ЗАБОЙНЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к техническим средствам для бурения и ремонта нефтяных и газовых скважин,а, именно, к забойным гидравлическим двигателям для привода породоразрушающего инструмента.
Известен забойный двигатель, состоящий из винтовой секции и турбобура, снабженного патрубком, гидравлически связывающим между собой корпусы винтовой секции и турбобура, валы которых связаны между собой кинематически. (А.с. №346967, СССР, Кл. Е 21 В 3 /12, от 25.09.78 г.)
Конструкция двигателя - аналога обладает недостатком, снижающим его конкурентоспособность по сравнению с серийным винтовым забойным двигателем, а именно большой осевой габарит (19-26 метров), что не позволяет использовать его в современных технологиях наклонно-направленного и горизонтального бурения.
Ближайшим техническим решением, принятым за прототип, является забойный гидравлический двигатель, содержащий винтовую и турбинную секции, каждая из которых имеет входные и выходные камеры, причем винтовая секция имеет пространственную геометрию, характеризующуюся отношением шага винтовой поверхности статора к его среднему диаметру зубьев, а также полый ротор, в нижней части которого установлен нормально открытый клапан, гидравлически соединяющий входную камеру винтовой секции с входной камерой турбинной секции, узел соединения полого ротора винтовой секции и вала турбинной секции (патент РФ №2248436, кл. Е 21 В 4/02, 2004).
При запуске такого двигателя весь расход бурового раствора обходит рабочие органы винтовой секции через проходной канал ротора и приводит во вращение вал турбинной секции. Далее, по мере роста расхода бурового
раствора, клапан закрывается, и весь расход бурового раствора поступает в приемную камеру винтовой секции.
В данной компоновке турбинная секция выполняет функцию "стартера", облегчая запуск винтовой секции.
Облегченный запуск секции обуславливает снижение нагрузок на элементы винтовой секции за счет перераспределения потоков бурового раствора, что повышает надежность работы двигателя и его долговечность.
Определенным недостатком прототипа является использование в двигателе стандартной винтовой секции, что приводит к необходимости применения удлиненной рабочей пары, кроме того стандартные рабочие органы двигателя характеризуются относительно большим рабочим объемом, что затрудняет создание высокооборотных забойных двигателей.
т
Стандартная винтовая секция характеризуется параметром пространственной геометрии С - коэффициентом формы винтовой поверхности статора и ротора.
Теория рабочего процесса и практика конструирования рекомендуют применять винтовые секции в стандартном винтовом двигателе с рабочими элементами, имеющими следующий параметр пространственной геометрии:
т
С=5,5-12, где
т
cр
С=Т/Д.
Т - шаг винтовой поверхности статора (ротора),
ср.
Д - средний диаметр зубьев поперечного сечения статора (ротора)
т
Использование рабочих органов с С меньше чем 5,5 в стандартных винтовых двигателях не рекомендуется, поскольку при определенных эксплуатационных условиях происходит самоторможение двигателя при запуске.
Теоретические и экспериментальные исследования работы забойного двигателя, взятого за прототип, показали что применение в компоновке "стартера" - турбинной секции позволяет изменить пространственную
т
геометрию в сторону уменьшения параметра С, приняв его в диапазоне от 3,5 до 5,5.
Задачей изобретения является обеспечение эффективной работы двигателя, в том числе в высокооборотном режиме при уменьшении длины рабочей секции.
т
т
Поставленная задача решается за счет того, что в забойном гидравлическом двигателе, содержащем винтовую и турбинные секции, каждая из которых имеет входные и выходные камеры, причем винтовая секция имеет пространственную геометрию - С - коэффициент формы винтовой поверхности, характеризующийся отношением шага винтовой поверхности статора (ротора) к его среднему диаметру зубьев, и имеющем полый ротор, в нижней части которого установлен нормально открытый клапан, гидравлически соединяющий входную камеру винтовой секции с входной камерой турбинной секции, узел соединения полого ротора винтовой секции и вала турбинной секции, шпиндель, С - коэффициент формы винтовой поверхности - отношение шага винтовой поверхности статора (ротора) винтовой секции к его среднему диаметру зубьев находится в пределах от 3,5 от 5,5.
Заявляемое устройство поясняется чертежами
На фиг.1 показан общий вид забойного гидравлического двигателя
На фиг.2 - разрез двигателя в месте установки клапана, в положении деталей клапана при циркуляции через него бурового раствора.
На фиг.3 показаны продольный и поперечный разрезы рабочих органов винтовой секции.
Заявляемый забойный гидравлический двигатель (фиг.1) состоит из винтовой секции 1, турбинной секции 2 и шпинделя 3.
В нижней части полого ротора 4 винтовой секции (фиг.2) установлен нормально открытый клапан, состоящий из золотника 5, седла 6, выполненного в переводнике 7, и пружины 8.
Ротор 4 соединен с валом турбинной секции (на фиг. не показан) шарнирным соединением 9. Статор винтовой секции 10 соединен с корпусом 11 турбинной секции и бурильной колонной (на фиг. не показан).
Забойный гидравлический двигатель работает следующим образом.
При включении буровых насосов буровой раствор поступает по бурильным трубам в забойный двигатель. Из полости А буровой раствор поступает, минуя камеры винтовой секции 1, по проходному каналу полого ротора 4, зазор между золотником 5 и седлом 6 и отверстия 12 переводника 7 в полость Б. При поступлении бурового раствора в турбинную секцию 2 вал турбинной секции начинает вращаться, приводя в принудительное вращение ротор 4 винтовой секции 1. При этом винтовая секция 1 работает в насосном режиме, перекачивая часть бурового раствора из полости А в полость Б через камеры винтовой секции 1, а турбинная секция работает в режиме "стартера".
При увеличении расхода бурового раствора давление в проходном канале полого ротора 4 увеличивается, золотник 5 опускается вниз, преодолевая сопротивление пружины 8. Рабочие поверхности золотника и седла 6 соприкасаются и весь расход бурового раствора проходит по камерам винтовой секции 1, генерируя вращающий момент на роторе 4. При этом винтовая секция 1 работает в длительном режиме, создавая основной вращающий момент для привода долота.
Таким образом, запуск ротора 4 винтовой секции 1 и перевод ее в двигательный режим происходит при рабочем (не повышенном) давлении бурового раствора в момент вращения ротора 4 валом турбинной секции 2.
т
При этом обеспечивается надежный пуск забойного двигателя, винтовая секция которого имеет пространственную геометрию с параметром С, равным 3,5-5,5.
Кроме того, не создается большого перепада давления в винтовой секции в пусковом режиме, тем самым сводится к минимуму перекос ротора
4 относительно статора 10, что обеспечивает увеличение срока службы забойного двигателя.
Изменение пространственной геометрии позволяет решить две задачи:
1. Уменьшить длину двигателя на 1,0-1, 5 метра для двигателей диаметром 172-195 мм, что позволит более эффективно использовать его в технологиях бурения горизонтальных участков скважин.
o
2. Существенно уменьшить рабочий объем винтовой секции V
o
p
V=Q/TZS, где
Q - расход жидкости, поступающей в двигатель;
Т - шаг винтовой поверхности статора,
р
Z - заходность статора,
S - площадь живого сечения, заполненного жидкостью.
o
Уменьшение V позволит без увеличения контактных напряжений в паре проектировать высокооборотные забойные двигатели.
Заявляемый забойный двигатель имеет более компактную конструкцию по сравнению с прототипом, благодаря чему затраты на его изготовление и эксплуатацию уменьшаются, а укороченная длина позволяет использовать его не только при бурении наклонно-направленных, но и горизонтальных участков скважин, сохраняя при этом высокоэффективные энергетические показатели. Снижение нагрузок на элементы винтовой героторной пары при запуске двигателя за счет перераспределения потоков рабочей жидкости между винтовой секцией и турбиной, повышает надежность работы двигателя и его долговечность.