ШПИНДЕЛЬ ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Изобретение относится к технике бурения нефтяных и газовых скважин, в частности к конструкциям шпинделей забойных двигателей.
Известно торцовое уплотнение вала забойного двигателя [SU 1093778 А, Е21В 4/00, опубл. 23.05.84], выполненное в виде винтового сочленения, по крайней мере, одного из периферийных уплотнительных колец с корпусом или валом и установленного с возможностью взаимодействия с ведущим элементом трения.
Известен героторный гидравлический двигатель [RU 2162132 С2, Е21В 4/02, Е 21В 7/08 опубл. 20.01.2001], включающий шпиндель, корпус которого со стороны его торца, направленного к долоту, имеет окружной борт, расположенный между опорой вращения и окружным ребром. Окружной борт на валу шпинделя и окружное ребро в корпусе шпинделя выполнены по типу непрерывных, сопрягаемых между собой витков резьбы. Направление свинчивания вала и корпуса шпинделя противоположно направлению вращения вала шпинделя, а наименьшее расстояние между краями ребер на валу и в корпусе шпинделя равно шагу ребер. Приводной вал выполнен разборным между изогнутым переводником и двигателем, место соединения его секций выполнено в виде поверхностей тел вращения относительно общей оси двигателя и шпинделя. Корпус шпинделя со стороны соединения с изогнутым переводником содержит ограничитель потока, выполненный в виде упруго-эластичной опоры скольжения с винтовыми каналами, направленными против вращения вала шпинделя.
Известен шпиндель забойного двигателя [SU 1023053 А, Е21В 4/00, 15.06.83], содержащий торцовое уплотнение контактирующие поверхности которого размещены в зоне окон соединительной муфты. Шпиндель, имеющий кольцевой поршень с пружиной размещен на соединительной муфте, а неподвижная обойма закреплена в корпусе.
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, в известных технических решениях, является низкий показатель герметизирующей способности уплотнительных элементов шпинделя, влияющей на качество очистки забоя скважины, обеспечение необходимого перепада давления в долоте, а также сохранности естественных коллекторских свойств пласта в процессе углубления скважины.
Большинство выпускаемых в нашей стране и за рубежом двигателей имеет осевую герметизирующую опору, вынесенную в отдельный узел -шпиндель. Он выполняет три основные функции: передача крутящего момента от винтовой пары к породорозрушающему инструменту; восприятие гидравлических, изгибающих, растягивающих, сжимающих нагрузок (усилий) - напряжений в процессе бурения скважины; обеспечение герметичности на выходе из двигателя с целью создания необходимого перепада давления в насадках долота.
Для выполнения вышеперечисленных функций в отечественных двигателях применяют упорно - радиальные подшипники качения с коническими, тороидными, комбинированными дорожками качения, а также с тороидными дорожками и резиновым компенсатором. Герметичность шпинделя может осуществляться следующими видами уплотнений:
торцовым сальником, установленным в верхней части шпинделя, ниже радиальной опоры;
многорядным упорным подшипником скольжения, эффективно выполняющим роль уплотнения;
лабиринтным уплотнением, выполняющим роль дросселирующего устройства;
упорно-радиальными подшипниками с резиновыми тороидными кольцами, устанавливаемыми вместо одного ряда шаров.
Однако вопрос обеспечения требуемой герметичности шпиндельной секции остается открытым.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение качества очистки забоя скважины в процессе бурения, обеспечение сохранности естественных коллекторских свойств пласта скважины.
При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в снижении гидродинамического давления в кольцевом пространстве скважины за счет изменения направления вектора скорости утечек бурового раствора.
Указанный технический результат достигается тем, что шпиндель забойного двигателя содержит корпус, вал с центральным отверстием, герметизирующие осевые и радиальные опоры, закрепленные на валу посредством соединительной муфты с окнами для пропуска промывочной жидкости через центральное отверстие вала. При этом шпиндель дополнительно снабжен отражателем утечек бурового раствора, установленным в нижней части вала шпинделя так, чтобы изменить направление потока утечек. Кроме того, под нижнем торцом отражателя на валу шпинделя дополнительно установлено стопорное кольцо.
При бурении с винтовыми забойными двигателями (ВЗД) часто возникают проблемы, связанные с нестабильностью его работы -чередованием режимов, от оптимального до тормозного, а также остановок двигателя, что обусловлено неоднородностью (твердостью) разбуриваемых горных пород. В процессе работы двигателя в экстремальном - тормозном режиме возникают дополнительные гидравлические потери, которые складываются из потерь в винтовой паре, а также в шпиндельной секции. Это связано как с износом эластичной обкладки статора, так и уплотнительных элементов шпинделя. В большинстве случаев износ элементов двигателя вызван технологическими факторами, а именно: использованием бурового раствора с повышенным содержания песка (абразивного материала).
Зависимость утечки через уплотнение от перепада давления на долоте является основным показателем, характеризующим, как гидромониторный эффект (доразрушения породы), так и качество промывки скважины.
оч
Осуществление качественной промывки, без учета утечек в шпинделе двигателя, требует поддержания необходимого давления затрачиваемого на очистку забоя Р. Выполнение условия качественной промывки
определяется выражением:
оч
где: N - мощность необходимая для очистки забоя, Вт;
min
3
Q - минимально необходимый расход, м/с.
Мощность на очистку можно определить по формуле:
c
где: D - диаметр скважины, м;
n
3
ρ - плотность горной породы, кг/м;
м
V - механическая скорость бурения, м/с;
Н- глубина скважины, м;
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
Минимально необходимый расход определяется двумя способами:
Для вертикальных участков по формуле:
min
в
кn
Q=(1,2÷1,3)×V×F
Для горизонтальных участков:
в
кn
2
Q=(1,2(1,2÷1,3)×V×F×(1+0,21×е)
в
где: V - скорость витания частиц в промывочной жидкости, определяется по формуле:
ч
где: d - средний диаметр частиц шлама, м.
кп
F - площадь кольцевого пространства определяется следующим образом;
е - эксцентриситет определяется по формуле:
з
m
где: D, D - соответственно диаметр замка и тела трубы, м.
3
a
min
оч
К примеру, для наклонно направленной скважины глубиной 2000, диаметром скважины 0,139 м, скоростью бурения до 20 м/ч, диаметром шлама от 0,006 до 0,008 м и плотностью промывочных жидкостей соответственно 1100 и 1150 кг/м, скорость витания частиц (скорость восходящего потока V) составила 0,52 м/с.Минимально необходимый расход Q. промывочной жидкости и перепад давления Р для данных
3
условий составил соответственно 0,0076 м/с и 0,26 МПа.
y
3
Стендовые экспериментальные исследования показали, что утечки из шпинделя зависят, как от моментов сопротивлений на валу, вида (параметров) жидкости, так и от времени эксплуатации уплотнительных элементов двигателя. Результаты проведенных исследований показали следующее: - скорость утечек V через уплотнение шпинделя (момент сопротивлений варьировался от 300 до 2000 Н·м) составляла от 0,06 до 0,18 м/с; - или 0,00085 до 0,0024 м/с. Данные показатели подтверждают необходимость учета в формуле определения требуемого давления для качественной очистки забоя величины утечек через уплотнение шпинделя. Выражение для определения необходимого давления, затрачиваемого на очистку забоя примет вид:
где q - утечка через уплотнение шпинделя, м3/с [3].
Утечки через уплотнение определяются опытным путем. По мере износа винтовой пары двигателя для сохранения его рабочей характеристики, а также исходя из выше указанных условий, принято
увеличивать расход промывочной жидкости. При увеличении расхода возрастают и гидравлические потери - утечки бурового раствора в шпинделе, что приводит к постоянному изменению перепада давления в кольцевом пространстве, и как правило неконтролируемой фильтрации твердой фазы в пласт.
Изменение перепада давления и невозможность контроля фильтрации, прежде всего, связано с увеличением турбулентности потока бурового раствора, вызванной взаимодействием, двух противоположено направленных потоков: восходящего - выходящей жидкости из под долота (выносом буровым раствором сколотой породы-шлама) и утечками жидкости через уплотнение шпиндельной секции двигателя.
y
в
Противоположная направленность вектора скорости утечек V через уплотнение шпинделя, вектору скорости восходящего потока У, приводит к дополнительному закупориванию пор коллектора в призабойной части продуктивного пласта, а также образованию застойных зон препятствующих качественной очистки забоя (выносу шлама) из скважины.
y
Таким образом, повышение качества очистки забоя скважины в процессе бурения, обеспечение сохранности естественных коллекторских свойств пласта скважины, без улучшения герметизирующей способности уплотнительных элементов шпинделя, достигаются путем установки на вал шпинделя отражателя потока утечек бурового раствора изменяющего направления вектора скорости утечек V.
отр
y
в
Созданный за счет изменения направления вектор скорости У утечек V потока бурового раствора через уплотнение шпиндельной секции двигателя, направленный по одной траектории с вектором скорости восходящего потока V, помогает осуществлять вынос буровым раствором сколотую породу - шлам, тем самым, уменьшая турбулентность потока, что способствует снижению гидродинамического давления в кольцевом пространстве скважины, влияющего на качество вскрытия продуктивных пластов.
На фиг. представлен шпиндель забойного двигателя.
Шпиндель забойного двигателя содержит полый корпус 1, внутри которого размещены, вал 2, герметизирующие осевые 3 и радиальные 4 опоры, закрепленные на валу 2 посредством соединительной муфты 5 имеющей проточные каналы 6. Вал 2 содержит центральное отверстие 7. В нижней части вала 2 установлен отражатель 8 потока утечек бурового раствора. Для обеспечения ограничения осевого перемещения отражателя 8 относительно корпуса 1, под нижнем его торцом на валу 2 дополнительно установлено стопорное кольцо 9.
Шпиндель забойного двигателя работает следующим образом.
Вращение от рабочего органа забойного двигателя передается на соединительную муфту 5 и на вал 2 шпинделя. Буровой раствор поступает из рабочего органа забойного двигателя проточные каналы 6 соединительной муфты 5, а затем через центральное отверстие 7 вала 2 направляется к долоту. Осевые и радиальные нагрузки, воспринимаются герметизирующими уплотнениями - осевыми 3 и радиальными 4 опорами.
y
в
y
отр
в
В процессе бурения скважины происходит износ опор 3 и 4, выполняющих функцию герметизирующих уплотнений вала шпинделя. В результате износа уплотнений между корпусом 1 и валом 2 шпинделя возникают утечки бурового раствора, вектора скорости V которых направлены противоположно вектору скорости восходящего потока У. Установленный в нижней части вала 2 отражатель 8 изменяет направление вектора скорости утечек V на противоположное (обратное). Вектор скорости отраженного потока бурового раствора У совпадает по направлению с вектором скорости восходящего потока V.
Установка на вал шпинделя отражателя потока утечек бурового раствора позволит обеспечить сохранность естественных коллекторских свойств пласта, повысить качество очистки забоя в процессе бурения скважины.