RU200831U1

RU200831U1 - BOTTOM HYDRAULIC ROTATOR

Info

Publication number: RU200831U1
Application number: RU2020109888U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Федорович Балденко; Федор Дмитриевич Балденко; Геннадий Петрович Чайковский
Original assignee: Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Буровая техника"
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2020-11-12

Abstract

Полезная модель относится к гидравлическим винтовым забойным двигателям (ВЗД) и может быть использована в различных технологиях ремонта нефтяных и газовых скважин, в частности для привода исполнительного инструмента (фрезы или долота). Заявленное техническое решение позволяет увеличить крутящий момент двигателя и обеспечить точную фиксацию окончания рабочего хода без резкого изменения давления в гидросистеме. Для решения поставленных технических задач предложена схема бесшарнирного ВЗД с подвижной в осевом направлении роторной группой, оснащенной верхней упорной пятой, причем рабочие органы выполняются многошаговыми, выходной вал установлен в устройстве, ограничивающем движение жидкости в направлении затрубного пространства, а упорная пята имеет дополнительное проходное сечение, выполненное в виде осевого отверстия в подпятнике или тангенциальных канавок в диске. Представлены две конструктивные схемы устройства, ограничивающего движение жидкости в направлении затрубного пространства. 2 з.п ф-лы, 2 ил.The utility model relates to hydraulic screw downhole motors (PDM) and can be used in various technologies for repairing oil and gas wells, in particular, to drive an operating tool (cutter or bit). The claimed technical solution allows to increase the engine torque and ensure accurate fixation of the end of the working stroke without a sharp change in the pressure in the hydraulic system. To solve the technical problems posed, a scheme of a hinged PDM with an axially movable rotor group equipped with an upper thrust heel is proposed, and the working bodies are multistage, the output shaft is installed in a device that limits the movement of fluid in the direction of the annulus, and the thrust heel has an additional flow section made in the form of an axial hole in the thrust bearing or tangential grooves in the disc. Two structural diagrams of a device limiting the movement of fluid in the direction of the annulus are presented. 2 c.p f-crystals, 2 ill.

Description

Полезная модель относится к техническим средствам, используемым в нефтегазовой промышленности при ремонте скважин. Существующие технологии предполагают необходимость ремонтных и ремонтно-восстановительных работ в бурильных и насосно-компрессорных трубах с использованием фрез, долот и другого металлорежущего инструмента. Для привода этих инструментов применяются вращающиеся с поверхности колонны труб или забойные гидравлические двигатели.The utility model refers to the technical means used in the oil and gas industry during well workover. Existing technologies imply the need for repair and maintenance work in drill pipes and tubing using cutters, bits and other metal-cutting tools. To drive these tools, pipe strings rotating from the surface or downhole hydraulic motors are used.

Вместе с тем, специального забойного оборудования для привода этих инструментов не существует. Применяемые в бурении винтовые забойные двигатели (ВЗД), предназначенные для непрерывной продолжительной работы на забое скважины, имеют сложную конструкции и отличаются многодетальностью.At the same time, there is no special downhole equipment for driving these tools. Downhole drilling motors (PDM) used in drilling, designed for continuous long-term operation at the bottom of the well, have a complex design and are distinguished by many details.

Для выполнения обозначенных выше ремонтно-восстановительных работ предлагается упрощенная специализированная конструкция бесшарнирного ВЗД, которая в дальнейшем будет называться «забойным гидравлическим вращателем».To carry out the above mentioned repair and restoration works, a simplified specialized design of a hingeless PDM is proposed, which will be further referred to as a “downhole hydraulic rotator”.

Ближайшим прототипом является устройство «Забойный гидравлический двигатель», защищенное патентом СССР №443156 от 10.05.1973, выполненное в бесшарнирном исполнении и состоящее из двух последовательно расположенных рабочих органов на базе винтовых героторных механизмов с противоположным направлением винтовых нарезок, причем их общая роторная группа, совершающая планетарное движение, передаваемое исполнительному инструменту, выполнена подвижной в осевом направлении, нижний винтовой героторный механизм выполняет функции радиальной опоры, а верхний ротор имеет хвостовик и упорную пяту, ограничивающую осевую подвижность ротора.The closest prototype is the “Downhole hydraulic motor” device, protected by the USSR patent No. 443156 dated 05/10/1973, made in a hingeless design and consisting of two successively located working bodies based on screw gerotor mechanisms with opposite direction of screw threads, and their common rotor group making the planetary motion transmitted to the executive tool is movable in the axial direction, the lower screw gerotor mechanism performs the functions of a radial support, and the upper rotor has a shank and a thrust heel limiting the axial movement of the rotor.

Недостатком прототипа является то, что для возможности получения информации о величине проходки инструмента и осуществления контроля рабочего хода роторной группы данная схема может быть реализована только в одношаговом исполнении основного (верхнего) винтового героторного механизма, поскольку длина хода роторной группы составляет величину не менее разности шагов винтовых поверхности статора и ротора, а по мере движения роторной группы вниз происходит разгерметизация шлюзов рабочих органов и резкое изменение давления в гидравлической системе после перекрытия проходного сечения упорной пяты.The disadvantage of the prototype is that in order to obtain information about the amount of penetration of the tool and to control the working stroke of the rotor group, this scheme can be implemented only in a one-step version of the main (upper) screw gerotor mechanism, since the length of the stroke of the rotor group is not less than the difference in the steps of the screw surfaces of the stator and rotor, and as the rotor group moves down, the locks of the working bodies are depressurized and the pressure in the hydraulic system abruptly changes after the flow section of the thrust heel is closed.

Другим недостатком прототипа является использование нижнего винтового героторного механизма, служащего для предотвращения поступления рабочей жидкости в затрубное пространство, минуя исполнительный инструмент, в виде рабочих органов насоса, что создает перепад давления в исполнительном инструменте и приводит к снижению крутящего момента на выходном валу двигателя вследствие дополнительных гидромеханических потерь в нижней секции рабочих органов.Another disadvantage of the prototype is the use of the lower screw gerotor mechanism, which serves to prevent the flow of the working fluid into the annulus, bypassing the executive tool, in the form of pump working bodies, which creates a pressure drop in the executive tool and leads to a decrease in torque on the engine output shaft due to additional hydromechanical losses in the lower section of the working bodies.

Данные особенности конструкции прототипа не позволяют спроектировать ВЗД с высоким крутящим моментом, что требуется для привода режущих исполнительных инструментов.These design features of the prototype do not allow the design of a PDM with a high torque, which is required to drive cutting executive tools.

Целью предлагаемой полезной модели является увеличение крутящего момента на выходном валу забойного гидравлического вращателя, а также точная фиксация окончания рабочего хода (нижнего положения роторной группы) в процессе работы без резкого изменения давления в гидросистеме, что позволяет автоматизировать подачу инструмента в соответствии с показаниями давления нагнетания силового насоса.The purpose of the proposed utility model is to increase the torque on the output shaft of the downhole hydraulic rotator, as well as to accurately record the end of the working stroke (the lower position of the rotor group) during operation without a sharp change in the pressure in the hydraulic system, which makes it possible to automate the supply of the tool in accordance with the pressure readings of the power pump.

Указанные цели достигаются за счет того, что рабочие органы основного винтового героторного механизма выполняются многошаговыми, выходной вал установлен в устройстве, ограничивающем движение жидкости в направлении затрубного пространства, а упорная пята имеет проходное сечение, выполненное в виде осевого отверстия в подпятнике или тангенциальных канавок в диске, что позволяет проходить потоку рабочей жидкости через вращатель при достижении нижнего положения роторной группы и посадке диска пяты на подпятник.These goals are achieved due to the fact that the working bodies of the main screw gerotor mechanism are multistage, the output shaft is installed in a device that restricts the movement of fluid in the direction of the annulus, and the thrust heel has a flow section made in the form of an axial hole in the thrust bearing or tangential grooves in the disk , which allows the flow of working fluid to pass through the rotator when the lower position of the rotor group is reached and the heel disk lands on the thrust bearing.

В качестве указанного устройства, ограничивающего движение жидкости, может быть использована радиальная опора скольжения или дополнительный винтовой героторный механизм, выполняющий функции лабиринтного уплотнения, длина статора которого не превышает половины шага его винтовой поверхности.A radial sliding bearing or an additional screw gerotor mechanism performing the functions of a labyrinth seal, the length of the stator of which does not exceed half the pitch of its screw surface, can be used as the specified device that limits the movement of the liquid.

В дальнейшем полезная модель поясняется описанием и чертежами.In the following, the utility model is illustrated by description and drawings.

На фиг. 1 изображен вариант забойного гидравлического вращателя с устройством, ограничивающим движение жидкости, выполненным в виде радиальной опоры скольжения.FIG. 1 shows a variant of a downhole hydraulic rotator with a device for limiting the movement of a fluid, made in the form of a radial sliding bearing.

На фиг. 2 изображен вариант вращателя с устройством, ограничивающим движение жидкости, выполненным в виде укороченного винтового героторного механизма, являющимся лабиринтным уплотнением.FIG. 2 shows a variant of a rotator with a device that restricts the movement of a liquid, made in the form of a shortened screw gerotor mechanism, which is a labyrinth seal.

Забойный гидравлический вращатель бесшарнирного исполнения установлен на конце колонны бурильных или насосно-компрессорных труб, спускаемых в скважину для проведения специальных технических операций, например при проработке ствола скважины, разбуривании пробок и фрезеровании металлических предметов.Downhole hydraulic rotator of hingeless design is installed at the end of a string of drill pipes or tubing, lowered into the well for special technical operations, for example, when developing a wellbore, drilling plugs and milling metal objects.

Вращатель состоит из корпуса 1, внутри которого располагаются рабочие органы, представляющие собой основной винтовой героторный механизм, состоящий из статора 2 и находящегося внутри него ротора 3, совершающего планетарное движения с конструктивным эксцентриситетом. Нижний конец ротора жестко соединен с выходным валом (хвостовиком) 4, передающим движение исполнительному инструменту (фрезе или долоту, на чертеже не показаны). Выходной вал выполнен полым (канал а) для прохождения жидкости к исполнительному инструменту.The rotator consists of a housing 1, inside of which the working bodies are located, which are the main screw gerotor mechanism, consisting of a stator 2 and a rotor 3 inside it, which makes planetary movements with a constructive eccentricity. The lower end of the rotor is rigidly connected to the output shaft (shank) 4, which transmits the movement to the executive tool (cutter or bit, not shown in the drawing). The output shaft is made hollow (channel a) for the passage of fluid to the executive tool.

Верхняя часть ротора при помощи штока 5 соединена с диском 6 упорной осевой пяты, взаимодействующим с подпятником 7, закрепленным в верхней части корпуса над рабочими органами, и верхней крышкой 8 корпуса. Крышка 8 и подпятник 7 имеют входные отверстия б, в для прохода жидкости в рабочие органы вращателя, причем входные отверстия б в верхней крышке располагаются таким образом, чтобы при нахождении роторной группы в верхнем положении проход жидкости полностью не перекрывается, что обеспечивает отсутствие гидроударов при пуске и переустановке вращателя.The upper part of the rotor by means of the rod 5 is connected to the disc 6 of the thrust axial foot, interacting with the thrust bearing 7, fixed in the upper part of the body above the working bodies, and the upper cover 8 of the body. The cover 8 and the thrust bearing 7 have inlets b, c for the passage of fluid into the working bodies of the rotator, and the inlets b in the upper cover are located so that when the rotor group is in the upper position, the fluid passage does not completely block, which ensures the absence of water hammer at start-up and reinstalling the rotator.

Для соединения с трубами и инструментом на корпусе и выходном валу вращателя имеются резьбы.For connection with pipes and tools, there are threads on the body and the output shaft of the rotator.

На выходном валу размещено устройство, ограничивающее движение жидкости и выполняющее функции сальника, что позволяет значительную часть потока рабочей жидкости направлять в зону режущего инструмента.On the output shaft there is a device that restricts the movement of the liquid and performs the functions of a stuffing box, which allows a significant part of the flow of the working fluid to be directed to the cutting tool area.

Упорная пята имеет дополнительное проходное сечение, выполненное в виде осевого отверстия г в подпятнике 7 или тангенциальных канавок в диске 6 (на чертеже не показано), что позволяет проходить потоку рабочей жидкости через вращатель при достижении нижнего положения роторной группы и посадке диска пяты на подпятник.The thrust heel has an additional flow section made in the form of an axial hole g in the thrust bearing 7 or tangential grooves in the disk 6 (not shown in the drawing), which allows the flow of the working fluid through the rotator when the lower position of the rotor group is reached and the disk of the heel fits on the thrust bearing.

Площадь дополнительного проходного отверстия г выбирается исходя из требуемого распределения давления в гидравлической системе при рабочем ходе вращателя и остановке движения роторной группы с целью ограничения режимов резкого изменения давления в гидросистеме, возможности контроля окончания рабочего цикла (при контакте рабочих поверхностей упорной пяты) и автоматизации его осуществления.The area of the additional passage hole r is selected based on the required pressure distribution in the hydraulic system during the working stroke of the rotator and stopping the movement of the rotor group in order to limit the modes of sudden changes in pressure in the hydraulic system, the possibility of monitoring the end of the working cycle (when the working surfaces of the thrust heel are in contact) and automating its implementation ...

В таком конструктивном исполнении рабочие органы вращателя могут иметь различную длину (число шагов), назначаемую в зависимости от требуемого крутящего момента.In this design, the working bodies of the rotator can have different lengths (number of steps), assigned depending on the required torque.

При работе забойного гидравлического вращателя рабочая жидкость, выходящая из верхней секции винтового героторного механизма, разделяется на два потока, один из которых поступает к исполнительному инструменту (через канал а), а второй - в затрубное пространство скважины, минуя зону исполнительного инструмента.When the downhole hydraulic rotator is operating, the working fluid leaving the upper section of the screw gerotor mechanism is divided into two streams, one of which enters the actuating tool (through channel a), and the second flows into the annulus of the well, bypassing the zone of the actuating tool.

Предлагаются два варианта конструктивного исполнения устройства, ограничивающего движение жидкости в затрубное пространство.There are two variants of the design of the device limiting the movement of fluid into the annulus.

В первом варианте (фиг. 1) выходной вал выполнен в виде цилиндрического хвостовика ротора 3 и установлен в радиальной опоре скольжения 9 с радиальным люфтом, величина которого составляет не менее двух эксцентриситетов героторного механизма рабочих органов.In the first version (Fig. 1), the output shaft is made in the form of a cylindrical rotor shank 3 and is installed in a radial sliding bearing 9 with radial play, the value of which is at least two eccentricities of the gerotor mechanism of the working bodies.

Во втором варианте (фиг. 2) в нижней части вращателя установлен дополнительный укороченный винтовой героторный механизм, ротор 11 которого является выходным валом, а статор 10 закреплен в корпусе 1. Отличительной особенностью дополнительного героторного механизма является то, что он имеет кинематическое отношение и размеры поперечного сечения идентичные основному героторному механизму рабочих органов (2, 3) вращателя, направление его винтовых нарезок противоположно направлению нарезок верхнего винтового героторного механизма, а длина L статора 10 составляет не более половины шага его винтовой поверхности.In the second version (Fig. 2) an additional shortened screw gerotor mechanism is installed in the lower part of the rotator, the rotor 11 of which is the output shaft, and the stator 10 is fixed in the housing 1. A distinctive feature of the additional gerotor mechanism is that it has a kinematic ratio and dimensions of the transverse the sections are identical to the main gerotor mechanism of the working bodies (2, 3) of the rotator, the direction of its screw threads is opposite to the direction of the threads of the upper screw gerotor mechanism, and the length L of the stator 10 is no more than half the pitch of its screw surface.

Баланс распределения потоков жидкости, поступающих к инструменту через полый нижний ротор и в затрубное пространство через камеры нижней секции рабочих органов, а также выбор оптимальной длины подшипника скольжения (вариант 1) и нижнего героторного механизма (вариант 2) определяется из гидравлических расчетов с учетом заданных условий работы инструмента и требований автоматизации рабочего процесса.The balance of the distribution of fluid flows entering the tool through the lower hollow rotor and into the annular space through the chambers of the lower section of the working bodies, as well as the choice of the optimal length of the sleeve bearing (option 1) and the lower gerotor mechanism (option 2) is determined from hydraulic calculations taking into account the specified conditions tool operation and workflow automation requirements.

Указанные конструктивные особенности обеспечивают требуемую кинематику движения роторной группы вращателя и сопротивление движению жидкости через уплотнительное устройство, но в то же время не создают условия превращения дополнительного героторного механизма в рабочие органы насоса, потребляющего часть мощности основного винтового героторного механизма вращателя, а также исключают установления режимов резкого изменения давления в гидросистеме.These design features provide the required kinematics of movement of the rotor group of the rotator and resistance to the movement of fluid through the sealing device, but at the same time do not create the conditions for the transformation of the additional gerotor mechanism into the working parts of the pump, which consumes part of the power of the main screw gerotor mechanism of the rotator, and also exclude the establishment of sharp changes in pressure in the hydraulic system.

Забойный гидравлический вращатель работает следующим образом. В исходном положении диск подпятника 6 находится в верхнем положении и при подаче жидкости от силового насоса через отверстия б, в создается крутящий момент на роторе 3, что приводит к планетарному движению ротора и выходного вала 4, на конце которого расположен исполнительный инструмент.Downhole hydraulic rotator works as follows. In the initial position, the thrust bearing disk 6 is in the upper position and when fluid is supplied from the power pump through the holes b, c, a torque is generated on the rotor 3, which leads to the planetary movement of the rotor and the output shaft 4, at the end of which the executive tool is located.

Основной поток жидкости, выходящей из рабочих органов поступает в канал а выходного вала и направляется в инструмент, совершающий полезную работу в скважине.The main flow of fluid leaving the working bodies enters the channel a of the output shaft and is directed to the tool that performs useful work in the well.

Вторая часть потока проходит через устройство, ограничивающее движение жидкости в направлении затрубного пространства, которое может быть выполнено по одной из двух описанных конструктивных схем.The second part of the flow passes through a device that restricts the movement of the liquid in the direction of the annulus, which can be made according to one of the two described design schemes.

Таким образом, заявленная полезная модель забойного гидравлического вращателя обеспечивает необходимое распределение потоков рабочей жидкости, поступающих как полость выходного вала и далее к исполнительному инструменту, так и в затрубное пространство, минуя инструмент, гарантируя при этом прохождение значительной части потока жидкости к инструменту, что необходимо для охлаждения режущих элементов во время выполнения операции в скважине.Thus, the claimed useful model of a downhole hydraulic rotator provides the necessary distribution of the flow of the working fluid entering both the cavity of the output shaft and further to the operating tool, and into the annulus, bypassing the tool, while guaranteeing the passage of a significant part of the fluid flow to the tool, which is necessary for cooling the cutting elements during the operation in the well.

Осевая нагрузка на исполнительный инструмент создается за счет перепада давления в рабочих органах двигателя независимо от веса колонны бурильных или насосно-компрессорных труб, что обеспечивает работоспособность вращателя при выполнении операций в наклонно направленных скважинах.The axial load on the operating tool is created due to the pressure drop in the working parts of the engine, regardless of the weight of the drill string or tubing, which ensures the rotator's operability when performing operations in directional wells.

По мере движения роторной группы на величину рабочего хода в процессе выполнения операции фрезерования (разбуривания) диск 6 пяты садится на подпятник 7, при этом весь поток жидкости протекает через отверстие г подпятника, что вследствие изменения гидравлического сопротивления внутренних каналов вращателя будет зафиксировано на поверхности по показаниям манометра или датчика давления на выходе из силового насоса.As the rotor group moves by the size of the working stroke during the milling (drilling) operation, the disc 6 of the heel sits on the thrust bearing 7, while the entire fluid flow flows through the hole g of the thrust bearing, which, due to the change in the hydraulic resistance of the internal channels of the rotator, will be fixed on the surface according to the indications pressure gauge or pressure sensor at the outlet of the power pump.

Для осуществления нового цикла проводится спуск колонны труб и корпуса 1 вращателя на величину, соответствующую ходу роторной группы, в результате чего роторная группа занимает исходное положение (при контакте диска 6 и торца верхней крышки 8) и рабочий цикл повторяется.To carry out a new cycle, the pipe string and the rotator body 1 are lowered by an amount corresponding to the stroke of the rotor group, as a result of which the rotor group takes its initial position (when the disc 6 and the end of the upper cover 8 are in contact) and the operating cycle is repeated.

Предлагаемые в полезной модели конструктивные решения расширяют существующую гамму ВЗД для ремонта нефтяных и газовых скважин, обеспечивают упрощение схемы двигателя (за счет исключения шарнирного соединения и осевой опоры, уменьшения числа резьбовых соединений), снижение его осевого габарита и ограничение режимов резкого изменения давления в гидравлической системе, что в итоге положительно скажется на эксплуатации и техническом обслуживании забойного двигателя и гидравлической системы в целом.The constructive solutions proposed in the utility model expand the existing range of PDMs for repairing oil and gas wells, simplify the engine layout (by eliminating the articulated joint and axial support, reducing the number of threaded connections), reducing its axial size and limiting the modes of sudden pressure changes in the hydraulic system , which will ultimately have a positive effect on the operation and maintenance of the downhole motor and the hydraulic system as a whole.

Claims

1. Hydraulic downhole rotator for repair work in oil and gas wells, consisting of a body connected to a pipe string, working bodies based on a screw gerotor mechanism, including a stator fixed in the body and a rotor movable in the axial direction, making planetary motion inside the stator with constructive eccentricity, as well as a hollow output shaft rigidly connected to the lower section of the rotor and transmitting rotation to an executive tool - a cutter or chisel, and a thrust heel containing a disc connected by a rod with the upper section of the rotor, a thrust bearing and an upper cover in the housing, limiting the axial movement of the rotor relative to the stator and having holes for the passage of liquid, characterized in that the working bodies are multistage, the output shaft is installed in a device that restricts the movement of liquid in the direction of the annular space, and the holes in the thrust bearing of the thrust heel are made in such a way that when the disk is seated on center bearing in the lower position of the rotor, an incomplete overlap of the flow area occurred.

2. A hydraulic downhole rotator according to claim 1, characterized in that a radial sliding support is used as a device that limits the movement of a fluid, installed with a radial play, the value of which is at least two eccentricities of the screw gerotor mechanism.

3. Hydraulic downhole rotator according to claim 1, characterized in that an additional screw gerotor mechanism with the direction of screw threads opposite to the direction of screw threads of the working bodies of the rotator is used as a device that limits the movement of liquid, and the length of the stator of the additional screw mechanism is no more than half pitch of its helical surface.