ТУРБОБУР
TURBODRILL

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 резино-металлических 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 секции обеспечивают передачу осевых усилий и крутящих моментов с турбинного вала на вал осевой опоры.
Возможности применения секционного турбобура при бурении верхних интервалов скважин с повышенными скоростями ограничены из-за того, что буровой раствор, содержащий много песка, быстро (в течение 10-15 часов) выводит из строя детали турбобура.
Известен односекционный турбобур (Патент №2347879 от 21.12.2007, «Турбобур»), который является наиболее близким по техническому решению к предлагаемому изобретению и принят в качестве прототипа.
Указанный турбобур состоит из корпуса и вала, в корпусе установлены статоры турбины, вал секции центрируется внутри корпуса радиальными опорами, на валу установлены роторы турбины.
В нижней части вала установлены осевая и радиальная опоры. Между последним ротором турбины и осевой опорой расположена проставочная втулка вала, в которой выполнены сквозные радиальные каналы, а между последним статором и осевой опорой установлена втулка корпуса. Нижняя часть вала имеет внутреннюю цилиндрическую полость, а над осевой опорой выполнены каналы вала. Радиальные каналы проставочной втулки и каналы вала обеспечивают гидравлическую связь выходной камеры последнего ротора турбины и внутренней цилиндрической полости вала. Количество каналов вала равно количеству радиальных каналов проставочной втулки, при монтаже турбобура обеспечивается совпадение этих каналов так, что радиальные каналы проставочной втулки по проходному сечению совпадают с каналами вала.
Известный турбобур обладает недостатками, снижающими показатели надежности его работы из-за значительного эрозионного износа радиальных каналов проставочной втулки. Эти недостатки не позволяют эффективно использовать такой турбобур при бурении верхних интервалов нефтяных и газовых скважин с повышенными скоростями проходки при большом содержании песка в буровом растворе.
Современные турбобуры имеют мощную энергетическую характеристику и обеспечивают скорость бурения верхних интервалов скважин до 200 м/час. Установленные на буровой системы очистки бурового раствора не справляются с колоссальными объемами выбуренных частиц, при этом содержание песка в буровом растворе может достигать 25-35%. Внутри турбобура поток бурового раствора проходит через каналы, обеспечивающие гидравлическую связь выходной камеры турбины и внутренней цилиндрической полости вала. При этом окружная скорость потока бурового раствора при выходе из последнего ротора турбины направлена против направления вращения вала турбобура, что приводит к сильным завихрениям на входе в радиальные каналы проставочной втулки.
Из-за завихрений и отсутствия направленности потока на входе радиальные каналы проставочной втулки и каналы вала интенсивно размываются, что ведет к потере прочности вала вследствие уменьшения несущего сечения в зоне каналов. Это приводит к сокращению срока службы вала и турбобура в целом.
Технической задачей настоящего изобретения является создание турбобура с высокими показателями надежности для использования его на интервалах бурения с повышенными скоростями проходки при большом содержании песка (или другого абразива) в буровом растворе.
Поставленная задача решается за счет того, что в турбобуре, содержащем корпус с последовательно закрепленными в нем статорами турбины и втулкой корпуса, вал, в верхней части которого последовательно установлены роторы турбины, радиальные опоры, центрирующие вал в корпусе, а в нижней части вала установлены осевая и радиальная опоры, проставочная втулка вала с радиальными каналами, расположенная над осевой опорой, при этом в нижней части вала выполнены внутренняя цилиндрическая полость и радиальные каналы, причем радиальные каналы проставочной втулки по проходному сечению совпадают с каналами вала, согласно изобретению на наружной поверхности проставочной втулки вала на месте входа каждого радиального канала выполнен осевой канал.
Кроме того, согласно изобретению боковые поверхности каждого осевого канала проставочной втулки вала сопрягаются с боковыми поверхностями соответствующего радиального канала проставочной втулки вала.
Кроме того, согласно изобретению одна из боковых поверхностей каждого осевого канала проставочной втулки вала выполнена параллельно оси проставочной втулки вала, а другая - под углом, причем широкое основание каждого осевого канала проставочной втулки вала обращено в сторону последнего ротора турбины, а меньшее - в сторону радиального канала проставочной втулки вала.
Кроме того, согласно изобретению суммарная длина широких оснований осевых каналов проставочной втулки вала определяется соотношением
1
2
3
(M+M+M+…)=(1,0-0,85)L,
1
2
3
где M+M+M+… - длина широкого основания соответственно первого, второго, третьего и других осевых каналов;
L - длина окружности наружной поверхности проставочной втулки вала.
Кроме того, согласно изобретению наружная поверхность проставочной втулки вала выполнена с минимальным зазором по отношению к внутренней поверхности проставочной втулки корпуса.
Выполнение осевых каналов, обеспечивающих гидравлическую связь выходной камеры турбины и входов радиальных каналов проставочной втулки, устраняет разность окружных скоростей потока и входных отверстий каналов и уменьшает завихрения на входе в каналы. Уменьшение завихрений на входе в каналы снижает интенсивность их эрозионного износа и повышает срок службы вала и турбобура в целом.
Равенство количества осевых каналов проставочной втулки количеству радиальных каналов проставочной втулки устраняет разность окружных скоростей потока и входных отверстий каналов на входе в каждый канал и дополнительно уменьшает завихрения на всех каналах, что дополнительно снижает интенсивность их эрозионного износа и повышает срок службы вала и турбобура в целом.
Плавное сопряжение боковых поверхностей осевого канала проставочной втулки с боковыми поверхностями радиального канала проставочной втулки снижает перепад давления в гидроканале, что увеличивает КПД турбобура и также способствует уменьшению завихрений на входе в каналы.
Выполнение одной боковой поверхности осевого канала проставочной втулки, направленной в сторону вращения вала турбобура, параллельно оси проставочной втулки, а другой - под углом, причем широкий вход, широкое основание осевого канала проставочной втулки обращено в сторону последнего ротора турбины, а суженный выход, меньшее основание - в сторону радиального канала проставочной втулки, выравнивает окружные скорости потока и входных отверстий каналов, что также снижает перепад давления в гидроканалах, способствует уменьшению завихрений на входе в каналы и увеличивает КПД турбобура.
На фиг.1 показан общий вид исполнения турбобура согласно изобретению.
На фиг.2 показано исполнение проставочной втулки вала согласно изобретению.
На фиг.3 показана развертка поверхности проставочной втулки вала по наружному диаметру согласно изобретению.
Турбобур содержит корпус 1 и вал 2. В корпусе 1 установлены статоры 3 турбины, на валу 2 установлены роторы 4 турбины. Вал 2 центрируется в корпусе 1 радиальными опорами 5, а на выходе из корпуса 1 центрируется ниппелем 6.
Осевая опора 7 установлена в нижней части вала 2. Вал 2 под осевой опорой 7 имеет внутреннюю полость 8 и радиальные каналы 9 для прохода бурового раствора. Место входа каналов 9 на валу 2 перекрыто проставочной втулкой вала 10, которая вращается вместе с валом 2. Над проставочной втулкой вала 10 вала 2 в корпусе 1 турбобура неподвижно установлена втулка корпуса 11. Наружная поверхность проставочной втулки вала 10 выполнена с зазором по отношению к внутренней поверхности втулки корпуса 11. Величина зазора должна исключать взаимное трение втулок 10 и 11.
Осевой канал а (см. фиг.2) проставочной втулки вала 10 имеет боковые поверхности b и с. В проставочной втулке вала 10 также выполнены радиальные каналы d. Боковая поверхность b осевого канала а проставочной втулки вала 10, направленная в сторону вращения n вала турбобура, расположена параллельно оси OO проставочной втулки вала 10 и плавно сопряжена с радиальным каналом d. Боковая поверхность с осевого канала а проставочной втулки вала 10 расположена под углом, причем широкий вход осевого канала а проставочной втулки вала 10 обращен в сторону последнего ротора турбины, а суженный выход - в сторону радиального канала d проставочной втулки вала 10. Такое расположение боковых поверхностей b и с осевого канала а выравнивает окружные скорости n потока бурового раствора и входных отверстий радиальных каналов d, что снижает перепад давления в гидроканалах и способствует уменьшению завихрений на входе в каналы d. При этом значительно сокращается эрозионный износ каналов а и d, снижается перепад давления в гидроканалах и увеличивается КПД турбобура. Для повышения стабилизации потока от завихрений наружная поверхность е проставочной втулки вала 10 выполняется с минимальным зазором по отношению к внутренней поверхности втулки корпуса 11.
Детали, установленные на валу 2, закреплены за счет осевого сжатия их гайкой 12. Детали, установленные в корпусе, закреплены за счет осевого сжатия переводником 13.
Выполнение осевых каналов а целесообразно осуществлять на полумуфтах турбобуров, когда происходит интенсивный размыв радиальных каналов полумуфт.
Турбобур присоединяется к бурильным трубам (на фиг.1 не показано) через переводник 13. Переводник 14 соединяет вал 2 турбобура с долотом (на фиг.1 не показано).
Турбобур работает следующим образом.
Переводником 13 турбобур подсоединяется к бурильным трубам и спускается в скважину. При включении буровых насосов буровой раствор поступает из бурильных труб в турбобур.
В турбобуре буровой раствор сначала попадает в первый статор 3, затем в первый ротор 4 и так далее, последовательно проходя по статорам 3 и роторам 4 турбины, приводит во вращение вал 2. Всего в турбобуре устанавливается 100-150 пар статоров 3 и роторов 4 турбины, количество которых определяется из условия обеспечения заданной выходной характеристики турбобура применительно к конкретным условиям бурения.
Последний статор 3 и ротор 4 расположены в нижней части турбинного вала 2, но выше осевой опоры 7. Выйдя из последнего ротора 4, буровой раствор поступает в осевые каналы проставочной втулки вала 10 и, формируясь боковыми стенками b и с осевых каналов a, попадает в радиальные каналы d и далее в каналы 9 вала 2.
На выходе из последнего ротора 4 поток бурового раствора закручивается противоположно вращению вала турбобура. Так как боковая поверхность b осевого канала а проставочной втулки вала 10 направлена в сторону вращения n вала турбобура и расположена параллельно оси OO проставочной втулки вала 10 то при входе в осевой канала а поток бурового раствора начинает перемещаться вдоль боковой поверхности b осевого канала а проставочной втулки вала 10, закручивание потока относительно вала турбобура прекращается, что приводит к значительному сокращению завихрений. Плавное сопряжение боковой поверхности b осевого канала а проставочной втулки вала 10 с радиальным каналом d дополнительно уменьшает завихрения и значительно уменьшает размывы каналов a и d.
Боковая поверхность с осевого канала а проставочной втулки вала 10 расположена под углом, причем широкий вход осевого канала а проставочной втулки вала 10 обращен в сторону последнего ротора турбины, суженный выход - в сторону радиального канала d проставочной втулки вала 10. Такое расположение боковой поверхности с обеспечивает плавное сужение осевого канала а, что также способствует уменьшению завихрений и гидравлических потерь.
Предлагаемое расположение боковых поверхностей b и с осевого канала а способствует выравниванию окружных скоростей n потока бурового раствора и входных отверстий радиальных каналов d, что снижает перепад давления в гидроканалах и способствует уменьшению завихрений на входе в каналы d. При этом значительно сокращается эрозионный износ каналов а и d, снижается перепад давления в гидроканалах и увеличивается КПД турбобура. Наружная поверхность е проставочной втулки вала 10 выполняется с минимальным зазором по отношению к внутренней поверхности проставочной втулки корпуса 11 для повышения стабилизации потока от завихрений. При этом величина зазора должна исключать взаимное трение втулок 10 и 11, т.е. должна компенсировать возможное биение вала в радиальных опорах 5, что на практике составляет около 2-3 мм по диаметру. В то же время при минимальном зазоре сохраняется однородность потока бурового раствора.
При работе турбобура по верхним интервалам скважин, где буровой раствор может содержать большое количество песка (до 25%), исполнение турбобура с использованием отличительных признаков заявляемого изобретения сокращает эрозионный износ деталей турбобура и увеличивает его надежность и долговечность.
Пройдя по каналу 9, буровой раствор попадает в цилиндрическую полость 8 вала 2 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.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить надежность турбобура при использовании его на интервалах бурения с повышенными скоростями проходки и большим содержанием песка в промывочной жидкости.