Турбобур

Изобретение относится к техническим средствам для бурения и ремонта нефтяных и газовых скважин, а именно к турбобурам для привода породоразрушающего инструмента. Турбобур содержит корпус, турбинный вал, вал осевой опоры с внутренней цилиндрической полостью, последовательно установленные на турбинном валу роторы турбин, а в корпусе - статоры турбин, радиальные опоры, гайку турбинного вала, осевую опору, ниппель, по меньшей мере, один канал, обеспечивающий гидравлическую связь полости последнего ротора турбины и внутренней цилиндрической полости вала осевой опоры. Турбинный вал и вал осевой опоры соединены между собой с помощью резьбы, причем крутящее усилие на разворот этого соединения больше, чем крутящее усилие на разворот гайки турбинного вала. Обеспечивает высокие показатели надежности, эффективности и ремонтопригодности. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к техническим средствам для бурения и ремонта нефтяных и газовых скважин, а именно к турбобурам для привода породоразрушающего инструмента.

Известен секционный турбобур (Буровые комплексы. Современные технологии и оборудование. / Под ред. А.М.Гусмана и К.П.Порожского. - Екатеринбург: Объединенные машиностроительные заводы - группа Уралмаш-Ижора, 2002. С.154, 155, рис.11.3, 11.4) длиной 10-12 метров, состоящий из двух секций: турбинной и шпиндельной. В турбинной секции последовательно установлено около 100 статоров и роторов турбины. Турбинная секция содержит турбинный вал, шпиндельная секция содержит вал осевой опоры. Вал осевой опоры по всей длине имеет цилиндрическую внутреннюю полость

В корпусе турбинной секции закреплены статоры турбины, а на валу - роторы. Турбинный вал секции центрируется внутри корпуса радиальными опорами, в нижней части турбинного вала закреплена полумуфта, служащая для соединения с валом осевой опоры. Детали, установленные на турбинном валу, закреплены с помощью гайки.

В шпиндельной секции установлена осевая опора, состоящая из 15-20 рядов резинометаллических подпятников. Центрация вала осевой опоры в корпусе шпиндельной секции осуществляется радиальными опорами, а в нижней части - ниппелем. Верхняя часть вала осевой опоры оснащена полумуфтой, служащей для соединения с турбинным валом. В корпусе полумуфты вала осевой опоры выполнены каналы, обеспечивающие гидравлическую связь выходной камеры ротора турбины с полостью вала осевой опоры.

Конструкции полумуфт турбинной и шпиндельной секций обеспечивают передачу осевых усилий и крутящих моментов с турбинного вала на вал осевой опоры.

Возможности применения секционного турбобура на интервалах бурения с набором кривизны скважины ограничены из-за того, что секционный турбобур состоит как минимум из двух секций, его длина не вписывается в заданную кривизну скважины.

Известен односекционный турбобур (Абиян Х.Л., Студенский М.Н. Пути совершенствования турбинного способа бурения. М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2005. С.53, рис.24.), который является наиболее близким по техническому решению к предлагаемому изобретению и принят в качестве прототипа.

Указанный турбобур состоит из корпуса и составного вала. Составной вал содержит турбинный вал и вал осевой опоры, причем между собой они соединяются с помощью соответствующих дополнительных соединительных муфт. В турбобуре последовательно установлено около 100 ступеней турбины, причем в корпусе закреплены статоры турбины, на турбинном валу - роторы турбины. Составной вал турбобура смонтирован внутри корпуса и центрируется радиальными опорами. Осевая опора установлена на собственном валу, имеющем внутреннюю цилиндрическую полость. Полумуфта турбинного вала имеет каналы для гидравлического сообщения полости вала осевой опоры и полости последнего ротора турбины. Вал осевой опоры центрируется с помощью резинометаллического ниппеля.

Известный турбобур обладает недостатками, снижающими надежность его работы из-за значительной длины и сложной конструкции составного вала. Эти недостатки не позволяют использовать такой турбобур в современных технологиях бурения.

Технической задачей настоящего изобретения является создание турбобура с высокими показателями надежности, укороченной длины (менее 9 метров) для использования его на интервалах бурения с набором кривизны скважины.

Поставленная задача решается за счет того, что в турбобуре, содержащем корпус, составной вал, состоящий из турбинного вала и вала осевой опоры с внутренней цилиндрической полостью, последовательно установленные в корпусе статоры турбин и роторы турбины, установленные на турбинном валу, радиальные опоры, гайку турбинного вала, осевую опору, ниппель, по меньшей мере, один канал, обеспечивающий гидравлическую связь полости последнего ротора турбины и внутренней цилиндрической полости вала осевой опоры, согласно изобретению турбинный вал и вал осевой опоры непосредственно соединены между собой неподвижно относительно друг друга, а по меньшей мере, один канал, обеспечивающий гидравлическую связь полости последнего ротора турбины и внутренней цилиндрической полости вала осевой опоры, выполнен в верхней части вала осевой опоры выше места установки осевой опоры.

Кроме того, в турбобуре согласно изобретению соединение турбинного вала и вала осевой опоры выполнено с помощью резьбы, причем крутящее усилие на разворот этого соединения больше, чем крутящее усилие на разворот гайки турбинного вала.

Кроме того, в турбобуре согласно изобретению наружный диаметр вала осевой опоры в месте установки осевой опоры больше или равен наружному диаметру турбинного вала.

Кроме того, в турбобуре согласно изобретению вал осевой опоры выполнен из более прочной марки стали, чем турбинный вал.

Кроме того, в турбобуре согласно изобретению между последним ротором турбины и осевой опорой установлена дистанционная втулка, которая имеет каналы, обеспечивающие гидравлическую связь выходной камеры последнего ротора турбины и внутренней полости вала осевой опоры.

Кроме того, в турбобуре согласно изобретению каналы дистанционной втулки совмещены с соответствующими каналами вала осевой опоры, при этом выходные отверстия каналов дистанционной втулки находятся в зоне входных отверстий соответствующих каналов вала осевой опоры.

Кроме того, в турбобуре согласно изобретению площадь поперечного сечения каждого канала дистанционной втулки меньше площади поперечного сечения соответствующего канала вала осевой опоры.

Кроме того, в турбобуре согласно изобретению дистанционная втулка имеет фиксатор, обеспечивающий совмещение осей каналов дистанционной втулки с осями каналов вала осевой опоры.

Выполнение составного вала в отличие от прототипа с неподвижным соединением турбинного вала и вала осевой опоры позволяет исключить дополнительно соединяющие их детали (муфты), уменьшить общую длину составного вала и турбобура в целом, что повышает надежность его работы.

Выполнение каналов, обеспечивающих гидравлическую связь выходной камеры последнего ротора турбины и внутренней полости вала осевой опоры, в валу осевой опоры позволяет по сравнению с прототипом сократить общую длину составного вала и общую длину турбобура, упростить конструкцию составного вала и повысить его надежность.

Соединение турбинного вала и вала осевой опоры выполнено с помощью резьбы, причем крутящее усилие на разворот этого соединения больше, чем крутящее усилие на разворот гайки турбинного вала. Такое соединение позволяет сократить стоимость вала, упростить технологию его изготовления, исключить обработку длинномерного вала с большими перепадами диаметров. Кроме того, такая конструкция обеспечит ремонтопригодность вала при эрозионном износе внутренней полости вала осевой опоры от потока бурового раствора, что происходит при бурении верхних интервалов скважин, когда содержание песка в буровом растворе достигает 15-25%, путем замены изношенной части.

Изготовление вала осевой опоры с наружным диаметром, равным или большим наружному диаметру турбинного вала, обеспечивает одновременное сжатие всех деталей, набранных на обоих валах, с помощью гайки турбинного вала, тем самым упрощает сборку и повышает надежность турбобура.

Применение для вала осевой опоры более прочной марки стали, чем для турбинного вала, позволяет поддержать высокую надежность конструкции составного вала при снижении общей себестоимости изготовления турбобура. Например, турбинный вал изготавливается из менее прочной дешевой стали 40Х, а вал осевой опоры, несущий нагрузки больше, чем турбинный вал, изготавливается из высокопрочной, но и дорогостоящей стали 40ХН2МА.

Установка дистанционной втулки между последним ротором турбины и осевой опорой с каналами, обеспечивающими гидравлическую связь выходной камеры турбины и внутренней полости вала осевой опоры, позволяет одновременное надежное закрепление при сборке турбин и осевой опоры, упрощает процесс сборки и повышает надежность работы турбобура в целом. Дистанционная втулка конструктивно может быть выполнена из двух или нескольких частей.

Каналы дистанционной втулки и каналы вала размещены таким образом, что выходные отверстия каналов дистанционной втулки находятся в зоне входных отверстий соответствующих каналов вала осевой опоры, что позволяет уменьшить гидравлические сопротивления потоку раствора, повысить к.п.д. и надежность турбобура.

Площадь поперечного сечения каждого канала дистанционной втулки меньше площади поперечного сечения соответствующего канала вала осевой опоры, что частично предохраняет стенки каналов вала осевой опоры от воздействия потока раствора и уменьшает размывание каналов вала осевой опоры, сохраняя его прочность и надежность.

Дистанционная втулка имеет фиксатор, обеспечивающий совмещение осей каналов дистанционной втулки с осями каналов вала осевой опоры в пределах допусков на изготовление и сборку. Совмещение осей каналов дистанционной втулки с осями каналов вала осевой опоры позволяет уменьшить гидравлические сопротивления потоку раствора, повысить к.п.д. и надежность турбобура.

Выполнение турбобура с указанными признаками позволит при небольшой длине турбобура получить надежный, высокоэффективный привод шарошечных долот и долот режущего типа при бурении интервалов с набором кривизны.

На чертеже показана общая компоновка турбобура.

Турбобур содержит корпус 1, турбинный вал 2 и вал 3 осевой опоры.

В корпусе 1 установлены статоры 4 турбины, на турбинном валу 2 - роторы 5 турбины. Турбинный вал 2 центрируется в корпусе радиальными опорами 6.

Осевая опора 7 установлена на валу 3, в верхней части вала 3 осевой опоры выполнены каналы 8 для прохода бурового раствора. Вал 3 осевой опоры имеет внутреннюю полость 9. Место соединения валов расположено ниже последнего ротора, но выше каналов 8 и перекрыто дистанционной втулкой - фонарем 10, в которой выполнены каналы 11.

Турбинный вал 2 и вал 3 осевой опоры соединены неподвижно относительно друг друга с помощью резьбы 12 (возможно применение и других соединений, например прессовая посадка или клеевое соединение). Нижняя часть вала 3 осевой опоры центрируется ниппелем 13.

Для соединения с бурильной колонной служит переводник 14.

Детали, установленные на турбинном валу и на валу осевой опоры, закреплены гайкой 15, с помощью резьбы 16 за счет осевого сжатия всех деталей, установленных на турбинном валу и на валу осевой опоры.

Детали, установленные в корпусе, закреплены переводником 14.

Переводник 17 соединяет вал осевой опоры с долотом (не показано).

Турбобур работает следующим образом.

С помощью переводника 14 турбобур подсоединяется к бурильной колонне и спускается в скважину. При включении буровых насосов буровой раствор поступает из бурильных труб (не показаны) в турбобур.

В турбобуре буровой раствор сначала попадает в первый статор 4, который расположен ближе всего к гайке 15, затем в первый ротор 5 и так далее, последовательно проходя по статорам 4 и роторам 5 турбины, приводит во вращение валы 2 и 3. Всего в турбобуре устанавливается 1 GO-150 пар статоров 4 и роторов 5 турбины, количество которых определяется из условия обеспечения заданной выходной характеристики турбобура применительно к конкретным условиям бурения.

Последний статор 4 и ротор 5 расположены в нижней части турбинного вала 2, но выше соединения 12. Выйдя из последнего ротора 5, буровой раствор поступает в пространство над втулкой 10 и далее в канал 11, который выполнен во втулке 10.

При работе турбобура по верхним интервалам скважин буровой раствор может содержать достаточно большое количество песка (до 25%), присутствие которого в буровом растворе вызывает эрозионный износ деталей турбобура, особенно в тех местах, где скорости течения раствора максимальны.

Выйдя из каналов 11 дистанционной втулки 10, буровой раствор поступает в каналы 8 вала 3 осевой опоры. Количество каналов 11 равно количеству каналов 8.

Для того чтобы предотвратить эрозионный размыв входных кромок и самого канала 8, поток бурового раствора перед входом в канал 8 формируется в канале 11 в струю меньшего или равного сечения, для чего площадь поперечного сечения каждого канала 8 выполнена больше площади поперечного сечения каждого канала 11 дистанционной втулки 10.

Каналы 8 вала 3 осевой опоры и каналы 11 дистанционной втулки 10 при работе турбобура совмещены таким образом, что выходные отверстия каналов 11 дистанционной втулки 10 находятся в зоне входных отверстий соответствующих каналов 8 вала 3 осевой опоры, что обеспечивает беспрепятственный по ним проход бурового раствора.

Совмещение каналов 8 и 11 конструктивно определяется фиксирующим элементом (например, шпонкой), которая устанавливается в совместном для дистанционной втулки 10 и вала 3 осевой опоры пазу. Такое выполнение фиксации обеспечивает беспрепятственный проход по каналам 8 и 11 бурового раствора и при этом исключается или сводится к минимуму эрозионный износ каналов 11 вала 3 осевой опоры.

Пройдя по каналам 8 и 11, буровой раствор попадает в цилиндрическую полость вала осевой опоры и далее в долото, которое разрушает горную породу на забое скважины.

После того как процесс бурения заданного интервала скважины закончен, подачу бурового раствора в турбобур прекращают, и турбобур поднимают на поверхность, где проверяют его техническое состояние и при необходимости отправляют в ремонт.

Во время ремонта турбобур разбирают для определения степени износа его узлов и деталей.

При этом на первом этапе разборки отворачивают ниппель 13, удерживают вал 3 и, прилагая осевое усилие к переводнику 14, стягивают корпус 1 с наружной поверхности деталей (статоров 4, радиальных опор 6).

На втором этапе разборки, удерживая от поворота вал 3, с помощью специальных ключей воздействуют вращающим моментом «на отворот» на гайку 15 и резьбу 16. При этом на соединение 12 также воздействует вращающий момент «на отворот», но вследствие того, что соединение 12 требует на свой отворот больший вращающий момент, чем тот при котором развинчивается резьба 16, соединение 12 остается неподвижным, а гайка 15 отворачивается с вала 2.

Конструктивно соединение 12 выполняется резьбовым, перед его свинчиванием на резьбу наносится клей. Такое выполнение соединения обеспечивает его неподвижность при текущих ремонтах турбобура. Другим способом создания неподвижности соединения при текущих ремонтах турбобура могут быть выполнение резьбы и ее сборка с прессовой посадкой (в горячую), выполнение специальных стабилизирующих поясков на прессовой посадке.

При работе турбобура вал 3 осевой опоры более нагружен осевыми и вращающими моментами, чем вал 2. Из-за чего при эксплуатации турбобура может возникнуть необходимость разобрать соединение 12 (например, для замены изношенного вала осевой опоры 3). В этом случае после снятия с вала 2 и вала 3 осевой опоры всех ранее установленных на них деталей удерживают неподвижно вал 2, к валу осевой опоры 3 с помощью специальных ключей прилагают вращающий момент, достаточный для развинчивания соединения 12.

Поскольку вал 2 при работе турбобура менее нагружен, чем вал 3 осевой опоры, он выполняется из стали марок 40Х или 45, вал 3 осевой опоры из стали марок 40ХН2МА или 38ХНМА. При этом обеспечивается экономия средств на изготовление турбобура без снижения его надежности в работе.

Таким образом, предлагаемый турбобур позволяет при небольшой длине использовать его на интервалах бурения с набором кривизны скважины и обеспечивает высокие показатели надежности, эффективности и ремонтопригодности.

1. Турбобур, содержащий корпус, турбинный вал, вал осевой опоры с внутренней цилиндрической полостью, последовательно установленные на турбинном валу роторы турбин, а в корпусе - статоры турбин, радиальные опоры, гайку турбинного вала, осевую опору, ниппель, по меньшей мере, один канал, обеспечивающий гидравлическую связь полости последнего ротора турбины и внутренней цилиндрической полости вала осевой опоры, отличающийся тем, что турбинный вал и вал осевой опоры соединены между собой с помощью резьбы, причем крутящее усилие на разворот этого соединения больше чем крутящее усилие на разворот гайки турбинного вала.

2. Турбобур по п.1, отличающийся тем, что наружный диаметр вала осевой опоры в месте установки осевой опоры больше наружного диаметра турбинного вала.

3. Турбобур по п.1, отличающийся тем, что вал осевой опоры выполнен из более прочной марки стали чем турбинный вал.

4. Турбобур по п.1, отличающийся тем, что между последним ротором турбины и осевой опорой установлена дистанционная втулка вала, передающая осевое усилие с деталей, установленных на турбинном валу на детали, установленные на валу осевой опоры, которая имеет каналы, обеспечивающие гидравлическую связь выходной камеры последнего ротора турбины и внутренней полости вала осевой опоры.

5. Турбобур по п.4, отличающийся тем, что каналы дистанционной втулки совмещены с соответствующими каналами вала осевой опоры, при этом выходные отверстия каналов дистанционной втулки находятся в зоне входных отверстий соответствующих каналов вала осевой опоры.

6. Турбобур по одному из пп.4, 5, отличающийся тем, что площадь поперечного сечения каждого канала дистанционной втулки меньше площади поперечного сечения соответствующего канала вала осевой опоры.