БУР ВНЕШНЕРОТОРНЫЙ ЗАБОЙНЫЙ
OUTER ROTARY DOWNHOLE DRILL

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к горному и строительному делу при вращательном забойном колонковом бурении вертикальных, наклонных, горизонтальных скважин среднего и большого диаметра, добыче полезных ископаемых, прокладке подземных переходов и туннелей с возможностью изменения направления проходки в процессе выполнения работ.
Уровень техники
Известны буровые установки с забойными электродвигателями.
Основными недостатками электробурения являются: большое потребление электроэнергии с привязкой к ее источнику; дополнительный электродвигатель и оборудование для очистки забоя; ограниченный диаметр скважины и редукторные вставки, обусловленные моментом силы; вибрация, металлоемкость, невысокий межремонтный период электробура; частые пробои токопроводящего кабеля, число которых увеличивается с увеличением глубины скважины; требуется дополнительное и более сложное и дорогое оборудование.
Известны также героторные забойные двигатели (гидроприводы). В ряде случаев они имеют существенные преимущества перед электромоторами. В частности, гидромоторы меньше в среднем в 3 раза по размерам и в 15 раз по массе, чем электромоторы соответствующей мощности. Диапазон регулирования частоты вращения гидромотора существенно шире: например, он может составлять от 2500 об/мин до 30-40 об/мин, а в некоторых случаях у гидромоторов специального исполнения, доходит до 1-4 об/мин и меньше. Время запуска и разгона гидромотора составляет доли секунды, что для электромоторов большой мощности (несколько киловатт) недостижимо. Для гидромотора не представляют опасности частые включения-выключения, остановки и реверс. Закон движения вала гидромотора может легко изменяться путем использования средств регулирования гидропривода.
Например, из патента RU 2112855С1, Е21В 4/02, опубл. 10.06.1998, известен гидравлический забойный двигатель, предназначенный для использования при бурении скважин. Двигатель содержит турбинные секции, героторный винтовой механизм со статором, закрепленным в корпусе и эксцентрично расположенным ротором с разъемным торсионом. В верхней части героторного механизма размещен упорный элемент, который выполнен в виде дискообразной пластины с отверстиями в периферийной части и стаканом в центре, в котором размещен шар для периодического взаимодействия с пятой. Внутренний диаметр стакана, наружный диаметр пяты и диаметр шара связаны определенными соотношениями. Зазор между шаром и дном стакана равен максимально допустимому люфту в узле осевой опоры.
Гидроприводу присущи и недостатки, которые ограничивают его применение. Основные из них следующие:
1. Наличие в корпусе быстро изнашивающейся обкладки из упругоэластичного материала.
2. Изменение вязкости применяемых жидкостей от температуры, что приводит к изменению рабочих характеристик гидропривода и создает дополнительные трудности при эксплуатации гидроприводов как при высоких, так и при отрицательных температурах.
3. Утечки жидкости из гидросистем, которые снижают КПД привода, вызывают неравномерность движения выходного звена гидропередачи, затрудняют достижение устойчивой скорости движения рабочего органа при малых скоростях.
4. Необходимость изготовления многих элементов гидропривода по высокому классу точности для достижения малых зазоров между подвижными и неподвижными деталями, что усложняет конструкцию и повышает стоимость их изготовления.
5. Рабочим телом является только жидкость с определенными компонентами с учетом специфичности грунта. В зимнее время применимость метода ограничивает замерзание жидкости.
6. Взрыво- и огнеопасность применяемых жидких минеральных рабочих компонентов.
Известны также турбинные забойные двигатели (турбобуры) различного конструктивного исполнения (реактивно-турбинные буры и роторно-турбинные буры), комплектуемые серийными турбинными или винтовыми забойными двигателями.
Например, из патента RU 2112856 С1, Е21В 4/02, опубл. 10.06.1998, известен редукторный турбобур, предназначенный для бурения скважин, и может быть использован при бурении наклонных и горизонтальных глубоких скважин с высокими забойными температурами. В корпусе турбобура расположены турбина и связанный с турбиной редуктор с входным и выходным валами и зубчатыми передачами, а также шпиндель с осевыми и радиальными опорами на валу. Выходной вал редуктора связан с валом шпинделя через вал-торсион. Корпусы редуктора и шпинделя соединены переводником. Вал-торсион охватывается с зазором защитной втулкой, образующей с внутренней поверхностью переводника кольцевой зазор. Редуктор, вал-торсион и опоры шпинделя размещены в общей маслонаполненной камере, герметизированной уплотнениями. Буровой раствор проходит по кольцевому каналу внутри корпусов турбины, редуктора, шпинделя и переводника. Торсион за счет упругой податливости предохраняет от перегрузок валы и элементы передачи. При использовании переводника с перекосом осей вал-торсион соединяется с соседними валами шарнирными муфтами, а защитная втулка снабжена уплотнительными элементами, допускающими угловые перемещения корпусов без нарушения герметичности. В этом случае торсион выполняет роль карданного вала, а редукторный турбобур - роль отклонителя. Изобретение позволяет снизить динамические нагрузки на валы и элементы турбобура, увеличить возможность управления траекторией скважины, упростить конструкцию.
Основными недостатками известных турбобуров являются.
1. Сложный профиль лопаток.
2. Большое число ступеней турбины.
Многоступенчатость турбобура объясняется тем, что ограничены значения трех следующих факторов, от которых в прямой зависимости находится крутящий момент:
- расход промывочной жидкости не может быть увеличен из-за возрастания давления в циркуляционной системе и на выкиде бурового насоса;
- диаметр турбобура ограничен размером ствола скважины;
- частота вращения вала турбины, задается режимом бурения применительно к типу используемых долот и не может быть произвольно увеличена.
3. Неизбежно большая длина турбобуров препятствует их применению для быстрого наращивания кривизны при бурении наклонно-направленных скважин
4. Потребление значительно большего количества жидкости, чем требуется для работы долота.
5. Для турбобуров-отклонителей - это невозможность регулировки угла перекоса в условиях буровой, большое расстояние от долота до плоскости искривления, недостаточная жесткость вала шпинделя. И для всех типов турбобуров - отсутствие центрирующих элементов на корпусе.
6. Система циркуляции буровой установки имеет ограничение по перепаду давления, поэтому работу турбобура приходится проводить на пониженном расходе при малой механической мощности на выходном валу, величина которой определяет эффективность процесса бурения.
7. Расположение ротора внутри статора уменьшает крутящий момент. Прототип предлагаемого изобретения авторам не известен. Нет патента на забойный движитель, роторы которого вращаются вокруг статоров от давления воды, пара или газа с возможной ротацией рабочего тела в процессе бурения.
Сущность изобретения
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в увеличении крутящего момента, за счет вращения внешнего ротора от давления жидкой среды, газа (воздуха) или пара с возможностью ротации рабочего тела с учетом увеличения надежности и повышения ресурса за счет простоты конструкции, сокращения узлов трансмиссии, а также в повышении эффективности устройства за счет уменьшения объема разрушения породы, при проходке с оставлением керна большого диаметра для последующего его удаления менее затратными механизированными способами при уменьшении удельной металлоемкости и энергопотребления с возможностью присутствия людей в забое. Рыхлый грунт можно грузить непосредственно в транспортные средства погрузчиком, а твердые горные породы предварительно разрушаются фрезами, отбойными молотками, взрывами и другими известными способами.
Технический результат заявленного изобретения заключается в увеличении крутящего момента за счет увеличения удельной мощности при повышении надежности и работоспособности устройства, сокращением энергозатрат и, в конечном итоге, уменьшении удельной себестоимости проходки.
Технический результат заявленного изобретения достигается за счет того, что бур внешнероторный забойный, содержащий по меньшей мере две соосные роторные секции, соединенные между собой межсекционной втулкой, выполненной с каналами перехода рабочего тела, и заглушки, расположенные с торцов роторных секций, причем
Заглушка, расположенная на торцевой части роторной секции по направлению забоя, содержит породоразрушающие элементы и выполнена с выходным каналом для рабочего тела,
а заглушка, расположенная на торцевой части роторной секции по направлению к устью выполнена с входным каналом для рабочего тела,
при этом каждая роторная секция содержит статор с каналами для рабочего тела, являющегося осью, и внешний ротор, с расположенными шнеками на внешней поверхности внешнего ротора,
во внутренней части статора установлен полый керноприемный корпус, при этом на внутренней поверхности внешнего ротора установлены наклонные зажимы, в которых установлен ролик ротора, а на наружной поверхности статора выполнена радиальная выточка, в которой расположена подпружиненная заслонка с роликом статора,
причем ролик статора и ролик ротора, расположенные между внутренней поверхностью ротора и наружной поверхностью статора образуют рабочую камеру,
при этом каналы для рабочего тела, выполненные в статоре, соединены с рабочей камерой каждой роторной секции каналами для перехода рабочего тела.
В частном случае реализации заявленного технического решения межсекционная втулка и заглушки роторных секций выполнены в форме кольцевой детали, обеспечивающей герметичность, сопряжения статор-ротор.
В частном случае реализации заявленного технического решения в качестве рабочего тела используется жидкая среда, или газ, или пар, при этом бур выполнен с возможностью ротации рабочего тела.
В частном случае реализации заявленного технического решения заслонка выполнена в форме прямоугольной трапеции в поперечном сечении.
В частном случае реализации заявленного технического решения наклонные зажимы выполнены решетчатыми, в форме параллельных или зигзагообразных полос.
В частном случае реализации заявленного технического решения наклонные зажимы выполнены в форме треугольника с роликом в одном углу и радиальными выточками с каждой стороны от ролика.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - бур внешнероторный забойный.
Фиг. 2 - вид Б-Б.
На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:
1 - материнская порода, грунт; 2 - обсадная труба или элементы обделки; 3 - разрушенная порода; 4 - входной канал в статоре; 5 - керн; 6 - керноприемный корпус; 7 - заглушка со стороны устья; 8 - переходник; 9 - шнеки; 10 - ротор; 11 - ролик статора; 12 - заслонка; 13 - вход переходного канала рабочего тела; 14 - межсекционная втулка; 15 - выход переходного канала рабочего тела; 16 - заглушка со стороны забоя; 17 - выходной канал в заглушке; 19 – крепеж породоразрушающего инструмента; 20 - породоразрушающие элементы; 21 - статор; 22 - механизм поджима заслонки; 23 - рабочая камера; 24 - камера перехода рабочего тела; 25 - ролик ротора; 26 - наклонные зажимы; 27 - каналы перехода рабочего тела.
Раскрытие изобретения
Сущность технического решения заключается в том, что бур внешнероторный, состоящий по меньшей мере из двух соосных роторных секций, каждая из которых содержит внутренний статор, выполняющий роль оси, на которой от давления жидкости, газа или пара с возможной ротацией рабочего тела вращается ротор, при этом согласно изобретению породоразрушающий инструмент (буровые головки, коронки, долота, шарошки, фрезы) крепится непосредственно к торцу ротора по направлению забоя, а шнеки, расположенные на внешней поверхности роторов, выталкивают разрушенную породу или грунт в сторону устья, и отработавшее рабочее тело удаляет пульпу, оставляя керн в керноприемном корпусе для последующего извлечением керна малого диаметра с помощью известных кернорвателей, а крупногабаритного керна и грунта для удаления известными механизированными способами с возможностью присутствия людей или роботов в туннеле для укрепления стенок кольцевыми сегментами.
Непосредственным автономным мотором в забое, обеспечивающим вращение породоразрушающего инструмента, вытеснение разрушенной породы и формирование керна, является внешнероторный забойный движитель, состоящий, по меньшей мере, из двух соосных роторных секций. Возможно увеличение количества роторных секций по необходимости.
Каждая роторная секция содержит внутренний статор (21), выполненный в форме полого цилиндра и выполняющий роль оси, и внешний ротор (10), выполненный в форме полого цилиндра большего диаметра.
На внешней поверхности каждого внешнего ротора (10) установлен шнек (9) для вытеснения разрушенной породы из забоя в сторону устья. Роторные секции соединены между собой межсекционной втулкой (14). При этом крайняя к устью роторная секция соединена с заглушкой (7) со стороны устья. Заглушка со стороны устья соединена с переходником (8). Крайняя к забою роторная секция соединена с заглушкой (16) со стороны забоя, при этом заглушка (16) со стороны забоя содержит крепеж (19) породоразрушающего элемента с породоразрушающими элементами (20).
Межсекционная втулка (14) и заглушки (7 и 16) выполнены в форме кольцевой детали - шайбы, обеспечивающей герметичность сопряжения статор-ротор.
Во внутреннюю часть статора (21) вставлен керноприемный корпус (6) в форме полого цилиндра.
На внутренней поверхности ротора (10) установлены наклонные зажимы (26), в которых установлен ролик (25) ротора.
На наружной поверхности статора (21) выполнена радиальная выточка, в которой расположена подпружиненная механизмом поджима (22) заслонка (12) с роликом (11) статора.
Ролик (11) статора и ролик (25) ротора, расположенные между внутренней поверхностью ротора (10) и наружной поверхностью статора (21) образуют рабочую камеру (23).
При этом в стенках каждого статора (21) выполнены каналы (4) в виде расточки цилиндрического, овального или иного известного сечения для рабочего тела. Каналы (4) соединены с рабочей камерой (23) каждой роторной секции каналами перехода (27). В одной роторной секции может быть выполнено по меньшей мере два канала (канал входа и канал выхода).
Ролик (25) ротора, находясь в наклонных зажимах (26) ротора (10), под давлением рабочего тела обкатывается по наружной стороне статора (21). Ролик (11) статора, находясь в подвижной подпружиненной заслонке (12), размещенной в радиальной выточке статора (21), в результате давления рабочего тела на одну сторону заслонки (12) обкатывается по внутренней поверхности ротора (10) и неподвижным наклонным зажимам (26) второго ролика (25), расположенным на внутренней стороне ротора. Наклонные зажимы (26) второго ролика (25) предотвращают динамические удары при контактах роликов (11 и 26). От давления рабочего тела на ролик (25) ротор (10), выполненный в форме полого цилиндра большего диаметра, начинает вращательное движение.
Рабочим телом может быть жидкая среда, газ (воздух) или пар, при этом предусмотрена возможность ротации рабочего тела в процессе выполнения работ. Для этого достаточно отключения входного канала (4) подачи рабочего тела от одного источника и подключения этого канала к другому источнику давления с помощью коллектора или других известных переключателей: вентиля, задвижки, соединительной головки.
Заслонка (12) выполнена, как правило, в форме прямоугольной трапеции в поперечном сечении, но не исключаются и другие криволинейные геометрические формы. Наклонные зажимы (26) удерживают ролик (25) и исключают динамические удары. Зажимы (26) могут быть решетчатыми, в форме параллельных или зигзагообразных полос. Наиболее приемлемым вариантом является форма треугольника с роликом в одном углу и радиальными выточками с каждой стороны от ролика.
Возможно размещение заслонки (12) с роликом (11) в выточке ротора, а наклонных зажимов (26) ролика (25) на внешней стороне статора. Но первый вариант предпочтителен с позиции металлоемкости.
В стенках статоров (21), в заглушке (7) со стороны устья, в заглушке (16) со стороны забоя и в межсекционных втулках(14) выполнены совмещенные каналы в виде расточек для перехода рабочего тела из одной роторной секции в другую. Каналы в заглушках (7 и 16) выполнены в форме цилиндрического, овального или иного известного сечения.
Каналы совмещены таким способом, что первоначально рабочее тело, подаваемое по гибким шлангам или по каналам в трубах, соединяемых переходником с входным каналом (4), поступает в рабочую камеру (23) первой роторной секции через канал перехода (27), при этом рабочее тело из рабочей камеры (23) первой секции, в момент образования мертвой точки в ней, через канал (13) межсекционной втулки (14) переходит через входной канал (4) и канал перехода (27) в рабочую камеру (23) смежной роторной секции. Для чего роторы (10) смещены по оси и разделены межсекционной втулкой (14) с каналами (13) для перехода рабочего тела из одной роторной секции в другую таким способом, что в момент начала выхода рабочего тела при мертвой точке в одной секции рабочее тело под давлением не выходит наружу, а энергия возвращается в другую аналогичную роторную секцию в момент образования рабочей камеры в этой смежной секции для повторного использования в том же технологическом процессе.
Возможен аналогичный переход рабочего тела в рабочую камеру (23) следующей роторной секции через переходной канал (13) межсекционной втулки (14). Таким способом осуществляется запуск и устойчивая работа забойного движителя без маховика и синхронизаторов.
Отработавшее рабочее тело из последней роторной секции со стороны забоя через выполненный выходной канал (17) в заглушке (16) со стороны забоя удаляет разрушенную породу, вытесняемую шнеками (9), расположенными непосредственно на внешней стороне каждого ротора (10).
Обсадная труба (2) на секции ротора со стороны устья обеспечивает целостность стенок скважины на всем протяжении эксплуатационного периода. При устройстве туннелей вместо обсадной трубы монтируется обделка как конструктивный элемент, непосредственно воспринимающий давление грунта и обеспечивающий защиту от подземных вод и плывунов.
Рабочим телом служит насосная подача жидкости, компрессорная подача газа, воздуха, выхлопные газы двигателей или давление пара с возможностью ротации рабочего тела в процессе проходки. Таким способом при бурении обеспечивается одновременная промывка и продувка.
Во внутреннюю часть статора (21) вставлен керноприемный корпус (6) в форме полого цилиндра. Керн (5) малых диаметров извлекают известными кернорвателями, а крупногабаритный керн, в частности при создании подземных переходов, туннелей и добыче полезных ископаемых, извлекают механизированным способом с возможным присутствием людей или роботов в забое (туннеле). При этом затраты значительно ниже, особенно по сравнению с фазным бурением - расширением выработки до необходимого диаметра за несколько проходов.
При работе бура внешнероторного в качестве забойного движителя процесс происходит следующим образом. Бур устанавливается торцевой частью на материнскую породу, грунт (1) и рабочее тело подается с буровой установки через шланги или каналы в трубах (не показаны на фиг.) в канал переходника (8) и через канал заглушки (7) со стороны устья переходит в совмещенный входной канал (4) статора (21) первой секции. Через каналы перехода (27) рабочее тело попадает в рабочую камеру (23) первой секции. Под давлением рабочего тела на наклонные зажимы (26) ролик ротора (25) приводит в движение ротор (10) и расположенные на нем шнеки (9). При подаче рабочего тела в рабочую камеру (23) параллельно к действию механизма поджима заслонки(12) пружиной (22) оказывается дополнительное давление рабочего тела на заслонку (12) в радиальном направлении для наиболее полноценного обкатывания ролика (11) статора (21) по внутренней поверхности ротора (10). При приближении ролика (25) ротора (10) по камере перехода рабочего тела (24) к каналу (27) статора (21) происходит выход рабочего тела - наступает так называемая мертвая точка (МТ). В целях преодоления мертвой точки без маховика рабочее тело из первой секции через переходной канал (13) в межсекционной втулке (14) переходит во вторую секцию в момент образования в ней рабочей камеры.
Рабочий цикл во второй секции аналогичен процессу в первой секции с выходом рабочего тела под давлением в момент мертвой точки через канал (13) в следующую роторную секцию при ее наличии или в выхлопной канал (17) при отсутствии третьей роторной секции, выталкивая породу (3), разрушенную породоразрушающими элементами (20) и вытесняемую шнеками (9) через переходник (8) по обсадной трубе (2).
В процессе вращения известных породоразрушающих элементов (20), таких как коронки, буроголовки, долота, шарошки, расположенных в крепежах непосредственно на внешнем роторе в торцевой части со стороны забоя, формируется керн (5) и удерживается в керноприемном корпусе (6), выполненном в форме полого цилиндра, вставляемого во внутреннюю часть статора (21). Керн (5) малых диаметров извлекается известными кернорвателями (на фиг. не показаны), а крупногабаритный керн (5) разрушается и удаляется с помощью известных механизмов с возможным присутствием человека или робота в забое. Менее затратный способ удаления керна (5) наиболее эффективен при устройстве пеших переходов в стесненных условиях и прокладке туннелей.