Малогабаритный винтовой забойный двигатель (варианты)

Изобретение относится к винтовым забойным двигателям и может быть использовано для бурения нефтяных, газовых и разведочных скважин. Малогабаритный винтовой забойный двигатель содержит обрезиненный статор (1), полый ротор (2), трубчатый торсион (3), вал (4). Опорный узел выполнен в виде двухстороннего подшипника скольжения и имеет независимые верхнюю обойму (5) с армированными твердосплавными цилиндрическими вставками (6) и нижнюю обойму (7) с армированными твердосплавными цилиндрическими вставками (8). Твердосплавные цилиндрические вставки обойм имеют разную твердость. В нижней части трубчатого торсиона (3) установлен амортизатор, выполненный в виде двух дисков: верхнего (9) и нижнего (10) с пружинами (11). Возможен вариант закрепления верхней обоймы (5) в переводнике (12), при этом нижняя обойма (7) соединена с валом (4). Обеспечивается снижение вибрации двигателя, повышение его надежности и эксплуатационных возможностей при бурении скважин. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к винтовым забойным двигателям и может быть использовано для бурения нефтяных, газовых и разведочных скважин.

Известен винтовой забойный двигатель [RU 2011778 C1, E21B 4/02, опубл. 30.04.94], снабженный статором и корпусом опорного узла, выполненных в виде единой трубчатой оболочки, винтовые зубья статора спрофилированы на трубчатой оболочке, а узел фиксации выполнен в виде выступов на внутренней поверхности корпуса для взаимодействия с выемками на наружной поверхности наружных элементов подшипников. Отношение толщины стенки корпуса к наружному диаметру находится в пределах 0,04-0,065.

Известен забойный двигатель [SU 1613557 A1, E21B 4/02, опубл. 15.12.90], содержащий полость над регулировочным узлом дополнительно гидравлически связанную с полостью под регулировочным узлом при помощи дополнительного продольного канала, выполненного в затворе, причем посадочная поверхность затвора расположена между выходными отверстиями основного и дополнительного каналов, а корпус регулирующего узла жестко связан с корпусом двигательной секции.

Известен малогабаритный винтовой забойный двигатель [RU №2102575 C1, E21B 4/02, 20.01.98], содержащий вал двигателя, расположенный внутри трубчатого торсиона и полого ротора, а опорный узел, расположенный в верхней части двигателя в зоне подачи промывочной жидкости, выполнен в виде двухстороннего подшипника скольжения, причем его рабочие поверхности скольжения армированы твердосплавными цилиндрическими вставками, расположенными концентрично относительно оси двигателя, содержащие осевые и радиальные каналы для охлаждения и смазки трущихся поверхностей промывочной жидкостью.

Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата в известных технических решениях, являются низкий показатель надежности двигателя при бурении горизонтальных скважин за счет высоких вибраций на долоте, влияющих на качество геофизических исследований, низкий показатель стойкости опорного узла (осевой опоры) и невозможность его замены в автономных условиях (на буровой).

В процессе бурения (разрушения горных пород) скважин компоновка нижней части бурильной колонны (КНБК) испытывает колоссальные нагрузки (напряжения), сопровождающиеся вынужденными автоколебаниями. Частота, амплитуда вибраций прежде всего зависит от вида породоразрушающего инструмента (долота), свойств пород, создаваемой нагрузки, а также применяемого бурильного инструмента для искусственного регулирования фактора колебаний (создание дополнительной динамической нагрузки) и т.д.

В настоящее время процесс проводки скважин с горизонтальным окончанием сопровождается телеметрическими системами, имеющими как проводной, так и беспроводной канал связи (источником, каналом связи, является буровой раствор) с источником информации. Телеметрическая информационная система устанавливается непосредственно над забойным двигателем на расстоянии от 5 до 10 м от долота. Уменьшение габаритных размеров, а именно длины винтового забойного двигателя, увеличивает эффективность проводки горизонтальных скважин, что обусловлено близостью расположения системы к долоту (уменьшением «мертвой» неориентируемой зоны). При этом возникает проблема влияния вибраций на показатели работы телеметрической системы. По мере приближения (уменьшения расстояния до 5-6 м «телесистема - долото») к забою происходит до 30% отказа телеметрической системы.

Вибрации также отрицательно влияют на долговечность опорного узла винтового забойного двигателя. Работа двигателя осуществляется при переменных осевых нагрузках, что является причиной низкого показателя эксплуатации опорного узла. Продолжительность работы опорного узла зависит от ряда факторов, таких как режим бурения (нагруженность, частота вращения), тип опоры (материал), технология изготовления. Выход из строя опорного узла приводит к остановкам, материальным затратам, связанным с вывозом винтового забойного двигателя для замены опорного узла на сервисную базу по причине невозможности осуществления ремонтных работ по замене изношенной опоры (отсутствие специализированного оборудования) в условиях буровой.

Одним из решений данной проблемы является снижение вибраций двигателя, увеличение стойкости опорного узла (осевой опоры) с возможностью его замены в условиях буровой.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности и эксплуатационных возможностей двигателя при бурении горизонтальных скважин путем изменения конструкции винтового забойного двигателя.

При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в снижении вибраций при бурении горизонтальных скважин за счет установки амортизатора, а также установки независимой обоймы опорного узла винтового забойного двигателя.

Указанный технический результат по первому варианту достигается тем, что малогабаритный винтовой забойный двигатель содержит обрезиненный статор, полый ротор, трубчатый торсион, вал, опорный узел в виде двухстороннего подшипника скольжения, имеющего две независимые обоймы, армированные твердосплавными цилиндрическими вставками. Твердосплавные цилиндрические вставки выполнены различной твердости, причем твердость материала нижней обоймы выше, чем верхней, а в нижней части трубчатого торсиона установлен амортизатор, выполненный в виде двух дисков с расположенными между ними пружинами.

Указанный технический результат по второму варианту достигается тем, что малогабаритный винтовой забойный двигатель содержит обрезиненный статор, полый ротор, трубчатый торсион, вал, опорный узел в виде двухстороннего подшипника скольжения, имеющего две независимые обоймы, армированные твердосплавными цилиндрическими вставками. Твердосплавные цилиндрические вставки выполнены различной твердости, причем твердость материала нижней обоймы выше, чем верхней, а в нижней части трубчатого торсиона установлен амортизатор, выполненный в виде двух дисков с расположенными между ними пружинами. При этом верхняя обойма расположена в переводнике двигателя и выполнена быстросъемной, а нижняя обойма соединена с валом двигателя.

На фиг.1 представлен малогабаритный винтовой забойный двигатель по первому варианту, на фиг.2 - малогабаритный винтовой забойный двигатель по второму варианту.

Малогабаритный винтовой забойный двигатель как по первому варианту, так и по второму содержит обрезиненный статор 1, полый ротор 2, трубчатый торсион 3, вал 4, опорный узел в виде двухстороннего подшипника скольжения, имеющего независимые верхнюю обойму 5 с армированными твердосплавными цилиндрическими вставками 6 и нижнюю обойму 7 с армированными твердосплавными цилиндрическими вставками 8. Твердосплавные цилиндрические вставки 6 и 8 обойм опорного узла имеют разную твердость. С целью сведения к минимуму возможности износа нижней обоймы 7 твердость ее материала предусмотрена выше, чем у верхней обоймы 5. Разница составляет от 5 до 10 единиц по Роквеллу. Например, твердость нижней обоймы 55 HRC, верхней - 45 HRC. При изготовлении цилиндрических вставок возможно использование одного из известных методов спекания порошков высокопрочных вольфрамокобальтовых соединений с добавлением титана.

В нижней части трубчатого торсиона 3 установлен амортизатор, выполненный в виде двух дисков, верхнего 9 и нижнего 10, с расположенными между ними пружинами 11. Расчетная жесткость пружин 11 R_ж, зависит от реакции забоя R_з, создаваемой направленной противоположно нагрузкой на забой G_з, необходимой для разрушения горной породы, и гидравлической нагрузки G_г, создаваемой от потока бурового раствора (носителя энергии для работы двигателя). Для работы пружинного амортизатора с целью снижения вибраций двигателя требуется выполнение следующего условия: R_ж>R_з-G_г.

По второму варианту верхняя обойма 5 закреплена в переводнике 12 посредством резьбового соединения 13. Нижняя обойма 7 соединена с валом 4 конусно-резьбовым соединением 14. Верхняя обойма 5 опорного узла выполнена быстросъемной.

Малогабаритный винтовой забойный двигатель работает следующим образом.

Буровой раствор поступает под давлением в камеры (полости), образованные обрезиненным статором 1 и полым ротором 2. Трубчатый торсион 3, соединенный с ротором 2 и валом 4, приходит во вращение посредством крутящего момента, вызванного действием перепада давления бурового раствора в камерах. В процессе бурения скважины возникают вибрации за счет перекатывания по деформированному забою шарошек долота. Снижение вибрации осуществляется посредством пружин 11 амортизатора. Опорный узел воспринимает осевые усилия, действующие на вал двигателя 4.

Конструктивные изменения опорного узла винтового забойного двигателя, а также установка амортизатора позволит увеличить надежность малогабаритного винтового забойного двигателя при бурении горизонтальных скважин. Также возможно осуществление смены изношенной верхней обоймы непосредственно на буровой, без вывоза на ремонтную базу.

1. Малогабаритный винтовой забойный двигатель, содержащий обрезиненный статор, полый ротор, трубчатый торсион, вал, опорный узел в виде двухстороннего подшипника скольжения, имеющего две независимые обоймы, армированные твердосплавными цилиндрическими вставками, отличающийся тем, что твердосплавные цилиндрические вставки выполнены различной твердости, причем твердость материала нижней обоймы выше, чем верхней, а в нижней части трубчатого торсиона установлен амортизатор, выполненный в виде двух дисков с расположенными между ними пружинами.

2. Малогабаритный винтовой забойный двигатель, содержащий обрезиненный статор, полый ротор, трубчатый торсион, вал, опорный узел в виде двухстороннего подшипника скольжения, имеющего две независимые обоймы, армированные твердосплавными цилиндрическими вставками, отличающийся тем, что твердосплавные цилиндрические вставки выполнены различной твердости, причем твердость материала нижней обоймы выше, чем верхней, при этом верхняя обойма расположена в переводнике двигателя и выполнена быстросъемной, нижняя обойма соединена с валом двигателя, а в нижней части трубчатого торсиона установлен амортизатор, выполненный в виде двух дисков с расположенными между ними пружинами.