Шпиндель-стабилизатор

 

Изобретение относится к области технических средств для бурения нефтяных и газовых скважин, в частности к гидравлическим забойным двигателям. Шпиндель-стабилизатор гидравлического забойного двигателя включает выполненный в виде контейнера корпус, связанные с корпусом нижний и верхний толстостенные переводники, на внешней поверхности которых выполнены лопасти, а внутренние поверхности посредством нижней и верхней радиальных опор опираются на полый вал, при этом шпиндель-стабилизатор имеет размещенную в корпусе-контейнере опору-пяту, а статорные элементы верхней и нижней радиальных опор размещены в верхнем и нижнем толстостенных переводниках, их осевая и радиальная фиксация в указанных переводниках вместе с упорно-регулировочными и переходными втулками опоры-пяты осуществляется посредством корпусной гайки, которая зажимает также подпятники и проставочные кольца опоры-пяты. Изобретение обеспечивает повышение эффективности бурения наклонно-направленных скважин за счет стабилизации корпуса шпинделя. 1 ил.

Настоящее изобретение относится к области технических средств, с помощью которых бурятся нефтяные и газовые скважины и, в более узком их подразделении, к гидравлическим забойным двигателям, которые приводят во вращение буровые долота, разрушающие забои глубоких скважин.

Все забойные двигатели имеют осевую опору, воспринимающую гидравлическую нагрузку на ротор двигателя и реакцию от осевой нагрузки на долото. Эта опора выносится в специальный, быстрозаменяемый на буровой, узел-шпиндель (см. Забойные двигатели и запасные части. Каталог, М.: Недра, 1980).

Дальним аналогом нашего изобретения является шпиндель подпятниковый (см. рис. 26, с. 79 вышеуказанного источника).

Однако конструкция этого шпинделя не позволяет выполнять на его относительно тонкостенном корпусе и коротких переводниках (ниппеле и соединительном) достаточно длинные и широкие - в радиальном направлении - лопасти, с помощью которых ось вала шпинделя и присоединенное к его нижнему концу долото стабилизируются в кольцевом пространстве относительно оси бурящейся скважины. Попытки приварить лопасти к тонкостенному корпусу не только деформируют его, но и существенно уменьшают площадь кольцевого зазора между корпусам и стенкой скважины, что, с одной стороны, уменьшает безотказный срок службы шпинделя, а с другой - ведет к интенсивному разрушению стенок бурящихся скважин.

Ближайшим аналогом вашего изобретения является шпиндель турбобура, включающий корпус, связанный с корпусом нижний толстостенный переводник, на внешней поверхности которого имеются лопасти, при этом на внутренней поверхности этого переводника имеется радиальная опора, которая опирается на полый вал шпинделя и соответственно центрирует его ось по оси толстостенного переводника (см. Патент РФ 2047721, Бюл. 32, от 10.11.95).

Но при таком исполнении лопасти до предела сокращают площадь кольцевого сечения ствола скважины и соответствующим образом увеличивают скорость восходящего потока бурового раствора. В этом случае делается бессмысленной сама идея стабилизации продольной оси шпинделя в стволе бурящейся скважины, так как, с одной стороны, начинают интенсивно разрушаться стенки скважины, с которыми контактируют лопасти, с другой стороны, до предела сокращается продольно-осевая база опорной центрации - расстояние от породоразрушающей поверхности долота до точки контакта лопастей со стенкой скважины.

Наше изобретение позволяет стабилизировать корпус шпинделя в стволе бурящейся скважины с помощью длинных и широких (в радиальном направлении) лопастей: прямых либо спирально закрученных, при этом не уменьшая радиальных осевых габаритов опоры-пяты и не увеличивая скорость восходящего потока бурового раствора в стволе скважины в местах, где лопасти контактируют со стенкой бурящегося ствола.

При этом значительно расширяется сфера эффективного использования гидравлических забойных двигателей со шпинделями-стабилизаторами, выполняемыми в соответствии с нашим изобретением. К таким сферам относятся: бурение строго вертикальных участков стволов скважин; бурение наклонно-прямолинейных участков наклонно-направленных скважин.

За счет эффективной стабилизации корпуса шпинделя, а следовательно, его вала и долота в стволе бурящейся скважины, растут показатели работы долот и увеличивается безотказный срок службы осевой опоры-пяты шпинделя - наиболее быстро изнашиваемого узла гидравлических забойных двигателей.

Сущность нашего изобретения заключается в создании шпинделя-стабилизатора, корпус которого выполнен в виде контейнера, который своим нижним концом связан с толстостенным переводником, на внешней поверхности которого имеются лопасти и который посредством нижней радиальной опоры своей внутренней поверхностью опирается на полый вал шпинделя; верхний конец корпуса контейнера связан с верхним толстостенным переводником, на внешней поверхности которого также имеются лопасти, при этом с помощью верхней радиальной опоры его внутренняя поверхность опирается на полый вал шпинделя. Опора-пята шпинделя-стабилизатора размещается в корпусе-контейнере. Внутренние посадочные диаметры нижнего и верхнего толстостенных переводников на 10...40 мм меньше, чем внутренний диаметр корпуса-контейнера, а диаметр, на котором размещаются основания лопастей толстостенных переводников, на 10...80 мм меньше наружного диаметра корпуса-контейнера. Статорные элементы верхних и нижних радиальных опор размещается в верхнем и нижнем толстостенных переводниках; их осевая и радиальная фиксация вместе с упорно-регулировочными и переходными втулками опоры-пяты осуществляется посредством корпусной гайки, которая зажимает между внутренним упорным торцом верхнего толстостенного переводника и своим внутренним упорным торцом также подпятники и проставочные кольца опоры-пяты, размещенной в корпусе-контейнере.

На полом валу шпинделя-стабилизатора с помощью гайкй-муфты зажаты (с упором в нижний наружный торец вала) роторные втулки радиальных опор, проставочные втулки, диски пяты и проставочные кольца дисков, упорно-регулировочные втулки вала.

Изобретение поясняется чертежом, где изображена общая компоновочная сборка шпинделя-стабилизатора.

К корпусу-контейнеру 1 шпинделя снизу на резьбе крепится толстостенный переводник 2, сверху - толстостенный переводник 3, с помощью которого шпиндель крепится к корпусу рабочей секции гидравлического забойного двигателя (не показана). На переводниках 2 и 3 имеются от 3-х до 7-ми лопастей 4, наружный габаритный диаметр которых на 1-5 мм меньше габаритного диаметра бурового долота (не показано), закрепляемого на нижнем резьбовом конце полого вала 5 шпинделя турбобура. Диаметр, на котором размещены основания лопастей 4 переводников 2 и 3, всегда меньше наружного диаметра корпуса-контейнера 1 на величину от 10 до 80 мм.

Этот диаметр выбирается с таким расчетом, чтобы в зависимости от числа лопастей, их ширины, угла наклона к плоскости, перпендикулярной к оси вала 5, и их наружного габаритного диаметра, площадь межлопастного сечения была бы на 10-20% больше, чем площадь поперечного сечения, образуемого номинальным диаметром долота, бурящего ствол скважины, и наружным диаметром корпуса-контейнера 1.

Внутренний посадочный (монтажный) диаметр переводников 2 и 3 всегда на 10-40 мм меньше внутреннего посадочного (монтажного) диаметра корпуса-контейнера 1.

На внутренний упорный торец верхнего толстостенного переводника 3 опираются: верхняя упорно-регулировочная втулка 6, статорные элементы 7 двух-четырех верхних радиальных опор, переходные втулки 8, подпятники 9 и их проставочные кольца 10, статорные элементы 7 двух-четырех нижних радиальных опор, нижняя упорно-регулировочная втулка 11.

При этом статорные элементы 7 верхних и нижних радиальных опор соответственно фиксируются в радиальном направлении в посадочных (монтажных) диаметрах внутренних поверхностей верхнего толстостенного переводника 3 и нижнего толстостенного переводника 2.

Подпятники 9 и их проставочные кольца 10 фиксируются в радиальном направлении в посадочном (монтажном) диаметре внутренней поверхности корпуса-контейнера 1.

Осевое усилие сжатия, с помощью которого осуществляется осевая и радиальная неподвижность выше поименованных конструктивных элементов, в толстостенных переводниках 2 и 3 и в корпусе-контейнере 1 достигается с помощью закручивания большим вращающим моментом, с отказом во внутренний торец корпусной гайки 12.

На полом валу 5 с помощью гайки-муфты 13 неподвижно зафиксированы роторные втулки 14 верхних и нижних радиальных опор, диски 15 и их проставочные кольца 16, проставочные дистанционные втулки 17, упорно-регулировочные втулки 18 вала 5.

Радиальная центрация вала 5 осуществляется относительно монтажных поверхностей внутренних цилиндров переводников 2 и 3 за счет жестких посадочных допусков роторных втулок 14 относительно вала 5 и статорных элементов 7 радиальных опор относительно посадочных поверхностей внутренних цилиндров переводников 2 и 3.

Диски 15 и их проставочные кольца 16, подпятники 9 и их проставочные кольца 10, а также верхняя упорно-регулировочная втулка 6 фиксируют только осевое положение вала 5 относительно внутреннего упорного торца толстостенного переводника 3.

РАБОТА ШПИНДЕЛЯ-СТАБИЛИЗАТОРА Непосредственно на буровой к нижнему резьбовому концу полого вала 5 шпинделя-стабилизатора присоединяется буровое долото; при этом сам шпиндель поддерживается на весу талевой системой буровой установки над роторным столом с помощью элеватора, захватывающего корпус-контейнер 1 шпинделя под лопастями 4 верхнего толстостенного переводника 3.

Затем к переводнику 3 крепится рабочая секция гидравлического забойного двигателя (турбинная или винтовая).

При последовательном наращивании колонны бурильных труб вся бурильная компоновка подводится возможно ближе к забою скважины. Включаются в работу буровые насосы, и начинается процесс расширки старого ствола, а затем и дальнейшее углубление забоя скважины.

При этом (в отличие от существующей практики бурения забойными двигателями) центрация долота и стабилизация в стволе скважины оси вала шпинделя осуществляется без скачкообразного наращивания скорости восходящего потока бурового раствора вдоль лопастей переводников-стабилизаторов. При этом широкие и длинные лопасти толстостенных переводников не только до возможного минимума ограничивают поперечное и угловое смещение оси вала в долота, но и диссипатируют энергию поперечных и вертикальных колебаний, которые возникают в процессе бурения из-за зубцовых в грунтовых колебаний центра тяжести долота и несбалансированности вращающего момента, реализуемого на поверхности его породоразрушающих элементов. Подобная конструкция шпинделя-стабилизатора токаже сильно ограничивает реактивный угол закручивания бурильных труб, что существенно облегчает визирование инструмента при наклонно-направленном бурении в практически полностью ликвидирует "твистовые" рывки забойной компоновки в процессе бурения.

Следствием является не только точность наклонно-направленного бурения, но и рост показателей работы долот.

Формула изобретения

Шпиндель-стабилизатор, включающий корпус, связанный с корпусом нижний толстостенный переводник, на внешней поверхности которого имеются лопасти, а внутренняя поверхность посредством нижней радиальной опоры опирается на полый вал шпинделя-стабилизатора, отличающийся тем, что он снабжен связанным с корпусом, который выполнен в виде контейнера, установленным на валу посредством верхней радиальной опоры верхним толстостенным переводником, на внешней поверхности которого выполнены лопасти, при этом шпиндель-стабилизатор имеет опору-пяту, которая размещается в корпусе-контейнере, а внутренние посадочные диаметры нижнего и верхнего толстостенных переводников на 10-40 мм меньше, чем внутренний диаметр корпуса-контейнера, диаметр, на котором размещены основания лопастей нижнего и верхнего толстостенных переводников, на 10-80 мм меньше, чем наружный диаметр корпуса-контейнера, при этом статорные элементы верхней и нижней радиальных опор размещены в верхнем и нижнем толстостенных переводниках, их осевая и радиальная фиксация в указанных переводниках вместе с упорно-регулировочными втулками и переходными втулками опоры-пяты осуществляется посредством корпусной гайки, которая зажимает между внутренним упорным торцом верхнего толстостенного переводника и своим внутренним упорным торцом также подпятники и их проставочные кольца опоры-пяты, размещенной в корпусе-контейнере.

РИСУНКИ

Рисунок 1