реагирующий на давление текучей среды, а также содержащий уплотнения в верхней части между корпусом и оправкой и камеру для рабочей жидкости - масла, ограниченную уплотнениями в верхней части корпуса и уплотнениями кольцевого поршня между корпусом и оправкой, и упорное кольцо, установленное на внутреннем трубчатом элементе, составляющем нижнюю часть оправки, при этом привод для передачи момента вращения между оправкой и корпусом при продольном перемещении относительно друг друга снабжен ударным кольцом, установленным в оправке с возможностью продольного перемещения оправки с ударным кольцом внутри упорной втулки, отличающийся тем, что скрепленная с корпусом дроссельная втулка неподвижного клапанного элемента размещена примыкающей ниже по потоку к генератору гидромеханических импульсов, внутренний профиль проточного канала скрепленной с корпусом дроссельной втулки неподвижного клапанного элемента выполнен конфузорным вниз по потоку, плунжерный модуль, включающий закрепленную внутри него обкладку из эластомера и установленный на трубчатом хвостовике подвижного клапанного элемента с возможностью вращения и продольного перемещения относительно трубчатого хвостовика клапанного элемента, размещен на входе в героторный винтовой гидравлический двигатель и скреплен с входной частью ротора героторного винтового гидравлического двигателя, при этом подвижный клапанный элемент выполнен в виде скрепленной с плунжерным модулем дроссельной втулки с проточным каналом, внутренний профиль которого выполнен диффузорным вниз по потоку, а центральная продольная ось проточного канала установленной в упомянутом плунжерном модуле дроссельной втулки смещена относительно центральной продольной оси ротора героторного винтового гидравлического двигателя, причем максимальное смещение центральной продольной оси проточного канала установленной в плунжерном модуле дроссельной втулки, внутренний профиль которого выполнен диффузорным вниз по потоку, относительно центральной продольной оси ротора героторного винтового гидравлического двигателя, равно величине эксцентриситета центральной продольной оси ротора героторного винтового гидравлического двигателя относительно центральной продольной оси обкладки из эластомера в статоре, при этом радиально-упорная опора вращения размещена в выходной части осциллятора, а трансмиссионный вал размещен между выходной частью ротора героторного винтового гидравлического двигателя и входной частью полого вала радиально-упорной опоры вращения и скреплен одним краем с выходной частью ротора героторного винтового гидравлического двигателя, а другим краем - с входной частью вала радиально-упорной опоры вращения.
2. Осциллятор для бурильной колонны по п. 1, отличающийся тем, что максимальный зазор между торцом дроссельной втулки, скрепленной с плунжерным модулем подвижного клапанного элемента, и торцом дроссельной втулки, скрепленной с корпусом неподвижного клапанного элемента, равен величине эксцентриситета центральной продольной оси трубчатого хвостовика подвижного клапанного элемента относительно центральной продольной оси ротора героторного винтового гидравлического двигателя.
| ОСЦИЛЛЯТОР ДЛЯ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ | 2016 |
|
RU2645198C1 |
| ВИБРАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН | 2000 |
|
RU2186926C1 |
| УДАРНО-ВРАЩАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ) | 2005 |
|
RU2362866C2 |
| ОСЦИЛЛЯТОР ДЛЯ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ | 2014 |
|
RU2565316C1 |
| RU 2018118736 А, 21.11.2019 | |||
| US 6279670 B1, 28.08.2001 | |||
| Станок для придания концам круглых радиаторных трубок шестигранного сечения | 1924 |
|
SU2019A1 |
