Результат интеллектуальной деятельности: ГЕРОТОРНЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к технике для бурения нефтяных и газовых скважин, а именно к ловильным устройствам с внутренним захватом для подъема оборвавшихся по резьбе корпусов многозаходных винтовых героторных гидравлических двигателей со шпинделем и долотом, преимущественно из наклонно направленных скважин.

Известен гидравлический забойный двигатель, содержащий корпус двигателя, размещенный внутри него многозаходный винтовой героторный механизм, включающий статор и установленный внутри статора ротор, шпиндель с валом, при этом радиальная опора шпинделя размещена на выходе двигателя, а осевая опора размещена перед двигателем, ротор двигателя соединен торсионным валом с валом шпинделя, корпус двигателя снабжен резьбовым переходником для соединения с колонной бурильных труб, а также резьбовым переводником, установленным между корпусами двигателя и шпинделя [1].

В известной конструкции, при разрушении резьбового соединения между переводником и корпусом двигателя со стороны соединения с колонной бурильных труб, корпус 64 осевой опоры может выполнять функции ловильного устройства с внутренним захватом компоновки низа бурильной колонны: забойного гидравлического двигателя и корпуса шпинделя.

Недостатком известной конструкции является то, что вал шпинделя 22, 30, 34, а также долото, которое устанавливается на нем, безвозвратно теряется вследствие отсоединения конусов хвостовика 22 с валом шпинделя 34 при подъеме колонны бурильных труб, что не позволяет снижать аварийность и стоимость работ при бурении и капитальном ремонте преимущественно наклонно направленных нефтяных скважин.

Известен винтовой гидравлический двигатель, содержащий полый корпус, выполненный с обкладкой из эластомера с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, установленный внутри полого корпуса ротор с наружными винтовыми многозаходными зубьями, причем число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев статора, а также шпиндель, размещенный в корпусе шпинделя и соединенный приводным валом с ротором и долотом [2].

В известной конструкции полый корпус соединяется с колонной бурильных труб одним или несколькими резьбовыми переходниками, при этом двигатель конструктивно выполнен таким образом, что при необходимости буровой инструмент (долото) может соединяться с быстроходным валом, связанным с ротором двигателя, или с тихоходным валом, соединенным со статором двигателя, при помощи карданно-шарнирных валов, что позволяет варьировать частоту вращения долота и использовать в различных условиях бурения двигатель одного типоразмера.

Недостатком известной конструкции является невозможность подъема из скважины с колонной бурильных труб героторного гидравлического двигателя со шпинделем и долотом, большая аварийность и стоимость подъема, преимущественно из наклонно направленной скважины, при помощи карданно-шарнирного вала, который может выполнять функции ловильного устройства компоновки низа бурильной колонны: героторного гидравлического двигателя со шпинделем и долотом при разрушении резьбового соединения между переводником и полым корпусом двигателя, что увеличивает вероятность безвозвратной потери двигателя со шпинделем и долотом из-за того, что корпус двигателя при подъеме цепляется за стенки скважины, преимущественно при прохождении мест изменения кривизны в наклонно направленной скважине.

Наиболее близким к заявляемой конструкции является героторный гидравлический двигатель, содержащий полый корпус, размещенный внутри него винтовой многозаходный героторный механизм, включающий соосно расположенный статор и установленный внутри статора ротор, а также шпиндель, включающий вал шпинделя, размещенный в опорах вращения в корпусе шпинделя и соединенный на входе приводным валом с ротором, а на выходе - с долотом, причем корпуса двигателя и шпинделя соединены изогнутым переводником с резьбами на его краях [3].

Недостатком известной конструкции является невозможность подъема из наклонно направленной скважины с колонной бурильных труб героторного гидравлического двигателя со шпинделем и долотом при разрушении резьбового соединения между полым корпусом и переводником, со стороны соединения с колонной бурильных труб, что определяет безвозвратную потерю двигателя со шпинделем и долотом в скважине, не позволяет снижать аварийность и стоимость работ при бурении и капитальном ремонте нефтяных скважин.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в возможности подъема из скважины героторного гидравлического двигателя со шпинделем и долотом при разрушении резьбового соединения с корпусом двигателя, а также в сохранении прокачки рабочей жидкости с минимальными потерями давления за счет определенного соотношения между минимальными площадями опасных сечений стенок резьбового переходника со стороны его соединения с полым корпусом и (или) полого корпуса в его соединении с этим резьбовым переходником, а также стенок резьбового переходника со стороны его соединения с колонной бурильных труб и (или) бурильной трубы и (или) другого резьбового элемента, расположенного со стороны колонны бурильных труб, соединяемого с этим резьбовым переходником, а также выполнения внутреннего канала резьбового переходника с ловильным торцом, направленным к бурильной трубе, размещения внутри резьбового переходника резьбового плунжера с ловильным кольцом, скрепленного с ротором, выполнения на торце ловильного кольца, обращенном к ловильному торцу резьбового переходника, пазов с определенным соотношением проходной площади пазов ловильного кольца, при его контакте с ловильным торцом резьбового переходника, и проходной площади между внутренним каналом резьбового переходника и резьбовым плунжером в плоскости ловильного торца резьбового переходника.

Другой технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является демпфирование рабочей жидкостью поперечных резонансных колебаний корпуса двигателя при бурении скважин путем выполнения торца ловильного кольца, обращенного к ловильному торцу резьбового переходника, с пазами, а проходных площадей пазов внутреннего канала резьбового переходника с размещенным в нем резьбовым плунжером в плоскости ловильного торца резьбового переходника, а также площади живого сечения многозаходного винтового героторного механизма двигателя с определенным между собой соотношением.

Сущность технического решения заключается в том, что в героторном гидравлическом двигателе, содержащем полый корпус, размещенный внутри него многозаходный винтовой героторный механизм, включающий статор и установленный внутри статора ротор, а также шпиндель, соединенный приводным валом с ротором, а на выходе - с долотом, при этом полый корпус снабжен резьбовым переходником для соединения с колонной бурильных труб и несколькими резьбовыми переводниками, например, с изогнутой центральной осью, соединяющими полый корпус со шпинделем, согласно изобретению отношение минимальной площади опасного сечения стенок резьбового переходника со стороны его соединения с полым корпусом и (или) полого корпуса в его соединении с резьбовым переходником составляет 0,55...0,85 от минимальной площади опасного сечения стенок резьбового переходника со стороны его соединения с колонной бурильных труб и (или) бурильной трубы и (или) другого резьбового элемента, расположенного со стороны бурильных труб, соединяемого с этим резьбовым переходником, при этом внутренний канал резьбового переходника выполнен с ловильным торцом, направленным к бурильной трубе, внутри резьбового переходника размещен резьбовой плунжер, одним краем скрепленный с ротором, а на другом краю резьбового плунжера закреплено ловильное кольцо, причем диаметр ловильного кольца превышает диаметр внутреннего канала резьбового переходника в плоскости ловильного торца, а на торце ловильного кольца, обращенном к ловильному торцу резьбового переходника, выполнены пазы, при этом проходная площадь F₁ пазов, при контакте выступов ловильного кольца с ловильным торцом резьбового переходника, и проходная площадь F₂ между внутренним каналом резьбового переходника и резьбовым плунжером в плоскости ловильного торца резьбового переходника определяются из соотношения: F₁=(0,618...0,866)F₂.

Кроме того, проходная площадь F₂ между внутренним каналом резьбового переходника и резьбовым плунжером в плоскости ловильного торца резьбового переходника и (или) проходная площадь F₃ между внутренним каналом резьбового переходника и ловильным кольцом определяются из соотношения:

F₂ и (или) F₃=(1,205...1,618) F₄, где F₄ - площадь живого сечения многозаходного винтового героторного механизма.

Кроме того, ловильное кольцо соединено с резьбовым плунжером устройством передачи крутящего момента, выполненным, например, в виде многогранника или шлиц.

Выполнение героторного гидравлического двигателя таким образом, что отношение минимальной площади опасного сечения стенок резьбового переходника со стороны его соединения с полым корпусом и (или) полого корпуса в его соединении с резьбовым переходником составляет 0,55...0,85 от минимальной площади опасного сечения стенок резьбового переходника со стороны его соединения с колонной бурильных труб и (или) бурильной трубы и (или) другого резьбового элемента, расположенного со стороны бурильных труб, соединяемого с этим резьбовым переходником, предполагает разрушение резьбового соединения в компоновке низа бурильной колонны, по существу, в соединении полого корпуса и (или) резьбового переводника по минимальной площади опасного сечения их стенок.

Подъем и опускание бурильной колонны производится, по существу, с ее прерывистым вращением, со скоростью, например, от 0 до 40 об/мин. При разрушении резьбового соединения между полым корпусом и переводником со стороны колонны бурильных труб обеспечивается безаварийная возможность подъема из наклонно направленной скважины, с колонной бурильных труб, героторного гидравлического двигателя со шпинделем и долотом, за счет того что внутренний канал резьбового переходника выполнен с ловильным торцом, направленным к бурильной трубе, внутри резьбового переходника размещен резьбовой плунжер, одним краем скрепленный с ротором, а на другом краю резьбового плунжера закреплено ловильное кольцо, причем диаметр ловильного кольца превышает диаметр внутреннего канала резьбового переходника в плоскости ловильного торца, а на торце ловильного кольца, обращенном к ловильному торцу резьбового переходника, выполнены пазы.

Выполнение героторного гидравлического двигателя таким образом, что проходная площадь F₁ пазов, при контакте ловильного кольца с ловильным торцом резьбового переходника, и проходная площадь F₂ между внутренним каналом резьбового переходника и резьбовым плунжером в плоскости ловильного торца резьбового переходника определяются из соотношения:

F₁=(0,618...0,866)F₂, обеспечивает демпфирование рабочей жидкостью поперечных резонансных колебаний корпуса двигателя при бурении скважин, обеспечивает прокачку рабочей жидкости с минимальными потерями давления при разрушении резьбового соединения между резьбовым переводником и полым корпусом, снижает аварийность при обрыве полого корпуса двигателя, а также уменьшает стоимость работ при бурении и капитальном ремонте наклонно направленных нефтяных скважин.

Выполнение проходной площади F₂ между внутренним каналом резьбового переходника и резьбовым плунжером в плоскости ловильного торца резьбового переходника и (или) проходной площади F₃ между внутренним каналом резьбового переходника и ловильным кольцом, которые определяются из соотношения: F₂ и (или) F₃=(1,205...1,618)F₄, где F₄ - площадь живого сечения многозаходного винтового героторного механизма, обеспечивает демпфирование рабочей жидкостью поперечных резонансных колебаний корпуса двигателя при бурении скважин, минимальные потери давления при работе винтового героторного гидравлического двигателя, снижает аварийность при обрыве полого корпуса двигателя, а также уменьшает стоимость работ при бурении и капитальном ремонте наклонно направленных нефтяных скважин.

Соединение ловильного кольца с резьбовым плунжером устройством передачи крутящего момента, выполненным, например, в виде многогранника или шлиц, повышает надежность крепления и предотвращает отворачивание резьбовой втулки.

Ниже представлен вариант выполнения героторного гидравлического двигателя УД-195РС с ловильным демпфирующим устройством.

На фиг.1 изображен героторный гидравлический двигатель с резьбовым переходником, резьбовым плунжером и ловильным кольцом.

На фиг.2 изображен героторный гидравлический двигатель со шпинделем и карданным валом.

На фиг.3 изображен разрез А-А на фиг.1 поперек резьбового переходника и резьбового плунжера.

На фиг.4 изображен разрез Б-Б на фиг.1 поперек многозаходного винтового героторного механизма.

Героторный гидравлический двигатель содержит полый корпус 1, размещенный внутри него многозаходный винтовой героторный механизм 2, включающий эластомерную обкладку статора 3 и установленный внутри обкладки статора 3 ротор 4, а также вал шпинделя 5, размещенный в опорах вращения в корпусе шпинделя 6, соединенный приводным валом 7 посредством двух карданно-шариковых узлов 8 с ротором 4, а на выходе - с долотом, на фигуре не показанным, где поз.9 показана внутренняя коническая резьба для соединения с долотом, при этом полый корпус 1 снабжен резьбовым переходником 10 для соединения с колонной бурильных труб 11, и резьбовыми кривыми переводниками, например, 12, 13, 14 с изогнутой центральной осью 15, соединяющими полый корпус 1 с корпусом шпинделя 6, показано на фиг.1, 2.

С достаточной точностью можно считать, что площадь опасного сечения резьбовых соединений труб нефтяного сортамента и забойных двигателей пропорциональна толщине стенки, равной половине разности внутреннего (или наружного) диаметра резьбы в опасном сечении и внутреннего (или наружного) диаметра трубы, показано, например [4].

Отношение минимальной площади 16 опасного сечения стенок резьбового переходника 10 со стороны его соединения с полым корпусом 1 и (или) полого корпуса 1 в его соединении с этим резьбовым переходником 10 составляет 0,55...0,85 от минимальной площади 17 опасного сечения стенок резьбового переходника 10 со стороны его соединения с колонной бурильных труб 11 и (или) бурильной трубы 18 и (или) другого резьбового элемента 19, расположенного со стороны колонны бурильных труб 11, соединяемого с этим резьбовым переходником 10, показано на фиг.1.

Внутренний канал 20 резьбового переходника 10 выполнен с ловильным торцом 21, направленным к бурильной трубе 18, внутри резьбового переходника 10 размещен резьбовой плунжер 22, одним краем 23 скрепленный с ротором 4, а на другом краю 24 резьбового плунжера 22 закреплено ловильное кольцо 25, торец 26 которого, при разрушении площади 16 опасного сечения стенок резьбового переходника 10 со стороны его соединения с полым корпусом 1 и при подъеме колонны бурильных труб 11 из скважины, контактирует с ловильным торцом 21, показано на фиг.1

Диаметр 27 ловильного кольца 25 превышает диаметр 28 внутреннего канала резьбового переходника 10 в плоскости ловильного торца 21, а на торце 26 ловильной опоры 25, обращенном к ловильному торцу 21 резьбового переходника 10, выполнены пазы 29, при этом проходная площадь F₁ пазов 29, при контакте торца 26 ловильного кольца 25 с ловильным торцом 21, вследствие разрушении площади 16 опасного сечения стенок резьбового переходника 10 со стороны его соединения с полым корпусом 1 и полым корпусом 1 или стенок полого корпуса 1 в этом опасном сечении 16, а также проходная площадь F₁ между внутренним каналом 28 резьбового переходника 10 и резьбовым плунжером 22 в плоскости ловильного торца 21 резьбового переходника 10 определяются из соотношения: F₁=(0,618...0,866)F₂, показано на фиг.1, 3.

Проходная площадь F₂ между внутренним каналом 28 резьбового переходника 10 и резьбовым плунжером 22 в плоскости ловильного торца 21 резьбового переходника 10 и (или) проходная площадь F₃ между внутренним каналом 20 резьбового переходника 10 и ловильным кольцом 25 определяются из соотношения: F₂ и (или) F₃=(1,205...1,618)F₄, где F₄ - площадь живого сечения многозаходного винтового героторного механизма, показано на фиг.1, 3, 4.

Ловильное кольцо 25 соединено с резьбовым плунжером 22 устройством передачи крутящего момента, выполненным в виде многогранника 30, и скреплено резьбовой втулкой 31 с хвостовиком 32 резьбового плунжера 22, показано на фиг.1.

Кроме того, на фиг.1 показано: поз.33 - направление потока рабочей жидкости (бурового раствора), а на фиг.4 показано: поз.34 - ось вращения ротора 4, поз.35 - центральная ось эластомерной обкладки 3 в корпусе 1, поз.36, е, - эксцентриситет ротора 4, установленного в эластомерной обкладке статора 3, закрепленной в полом корпусе 1.

Поток рабочей жидкости 33 под давлением, например, 7...10 МПа по колонне бурильных труб 11 подается в винтовые камеры между зубьями ротора 4 и зубьями эластомерной обкладки 3 в корпусе 1 и образует область высокого давления и момент от гидравлических сил, который приводит в планетарно-роторное вращение ротор 4 внутри эластомерной обкладки 3 полого корпуса 1.

Ротор 4, расположенный в эластомерной обкладке 3 полого корпуса 1 эксцентрично с величиной 36, е, при работе двигателя совершает планетарное движение - вращение вокруг своей оси 34 и обращение относительно оси 35 эластомерной обкладки статора 3 в полом корпусе 1 с частотой в Z_p раз больше частоты вращения вала шпинделя 5, где Z_p - число зубьев ротора 4. Винтовые камеры, определяемые площадью живого сечения F₄ между зубьями ротора 4 и зубьями эластомерной обкладки 3, имеют переменный объем и периодически перемещаются по потоку рабочей жидкости 33.

Основными причинами поперечных колебаний героторного гидравлического двигателя, соединенного с валом 5 шпинделя карданным валом 7, 8, являются инерционные силы вращающегося с высокой частотой и эксцентриситетом 36, е - массивного ротора 4 и действие больших по величине поперечных гидравлических сил (перекашивающего момента), изменяющих свое направление одновременно с вращением ротора 4.

Основная частота колебаний двигателя совпадает с частотой вращения ротора 4, по существу, всегда в Z_p раз больше частоты вращения вала 4 (ротора) двигателя. Качественных отличий характера резонансных режимов для всех типоразмеров гидравлических забойных двигателей нет.

Из результатов эксплуатации известно, что собственные частоты колебаний винтовых забойных двигателей находятся в области рабочих частот двигателя, а резонансные режимы возникают периодически при изменении (увеличении или уменьшении) осевой нагрузки (на долото) на 50...150 кН.

В процессе бурения скважин, с непрерывным контролем нагрузки на долото и механической скорости, получено, например, что при плавном увеличении или снижении нагрузки от 50 до 250 кН и обратно механическая скорость изменяется с резким чередованием экстремумов (максимумов и минимумов).

Амплитуда колебаний корпуса винтового забойного двигателя в режиме поперечных резонансных колебаний ротора винтового забойного двигателя увеличивается многократно, при этом многократно увеличиваются потери мощности двигателя на поперечные колебания, а также многократно снижается механическая скорость проходки скважины.

При работе двигателя УД-195РС при расходе промывочной жидкости 30 л/с и дифференциальном перепаде давления (разности между перепадами давления "долото над забоем - долото под нагрузкой") 100 кг/см² частота вращения вала шпинделя 4 составляет 240 об/мин, момент силы на валу шпинделя 4 составляет 10...12 кН·м, а резонансные режимы возникают при осевых нагрузках на долото 60, 110, 205 и 250 кН.

Выполнение героторного гидравлического двигателя таким образом, что проходная площадь F₁ пазов, при контакте выступов ловильного кольца с ловильным торцом резьбового переходника, и проходная площадь F₂ между внутренним каналом резьбового переходника и резьбовым плунжером в плоскости ловильного торца резьбового переходника определяются из соотношения: F₁=(0,618...0,866)F₂, при этом проходная площадь F₂ между внутренним каналом резьбового переходника и резьбовым плунжером в плоскости ловильного торца резьбового переходника и (или) проходная площадь F₃ между внутренним каналом резьбового переходника и ловильным кольцом определяются из соотношения: F₂ и (или) F₃=(1,205...1,618)F₄, где F₄ - площадь живого сечения многозаходного винтового героторного механизма, обеспечивает уменьшение амплитуды колебаний корпуса 1 двигателя в условиях резонанса.

Например, в режиме максимальной мощности частота вращения вала 5 шпинделя, с^-1=1,4...2; момент силы на выходном валу, кН·м=10...12; перепад давления, МПа=8...11; мощность, кВт=150; осевая нагрузка, кН=250, а при достижении частоты колебаний ω=70 рад/с возникает режим резонанса.

При этом амплитуда колебаний корпуса 1 составляет ≈0,33 мм, а до использования в героторном гидравлическом двигателе резьбового переходника резьбового плунжера с ловильным демпфирующим кольцом амплитуда колебаний составляла, по существу, ≈1,7 мм.

При бурении наклонно направленной скважины углы перекоса изогнутых переводников 12, 13, 14 могут достигать 5°, а подъем и опускание бурильной колонны производится, по существу, с ее прерывистым вращением, со скоростью, например, от 0 до 40 об/мин.

При больших углах отклонения наклонно направленной скважины происходит разрыв площади 16 опасного сечения стенок резьбового переходника 10 со стороны его соединения с полым корпусом 1 и (или) полого корпуса 1 в его соединении с этим резьбовым переходником 10, а корпус 1 с ротором 4, корпусом 6 шпинделя, валом 5 шпинделя и долотом остается в скважине. При этом сохраняется прокачка рабочей жидкости с минимальными потерями давления.

При этом торец 26 ловильного кольца 25 при подъеме колонны бурильных труб 11 упирается в ловильный торец 21 резьбового переходника 10 и удерживает ротор 4, корпус 1, корпус 6 шпинделя, вал 5 шпинделя и долото.

Героторный гидравлический двигатель с ловильным демпфирующим устройством обеспечивает демпфирование рабочей жидкостью поперечных резонансных колебаний корпуса двигателя при бурении скважин, а при разрушении резьбового соединения с корпусом двигателя обеспечивает прокачку рабочей жидкости с минимальными потерями давления и возможность подъема из скважины двигателя со шпинделем и долотом.

Источники информации

1. US 5269383, Е 21 В 4/02, Е 21 В 7/04, Dec. 14.1993.

2. US 4011917, Е 21 В 3/12, Mar. 5.1977.

3. RU 2162132, Е 21 В 4/02, Е 21 В 7/08, 13.04.1999 - прототип.

4. Щербюк Н.Д., Якубовский Н.В. Резьбовые соединения труб нефтяного сортамента и забойных двигателей. М.: Недра, 1974, с.160.