ОСЦИЛЛЯТОР БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ
DRILL STRING OSCILLATOR

Изобретение относится к гидравлическим приводам для вращательного бурения, размещаемым в скважинах, в частности к осцилляторам бурильной колонны, предназначенным для создания гидромеханических импульсов, воздействующих на бурильную колонну.
Известен забойный инструмент для очистки обсаженного участка скважины, содержащий корпус, входное отверстие для флюида, через которое флюид может войти в корпус, и множество выходных отверстий, через которые флюид может выйти из корпуса и воздействовать на материал стенки скважины, а также компоновку клапанов для избирательного регулирования объема флюида, направленного из выходного отверстия между, по меньшей мере, одним из выходных отверстий и, по меньшей мере, еще одним другим выходным отверстием, при этом с компоновкой клапанов в первой конфигурации больший объем флюида направляется от входного отверстия в указанное, по меньшей мере, одно из выходных отверстий, и меньший объем флюида направляется от входного отверстия в указанное, по меньшей мере, еще одно другое выходное отверстие, и с компоновкой клапанов во второй конфигурации меньший объем флюида направляется из внутренней полости в указанное, по меньшей мере, одно из выходных отверстий и больший объем флюида направляется от входного отверстия в указанное, по меньшей мере, еще одно другое выходное отверстие (US 8251144 В2, 28.08.2012).
Недостатком известной конструкции является невозможность ее использования в компоновке низа бурильной колонны (КНБК) для создания гидромеханических импульсов с заданной частотой и амплитудой колебаний для снижения сил трения бурильной колонны о стенки скважины, уменьшения крутильных напряжений в бурильной колонне при бурении горизонтальных интервалов наклонно-направленных скважин, а также для предотвращения прихвата бурильной колонны, возникающего под действием перепада давления, что объясняется отсутствием выходной проточной части, необходимой для подачи бурового раствора под давлением в КНБК для привода ротора гидравлического двигателя с долотом.
Недостатком известной конструкции является также жесткое закрепление колеблющейся пластины 34 из твердого сплава (карбида вольфрама) в клапанном элементе 22, который определяет главную продольную ось 20, и жестко скреплен резьбой с ротором 52, вследствие этого не обеспечивается ресурс пластин из твердого сплава, основные дефекты известной конструкции - выкрашивания, сколы и разрушения скользящих контактных прямоугольных торцов колеблющейся клапанной пластины 34 и неподвижной клапанной пластины 24, также выполненной из твердого сплава, изображено на фиг. 2.
Известно забойное импульсное устройство в сочетании с бурильной колонной, включающей насосно-компрессорные трубы, буровой двигатель, состоящий из статора, подсоединенного к насосно-компрессорным трубам, и ротора, зафиксированного в статоре таким образом, чтобы вращаться относительно статора и насосно-компрессорных труб под влиянием потока бурового флюида под давлением в насосно-компрессорных трубах, буровое долото, присоединенное к нижнему концу ротора бурового двигателя таким образом, чтобы вращаться с ротором бурового двигателя, и фиксатор ротора, забойное импульсное устройство, включающее трубчатый корпус, соединенный с насосно-компрессорными трубами, корпусом, имеющим осевое отверстие, простирающееся вдоль оси, чтобы сделать возможным проход через него бурового флюида, клапан, размещенный в отверстии трубчатого корпуса и определяющий размер сечения для потока бурового флюида, клапан, состоящий из неподвижной части, неподвижно расположенный относительного трубчатого корпуса, и вращающейся части, подвижно расположенной в трубчатом корпусе таким образом, чтобы изменять площадь проходного сечения за счет вращения вращающейся части относительно неподвижной части, а также приводное звено, расположенное между вращающейся частью клапана и ротором бурового двигателя, так чтобы вращать вращающуюся часть клапана относительно насосно-компрессорных труб вместе с ротором бурового двигателя, при этом фиксатор ротора включает кольцевой стопорный элемент, монтированный последовательно с насосно-компрессорными трубами между корпусом статора бурового двигателя и трубчатым корпусом импульсного устройства и фиксирующий элемент, проходящий через стопорный элемент таким образом, чтобы подсоединяться между ротором бурового двигателя и приводным звеном, а также фиксирующий элемент, включающий часть увеличенного размера над стопорным элементом, который не может проходить через кольцевой стопорный элемент (US 8181719 В2, 22.05.2012).
Недостатком известной конструкции является увеличивающийся при работе продольный люфт плунжера 80, а также необходимость настройки расходного сечения 64 в положении, когда перекрываются каналы 70 плунжера 80 при помощи резьбовой втулки 48 и винтов 52, при этом плунжер 80 удерживается в продольном направлении карданным валом 72, переходником 32, ротором 20 винтового героторного двигателя, шпиндельным узлом, скрепленным с долотом 22, и определяет величину продольного люфта плунжера 80, щелевого конического канала 64 и расход бурового раствора через сечения 64, изображено на фиг. 4, 6, 8.
Вследствие этого, по мере наработки известного забойного импульсного устройства в компоновке бурильной колонны, снижаются энергетические характеристики импульсов давления текучей среды, направленных против потока в сторону ударного инструмента, а также не обеспечивается механическая мощность ударного инструмента, необходимого для уменьшения сил трения бурильной колонны о стенки скважины, уменьшения крутильных напряжений в бурильной колонне при бурении горизонтальных интервалов наклонно-направленных скважин, а также для предотвращения прихвата бурильной колонны.
3
Другим недостатком известной конструкции является увеличение вероятности гидроабразивного размыва щелевого конического канала 64, что объясняется тем, что твердые абразивные частицы бурового раствора, например, до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов полимер - глинистого бурового раствора плотностью 1,16÷1,26 г/см, прокачиваемого при гидростатическом давлении, например, 25÷40 МПа, при воздействии на плунжер 80 усилия от долота 22, направленного от забоя скважины на забойное импульсное устройство, передающегося через ротор 20 объемного двигателя, переходник 32 и карданный вал 72, увеличивают износ соединений и продольный люфт плунжера 80, вследствие этого уменьшается проходное сечение щелевого конического канала 64, скорость течения бурового раствора через щелевой конический канал 64 возрастает, не обеспечивается требуемая механическая мощность ударного инструмента и амплитуда колебаний бурильной колонны для снижения сил трения бурильной колонны о стенки скважины.
Известно импульсное устройство потока для обеспечения ударного эффекта, содержащее корпус для установки в колонне, на корпусе имеется сквозное отверстие для обеспечения прохождения жидкости через него, клапан, расположенный в отверстии, для обеспечения прохода потока, включающий компонент клапана, который является подвижным для того, чтобы изменять площадь прохождения текучей среды, предназначенный для изменения потока текучей среды, проходящей через него, а также гидравлический забойный двигатель с гидравлическим приводом, функционально связанный с клапаном для привода компонента клапана и устройство, чувствительное к давлению, которое расширяется или сужается в ответ на изменение давления жидкости, создающееся посредством изменения потока жидкости, при этом сужение и расширение устройства, чувствительного к давлению, обеспечивает ударный эффект (US 6279670 В1, 28.08.2001).
Недостатком известной конструкции является ее сложность и высокая стоимость, а также то, что импульсная сила используется преимущественно для создания эффекта ударного бурения на долоте, вследствие этого снижаются технологические возможности использования в компоновке низа бурильной колонны для создания гидромеханических импульсов с заданной частотой и амплитудой колебаний, воздействующих на колонну для снижения сил трения вращающейся бурильной колонны о стенки скважины, уменьшения крутильных напряжений в бурильной колонне при бурении горизонтальных интервалов наклонно-направленных скважин, а также для предотвращения прихвата бурильной колонны.
3
Недостатком известной конструкции является также размещение на входе в двигатель расходной вставки 14 (изображено на фиг. 2), при этом твердые абразивные частицы бурового раствора, например, до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов полимер - глинистого бурового раствора плотностью 1,16÷1,26 г/см, прокачиваемого при гидростатическом давлении, например, 25÷35 МПа, приводят к шламованию бурового раствора в расходной вставке 14, которая перекрывает траекторию потока бурового раствора, а также к потерям давления при прохождении через отверстия вставки 14, вследствие этого в бурильной колонне возникают гидравлические удары, не обеспечиваются энергетические характеристики пульсирующего давления текучей среды, направленного в сторону ударного инструмента 3 (US 6588518 В2, Jul. 8, 2003), чувствительного к давлению для создания импульсной силы на участок бурильной колонны, где импульсная сила используется только для создания эффекта ударного бурения на долоте.
Известно ударно-вращательное устройство, содержащее корпус, приспособленный для монтажа на опорном элементе, объемный двигатель, имеющий статор и ротор, в котором при эксплуатации ротор колеблется, вращаясь и перемещаясь в поперечном направлении внутри статора, и клапан, включающий колеблющийся первый клапанный элемент и неподвижный второй клапанный элемент, причем каждый клапанный элемент образует клапанное отверстие и имеет основную продольную ось, первый клапанный элемент соединен с ротором и имеет возможность перемещения относительно второго клапанного элемента, а при эксплуатации клапанные элементы взаимодействуют, совместно образуя переменное проходное сечение через клапан, и, по меньшей мере, одно из отверстий клапанных элементов смещено от соответствующей основной продольной оси (RU 2362866 С2, 27.07.2009).
При работе перепад давления бурового раствора через винтовой героторный гидравлический двигатель 19 сдвигает в сторону клапанного устройства 30 ротор 24, этой силе препятствует клапанное устройство 30, управляемое (вращаемое) ротором 24 двигателя 19, при этом перепад давления может быть через двигатель 19 в противоположном направлении и может сдвигать ротор 24 в сторону упора 32 с поперечной стенкой, расположенного на входе в двигатель, вследствие этого ротор 24 сам является источником знакопеременных осевых ударных нагрузок.
Недостатком известной конструкции является жесткое закрепление колеблющейся пластины 34 из твердого сплава (карбида вольфрама) в клапанном элементе 38, который определяет главную продольную ось А, и жестко скреплен резьбой 42 с ротором 24, вследствие этого не обеспечивается ресурс, при этом основные дефекты известной конструкции -выкрашивания, сколы и разрушения скользящих контактных прямоугольных торцов колеблющейся пластины 34 и неподвижной клапанной пластины 36, также из твердого сплава, изображено на фиг. 3, 5.
3
Другим недостатком известной конструкции является размещение на входе в двигатель упора 32 с отверстиями 19 в поперечной стенке, при этом твердые абразивные частицы бурового раствора, например, до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов полимер - глинистого бурового раствора плотностью 1,16÷1,26 г/см, прокачиваемого при гидростатическом давлении, например, 25÷35 МПа, приводят к шламованию бурового раствора на поперечной стенке упора 32, который перекрывает траекторию потока бурового раствора, а также к потерям давления при прохождении через отверстия упора 32, вследствие этого в бурильной колонне возникают гидравлические удары, не обеспечивается требуемая механическая мощность ударного инструмента и амплитуда колебаний бурильной колонны для снижения сил трения бурильной колонны о стенки скважины, уменьшения крутильных напряжений в бурильной колонне при бурении горизонтальных интервалов наклонно-направленных скважин, а также для предотвращения прихвата бурильной колонны.
Известен осциллятор для бурильной колонны, содержащий героторный винтовой гидравлический двигатель, включающий статор с закрепленной в нем обкладкой из эластомера с внутренними винтовыми зубьями и расположенный внутри статора ротор с наружными винтовыми зубьями, вращение ротора осуществляется насосной подачей текучей среды, число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев обкладки из эластомера, ходы винтовых зубьев обкладки из эластомера и ротора пропорциональны их числам зубьев, центральные продольные оси ротора и обкладки из эластомера смещены между собой на величину эксцентриситета, и клапан, включающий первый клапанный элемент и неподвижный второй клапанный элемент, первый клапанный элемент снабжен первой клапанной пластиной, второй клапанный элемент снабжен установленной в нем второй клапанной пластиной, причем второй клапанный элемент с установленной в нем второй клапанной пластиной образует клапанное отверстие и имеет основную продольную ось, первый клапанный элемент скреплен с ротором и имеет возможность перемещения относительно второго клапанного элемента, а при эксплуатации клапанные элементы взаимодействуют, совместно образуя переменное проходное сечение для текучей среды через клапан, при этом осциллятор содержит плунжерный модуль, скрепленный с первым клапанным элементом, первая клапанная пластина размещена внутри плунжерного модуля с возможностью продольного перемещения, а плунжерный модуль снабжен пружинным устройством, нагружающим первую клапанную пластину для постоянного контакта со второй клапанной пластиной, размещенной во втором клапанном элементе, при этом первая клапанная пластина, размещенная в плунжерном модуле, имеет сплошной торец для контакта со второй клапанной пластиной, установленной во втором клапанном элементе и образующей клапанное отверстие, а также содержит трансмиссионный вал, скрепленный с входной частью ротора, радиально-упорную опору вращения, включающую полый вал, установленный в указанной радиально-упорной опоре вращения с возможностью вращения и скрепленный с трансмиссионным валом, и генератор гидромеханических импульсов, расположенный выше по потоку от радиально-упорной опоры вращения, содержащий корпус, выполненный из наружных трубчатых элементов, размещенную внутри корпуса оправку, выполненную из внутренних трубчатых элементов, телескопически соединенных между собой, элементы для передачи крутящего момента между корпусом и оправкой при продольном перемещении относительно друг друга, указанные трубчатые элементы оснащены резьбами, а также содержащий пружинный модуль между корпусом и оправкой, упорную втулку между верхним упорным торцом корпуса и пружинным модулем, указанные наружные трубчатые элементы, имеющие расположенные вдоль верхний и нижний упорные торцы на противоположных краях пружинного модуля, верхний упорный торец первого трубчатого элемента и нижний торец второго трубчатого элемента, одновременно зацепляющие и нагружающие пружинный модуль при продольном сжатии указанных трубчатых элементов относительно друг друга, верхний упорный торец второго трубчатого элемента и нижний упорный торец первого трубчатого элемента, одновременно зацепляющие и нагружающие пружинный модуль при растяжении указанных трубчатых элементов относительно друг друга, кольцевой поршень с уплотнениями на наружной и внутренней поверхностях, установленный между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью оправки, реагирующий на давление текучей среды, а также содержащий уплотнения в верхней части между корпусом и оправкой и камеру для рабочей жидкости - масла, ограниченную уплотнениями в верхней части корпуса и уплотнениями кольцевого поршня между корпусом и оправкой, и упорное кольцо, установленное на внутреннем трубчатом элементе, составляющем нижнюю часть оправки, при этом вращательный привод для передачи момента между оправкой и корпусом при продольном перемещении относительно друг друга снабжен ударным кольцом, установленным в оправке с возможностью продольного перемещения оправки с ударным кольцом внутри упорной втулки (RU 2565316 С1, 20.10.2015).
3
Недостатком известной конструкции является неполная возможность увеличения ресурса и надежности вследствие высокой активности кавитационных процессов потока гидроабразивной среды, например, полимер - глинистого бурового раствора, плотностью 1,16÷1,26 г/см, содержащего до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 10% нефтепродуктов, прокачиваемого при гидростатическом давлении, например, 20÷35 МПа, что объясняется интенсивным абразивным и эрозионным износом (размывом) плунжерного модуля 23, жестко скрепленного с клапанным элементом 14 при помощи общей резьбы 24, а также клапанной пластины 16 из твердого сплава, размещенной в плунжере 27, установленном в отверстии 28 плунжерного модуля 23 с возможностью телескопического перемещения вдоль центральной продольной оси 29, а также шламованием и прихватом пружинного устройства 30, зафиксированного гайкой 31, нагружающего плунжер 27 с размещенной в ней клапанной пластиной 16, имеющей сплошной торец 33 для контакта с торцом 34 клапанной пластины 17, установленной в клапанном элементе 15 и образующей клапанное отверстие 18, совместно образуя переменное проходное сечение 22 для текучей среды 7 через клапан 13.
В известной конструкции поток текучей среды 7 направляется через колонну бурильных труб, в которой содержится осциллятор, в клапан 13 снаружи, из полости внутри осциллятора, охватывающей плунжерный модуль 23, в промежуток между торцом 33 клапанной пластины 16 и торцом 34 клапанной пластины 17, причем клапанная пластина 16, размещенная в плунжере 27 внутри плунжерного модуле 23, имеет сплошной торец 33 для контакта с торцом 34 клапанной пластины 17, установленной в клапанном элементе 15 и образующей клапанное отверстие 18, совместно образуя переменное проходное сечение 22 для текучей среды 7 - бурового раствора через клапан 13, вследствие этого известная конструкция имеет недостаток: металлические частицы (стружка и окалина), прошедшие сквозь фильтр бурильной колонны, тормозятся и подвергаются шламованию на торце неподвижного клапанного элемента 15 и на торце 34 клапанной пластины 17, установленной в клапанном элементе 15, вследствие этого не предотвращается возможность попадания абразивных частиц, прошедших через фильтр бурильной колонны, между контактирующими торцами 33 и 34 клапанных пластин 16, 17, что нарушает работу осциллятора в скважине.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является осциллятор для бурильной колонны, содержащий героторный винтовой гидравлический двигатель, включающий трубчатый статор с закрепленной в нем обкладкой из эластомера с внутренними винтовыми зубьями и расположенный внутри статора ротор с наружными винтовыми зубьями, вращение ротора осуществляется насосной подачей текучей среды, число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев обкладки из эластомера, ходы винтовых зубьев обкладки из эластомера и ротора пропорциональны их числам зубьев, а центральные продольные оси ротора и обкладки из эластомера в статоре смещены между собой на величину эксцентриситета, и клапан, включающий первый клапанный элемент и неподвижный второй клапанный элемент, первый клапанный элемент снабжен установленной в нем первой клапанной пластиной, второй клапанный элемент снабжен установленной в нем второй клапанной пластиной, причем второй клапанный элемент с установленной в нем второй клапанной пластиной образует клапанное отверстие и имеет основную продольную ось, первый клапанный элемент скреплен с ротором и имеет возможность перемещения относительно второго клапанного элемента, а при эксплуатации клапанные элементы взаимодействуют, совместно образуя переменное проходное сечение для текучей среды через клапан, а также содержащий плунжерный модуль, размещенный между первым клапанным элементом и клапанной парой, а также содержащий трансмиссионный вал, скрепленный с входной частью ротора, радиально-упорную опору вращения, включающую полый вал, установленный в упомянутой радиально-упорной опоре вращения с возможностью вращения и скрепленный с трансмиссионным валом, и генератор гидромеханических импульсов, расположенный выше по потоку от радиально-упорной опоры вращения, содержащий корпус, выполненный из наружных трубчатых элементов, размещенную внутри корпуса оправку, выполненную из внутренних трубчатых элементов, телескопически соединенных между собой, элементы для передачи крутящего момента между корпусом и оправкой при продольном перемещении относительно друг друга, указанные трубчатые элементы оснащены резьбами, а также содержащий пружинный модуль между корпусом и оправкой, упорную втулку между верхним упорным торцом корпуса и пружинным модулем, указанные наружные трубчатые элементы, имеющие расположенные вдоль верхний и нижний упорные торцы на противоположных краях пружинного модуля, верхний упорный торец первого трубчатого элемента и нижний упорный торец второго трубчатого элемента, одновременно зацепляющие и нагружающие пружинный модуль при продольном сжатии указанных трубчатых элементов относительно друг друга, верхний упорный торец второго трубчатого элемента и нижний упорный торец первого трубчатого элемента, одновременно зацепляющие и нагружающие пружинный модуль при растяжении указанных трубчатых элементов относительно друг друга, кольцевой поршень с уплотнениями на наружной и внутренней поверхностях, установленный между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью оправки, а также содержащий уплотнения в верхней части между корпусом и оправкой и камеру для рабочей жидкости - масла, ограниченную уплотнениями в верхней части корпуса и уплотнениями кольцевого поршня между корпусом и оправкой, и упорное кольцо, установленное на внутреннем трубчатом элементе, составляющем нижнюю часть оправки, при этом вращательный привод для передачи момента между оправкой и корпусом при продольном перемещении относительно друг друга снабжен ударным кольцом, установленным в оправке с возможностью продольного перемещения оправки с ударным кольцом внутри упорной втулки, при этом первый клапанный элемент, скрепленный с ротором, снабжен трубчатым хвостовиком, направленным к клапану, внутренняя полость трубчатого хвостовика первого клапанного элемента выполнена с возможностью сообщения с потоком текучей среды на выходе из героторного винтового гидравлического двигателя и образования проточного канала через внутреннюю полость трубчатого хвостовика к клапану, а плунжерный модуль содержит закрепленную внутри него обкладку из эластомера и установлен на трубчатом хвостовике первого клапанного элемента с возможностью вращения и продольного перемещения относительно упомянутого трубчатого хвостовика первого клапанного элемента, при этом первая клапанная пластина выполнена в виде скрепленной с плунжерным модулем дроссельной втулки с проточным каналом, внутренний профиль которого выполнен конфузорным вниз по потоку, максимальное смещение центральной продольной оси проточного канала дроссельной втулки относительно центральной продольной оси обкладки из эластомера в статоре равно удвоенной величине эксцентриситета центральной продольной оси ротора относительно центральной продольной оси обкладки из эластомера в статоре, а максимальное смещение центральной продольной оси проточного канала второй неподвижной втулки относительно центральной продольной оси обкладки из эластомера в статоре равно величине эксцентриситета центральной продольной оси ротора относительно центральной продольной оси обкладки из эластомера в статоре (RU 2645198 С1, 16.02.2018).
Недостатком известной конструкции является неполная возможность увеличения ресурса и надежности вследствие того, что она содержит трансмиссионный вал 47, по существу, гибкий торсионный вал 47, жестко скрепленный с входной частью 48 ротора 5 двигателя 1 и выходной частью полого вала 50, установленного в радиально-упорной опоре 49 вращения и скрепленного с торсионным валом 47 при помощи переходника 51, предназначенного для направления потока текучей среды 7 из полого вала 50 на вход героторного винтового гидравлического двигателя 1, вращение ротора 5 в котором осуществляется насосной подачей текучей среды 7 для привода клапана 13 осциллятора, изображено на фиг. 1, 9.
При насосной подаче текучей среды 7 (бурового раствора), прокачиваемой по бурильной колонне, на винтовые зубья ротора 5 действует осевая нагрузка, направленная по потоку текучей среды 7, а на торсионный вал действуют эквивалентные напряжения (по Мизесу) от момента затяжки резьбы торсионного вала 47, растягивающей нагрузки, связанной с удержанием ротора 5 в продольном направлении для разгрузки клапана 13 от продольных перемещений, и перекашивающего усилия (эксцентриситета) планетарно вращающегося в обкладке 3 из эластомера ротора 5 с винтовыми зубьями, передающими вращающий момент на торсионный вал 47.
При этом эквивалентные напряжения (по Мизесу) от момента затяжки резьбы торсионного вала 47, а также от растягивающей нагрузки, действующей на торсионный вал 47, связанной с удержанием ротора 5 в продольном направлении для разгрузки клапана 13 от продольных перемещений и перекашивающего усилия (эксцентриситета) планетарно вращающегося в обкладке 3 из эластомера ротора 5 с винтовыми зубьями, не обеспечивают требуемых значений эквивалентных напряжений в критических зонах, по существу, в "зарезьбовых" канавках торсионного вала 47.
Основные отказы известной конструкции при эксплуатации - поломки торсионного вала 47, преимущественно, в зоне "зарезьбовых" канавок, например, не более 300 часов циркуляции в составе КНБК.
Другим недостатком известной конструкции является неполная возможность повышения энергетических характеристик пульсирующего давления текучей среды и механической мощности генератора гидромеханических импульсов с заданной частотой и амплитудой колебаний при бурении горизонтальных интервалов наклонно-направленных скважин.
Этот недостаток объясняется тем, что кольцевой (плавающий) поршень 79 с уплотнениями 80 на его наружной поверхности 81 и уплотнениями 82 на его внутренней поверхности 83, установленный между внутренней поверхностью 84 наружного трубчатого элемента 61 корпуса 58 и наружной поверхностью 85 внутреннего трубчатого элемента 64 оправки 62, который отделяет камеру 88 для рабочей жидкости-масла, например, Mobilube I SHC 75W-90, ограниченную уплотнениями 86 в верхней части 87 корпуса 58 и уплотнениями 80, 82 кольцевого поршня 79 между корпусом 58 и оправкой 62, от внутренней полости оправки 62 и корпуса 58, через которые прокачивается буровой раствор 7 при гидростатическом давлении, например, 25÷35 МПа, установленный внутри корпуса в генераторе гидромеханических импульсов, не скреплен жестко с оправкой 62, вследствие этого не обеспечивается растяжение корпуса 58 и оправки 62 относительно друг друга под действием гидростатического давления бурового раствора 7, например, 25÷35 МПа, и возможность реагирования на пульсацию давления текучей среды, прокачиваемой по бурильной колонне, изображено на фиг. 1, 10.
Вследствие этого генератор 61 гидромеханических импульсов, воздействующих на бурильную колонну, который должен реагировать на давление текучей среды 7 (бурового раствора), прокачиваемого внутри оправки 66 и корпуса 62 под давлением, например, 25÷35 МПа, возбуждает продольные циклические колебания бурильной колонны с нерасчетной частотой и амплитудой колебаний, при этом не используются технологические возможности для создания гидромеханических импульсов с заданной частотой и амплитудой колебаний для снижения сил трения вращающейся бурильной колонны о стенки скважины, уменьшения крутильных напряжений в бурильной колонне при бурении горизонтальных интервалов наклонно-направленных скважин, а также для предотвращения прихвата бурильной колонны.
Технический результат, который обеспечивается изобретением, заключается в повышении ресурса и надежности осциллятора, в расширении диапазона энергетических характеристик пульсирующего давления текучей среды и механической мощности генератора гидромеханических импульсов при меньшем уровне потерь давления, в снижении силы трения бурильной колонны о стенки скважины, в уменьшении крутильных напряжений в бурильной колонне при бурении горизонтальных интервалов наклонно-направленных скважин, в предотвращении прихвата бурильной колонны, в повышении ресурса долота и скорости проходки скважин за счет того, что трансмиссионный вал соединен с резьбовым переходником с возможностью образования шарнирного механизма и восприятия растягивающих нагрузок, действующих на трансмиссионный вал, скрепленный с ротором двигателя, а кольцевой поршень с уплотнениями, установленный внутри корпуса в генераторе гидромеханических импульсов, жестко скреплен с оправкой с возможностью реагирования на пульсацию давления текучей среды, прокачиваемой по бурильной колонне.
Сущность технического решения заключается в том, что в осцилляторе бурильной колонны, содержащем героторный винтовой гидравлический двигатель, включающий статор с закрепленной внутри обкладкой из эластомера с внутренними винтовыми зубьями и расположенный внутри статора ротор с наружными винтовыми зубьями, число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев обкладки из эластомера, ходы винтовых зубьев обкладки из эластомера и ротора пропорциональны их числам зубьев, центральные продольные оси ротора и обкладки из эластомера смещены между собой на величину эксцентриситета, а вращение ротора осуществляется насосной подачей текучей среды, и клапан, включающий первый клапанный элемент и неподвижный второй клапанный элемент, первый клапанный элемент скреплен с ротором и снабжен хвостовиком, направленным к клапану, внутренняя полость хвостовика первого клапанного элемента выполнена с возможностью сообщения с потоком текучей среды на выходе из двигателя и образования проточного канала через внутреннюю полость хвостовика к клапану, а также содержащем плунжерный модуль, размещенный между первым клапанным элементом и клапанной парой, включающий закрепленную внутри него обкладку из эластомера, установленный на хвостовике первого клапанного элемента с возможностью вращения и продольного перемещения относительно хвостовика первого клапанного элемента, первый клапанный элемент выполнен в виде скрепленной с плунжерным модулем дроссельной втулки с проточным каналом, профиль которого выполнен с критическим сечением на выходе, причем максимальное смещение центральной продольной оси проточного канала дроссельной втулки относительно центральной продольной оси обкладки из эластомера равно удвоенной величине эксцентриситета центральной продольной оси ротора относительно центральной продольной оси обкладки из эластомера, при этом неподвижный второй клапанный элемент с установленной в нем второй клапанной пластиной образует клапанное отверстие и имеет основную продольную ось, а при эксплуатации клапанные элементы взаимодействуют, совместно образуя переменное проходное сечение для текучей среды через клапан, а также содержащем радиально-упорную опору вращения, включающую полый вал, установленный в радиально-упорной опоре вращения, а также содержащем трансмиссионный вал и резьбовой переходник, размещенные между входной частью ротора и полым валом радиально-упорной опоры вращения, причем резьбовой переходник жестко скреплен с полым валом радиально-упорной опоры вращения, а также содержащем генератор гидромеханических импульсов, расположенный выше по потоку от радиально-упорной опоры вращения, включающий корпус, выполненный из наружных трубчатых элементов, размещенную внутри корпуса оправку, выполненную из внутренних трубчатых элементов, телескопически соединенных между собой, элементы для передачи вращающего момента между корпусом и оправкой при продольном перемещении относительно друг друга, указанные трубчатые элементы оснащены резьбами, а также содержащем пружинный модуль между корпусом и оправкой, упорную втулку между верхним упорным торцом корпуса и пружинным модулем, указанные наружные трубчатые элементы, имеющие расположенные вдоль верхний и нижний упорные торцы на противоположных краях пружинного модуля, верхний упорный торец первого трубчатого элемента и нижний упорный торец второго трубчатого элемента, одновременно зацепляющие и нагружающие пружинный модуль при продольном сжатии указанных трубчатых элементов относительно друг друга, верхний упорный торец второго трубчатого элемента и нижний упорный торец первого трубчатого элемента, одновременно зацепляющие и нагружающие пружинный модуль при растяжении указанных трубчатых элементов относительно друг друга, а также содержащем кольцевой поршень с уплотнениями, размещенный внутри корпуса в генераторе гидромеханических импульсов, согласно изобретению трансмиссионный вал снабжен наружным кольцевым буртом на его концевой части, направленной к резьбовому переходнику, жестко скрепленному с полым валом радиально-упорной опоры вращения, резьбовой переходник снабжен трубчатым хвостовиком, направленным к ротору двигателя и охватывающим наружный кольцевой бурт на концевой части трансмиссионного вала, между трубчатым хвостовиком резьбового переходника и концевой частью трансмиссионного вала размещен ряд шариков, установленных одной стороной в полусферических впадинах на концевой части трансмиссионного вала, другой стороной - в продольных полуцилиндрических пазах трубчатого хвостовика резьбового переходника, а ряд шариков образует между концевой частью трансмиссионного вала и резьбовым переходником шарнирный механизм, при этом на концевой части трансмиссионного вала, снабженного наружным кольцевым буртом, установлены кольца со сферической опорной поверхностью, взаимодействующие сферическими поверхностями друг с другом, примыкающие к наружному кольцевому бурту на концевой части трансмиссионного вала со стороны наружного кольцевого бурта, направленной к ротору двигателя, а внутри трубчатого хвостовика резьбового переходника закреплена резьбовая втулка, примыкающая к кольцам со сферической опорной поверхностью с возможностью восприятия растягивающих нагрузок, действующих на трансмиссионный вал, скрепленный с ротором двигателя, при этом кольцевой поршень с уплотнениями, размещенный внутри корпуса в генераторе гидромеханических импульсов, жестко скреплен с оправкой с возможностью реагирования на пульсацию давления текучей среды, прокачиваемой по бурильной колонне.
Площадь F минимального проходного сечения для текучей среды через клапан, образованного взаимодействующими клапанными элементами, и площадь К критического сечения проточного канала на выходе дроссельной втулки, скрепленной с плунжерным модулем, связаны соотношением: F=(0,22÷0,55)K.
Площадь К критического сечения проточного канала на выходе дроссельной втулки, скрепленной с плунжерным модулем, и площадь S входного сечения проточного канала дроссельной втулки связаны соотношением: K=(0,22÷0,55)S, при этом неподвижный второй клапанный элемент выполнен идентичным дроссельной втулке и оппозитно расположен относительно дроссельной втулки с возможностью образования проточного канала, профиль которого выполнен в форме диффузора.
Максимальный зазор между торцом скрепленной с плунжерным модулем дроссельной втулки и торцом неподвижной втулки равен удвоенной величине эксцентриситета центральной продольной оси ротора относительно центральной продольной оси обкладки из эластомера.
Верхний по потоку край оправки в генераторе гидромеханических импульсов выполнен с поясом пониженной жесткости, характеризующимся выполнением стенки оправки уменьшенной толщиной и уменьшенным наружным диаметром, образующим упорный торец с возможностью захвата и подъема бурильной колонны.
Выполнение осциллятора бурильной колонны таким образом, что трансмиссионный вал снабжен наружным кольцевым буртом на его концевой части, направленной к резьбовому переходнику, жестко скрепленному с полым валом радиально-упорной опоры вращения, при этом резьбовой переходник снабжен трубчатым хвостовиком, направленным к ротору двигателя и охватывающим наружный кольцевой бурт на концевой части трансмиссионного вала, между трубчатым хвостовиком резьбового переходника и концевой частью трансмиссионного вала размещен ряд шариков, установленных одной стороной в полусферических впадинах на концевой части трансмиссионного вала, другой стороной - в продольных полуцилиндрических пазах трубчатого хвостовика резьбового переходника, а ряд шариков образует между концевой частью трансмиссионного вала и резьбовым переходником шарнирный механизм, при этом на концевой части трансмиссионного вала, снабженного наружным кольцевым буртом, установлены кольца со сферической опорной поверхностью, взаимодействующие сферическими поверхностями друг с другом, примыкающие к наружному кольцевому бурту на концевой части трансмиссионного вала со стороны наружного кольцевого бурта, направленной к ротору двигателя, а внутри трубчатого хвостовика резьбового переходника закреплена резьбовая втулка, примыкающая к кольцам со сферической опорной поверхностью с возможностью восприятия растягивающих нагрузок, действующих на трансмиссионный вал, скрепленный с ротором двигателя, при этом кольцевой поршень с уплотнениями, размещенный внутри корпуса в генераторе гидромеханических импульсов, жестко скреплен с оправкой с возможностью реагирования на пульсацию давления текучей среды, прокачиваемой по бурильной колонне, обеспечивает повышение ресурса и надежности осциллятора, расширение диапазона энергетических характеристик пульсирующего давления текучей среды и механической мощности генератора гидромеханических импульсов при меньшем уровне потерь давления, снижение силы трения бурильной колонны о стенки скважины, уменьшение крутильных напряжений в бурильной колонне при бурении горизонтальных интервалов наклонно-направленных скважин, предотвращение прихвата бурильной колонны, повышение ресурса долота и скорости проходки скважин путем повышения прочности и усталостной выносливости трансмиссионного вала, по существу, обеспечивает "разгрузку" ротора двигателя от продольных перемещений, связанных с возникновением осевой нагрузки, направленной по потоку текучей среды, действующих на механизм привода клапанов, а также путем повышения механической мощности генератора гидромеханических импульсов с заданной частотой и амплитудой колебаний при меньших потерях давления.
При насосной подаче текучей среды (бурового раствора), прокачиваемой по бурильной колонне, на винтовые зубья ротора действует осевая нагрузка, направленная по потоку текучей среды, а на трансмиссионный вал действуют эквивалентные напряжения (по Мизесу) от момента затяжки резьбы трансмиссионного вала, растягивающей нагрузки, связанной с удержанием ротора в продольном направлении для разгрузки клапана от продольных перемещений, и перекашивающего усилия (эксцентриситета) планетарно вращающегося в обкладке из эластомера ротора с винтовыми зубьями, передающими вращающий момент на трансмиссионный вал.
При этом эквивалентные напряжения (по Мизесу) от момента затяжки резьбы трансмиссионного вала, а также от растягивающей нагрузки, действующей на трансмиссионный вал, связанной с удержанием ротора двигателя в продольном направлении для разгрузки клапана от продольных перемещений и перекашивающего усилия (эксцентриситета) планетарно вращающегося в обкладке из эластомера ротора с винтовыми зубьями, обеспечивают требуемые значения в критической зоне, по существу, в "зарезьбовой" канавке трансмиссионного вала, жестко скрепленного с ротором двигателя.
Выполнение осциллятора бурильной колонны таким образом, что площадь F минимального проходного сечения для текучей среды через клапан, образованного взаимодействующими клапанными элементами, и площадь K критического сечения проточного канала на выходе дроссельной втулки, скрепленной с плунжерным модулем, связаны соотношением: F=(0,22÷0,55)K, при этом площадь K критического сечения проточного канала на выходе дроссельной втулки, скрепленной с плунжерным модулем, и площадь S входного сечения проточного канала дроссельной втулки связаны соотношением: K=(0,22÷0,55)S, при этом неподвижный второй клапанный элемент выполнен идентичным дроссельной втулке и оппозитно расположен относительно дроссельной втулки с возможностью образования проточного канала, профиль которого выполнен в форме диффузора, образует защитный слой текучей среды между торцами клапанных втулок, вследствие этого устраняются ударные нагрузки на торцы клапанных втулок из твердого сплава, повышается прочность и усталостная выносливость клапанных втулок, обеспечивается "мягкая" и бесшумная работа клапанной пары.
Такое выполнение осциллятора обеспечивает демпфирование нагрузок, действующих на механизм привода клапанов вследствие того, что внутренний профиль проточного канала дроссельной втулки подвижного клапанного элемента выполнен с критическим сечением на выходе (в форме конфузора), при протекании потока текучей среды через канал подвижной дроссельной на выходе из канала скорость потока увеличивается, вследствие этого давление текучей среды падает (из уравнения Бернулли), на выходе проточного канала подвижной дроссельной втулки образуется зона пониженного давления, создается перепад давления, который действует на дроссельную втулку, установленную на трубчатом хвостовике клапанного элемента с возможностью вращения и продольного перемещения, и стремится переместить дроссельную втулку в направлении к торцу неподвижной втулки.
Действие потока текучей среды, протекающего из скрепленной с плунжерным модулем дроссельной втулки с проточным каналом, внутренний профиль которого выполнен с критическим сечением на выходе (в форме конфузора) внутри плунжерного модуля, включающего закрепленную внутри него обкладку из эластомера и установленный на трубчатом хвостовике подвижного клапанного элемента, размещенного на входе в двигатель и скрепленного с ротором двигателя, в частично перекрытом положении расходного сечения клапана направлено в противоположном направлении - против потока текучей среды (ротор неподвижно удерживается в продольном направлении трансмиссионным валом и полым валом радиально-упорной опоры вращения) и стремится переместить плунжерный модуль и скрепленную с ним дроссельную втулку в направлении против потока.
Действие потока текучей среды, протекающего из скрепленной с корпусом дроссельной втулки с проточным каналом, внутренний профиль которого выполнен в форме диффузора, способствует уменьшению скорости потока, при этом давление возрастает, образуется зона повышенного давления на выходе из канала (определяется из уравнения Бернулли), по существу, способствует созданию статического перепада давления текучей среды в направлении против потока текучей среды.
При планетарном вращении ротора двигателя, скрепленного с ним плунжерного модуля и дроссельной втулки указанные выше процессы циклически повторяются, а между торцами клапанных втулок образуется демпфирующий слой текучей среды, предохраняющий торцы клапанных втулок от ударов, износа и разрушения (выкрашивания).
Выполнение осциллятора бурильной колонны таким образом, что максимальный зазор между торцом скрепленной с плунжерным модулем дроссельной втулки и торцом второй неподвижной втулки равен удвоенной величине эксцентриситета центральной продольной оси ротора относительно центральной продольной оси обкладки из эластомера, повышает энергетические характеристики пульсирующего давления текучей среды и механическую мощность генератора гидромеханических импульсов с заданной частотой и амплитудой колебаний бурильной колонны при меньших потерях давления.
Выполнение осциллятора бурильной колонны таким образом, что верхний по потоку край оправки в генераторе гидромеханических импульсов выполнен с поясом пониженной жесткости, характеризующимся выполнением стенки оправки уменьшенной толщиной и уменьшенным наружным диаметром, образующим упорный торец с возможностью захвата и удержания бурильной колонны, предотвращает повреждение осциллятора, по существу - оправки, наружная поверхность которой имеет покрытие из твердого сплава, хомутами (слайдерами) или кулачками элеватора буровой установки при спуске и подъеме бурильной колонны из скважины.
Ниже представлен осциллятор ОС-172РС.840 для бурильной колонны.
На фиг. 1 изображен осциллятор для создания гидромеханических импульсов, воздействующих на бурильную колонну в скважине.
На фиг. 2 изображен элемент I на фиг. 1 плунжерного модуля и клапана, ось проточного канала дроссельной втулки смещена относительно оси обкладки из эластомера, максимальный зазор в клапанной паре, соосное расположение осей проточного канала неподвижной втулки и обкладки из эластомера.
На фиг. 3 изображен элемент I на фиг. 1 плунжерного модуля и клапана, ось проточного канала дроссельной втулки смещена относительно оси обкладки из эластомера, соосное расположение осей проточного канала неподвижной втулки и обкладки из эластомера, уменьшенное проходное сечение клапана.
На фиг. 4 изображен элемент I на фиг. 1 плунжерного модуля и клапана, соосное расположение осей проточного канала дроссельной и неподвижной втулок, максимальное проходное сечение клапана.
На фиг. 5 изображен элемент I на фиг. 1 плунжерного модуля и клапанного механизма, оси проточных каналов дроссельной и неподвижной втулок смещены относительно центральной продольной оси обкладки из эластомера, минимальное проходное сечение клапана.
На фиг. 6 изображен разрез А-А на фиг. 3 поперек плунжерного модуля внутри корпуса осциллятора.
На фиг. 7 изображен героторный винтовой гидравлический двигатель, приводящий во вращение клапанный механизм осциллятора.
На фиг. 8 изображен поперечный разрез Б-Б на фиг. 7 героторного винтового гидравлического двигателя.
На фиг. 9 изображен элемент II на фиг. 1: концевая часть трансмиссионного вала, образующая с резьбовым переходником шарнирный механизм с возможностью восприятия растягивающих нагрузок.
На фиг. 10 изображен элемент III на фиг. 1: радиально-упорная опора вращения.
На фиг. 11 изображен генератор гидромеханических импульсов.
На фиг. 12 изображен разрез В-В на фиг. 11 поперек шлицевого соединения между корпусом и оправкой в генераторе гидромеханических импульсов.
На фиг. 13 изображен разрез Г-Г на фиг. 11 поперек разъемного кольца, установленного в кольцевой канавке между торцами шлицов оправки в генераторе гидромеханических импульсов.
3
Осциллятор для бурильной колонны содержит героторный винтовой гидравлический двигатель 1, включающий трубчатый статор 2 с закрепленной в нем обкладкой 3 из эластомера, например, из резины марки R1 (DE), с внутренними винтовыми (многозаходными) зубьями 4 и расположенный внутри обкладки 3 из эластомера в трубчатом статоре 2, ротор 5 с наружными винтовыми (многозаходными) зубьями 6, вращение ротора 5 осуществляется насосной подачей текучей среды 7 - бурового раствора, который имеет плотность до 1500 кг/м, содержит до 2% песка и до 5% нефтепродуктов, под давлением, например, 25÷35 МПа, число зубьев 6 ротора 5 на единицу меньше числа зубьев 4 обкладки 3 из эластомера в статоре 2, ход 8, Т внутренних винтовых зубьев 4 в обкладке 3 из эластомера в статоре 2 и ход 9, Т1 наружных винтовых зубьев 6 ротора 2 пропорциональны их числам зубьев, а центральная продольная ось 10 ротора 5 и центральная продольная ось 11 обкладки 3 из эластомера в статоре 2 смещены между собой на величину эксцентриситета 12, е, при этом число заходов, по существу, отношение числа зубьев 6 ротора 5 к числу зубьев 4 обкладки 3 из эластомера составляет 4/5, изображено на фиг. 1, 7, 8.
z
z
Ход 8, Т винтовой линии внутренних винтовых зубьев 4 обкладки 3 из эластомера в статоре 2 (или шаг P каждого винтового зуба 4) и ход 9, Т1 наружных винтовых зубьев 6 ротора 2 (или шаг P каждого винтового зуба 6) равен расстоянию по сосной поверхности между двумя положениями точки, образующей линию винтового зуба, соответствующими ее полному обороту вокруг оси зубчатого колеса, например, вокруг центральной продольной оси 11 обкладки 3 из эластомера, закрепленной в статоре 2, или вокруг центральной продольной оси 10 ротора 5, показано, например, в ГОСТ 16530-83, стр. 17, а также изображено на фиг. 7, 8.
Осциллятор для бурильной колонны содержит клапан 13, включающий подвижный клапанный элемент 14 и неподвижный клапанный элемент 15, подвижный клапанный элемент 14 снабжен установленной в нем первой клапанной пластиной 16, а неподвижный клапанный элемент 15 снабжен установленной в нем второй клапанной пластиной (втулкой) 17, причем неподвижный клапанный элемент 15 с установленной в нем второй клапанной пластиной (втулкой) 17 образует клапанное отверстие 18 и имеет продольную ось 19, подвижный клапанный элемент 14 скреплен с ротором 5 при помощи резьбы 20 с заданным моментом затяжки и выполнен с возможностью перемещения в поперечном направлении 21 при планетарном вращении винтового ротора 5 относительно винтовых зубьев 4 обкладки 3 из эластомера в статоре 2 и одновременном вращении упомянутого ротора 5 вокруг собственной продольной оси 10 в направлении, противоположном направлению планетарного вращения, а также скрепленного резьбой 20 с ротором 5 подвижного клапанного элемента 14 относительно неподвижного клапанного элемента 15, при эксплуатации клапанные элементы 14 и 15 взаимодействуют, совместно образуя переменное проходное сечение 22 для текучей среды 7 через клапан 13, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.
Осциллятор содержит плунжерный модуль 23, размещенный между подвижным клапанным элементом 14 и клапанной парой: 16 и 17, образующей при эксплуатации переменное проходное сечение 22 для текучей среды 7 через клапан 13, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.
Первый клапанный элемент 14, жестко скрепленный с ротором 5 при помощи резьбы 20, снабжен трубчатым хвостовиком 24, направленным к клапану 13, внутренняя полость 25 трубчатого хвостовика 24 первого клапанного элемента 14 выполнена с возможностью сообщения при помощи отверстий 26 с потоком текучей среды 7 на выходе 27 из героторного винтового гидравлического двигателя 1 и образования проточного канала 28 через внутреннюю полость 25 трубчатого хвостовика 24 к клапану 13, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.
Плунжерный модуль 23 содержит закрепленную внутри него обкладку 29 из упруго-эластичного материала, например, из резины марки R1 (DE), установлен на трубчатом хвостовике 24 первого клапанного элемента 14 с возможностью вращения относительно наружного пояса 30 трубчатого хвостовика 24 первого клапанного элемента 14 и продольного перемещения относительно наружного пояса 30 трубчатого хвостовика 24 первого клапанного элемента 14, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.
Первый клапанный элемент 16 выполнен в виде жестко скрепленной (прессовой посадкой) с плунжерным модулем 23 дроссельной втулки 31 (из карбида вольфрама) с проточным каналом 32, профиль которого выполнен конфузорным, по существу, с критическим сечением 33 на выходе, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.
Максимальное смещение 34 центральной продольной оси 35 проточного канала 32 дроссельной втулки 31 относительно центральной продольной оси 11 обкладки 3 из эластомера в статоре 2 равно удвоенной величине эксцентриситета 12, е центральной продольной оси 10 ротора 5 относительно центральной продольной оси 11 обкладки 3 из эластомера в статоре 2 гидравлического двигателя 1, изображено на фиг. 2, 3, 8.
Радиально-упорная опора 36 вращения предназначена для удержания ротора 5 с наружными винтовыми зубьями 6 гидравлического двигателя 1 в продольном направлении (от действия осевой нагрузки, направленной по потоку текучей среды 7) трансмиссионным валом 37 (для разгрузки клапана 13 от продольных перемещений и веса ротора 5) и содержит полый вал 38, установленный в упорно-радиальном многорядном подшипнике 39, а также в верхней и нижней идентичных радиальных опорах скольжения 40, состоящих, каждая, из наружной втулки 41, размещенной в корпусе 43 радиально-упорной опоры 36 вращения, и внутренней втулки 42, установленной на полом валу 38, изображено на фиг. 1, 9, 10.
Наружная и внутренняя втулки, соответственно, 41, 42 в верхней и нижней радиальных опорах скольжения 40, выполнены, каждая, в виде единой конструкции с пластинами 44 из твердого сплава (из карбида вольфрама), при этом пластины 44 скреплены между собой пропиткой твердого сплава компонентами связки-припоя, а расплавленный порошок связки-припоя для крепления пластин 44 из твердого сплава содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %: Ni 32÷47, Fe 2, Cr 7÷14, Si 2, WC остальное, изображено на фиг. 1, 10.
Радиально-упорная опора 36 вращения содержит резьбовой переходник 45, размещенный между входной частью 46 ротора 5 гидравлического двигателя 1 и полым валом 38 радиально-упорной опоры вращения 36, при этом переходник 45 жестко скреплен с полым валом 38 радиально-упорной опоры вращения 36 резьбой 47, а в переходнике 45 выполнены каналы 48 для направления потока текучей среды 7 из полого вала 38 на вход 46 гидравлического двигателя 1, изображено на фиг. 1, 9, 10.
Осциллятор содержит генератор 49 гидромеханических импульсов, расположенный выше по потоку 7 текучей среды от радиально-упорной опоры 36 вращения, и включает корпус 50, выполненный из наружных трубчатых элементов 51, 52, 53, размещенную внутри корпуса 50 оправку 54, выполненную из внутренних трубчатых элементов 55, 56, телескопически соединенных между собой, а также элементы для передачи вращающего момента бурильной колонны - внутренние шлицы 57 внутри наружного трубчатого элемента 51 корпуса 50 и соответствующие им наружные шлицы 58 на внутреннем трубчатом элементе 55 оправки 54 между корпусом 50 и оправкой 54 при продольном перемещении относительно друг друга, изображено на фиг. 1, 11, 12.
3
В верхней части внутреннего трубчатого элемента 55 выполнена внутренняя резьба 59, предназначенная для соединения с низом верхней части бурильной колонны (не показанной), внутренние трубчатые элементы 55 и 56 скреплены резьбой 60, наружные трубчатые элементы 51 и 52 скреплены резьбой 61, наружные трубчатые элементы 52 и 53 скреплены резьбой 62, в нижней части наружного трубчатого элемента 53 выполнена внутренняя резьба 63, при этом через оправку 54 прокачивается буровой раствор 7, например, полимер - глинистый, содержащий абразивные частицы, например, до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов плотностью 1,16÷1,26 г/см, при гидростатическом давлении, например, 25÷35 МПа, изображено на фиг. 1, 11, 12.
Генератор 49 гидромеханических импульсов содержит пружинный модуль 64 (тарельчатые пружины) между корпусом 50 (наружными трубчатыми элементами 51, 52, 53) и оправкой 54 (внутренними трубчатыми элементами 55, 56), упорную втулку 65 между верхним упорным торцом 66 корпуса 50 (наружного трубчатого элемента 51) и пружинным модулем 64, изображено на фиг. 1, 11,12.
Генератор 49 гидромеханических импульсов содержит верхний упорный торец 67 шлицов 58 оправки 54 (внутреннего трубчатого элемента 55) и нижний упорный торец 68 корпуса 50 (наружного трубчатого элемента 53), одновременно зацепляющие и нагружающие пружинный модуль 64 при продольном сжатии корпуса 50 и оправки 54 относительно друг друга, изображено на фиг. 1, 11, 12.
Генератор 49 гидромеханических импульсов содержит верхний упорный торец 69 корпуса 50 (наружного трубчатого элемента 51) и нижний упорный торец 70 оправки 54 (внутреннего трубчатого элемента 53), одновременно зацепляющие и нагружающие пружинный модуль 64 (тарельчатые пружины) через упорную втулку 65 между верхним упорным торцом 69 корпуса 50 (наружного трубчатого элемента 51) и пружинным модулем 64 при растяжении корпуса 50 и оправки 54 относительно друг друга, изображено на фиг. 1, 11, 12.
Генератор 49 гидромеханических импульсов содержит кольцевой поршень 71 с уплотнениями 72 на его наружной поверхности 73, установленный внутри корпуса 50 (наружного трубчатого элемента 53), изображено на фиг. 1, 11, 12.
Генератор 49 гидромеханических импульсов содержит уплотнения 74 в верхней части 75 между корпусом 50 и оправкой 54 и камеру 76 для рабочей жидкости-масла, например, Mobilube I SHC 75W-90, ограниченную уплотнениями 74 в верхней части 75 корпуса 50 и уплотнениями 72 кольцевого поршня 71 между корпусом 50 и оправкой 54, изображено на фиг. 1, 11, 12.
В генераторе 49 гидромеханических импульсов привод для передачи вращающего момента между оправкой 54 и корпусом 50 (для вращения бурильной колонны) при продольном перемещении относительно друг друга, по существу, элементы для передачи вращающего момента: наружные шлицы 58 части 55 оправки 54 и внутренние шлицы 57 верхней части 51 корпуса 50, снабжен ударным кольцом 77, установленным во внутреннем трубчатом элементе 55 оправки 54 с возможностью продольного перемещения оправки 54 с ударным кольцом 77 внутри упорной втулки 65, при этом ударное кольцо 77 выполнено разъемным в меридианном направлении 78, состоит из двух частей 79, 80 и установлено в кольцевой канавке между торцами 81 и 82 наружных шлицов 58 внутреннего трубчатого элемента 55 оправки 54, изображено на фиг. 1, 11, 12, 13.
Трансмиссионный вал 37 снабжен наружным кольцевым буртом 83 на его концевой части 84, направленной к резьбовому переходнику 45, жестко скрепленному с полым валом 38 радиально-упорной опоры 36 вращения резьбой 47, резьбовой переходник 45 снабжен трубчатым хвостовиком 85, направленным к ротору 5 гидравлического двигателя 1 и охватывающим наружный кольцевой бурт 83 на концевой части 84 трансмиссионного вала 37, между трубчатым хвостовиком 85 резьбового переходника 45 и концевой частью 84 трансмиссионного вала 37 размещен ряд шариков 86, установленных одной стороной в полусферических впадинах 87 на концевой части 84 трансмиссионного вала 37, другой стороной - в продольных полуцилиндрических пазах 88 трубчатого хвостовика 85 резьбового переходника 45, а ряд шариков 86 образует между концевой частью 84 трансмиссионного вала 37 и резьбовым переходником 45 шарнирный механизм 89, изображено на фиг. 1, 9.
На концевой части 84 трансмиссионного вала 37, снабженного наружным кольцевым буртом 83, установлены кольца 90, 91 со сферической опорной поверхностью, соответственно, 92 (наружной) и 93 (внутренней), взаимодействующие сферическими поверхностями, соответственно, 92 и 93 друг с другом, примыкающие к наружному кольцевому бурту 83 на концевой части 84 трансмиссионного вала 37 со стороны 94 (торца 94) наружного кольцевого бурта 83, направленной к ротору 5 гидравлического двигателя 1, а внутри трубчатого хвостовика 85 резьбового переходника 45 закреплена резьбовая втулка 95, скрепленная резьбой 96 с трубчатым хвостовиком 85 резьбового переходника 45, примыкающая к кольцам 90, 91 со сферической опорной поверхностью, соответственно, 92 и 93 с возможностью восприятия растягивающих нагрузок, действующих на трансмиссионный вал 37, скрепленный общей резьбой 97 с входной частью 46 ротора 5 гидравлического двигателя 1, изображено на фиг. 1, 7, 8, 9.
Кроме того, внутри резьбовой втулки 95 установлено кольцо 98, примыкающее к кольцам 90, 91 со сферической опорной поверхностью, соответственно, 92 и 93, при этом на трансмиссионном валу 37 установлен кожух 99 из эластомерного материала, закрепленный хомутом 100, при этом внутри резьбового переходника 45 также размещены: поз.101 - опорная пята, поз.102 - опорный подшипник, примыкающие к концевой части 84 трансмиссионного вала 37, а поз.103 - резьбовая пробка в резьбовом отверстии резьбового переходника 45, предназначенном для консистентной смазки, изображено на фиг. 1, 9.
Кроме того, поз.104 - корпус (внутри которого размещен торсионный вал 37), скрепленный резьбой 105 с корпусом 43 радиально-упорной опоры 36 вращения, а также скрепленный резьбой 106 с трубчатым статором 2 гидравлического двигателя 1, изображено на фиг. 1, 7, 9.
Кроме того, поз.107 - корпус (внутри которого размещен клапан 13 и плунжерный модуль 23), скрепленный резьбой 108 с трубчатым статором 2 гидравлического двигателя 1, а также скрепленный резьбой 109 с корпусным переходником 110, при этом в нижней части корпусного переходника 110 выполнена наружная резьба 111, предназначенная для скрепления с верхом нижней части бурильной колонны (не показанной), изображено на фиг. 1, 3,4,5,7.
Кольцевой поршень 71 с уплотнениями 72 на его наружной поверхности 73, размещенный внутри корпуса 50 (наружного трубчатого элемента 53) в генераторе 49 гидромеханических импульсов с возможностью скольжения относительно внутренней поверхности 112 наружного трубчатого элемента 53 корпуса 50, жестко скреплен резьбой 113 с оправкой 54 (внутренним трубчатым элементом 56) и отделяет камеру 76 для рабочей жидкости-масла, например, Mobilube I SHC 75W-90, ограниченную уплотнениями 74 в верхней части 75 корпуса 50 и уплотнениями 72 кольцевого поршня 71 между корпусом 50 и оправкой 54, от внутренней полости оправки 54 и корпуса 50, по существу - от внутренней полости бурильной колонны, через которую прокачивается буровой раствор 7 при гидростатическом давлении, например, 25÷35 МПа, что способствует растяжению корпуса 50 и оправки 54 относительно друг друга с возможностью реагирования на пульсацию давления текучей среды 7, прокачиваемой по бурильной колонне, изображено на фиг. 1, 11.
Площадь 114, F минимального проходного сечения для текучей среды 7 через клапан 13, образованного взаимодействующими клапанными элементами: дроссельной втулкой 31 и второй клапанной пластиной 17 (втулкой), образующей клапанное отверстие 18, и площадь 115, К критического сечения проточного канала 32 на выходе дроссельной втулки 31, скрепленной с плунжерным модулем 14, связаны соотношением: F=(0,22÷0,55)K, изображено на фиг. 3, 4, 5, 6.
Площадь 115, К критического сечения проточного канала 32 на выходе дроссельной втулки 31, скрепленной с плунжерным модулем 14, и площадь 116, S входного сечения проточного канала 32 дроссельной втулки 31, скрепленной с плунжерным модулем 14, связаны соотношением: K=(0,22÷0,55)S, при этом неподвижный второй клапанный элемент 17 выполнен идентичным дроссельной втулке 31 и оппозитно расположен относительно дроссельной втулки 31 с возможностью образования проточного канала 18, профиль которого выполнен в форме диффузора, изображено на фиг. 3, 4, 5, 6.
Максимальный осевой зазор (люфт) 117 между торцом 118 дроссельной втулки 31, скрепленной с плунжерным модулем 23, и торцом 119 второй, неподвижной втулки 17, закрепленной во втором клапанном элементе 15, равен удвоенной величине эксцентриситета 12, е центральной продольной оси 10 ротора 5 относительно центральной продольной оси 11 обкладки 3 из эластомера в статоре 2 гидравлического двигателя 1, при этом наружный пояс 30 трубчатого хвостовика 24 первого клапанного элемента 14, проточный канал 28 для текучей среды 7 через внутреннюю полость 25 трубчатого хвостовика 24 к клапану 13 и проточный канал 32 дроссельной втулки 31 (из карбида вольфрама), профиль которого выполнен конфузорным, по существу, с критическим сечением 33 на выходе, скрепленной с плунжерным модулем 14, расположены соосно между собой, изображено на фиг. 2, 3, 4, 6.
Верхний по потоку 7 край 120 оправки 54 в генераторе 49 гидромеханических импульсов выполнен с поясом 121 пониженной жесткости, характеризующимся выполнением стенки 122 оправки 54 уменьшенной толщиной 123 и уменьшенным наружным диаметром 124, образующим упорный торец 125 с возможностью захвата и подъема бурильной колонны из скважины (не показанной), изображено на фиг. 1,11.
В компоновке низа бурильной колонны (КНБК) используют гидравлические двигатели и ясы (патенты RU 2515627, RU 2689014, RU 2745677, RU 2439284, ООО "Фирма "Радиус-Сервис), а также осциллятор ОС-172РС.840 бурильной колонны для проходки скважин, например, имеющих наклонно-направленный интервал до 3500 м и горизонтальный интервал до 2500 м.
Осциллятор размещают в бурильной колонне над гидравлическим ясом и утяжеленными бурильными трубами, при этом в КНБК устанавливают гидравлический двигатель Д-172РС с регулятором угла перекоса и долотом, а также скважинные модули телеметрической системы-модули измерения (MWD) и каротажа (LWD).
Проходку скважины осуществляют вращением бурильной колонны ротором бурового станка 5000ЭУ с частотой вращения 20÷30 об/мин при работе гидравлического двигателя, вращающего долото, при этом поток бурового раствора 7 обеспечивает промывку забоя скважины и вынос на поверхность выбуриваемой породы.
3
Осциллятор работает следующим образом: поток бурового раствора 7, содержащего твердые абразивные частицы, например, до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов полимер - глинистого бурового раствора плотностью 1,16÷1,26 г/см, прокачивают насосом буровой установки при гидростатическом давлении, например, 25÷35 МПа, через колонну бурильных труб.
Поток бурового раствора 7 проходит через множество винтовых камер между наружными винтовыми зубьями 6 ротора 5 и внутренними винтовыми зубьями 4 обкладки 3 из эластомера, закрепленной в статоре 2, образует область высокого давления и момент от гидравлических сил, который приводит в планетарно-роторное вращение ротор 5 внутри обкладки 3 из эластомера, закрепленной в статоре 2, при этом винтовые камеры между винтовыми зубьями ротора 5 и винтовыми зубьями эластомерной обкладки 3 имеют переменный объем и периодически перемещаются по потоку бурового раствора 7, изображено на фиг. 1, 3, 4.
Планетарно-роторное вращение винтового ротора 5 внутри обкладки 3 из эластомера, закрепленной в статоре 2, передает вращающий момент (в противоположном направлении) через первый клапанный элемент 14, жестко скрепленный с ротором 5 при помощи резьбы 20, причем первый клапанный элемент 14 снабжен трубчатым хвостовиком 24, направленным к клапану 13, внутренняя полость 25 трубчатого хвостовика 24 первого клапанного элемента 14 выполнена с возможностью сообщения при помощи отверстий 26 с потоком текучей среды 7 на выходе 27 из героторного винтового гидравлического двигателя 1 и образования проточного канала 28 через внутреннюю полость 25 трубчатого хвостовика 24 к клапану 13, плунжерный модуль 23 содержит закрепленную внутри него обкладку 29 из упруго-эластичного материала, установлен на трубчатом хвостовике 24 первого клапанного элемента 14 с возможностью вращения относительно наружного пояса 30 трубчатого хвостовика 24 первого клапанного элемента 14 и продольного перемещения относительно наружного пояса 30 трубчатого хвостовика 24 первого клапанного элемента 14, а первый клапанный элемент 16 выполнен в виде жестко скрепленной с плунжерным модулем 23 дроссельной втулки 31 с проточным каналом 32, профиль которого выполнен конфузорным, по существу, с критическим сечением 33 на выходе, совместно образуя переменное проходное сечение 22 для текучей среды 7 - бурового раствора через клапан 13, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 6.
Изменение переменного проходного сечения 22 для текучей среды 7 -бурового раствора 7 через плунжерный модуль 23 и клапан 13 создает пульсацию давления в текучей среде - буровом растворе 7, действие которой передается на кольцевой поршень 71 с уплотнениями 72 на его наружной поверхности 73, размещенный внутри корпуса 50 (наружного трубчатого элемента 53) в генераторе 49 гидромеханических импульсов с возможностью скольжения относительно внутренней поверхности 112 наружного трубчатого элемента 53 корпуса 50, при этом кольцевой поршень 71 жестко скреплен резьбой 113 с оправкой 54 (внутренним трубчатым элементом 56) и отделяет камеру 76 для рабочей жидкости-масла, например, Mobilube I SHC 75W-90, ограниченную уплотнениями 74 в верхней части 75 корпуса 50 и уплотнениями 72 кольцевого поршня 71 между корпусом 50 и оправкой 54, от внутренней полости оправки 54 и корпуса 50, по существу - от внутренней полости бурильной колонны, через которую прокачивается буровой раствор 7 при гидростатическом давлении, например, 25÷35 МПа, что способствует растяжению корпуса 50 и оправки 54 относительно друг друга с возможностью реагирования на пульсацию давления текучей среды 7, прокачиваемой по бурильной колонне, изображено на фиг. 1, 11.
Такое выполнение осциллятора обеспечивает расчетные перепады давления в клапане 13 и энергетические характеристики пульсирующего давления текучей среды 7 при меньшем уровне потерь давления, рабочий диапазон частоты колебаний при заданном расходе текучей среды 7 (бурового раствора) и перепаде давления, а также расчетную механическую мощность генератора 49 гидромеханических импульсов.
При этом генератор 49 гидромеханических импульсов, реагирующий на давление текучей среды 7 (бурового раствора), прокачиваемого внутри оправки 54 и корпуса 50 под давлением 25÷35 МПа, возбуждает продольные циклические колебания бурильной колонны с частотой, например, 12÷27 Гц при расходе бурового раствора 45 л/с.
При выполнении осциллятора таким образом, что трансмиссионный вал 37 снабжен наружным кольцевым буртом 83 на его концевой части 84, направленной к резьбовому переходнику 45, жестко скрепленному с полым валом 38 радиально-упорной опоры 36 вращения резьбой 47, резьбовой переходник 45 снабжен трубчатым хвостовиком 85, направленным к ротору 5 гидравлического двигателя 1 и охватывающим наружный кольцевой бурт 83 на концевой части 84 трансмиссионного вала 37, между трубчатым хвостовиком 85 резьбового переходника 45 и концевой частью 84 трансмиссионного вала 37 размещен ряд шариков 86, установленных одной стороной в полусферических впадинах 87 на концевой части 84 трансмиссионного вала 37, другой стороной - в продольных полуцилиндрических пазах 88 трубчатого хвостовика 85 резьбового переходника 45, а ряд шариков 86 образует между концевой частью 84 трансмиссионного вала 37 и резьбовым переходником 45 шарнирный механизм 89, при этом на концевой части 84 трансмиссионного вала 37, снабженного наружным кольцевым буртом 83, установлены кольца 90, 91 со сферической опорной поверхностью, соответственно, 92 (наружной) и 93 (внутренней), взаимодействующие сферическими поверхностями, соответственно, 92 и 93 друг с другом, примыкающие к наружному кольцевому бурту 83 на концевой части 84 трансмиссионного вала 37 со стороны 94 (торца 94) наружного кольцевого бурта 83, направленной к ротору 5 гидравлического двигателя 1, а внутри трубчатого хвостовика 85 резьбового переходника 45 закреплена резьбовая втулка 95, скрепленная резьбой 96 с трубчатым хвостовиком 85 резьбового переходника 45, примыкающая к кольцам 90, 91 со сферической опорной поверхностью, соответственно, 92 и 93 с возможностью восприятия растягивающих нагрузок, действующих на трансмиссионный вал 37, скрепленный общей резьбой 97 с входной частью 46 ротора 5 гидравлического двигателя 1, при этом внутри резьбовой втулки 95 установлено кольцо 98, примыкающее к кольцам 90, 91 со сферической опорной поверхностью, соответственно, 92 и 93, а на трансмиссионном валу 37 установлен кожух 99 из эластомерного материала, закрепленный хомутом 100, при этом внутри резьбового переходника 45 также размещены: поз. 101 - опорная пята, поз.102 - опорный подшипник, примыкающие к концевой части 84 трансмиссионного вала 37, а поз.103 - резьбовая пробка в резьбовом отверстии резьбового переходника 45, предназначенном для консистентной смазки, повышается ресурс и надежность осциллятора, снижаются силы трения бурильной колонны о стенки скважины, уменьшаются крутильные напряжения в бурильной колонне при бурении горизонтальных интервалов наклонно-направленных скважин, предотвращается прихват бурильной колонны, повышается ресурс долота и увеличивается скорость проходки скважин.
При выполнении осциллятора таким образом, что площадь 114, F минимального проходного сечения для текучей среды 7 через клапан 13, образованного взаимодействующими клапанными элементами: дроссельной втулкой 31 и второй клапанной пластиной 17 (втулкой), образующей клапанное отверстие 18, и площадь 115, К критического сечения проточного канала 32 на выходе дроссельной втулки 31, скрепленной с плунжерным модулем 14, связаны соотношением: F=(0,22÷0,55)K, при этом площадь 115, К критического сечения проточного канала 32 на выходе дроссельной втулки 31, скрепленной с плунжерным модулем 14, и площадь 116, S входного сечения проточного канала 32 дроссельной втулки 31, скрепленной с плунжерным модулем 14, связаны соотношением: K=(0,22÷0,55)S, при этом неподвижный второй клапанный элемент 17 выполнен идентичным дроссельной втулке 31 и оппозитно расположен относительно дроссельной втулки 31 с возможностью образования проточного канала 18, профиль которого выполнен в форме диффузора, при этом максимальный осевой зазор (люфт) 117 между торцом 118 дроссельной втулки 31, скрепленной с плунжерным модулем 23, и торцом 119 второй, неподвижной втулки 17, закрепленной во втором клапанном элементе 15, равен удвоенной величине эксцентриситета 12, е центральной продольной оси 10 ротора 5 относительно центральной продольной оси 11 обкладки 3 из эластомера в статоре 2 гидравлического двигателя 1, при этом наружный пояс 30 трубчатого хвостовика 24 первого клапанного элемента 14, проточный канал 28 для текучей среды 7 через внутреннюю полость 25 трубчатого хвостовика 24 к клапану 13 и проточный канал 32 дроссельной втулки 31 (из карбида вольфрама), профиль которого выполнен конфузорным, по существу, с критическим сечением 33 на выходе, скрепленной с плунжерным модулем 14, расположены соосно между собой, образуется защитный слой текучей среды 7 между торцами 118 и 119 клапанных втулок, соответственно, 31 и 17, вследствие этого устраняются ударные нагрузки на торцы 118 и 119 клапанных втулок, соответственно, 31 и 17 из твердого сплава (из карбида вольфрама), повышается прочность и усталостная выносливость клапанных втулок 31 и 17, обеспечивается "мягкая" и бесшумная работа клапанной пары 13.
Выполнении осциллятора бурильной колонны таким образом, что верхний по потоку 7 край 120 оправки 54 в генераторе 49 гидромеханических импульсов содержит пояс 121 пониженной жесткости, характеризующий выполнением стенки 122 оправки 54 уменьшенной толщиной 123 и уменьшенным наружным диаметром 124, образующим упорный торец 125 с возможностью захвата и подъема бурильной колонны из скважины, предотвращает повреждение оправки 54 хомутами (слайдерами) или кулачками элеватора буровой установки.
Осциллятор ОС-172РС.840 соответствует требованиям настоящего технического задания (приведены в таблице 1).
Повышается ресурс и надежность осциллятора, расширяется диапазон энергетических характеристик пульсирующего давления текучей среды и механической мощности генератора гидромеханических импульсов при меньшем уровне потерь давления, снижаются силы трения бурильной колонны о стенки скважины, а также уменьшаются крутильные напряжения в бурильной колонне при бурении горизонтальных интервалов наклонно-направленных скважин, предотвращается прихват бурильной колонны, повышается ресурс долота и скорость проходки скважин.