Ударно-вращательное устройство для бурильной колонны

Полезная модель относится к буровой технике, в частности к ударно-вращательным устройствам для бурильной колонны, предназначенным для создания гидромеханических импульсов, снижающих силы трения бурильной колонны о стенки скважины, что позволяет увеличить показатели бурения в наклонных и горизонтальных скважинах, снизить напряжения в элементах бурильной колонны, забойного двигателя и долота.
Известно вибрационное устройство для бурения скважин по патенту 2186926 (опубл. 18.12.2000), содержащее корпус с проходным сечением, расположенный по оси корпуса эксцентрик, одним концом соединенный с гидравлической турбиной, а другим - с диском, установленным с возможностью свободного вращения вокруг оси корпуса за счет дебаланса и содержащим отверстие для прохода промывочной жидкости, причем эксцентрик выполнен в виде пустотелого вала, расположенного по оси корпуса с эксцентрично закрепленным внутри его полости грузом и жестко связанного с флажком, примыкающим к диску, для перекрытия отверстия последнего при вращении вала.
Недостатками известного устройства являются: значительные затраты энергии потока жидкости для вращения с необходимой частотой вала с массивным эксцентриком, создающим дополнительное сопротивление вращению вала с высокой частотой в буровом растворе, а также быстрый износ радиальных опор при высокой скорости вращения вала и больших радиальных нагрузках.
Известно ударно-вращательное устройство (варианты) по патенту 2362866 (опубл. 28.01.2005), содержащее корпус, приспособленный для монтажа на опорном элементе, объемный двигатель, имеющий статор и ротор, в котором при эксплуатации ротор колеблется, вращаясь и перемещаясь в поперечном направлении внутри статора, и клапан, включающий колеблющийся первый клапанный элемент и неподвижный второй клапанный элемент, причем каждый клапанный элемент образует клапанное отверстие и имеет основную продольную ось, первый клапанный элемент соединен с ротором и имеет возможность перемещения относительно второго клапанного элемента, при этом при эксплуатации клапанные элементы взаимодействуют, совместно образуя переменное проходное сечение через клапан, и, по меньшей мере, одно из отверстий клапанных элементов смещено от соответствующей основной продольной оси.
Недостатками данной конструкции являются: низкая эффективность использования пульсации давления жидкости для увеличения скорости бурения; использование упорного диска с отверстиями малого диаметра для прохода раствора, установленного на входе в двигатель для предотвращения перемещения ротора вверх, что приводит к нерациональной потере части давления и возможности шламования малых отверстий. Еще одним недостатком известного устройства является нерациональная схема ввода раствора в первый клапанный элемент, приводящая к потере давления и опасности размыва крепления клапанного элемента к ротору.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является осциллятор для бурильной колонны по патенту 2565316 (опубл. 20.10.2015), содержащий героторный гидравлический двигатель, включающий многозаходные винтовые статор и ротор, размещенный внутри статора и имеющий на один заход меньше, чем статор, а также клапан, клапанные элементы которого взаимодействуют друг с другом, образуя совместно отверстие переменной площади для прохода бурового раствора. Осциллятор содержит также полый вал, установленный в радиально-осевой опоре вращения, связанный с ротором трансмиссионным валом, а также генератор гидромеханических импульсов, содержащий трубчатый корпус, полый плунжер, размещенный внутри корпуса и связанный с ним шлицевым соединением для передачи крутящего момента и пружинным модулем, расположенными в маслонаполненной камере, образованной внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью плунжера, загерметизированной уплотнениями сверху и кольцевым поршнем с уплотнениями в нижней части камеры. Первый клапанный элемент скреплен с ротором с помощью плунжерного модуля, снабженного пружинным устройством с возможностью продольного перемещения для постоянного контакта со вторым клапанным элементом. Такое устройство осциллятора позволяет более рационально использовать пульсацию давления для осевых колебаний колонны, что облегчает продвижение колонны в наклонно направленных и горизонтальных скважинах с большим расстоянием от вертикали.
Недостатком осциллятора является сложность конструкции, заключающаяся в использовании дополнительного пустотелого вала, установленного на многорядной шаровой опоре качения, и торсионного вала, связывающего пустотелый вал с планетарно вращающимся ротором, причем эти элементы увеличивают материалоемкость и стоимость осциллятора, а также создают дополнительное гидравлическое сопротивление при прокачке раствора. Кроме того, недостатком анализируемой конструкции является сравнительно низкая наработка на отказ (150-200 часов), т.к. многорядный подшипник качения в гидроабразивной среде вращается с максимальной скоростью ротора (практически отсутствует тормозящий крутящий момент на роторе) при наличии перекашивающего усилия на ось подшипника, создаваемого торсионом, таким образом малый межремонтный период.
Предлагаемой полезной моделью решается задача повышения эффективности применения устройства.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемой полезной модели осевая опора ротора выполнена в виде опоры скольжения с двумя горизонтально расположенными дисками, верхний диск скреплен с нижним торцем ротора, а нижний диск осевой опоры закреплен в нижней части без возможности вращения и радиальных колебаний. В процессе работы героторного механизма первый диск, перемещаясь вместе с ротором, скользит по поверхности неподвижного диска, причем трущиеся поверхности дисков выполнены с высокой твердостью (не менее 50 HRC) и износостойкостью и обработаны с высокой степенью плоскостности и чистоты. Роль радиальной опоры ротора здесь выполняет статор, поэтому нет необходимости использовать полый вал с радиально-осевой опорой качения и соединять его карданным валом или торсионом с ротором. Клапанное устройство расположено в верхней части героторного механизма. Над клапанным устройством размещен генератор гидромеханических импульсов, который находится под действием колебаний давления, создаваемых клапаном. Клапанное устройство выполнено в виде двух клапанных элементов, первый клапанный элемент выполнен в виде диска радиусом «R», который соосно установлен на верхней торцевой части ротора перпендикулярно к его оси, а второй клапанный элемент, выполненный в виде стакана, смонтирован в верхней части статора соосно с ним и зафиксирован от проворота и прижат к первому клапанному элементу пружиной. Во втором клапанном элементе выполнена фигурная прорезь для прохода бурового раствора, которая при работе героторного механизма периодически частично перекрывается первым клапанным элементом, перемещающимся вместе с ротором, создавая пульсацию давления. Форма фигурной прорези ограничена дугами, проведенными радиусами из точки «O1», расположенной на расстоянии «е» от оси статора, причем «е» - эксцентриситет ротора в статоре, радиусы дуг фигурной прорези равны: R1=R-e, R2=R+e+f, «f» - ширина зазора, не перекрываемая первым клапанным элементом, f=0,04R, угол «g» ограничивает длину прорези и может быть выполнен в пределах 120-180 градусов.
Благодаря наличию этих признаков авторам удалось снизить потери давления в устройстве, материалоемкость, сложность в обслуживании и ремонте.
Техническим результатом полезной модели является создание работоспособного, компактного, надежного ударно-вращательного устройства для бурильной колонны, повышение его надежности и долговечности, снижение потерь давления, а также повышение эффективности использования пульсации давления жидкости и упрощение работ по сервисному обслуживанию.
На фиг. 1 показан продольный разрез ударно-вращательного устройства для бурильной колонны с осевой опорой скольжения в нижней части героторного механизма и с клапаном в верхней его части.
На фиг. 2 показан разрез А-А.
«е»
«b»
«с»
«d»
«b»
«с»
Ударно-вращательное устройство для бурильной колонны (фиг. 1) содержит героторный многозаходный механизм 1 (играющий в предлагаемом устройстве роль двигателя), включающий статор 2 в виде полой металлической трубы с переводниками, присоединенными коническими резьбами, с закрепленной на его внутренней поверхности эластичной обкладкой 3 с внутренними винтовыми зубьями, и ротор 4 с наружными зубьями, расположенный внутри статора 2. Количество зубьев статора Zcт на единицу больше числа зубьев ротора Zp, т.е. Zcт=Zp+1. Расстояние между соседними витками в осевом направлении у статора 2 и у ротора 4 (шаг винта t) равны между собой, ход винтовой линии Т каждого из элементов (статора и ротора) равен произведению числа зубьев на шаг винта, т.е. Tcт=Zcт×t; Tp=Zp×t; Tc-Tp=t. Устройство и работа многозаходных героторных механизмов широко известны из книги «Забойные винтовые двигатели для бурения скважин» авторов Гусман М.Т., Балденко Д.Ф., Кочнев A.M., Никомаров С.С. (Москва, «Недра», 1981 г.), поэтому нет необходимости подробно описывать их. Достаточно упомянуть, что зубчатые поверхности статора и ротора образуют замкнутые камеры, которые при прокачке бурового раствора приводят в движение ротор 4 в сложное планетарное движение вокруг оси статора 2 и вокруг собственной оси. Ось ротора 4 смещена относительно оси статора 2 на величину эксцентриситета , Частота вращения ротора 4 вокруг оси статора 2 составит N=Np×Zcт, где Np - частота вращения ротора 4 вокруг своей оси. Героторный двигатель является работоспособным при осевой длине активной части (длина контакта винтовых поверхностей ротора и статора) не менее осевой длины хода винтовой линии статора Тст. С учетом необходимости длительной работы устройства и наличия изнашивающих факторов (абразив 1-2% в растворе, относительно высокая скорость скольжения между контактирующими поверхностями ротора и статора) длина активной части механизма для данной цели предлагается равной (1,5…2,0)×Тр. При прокачке бурового раствора (по стрелке Е) на ротор 4 действует осевое усилие, направленное сверху вниз. К нижней части статора 2 присоединены переводники для соединения через конусную резьбу 5 с нижней частью бурильной колонны. Для предотвращения перемещения ротора 4 вниз используется осевая опора скольжения 6. Осевая опора 6 выполнена в виде двух опорных дисков с твердостью более 50HRC, причем верхний диск 7 выполнен с каналом  и крепится к нижнему торцу ротора 4. Нижний диск 8 осевой опоры 6 закреплен от проворота и осевого перемещения в переводнике, связанном с нижней частью статора 2, причем нижний диск 8 осевой опоры имеет канал  для прохода раствора в нижнюю часть колонны. Буровой раствор проходит через канал , размещенный в нижней части ротора 4 и далее через каналы  и . Нижний диск 8 осевой опоры для снижения ударных нагрузок при вибрационном режиме работы установлен на амортизирующее кольцо 9 из эластомера.
«е»
«ƒ»
«ƒ»
g
Клапанное устройство 10 выполнено в виде двух клапанных элементов и включает первый клапанный элемент 11, выполненный в виде диска, который соосно установлен на верхней торцевой части ротора 4 и перпендикулярно к его оси. Диск выполнен из износостойкого материала радиусом «R», равным радиусу впадин зубьев ротора. Второй клапанный элемент 12, выполненный в виде стакана, смонтирован в верхней части статора 2, соосно с ним, зафиксирован от проворота и прижат к первому клапанному элементу 11 пружиной 14. Зазор между внутренней поверхностью статора 2 и вторым клапанным элементом 12 уплотнен «O»-образным кольцом 13, трущаяся поверхность второго клапанного элемента 12 выполнена также из износостойкого материала. Пружины 14 прижимают первый клапанный элемент 11 и второй клапанный элемент 12 друг к другу чисто обработанными, как у осевой опоры, поверхностями. На фиг. 2 показана торцевая поверхность второго клапанного элемента 12 с фигурной прорезью 15. Фигурная прорезь 15 при планетарном движении ротора 4 периодически максимально открывается диском первого клапанного элемента 11 и максимально перекрывается первым клапанным элементом 11 при перемещении оси ротора 4 относительно оси статора 2 на 180 градусов, при этом в движущейся жидкости возникает пульсация давления. Полное перекрытие фигурной прорези 15 не допускается во избежание гидравлического удара, поэтому форма прорези зависит от радиуса «R», равного радиусу впадин зубьев ротора и шириной S=2e+f, где  - эксцентриситет ротора, а  - ширина части фигурной прорези 15, не перекрываемая первым клапанным элементом 11. Опытным путем установлены оптимальные значения величин: = 0,04R, при этом =120-180 градусов. Форма фигурной прорези ограничена дугами, проведенными из точки «01» на расстоянии «е» от оси статора 2. Радиусы дуг фигурной прорези равны: R1=R-e, R2=R+e+f, где «е» - эксцентриситет ротора в статоре, «f» - ширина зазора, не перекрываемая первым клапанным элементом, f=0,04 R, угол «g» ограничивает длину прорези и может быть 120-180 градусов. Значения «f» и «g» определены опытным путем.
При подаче раствора площадь для прохода раствора через фигурную прорезь 15 изменяется от максимума до минимума и обратно с частотой вращения ротора 4 вокруг оси статора 2, соответственно пульсирует и давление жидкости с амплитудой колебания давления не более 10-12 бар.
Над героторным механизмом 1 и клапанным устройством 10 расположен генератор гидромеханических импульсов 16, соединенный с корпусом статора 2 переводником 17. Генератор гидромеханических импульсов 16 содержит трубчатый наружный корпус, состоящий из соединенных друг с другом коническими резьбами верхнего переводника 18, переводника 19 с внутренними шлицами, а также переводников 20, 21, 22. Внутри трубчатого корпуса установлен сборный трубчатый шток 23, имеющий в верхней части коническую резьбу 24 для соединения с бурильной колонной (на чертеже не показана), соединенный в нижней части на резьбе с упорной втулкой 25. На наружной поверхности штока 23 имеются шлицы, взаимодействующие со шлицами переводника 19 (для передачи крутящего момента по бурильной колонне), резьба для монтажа втулки 26, воспринимающей осевую нагрузку при необходимости приподнять бурильную колонну или освободить ее от прихвата. В нижней части штока 23 смонтирован комплект тарельчатых пружин 27, зажатый между верхним торцом упорной втулки 25 и нижним торцом переводника 21, являющегося частью трубчатого корпуса. Кольцевое пространство между трубчатыми корпусом и сборным трубчатым штоком 23 уплотнено группой уплотнений 28 в верхней части переводника 18 и уплотнениями 29 на упорной втулке 25. Заправка кольцевого пространства маслом производится через два отверстия в трубчатом корпусе, закрываемых пробками 30 и 31. Перемещение штока 23 вниз ограничено кольцом 32, а вверх - торцом втулки 26, упирающимся в нижний торец шлицевого переводника 19. Величина осевого перемещения сборного трубчатого штока 23 в корпусе не превышает 10 мм. Устройство соединяется с нижней частью бурильной колонны резьбой 5, с верхней частью - резьбой 24.
2
Предлагаемое устройство работает следующим образом. При прокачке бурового раствора по стрелке Е он приводит в действие героторный механизм 1, при этом ротор 4, вращаясь, с помощью клапана создает пульсацию давления в ударно-вращательном устройстве. В зависимости от типоразмера устройства и количества прокачиваемой жидкости частота пульсации давления составляет 20-40 Гц, амплитуда колебаний давления не более 10-12 кг/см. Пульсирующее давление воздействует на трубчатый шток 23 с упорной втулкой 25, который совершает возвратно-поступательные осевые перемещения относительно корпуса устройства и создает осевые колебания колонны бурильных труб, снижая трение при осевом перемещении колонны вдоль скважины.
Наряду с осевыми колебаниями за счет интенсивного планетарного вращения ротора 4, обладающего значительной массой, ударно-вращательное устройство дает радиальные колебания колонны, дополнительно снижающие трение колонны о стенки скважины. Благодаря совместному воздействию интенсивных осевых и радиальных колебаний бурильной колонны существенно возрастает скорость бурения и увеличивается длина наклонных и горизонтальных участков скважин.
Заявляемое устройство для бурильной колонны обеспечивает высокую эффективность использования пульсации давления жидкости для увеличения скорости бурения; низкую себестоимость изделия при обеспечении высоких показателей работоспособности и надежности; повышение эффективности бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин за счет снижения трения колонны о стенки скважин, повышение ресурса долота, снижение металлоемкости конструкции, увеличение скорости проходки скважины благодаря усовершенствованию конструкции, а также исключается дополнительное гидравлическое сопротивление при прокачке раствора.