Забойный двигатель

Изобретение относится к техническим средствам для бурения нефтяных и газовых скважин, а именно к забойным двигателям для привода долота. Забойный двигатель содержит турбинный модуль, винтовую героторную пару, включающую статор и ротор, узел соединения ротора винтовой героторной пары с турбинным модулем и шпиндель, согласно изобретению ротор винтовой героторной пары имеет проходной канал, в который установлен клапан, включающий запорный элемент и седло, при этом запорный элемент установлен на упругом элементе с зазором к поверхности седла и с возможностью контактирования с поверхностью седла. При запуске двигателя весь поток бурового раствора обходит винтовую героторную пару через проходной канал в роторе и открытый клапан, т.е. через зазор между запорным элементом и поверхностью седла и направляется в турбинный модуль. В забойном двигателе достигается снижение нагрузок на элементы винтовой героторной пары при ее запуске за счет перераспределения потоков рабочей жидкости между винтовой героторной парой и турбиной, что повышает надежность работы двигателя. При этом сохраняются высокоэффективные энергетические характеристики забойного двигателя, в то же время увеличивается срок службы забойного двигателя. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к техническим средствам для бурения нефтяных и газовых скважин, а именно к забойным двигателям для привода долота.

Аналогом изобретения является “Забойный двигатель”, описанный в А.С. №346967, кл. Е 21 В 03/12 (публикация от 25.09.1978 г., бюллетень “Изобретения” №35).

В аналоге описан забойный двигатель, включающий объемный двигатель и турбобур, причем их валы соединяются кинематически, а корпуса соединены патрубком.

Конструкция двигателя аналога обладает недостатками, снижающими его конкурентоспособность по сравнению с серийно выпускаемыми объемными винтовыми забойными двигателями, используемыми при бурении вертикальных и наклонно направленных скважин.

Главным недостатком двигателя аналога является большой осевой габарит 19,5-26 метров, что не позволяет использовать его при бурении наклонно направленных и горизонтальных скважин, а также такой двигатель имеет высокие цену и эксплуатационные затраты.

Известно изобретение “Винтовой героторный двигатель с турбинным активатором” по патенту РФ №2203380, кл. 7 Е 21 В 04/02, F 03 В 13/02, (публикация от 27.04.2003 г., бюллетень “Изобретения” №12). Этот аналог является ближайшим и взят за прототип заявленного изобретения.

В прототипе решена задача по уменьшению габарита двигателя, но этот двигатель имеет ряд существенных недостатков, влияющих на надежность работы двигателя.

В прототипе двигатель содержит винтовую героторную пару и до 60 ступеней турбины - активатора героторной пары, турбинный модуль с входными и выходными полостями, шпиндель, включающий радиальные опоры, роторы ступени турбины неподвижно зафиксированы на валу рабочей секции совместно с ротором винтовой героторной секции, а статорные ступени турбины - в корпусе совместно со статором винтовой героторной пары. Винтовая героторная пара имеет уменьшенный шаг, угол подъема винтовой линии в пределах диапазона значений от 30 до 50°, что позволяет на одном погонном метре ее рабочего органа разместить большее число шагов.

Однако на практике такие рабочие пары в режиме гидродвигателя обладают самоторможением, что отрицательно сказываются на работе двигателя.

При включении буровых насосов буровой раствор поступает в винтовую героторную пару, продавливается через зазор между ротором и статором и далее поступает в турбину - активатор. Из-за того, что героторная пара является несамозапускаемой, в данном двигателе функцию “стартера” выполняет турбина - активатор, которая, вырабатывая вращающий момент, преодолевает статический момент трения между ротором и статором героторной винтовой пары, после чего двигатель начинает вращаться и переходит в рабочий режим.

При запуске такого двигателя весь расход бурового раствора, поступающий от буровых насосов, попадает в винтовую героторную пару и продавливается через зазор между ротором и статором. При этом срабатывается значительный перепад давления от 50 атм до 140 атм с величиной пускового давления 160-180 атм, превышающей величину рабочего давления 100-120 атм буровых насосов, что требует дополнительной мощности буровых насосов.

Значительный перепад давления прижимает ротор к статору с большим усилием и деформирует эластичную обкладку статора, вызывая перекос ротора относительно статора, что также отрицательно сказывается на работе двигателя.

В таких условиях для запуска двигателя требуется повышенный вращающий момент. Для этой цели используется турбина-активатор, срабатывающая дополнительный перепад давлений, однако это не спасает от повышенного износа деталей героторной пары, что является существенным недостатком двигателя прототипа.

Другим недостатком этой конструкции является большая потеря мощности турбины - активатора из-за того, что ротор турбины вращается с эксцентриситетом относительно статора. Это вызывает необходимость увеличения радиальных зазоров, которые герметизируются дополнительными уплотнениями в виде обрезиненного кольца, что усложняет и удорожает конструкцию двигателя.

Технической задачей настоящего изобретения является создание забойного двигателя с повышенной надежностью.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном забойном двигателе, содержащем турбинный модуль с входной и выходной полостями, винтовую героторную пару с входной и выходной полостями, включающую статор и ротор, узел соединения ротора винтовой героторной пары с турбинным модулем и шпиндель, согласно изобретению ротор винтовой героторной пары содержит проходной канал, гидравлически связывающий входную полость винтовой героторной пары с входной полостью турбинного модуля через зазор клапана, включающего запорный элемент и седло, при этом запорный элемент установлен на упругом элементе с зазором к поверхности седла и с возможностью контактирования с поверхностью седла, причем запорный элемент может быть выполнен в виде поршня с возможностью свободного перемещения по проходному каналу, верхний торец поршня имеет сферическую или коническую поверхность, под которой выполнена радиальная канавка.

В настоящем изобретении, при запуске двигателя весь поток бурового раствора обходит винтовую героторную пару через проходной канал в роторе и открытый клапан, включающий запорный элемент, выполненный, например, в виде поршня, и седло, то есть через зазор между поршнем и поверхностью седла, и направляется в турбинный модуль. Турбина запускается и, выполняя роль “стартера”, запускает винтовую героторную пару. При этом винтовая героторная пара работает в насосном режиме. Затем, когда срабатывает клапан, то есть поршень входит в контакт с поверхностью седла под воздействием потока бурового раствора, преодолевая сопротивление упругого элемента, весь поток бурового раствора проходит через винтовую героторную пару, генерируя основной вращающий момент на роторе - винтовая героторная пара переходит в двигательный режим.

При этом сохраняются высокоэффективные энергетические характеристики забойного двигателя, в то же время достигается снижение нагрузок на элементы винтовой героторной пары при ее запуске за счет перераспределения потоков рабочей жидкости между винтовой героторной парой и турбинным модулем, что повышает надежность работы двигателя.

Выполнение радиальной канавки под сферической или конической поверхностью верхнего торца поршня, притом, что поршень имеет возможность свободного перемещения по проходному каналу ротора, позволяет при обслуживании забойного двигателя извлекать поршень из ротора специальными захватными устройствами.

На фиг.1 показан общий вид забойного двигателя в продольном разрезе.

На фиг.2 показан разрез забойного двигателя в месте установки поршня с зазором к поверхности седла;

На фиг.3 показан разрез забойного двигателя в месте установки поршня без зазора, с возможностью контакта с поверхностью седла.

Забойный двигатель (фиг.1) состоит из шпинделя 1, турбинного модуля 2 и винтовой героторной пары 3. Винтовая героторная пара включает ротор 4 и статор 5. Статор 5 крепится к бурильным трубам (не показаны) посредством переводника 6. В нижней части ротора 4 расположен клапан (фиг.2, 3), включающий запорный элемент 7, седло 8 и упругий элемент 9. Запорный элемент 7 выполнен, например, в виде поршня, а упругий элемент 9 выполнен, например, в виде пружины.

Винтовая героторная пара 3 соединена с турбинным модулем 2 с помощью переводников 10 и 11 (фиг.1).

Турбинный модуль 2 включает вал 12 и установленные на нем роторные лопатки 13 и втулки 14, корпус 15 и установленные в нем статорные лопатки 16 и радиальные опоры 17. Роторные лопатки 13 и втулки 14 закреплены на валу 12 турбинного модуля 2 посредством затяжки, например, переводником 18. Статорные лопатки 16 и радиальные опоры 17 закреплены в корпусе 15 турбинного модуля с помощью переводника 11 посредством затяжки пакета деталей.

В корпусе шпинделя 1 (фиг.1) установлен вал 19. Вал 19 шпинделя установлен на подшипниках качения (не показаны). Вал 19 шпинделя соединен с валом 12 турбинного модуля 2 посредством муфты (не показана). К нижней части вала 19 шпинделя крепится породоразрушающий элемент, например, долото (не показано).

Ротор 4 соединен с валом 12 турбинного модуля при помощи узла соединения, например шарнира 20. В роторе выполнен проходной канал 21 для гидравлического соединения входной полости А (фиг.1) винтовой героторной пары 3 с выходной полостью Б посредством отверстий 22 (фиг.2, 3), выполненных в седле 8. Выходная полость Б (фиг.1) винтовой героторной пары 3 гидравлически соединена с входной полостью В турбинного модуля 2.

Забойный двигатель работает следующим образом.

При спуске забойного двигателя в скважину его внутренние полости Б, В (фиг.1) заполняются буровым раствором через зазор Г (фиг.2) и проходной канал 21. Затем буровой раствор заполняет полость А и внутреннюю полость бурильных труб.

При включении буровых насосов буровой раствор поступает по бурильным трубам в забойный двигатель. Из полости А буровой раствор поступает, минуя межвитковые камеры 23 винтовой героторной пары 3, по проходному каналу 21, через зазор Г и отверстия 22 в выходную полость Б и далее - во входную полость В. При поступлении бурового раствора к роторным лопаткам 13 и статорным лопаткам 16 последние генерируют вращающий момент, вал 12 турбинного модуля 2 начинает вращаться, приводя в принудительное вращение ротор 4 винтовой героторной пары и вал 19 шпинделя 1. При этом винтовая героторная пара 3 работает в насосном режиме, прокачивая часть бурового раствора из полости А в полость Б через межвитковые камеры 23, а турбинный модуль работает в режиме “стартера”.

При увеличении расхода бурового раствора давление в проходном канале 21 увеличивается, поршень 7 опускается вниз, преодолевая сопротивление упругого элемента 9. Рабочие поверхности 24 и 25 (фиг.2, 3) поршня 7 и седла 8 соприкасаются, перекрывая зазор Г. Далее весь расход бурового раствора проходит по межвитковым камерам 23 винтовой пары 3, генерируя вращающий момент на роторе 4. При этом ротор 4 винтовой героторной пары 3 работает в двигательном режиме, создавая основной вращающий момент на валу 19 шпинделя.

Таким образом, запуск ротора 4 винтовой героторной пары 3 и перевод винтовой героторной пары 3 в двигательный режим происходит при нормальном рабочем давлении бурового раствора (менее 100 атм) в момент вращения ротора 4 валом 12 турбинного модуля 2.

При этом обеспечивается надежный пуск забойного двигателя, не создавая большого перепада давления в винтовой героторной паре, устраняется перекос ротора 4 относительно статора 5, увеличивается срок службы забойного двигателя. Забойный двигатель имеет более простую конструкцию по сравнению с прототипом, благодаря чему затраты на его изготовление и эксплуатацию уменьшаются, небольшие габариты позволяют использовать его не только при бурении вертикальных, но и наклонно-направленных скважин, сохраняя при этом высокоэффективные энергетические показатели. Снижение нагрузок на элементы винтовой героторной пары при запуске двигателя за счет перераспределения потоков рабочей жидкости между винтовой героторной парой и турбиной повышает надежность работы двигателя.

1. Забойный двигатель, содержащий турбинный модуль с входной и выходной полостями, винтовую героторную пару с входной и выходной полостями, включающую статор и ротор, узел соединения ротора винтовой героторной пары с турбинным модулем и шпиндель, отличающийся тем, что ротор винтовой героторной пары содержит проходной канал, гидравлически связывающий входную полость винтовой героторной пары с входной полостью турбинного модуля через зазор клапана, включающего запорный элемент и седло, при этом запорный элемент установлен на упругом элементе с зазором к поверхности седла и с возможностью контактирования с поверхностью седла.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что запорный элемент выполнен в виде поршня и имеет возможность свободного перемещения по проходному каналу, а верхний торец поршня снабжен сферической или конической поверхностью, под которой выполнена радиальная канавка.