Забойный двигатель, бурильное устройство и буровая установка

 

Изобретение относится к области бурения скважин, в частности к забойным двигателям, которые в комбинации составляют бурильные устройства. Буровой двигатель содержит статор и ротор, расположенный в статоре с возможностью вращения. Статор имеет две противоположные выемки для стержней и два противоположных выпускных окна. При работе движущая текучая среда подается насосом через центральный канал ротора и через несколько радиально проходящих каналов в рабочие камеры между ротором и статором. Ротор имеет два противоположных уплотнения, которые взаимодействуют со статором. В каждой выемке расположен стержень, который при работе также образует уплотнение между статором и ротором. Уплотнения и стержни могут быть выполнены из разных материалов, включая нержавеющую сталь. Два буровых двигателя могут быть расположены параллельно с их роторами, смещенными по фазе, чтобы получить равномерную мощность на выходе и предотвратить их остановку. Комбинация бурильного устройства с буровым инструментом и буровой колонной составляет буровую установку для бурения скважин при помощи забойного двигателя. Данное изобретение обеспечивает повышение надежности работы забойного бурового двигателя при температурах, превышающих 120°С. 3 с. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к забойному двигателю, к бурильному устройству, содержащему такой буровой двигатель, и к буровой установке, содержащей такое бурильное устройство.

Обычно буровые скважины пробуриваются посредством вращения буровой колонны с помощью двигателя, расположенного на поверхности. Хотя этот способ вполне пригоден для бурения вертикальных скважин, он не пригоден для наклонного бурения, когда, например, требуется пробурить почти горизонтальную скважину, образующую ответвление от вертикальной скважины. Для этой цели обычно используется забойный двигатель, который располагается рядом с буровым долотом и приводится в действие посредством подачи к нему с поверхности жидкой или газообразной среды под давлением.

В настоящее время для этой цели используются двигатели "Мойни" (Moineau).

Одна из трудностей при использовании таких буровых двигателей заключается в том, что они работают ненадежно при температурах выше примерно 120^oC и поэтому не пригодны для бурения большинства геотермических скважин и других скважин, где температура окружающей среды превышает 120^oC. Предпринимались попытки заменить материал деталей двигателей Мойни материалами, которые стойки к более высоким температурам. Однако эти попытки были не совсем успешными.

Из авторского свидетельства СССР N 78506, кл. E 21 B 4/02, 1949 г. известен забойный двигатель, содержащий статор (в виде обойм) и ротор (также сборный), расположенный в статоре с возможностью вращения с образованием по меньшей мере не одной, а двух камер или полостей высокого и низкого давления между ротором и статором. Статор имеет, по меньшей мере, одну выемку и впускное отверстие, а ротор имеет центральный канал. В выемке статора расположен цилиндрический стержень, который при работе образует уплотнение между статором и ротором и обеспечивает герметичность разделения в рабочей камере полостей высокого и низкого давлений. Ротор имеет уплотнения (манжеты) на выступающих частях или кулачках, которые плотно прилегают к внутренней поверхности статора, обеспечивая герметизацию упомянутых выше полостей. Цилиндрические стержни не являются поворотными, а являются возвратно-поступательно перемещающимися в выемке. Уплотнения ротора являются неподвижными.

В этом двигателе часть текучей среды проходит по центральному каналу внутрь ротора к буровому долоту и используется исключительно для смазки бурового долота, вообще не оказывая никакого влияния на приведение в действие ротора. Вторая часть текучей среды проходит через сложную распределительную систему и вводится между ротором и статором для приведения в действие ротора перед выпуском наружу в ствол скважины. Другими словами, вторая часть текучей среды используется исключительно для приведения в действие двигателя.

Для предотвращения опрокидывания двигателя используется сложная распределительная система со многими двигателями. В авторском свидетельстве СССР N 1384702, кл. E 21 B 4/02, 1988 раскрыто бурильное устройство, содержащее два забойных двигателя, роторы которых соединены вместе. В качестве двигателей использованы двигатели "Moineau". Роторы этих двигателей не имеют специальной ориентации и угловое отношение между двумя двигателями не имеет значения. В этом бурильном устройстве не обеспечивается предотвращение потока текучей среды непосредственно к буровому долоту таким образом, чтобы увеличить поток текучей среды к двигателю или также увеличить поток текучей среды к буровому долоту для смазки и перемещения бурового шлама.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание забойного двигателя, который является сравнительно надежным, в частности, но не исключительно, при его работе при температурах, превышающих 120^oC.

Этот технический результат достигается тем, что в забойном двигателе, содержащем статор и ротор, установленный в статоре с возможностью вращения с образованием камеры между ротором и статором, при этом статор имеет выемку и выпускное отверстие, а ротор имеет центральный канал, причем в выемке статора расположен стержень, который при работе образует уплотнение между статором и ротором, согласно изобретению, ротор имеет, по меньшей мере, один соединительный канал для подачи движущей текучей среды из центрального канала ротора в камеру между ротором и статором, снабженный ограничителем потока в нижнем конце ротора для ограничения потока движущей текучей среды к буровому долоту через центральный канал ротора, при использовании двигателя, для увеличения потока движущей текучей среды через двигатель.

Можно, чтобы ротор был снабжен уплотнением для взаимодействия со статором. Уплотнение может быть выполнено из материала, выбранного из группы, содержащей пластические материалы, полиэтилэтилкетон, металл, медные сплавы и нержавеющую сталь.

Стержень может быть выполнен из материала, выбранного из группы, содержащей пластические материалы, полиэтилэтилкетон, металл, медные сплавы и нержавеющую сталь.

Целесообразно, чтобы статор имел дополнительную выемку с размещенным в ней дополнительным стержнем, распложенную напротив основной выемки, и дополнительное выпускное отверстие, расположенное напротив основного выпускного отверстия, а ротор имел два уплотнения, распложенные напротив друг друга.

Статор может быть установлен внутри наружного трубчатого корпуса, ограничивающего кольцевой канал вокруг статора для потока движущей текучей среды из выпускных окон. Кольцевой канал может быть соединен с буровым долотом таким образом, чтобы движущая текучая среда, подаваемая к двигателю для его приведения в действие, в конце концов, выходила к буровому долоту.

Центральный канал ротора может быть снабжен заглушкой в нижнем конце ротора для предотвращения потока текучей среды к буровому долоту через центральный канал ротора для направления всего потока движущей текучей среды через двигатель.

Вышеуказанный технический результат достигается также бурильным устройством, включающим два забойных двигателя, роторы которых соединены вместе, в котором согласно изобретению забойные двигатели выполнены в соответствии с вышеописанным и расположены так, что при их использовании один забойный двигатель работает асинфазно другому. Забойные двигатели могут быть соединены параллельно или последовательно.

Технический результат достигается также в буровой установке, содержащей буровую колонну, включающую в себя бурильное устройство и буровой инструмент, вращаемый с помощью этого бурильного устройства, в которой согласно изобретению бурильное устройство выполнено в соответствии с вышеописанным.

Буровым инструментом обычно является буровое долото, хотя оно может содержать, например, вращаемую очистную головку. Буровым инструментом может быть также бур, используемый для бурения шурфа (иногда называемого как "открытая горная выработка") в морском дне, чтобы разместить оборудование подводного устья скважины.

Для более лучшего понимания настоящего изобретения его описание приводится со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых: фиг. 1 изображает продольный разрез одного примера бурильного устройства согласно настоящему изобретению; фиг. 2A - 2Д - поперечные сечения по линии A-A на фиг. 1, показывающие ротор в четырех разных положениях; фиг. 3A-3Д - поперечные сечения по линии B-B на фиг. 1, показывающие ротор в четырех разных положениях; и фиг. 4 - продольный разрез обычного корпуса подшипника и бурового долота.

На фиг. 1 показано бурильное устройство, обозначенное позицией 10. Бурильное устройство 10 содержит первый двигатель 20 и второй двигатель 50.

Первый двигатель 20 содержит статор 21 и ротор 23.

Статор 21 установлен внутри наружного трубчатого корпуса, ограничивающего кольцевой канал вокруг статора 21 для потока движущей текучей среды из выпускных окон 33.

Верхняя часть 22 ротора 23 проходит через верхнюю опору 24, которая содержит упорный подшипник 26 и уплотнения 25.

Движущая текучая среда, например вода, буровой раствор или газ под давлением, подается через центральный канал 12 переходника в центральный канал 27 ротора и затем через отводные каналы 28 ротора поступает в рабочие камеры 31 и 32.

При рабочем ходе двигателя движущая текучая среда течет через выпускные окна 33 и затем перемещается вниз через кольцевой канал вокруг статора 21 и проточные каналы 35 к нижней опоре 34. Часть 36 ротора 23 проходит через нижнюю опору 34, которая содержит упорный подшипник 37 и уплотнения 38.

Концы статора 21 имеют выступы (зубцы), которые расположены в выемках, выполненных соответственно в верхней опоре 24 и нижней опоре 34, для предотвращения его вращения. Верхняя опора 24 и нижняя опора 34 установлены посредством тугой посадки в наружном трубчатом элементе 14 и удерживаются от вращения посредством их зажатия между резьбовыми втулками 16 и 84.

Шлицевая муфта 39 соединяет шлицевой конец ротора 23 с шлицевым концом ротора 53 второго двигателя 50. Второй двигатель 50 имеет статор 51.

Верхняя часть 52 ротора 53 проходит через верхнюю опору 54. Между верхней опорой 54 и наружной поверхностью верхней части 52 ротора 53 расположены уплотнения 55. Ротор 53 перемещается на упорных подшипниках 56 относительно верхней опоры 54.

Движущая текучая среда поступает в центральный канал 57 ротора 53 из центрального канала 27 ротора 23 и затем через отводные каналы 58 ротора 53 поступает в рабочие камеры 61 и 62. При рабочем ходе двигателя движущая текучая среда вытекает через выпускные окна 63 и затем перемещается вниз через кольцевую полость вокруг статора 51 и проточные каналы 65 к нижней опоре 64. Часть 66 ротора 53 проходит через нижнюю опору 64. Ротор 53 перемещается на упорных подшипниках 67 относительно нижней опоры 64. Между смежными поверхностями ротора и нижней опоры расположены уплотнения 68. Движущая текучая среда, которая перемещается вниз через каналы 35 к нижней опоре 34, перемещается также вниз через каналы 79 к верхней опоре 54 и от нее перемещается вдоль статора 51 и через каналы 65 поступает к нижней опоре 64.

Верхняя опора 54 и нижняя опора 64 установлены посредством тугой посадки в наружном трубчатом элементе 18 и удерживаются от вращения посредством их зажатия между резьбовой втулкой 84 и нижней резьбовой втулкой (не показаны).

Нижний переходник посредством резьбы 70 соединен со статором 51 и обеспечивает взаимосвязь соединителя для бурового долота или корпуса подшипника S с обычным буровым долотом D (фиг. 4). Заглушка или ограничитель потока 78 в нижнем конце ротора 53 могут быть использованы для ограничения потока движущей текучей среды к буровому долоту D и для обеспечения прохождения требуемого количества движущей текучей среды через двигатели.

На фиг. 2A-2Д и 3A-3Д показан обычный цикл работы первого двигателя 20 и второго двигателя 50 и их положение относительно друг друга в разные периоды времени цикла. Например, на фиг. 2C показана стадия разгрузки для первого двигателя 20, а на фиг. 3C, в этот же период времени, силовая стадия для второго двигателя 50.

Как показано на фиг. 2A, движущая текучая среда, проходящая через отводные каналы 28 ротора, поступает в рабочие камеры 31 и 32. Вследствие геометрии рабочих камер (которая описывается ниже) и результирующих сил движущая текучая среда вращает ротор 23 по часовой стрелке, как это видно на фиг. 2B. Рабочая камера 31 уплотняется в одном конце с помощью перекатывающегося стрежня 71, который прилегает к наружной поверхности 72 ротора 23 и к части 74 выемки 75.

В другом конце рабочей камеры 31 уплотнение 76 на кулачке 77 ротора 23 плотно прилегает к внутренней поверхности статора 21.

Как показано на фиг. 2B, ротор 23 повернулся в положение, в котором почти заканчивается силовая стадия цикла.

Как показано на фиг. 2C, движущая текучая среда начинает в этот момент цикла работы двигателя разгружаться через выпускные окна 33.

Как показано на фиг. 2Д, перекатывающиеся стержни 71 уплотнения 76 герметизирует рабочие камеры, так что движущая текучая среда, поступающая в эти камеры, будет вращать ротор 23 до тех пор, пока уплотнения 76 снова не пройдут мимо выпускных окон 33.

Второй двигатель 50 работает так же, как и первый двигатель 20, но в предпочтительном варианте исполнения, и, как показано на фиг. 3A-3Д, два двигателя смещены по фазе 90^o, так что когда движущая текучая среда разгружается в одном двигателе, другой создает вращающую силу.

В одном исполнении уплотнения 76 выполняются из полиэтилэтилкетона (ПЭЭК). Перекатывающиеся стержни 71 также выполняются из ПЭЭК. Роторы 23, 53 и статоры 21, 51 предпочтительно выполняются из материалов, обладающих коррозионной стойкостью, таких как нержавеющая сталь.

Когда уплотнение 76 в первом двигателе 20 вращается мимо выпускного окна 33, жидкая текучая среда, вызывающая это вращение, вытекает через последнее и перемещается вниз через переходную втулку 84 (фиг. 1), затем через каналы 79, мимо выпускных окон 63, через проточные каналы 65 и через корпус подшипника S (фиг. 4) к буровому долоту D (фиг. 4). Таким образом, вся движущая текучая среда, которая входит в верхний переводник 11, в конечном счете поступает к буровому долоту D.

Во время испытаний устройство, аналогичное устройству, показанному на фиг. 1, создавало такую же вращающую силу, что и обычный двигатель Мойни, примерно в три раза удлиненный. Это является наиболее важным преимуществом при работе в наклонной скважине.

Устройство, показанное на фиг. 1, может быть использовано в качестве насоса посредством вращения вручную или механически бурового долота D или корпуса S в направлении, противоположном направлению, показанному на фиг. 2A, или посредством соединения вращающего механизма с ротором 53 и вращения его в направлении, противоположном направлению на фиг. 2A. Когда устройство находится в буровой скважине, это достигается посредством заклинивания бурового долота в формациях (пластах), чтобы оно не вращалось, и вращения трубчатой колонны, расположенной выше бурильного устройства, показанного на фиг. 1.

Возможны различные изменения в описанном примере осуществления изобретения, например, уплотнение 76 может быть выполнено из других долговечных материалов, таких как медные сплавы и стали, например нержавеющей стали. Нержавеющая сталь особенно пригодна для использования в условиях высоких температур и была успешно испытана при температуре 260^oC. Это несравнимо с максимальной рабочей температурой 121^oC обычных двигателей Мойни. Хотя первый двигатель 20 и второй двигатель 50 работают параллельно, как это показано, они могут работать также последовательно, если это требуется.

Формула изобретения

1. Забойный двигатель, содержащий статор и ротор, установленный в статоре с возможностью вращения с образованием камеры между ротором и статором, при этом статор имеет выемку и выпускное отверстие, а ротор имеет центральный канал, причем в выемке статора расположен стержень, который при работе образует уплотнение между статором и ротором, отличающийся тем, что ротор имеет, по меньшей мере, один соединительный канал для подачи движущейся текучей среды из центрального канала ротора в камеру между ротором и статором, снабженный ограничителем потока в нижнем конце ротора для ограничения потока движущей текучей среды к буровому долоту через центральный канал ротора, при использовании двигателя, для увеличения потока движущей текучей среды через двигатель.

2. Забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что ротор снабжен уплотнением для взаимодействия со статором.

3. Забойный двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что уплотнение выполнено из материала, выбранного из группы, содержащей пластические материалы, полиэтилэтилкетон, металл, медные сплавы и нержавеющую сталь.

4. Забойный двигатель по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что стержень выполнен из материала, выбранного из группы, содержащей пластические материалы, полиэтилэтилкетон, металл, медные сплавы и нержавеющую сталь.

5. Забойный двигатель по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что статор имеет дополнительную выемку с размещенным в ней дополнительным стержнем, расположенную напротив основной выемки, и дополнительное выпускное отверстие, расположенное напротив основного выпускного отверстия, а ротор имеет два уплотнения, расположенные напротив друг друга.

6. Забойный двигатель по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что статор установлен внутри наружного трубчатого корпуса, ограничивающего кольцевой канал вокруг статора для потока движущей текучей среды из выпускных окон.

7. Забойный двигатель по п. 6, отличающийся тем, что кольцевой канал соединен с буровым долотом таким образом, чтобы движущая текучая среда, подаваемая к двигателю для его приведения в действие, в конце концов, выходила к буровому долоту.

8. Забойный двигатель по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что центральный канал ротора снабжен заглушкой в нижнем конце ротора для предотвращения потока текучей среды к буровому долоту через центральный канал ротора для направления всего потока движущей текучей среды через двигатель.

9. Бурильное устройство, включающее два забойных двигателя, роторы которых соединены вместе, отличающееся тем, что забойные двигатели выполнены в соответствии с одним из предшествующих пп.1 - 8 и расположены так, что при их использовании один забойный двигатель работает асинфазно другому.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что забойные двигатели соединены параллельно.

11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что забойные двигатели соединены последовательно.

12. Буровая установка, содержащая буровую колонну, включающую в себя бурильное устройство и буровой инструмент, вращаемый с помощью этого бурильного устройства, отличающаяся тем, что бурильное устройство выполнено в соответствии с одним из пп.9 - 11.

13. Установка по п.12, отличающаяся тем, что буровым инструментом является буровое долото.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4