Турбобур
Изобретение относится к буровой технике, а именно к турбобурам для бурения скважин. Технической задачей изобретения является увеличение КПД турбобура и упрощение технологии его изготовления. Указанная задача достигается тем, что в турбобуре содержащем корпус, вал, опорный узел и многоступенчатую турбину, при этом статоры турбины закреплены в корпусе, а роторы закреплены на валу, а турбина состоит из единичных ступеней включающих статор и размещенный с зазором и возможностью вращения внутри статора ротор, статор имеет винтовые зубья на внутренней поверхности, а ротор на наружной поверхности, при этом направление витков зубьев ротора выполнено противоположно направлению витков зубьев статора для распределения потока бурового раствора между впадинами зубьев ротора и статора при работе турбобура, турбина дополнительно содержит, по меньшей мере, одно разделительное кольцо, установленное между винтовыми зубьями соседних единичных ступеней ротора и статора соответственно, с возможностью опоры на него указанных зубьев, при этом разделительные кольца, установленные соответственно между винтовыми зубьями соседних единичных ступеней ротора и статора, смещены относительно друг друга в осевом направлении турбины при сборке турбобура. При этом разделительные кольца выполнены из материала, выбранного из группы антифрикционных, например из капролона, а боковые стороны зубьев ротора и статора, воспринимающие энергию потока, имеют вогнутую поверхность, а обратная сторона зубьев выполнена выпуклой, а боковые стороны разделительных колец выполнены пологими относительно оси турбины, причем впадины зубьев статора и ротора выполнены сужающимися по ширине и радиально в направлении движения потока бурового раствора, а общий объем впадин зубьев ротора единичной ступени превышает общий объем впадин зубьев статора той же ступени в 1,2-7,2 раза при равной осевой длине ротора и статора. 5 з.п. ф-лы, 9 ил.
Изобретение относится к буровой технике, а именно к турбобурам для бурения скважин.
Известен турбобур со вставным ротором, содержащий рабочую ступень с переменным радиально-аксиальным направлением потока, при этом лопатки ротора и лопатки статора выполнены на различных диаметрах и имеют входные и выходные торцевые кромки, перпендикулярные оси рабочей ступени (см. книги: Турбинное бурение нефтяных скважин, М., Недра, 1968 г., стр.286-287; Расчет, конструирование и эксплуатация турбобуров, М., Недра, 1976 г., стр.71-72).
Между торцами лопаток ротора и статора данного двигателя имеется безлопаточное пространство, составляющее 30-50% осевого размера ступени, не участвующее в полезной работе двигателя, создающее дополнительное гидравлическое сопротивление и потери энергии бурового раствора при входе и выходе потока с лопаток ступени: неэффективные завихрения потока в безлопаточном пространстве при выходе с лопаток (кромочные потери), торможение потока при входе в лопатки из безлопаточного пространства ступени.
Известен турбобур, содержащий рабочую ступень осевого типа (см.: Расчет, конструирование и эксплуатация турбобуров, М.: Недра, 1976 г., стр.46-59; 118-139). Данный забойный двигатель имеет недостатки вышеупомянутого двигателя, при этом дополнительно присутствуют механические потери, вызванные трением вращающихся частей ступени (обода, ступицы ротора и статора) о буровой раствор. Кроме этого, при критическом износе осевой опоры двигателя в процессе работы лопатки ротора начинают контактировать с лопатками статора и происходит быстрый катастрофический износ рабочей ступени.
Известен забойный двигатель по патенту №31264 (опубл. 03.02.2003), содержащий двигательную секцию в виде статора с внутренними винтовыми зубьями и ротора с наружными винтовыми зубьями, с направлением витков зубьев статора противоположным направлению витков вершин зубьев ротора, причем статор и ротор расположены друг относительно друга концентрично с радиальным зазором между вершинами зубьев.
В данном двигателе устранены недостатки, связанные с безлопаточным пространством вышеупомянутых двигателей, однако буровой раствор в данном двигателе не распределяется принудительно между ротором и статором, при этом рабочий момент значительно зависит от вязкости бурового раствора, что исключает повышение КПД двигателя при применении обычных буровых растворов.
Известен гидравлический забойный двигатель по патентам №2200814 и 2200815 (опубл. 2003.03.20), содержащий корпус, имеющий элемент для соединения с бурильной колонной и полость для подачи бурового раствора, установленный с возможностью вращения в полости для подачи бурового раствора вал с закрепленным на нем по крайней мере одним турбинным колесом, имеющим спиральные лопасти, и закрепленный на корпусе в полости для подачи бурового раствора, по крайней мере, один статорный элемент с направляющими поток бурового раствора каналами и с внутренней поверхностью, охватывающей боковую внешнюю поверхность турбинного колеса, отличающийся тем, что спиральные лопасти выполнены в виде спиральных пазов на участке боковой внешней поверхности турбинного колеса протяженностью менее ее длины по образующей, а направляющие поток бурового раствора каналы выполнены в виде продольных пазов, расположенных двумя группами на внутренней поверхности каждого статорного элемента с образованием по периметру внутренней поверхности разделительного участка между группами. Недостатком данного двигателя является повышенная трудоемкость изготовления спиральных пазов турбинного колеса на участке боковой внешней поверхности протяженностью менее ее длины по образующей. Также достаточно трудоемко и изготовление каналов статорных элементов в виде продольных пазов расположенных двумя группами на внутренней поверхности с образованием разделительного участка между группами.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является техническое решение по патенту РФ №2200814.
Целью предлагаемого изобретения является увеличение КПД турбобура и упрощение технологии его изготовления.
Указанная цель достигается тем, что в турбобуре, содержащем корпус, вал, опорный узел и многоступенчатую турбину, при этом статоры турбины закреплены в корпусе, а роторы закреплены на валу, а турбина состоит из единичных ступеней, включающих статор и размещенный с зазором и возможностью вращения внутри статора ротор, статор имеет винтовые зубья на внутренней поверхности, а ротор на наружной поверхности, направление витков зубьев ротора выполнено противоположно направлению витков зубьев статора, для распределения потока бурового раствора между впадинами зубьев ротора и статора при работе турбобура, турбина дополнительно содержит, по меньшей мере, одно разделительное кольцо, установленное между винтовыми зубьями соседних единичных ступеней ротора и статора соответственно, с возможностью опоры на него указанных зубьев, при этом разделительные кольца, установленные соответственно между винтовыми зубьями соседних единичных ступеней ротора и статора, смещены относительно друг друга в осевом направлении турбины при сборке турбобура.
Разделительные кольца турбины турбобура выполнены из материала, выбранного из группы антифрикционных, например из капролона.
Боковые стороны зубьев ротора и статора, воспринимающие энергию потока, имеют вогнутую поверхность, а обратная сторона зубьев выполнена выпуклой.
Боковые стороны разделительных колец выполнены пологими относительно оси турбины.
Впадины зубьев статора и ротора выполнены сужающимися по ширине и радиально в направлении движения потока бурового раствора.
Общий объем впадин зубьев ротора единичной ступени превышает общий объем впадин зубьев статора той же ступени в 1,2-7,2 раза при равной осевой длине ротора и статора.
Отличительными признаками предлагаемого забойного двигателя от вышеуказанного, наиболее близкого к нему, является следующее.
Во-первых, в турбобуре, содержащем корпус, вал, опорный узел и многоступенчатую турбину, при этом статоры турбины закреплены в корпусе, а роторы закреплены на валу, а турбина состоит из единичных ступеней, включающих статор, неразмещенный с зазором и возможностью вращения внутри статора ротор, статор имеет винтовые зубья на внутренней поверхности, а ротор на наружной поверхности, направление витков зубьев ротора выполнено противоположно направлению витков зубьев статора для распределения потока бурового раствора между впадинами зубьев ротора и статора при работе турбобура, турбина дополнительно содержит, по меньшей мере, одно разделительное кольцо, установленное между винтовыми зубьями соседних единичных ступеней ротора и статора соответственно, с возможностью опоры на него указанных зубьев, при этом разделительные кольца, установленные соответственно между винтовыми зубьями соседних единичных ступеней ротора и статора, смещены относительно друг друга в осевом направлении турбины при сборке турбобура. Это позволяет значительно упростить технологию изготовления турбины турбобура по сравнению с аналогом и также позволяет распределять поток между статором и ротором без промежуточного нерабочего пространства ступени и передавать кинетическую энергию потока непосредственно со статора к ротору через минимальный радиальный зазор. Поворот потока без промежуточного нерабочего пространства создает увеличенное динамическое давление потока на рабочей стороне зубьев ротора и соответственно, увеличивает вращающий момент и КПД двигателя. Помимо этого сокращается длина турбобура при отсутствии нерабочих безлопаточных пространств при равной мощности турбобура.
Во-вторых, при выполнении в турбобуре разделительных колец из материала, выбранного из группы антифрикционных, например из капролона в качестве дополнительных радиальных опор, позволяет уменьшить радиальные зазоры между зубьями ротора и статора, увеличивая КПД турбобура, и позволяет увеличить ресурс работы турбобура при увеличении общей полезной площади радиальных опор без увеличения длины турбобура и соответственно снизить затраты на бурение при уменьшении количества спускоподъемных операций для ремонта турбобура.
В-третьих, при выполнении турбобура, когда боковые стороны зубьев ротора и статора, воспринимающие энергию потока, имеют вогнутую поверхность, а обратная сторона зубьев выполнена выпуклой, также увеличивается КПД турбобура.
В-четвертых, при выполнении боковых сторон разделительных колец пологими относительно оси турбины уменьшается гидравлическое сопротивление потоку и увеличивается КПД турбобура.
В-пятых, в турбобуре, когда впадины зубьев статора и ротора выполнены сужающимися по ширине и радиально в направлении движения потока бурового раствора, увеличивается КПД, уменьшается гидравлическое сопротивление впадин при более плавном увеличении скорости и соответственно плавном наращивании кинетической энергии потока бурового раствора, при движении потока вдоль каждой впадины зубьев статора.
В-шестых, при выполнении турбобура, когда общий объем впадин зубьев ротора единичной ступени превышает общий объем впадин зубьев статора той же ступени в 1,2-7,2 раза при равной осевой длине ротора и статора, увеличивается скорость и кинетическая энергия потока во впадинах зубьев статора при передаче этой увеличенной энергии потока на вращение ротора, что в конечном итоге увеличивает вращающий момент турбобура. Турбобур иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-9:
На фиг.1 показан общий вид турбобура с опорным узлом;
На фиг.2 - разрез А-А на фиг.1 (Проток бурового раствора по впадинам зубьев статора перекрыт разделительным кольцом статора, опирающимся внутренней поверхностью на вершины зубьев ротора, проток по впадинам зубьев ротора открыт);
На фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1 (Проток открыт как по впадинам зубьев ротора, так и по впадинам зубьев статора, поток бурового раствора переходит из впадин зубьев ротора во впадины зубьев статора);
На фиг.4 - разрез В-В на фиг.1 (Проток бурового раствора по впадинам зубьев ротора перекрыт разделительным кольцом ротора, опирающимся наружной поверхностью на вершины зубьев статора, проток по впадинам зубьев статора открыт);
На фиг.5 - развертка поверхности ротора, статора и разделительных колец ротора и статора соседних единичных ступеней при противоположном направлении витков зубьев ротора и статора. (Развертка ротора частично смещена относительно развертки статора для наглядности).
На фиг.6 - развертка поверхности ротора, статора и разделительных колец ротора и статора соседних единичных ступеней при выполнении статора единичной ступени с прямыми параллельными своей оси зубьями, а ротора с винтовыми зубьями. (Развертка ротора частично смещена относительно развертки статора для наглядности).
На фиг.7 - развертка поверхности ротора, статора и разделительных колец ротора и статора соседних единичных ступеней при противоположном направлении витков зубьев ротора и статора при выполнении впадин зубьев статора сужающимися по ширине и радиально в направлении движения потока бурового раствора. (Развертка ротора частично смещена относительно развертки статора для наглядности).
На фиг.8 - развертка поверхности ротора, статора и разделительных колец ротора и статора соседних единичных ступеней при противоположном направлении витков зубьев ротора и статора при выполнении впадин зубьев статора и ротора сужающимися по ширине и радиально в направлении движения потока бурового раствора. (Развертка ротора частично смещена относительно развертки статора для наглядности).
На фиг.9 - единичная ступень турбины турбобура.
Турбобур содержит корпус 1, вал 2, опорный узел 3 и многоступенчатую турбину 4, при этом статоры 5 турбины 4 закреплены в корпусе 1, а роторы 6 закреплены на валу 2, а турбина 4 состоит из единичных ступеней 15, включающих статор 5 и размещенный с зазором и возможностью вращения внутри статора 5 ротор 6, статор 5 имеет винтовые зубья 7 на внутренней поверхности, а ротор 6 на наружной поверхности. При этом направление витков зубьев 8 ротора 6 выполнено противоположно направлению витков зубьев 7 статора 5 для распределения потока бурового раствора между впадинами 11 и 12 зубьев 7 и 8 ротора 6 и статора 5 при работе турбобура, турбина 4 дополнительно содержит разделительные кольца 9 ротора 6 и разделительные кольца 10 статора 5, установленные между винтовыми зубьями 8 и 7 соседних единичных ступеней ротора 6 и статора 5 соответственно, с возможностью опоры на него указанных зубьев, при этом разделительные кольца 9 и 10, установленные соответственно между винтовыми зубьями 7 и 8 соседних единичных ступеней ротора 6 и статора 5, смещены относительно друг друга в осевом направлении турбины 4 при сборке турбобура (фиг 1). Разделительные кольца 9 и 10 выполнены из материала, выбранного из группы антифрикционных, например из капролона. Боковые стороны зубьев 7 и 8 ротора 6 и статора 5, воспринимающие энергию потока, имеют вогнутую поверхность, а обратная сторона зубьев 7 и 8 выполнена выпуклой (фиг. 2, 3 и 4). Боковые стороны разделительных колец 9 и 10 выполнены пологими относительно оси турбины 4 (фиг.1 и 9). Впадины 11 и 12 зубьев 7 и 8 статора 5 и ротора 6 выполнены сужающимися по ширине и радиально в направлении движения потока бурового раствора (фиг.8). Общий объем впадин 11 зубьев 8 ротора 6 единичной ступени превышает общий объем впадин 12 зубьев 7 статора 5 той же ступени в 1,2-7,2 раза при равной осевой длине ротора 6 и статора 5.
Работа турбобура осуществляется следующим образом. Поток бурового раствора под давлением от бурового насоса двигается по бурильной колонне в верхнюю часть турбобура к рабочей турбине 4. Далее поток проходит по впадинам 12 винтовых зубьев 7 статора 5. Разделительное кольцо 10 статора 5 переводит поток бурового раствора во впадины 11, противоположного, чем у статора 5 направления винтовых зубьев 8 ротора 6. Резкое изменение направления потока на рабочих (вогнутых) сторонах зубьев 8 ротора 6 вызывает инерционную силу, пропорциональную удельному весу бурового раствора и квадрату скорости потока бурового раствора. Инерционные силы изменения направления потока, возникающие на рабочей стороне каждого зуба 8 ротора 6, складываются в рабочий крутящий момент относительно оси ротора 6, пропорциональный половине среднего диаметра зубьев 8 ротора 6. Далее поток бурового раствора переводится разделительным кольцом 9 ротора 6 во впадины 12 винтовых зубьев 7 статора 5 и процесс повторяется, вызывая рабочий крутящий момент на роторе 6 второй единичной ступени турбины 4. Рабочий крутящий момент ротора 6 каждой единичной ступени складывается в общий рабочий момент турбины и передается на вал 2 турбобура и далее на долото. Разделительные кольца 9 и 10 ротора и статора выполнены из антифрикционного материала и работают в качестве дополнительных радиальных опор, опираясь на винтовые вершины зубьев 7 и 8 ротора 6 и статора 5. Разделительные кольца 9 и 10, работающие в качестве радиальных опор, позволяют уменьшить радиальные зазоры между зубьями 7 и8 ротора 6 и статора 5, увеличить КПД турбобура и ресурс работы турбобура при увеличении общей полезной площади радиальных опор, без увеличения длины турбобура. Соответственно это снижает затраты на бурение при уменьшении количества спускоподъемных операций для ремонта турбобура. Впадины 12 зубьев статора 7 (фиг.7, фиг.8) выполнены сужающимися по ширине и радиально в направлении движения потока бурового раствора. При этом уменьшается гидравлическое сопротивление впадин 12, более плавно увеличивается скорость потока бурового раствора при движении потока вдоль впадин 12 зубьев 7 статора 5 и соответственно плавно наращивается кинетическая энергия потока бурового раствора. Этим также увеличивается КПД турбобура. При этом общий объем впадин 11 ротора 6 единичной ступени выполнен больше общего объема впадин 12 зубьев 7 статора 5 той же ступени в 1,2-7,2 раз при равной осевой длине ротора 6 и статора 5. Это позволяет соответственно увеличить скорость потока во впадинах зубьев 12 статора и пропорционально квадрату скорости потока, увеличить кинетическую энергию потока для передачи увеличенной энергии потока на вращение ротора 6, что в конечном итоге увеличивает вращающий момент турбобура.
1. Турбобур, содержащий корпус, вал, опорный узел и многоступенчатую турбину, при этом статоры турбины закреплены в корпусе, а роторы закреплены на валу, а турбина состоит из единичных ступеней, включающих статор и размещенный с зазором и возможностью вращения внутри статора ротор, статор имеет винтовые зубья на внутренней поверхности, а ротор - на наружной поверхности, отличающийся тем, что направление витков зубьев ротора выполнено противоположно направлению витков зубьев статора, для распределения потока бурового раствора между впадинами зубьев ротора и статора при работе турбобура турбина дополнительно содержит, по меньшей мере, одно разделительное кольцо, установленное между винтовыми зубьями соседних единичных ступеней ротора и статора, соответственно, с возможностью опоры на него указанных зубьев, при этом разделительные кольца, установленные соответственно между винтовыми зубьями соседних единичных ступеней ротора и статора, смещены относительно друг друга в осевом направлении турбины при сборке турбобура.
2. Турбобур по п.1, отличающийся тем, что разделительные кольца выполнены из материала, выбранного из группы антифрикционных, например из капролона.
3. Турбобур по п.1, отличающийся тем, что боковые стороны зубьев ротора и статора, воспринимающие энергию потока, имеют вогнутую поверхность, а обратная сторона зубьев выполнена выпуклой.
4. Турбобур по п.1 или 2, отличающийся тем, что боковые стороны разделительных колец выполнены пологими относительно оси турбины.
5. Турбобур по п.1, отличающийся тем, что впадины зубьев статора и ротора выполнены сужающимися по ширине и радиально в направлении движения потока бурового раствора.
6. Турбобур по п.1 или 5, отличающийся тем, что общий объем впадин зубьев ротора единичной ступени превышает общий объем впадин зубьев статора той же ступени в 1,2-7,2 раза при равной осевой длине ротора и статора.
