редукторный турбобур

Формула изобретения

Редукторный турбобур, содержащий корпус, вал с турбиной, включающей в себя 10-39 единичных ступеней, установленную над турбиной в масляной ванне осевую опору, радиальную опору, уплотнительные узлы, планетарный редуктор с передаточным числом i>10, быстроходный вал которого связан с валом турбины, и диафрагменный лубрикатор, отличающийся тем, что валы турбины и планетарного редуктора расположены в одном корпусе в общей масляной ванне, имеющей гидравлические каналы связи с полостями осевой и радиальной опор и полостью планетарного редуктора, причем во внутренней полости диафрагменного лубрикатора размещен картер высокого давления с редукционным клапаном для сброса части масла из масляной ванны посредством гидравлического канала, связывающего внутреннюю полость диафрагменного лубрикатора с полостью осевой опоры, а вал турбины выполнен с ориентированной роторной сборкой и оснащен противовесами и шаровым автоматическим балансировочным устройством, установленным в средней части единичных ступеней турбин, при этом радиальная опора размещена у нижнего конца вала турбины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин гидравлическими забойными двигателями, а именно к редукторным турбобурам.

Известны редукторные турбобуры, предназначенные для снижения частоты вращения вала турбины и повышения вращающего момента (1, стр.173; 2, стр.201-210).

Первое направление проектирования турбобуров содержит одну-пять единичных ступеней турбин и планетарный редуктор с внешним контуром зацепления.

Недостатком данного направления является низкая стойкость металлического лопаточного аппарата единичных ступеней, которая не превышает 20-40 часов.

Второе направление заключено в том, что редукторный турбобур содержит многоступенчатую турбину, в которой количество единичных ступеней составляет 50-200 штук и редуктор с внешним контуром зацепления, размещенный в масляной ванне и снабженный уплотнительными узлами (2).

Основным недостаткам данного редукторного турбобура является слишком большое отношение длины турбобура к его диаметральному габариту.

Известен также редукторный турбобур (3), содержащий 10-39 единичных ступеней, осевую опору, расположенную над турбинной в маслонаполненной камере, радиальную опору, уплотнительные узлы, и планетарный редуктор с передаточным числом i>10, имеющим собственную масляную ванну.

К недостаткам этого турбобура относится отсутствие ориентированной роторной сборки и сохранение большого соотношения между длиной турбобура и диаметром долота, что негативно отражается при его использовании в наклонно-направленом бурении.

Целью настоящего изобретения является разработка и создание редукторного турбобура для наклонно-налравленого бурения, обладающего минимальным соотношением между длиной и диаметром.

Указанная цель достигается тем, что в редукторном турбобуре, содержащем корпус, вал с турбиной, включающую в себя 10-39 единичных ступеней, установленную над турбиной в масляной ванне осевую опору, радиальную опору, уплотнительные узлы, планетарный редуктор с передаточным числом i>10, быстроходный вал которого связан с валом турбины и диафрагменный лубрикатор, валы турбины и планетарного редуктора расположены в одном корпусе в общей масляной ванне, имеющей гидравлические каналы связи с полостями осевой и радиальных опор и полостью планетарного редуктора, причем во внутренней полости диафрагменного лубрикатора размещен картер высокого давления с редукционным клапаном для сброса части масла из масляной ванны посредством гидравлического канала, связывающего внутреннюю полость диафрагменного лубрикатора с полостью осевой опоры, а вал турбины выполнен с ориентированной роторной сборкой и оснащен противовесами и шаровым автоматическим балансировочным устройством, установленным в средней части единичных ступеней турбин, при этом радиальная опора размещена у нижнего конца вала турбины.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых признаков и связей.

Во-первых, валы турбины и планетарного редуктора расположены в одном корпусе и снабжены общей масляной ванной, имеющей гидравлические каналы связи с полостью осевого подшипника, радиальной опоры и полостью планетарного редуктора, что позволяет существенно уменьшить длину редукторного турбобура. При использовании серийного турбобура отношение , при использовании редукторного турбобура с двумя турбинными секциями , а при использовании одной секции . Винтовые двигатели типа Д2-195 имеют длину 7680 мм и отношение . В предложенной компоновке длина редукторного турбобура не превышает 4765 мм и даже при его наружном диаметре Д=190 мм отношение , что в 1,636 раза меньше чем у винтового двигателя. Столь значительное снижение отношения позволяет устанавливать сменные опорно-центрирующие элементы в непосредственной близости от породоразрушающего инструмента и с большей эффективностью осуществлять процесс проводки наклонно-направленных и горизонтальных скважин.

Во-вторых, редукторный турбобур дополнительно оснащен картером высокого давления, размещенным во внутренней полости лубрикатора, для сброса части масла, что позволяет оптимально использовать осевые размеры с одной стороны, а с другой, устранить сброс части масла в промывочную жидкость.

В-третьих, быстроходный вал турбины с ориентированной роторной сборкой и быстроходный вал планетарного редуктора снабжены противовесом и шаровым автоматическим балансировочным устройством, установленным в средней части турбины, что позволяет исключить частые повторные балансировочные операции при переборке редукторного турбобура.

В-четвертых, редукторный турбобур снабжен радиальной опорой, установленной с нижнего торца турбинного вала, и уплотнительные узлы радиальной опоры, выполненные по типу разгрузочного дифференциального поршня, обеспечивающем на турбинном валу усилия, обратные по знаку гидравлическим усилиям турбины, что решает задачу по уменьшению количества осевых опор а следовательно, и получению меньшей длины, способных воспринимать уменьшенную осевую нагрузку при высоких частотах вращения. Уплотнительные узлы, выполненные по типу разгрузочного дифференциального поршня существенно увеличивают срок службы осевой опоры.

На чертеже представлен редукторный турбобур с уменьшенным соотношением длины к диаметру.

Редукторный турбобур содержит корпус 1, верхний соединительный переводник 2 и нижний соединительный переводник 3. На валу 4 установлены на шпонке 5 единичные ступени турбин 6, шаровое автоматическое балансировочное устройство 7, противовес 8, осевая опора 9, радиальная опора 10 и стопорные гайки нижняя 11 и верхняя 12. Через зубчатую муфту 13 вал турбинной секции соединен с быстроходным валом 14 редуктора, на котором установлен сателлит 15, обкатывающийся по неподвижному колесу 16 и передающий вращающий момент через шестерню 17 на тихоходный вал 18. На быстроходном валу 14 размещены противовесы 19 и 20.

Редукторный турбобур снабжен уплотнительными узлами 21, 22 и 23, а также диафрагменным лубрикатором 24, расположенным над осевой опорой 9. Внутри диафрагменного лубрикатора 24 установлен картер высокого давления 25 с редукционным клапаном 26. Для заправки масляной ванны редукторный турбобур оснащен клапанами верхним 27 и нижним 28. Через гидравлические каналы 29 полость диафрагменного лубрикатора 30 связана с полостью 31 осевого подшипника, которая в свою очередь через гидравлический канал 32, выполненный в турбинном валу 4, соединен с полостью 33 радиальной опоры 10 и с полостью планетарного редуктора 34. При сборке вала 4 производится балансировка роторной системы, с целью получения минимальных инерционных усилий на радиальные опоры. Аналогичная операция выполняется на быстроходном валу 14 редуктора.

Работа устройства осуществляется следующим образом. С поверхности по бурильным трубам подается промывочная жидкость к редукторному турбобуру. Промывочная жидкость поступает в устройство и проходит между верхним соединительным проводником 2, корпусом 1 и диафрагменным лубрикатором 24. Диафрагменный лубрикатор 24 осуществляет выравнивание давления между масленой ванной и внешней средой. Через клапана 27 и 28 осуществляется заправка маслом внутренней полости масляной ванны и диафрагменного лубрикатора 24. Внутри диафрагменного лубрикатора 24 размещен картер высокого давления 25 с редукционным клапаном 26. Внутри картера высокого давления 25 имеется поршень, который разделяет масло и буровой раствор. Когда происходит нагревание масла в процессе работы двигателя, то оно расширяется на (8-12)% от общего объема. При увеличении объема повышается давление внутри диафрагменного лубрикатора 24 и во всей масляной ванне. Чтобы уплотнительные узлы 21, 22 и 23 работали под расчетными перепадами давления предусмотрен картер высокого давления 25 с редукционным клапанам 26. Как только имеет место повышение давления более 0,2 МПа происходит открытие редукционного клапана 26 и часть масла перетекает во внутреннею полость картера высокого давления 25, перемещая поршень в правое положение, до тех пор, пока давление с одной и с другой стороны поршня не выравнится. Внутренняя полость диафрагменного лубрикатора 24 через гидравлический канал 29 соединена с полостью 31 осевого подшипника, внутри которой размещена осевая опора 9. Полость 31 через гидравлический канал 32 соединена с полостью 33, внутри которой установлена радиальная опора 10, а также с полостью планетарного редуктора 34. Во всех полостях поддерживается постоянный перепад давления масла, равный перепаду давления промывочной жидкости перед первой единичной ступенью турбины 5. Уплотнительный узел 21, герметизирующий полость 31, где расположена осевая опора 9, практически не испытывает перепада давления.

Уплотнительный узел 22, герметизирующий полость 33, где расположена радиальная опора 10, испытывает перепад давления, равный перепаду давления, сработанному на единичных ступенях турбин 5.

Для компенсации осевых сил, которые при больших перепадах давлений могут достигать больших значений, применена гидравлическая разгрузка, выполненная в виде разгрузочного поршня, под который подведено масло с рабочим давлением, что создается перед первой единичной ступенью турбины.

Уплотнительный узел 23, герметизирующий полость 34, где размещен планетарный редуктор, находится также под перепадом давления, сработанным на единичных ступенях турбин 5, но в отличие от уплотнительного узла 22 стоит на тихоходном выходном валу 18 редуктора.

При дальнейшем движении промывочной жидкости по устройству она поступает на единичные ступени турбин 5, где происходит преобразование гидравлической энергии в механическую. На турбинном валу 4 появляется небольшой по величине вращающий момент и большие обороты. Единичные ступени турбин 5 установлены на валу 4 по ориентированной сборке, например на шпонке.

Дальнейшее движение промывочной жидкости после турбины происходит между внутренней стенкой корпуса 1 и наружной поверхностью полости 33, где расположена радиальная опора 10, и наружной поверхностью полости 34, где размещен планетарный редуктор. Далее промывочная жидкость поступает в шпиндель забойного двигателя.

Шаровое автоматическое балансировочное устройство 7 обеспечивает минимальные отклонения геометрической оси вала 4 от оси вращения и тем самым поддерживает балансировку всей роторной сборки при различных режимах работы вала 4 турбины.

С турбинного вала 4 через зубчатую муфту 13 передается механическая мощность на быстроходный вал 14 редуктора. На быстроходном валу 14 редуктора установлен сателлит 15, который имеет возможность вращаться относительно этого вала. Сателлит 15 обкатывается по неподвижному колесу 16, жестко связанному с корпусом 1. За счет того, что быстроходный вал 14 редуктора вращается с частотой вращения турбинного вала 4 против часовой стрелки, а ведущая шестерня сателлита 15 в относительном движении имеет противоположное вращение, происходит снижение результирующей частоты вращения на шестерне 17. Таким образом решается задача по преобразованию механической мощности на выходном валу 18 редуктора, снижается чистота вращения и повышается вращающий момент в соответствии с передаточным отношением редуктора i25.

Технико-экономическая эффективность от применения редукторного турбобура может быть оценена после проведения промышленных испытаний. Однако уже сейчас можно отметить, что предлагаемое устройство обладает весьма небольшими линейными размерами L<4500 мм и это положение делает двигатель уникальным при проводке наклонно-направленных и горизонтальных скважин.

Другой очень важный момент связан с выходной характеристикой этого двигателя. Предложенное устройство позволяет получить на выходном валу величину вращающего момента на тормозном режиме, равную 8000-10000 кН·м, и частоту вращения на холостом режиме 115 мин^-1, что позволяет с данным приводом использовать долота типа ГАУ.

Таким образом, в предлагаемом устройстве реализованы новые потенциальные возможности гидравлических забойных двигателей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шумилов П.П. «Турбины бурения нефтяных скважин». М.: Недра, 1968, стр.173.

2. N.Derkach «Applications of downhill motors in ultradeep drilling» Publications of VI International Symposium of the continental crust through drilling. Paris, April, 1992, pp.201-210.

3. Патент №2161236 от 09.06.1999 года.