DE2119072B2

DE2119072B2 - Turbinenbohrer

Info

Publication number: DE2119072B2
Application number: DE19712119072
Authority: DE
Inventors: Jurij R.; Ioannesjan Rolen A.; Moskau Ioanesjan
Original assignee: Wsesojusny Nautschno-Issledowatelskij Institut Burowoj Techniki, Moskau
Priority date: 1971-04-20
Filing date: 1971-04-20
Publication date: 1976-09-09
Also published as: DE2119072A1

Description

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Die Erfindung betrifft an der Bohrlochsohle angetriebene hydraulische Turbinenbohrer zum Bohren von Erkundungssonden, zum Niederbringen von Bohrlöchern ?ur Erdöl- bzw. Gasgewinnung sowie zur Gewinnung anderer Bodenschätze, im einzelnen einen Turbinenbohrer für Tiefbohrlöcher, der ein Gehäuse mit in diesem starr beifestigten Statoren, deren Schaufeln Leitkanäle für eine Spülflüssigkeit bilden, eine in Wälzlagerung montierte Welle mit starr auf dieser befestigten Rotoren, deren Schaufeln eine den Statorjchaufeln entgegengesetzte Richtung aufweisen, und ejne Vorrichtung zur Verminderung der Wellendrehzahl enthält.

Beim Betrieb dieses aus der US-PS 33 56 338 bekannten Turbinenbohrers läuft die Welle mit hohen Drehgeschwindigkeiten (900 U/min) um, wobei sie das Bohrwerkzeug, z. B. einen Rollenmeißel, antreibt.

Der Rollenmeißelbetrieb mit hohen Drehzahlen verursacht eine Verminderung der Vortriebsleistung <,₅ pro Meißel; berücksichtigt man noch, daß bei Tiefbohrungen die Aus- und Einbauarbeiten einen erheblichen Zeitaufwand beanspruchen, so folgt daraus, daß der Bohrbetrieb mit hohen Drehzahlen vom wirtschaftli chen Standpunkt aus nicht zweckmäßig ist

Es sind Bauarten von Turbinenbohrern bekannt, be denen die Drehzahl durch ein mechanisches Reduzier getriebe verringert wird, jedoch ist die Herstellunj solcher Turbinenbohrer sehr kompliziert und de Betrieb solcher Turbinenbohrer ist infolge der schwieri gen Arbeitsbedingungen für das Reduziergetriebe nich zuverlässig.

Es sind auch Bauarten von Turbinenbohrer (s. zun Beispiel die US-PS 33 62 488) bekannt, bei denen di( Verminderung der Wellendrehzahl durch Regelung de; Fließrate der dem Turbinenbohrer zugeführten Spül flüssigkeit erreicht wird. Dazu gehören Turbinenbohrei mit Reduzierventilen und Flüssigkeitsverbrauchs Strahldruckumformern, die eine Verminderung dei Wellendrehzahl bis auf Geschwindigkeiten wie sie bein Rotarybohren üblich sind, gewährleisten. Jedoch sine Turbinenbohrer mit Reduzierventilen und Flüssigkeits verbrauchs-Strahldruckumformern ebenfalls kompli ziert in der Hersteilung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der den bekannten Turbinenbohrern anhaftenden Nachteile, einen Turbinenbohrer einfachster Bauart anzugeben, der einen zuverlässigen Bohrwerkzeugbetrieb mit einer Drehzanl, die für das Rotarybohren kennzeichnend ist, gewährleistet.

Diei-e Aufgabe wird bei einem Turbinenbohrer der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß die Vorrichtung zur Verminderung der Wellendrehzahl aus im Gehäuse des Turbinenbohrers zusätzlich befestigten Statoren und auf der Welle zusätzlich befestigten Rotoren besteht, die hydrodynamische Bremsstufen bilden und deren Schaufeln im wesentlichen in gleicher Richtung angeordnet sind.

Es ist vorteilhaft, daß die Schaufeln der Bremsstufen unter gleichen Winkeln in bezug auf die zur Achse der Turbinenboh'erwelle senkrechte Ebene angeordnet sind.

Es ist ferner vorteilhaft, daß die Schaufeln der Statoren und Rotoren der Bremsstufen in radialer Erstreckung unterschiedliche Querschnittshöhen aufweisen, wobei die Höhen proportional zur radialen Entfernung von der Achse der Turbinenbohrerwelle ansteigen. Dadurch wird ein stoßfreies Umströmen der Schaufeln der Statoren und Rotoren durch die Spülflüssigkeit gewährleistet, der hydraulische Widerstand des gebremsten Turbinenbohrers verringert sowie das Tempo der Druckverlustverringerung beim Anlauf des Turbinenbohrers begünstigt.

Die Schaufeln der Statoren und Rotoren der Bremsstufen, welche die Wellendrehzahl vermindern, können auch in radialer Erstreckung eine kosntante Querschnittshöhe aufweisen. Der Vorzug solcher Schaufeln besteht in der Einfachheit ihrer Herstellung.

Eine weitere vorzugsweise Ausführung der Erfindung besteht darin, daß die Schaufeln der Bremsstufen mit einem stromlinienförmigen Profil versehen sind, wobei deren Mittellinien unter gleichen Winkeln in bezug auf die zur Achse der Turbinenbohrerwelle senkrechte Ebene angeordnet sind. Dadurch wird eine Verminderung der hydraulischen Verluste in den hydrodynamischen Bremsstufen begünstigt.

Durch die Erfindung wird ein Turbinenbohrer einfachster Bauart angegeben, der einen zuverlässigen Betrieb des Bohrwerkzeugs mit Drehzahlen gewährleistet, die für das Rotarybohren kennzeichnend sind.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von

Vusführungsbeispielen unter bezug auf die Zeichnungen iäher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgeti-ß ausgeführten Turbinenbohrer in schematischer Darstellung,

F i g. 2 einen Schnitt durch eine Turbinenstufe,

F i g. 3 einen Schnitt der Schaufeln des Rotors und Stators einer Turbinenstufe entlang der Kreislinie,

F i g. 4 einen Schnitt einer hydrodynamischen Bremsstufe,

Fig.5 einen Schnitt der Schaufeln des Rotors und Stators einer hydrodynamischen Bremsstufe entlang der Kreislinie,

F i g. 6 einen Einstellwinkel der Schaufeln des Rotors und Stators der hydrodynamischen Bremsstufe im Turbinenbohrer, bei dem die hydrodynamischen Bremsstufen nicht nur als Bremsen, sondern auch als Druckregler arbeiten,

Fig.7 einen weiteren Einstellwinkel, bei dem die hydrodynamische Bremsstufe die größte Bremswirkung ausübt,

F i g. 8 einen dritten Einstellwinkel, bei dem der hydraulische Widerstand intensiver als bei den vorherigen Winkeln vom Bremsbetrieb zum Leerlaufbetrieb ansteigt,

F i g. 9 ein Kenndatendiagramm eines Turbinenbohrers mit hydrodynamischen Bremsstufen und einem Schaufeleinstellwinkel gemäß F i g. 6,

F i g. 10 ein Kenndatendiagramm eines Turbinenbohrers mit hydrodynamischen Bremsstufen und einem Schaufeleinstellwinkel gemäß F i g. 7,

F i g. Π ein Kenndatendiagramm eines Turbinenbohrers mit hydrodynamischen Bremsstufen und einem Schaufeleinstellwinkel gemäß F i ρ <*.

Fig. 12 einen Längsschnitt einer hydrodynamischen Bremsstufe mit Schaufeln, deren Höhe proportional der radialen Entfernung des entsprechenden Schaufelquerschnitts von der Achse der Turbinen welle ansteigt,

F i g. 13 einen Querschnitt einer »profilierten« Schaufel eines Stators und Rotors einer hydrodynamischen Bremsstufe, wobei d>e Schaufel ein stromlinienförmiges Profil aufweist.

Der in Fig. 1 dargestellte Turbinenbohrer weist im Oberteil eine Turbine 1 auf, die aus mehreren Stufen 2 besteht, von denen jede aus einem im Gehäuse 3 (F i g. 1, 2, 4) befestigten Stator 4 (F i g. 2), dessen Schaufeln 5 (Fig. 3) die Leitkanäle 6 für den Spülflüssigkeitsstrom bilden, und aus einem auf der Turbinenbohrerwelle 7 (Fig. 1, 2, 4) befestigten Rotor 8 (Fig.2) bestehen, dessen Schaufeln 9 den Schaufeln 5 des Stators 4 entgegengerichtet sind und damit die Strömungsrichtung der Flüssigkeit ändern, wodurch der Rotor 8 in bezug auf den Stator 4 rotiert und ein Drehmoment auf die Turbinenbohrerwelle 7 überträgt.

Im Unterteil des Turbinenbohrers sind im Gehäuse 3 befestigte Statoren 10 (Fig.4) mit Leitschaufeln 11 (F i g. 5) und auf der Turbinenbohrerwelle 7 befestigte Rotoren 12 (F i g. 4) mit Laufschaufeln 13 (F i g. 5) unter gleichem Winkel in bezug auf die zur Turbinenbohrerwelle 7 senkrechte Ebene angeordnet. Die Schaufeln des Rotors 12 stellen eine quasi natürliche Fortsetzung der Schaufeln 11 des Stators 10 dar, wobei dasselbe auch umgekehrt gilt. Der Stator 10 und Rotor 12 bilden die Bremsstufe 14 bzw. die hydrodynamische Bremsstufen-Baugruppe 15, welche die Drehzahl der Turbinenbohrerwelle 7 vermindert.

Bei gebremster Turbinenbohrerwelle 7 strömt die zwischen den Leit- und Laufschaufeln der hydrodynamischen Bremsstufen-Baugruppe 15 vollständig störungsfrei hindurch. Dabei wird der kleinste Wert des durch eins Spülpumpe erzeugten Druckes verbraucht, der hydraulische Widerstand in den S Statoren und Rotoren ist nur durch die Rauheit der Kanäle und die Ungenauigkeit der Schaufelform bedingt.

Mit dem Anwachsen der Drehzahl des Turbinenbohrerrotors, das infolge einer Verringerung der ic Axialbelastung auf den Meißel oder infolge einer Verminderung der Momentbelastung auf den Turbinenbohrerrotor erfolgt, entsteht hinter der Schaufel eine Wirbelzone. Die Laufschaufeln 13 der hydrodynamischen Bremsstufen-Baugruppe 15 beginnen als Axialpumpenrotor zu arbeiten, wobei sie einen Teil der Rotorleistung entnehmen und einen effektiven Flüssigkeitsdruck erzeugen, der den Spülpumpen beim Durchdrücken der Flüssigkeit durch die Arbeitsturbine des Turbinenbohrers entweder hilft oder entgegenwirkt. In den Fig.6, 7, 8 sind Schaufeln der Rotoren und Statoren der hydrodynamischen Bremsstufe J4 in abgewickelter Form dargestellt. Die Schaufeln der Statoren und Rotoren jeder Bremsstufe 14 sind in der gleichen Richtung ausgeführt und unter den gleichen Winkeln angeordnet («, «i, «2)· Durch dickgezogene Pfeile ist die Strömungsrichtung der Flüssigkeit, durch gestrichelte Pfeile die Rotorbewegung wiedergegeben. Die angegebene Winkel kennzeichnen drei bevorzugte Varianten der Schaufeleinstellung an den Rotoren und Statoren der hydrodynamischen Baugruppen-Bremsstufen Ein jeder dieser Winkel gewährleistet bestimmte Kenndaten des Turbinenbohrers. Die Einstellung der Schaufeln bei hydrodynamischen Bremsstufen gemäß der ersten Variante (F i g. 6) ist vorteilhaft bei Turbinen anzuwenden, deren hydraulischer Widerstand mit der Verminderung der Drehzahl fällt.

Die Ausgangsdaten eines Turbinenbohrers mit einer solchen Turbine sowie das Kenndatendiagramm, das für diesen Turbinenbohrer nach dem Einbau einer hydrodynamischen Bremsbaugruppe mit Schaufeln nach F1 g. 6 entsteht, ist in F i g. 9 dargestellt. Es bedeutet

n\ Leerlauf-Drehzahl der Turbinenwelle,

η Arbeitsdrehzahl der Turbinenbohrerwelle

Mi Bremsmoment des Turbinenbohrers,

M Arbeitsmoment des Turbinenbohrers,

Pi Bremsdruckgefälle im Turbinenbohrer,

P Arbeitsbremsdruckgefälle im Turbinenbohrer,

1 Momentlinie

M
M,

für Turbinenbohrer ohne hydrodynamische Brems stufen,

II Druckverluste

p] ~

für Turbinenbohrer ohne hydrodynamische Brem

stufen,
I₁-, Momentlinie

Λ/

für Turbinenbohrer mit einer Anzahl K] hydrodyn

mischer Bremsstufen, der Verminderung der Turbinenbohrerdrehzahl verklei-

It dieselbe Momentenlinie für die Anzahl Ki hydrody- nert, steigt im Vergleich mit den zwei oben beschriebe-

namischer Bremsstufen, wobei /C₂ > K\ ist, nen Varianten besonders intensiv mit dem Anwachsen

II_a Druckverluste der Drehzahl an. Die Kenndaten eines Turbinenbohrers

5 mit solchen hydrodynamischen Bremsstufen sind in F i g. 11 dargestellt. Die Bezeichnungen in F i g. 11 entsprechen denjenigen in F i g. 9 und 10.

Bei Benutzung dieser Abwandlung des hydrodynamischen Bremsens in Turbinenbohrern mit Flüssigkeitsfür Turbinenbohrer mit einer Anzahl K\ hydrodyna- io verbrauchs-Strahldruckumformern sowie in Turbinenmischer Bremsstufen, bohrern mit Reduzierventilen, d. h. in allen Turbinen-Hh Druckveriuste bei einer Anzahl K2 hydrodynami- bohrern, bei denen der Verbrauch der der Turbine scner Bremsstufen, wobei K2 > K\ ist. zugeführten Spülflüssigkeit von der Betriebsweise des

Turbinenbohrers abhängig ist, können die erwähnten

Aus Fig. 9 ist ersichtlich, daß in diesem Falle die 15 minimalen Arbeitsdrehzahlen erhalten werden,
hydrodynamischen Bremsstufen nicht nur als Bremse Bei der Fertigung von Schaufeln für die hydrodynamiarbeiten, die ein Anfahren des Turbinenbohrers sehe Bremsstufen-Baugruppe als geneigte Stücke zur verhindern, sondern auch als Druckregler, der das Ebene, die senkrecht zur Turbinenbohrerachse verläuft Ansteigen des Druckes über den zulässigen Wert (F i g. 6 und 8), hat für die Verminderung des verhindert. Durch den Einbau einer ausreichenden 20 Koeffizienten des hydraulischen Widerstandes des Anzahl hydrodynamischer Bremsstufen kann nicht nur gebremsten Turbinenbohrers sowie für das Tempo der die Leerlaufdrehzahl vermindert, sondern auch der Verringerung der Druckverluste beim Turbinenbohrer-Arbeitsbereich der Turbinenbohrer-Umdrehungen ein- leerlauf (bei Benutzung der ersten Variante gemäß geengt werden. Beim Einsatz solcher hydrodynamischer F i g. 6) das stoßfreie Umströmen der Schaufeln am Bremsstufen fallen die Druckverlustwerte im Turbinen- 25 Rotor und Stator eine große Bedeutung; das stoßfreie bohrer am kleinsten aus. Umströmen ist nur in jedem Falle möglich, wenn die In einigen Fällen ist es zweckmäßig, hydrodynami- Auslaufschaufeln sowohl am Rotor als auch am Stator in sehe Bremsstufen mit vertikalen Leit- und Laufschaufeln die Radiallinie gerichtet sind. Die letzte Bedingung kann der zweiten Variante (Fig. 7) einzusetzen. Versuche nicht eingehalten werden, wenn die geneigten Schaufeln ergaben, daß solche Schaufeln die größte Bremsfähig- 30 mit einer konstanten Höhe //unabhängig vom Abstand, keit aufweisen. Die Kenndaten eines Turbinenbohrers in dem der jeweiligen Schaufelquerschnitt von der mit solchen hydrodynamischen Bremsstufen sind in Turbinenbohrerachse liegt, ausgeführt sind.
Fig. 10 dargestellt. Die Bezeichnungen in Fig. 10 Deshalb ist es zweckmäßig, zur Verringerung der entsprechen denjenigen in Fig. 9. Solche Bremsstufen Druckverluste bei gebremster Turbinenbohrerwelle die erhöhen den Kennwert des hydraulischen Widerstandes 35 Schaufeln der hydrodynamischen Bremsstufen gemäß des Turbinenbohrers insgesamt, insbesondere aber im der ersten und dritten Variante (Fig.6 und 8) mit einer Vergleich mit den Bremsstufen, die gemäß der ersten längs der Radiallinie variablen Höhe //wie in Fig. 12 Variante(F ig. 5)ausgeführt sind. = auszuführen. In denjenigen Fällen, wenn die Höhe //der Die vertikalen Schaufeln können jedoch nicht als Schaufel sich proportional mit dem Entfernen des Druckverlustregler im Turbinenbohrer dienen, sie sind 40 jeweiligen Schaufelquerschniues von der Turbinenjedoch sehr einfach in ihrer Bauart und billig in der bohrerachse vergrößert, lassen sich die zwei wichtigsten Fertigung, deshalb ist ihre weitgehende Anwendung in Bedingungen einhalten, d. h.. die Neigung der Schaufelder Industrie aussichtsreich. achse zur Ebene, die senkrecht zur Turbinenbohrerach-Um auf der Turbinenbohrerwelle eine ganz kleine se verläufi, ist über die ganze Äadialerstreckung der Arbeitsdrehzahl zu erhalten (mehrere -zig Umdrehun- 45 Schaufel gleich, und außerdem sind die Projektionen der gen pro Minute) ist die Verwendung der dritten Einlauf- bzw. Auslaufkanten entlang der Radiallinie Ausführungsvariante der hydrodynamischen Bremsstu- gerichtet, d. h., daß die Projektionen der Einlauf- bzw, fen gemäß F i g. 8 vorteilhaft. In diesem Fall führt die Auslaufkanten der Schaufel auf die zur Turbinenbohrerhydrodynamische Bremsstufen-Baugruppe bei stehen- achse senkrechte Ebene mit den Radialrichtungen dem Rotor ebenso wie auch bei der ersten Variante 50 übereinstimmen bzw. zusammenfallen.
gemäß Fig.6 zu nahezu keinem Anwachsen der Zur Erleichterung des Gießens von Schaufeln fm Verluste am Turbinenbohrer, d. h., es entsteht insgesamt hydrodynamische Bremsstufen können die Schaufelr nur eine sehr geringe Vergrößerung des Kennwertes profiliert ausgeführt werden, d. h, mit einem stromlides hydraulischen Widerstandes des gebremsten Turbi- nienförmigen Profil. In Fig. 13 ist das Profil einei nenbohrers. Der Turbinenbohrer beginnt jedoch mit 55 solchen Schaufel dargestellt In diesem Falie wird die dem Ansteigen der Drehzahl der Turbinenbohrerwelle Schaufelneigung zur Ebene, die senkrecht zur Turbinen in immer größerem Maße als Axialpumpe zu arbeiten, bohrerachse ist, durch die Neigung der Mittellinie »777« die einen Gegendruck gegenüber der Hauptpumpe bestimmt; die Projektionen der Einlauf- bzw. Auslauf erzeugt. Der Koeffizient des hydraulischen Widerstan- kanten »a« und »Zx< der Schaufel auf die zui des des Turbinenbohrers, der eine Turbine mit 60 Turbinenbohrerachse senkrechte Ebene stimmen mi hydraulischem Widerstand aufweist, welcher sich mit der Radialrichtung überein.

Hier/u 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Turbinenbohrer für Tiefbohrlöcher, der ein Gehäuse mit in diesem starr befestigten Statoren, deren Schaufeln Leitkanäle für eine Spülflüssigkeit bilden, eine in Wälzlagerung montierte Welle mit starr auf dieser befestigten Rotoren, deren Schaufeln eine den Statorschaufeln entgegengesetzte Richtung aufweisen, und eine Vorrichtung zur Verminderung Ίο der Wellendrehzahl enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Verminderung der Wellendrehzahl aus im Gehäuse (3) des Turbinenbohrers zusätzlich befestigten Statoren (10) und auf der Welle (7) zusätzlich befestigten Rotoren (12) besteht, die hydrodynamische Bremsstufen (14) bilden und deren Schaufeln (11) im wesentlichen in gleicher Ricblung angeordnet sind.

2. Turbinenbohrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufein (11; 13) der Bremsstufen (14) unter gleichen Winkeln in bezug auf die zur Achse der Turbinenbohrerwelle (7) senkrechte Ebene angeordnet sind.

3. Turbinenbohrer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (11; 13) der Statoren (10) und Rotoren (12) der Bremsstufen (14) in radialer Erstreckung unterschiedliche Querschnittshöhen (H) aufweisen, wobei die Höhen (H) proportional zur radialen Entfernung von der Achse der Turbinenbohrerwelle (7) ansteigen.

4. Turbinenbohrer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (11; 13) der Statoren (10) und Rotoren {12) der Bremsstufen (14) in radialer Erstreckung eine konstante Querschnittshöhe aufweisen,

5. Turbinenbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (11; 13) der Bremsstufen (14) mit einem stromlinienförmigen Profil versehen sind, wobei deren Mittellinien unter gleichen Winkeln in bezug auf die zur Achse der Turbinenb-nhrerwelle (7) senkrechte Ebene angeordnet sind.