ЗАБОЙНЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ВРАЩАТЕЛЬ

Полезная модель относится к техническим средствам, используемым в нефтегазовой промышленности при ремонте скважин. Существующие технологии предполагают необходимость ремонтных и ремонтно-восстановительных работ в бурильных и насосно-компрессорных трубах с использованием фрез, долот и другого металлорежущего инструмента. Для привода этих инструментов применяются вращающиеся с поверхности колонны труб или забойные гидравлические двигатели.
Вместе с тем, специального забойного оборудования для привода этих инструментов не существует. Применяемые в бурении винтовые забойные двигатели (ВЗД), предназначенные для непрерывной продолжительной работы на забое скважины, имеют сложную конструкции и отличаются многодетальностью.
Для выполнения обозначенных выше ремонтно-восстановительных работ предлагается упрощенная специализированная конструкция бесшарнирного ВЗД, которая в дальнейшем будет называться «забойным гидравлическим вращателем».
Ближайшим прототипом является устройство «Забойный гидравлический двигатель», защищенное патентом СССР №443156 от 10.05.1973, выполненное в бесшарнирном исполнении и состоящее из двух последовательно расположенных рабочих органов на базе винтовых героторных механизмов с противоположным направлением винтовых нарезок, причем их общая роторная группа, совершающая планетарное движение, передаваемое исполнительному инструменту, выполнена подвижной в осевом направлении, нижний винтовой героторный механизм выполняет функции радиальной опоры, а верхний ротор имеет хвостовик и упорную пяту, ограничивающую осевую подвижность ротора.
Недостатком прототипа является то, что для возможности получения информации о величине проходки инструмента и осуществления контроля рабочего хода роторной группы данная схема может быть реализована только в одношаговом исполнении основного (верхнего) винтового героторного механизма, поскольку длина хода роторной группы составляет величину не менее разности шагов винтовых поверхности статора и ротора, а по мере движения роторной группы вниз происходит разгерметизация шлюзов рабочих органов и резкое изменение давления в гидравлической системе после перекрытия проходного сечения упорной пяты.
Другим недостатком прототипа является использование нижнего винтового героторного механизма, служащего для предотвращения поступления рабочей жидкости в затрубное пространство, минуя исполнительный инструмент, в виде рабочих органов насоса, что создает перепад давления в исполнительном инструменте и приводит к снижению крутящего момента на выходном валу двигателя вследствие дополнительных гидромеханических потерь в нижней секции рабочих органов.
Данные особенности конструкции прототипа не позволяют спроектировать ВЗД с высоким крутящим моментом, что требуется для привода режущих исполнительных инструментов.
Целью предлагаемой полезной модели является увеличение крутящего момента на выходном валу забойного гидравлического вращателя, а также точная фиксация окончания рабочего хода (нижнего положения роторной группы) в процессе работы без резкого изменения давления в гидросистеме, что позволяет автоматизировать подачу инструмента в соответствии с показаниями давления нагнетания силового насоса.
Указанные цели достигаются за счет того, что рабочие органы основного винтового героторного механизма выполняются многошаговыми, выходной вал установлен в устройстве, ограничивающем движение жидкости в направлении затрубного пространства, а упорная пята имеет проходное сечение, выполненное в виде осевого отверстия в подпятнике или тангенциальных канавок в диске, что позволяет проходить потоку рабочей жидкости через вращатель при достижении нижнего положения роторной группы и посадке диска пяты на подпятник.
В качестве указанного устройства, ограничивающего движение жидкости, может быть использована радиальная опора скольжения или дополнительный винтовой героторный механизм, выполняющий функции лабиринтного уплотнения, длина статора которого не превышает половины шага его винтовой поверхности.
В дальнейшем полезная модель поясняется описанием и чертежами.
На фиг. 1 изображен вариант забойного гидравлического вращателя с устройством, ограничивающим движение жидкости, выполненным в виде радиальной опоры скольжения.
На фиг. 2 изображен вариант вращателя с устройством, ограничивающим движение жидкости, выполненным в виде укороченного винтового героторного механизма, являющимся лабиринтным уплотнением.
Забойный гидравлический вращатель бесшарнирного исполнения установлен на конце колонны бурильных или насосно-компрессорных труб, спускаемых в скважину для проведения специальных технических операций, например при проработке ствола скважины, разбуривании пробок и фрезеровании металлических предметов.
Вращатель состоит из корпуса 1, внутри которого располагаются рабочие органы, представляющие собой основной винтовой героторный механизм, состоящий из статора 2 и находящегося внутри него ротора 3, совершающего планетарное движения с конструктивным эксцентриситетом. Нижний конец ротора жестко соединен с выходным валом (хвостовиком) 4, передающим движение исполнительному инструменту (фрезе или долоту, на чертеже не показаны). Выходной вал выполнен полым (канал а) для прохождения жидкости к исполнительному инструменту.
Верхняя часть ротора при помощи штока 5 соединена с диском 6 упорной осевой пяты, взаимодействующим с подпятником 7, закрепленным в верхней части корпуса над рабочими органами, и верхней крышкой 8 корпуса. Крышка 8 и подпятник 7 имеют входные отверстия б, в для прохода жидкости в рабочие органы вращателя, причем входные отверстия б в верхней крышке располагаются таким образом, чтобы при нахождении роторной группы в верхнем положении проход жидкости полностью не перекрывается, что обеспечивает отсутствие гидроударов при пуске и переустановке вращателя.
Для соединения с трубами и инструментом на корпусе и выходном валу вращателя имеются резьбы.
На выходном валу размещено устройство, ограничивающее движение жидкости и выполняющее функции сальника, что позволяет значительную часть потока рабочей жидкости направлять в зону режущего инструмента.
Упорная пята имеет дополнительное проходное сечение, выполненное в виде осевого отверстия г в подпятнике 7 или тангенциальных канавок в диске 6 (на чертеже не показано), что позволяет проходить потоку рабочей жидкости через вращатель при достижении нижнего положения роторной группы и посадке диска пяты на подпятник.
Площадь дополнительного проходного отверстия г выбирается исходя из требуемого распределения давления в гидравлической системе при рабочем ходе вращателя и остановке движения роторной группы с целью ограничения режимов резкого изменения давления в гидросистеме, возможности контроля окончания рабочего цикла (при контакте рабочих поверхностей упорной пяты) и автоматизации его осуществления.
В таком конструктивном исполнении рабочие органы вращателя могут иметь различную длину (число шагов), назначаемую в зависимости от требуемого крутящего момента.
При работе забойного гидравлического вращателя рабочая жидкость, выходящая из верхней секции винтового героторного механизма, разделяется на два потока, один из которых поступает к исполнительному инструменту (через канал а), а второй - в затрубное пространство скважины, минуя зону исполнительного инструмента.
Предлагаются два варианта конструктивного исполнения устройства, ограничивающего движение жидкости в затрубное пространство.
В первом варианте (фиг. 1) выходной вал выполнен в виде цилиндрического хвостовика ротора 3 и установлен в радиальной опоре скольжения 9 с радиальным люфтом, величина которого составляет не менее двух эксцентриситетов героторного механизма рабочих органов.
Во втором варианте (фиг. 2) в нижней части вращателя установлен дополнительный укороченный винтовой героторный механизм, ротор 11 которого является выходным валом, а статор 10 закреплен в корпусе 1. Отличительной особенностью дополнительного героторного механизма является то, что он имеет кинематическое отношение и размеры поперечного сечения идентичные основному героторному механизму рабочих органов (2, 3) вращателя, направление его винтовых нарезок противоположно направлению нарезок верхнего винтового героторного механизма, а длина L статора 10 составляет не более половины шага его винтовой поверхности.
Баланс распределения потоков жидкости, поступающих к инструменту через полый нижний ротор и в затрубное пространство через камеры нижней секции рабочих органов, а также выбор оптимальной длины подшипника скольжения (вариант 1) и нижнего героторного механизма (вариант 2) определяется из гидравлических расчетов с учетом заданных условий работы инструмента и требований автоматизации рабочего процесса.
Указанные конструктивные особенности обеспечивают требуемую кинематику движения роторной группы вращателя и сопротивление движению жидкости через уплотнительное устройство, но в то же время не создают условия превращения дополнительного героторного механизма в рабочие органы насоса, потребляющего часть мощности основного винтового героторного механизма вращателя, а также исключают установления режимов резкого изменения давления в гидросистеме.
Забойный гидравлический вращатель работает следующим образом. В исходном положении диск подпятника 6 находится в верхнем положении и при подаче жидкости от силового насоса через отверстия б, в создается крутящий момент на роторе 3, что приводит к планетарному движению ротора и выходного вала 4, на конце которого расположен исполнительный инструмент.
Основной поток жидкости, выходящей из рабочих органов поступает в канал а выходного вала и направляется в инструмент, совершающий полезную работу в скважине.
Вторая часть потока проходит через устройство, ограничивающее движение жидкости в направлении затрубного пространства, которое может быть выполнено по одной из двух описанных конструктивных схем.
Таким образом, заявленная полезная модель забойного гидравлического вращателя обеспечивает необходимое распределение потоков рабочей жидкости, поступающих как полость выходного вала и далее к исполнительному инструменту, так и в затрубное пространство, минуя инструмент, гарантируя при этом прохождение значительной части потока жидкости к инструменту, что необходимо для охлаждения режущих элементов во время выполнения операции в скважине.
Осевая нагрузка на исполнительный инструмент создается за счет перепада давления в рабочих органах двигателя независимо от веса колонны бурильных или насосно-компрессорных труб, что обеспечивает работоспособность вращателя при выполнении операций в наклонно направленных скважинах.
По мере движения роторной группы на величину рабочего хода в процессе выполнения операции фрезерования (разбуривания) диск 6 пяты садится на подпятник 7, при этом весь поток жидкости протекает через отверстие г подпятника, что вследствие изменения гидравлического сопротивления внутренних каналов вращателя будет зафиксировано на поверхности по показаниям манометра или датчика давления на выходе из силового насоса.
Для осуществления нового цикла проводится спуск колонны труб и корпуса 1 вращателя на величину, соответствующую ходу роторной группы, в результате чего роторная группа занимает исходное положение (при контакте диска 6 и торца верхней крышки 8) и рабочий цикл повторяется.
Предлагаемые в полезной модели конструктивные решения расширяют существующую гамму ВЗД для ремонта нефтяных и газовых скважин, обеспечивают упрощение схемы двигателя (за счет исключения шарнирного соединения и осевой опоры, уменьшения числа резьбовых соединений), снижение его осевого габарита и ограничение режимов резкого изменения давления в гидравлической системе, что в итоге положительно скажется на эксплуатации и техническом обслуживании забойного двигателя и гидравлической системы в целом.