ТУРБОБУР

Полезная модель относится к гидравлическим буровым забойным двигателям, в частности, к турбобурам, предназначенным для привода вращения породоразрушающего инструмента в процессе бурения прямых и искривленных участков скважин.
Известны турбобуры (из сборника под ред. Гусмана М.Т. «Расчет, конструирование и эксплуатация турбобуров», Москва, Недра, 1976, стр.50-59), содержащие турбинные секции и шпиндели, причем корпуса шпинделей и нижних турбинных секций соединены специальными резьбовыми элементами, а валы шпинделей и турбинных секций жестко соединены конусно-шлицевыми муфтами.
Основным недостатком этих турбобуров является то, что они не позволяют бурить скважины по искривленной траектории. Поскольку в настоящее время более 95% скважин спроектированы с искривленной траекторией, на буровой наряду с этими турбобурами необходимо иметь еще и двигатель-отклонитель, что увеличивает стоимость бурения.
Известны турбобуры-отклонители (из справочника «Буровое оборудованием, Москва, Недра, т.3, 2003 г.) которые, как правило, содержат специальную турбинную секцию с подвеской вала на осевой опоре и закрепленную в нижней части вала кулачковую полумуфту, шпиндель с закрепленной на верхней части его вала кулачковой полумуфтой образующей с кулачковой полумуфтой турбинной секции шарнирную муфту. Шпиндель имеет собственную осевую опору. Корпуса турбинной секции и шпинделя соединены отклоняющим устройством - искривленным переводником с резьбой на концах, оси которых пересекаются под заранее заданным постоянным углом. Шарнирная муфта позволяет передавать крутящий момент от вала турбины на вал шпинделя без передачи осевого усилия. Угол перекоса осей может быть изменен только при замене переводника с другим углом искривления.
Указанные турбобуры-отклонители имеют ряд недостатков:
во-первых, при бурении этими турбобурами искривление траектории скважин может осуществляться только с заданной «косыми переводником интенсивностью, хотя по проекту в процессе бурения может требоваться различная интенсивность набора кривизны. Для изменения интенсивности искривления или бурения прямых скважин этим турбобуром необходимо поднять инструмент, заменить турбобур на прямой или имеющий переводник с другим углом искривления. На каждой буровой необходимо иметь в наличии несколько турбобуров с различными углами;
во-вторых, наличие осевой опоры у турбинной секции, воспринимающей одностороннюю гидравлическую нагрузку на турбину, и второй осевой опоры - на валу шпинделя, воспринимающей осевую нагрузку - реакцию от забоя скважины на долото, приводит к ускоренному износу обеих осевых опор;
в-третьих, потери на трение в двух неразгруженных осевых опорах турбобура-отклонителя возрастают, поэтому меньший крутящий момент передается на долото, снижается эффективность бурения;
в-четвертых, низка износостойкость кулачковой полумуфты, работающей в потоке бурового раствора;
в-пятых, мощность одной секции, применяемой в турбобурах-отклонителях, недостаточна для эффективного бурения.
Эти недостатки частично устраняются в известной конструкции турбобура по патенту РФ №2232859 (опубл. 10.10.2003 г.), в которой турбобур-отклонитель содержит одну или несколько турбинных секций, шпиндель, корпус которого соединен с корпусом турбинной секции изогнутыми резьбовыми переводниками, а ротор турбины и вал шпинделя соединены приводным валом, снабженным ведущим и ведомым шарнирными узлами с осевыми опорами скольжения. Здесь устранены недостатки турбобуров-отклонителей, связанные с необходимостью установки осевой опоры вала турбинной секции, так как осевое усилие от этого вала передается через шарнирные узлы приводного вала на осевую опору вала шпинделя. Мощность, подводимая к долоту, может увеличиваться за счет использования 2-3 турбинных секций.
Основным недостатком этого турбобура является невозможность регулирования угла перекоса между осями турбинной и шпиндельной секции.
Другим недостатком известной конструкции является использование двух шарнирных узлов, осевые опоры которых изнашиваются в процессе работы, что при сравнительно небольшом осевом люфте турбины существенно снижает долговечность конструкции.
Кроме того, наличие приводного вала с двумя шарнирами фактически - карданного вала, расположенного под углом к валам и турбинной секции и шпинделя, приводит к возникновению дополнительных поперечных нагрузок на радиальные опоры турбинной секции, ускоряющих износ этих опор.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения надежности и долговечности при упрощении конструкции и снижении себестоимости турбобура, обеспечивающего бурение как прямых, так и искривленных участков скважин.
Для достижения указанного технического результата в турбобуре, содержащем, по меньшей мере одну турбинную секцию, включающую полый корпус и размещенные в нем вал с комплектами турбин и радиальных опор, шпиндель с осевыми и радиальными опорами, установленными на его валу и размещенными в корпусе шпинделя, отклоняющее устройство соединяющее корпуса турбинной секции и шпинделя и шарнирное устройство, соединяющее валы турбинной секции и шпинделя, шарнирное устройство выполнено в виде одного герметичного шарнира, центр вращения которого размещен на пересечении продольных осей турбинных и шпиндельных секций, при этом шарнир закреплен на валу шпинделя и соединен с валом секции с помощью конусно-шлицевой полумуфты, а отклоняющее устройство выполнено с регулируемым углом искривления, плоскость искривления которого проходит через точку пересечения осей валов шпинделя и турбинных секций.
Отличительными признаками предлагаемого турбобура от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, является то, что шарнирное устройство выполнено в виде одного герметичного шарнира, центр вращения которого размещен на пересечении продольных осей турбинных и шпиндельных секций, при этом шарнир закреплен на валу шпинделя и соединен с валом секции с помощью конусно-шлицевой полумуфты, а отклоняющее устройство выполнено с регулируемым углом искривления, плоскость искривления которого проходит через точку пересечения осей валов шпинделя и турбинных секций.
Благодаря наличию этих признаков, обеспечивается возможность бурения прямых и искривленных участков скважин, а исполнение шарнирного устройства в виде одного герметизируемого шарнира, установленного в точке перекоса осей турбинной секции и шпинделя (вместо двухшарнирного кардана в прототипе) позволяет передать вращение через валы с пересекающимися осями и, в тоже время максимально упростить схему, снизить затраты запчастей, уменьшить износ нижней радиальной опоры турбинной секции и осевых элементов шарнирного устройства. При этом снижается вероятность посадки роторов на статоры турбины, имеющей ограниченный осевой люфт вала.
Предлагаемая конструкция иллюстрируется чертежом, на котором показан продольный разрез одного из вариантов турбобура.
Турбобур содержит одну или несколько турбинных секций 1 (одна из них является нижней), шпиндель 2 и отклоняющее устройство 3. Отклоняющее устройство может быть выполнено как показано на чертеже, в виде известного устройства с регулируемым углом α. Нижняя турбинная секция 1 присоединяется сверху к верхней турбинной секции с валом 4 или к колонне бурильных труб (на рисунке не показано). Секция 1 включает корпус 5, вал 6, установленный на радиальных опорах 7, многоступенчатую турбину 8, верхний переводник 9, переводник соединительный 10, полумуфту 11 и полумуфту 12. Роторы турбины 8 и вращающиеся втулки радиальных опор 7 сжаты в осевом направлении на валу 6 резьбовой полумуфтой 12 и вращаются совместно с валом 6 под действием бурового раствора, нагнетаемого сверху буровыми насосами. Статоры турбин 8, лопатки которых играют роль направляющего аппарата, вместе с радиальными опорами 7 зафиксированы неподвижно в корпусе 5 с помощью резьбы переводниками 9 и 10.
Шпиндель 2 содержит трубчатый корпус 13, полый вал 14, радиальные опоры 15 и осевые опоры (на чертеже не показано). В верхней части шпинделя на валу смонтирован шарнир 16, соединенный с полумуфтой 11 на валу турбинной секции конусно-шлицевым соединением, обычно используемым в выпускаемых турбобурах и являющимся частью шарнира 16. Корпус 13 шпинделя 2 и переводник 10 нижней секции 1 соединены с регулятором угла 3. При этом центр вращения шарнира 16 совмещен с точкой пересечения осей турбинной секции 1 и шпинделя 2 (точка 0). Регулятор угла 3, имеющий плоскость искривления А-А, выполнен так, что указанная плоскость также проходит через точку «0». В случае, если искривляющее устройство имеет две плоскости перекоса расположенные в непосредственной близости друг от друга (на чертеже не показано), то точка «0» размещается между этими плоскостями. Поскольку вал 4 турбинной секции 1 (в отличие от ротора героторного механизма вращающегося в статоре планетарно) вращается вокруг своей оси, являющейся одновременно и осью турбинной секции 1, то при указанном совмещении центра шарнира 16, пересечения «0» осей турбинной секции 1 и шпинделя 2 и плоскости А-А перекоса регулятора, передача вращения на вал 14 шпинделя 2 через один указанный шарнир 16 является наиболее рациональным решением как с точки зрения распределения радиальных нагрузок на опоры турбинной секции, так и из-за упрощения конструкции, снижения металлоемкости и трудоемкости изготовления, повышения надежности и долговечности. Не вращающиеся элементы радиальных 15 и осевых опор зафиксированы в корпусе с помощью резьбы переводника регулятора 3 и резьбовой частью ниппельной гайки 17 шпинделя. Снизу к валу 14 привинчивается породоразрушающий инструмент - долото (на чертеже не показан).
Турбобур работает следующим образом. При подаче раствора по колонне бурильных труб в турбобур, он приводит во вращение роторы турбин 8,. вращающиеся совместно с валом 6. Вращение и крутящий момент передаются на вал 14 шпинделя 2 через конусно-шлицевое соединение полумуфты 11 и шарнир 16, при этом центр вращения шарнира 16, совмещенный с точкой «0» пересечения осей турбинной секции 1 и шпинделя 2 способствует передаче крутящего момента без дополнительных потерь на трение в радиальных опорах 7 турбинной секции 1.
Таким образом, по сравнению с прототипом конструкция турбобура согласно полезной модели обеспечивает его работоспособность, уменьшая потери на трение и износ радиальной опоры турбинной секции, с помощью одного шарнира (вместо двух в прототипе), что снижает расход запасных частей. Износ одного шарнира в осевом направлении меньше, чем износ двух шарниров, нагруженных каждый такой же осевой нагрузкой, что для турбобура, имеющего ограниченный осевой люфт турбины, играет существенную роль в обеспечении необходимой долговечности турбобура.
Полезная модель позволяет повысить надежность и долговечность турбобура, обеспечивающего бурение как прямых, так и искривленных участков скважин.