[1]Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, а именно к технике и технологии бурения нефтяных и газовых скважин с использованием гидравлических забойных двигателей.
[2]Известны винтовые забойные двигатели (ВЗД) для привода породоразрушающего инструмента при бурении и капитальном ремонте скважин [Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Одновинтовые гидравлические машины, т.2. - М.: ИРЦ «Газпром», 2007]. Рабочим органом ВЗД является зубчатая косозубая пара с внутренним циклоидальным зацеплением, состоящая из металлического ротора и статора с эластичной обкладкой, между винтовыми поверхностями которых образуются рабочие камеры.
[3]При работе ВЗД ротор, обкатываясь внутри обкладки неподвижного статора, совершает планетарное движение (вращается относительно собственной оси, которая обращается в переносном движении вокруг неподвижной оси двигателя), а выходной вал, соединенный с ротором посредством шарнирного соединения, совершает концентричное вращение в радиальных опорах шпиндельной секции. Угловая скорость оси ротора в переносном движении в z2 раза больше угловой скорости ротора в абсолютном движении, которая соответствует угловой скорости выходного вала и породоразрушающего инструмента, что вследствие действия инерционных центробежных сил во многом определяет допускаемый скоростной режим ВЗД и ограничивает быстроходность многозаходных высокомоментных двигателей (z2>5) на уровне 100-200 об/мин.
[4]Вместе с тем в современных технологиях бурения в определенных горно-геологических условиях повышение эффективности строительства скважины может быть достигнуто только на основе использования моментоемких долот типа PDC с поликристаллическими или твердосплавными пластинами, для рациональной отработки которых требуется обеспечить средне- и высокооборотные режимы с частотой вращения не менее 300 об/мин.
[5]При использовании ВЗД стандартного конструктивного исполнения указанный скоростной режим может быть достигнут только за счет снижения рабочего объема двигателя путем перехода на винтовые пары с меньшей заходностью. Однако при этом требуемое снижение рабочего объема сопровождается снижением крутящего момента ВЗД, что не соответствует характеристикам долот типа PDC. В этой связи для создания ВЗД, одновременно отвечающего требованиям высокой частоты вращения и высокого крутящего момента, приходится существенно увеличивать перепад давления в рабочих органах, т.е. использовать удлиненные рабочие органы с целью обеспечения необходимого числа контактных линий, разделяющих вход и выход гидромашины, выбираемого по условию допускаемого межвиткового перепада давления между камерами ВЗД. Недостатком такого технического решения является увеличение осевого габарита ВЗД и усложнение технологии изготовления протяженных рабочих органов, что отрицательно сказывается на технико-экономических показателях применения ВЗД.
[6]Другим возможным техническим решением при разработке высокооборотного высокомоментного ВЗД является переход на нестандартную кинематическую схему его рабочих органов с дополнительной подвижностью одного из элементов (ротора или статора), в которой ни один из элементов винтовой пары не остается неподвижным в ходе рабочего процесса.
[7]Ближайшим техническим решением, принятым за прототип, является схема ВЗД с нутирующим (совершающим переносное движение) ротором и вращающимся статором, в которой долото соединяется с совершающим концентричное вращение наружным элементом рабочих органов (статором), зубья которого обкатываются вокруг внутреннего элемента (ротора), шарнирно закрепленного на конце колонны бурильных труб [Tiraspolsky W. Hydraulic downhole drilling motors. Editions Technip, Paris, 1985].
[8]Недостатком данной схемы применительно к рассматриваемой технической задаче, является относительно невысокая частота вращения выходного вала (статора), что не обеспечивает необходимые энергетические характеристики двигателя при бурении долотами типа PDC.
[9]Задачей предложенного изобретения, представляющего собой гидравлический забойный двигатель, предназначенный для высокооборотных технологий бурения скважин с использованием долот типа PDC, является расширение функциональных возможностей ВЗД посредством реализации кинематической схемы с дополнительной подвижностью рабочих органов, обеспечивающей возможность увеличения частоты вращения выходного вала ВЗД при сохранении необходимого крутящего момента и допускаемого уровня инерционных нагрузок.
[10]Поставленная задача осуществляется за счет того, что ВЗД выполнен по схеме двухсекционного двигателя, каждая секция (верхняя и нижняя) которого включает в свой состав винтовые рабочие органы на базе многозаходного героторного механизма с внутренним циклоидальным зацеплением, шпиндель с выходным валом, установленным на осевой и радиальных опорах, шарнирный узел соединения ротора винтовых рабочих органов с выходным валом и каналы для прохода жидкости, причем статор винтовых рабочих органов верхней секции неподвижно закреплен на колонне бурильных труб, выходной вал нижней секции связан с породоразрушающим инструментом, а выходной вал верхней секции посредством жесткой связи соединяется со статором винтовых рабочих органов нижней секции, установленным с зазором в расточке переводника, соединяющего неподвижные корпуса шпинделей секций, и совершающим концентричное вращение в радиальных опорах соединительного переводника, что позволяет обеспечить дополнительную подвижность ротора нижней секции, находящегося в зацеплении со статором нижней секции и совершающего планетарное движение, и тем самым реализовать высокооборотный режим отработки долота.
[11]Принципиальная кинематическая особенность предложенной схемы заключается в том, что угол поворота ротора в переносном движении несущественно превышает угол поворота ротора в абсолютном движении, что обеспечивает преимущество в отношении действия инерционных сил и допускаемой быстроходности.
[12]Для реализации режима концентричного вращения ротора нижней секции вокруг собственной оси рабочие объемы винтовых рабочих органов верхней и нижней секций назначают в соответствии с кинематическим отношением рабочих органов нижней секции.
[13]На фиг.1 представлен общий вид заявленного винтового забойного двигателя, на фиг.2 изображены поперечные сечения рабочих органов секций ВЗД в случае их одинаковой геометрии, на фиг.3 - аналогичные поперечные сечения в случае различной геометрии рабочих органов верхней и нижней секции, на фиг.4 показано изменение относительного положения профилей ротора и статора нижней секции за один рабочий цикл героторного механизма с кинематическим отношением 3:4, а на фиг.5 - положения профилей ротора и статора для особого кинематического случая при неподвижном положении центра ротора. Для удобства восприятия кинематики профилей крупными точками на фиг.4 и фиг.5 отмечены фиксированные зубья ротора. Черным цветом заштриховано текущее положение площади камеры, изменяющейся от нуля до максимального значения и снова сокращающейся до нуля.
[14]Винтовой забойный двигатель с дополнительной подвижностью представляет собой двухсекционный гидродвигатель, каждая секция которого включает в свой состав винтовые рабочие органы (2, 3 и 11, 12) на базе многозаходного героторного механизма с внутренним циклоидальным зацеплением (кинематической пары «металлический ротор - статор с эластичной обкладкой»), шпиндель с выходным валом (8 и 18), установленным на осевой (7 и 17) и радиальных (6 и 16) опорах, шарнирный узел (4 и 14) соединения ротора с выходным валом и каналы для прохода жидкости (а, б), причем верхняя секция выполнена по схеме планетарного механизма (с неподвижным статором), а нижняя секция - по схеме дифференциального механизма.
[15]Статор 2 верхней секции неподвижно закрепляется на колонне бурильных труб 1, а выходной вал 18 нижней секции соединяется с породоразрушающим инструментом 19. Выходной вал 8 верхней секции посредством жесткой связи соединяется со статором 11 нижней секции, который размещается с зазором в расточке переводника 10, соединяющего неподвижные корпуса 5 и 15 шпинделей секций, и устанавливается в радиальной опоре 13 для возможности осуществления вращательного движения статора 11. Для уплотнения выходного вала 18 двигателя от перепада давления в рабочих органах нижней секции в расточке соединительного переводника 10 может быть установлен торцевой сальник 9 или герметизирующее устройство другого типа.
[16]Устройство работает следующим образом (фиг.1). При подаче бурового раствора через гидравлический канал бурильных труб 1 в верхнюю секцию рабочих органов совершается рабочий цикл, при котором ротор 3 совершает планетарное движение, обкатываясь по винтовым зубьям неподвижного статора 2 с эксцентриситетом ев, равным межосевому расстоянию винтового героторного механизма верхней секции. Вращение верхнего ротора 3 через шарнирное соединение 4 передается установленному в радиальных 6 и осевых 7 опорах шпинделя выходному валу 8 верхней секции, который, в свою очередь, приводит в движение статор 11 нижней секции, совершающий концентричное вращение внутри переводника 10 в радиальной опоре 13, чем обеспечивается дополнительная подвижность рабочих органов нижней секции, приводящей породоразрушающий инструмент 19. При вращении статора 11 сопряженный с ним ротор 12 нижней секции совершает планетарное движение, при котором ротор вращается вокруг собственной оси, а ось обращается вокруг оси подвижного статора 11 в обратном направлении с эксцентриситетом ен винтового героторного механизма нижней секции. Вращение нижнего ротора 12 через шарнирное соединение 14 передается выходному валу 18 нижней секции, установленному в радиальных 16 и осевых 17 опорах шпинделя.
[17]В результате выходной вал нижней секции, связанный с породоразрушающим инструментом, например с долотом типа PDC, вращается с частотой, зависящей от соотношения рабочих объемом винтовых пар верхней (Vв) и нижней (Vн) секций (фиг.2), а также расхода Q бурового раствора.
[18]Для осуществления вращения роторов верхней и нижней секций в одном направлении и тем самым сложения угловых скоростей на выходном валу ВЗД рабочие органы секций должны иметь одинаковое направление винтовых нарезок. Длина рабочих органов должна соответствовать заданному крутящему моменту и назначается в зависимости от допускаемого межвиткового перепада давления.
[19]В общем случае без учета объемных потерь частота вращения выходного вала ВЗД или абсолютная частота вращения ротора нижней секции
[20]n=nв+nотн.н, (1)
[21]где nв - частота вращения выходного вала верхней секции, nв=Q/Vв;
[22]nотн.н - относительная частота вращения ротора нижней секции, nотн.н=Q/Vн.
[23]Таким образом, частоту вращения выходного вала ВЗД можно представить как функцию частоты вращения ротора верхней секции и отношения рабочих объемов винтовых пар секций:
[24]n=(1+VвVн)nв. (2)
[25]Кинематическим показателем, характеризующим рабочий процесс ВЗД с дополнительной подвижностью, является коэффициент мультипликации, равный отношению частот вращения выходного вала и ротора верхней секции:
[26]k=nnв. (3)
[27]С учетом выражения (2) коэффициент мультипликации и отношение рабочих объемов винтовых пар связаны следующей зависимостью:
[28]k=1+VвVн. (4)
[29]В частном случае, когда рабочие органы верхней и нижней секций имеют одинаковые рабочие объемы (Vн=Vв), чего можно достичь применением идентичных винтовых пар (фиг.3) с одинаковым кинематическим отношением, эксцентриситетом и шагом винтовых поверхностей, частота вращения выходного вала ВЗД
[30]n=2nв; k=2. (5)
[31]Таким образом, при использовании одинаковых винтовых пар в рассматриваемой схеме частота вращения выходного вала удваивается.
[32]Для любой кинематической схемы ВЗД с дополнительной подвижностью (статора или ротора) цикл рабочего процесса, в течение которого через рабочие органы с числом заходов статора и ротора соответственно z1 и z2 проходит объем жидкости, равный объему рабочих камер, осуществляется при повороте ротора в абсолютном движении на угол
[33]Δϕ=2πz2+ϕдоп=kk−1⋅2πz2, (6)
[34]где φдоп - угол поворота, обусловленный дополнительным вращением, φдоп=2πnвt (t - время, соответствующее относительному углу поворота 2π/z2).
[35]Т.е. кратность действия ВЗД с дополнительной подвижностью, соответствующая числу рабочих циклов за один оборот выходного вала
[36]j=2πΔϕ=k−1k⋅z2. (7)
[37]Характеристики и работоспособность элементов конструкции ВЗД с дополнительной подвижностью во многом зависят от соотношения угловых скоростей абсолютного и переносного движения ротора.
[38]В общем случае угол поворота центра элемента (ротора или статора), совершающего планетарное движение в ВЗД с дополнительной подвижностью (соответственно статора или ротора) определяется следующим образом
[39]ϕпер=±zпланϕотн+ϕдоп, (8)
[40]где zплан - число заходов планетарно движущегося элемента рабочих органов (внутреннего z2 или наружного z1); φотн - угол поворота центра в относительном движении по отношению к концентрично вращающемуся элементу, повернувшегося на угол φдоп.
[41]Знак плюс относится к случаю планетарно движущегося статора, знак минус - к случаю планетарно движущегося ротора как в рассматриваемом изобретении. Здесь угол поворота φдоп соответствует углу поворота выходного вала верхней секции: φдоп=φв.
[43]ϕîòí=ϕ-ϕдоп, (9)
[44]то соотношение угловых перемещений переносного и абсолютного движения получает вид
[45]ϕперϕ=±zплан+ϕдопϕотн1+ϕдопϕотн. (10)
[47]ϕдопϕотн=1k−1, (11)
[48]то выражение (10) окончательно принимает следующий вид
[49]ϕперϕ=±zплан(k−1)+1k. (12)
[50]Для рассматриваемого изобретения с планетарно движущимся ротором (внутренним элементом рабочих органов) углы поворота ротора в переносном и абсолютном движении относятся как
[51]ϕперϕ=−z2(k−1)+1k=−(z2−z1k). (12a)
[52]Отметим, что в данном случае ротор и центр ротора, также как и в типовой схеме ВЗД с неподвижным статором, поворачиваются в противоположных направлениях. Принципиальная кинематическая особенность предложенной схемы заключается в том, что угол поворота ротора в переносном движении всегда меньше чем в z2 раза превышает угол поворота ротора в абсолютном движении, что выгодно отличает схему в отношении действия инерционных сил и допускаемой быстроходности по сравнению с другой возможной схемой с планетарно движущимся статором, а также вариантом типового ВЗД.
[53]В качестве примера рассмотрим кинематику ВЗД с дополнительной подвижностью за счет вращения статора, принимая кинематическое отношение 3:4 (z2=3; z1=A) и коэффициент мультипликации k=2 (фиг.4).
[54]Кратность действия винтового механизма j=3/2, цикл рабочего процесса данной кинематической схемы осуществляется при повороте ротора на угол φ=Δφ=2π/j=240°, при этом статор поворачивается на угол 120°, а ось ротора в переносном движении на угол φпер=-(3-2)∙×240=-240°.
[55]При выполнении условия
[56]k=z1/z2 (13)
переносная скорость ротора становится равной нулю (φпер=0), т.е. в этом особом случае ротор совершает концентричное вращение вокруг собственной неподвижной оси (малая точка на фиг.5), что превращает рабочие органы нижней секции в бироторный механизм. Для соблюдения условия (13) необходимо, чтобы рабочие объемы винтовых пар верхней и нижней секций назначались в соответствии с кинематическим отношением рабочих органов нижней секции согласно зависимости
[57]VвVн=z1z2−1. (14)
[58]Согласно принятой классификации предложенная компоновка ВЗД относится к варианту кинематической схемы винтового героторного механизма типа Б-I, в котором дополнительная подвижность осуществляется за счет вращения статора, а выходной вал, связанный с ротором, и статор совершают вращение с различными угловыми скоростями [Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Одновинтовые гидравлические машины, т.1.- М.: ИРЦ «Газпром», 2005, стр.28].
[59]Технический результат и экономический эффект от использования предлагаемого устройства достигается за счет повышения эффективности бурения долотами типа PDC в связи возможностью реализации оптимальных скоростных режимов их отработки.
