Забойный двигатель

Изобретение относится к буровой технике, а именно к забойным двигателям. Забойный двигатель содержит двигательную секцию, скрепленную соединительным переводником со шпиндельной секцией, состоящей из корпуса, полого выходного вала, верхней полумуфты, соединенной с полым выходным валом и имеющей окна для протока рабочей текучей среды в полый выходной вал, осевой опоры, верхней и нижней радиальных опор, установленных с зазором и с возможностью вращения полого выходного вала. Соединительный переводник установлен с радиальным зазором напротив окон для протока рабочей текучей среды в полый выходной вал и выполнен с внутренними каналами и с возможностью периодического перекрывания окон при работе двигателя. Обеспечивает уменьшение длины двигателя, уменьшение затрат на бурение и изготовление двигателя. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к буровой технике, а именно к забойным двигателям, предназначенным для бурения и ремонта нефтяных и газовых скважин.

Известен забойный двигатель по патенту №2232244 (опубл. 2004.07.10.), содержащий двигательную секцию и шпиндельную секцию, состоящую из корпуса, полого выходного вала, осевой опоры, радиальных опор, причем в корпусе шпиндельной секции напротив окон для протока рабочей текучей среды в полый выходной вал неподвижно по отношению к корпусу расположена проточная втулка, служащая дополнительной радиальной опорой, выполненная с внутренними каналами, и при этом окна для пропуска рабочей текучей среды в полый выходной вал и внутренние каналы проточной втулки расположены таким образом, что втулка периодически перекрывает при повороте полого выходного вала окна для протока рабочей текучей среды.

Данный забойный двигатель обеспечивает повышенную производительность бурения твердых горных пород за счет придания долоту помимо вращательного движения еще и дополнительных осевых колебаний (ударов) и лучшей промывки забоя от шлама рабочей текучей средой при поступлении ее к долоту в виде волновых порций, создающих импульсные гидравлические удары в зоне бурения. Однако данный двигатель имеет увеличенную длину за счет установки проточной втулки, служащей дополнительной радиальной опорой. При бурении и ремонте искривленных скважин увеличенная длина двигателя может привести к прихвату двигателя на забое и повышенным затратам на бурение. Помимо этого увеличивается вес двигателя и расход металла на его изготовление.

Предлагаемым изобретением решается задача уменьшения длины двигателя, уменьшения затрат на бурение и изготовление двигателя.

Для достижения указанного технического результата в забойном двигателе, содержащем двигательную секцию, скрепленную соединительным переводником со шпиндельной секцией, состоящей из корпуса, полого выходного вала, верхней полумуфты, соединенной с полым выходным валом и имеющей окна для протока рабочей текучей среды в полый выходной вал, осевой опоры, верхней и нижней радиальных опор, установленных с зазором и с возможностью вращения полого выходного вала, соединительный переводник установлен с радиальным зазором напротив окон для протока рабочей текучей среды в полый выходной вал и выполнен с внутренними каналами и с возможностью периодического перекрывания окон при работе двигателя.

При этом внутренняя поверхность соединительного переводника служит дополнительной радиальной опорой, и осевая опора полого выходного вала подпружинена.

Между соединительным переводником и верхней радиальной опорой двигателя выполнена кольцевая полость, сообщающаяся с радиальным зазором соединительного переводника и радиальным зазором верхней радиальной опоры, и осевая опора двигателя выполнена с возможностью осевого перемещения полого выходного вала для возможности выхода окон для протока рабочей текучей среды в полый выходной вал из зоны внутренней поверхности соединительного переводника в зону кольцевой полости, при холостой работе двигателя без периодического перекрытия окон полого выходного вала.

Отличительными признаками предлагаемого забойного двигателя от указанного выше наиболее близкого к нему является следующее.

Во-первых, в забойном двигателе, содержащем двигательную секцию, скрепленную соединительным переводником со шпиндельной секцией, состоящей из корпуса, полого выходного вала, верхней полумуфты, соединенной с полым выходным валом и имеющей окна для протока рабочей текучей среды в полый выходной вал, осевой опоры, верхней и нижней радиальных опор, установленных с зазором и с возможностью вращения полого выходного вала, соединительный переводник установлен с радиальным зазором напротив окон для протока рабочей текучей среды в полый выходной вал и выполнен с внутренними каналами и с возможностью периодического перекрывания окон при работе двигателя. Такое выполнение забойного двигателя позволяет уменьшить его длину по сравнению с прототипом и соответственно бурить или ремонтировать искривленные скважины с меньшим радиусом искривления и также уменьшить затраты на изготовление двигателя.

Во-вторых, в забойном двигателе, выполненном в соответствии с вышеописанным, внутренняя поверхность соединительного переводника служит дополнительной радиальной опорой, что также позволяет увеличить ресурс двигателя.

В-третьих, в забойном двигателе, выполненном в соответствии с вышеописанным, осевая опора полого выходного вала подпружинена, что также позволяет уменьшить ударные нагрузки на корпус двигателя и увеличить ресурс работы.

В-четвертых, в забойном двигателе, выполненном в соответствии с вышеописанным, между соединительным переводником и верхней радиальной опорой выполнена кольцевая полость, сообщающаяся с радиальным зазором соединительного переводника и радиальным зазором верхней радиальной опоры. Кольцевая полость способствует распространению волн давления в радиальный зазор верхней радиальной опоры, при этом значительно повышается ресурс работы осевой и радиальных опор забойного двигателя за счет их лучшей промывки и охлаждения рабочей текучей средой.

В-пятых, осевая опора двигателя выполнена с возможностью осевого перемещения полого выходного вала для возможности выхода окон для протока рабочей текучей среды в полый выходной вал из зоны внутренней поверхности соединительного переводника в зону кольцевой полости при холостой работе двигателя без периодического перекрытия окон полого выходного вала. При этом также увеличивается ресурс работы осевой и радиальных опор забойного двигателя за счет исключения осевых ударов полого выходного вала при отсутствии рабочей нагрузки на долото.

Забойный двигатель иллюстрируется фиг.1-5.

На фиг.1 показан забойный двигатель (вариант винтового забойного двигателя) при рабочей осевой нагрузке на долото;

на фиг.2 - забойный двигатель (вариант винтового забойного двигателя) при холостой работе двигателя, при отсутствии рабочей нагрузки на долото.

на фиг.3 - разрез А-А на фиг.1 (положение полого выходного вала, когда проток открыт);

на фиг.4 - разрез А-А на фиг.1 (положение полого выходного вала, когда проток закрыт);

на фиг.5 - разрез Б-Б на фиг.2 (положение полого выходного вала при холостой работе двигателя, без периодического перекрытия окон полого выходного вала).

Забойный двигатель, содержит двигательную секцию 1, скрепленную соединительным переводником 2 со шпиндельной секцией 3, состоящей из корпуса 4, полого выходного вала 5, верхней полумуфты 6, соединенной с полым выходным валом 5 и имеющей окна 7 для протока рабочей текучей среды в полый выходной вал 5, осевой опоры 8, верхней и нижней радиальных опор 9 и 10, установленных с зазором и с возможностью вращения полого выходного вала 5. При этом соединительный переводник 2 установлен с радиальным зазором напротив окон 7 для протока рабочей текучей среды в полый выходной вал 5 и выполнен с внутренними каналами 11 и с возможностью периодического перекрывания окон 7 при работе двигателя (фиг.1). Внутренняя поверхность соединительного переводника 2 служит дополнительной радиальной опорой. Осевая опора 8 полого выходного вала 5 подпружинена (не показано). Между соединительным переводником 2 и верхней радиальной опорой 9 выполнена кольцевая полость 13, сообщающаяся с радиальным зазором соединительного переводника 2 и радиальным зазором верхней радиальной опоры 9.

Осевая опора 8 двигателя выполнена с возможностью осевого перемещения полого выходного вала 5 для возможности выхода окон 7 для протока рабочей текучей среды в полый выходной вал 5 из зоны 12 внутренней поверхности соединительного переводника 2 в зону кольцевой полости 13, при холостой работе двигателя без периодического перекрытия окон 7 полого выходного вала 5 (фиг.2).

Работа забойного двигателя осуществляется следующим образом. Рабочая текучая среда (буровой раствор) под давлением от бурового насоса поступает по бурильной колонне к забойному двигателю и проходит через двигательную секцию 1 забойного двигателя вызывая вращение ротора 14 и полого выходного вала 5. На ротор 14 сверху действует гидравлическая выталкивающая сила Р, пропорциональная перепаду давления в двигательной секции. Ротор 14 и полый выходной вал 5, через верхнюю полумуфту 6 соединены между собой торсионом 15 или соединительной муфтой, поэтому гидравлическая выталкивающая сила перемещает полый выходной вал 5 вниз, выводя окна 7 в зону кольцевой полости 13 при холостой работе двигателя (фиг.2). При начале бурения на долото 16, закрепленное на полом выходном валу 5, действует осевая сила реакции забоя R, перемещающая полый выходной вал 5 вверх и выводя окна 7 в зону 12 соединительного переводника 2 (фиг.1). При вращении полого выходного вала 5 в процессе бурения соединительный переводник 2 внутренней поверхностью периодически перекрывает поток рабочей текучей среды через окна 7 (фиг.4), вызывая резкие изменения скорости потока и создавая волны давления (гидравлические удары) потока рабочей текучей среды в зоне 12 соединительного переводника 2. Периодическое изменение давления в зоне 12 соединительного переводника 2 вызывает периодическое изменение перепада давления в двигательной секции 1 и соответственно периодическое изменение гидравлической выталкивающей силы Р, действующей на ротор 14, что в свою очередь вызывает через торсион 15, верхнюю полумуфту 6 и полый выходной вал 5 возникновение периодических ударов долота 16 на забой. Волны давления при периодическом перекрытии окон 7 распространяются как вверх по потоку, так и вниз по потоку относительно зоны 12. Причем волны давления, распространяющиеся вверх по потоку рабочей текучей среды, на дневной поверхности распространяются как звуковые волны в виде тонального шума, по которому характеризуется работа забойного двигателя. Например, при испытаниях двигателя, выполненного в соответствии с вышеописанным, при бурении и нагрузке на забой наличие тонального шума характеризовало вращение долота. При снижении нагрузки на забой тональность шума повышалась, что определялось увеличением частоты вращения двигателя. При увеличении нагрузки на забой тональный шум прекращался, также отсутствовала проходка, что свидетельствовало об остановке двигателя. При снятии нагрузки с забоя тональный шум также прекращался, что судило об холостой работе двигателя, то есть перемещению полого выходного вала 5 вниз под воздействием гидравлической выталкивающей силы и выводу окон 7 в зону кольцевой полости 13. Кольцевая полость 13 также способствует распространению волн давления в радиальный зазор верхней радиальной опоры 9 и улучшает этим промывку и охлаждение осевой опоры 8 и радиальных опор 9 и 10. При уменьшении осевой нагрузки долота на забой забойный двигатель переходит в режим холостой работы без периодического перекрытия окон 7 полого выходного вала 5, при этом гидравлическая выталкивающая сила перемещает полый выходной вал 5 вниз (фиг.2), выводя окна 7 в зону кольцевой полости 13, вызывая более полное удаление абразивного шлама из кольцевой полости 13 через окна 7 полого выходного вала 5 в забойную зону к долоту 16. При бурении с периодическим нагруженном забоя долотом обеспечивается более полное периодическое удаление шлама из кольцевой полости 13 и значительное повышение ресурса работы осевой и радиальных опор забойного двигателя, в основном превышающего 200 часов бурения. Выполнение верхней радиальной опоры 9 с уменьшенным радиальным зазором обеспечивает прохождение не более 5% рабочей текучей среды через осевую и радиальные опоры, что позволяет улучшить эффективность бурения. Использование забойного двигателя в соответствии с вышеописанным помимо уменьшения длины двигателя снижает затраты на бурение, при уменьшении количества спускоподъемных операций для ремонта двигателя. Помимо этого наличие тонального шума характеризует вращение долота 16, что создает удобство бурильщику при определении режима работы двигателя и повышение эффективности бурения.

1. Забойный двигатель, содержащий двигательную секцию, скрепленную соединительным переводником со шпиндельной секцией, состоящей из корпуса, полого выходного вала, верхней полумуфты, соединенной с полым выходным валом и имеющей окна для протока рабочей текучей среды в полый выходной вал, осевой опоры, верхней и нижней радиальных опор, установленных с зазором и с возможностью вращения полого выходного вала, отличающийся тем, что соединительный переводник установлен с радиальным зазором напротив окон для протока рабочей текучей среды в полый выходной вал и выполнен с внутренними каналами и с возможностью периодического перекрывания окон при работе двигателя.

2. Забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность соединительного переводника служит дополнительной радиальной опорой.

3. Забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что осевая опора полого выходного вала подпружинена.

4. Забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что между соединительным переводником и верхней радиальной опорой выполнена кольцевая полость, сообщающаяся с радиальным зазором соединительного переводника и радиальным зазором верхней радиальной опоры.

5. Забойный двигатель по п.4, отличающийся тем, что осевая опора двигателя выполнена с возможностью осевого перемещения полой среды в полый выходной вал из зоны внутренней поверхности соединительного переводника в зону кольцевой полости, при холостой работе двигателя без периодического перекрытия окон полого выходного вала.