RU86218U1

RU86218U1 - TURBODRILL

Info

Publication number: RU86218U1
Application number: RU2009116599/22U
Authority: RU
Inventors: Эрнст Николаевич Крутик
Original assignee: Закрытое акционерное общество "ГИДРОБУР-СЕРВИС"
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2009-08-27

Abstract

Турбобур, содержащий, по меньшей мере, одну турбинную секцию, включающую полый корпус и размещенные в нем вал с комплектами турбин и радиальных опор, шпиндель с осевыми и радиальными опорами, установленными на его валу и размещенными в корпусе шпинделя, отклоняющее устройство, соединяющее корпуса турбинной секции и шпинделя, и шарнирное устройство, соединяющее валы турбинной секции и шпинделя, отличающийся тем, что шарнирное устройство выполнено в виде одного герметичного шарнира, центр вращения которого размещен на пересечении продольных осей турбинных и шпиндельных секций, при этом шарнир закреплен на валу шпинделя и соединен с валом секции с помощью конусно-шлицевой полумуфты, а отклоняющее устройство выполнено с регулируемым углом искривления, плоскость искривления которого проходит через точку пересечения осей валов шпинделя и турбинных секций.A turbo-drill containing at least one turbine section, including a hollow body and a shaft located therein with sets of turbines and radial bearings, a spindle with axial and radial bearings mounted on its shaft and placed in the spindle housing, a deflecting device connecting the turbine housing section and spindle, and a hinge device connecting the shafts of the turbine section and spindle, characterized in that the hinge device is made in the form of one sealed hinge, the center of rotation of which is located at the intersection of the longitudinal axes of the turbine and spindle sections, while the hinge is mounted on the spindle shaft and connected to the section shaft using a conical-splined half coupling, and the deflecting device is made with an adjustable angle of curvature, the curvature plane of which passes through the intersection point of the axes of the spindle shafts and turbine sections.

Description

Полезная модель относится к гидравлическим буровым забойным двигателям, в частности, к турбобурам, предназначенным для привода вращения породоразрушающего инструмента в процессе бурения прямых и искривленных участков скважин.The invention relates to hydraulic downhole drilling motors, in particular, to turbodrills designed to drive the rotation of a rock cutting tool during drilling of straight and curved sections of wells.

Известны турбобуры (из сборника под ред. Гусмана М.Т. «Расчет, конструирование и эксплуатация турбобуров», Москва, Недра, 1976, стр.50-59), содержащие турбинные секции и шпиндели, причем корпуса шпинделей и нижних турбинных секций соединены специальными резьбовыми элементами, а валы шпинделей и турбинных секций жестко соединены конусно-шлицевыми муфтами.Known turbodrills (from a collection edited by M. Gusman, “Calculation, Design and Operation of Turbodrills, Moscow, Nedra, 1976, pp. 50-59), containing turbine sections and spindles, and the housing of the spindles and lower turbine sections are connected by special threaded elements, and the shafts of the spindles and turbine sections are rigidly connected by conical-splined couplings.

Основным недостатком этих турбобуров является то, что они не позволяют бурить скважины по искривленной траектории. Поскольку в настоящее время более 95% скважин спроектированы с искривленной траекторией, на буровой наряду с этими турбобурами необходимо иметь еще и двигатель-отклонитель, что увеличивает стоимость бурения.The main disadvantage of these turbodrills is that they do not allow drilling wells along a curved path. Since more than 95% of the wells are currently designed with a curved path, along with these turbodrills, a baffle motor must also be present on the borehole, which increases the cost of drilling.

Известны турбобуры-отклонители (из справочника «Буровое оборудованием, Москва, Недра, т.3, 2003 г.) которые, как правило, содержат специальную турбинную секцию с подвеской вала на осевой опоре и закрепленную в нижней части вала кулачковую полумуфту, шпиндель с закрепленной на верхней части его вала кулачковой полумуфтой образующей с кулачковой полумуфтой турбинной секции шарнирную муфту. Шпиндель имеет собственную осевую опору. Корпуса турбинной секции и шпинделя соединены отклоняющим устройством - искривленным переводником с резьбой на концах, оси которых пересекаются под заранее заданным постоянным углом. Шарнирная муфта позволяет передавать крутящий момент от вала турбины на вал шпинделя без передачи осевого усилия. Угол перекоса осей может быть изменен только при замене переводника с другим углом искривления.Known turbodrills-deflectors (from the reference book “Drilling equipment, Moscow, Nedra, vol. 3, 2003) which, as a rule, contain a special turbine section with a suspension of the shaft on an axial support and a cam half coupling fixed to the lower part of the shaft, a spindle with a fixed on the upper part of its shaft, a cam coupling half forming with a cam coupling half of the turbine section an articulated coupling. The spindle has its own axial support. The housings of the turbine section and the spindle are connected by a deflecting device - a curved sub with threads at the ends whose axes intersect at a predetermined constant angle. The swivel coupling allows the transmission of torque from the turbine shaft to the spindle shaft without transmitting axial force. The skew angle of the axes can only be changed when replacing the sub with a different angle of curvature.

Указанные турбобуры-отклонители имеют ряд недостатков:These turbodrills-deflectors have several disadvantages:

во-первых, при бурении этими турбобурами искривление траектории скважин может осуществляться только с заданной «косыми переводником интенсивностью, хотя по проекту в процессе бурения может требоваться различная интенсивность набора кривизны. Для изменения интенсивности искривления или бурения прямых скважин этим турбобуром необходимо поднять инструмент, заменить турбобур на прямой или имеющий переводник с другим углом искривления. На каждой буровой необходимо иметь в наличии несколько турбобуров с различными углами;firstly, when drilling with these turbodrills, the curvature of the well trajectory can be carried out only with the intensity specified by the “oblique sub”, although according to the design, different intensities of the set of curvature may be required during the drilling process. To change the intensity of curvature or drilling direct wells with this turbodrill, it is necessary to raise the tool, replace the turbodrill with a straight one or having a sub with a different angle of curvature. At each drilling site, it is necessary to have several turbodrills with different angles;

во-вторых, наличие осевой опоры у турбинной секции, воспринимающей одностороннюю гидравлическую нагрузку на турбину, и второй осевой опоры - на валу шпинделя, воспринимающей осевую нагрузку - реакцию от забоя скважины на долото, приводит к ускоренному износу обеих осевых опор;secondly, the presence of an axial support in the turbine section, which receives a one-way hydraulic load on the turbine, and a second axial support - on the spindle shaft, which receives the axial load - the reaction from the bottom of the well on the bit, leads to accelerated wear of both axial bearings;

в-третьих, потери на трение в двух неразгруженных осевых опорах турбобура-отклонителя возрастают, поэтому меньший крутящий момент передается на долото, снижается эффективность бурения;thirdly, friction losses in two unloaded axial bearings of the turbodrill deflector increase, so less torque is transmitted to the bit, and drilling efficiency is reduced;

в-четвертых, низка износостойкость кулачковой полумуфты, работающей в потоке бурового раствора;fourthly, the low wear resistance of the cam coupling half working in the flow of the drilling fluid;

в-пятых, мощность одной секции, применяемой в турбобурах-отклонителях, недостаточна для эффективного бурения.fifthly, the power of one section used in the turbodrills-deflectors is insufficient for efficient drilling.

Эти недостатки частично устраняются в известной конструкции турбобура по патенту РФ №2232859 (опубл. 10.10.2003 г.), в которой турбобур-отклонитель содержит одну или несколько турбинных секций, шпиндель, корпус которого соединен с корпусом турбинной секции изогнутыми резьбовыми переводниками, а ротор турбины и вал шпинделя соединены приводным валом, снабженным ведущим и ведомым шарнирными узлами с осевыми опорами скольжения. Здесь устранены недостатки турбобуров-отклонителей, связанные с необходимостью установки осевой опоры вала турбинной секции, так как осевое усилие от этого вала передается через шарнирные узлы приводного вала на осевую опору вала шпинделя. Мощность, подводимая к долоту, может увеличиваться за счет использования 2-3 турбинных секций.These disadvantages are partially eliminated in the known turbo-drill design according to RF patent No. 2232859 (publ. 10.10.2003), in which the turbo-baffle contains one or more turbine sections, a spindle, the casing of which is connected to the casing of the turbine section by curved threaded adapters, and the rotor the turbines and the spindle shaft are connected by a drive shaft provided with a leading and driven hinge assemblies with axial sliding bearings. Here, the disadvantages of the turbodrills-deflectors associated with the need to install the axial support of the shaft of the turbine section are eliminated, since the axial force from this shaft is transmitted through the hinged nodes of the drive shaft to the axial support of the spindle shaft. The power supplied to the bit can increase due to the use of 2-3 turbine sections.

Основным недостатком этого турбобура является невозможность регулирования угла перекоса между осями турбинной и шпиндельной секции.The main disadvantage of this turbodrill is the inability to adjust the skew angle between the axes of the turbine and spindle sections.

Другим недостатком известной конструкции является использование двух шарнирных узлов, осевые опоры которых изнашиваются в процессе работы, что при сравнительно небольшом осевом люфте турбины существенно снижает долговечность конструкции.Another disadvantage of the known design is the use of two hinge assemblies, the axial bearings of which wear out during operation, which with a relatively small axial play of the turbine significantly reduces the durability of the structure.

Кроме того, наличие приводного вала с двумя шарнирами фактически - карданного вала, расположенного под углом к валам и турбинной секции и шпинделя, приводит к возникновению дополнительных поперечных нагрузок на радиальные опоры турбинной секции, ускоряющих износ этих опор.In addition, the presence of a drive shaft with two hinges in fact - a cardan shaft located at an angle to the shafts of both the turbine section and the spindle, leads to additional lateral loads on the radial bearings of the turbine section, accelerating the wear of these bearings.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения надежности и долговечности при упрощении конструкции и снижении себестоимости турбобура, обеспечивающего бурение как прямых, так и искривленных участков скважин.The present invention solves the problem of increasing reliability and durability while simplifying the design and reducing the cost of a turbodrill, which provides drilling of both straight and curved sections of wells.

Для достижения указанного технического результата в турбобуре, содержащем, по меньшей мере одну турбинную секцию, включающую полый корпус и размещенные в нем вал с комплектами турбин и радиальных опор, шпиндель с осевыми и радиальными опорами, установленными на его валу и размещенными в корпусе шпинделя, отклоняющее устройство соединяющее корпуса турбинной секции и шпинделя и шарнирное устройство, соединяющее валы турбинной секции и шпинделя, шарнирное устройство выполнено в виде одного герметичного шарнира, центр вращения которого размещен на пересечении продольных осей турбинных и шпиндельных секций, при этом шарнир закреплен на валу шпинделя и соединен с валом секции с помощью конусно-шлицевой полумуфты, а отклоняющее устройство выполнено с регулируемым углом искривления, плоскость искривления которого проходит через точку пересечения осей валов шпинделя и турбинных секций.To achieve the specified technical result in a turbodrill containing at least one turbine section, including a hollow body and a shaft placed therein with sets of turbines and radial bearings, a spindle with axial and radial bearings mounted on its shaft and placed in the spindle housing, deflecting a device connecting the housing of the turbine section and the spindle and a hinge device connecting the shafts of the turbine section and the spindle, the hinge device is made in the form of one sealed hinge, the center of rotation of which is placed at the intersection of the longitudinal axes of the turbine and spindle sections, the hinge mounted on the spindle shaft and connected to the section shaft using a tapered splined half coupling, and the deflecting device is made with an adjustable angle of curvature, the curvature of which passes through the point of intersection of the axes of the spindle shafts and turbine sections.

Отличительными признаками предлагаемого турбобура от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, является то, что шарнирное устройство выполнено в виде одного герметичного шарнира, центр вращения которого размещен на пересечении продольных осей турбинных и шпиндельных секций, при этом шарнир закреплен на валу шпинделя и соединен с валом секции с помощью конусно-шлицевой полумуфты, а отклоняющее устройство выполнено с регулируемым углом искривления, плоскость искривления которого проходит через точку пересечения осей валов шпинделя и турбинных секций.Distinctive features of the proposed turbodrill from the above known, closest to it, is that the hinge device is made in the form of one sealed hinge, the center of rotation of which is located at the intersection of the longitudinal axes of the turbine and spindle sections, while the hinge is mounted on the spindle shaft and connected to section shaft using a conical-splined half coupling, and the deflecting device is made with an adjustable angle of curvature, the curvature plane of which passes through the intersection point of the shaft axes spindle and turbine sections.

Благодаря наличию этих признаков, обеспечивается возможность бурения прямых и искривленных участков скважин, а исполнение шарнирного устройства в виде одного герметизируемого шарнира, установленного в точке перекоса осей турбинной секции и шпинделя (вместо двухшарнирного кардана в прототипе) позволяет передать вращение через валы с пересекающимися осями и, в тоже время максимально упростить схему, снизить затраты запчастей, уменьшить износ нижней радиальной опоры турбинной секции и осевых элементов шарнирного устройства. При этом снижается вероятность посадки роторов на статоры турбины, имеющей ограниченный осевой люфт вала.Due to the presence of these signs, it is possible to drill straight and curved sections of the wells, and the design of the hinge device in the form of one sealed hinge installed at the skew point of the axes of the turbine section and spindle (instead of the double-hinged cardan in the prototype) allows rotation to be transmitted through shafts with intersecting axes and, at the same time, simplify the scheme as much as possible, reduce spare parts costs, reduce wear of the lower radial support of the turbine section and the axial elements of the hinge device. This reduces the likelihood of landing rotors on the stators of the turbine, which has limited axial play of the shaft.

Предлагаемая конструкция иллюстрируется чертежом, на котором показан продольный разрез одного из вариантов турбобура.The proposed design is illustrated in the drawing, which shows a longitudinal section of one of the options for a turbodrill.

Турбобур содержит одну или несколько турбинных секций 1 (одна из них является нижней), шпиндель 2 и отклоняющее устройство 3. Отклоняющее устройство может быть выполнено как показано на чертеже, в виде известного устройства с регулируемым углом α. Нижняя турбинная секция 1 присоединяется сверху к верхней турбинной секции с валом 4 или к колонне бурильных труб (на рисунке не показано). Секция 1 включает корпус 5, вал 6, установленный на радиальных опорах 7, многоступенчатую турбину 8, верхний переводник 9, переводник соединительный 10, полумуфту 11 и полумуфту 12. Роторы турбины 8 и вращающиеся втулки радиальных опор 7 сжаты в осевом направлении на валу 6 резьбовой полумуфтой 12 и вращаются совместно с валом 6 под действием бурового раствора, нагнетаемого сверху буровыми насосами. Статоры турбин 8, лопатки которых играют роль направляющего аппарата, вместе с радиальными опорами 7 зафиксированы неподвижно в корпусе 5 с помощью резьбы переводниками 9 и 10.The turbodrill comprises one or more turbine sections 1 (one of them is the lower one), a spindle 2 and a deflecting device 3. The deflecting device can be made as shown in the drawing, in the form of a known device with an adjustable angle α. The lower turbine section 1 is connected from above to the upper turbine section with a shaft 4 or to a drill pipe string (not shown in the figure). Section 1 includes a housing 5, a shaft 6 mounted on radial bearings 7, a multi-stage turbine 8, an upper sub 9, a connecting sub 10, a coupling half 11 and a coupling half 12. The rotors of the turbine 8 and the rotating sleeves of the radial bearings 7 are axially compressed on the threaded shaft 6 coupling 12 and rotate together with the shaft 6 under the action of the drilling fluid pumped from above by the mud pumps. The stators of the turbines 8, the blades of which play the role of a guiding apparatus, together with the radial bearings 7 are fixed motionless in the housing 5 with the help of a thread by the adapters 9 and 10.

Шпиндель 2 содержит трубчатый корпус 13, полый вал 14, радиальные опоры 15 и осевые опоры (на чертеже не показано). В верхней части шпинделя на валу смонтирован шарнир 16, соединенный с полумуфтой 11 на валу турбинной секции конусно-шлицевым соединением, обычно используемым в выпускаемых турбобурах и являющимся частью шарнира 16. Корпус 13 шпинделя 2 и переводник 10 нижней секции 1 соединены с регулятором угла 3. При этом центр вращения шарнира 16 совмещен с точкой пересечения осей турбинной секции 1 и шпинделя 2 (точка 0). Регулятор угла 3, имеющий плоскость искривления А-А, выполнен так, что указанная плоскость также проходит через точку «0». В случае, если искривляющее устройство имеет две плоскости перекоса расположенные в непосредственной близости друг от друга (на чертеже не показано), то точка «0» размещается между этими плоскостями. Поскольку вал 4 турбинной секции 1 (в отличие от ротора героторного механизма вращающегося в статоре планетарно) вращается вокруг своей оси, являющейся одновременно и осью турбинной секции 1, то при указанном совмещении центра шарнира 16, пересечения «0» осей турбинной секции 1 и шпинделя 2 и плоскости А-А перекоса регулятора, передача вращения на вал 14 шпинделя 2 через один указанный шарнир 16 является наиболее рациональным решением как с точки зрения распределения радиальных нагрузок на опоры турбинной секции, так и из-за упрощения конструкции, снижения металлоемкости и трудоемкости изготовления, повышения надежности и долговечности. Не вращающиеся элементы радиальных 15 и осевых опор зафиксированы в корпусе с помощью резьбы переводника регулятора 3 и резьбовой частью ниппельной гайки 17 шпинделя. Снизу к валу 14 привинчивается породоразрушающий инструмент - долото (на чертеже не показан).The spindle 2 comprises a tubular body 13, a hollow shaft 14, radial bearings 15 and axial bearings (not shown in the drawing). In the upper part of the spindle, a hinge 16 is mounted on the shaft, connected to the coupling half 11 on the shaft of the turbine section by a tapered spline connection, usually used in manufactured turbodrills and being part of the hinge 16. The spindle 2 housing 13 and the sub section 10 of the lower section 1 are connected to the angle adjuster 3. The center of rotation of the hinge 16 is aligned with the intersection point of the axes of the turbine section 1 and spindle 2 (point 0). The angle adjuster 3 having a curvature plane AA is made so that said plane also passes through point “0”. If the curving device has two skew planes located in close proximity to each other (not shown in the drawing), then the point "0" is placed between these planes. Since the shaft 4 of the turbine section 1 (unlike the rotor of the gerotor mechanism rotating planetary in the stator) rotates around its axis, which is also the axis of the turbine section 1, then with the indicated combination of the center of the hinge 16, the intersection “0” of the axes of the turbine section 1 and spindle 2 and the plane AA of the controller skew, the transmission of rotation to the shaft 14 of the spindle 2 through one specified hinge 16 is the most rational solution both from the point of view of the distribution of radial loads on the supports of the turbine section, and because of the simplification of the design and reducing metal and complexity of manufacturing, reliability and durability. Non-rotating elements of the radial 15 and axial bearings are fixed in the housing using the threads of the regulator adapter sub 3 and the threaded part of the spindle nut 17. From below, a rock cutting tool - a chisel (not shown in the drawing) is screwed to the shaft 14.

Турбобур работает следующим образом. При подаче раствора по колонне бурильных труб в турбобур, он приводит во вращение роторы турбин 8,. вращающиеся совместно с валом 6. Вращение и крутящий момент передаются на вал 14 шпинделя 2 через конусно-шлицевое соединение полумуфты 11 и шарнир 16, при этом центр вращения шарнира 16, совмещенный с точкой «0» пересечения осей турбинной секции 1 и шпинделя 2 способствует передаче крутящего момента без дополнительных потерь на трение в радиальных опорах 7 турбинной секции 1.Turbodrill works as follows. When a solution is supplied through a drill pipe string to a turbodrill, it drives the turbine rotors 8, in rotation. rotating together with the shaft 6. Rotation and torque are transmitted to the shaft 14 of the spindle 2 through a conical-splined connection of the coupling half 11 and the hinge 16, while the center of rotation of the hinge 16, combined with the point “0” of intersection of the axes of the turbine section 1 and the spindle 2, facilitates transmission torque without additional friction losses in the radial bearings 7 of the turbine section 1.

Таким образом, по сравнению с прототипом конструкция турбобура согласно полезной модели обеспечивает его работоспособность, уменьшая потери на трение и износ радиальной опоры турбинной секции, с помощью одного шарнира (вместо двух в прототипе), что снижает расход запасных частей. Износ одного шарнира в осевом направлении меньше, чем износ двух шарниров, нагруженных каждый такой же осевой нагрузкой, что для турбобура, имеющего ограниченный осевой люфт турбины, играет существенную роль в обеспечении необходимой долговечности турбобура.Thus, in comparison with the prototype, the design of the turbodrill according to the utility model ensures its operability, reducing friction losses and wear of the radial support of the turbine section, using one hinge (instead of two in the prototype), which reduces the consumption of spare parts. The wear of one hinge in the axial direction is less than the wear of two hinges, each loaded with the same axial load, which for a turbodrill having a limited axial play of the turbine plays a significant role in ensuring the required durability of the turbodrill.

Полезная модель позволяет повысить надежность и долговечность турбобура, обеспечивающего бурение как прямых, так и искривленных участков скважин.The utility model allows to increase the reliability and durability of a turbodrill, providing drilling of both straight and curved sections of wells.

Claims

A turbo-drill containing at least one turbine section, including a hollow body and a shaft located therein with sets of turbines and radial bearings, a spindle with axial and radial bearings mounted on its shaft and placed in the spindle housing, a deflecting device connecting the turbine housing section and spindle, and a hinge device connecting the shafts of the turbine section and spindle, characterized in that the hinge device is made in the form of one sealed hinge, the center of rotation of which is located at the intersection of the longitudinal axes of the turbine and spindle sections, while the hinge is mounted on the spindle shaft and connected to the section shaft using a conical-splined half coupling, and the deflecting device is made with an adjustable angle of curvature, the curvature plane of which passes through the intersection point of the axes of the spindle shafts and turbine sections.