Устройство для стабилизации забойных двигателей в скважине Советский патент 1992 года по МПК E21B4/16 

Изобретение относится к горному делу, к устройствам для бурения глубоких скважин, в частности к устройствам для предотвращения изгиба бурильной колонны и для стабилизации работы забойных двигателей в скважине.

Известны устройства для регулирования частоты вращения валов забойных двигателей, состоящие из планетарных редукторов с внутренним зацеплением и сателлитами, оси которых закреплены в води- ле, соединенном с тихоходным валом.

Недостатком известных устройств является невозможность регулирования частоты вращения в зависимости от характера буримых пород, а также то, что проблема гашения реактивного крутящего момента на статоре остается нерешенной. Статор тормозится колонной бурильных труб с жесткой зарепленным верхним концом, но при этом происходят потери осевой нагрузки в спирально изогнутой колонне.

Известно также устройство для стабилизации забойных двигателей в скважине, содержащее корпус, размещенную внутри корпуса планетарную редукторную передачу, тормозную систему, центральный и периферийный породоразрушающие инструменты с лапами и промывочными каналами.

Недостатком известного устройства, выбранного в качестве прототипа,является

Ј

О N

невозможность автоматической дифференциации скоростей вращения породоразру- шающих инструментов при турбинном бурении, вследствие чего происходит изгиб бурильной колонны вдоль оси скважины по спиральной линии и снижение механической скорости бурения из-за потерь осевой нагрузки на преодоление сил трения бурильной колонны о стенки скважины.

Цель изобертения - повышение производительности бурения путем автоматической дифференциации скоростей вращения породоразрушающих инструментов при турбинном бурении.

При этом, благодаря прерыванию контакта лопастей системы торможения со стенками скважины, обеспечивается возможность применения шлангокабеля и возрастает механическая скорость бурения.

Поставленная цель достигается тем, что известное устройство для стабилизации забойных двигателей в скважине, содержащее корпус, размещенную внутри корпуса планетарную редукторную передачу, тормозную систему, центральный и периферийный породоразрушающие инструменты с лапами и промывочными каналами, снабжено забойным двигателем с полым валом, центральный породоразрушающий инструмент выполнен с раздвижными лапами, а тормозная система выполнена в виде установленных в корпусе с возможностью поворота лопастей с зубьями на тыльной стороне и размещенных внутри полого вала подпружиненных верхнего и нижнего поршней, регулировочной втулки с зубцами для перекрытия промывочных каналов, установленной с возможностью ограниченного поворотакадцентральнымпородоразрушающим инструментом, электропривода с узлом питания, понижающим редуктором, фрикционной муфтой с подпружиненным валом, связанным с регулировочной втулкой и датчиком перемещения корпуса редуктора, электрически связанным с узлом питания, при этом верхний поршень выполнен с зубьями, взаимодействующими с зубьями лопастей тормозной системы, а нижний поршень установлен с возможностью взаимодействия с раздвижными лапами центрального породоразру- шающего инструмента, причем корпус редуктора с осями сателлитов жестко связан со статором забойного двигателя, а ведущая и ведомые шестерни - с породоразрушающими инструментами.

Снабжение устройства забойным двигателем с полым валом позволяет локализоватьзадачуавтоматическойдифференциации в призабойной зоне габаритами забойного двигателя и породоразрушающих инструментов.

Выполнение центрального породораз- рушающего инструмента с развижными лапами, а тормозной системы в виде установленных в корпусе с возможностью поворота лопастей с зубьями на тыльной стороне позволяет создать комплекс взаимодействующих со стенками и забоем сква0 жины элементов, воспринимающих активные и реактивные крутящие моменты, что способствует стабилизации работы забойного двигателя.

Выполнение регулирующей части уст5 ройства в виде размещенных внутри полого вала подпружиненных верхнего и нижнего поршней, регулировочной втулки с зубцами для перекрытия промывочных каналов, установленной с возможностью ограниченно0 го поворота над центральным породоразрушающим инструментом, электропривода с узлом питания, понижающим редуктором, фрикционной муфтой с подпружиненным валом, связанным с регулировоч5 ной втулкой и датчиком перемещения корпуса редуктора, электрически связанным с узлом питания, причем верхний поршень выполнен с зубьями, взаимодействующими с зубьями лопастей

0 тормозной системы, а нижний поршень установлен с возможностью взаимодействия с раздвижными лапами центрального поро- дорззрушающего инструмента, является наиболее рациональным использованием

5 энергии потока промывочной жидкости, создавая электрогидравлический манипулятор, работающий в автоматическом режиме с обратной связью от прочности горных пород.

0 Связь корпуса редуктора, снабженного осями сателлитов, со статором забойного двигателя, а ведущей и ведомой шестерен - с породоразрушающими инструментами, обеспечивает создание определенных

5 крутящих моментов на инструментах и уравнение реактивных крутящих моментов с активными, благодаря чему обеспечивается снятие разницы в их величинах с колонны бурильных труб. При этом колонна выходит

0 из зацепления со стенками скважины, чем стабилизируется осевая нагрузка на забой, На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство в оптимальном режиме работы, вид сбоку, продольный разрез; на фиг, 2-то

5 же, в момент перехода на другой режим бурения; на фиг. 3 - центральное долото с раздвижными лапами, вид сбоку, разрез 1/2; на фиг. 4 - то же, вид спереди, разрез 1 /2; на фиг. 5 - разрез устройства на участке планетарного зубчатого механизма и геркона с магнитом, фрагмент; на фиг. 6 - разрез с исполнительным механизмом, фрагмент; на фиг. 7 - вид А-А на фиг. 6; на фиг. 8 - схема усилий, возникающих в планетарном редукторе при бурении, поясняющая суть стабилизации забойного двигателя в скважине.

Устройство для стабилизации забойных двигателей в скважине (фиг. 1) содержит забойный двигатель, включающий статор 1, ротор 2 с полым валом 3, соединенным с центральным буровым долотом 4. Верхняя часть статора 1 соединена с узлом 5 стопо- рения с лопастями 6 и зубчатыми колесами

7на осях 8, взаимодействующими с поджа- тым пружиной 9 зубчатым цилиндром 10 с поршнем 11. размещенным в полом вале 3. Узел 5 стопорения соединяет забойный двигатель с бурильными трубами (или шланго- кабелем) 12 и имеет каналы 13 для прохода промывочной жидкости к забойному двигателю.

Нижня часть статора соединена с корпусом 14 планетарного редуктора, сателлиты 15 которого вращаются на осях 16 в гнездах корпуса 14. Ведомая шестерня 17 размещена в подвижной относительно корпуса 14 обойме 18, подпружиненной тарельчатыми пружинами 19 через упорный подшипник 20 и жестко соединенной с пе- риферийным колонковым долотом 21 с шарошками 22. Ведущая шестерня 23 жестко соединена с валом 3, в полости которого размещен датчик 24 перемещения обоймы 18 в виде герметичного контакта (геркона), выводы 25 которого сообщены через блок 26 питания с редукцированным электродвигателем 27, вал которого соединен с полой регулировочной втулкой 28, с зубцами 29 и отверстиями 30. Количество зубцов 29 соот- ветствует количеству каналов 31 в долоте 4.

8полости втулки 28 размещен поршень 32, взаимодействующий с лапами 33 долота 4, поворачивающимися вокруг оси 34. Поршень 32 прижат к лапам 33 пружиной 35, а втулка 28 удерживается от осевого смещения упорным подшипником 36, закрепленным винтом 37. Такими же винтами 37 резьбовые соединения статора контролируются от развинчивания. Лопасти 6 армиро- ваны твердосплавными зубцами 38 для предохранения от преждевременного износа. Обойма 18 снабжена постоянным магнитом 39 на уровне размещения датчика 24.

Свободные плечи осей 34 снабжены ре- ссорными пружинами 40, а тыльные стороны раздвижных лап 33 долота 4 - возвратными пружинами 41 сжатия (фиг. 3 и 4).

Между электродвигателем 27 и втулкой 28 размещены фрикционная муфта 42 и возвратная пружина 43 кручения, взаимодействующая с валом 3, а один из зубцов 29 снабжен выступом 44, взаимодействующими с упором 45.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При спуске на забой и в процессе бурения скважины в оптимальном режиме лопасти 6 узла стопорения находятся в сложенном состоянии и не взаимодействуют со стенками скважины. Промывочная жидкость свободно проходит к забою через трубы 12, каналы 13, забойный двигатель, отверстия втулки 28 и каналы 31 центрального долота 4, охлаждая долота 4 и 21 и вынося обратным лотоком на поверхность шлам, образующийся при бурении. Реакция статора 1 от гидравлического воздействия струи жидкости на лопатки гасится реакцией от вращения сателлитов между шестернями 17 и 23. Геркон датчика 24 разомкнут. Давление в полости вала 3 минимально возможное.

В случае нарушения режима работы долота. 21 при его торможении происходит осевое смещение его относительно вала 3, и геркон датчика 24 под воздействием магнита 39 замыкается. Ток от источника 26 питания подается на электродвигатель 27, который поворачивает регулировочную втулку 28, которая зубцами 29 перекрывает . каналы 31 долота 4. Давление в полости вала 3 возрастает и поршни 11 и 32 перемещаются, раздвигая соответственно лопасти 6 системы торможения статора и лапы 33 центрального долота 4. Статор 1 тормозится от проворачивания влево лопастями 6. Диаметр опережающей скважины увеличивается, а уступ, обрабатываемый долотом 21, уменьшается и долото 21 начинает работать в другом, более легком режиме, снижающем тормозной крутящий момент. Геркон датчика 24 при этом разжимается. Подпружиненная втулка 28 и поршни 11 и 32 возвращаются в исходное положение, бурение продолжается.

Лапы 33 долота 4 имеют выступы в виде плечей рычагов, воздействие на которые поршнем 32 приводит к повороту лап 33 на определенную величину. Лапы 33 долота 4 в процессе бурения при стабилизированном режиме будут раздвинуты на величину, обеспечивающую эффективное бурение всей площади забоя скважины двумя долотами 4 и 21. В исходное положение лапы 33 будут возвращаться под действием осевой нагрузки, воздействующей на тыльные поверхности лап, при перемещении осей 34 в

пазах корпуса долота 4, а также под действием возвратных пружин 41 (фиг. 3 и 4).

Перемещение магнита 39 относительно геркона датчика 24 возможно на величину I. как показано на фиг. 5.

Включением выключение электродвигателя 27 производится герконом датчика 24. а передача вращения на втулку 28 - посредством фрикционной муфты 42. Наличие выступа 44, упора 45 и возвратной пружины 43 обеспечивает поворот втулки 28 на величину зубца 29. чего достаточно для перекрытия каналов 31 (фиг. 6 и 7). Дальнейшее вращение электродвигателя производится с проскальзыванием муфты 42, т.е. двигатель 27 работает лишь на преодоление жесткости пружины 43, а при его отклонении пружина 43 возвращает втулку 28 в исходное положение, открывая каналы 31.

Статор забойного двигателя тормозится автоматически при взаимодействии поро- доразрушающих инструментов 4 и 21 с забоем от реактивного крутящего момента на осях сателлитов планетарного механизма, соединенных со статором, ведущей шестерней с ротором и центральным долотом, а ведомой - периферийным долотом. При этом не имеет значения на чем опущен в скважину забойный двигатель - на трубах или на шлангокабеле. В любом случае ни трубы, ни шлангокабель не несут никакой другой нагрузки, кроме веса бурового снаряда. Реактивные гидравлические моменты на статоре автоматически гасятся либо реактивными моментами сателлитов планетарного механизма, либо системой торможения статора, лопатки которой при достижении устройством оптимальных параметров режима бурения находятся в сложенном состоянии и не взаимодейству ют со стенкамм скважины, благодаря чему повышается механическая скорость бурения. В случае равенства реактивного гидравлического крутящего момента MRP и реактивного механического крутящего момента MRM (фиг. 8), возникающего при торможении периферийного долота, статор будет неподви- жен.

Предлагаемое устройство может быть использовано при редукцировании и стабилизации вращения валов гидравлических забойных двигателей с целью снижения износа бурильных колонн или при применении трубобуров, опускаемых в скважину на шлангокабеле.

Формула изобретения Устройство для стабилизации забойных

двигателей в скважине, содержащее корпус, размещенную внутри корпуса планетарную редукторную передачу, тормозную систему, центральный и периферийный породораз- рушающие инструменты с лапами и промывечными каналами, отлич а ющеес я тем, что, с целью повышения производительности бурения путем автоматической дифференциации скоростей вращения породоразрушающих инструментов при

турбинном бурении, оно снабжено забойным двигателем с полым валом, центральный породоразрушающий инструмент выполнен с раздвижными лапами, а тормозная система выполнена в виде установленных в корпусе с возможностью поворота лопастей с зубьями на тыльной стороне и размещенных внутри полого вала подпружиненных верхнего и нижнего поршней, ре- гулировочной втулки с зубцами для

перекрытия промывочных каналов, установленной с возможностью ограниченного поворотанадцентральнымпородоразрушающим инструментом, электропривода с узлом питания, понижающим

редуктором, фрикционной муфтой с подпружиненным валом, связанным с регулировочной втулкой и датчиком перемещения корпуса редуктора, электрически связанным с узлом питания, при этом верхний поршень выполнен с зубьями, взаимодействующими с зубьями лопастей тормозной системы, а нижний поршень установлен с возможностью взаимодействия с раздвижными лапами центрального породоразрушающего инструмента, причем корпус редуктора с осями сателлитов жестко связан со статором забойного двигателя, а ведущая и ведомые шестерни - с породо- разрушающими инструментами.

гпф

Использование: стабилизация работы забойных двигателей при бурении скважин на нефть и газ. Сущность изобретения: устройство содержит размещенные в корпусе планетарную редукторную передачу, тормозную систему, центральный и периферийный породоразрушающие инструменты, забойный двигатель с полым валом. Лапы центрального породоразрушающего инструмента раздвижные. В корпусе установлены поворотные лопасти с зубьями на тыльной стороне. В полом валу расположены подпружиненные верхний и нижний поршни. Верхний поршень выполнен с зубьями и взаимодействует с раздвижными лапами. Над центральным породоразрушающим инструментом установлена с возможностью ограниченного поворота регулировочная втулка с зубцами для перекрытия промывочных каналов. Поворачивается регулировочная втулка электроприводом через понижающий редуктор и фрикционную муфту. Сигнал на включение электропривода s поступает от датчика перемещения корпуса Г редуктора. Статор забойного двигателя же- (J стко связан с корпусом планетарной пере- Ј дачи, а ведущая и ведомые шестерни жестко л связаны с породоразрушающими инстру- ментами. 8 ил.

2090Ш

ffЈ

ЈЈПф

гоэош

26

фиг. 6

24

45

Фиг. 7

() (

фиг. в