RU2205933C1 - Screw hydraulic downhole motor - Google Patents
Screw hydraulic downhole motor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2205933C1 RU2205933C1 RU2001130898A RU2001130898A RU2205933C1 RU 2205933 C1 RU2205933 C1 RU 2205933C1 RU 2001130898 A RU2001130898 A RU 2001130898A RU 2001130898 A RU2001130898 A RU 2001130898A RU 2205933 C1 RU2205933 C1 RU 2205933C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- working bodies
- stator
- screw motor
- axial
- hollow
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Hydraulic Motors (AREA)
- Rotary Pumps (AREA)
- Earth Drilling (AREA)
Abstract
Description
Винтовой забойный двигатель относится к буровой технике и может быть использован при бурении нефтяных и газовых скважин в качестве привода долота. The downhole screw motor belongs to drilling equipment and can be used when drilling oil and gas wells as a bit drive.
Известен винтовой забойный двигатель фирмы "Шлюмберже", содержащий корпус, рабочие органы, образующие полости высокого и низкого давления, включающие полый ротор и статор, установленный в корпусе с возможностью вращения, опорный узел статора, включающий радиально-упорный шарикоподшипник, установленный в корпусе выше рабочих органов, и радиальную опору статора, узел соединения ротора с неподвижным корпусом и предохранительный клапан (см. , например, книгу "Забойные винтовые двигатели для бурения скважин" Москва, "Недра", 1981 г., с. 205, рис.80, авторы: Гусман М.Т. и др.). Недостатком известного винтового забойного двигателя является то, что статор, установленный в корпусе с возможностью вращения, непосредственно связан с долотом, являющимся источником ударной забойной нагрузки. При работе винтового забойного двигателя ударная забойная нагрузка воспринимается и передается резиновыми зубьями вращающегося статора, которые, взаимодействуя со стальными (металлическими) зубьями невращающегося ротора, упруго деформируются с высокой частотой, растрескиваются, выкрашиваются и быстро разрушаются. A Schlumberger downhole screw motor is known, comprising a housing, working bodies forming high and low pressure cavities, including a hollow rotor and a stator mounted rotatably, a stator support assembly comprising an angular contact ball bearing mounted in a housing higher than the workers organs, and the stator radial support, the rotor to the fixed body connection unit and the safety valve (see, for example, the book "Downhole screw motors for drilling wells" Moscow, "Nedra", 1981, p. 205, Fig. 80, av Orae: Guzman MT, etc.).. A disadvantage of the known helical downhole motor is that the stator mounted in the housing with the possibility of rotation is directly connected to the bit, which is the source of the shock downhole load. During the operation of a downhole screw motor, an impact bottomhole load is absorbed and transmitted by the rubber teeth of the rotating stator, which, interacting with the steel (metal) teeth of the non-rotating rotor, elastically deform with high frequency, crack, crumble and quickly collapse.
Это подтверждается практикой испытаний, проведенных фирмой "Шлюмберже" на Ближнем Востоке: "Статоры приходили в негодность через 20-50 часов работы из-за разрушения зубчатой резиновой обкладки". This is confirmed by the practice of tests carried out by Schlumberger in the Middle East: "Stators became unusable after 20-50 hours of operation due to the destruction of the toothed rubber lining."
Другим недостатком известного винтового забойного двигателя является то, что в двигателе ограничена длина рабочих органов из-за значительного сопротивления вращению статора со стороны корпуса, его заедания и заклинивания при попадании мелких абразивных частиц в зазор между статором и корпусом. В связи с этим в известном двигателе появляется острая необходимость обеспечивать высокую герметичность уплотнений вращающегося статора. А это проблематично. Another disadvantage of the known downhole screw motor is that the length of the working bodies is limited in the engine due to the considerable resistance to rotation of the stator from the housing side, its seizing and jamming when small abrasive particles get into the gap between the stator and the housing. In this regard, in the known engine there is an urgent need to ensure high tightness of the seals of the rotating stator. And this is problematic.
Недостатком известного винтового забойного двигателя является то, что при спускоподъемных операциях в двигатель беспрепятственно попадает шлам из скважины через промывочные отверстия в долоте, через полый ротор, через рабочие органы. При запуске двигателя в работу шлам оседает и остается в рабочих органах, нарушая контакт ротора и статора, интенсивно их изнашивает, нередко в рабочих органах цементируется, снижая вероятность дальнейшего использования двигателя. A disadvantage of the known downhole screw motor is that during tripping operations, sludge from the well flows through the washing holes in the bit, through the hollow rotor, through the working bodies, unhindered into the engine. When the engine starts to work, the sludge settles and remains in the working bodies, disrupting the contact of the rotor and stator, wears them out intensively, it is often cemented in the working bodies, reducing the likelihood of further use of the engine.
Также недостатком известного винтового забойного двигателя является сложность изготовления статора совместно с опорным узлом и значительная трудоемкость достижения необходимой в этих условиях герметичности опорного узла. Сложность изготовления в сочетании с недостаточной его (статора) надежностью и низкой долговечностью использование известного винтового забойного двигателя делают малоэффективным и нецелесообразным. Another disadvantage of the known downhole screw motor is the complexity of manufacturing the stator together with the support node and the considerable complexity of achieving the necessary tightness of the support node under these conditions. The complexity of manufacturing, combined with its insufficient (stator) reliability and low durability, the use of the well-known downhole screw motor makes it ineffective and inappropriate.
Эти и другие недостатки не позволяют достичь необходимой надежности и долговечности статора и винтового забойного двигателя в целом и являются значительным препятствием к их использованию для бурения нефтяных и газовых скважин. These and other disadvantages do not allow to achieve the necessary reliability and durability of the stator and the downhole motor as a whole and are a significant obstacle to their use for drilling oil and gas wells.
Известен винтовой забойный двигатель, частично лишенный недостатков, присущих двигателю фирмы "Шлюмберже". Известный винтовой забойный двигатель содержит рабочие органы, включающие статор и размещенный внутри статора с возможностью вращения ротор, образующие совместно полости высокого и низкого давления, шпиндель, полый выходной вал которого кинематически связан с ротором при помощи гибкого элемента (см., например, а.с. 926208 от 16.03.79 г. МКИ3 Е 21 В 4/02, опубл. 07.05.82, Бюл. 17).Known screw downhole motor, partially devoid of the disadvantages inherent in the engine of the company Schlumberger. The well-known downhole screw motor contains working bodies, including a stator and a rotor arranged rotatably inside the stator, forming jointly high and low pressure cavities, a spindle whose hollow output shaft is kinematically connected to the rotor using a flexible element (see, for example, a.s 926208 dated March 16, 79 MKI 3 Е 21 В 4/02, publ. 07.05.82, Bull. 17).
Недостатком известного винтового забойного двигателя является то, что он лишен возможности регулирования своей энергетической характеристики без изменения производительности буровых насосов, то есть не может активно влиять на силовую нагрузку и пиковые перегрузки рабочих органов. Изменение производительности буровых насосов связано с затратами дополнительного труда, времени и средств и поэтому часто упускается. При этом не реализуется возможность повышения производительности бурения, не используются в полной мере технические и технологические возможности винтового забойного двигателя. A disadvantage of the known downhole screw motor is that it is deprived of the ability to control its energy characteristics without changing the performance of the mud pumps, that is, it cannot actively influence the power load and peak overloads of the working bodies. Changing the performance of mud pumps is associated with the cost of additional labor, time and money, and therefore is often overlooked. At the same time, the possibility of increasing the drilling productivity is not realized, the technical and technological capabilities of the downhole screw motor are not fully used.
Другим недостатком известного винтового забойного двигателя является его реальная возможность шламования при выполнении спускоподъемных операций. При опускании двигателя в скважину под двигателем создается избыточное давление, понуждающее ротор вращаться в обратном направлении, и жидкость из скважины, содержащая шлам (куски выбуренной породы), поступает через промывочные отверстия в долоте в двигатель, заполняет рабочие органы и бурильные трубы. При остановке спуска двигателя шлам оседает в рабочих органах, цементируется (затвердевает), нарушает рабочий контакт ротора и статора и нередко приводит их в негодность. Another disadvantage of the well-known downhole motor is its real possibility of slurry when performing hoisting operations. When lowering the engine into the well under the engine, excessive pressure is created that forces the rotor to rotate in the opposite direction, and the liquid from the well containing sludge (pieces of drill cuttings) enters through the flushing holes in the bit in the engine, fills the working bodies and drill pipes. When the engine is stopped, the sludge settles in the working bodies, cementes (hardens), disrupts the working contact of the rotor and stator and often renders them unusable.
Также недостатком известного винтового забойного двигателя является излишняя масса ротора и гибкого элемента, используемого для кинематического соединения ротора с полым выходным валом шпинделя. Эксцентрично вращающийся и планетарно обращающийся с высокой скоростью вокруг оси статора ротор и гибкий элемент (торсион) создают дополнительную нагрузку на рабочие органы (на ротор и статор) и на опорные узлы шпинделя. В результате рабочие органы и опорные узлы шпинделя дополнительно истираются, изнашиваются и преждевременно приходят в негодность. Эти и другие недостатки значительно снижают экономическую эффективность использования известного винтового забойного двигателя. Another disadvantage of the known downhole screw motor is the excessive mass of the rotor and the flexible element used to kinematically connect the rotor to the hollow spindle output shaft. The rotor eccentrically rotating and planetary circulating at high speed around the stator axis and the flexible element (torsion) create additional load on the working bodies (on the rotor and stator) and on the spindle support units. As a result, the working bodies and the support nodes of the spindle are additionally worn out, wear out and become prematurely unusable. These and other disadvantages significantly reduce the economic efficiency of using the well-known downhole motor.
Известен винтовой забойный двигатель, содержащий рабочие органы, включающие статор и размещенный внутри статора с возможностью вращения полый ротор, образующие совместно полости высокого и низкого давления, шпиндель, включающий корпус, полый выходной вал, подшипник, и гибкий элемент для кинематического соединения полого ротора с полым выходным валом шпинделя, выполненный в виде торсиона (см., например, патент СССР 784397 от 19.10.78 г., МКИ6 Е 21 В 4/02).Known downhole screw motor containing working bodies, including a stator and rotatable hollow rotor arranged inside the stator together forming high and low pressure cavities, a spindle including a housing, a hollow output shaft, a bearing, and a flexible element for kinematically connecting the hollow rotor to the hollow the output spindle shaft, made in the form of a torsion bar (see, for example, USSR patent 784397 from 10.19.78, MKI 6 E 21 B 4/02).
Известный винтовой забойный двигатель имеет полый ротор и, следовательно, меньшую массу, создающую дополнительную нагрузку на рабочие органы и на опорные узлы (на подшипник) шпинделя, то есть устранен недостаток, присущий ранее указанному винтовому забойному двигателю. Недостатком известного винтового забойного двигателя является то, что для изменения частоты вращения выходного вала шпинделя, мощности и момента силы, то есть для изменения энергетической характеристики двигателя, необходимо периодически изменять производительность буровых насосов, подающих промывочную жидкость к винтовому забойному двигателю. Это требует определенных затрат времени, труда и средств. The known downhole screw motor has a hollow rotor and, consequently, a lower mass, which creates additional load on the working bodies and on the support nodes (on the bearing) of the spindle, that is, the disadvantage inherent in the previously mentioned downhole screw motor is eliminated. A disadvantage of the known downhole screw motor is that in order to change the spindle output shaft rotation speed, power and torque, that is, to change the energy characteristic of the engine, it is necessary to periodically change the performance of mud pumps supplying flushing fluid to the downhole screw motor. This requires a certain amount of time, labor and money.
Другим недостатком известного винтового забойного двигателя является то, что энергетическая характеристика его довольно жесткая и слабо изменяется при изменении забойной ударной нагрузки на долоте. В случае внезапного резкого возрастания забойной нагрузки (например, при переходе долота из одного пласта породы в другой, более или менее вязкий, это возникает систематически, т.к. составы буримых пород крайне неоднородны) винтовой забойный двигатель стремится преодолеть возникшее сопротивление и значительно перегружает свои рабочие органы и опорные узлы шпинделя. В результате такой перегрузки происходит катастрофический износ ротора и статора. Нередки случаи заклинивания рабочих органов и аварийной остановки винтового забойного двигателя, которые приводят к необходимости экстренной остановки буровых насосов и проведению внеплановых ремонтно-восстановительных работ. Another disadvantage of the known downhole screw motor is that its energy characteristic is quite rigid and changes little when the bottomhole shock load on the bit changes. In the case of a sudden sharp increase in the bottomhole load (for example, when the bit moves from one formation to another, more or less viscous, this occurs systematically, since the compositions of the drill bits are extremely heterogeneous) the downhole screw motor tends to overcome the arisen resistance and significantly overloads its working bodies and supporting nodes of the spindle. As a result of such an overload, catastrophic wear of the rotor and stator occurs. There are frequent cases of jamming of working bodies and an emergency stop of a downhole screw motor, which lead to the need for an emergency stop of drilling pumps and unscheduled repair and restoration work.
Также недостатком известного винтового забойного двигателя является то, что в нем не исключена возможность шламования рабочих органов через промывочные отверстия в долоте при выполнении спускоподъемных операций. Шламование двигателя нередко приводит к необходимости преждевременной отправки его в ремонт для разборки и досрочной замены в нем рабочих органов, не отработавших своего назначенного ресурса. Another disadvantage of the known downhole screw motor is that it does not exclude the possibility of slurry of the working bodies through the flushing holes in the bit when performing hoisting operations. Sludging of the engine often leads to the need to prematurely send it for repair for disassembly and early replacement of working bodies in it that have not worked out their assigned resource.
Эти и другие недостатки известного винтового забойного двигателя не позволяют оперативно изменять его энергетическую характеристику применительно к изменяющимся условиям бурения скважин, для того чтобы максимально использовать технические возможности, заложенные в конструкции двигателя, и повышать его надежность и долговечность. These and other disadvantages of the well-known downhole motor do not allow to quickly change its energy characteristic in relation to changing conditions of well drilling in order to maximize the technical capabilities inherent in the design of the engine and increase its reliability and durability.
Известен винтовой забойный двигатель, содержащий корпус, в котором размещены рабочие органы, включающие статор и установленный внутри статора с возможностью эксцентричного вращения ротор с проточным каналом, образующие совместно полости высокого и низкого давления, шпиндель, полый выходной вал которого кинематически связан с ротором при помощи карданного вала, и верхний переводник, установленный на корпусе, внутри ротора установлена насадка (см. , например, книгу "Винтовые забойные двигатели" авторы: Д.Ф. Балденко и др., Москва, "Недра", 1999 г., с. 48, рис. 2.6 и с. 291, рис. 8.12). Known downhole screw motor containing a housing in which the working bodies are located, including the stator and installed inside the stator with the possibility of eccentric rotation of the rotor with a flow channel, forming jointly high and low pressure cavities, a spindle, the hollow output shaft of which is kinematically connected to the rotor by means of a universal joint shaft, and the upper sub mounted on the housing, a nozzle is installed inside the rotor (see, for example, the book "Downhole Motors" authors: DF Baldenko et al., Moscow, Nedra, 1999 G., p. 48, Fig. 2.6 and p. 291, Fig. 8.12).
В известном винтовом забойном двигателе выполнен дополнительный канал для пропуска части потока промывочной жидкости в обход рабочих органов. Насадка, установленная внутри ротора, пропускает мимо рабочих органов некоторое количество промывочной жидкости и снижает частоту вращения ротора. Энергетическая характеристика двигателя становится менее жесткая. Недостатком известного винтового забойного двигателя является то, что насадка не может обеспечить регулирование энергетической характеристики двигателя без изменения производительности буровых насосов, подающих промывочную жидкость к двигателю. In the well-known downhole motor, an additional channel is made for passing part of the flow of washing liquid bypassing the working bodies. The nozzle installed inside the rotor passes a certain amount of washing liquid past the working bodies and reduces the rotor speed. The energy characteristic of the engine becomes less rigid. A disadvantage of the known downhole screw motor is that the nozzle cannot provide control of the energy characteristics of the engine without changing the performance of the mud pumps supplying flushing fluid to the engine.
Периодическое изменение производительности буровых насосов требует дополнительных значительных затрат времени, средств и труда. Periodic changes in the performance of mud pumps require an additional significant investment of time, money and labor.
Другим недостатком известного винтового забойного двигателя является то, что двигатель не защищен от попадания в него шлама (мелких твердых частиц выбуренной породы) через промывочные отверстия в долоте при спускоподъемных операциях. При спуске винтового забойного двигателя в скважину под двигателем и под рабочими органами создается избыточное давление, которое понуждает ротор вращаться в обратном направлении, и жидкость, содержащая шлам, из скважины поступает в двигатель, заполняет рабочие органы, бурильные трубы. И ничто этому не препятствует. Another disadvantage of the known downhole screw motor is that the motor is not protected from sludge (small solid particles of cuttings) getting into it through the flushing holes in the bit during tripping. When the downhole screw motor is lowered into the well under the engine and under the working bodies, excessive pressure is created that forces the rotor to rotate in the opposite direction, and the fluid containing the sludge from the well enters the engine, fills the working bodies, drill pipes. And nothing prevents this.
При прекращении спуска двигателя и некоторой задержке промывки (даже на короткое время) шлам в рабочих органах оседает, цементируется и приводит двигатель в негодность (двигатель неминуемо направляется в ремонт). When the engine shutdown is stopped and the flushing is delayed for some time (even for a short time), the sludge in the working bodies settles, cements and renders the engine unusable (the engine inevitably goes for repair).
При ремонте зашламованного винтового забойного двигателя спасти статор от разрушения часто не представляется возможным. When repairing a slurry downhole screw motor, it is often not possible to save the stator from destruction.
Недостатком известного винтового забойного двигателя также является то, что статор установлен в корпусе и закрепление его осуществляется осевым сжатием по торцам с усилием, способным изменить величину шага винтовой линии и исказить форму зуба статора. Это нарушает геометрию зацепления ротора и статора и приводит к преждевременному истиранию, износу и досрочному разрушению рабочих органов. A disadvantage of the known downhole screw motor is also that the stator is installed in the housing and its fixing is carried out by axial compression along the ends with a force capable of changing the pitch of the helical line and distorting the shape of the stator tooth. This violates the geometry of the engagement of the rotor and stator and leads to premature abrasion, wear and premature destruction of the working bodies.
Кроме того, в известном винтовом забойном двигателе неоправданно занижен поперечный размер рабочих органов, следовательно, уменьшены силовые возможности рабочих органов и двигателя в целом. In addition, in the well-known downhole motor, the transverse size of the working bodies is unreasonably underestimated, therefore, the power capabilities of the working bodies and the engine as a whole are reduced.
Также недостатком известного винтового забойного двигателя является то, что полый ротор кинематически связан с полым выходным валом шпинделя непроточным карданным валом. Поток промывочной жидкости, пройдя через насадку со значительной скоростью, меняет направление и через радиальные отверстия в карданном вале направляется поперек потока промывочной жидкости, прошедшей рабочие органы. В результате корпусные детали подвергаются размыву струей, со значительной скоростью бьющей в радиальном направлении, и не исключены случаи образования сквозного размытого отверстия в корпусе двигателя. Another disadvantage of the known downhole screw motor is that the hollow rotor is kinematically connected to the hollow output shaft of the spindle by a non-flowing cardan shaft. The flow of flushing fluid, passing through the nozzle at a significant speed, changes direction and is directed through the radial holes in the driveshaft across the flow of flushing fluid that has passed through the working bodies. As a result, hull parts undergo erosion with a jet that strikes at a considerable speed in the radial direction, and cases of the formation of a through blurred hole in the engine housing are not excluded.
Эти и другие недостатки не позволяют эффективно использовать известный винтовой забойный двигатель для бурения скважин и являются препятствием к широкому их применению для бурения нефтяных и газовых скважин. These and other disadvantages do not allow the efficient use of the well-known downhole motor for drilling wells and are an obstacle to their widespread use for drilling oil and gas wells.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является винтовой забойный двигатель, содержащий рабочие органы, включающие статор и размещенный внутри статора с возможностью эксцентричного вращения полый ротор со сквозным осевым каналом, образующие совместно полости высокого и низкого давления, шпиндель, полый выходной вал которого кинематически связан с полым ротором при помощи полого гибкого элемента с проточным каналом, и верхний переводник, установленный на статоре (см. патент US 5174392 от 29.12.92 г., кл.5 Е 21 В 4/02).The closest to the invention in terms of technical nature and the technical result achieved is a downhole screw motor containing working bodies including a stator and a hollow rotor with a through axial channel located inside the stator with the possibility of eccentric rotation, forming jointly high and low pressure cavities, spindle, hollow output shaft which is kinematically connected to the hollow rotor by means of a hollow flexible element with a flow channel, and an upper sub mounted on the stator (see US patent 5174392 dated December 29, 1992, cl. 5 E 21 B 4/02).
Данное изобретение принято за прототип, т.к. в нем устранены некоторые существенные недостатки, присущие известным винтовым забойным двигателям: уменьшена масса эксцентрично вращающихся деталей и в связи с этим снижена силовая нагрузка на рабочие органы и на опорные узлы шпинделя от инерционных сил; обеспечена прямоточность канала истечения промывочной жидкости, прошедшей мимо рабочих органов, и ликвидирована угроза размыва корпусных деталей направленной струей. This invention is taken as a prototype, because it eliminated some significant drawbacks inherent in well-known downhole screw motors: the mass of eccentrically rotating parts was reduced and, therefore, the power load on the working bodies and on the spindle support units from inertial forces was reduced; the direct flow of the channel of the outflow of washing liquid, which passed by the working bodies, is ensured, and the threat of erosion of the hull parts by a directed jet is eliminated.
Недостатком известного винтового забойного двигателя является то, что он не защищен от попадания шлама и мелких абразивных частиц в рабочие органы (при спускоподъемных операциях) через промывочные отверстия в долоте. Ничто не препятствует обратному вращению ротора при спуске двигателя в скважину, и шлам, находящийся в скважине, вместе с жидкостью под избыточным давлением поступает через полый вал в рабочие органы, понуждая их вращаться в обратном направлении, заполняет двигатель и нижнюю часть бурильной колонны. При последующем запуске двигателя необходимо тщательно промыть его, в противном случае шламования и аварийного подъема для ремонта винтового забойного двигателя не избежать. Другим существенным недостатком известного винтового забойного двигателя является то, что он обладает излишне жесткой энергетической характеристикой, которая в большинстве своем является причиной интенсивного истирания, ускоренного износа и преждевременного разрушения рабочих органов из-за перегрузок. В связи с резким повышением забойной нагрузки давление в рабочих органах возрастает до тех пор, пока сопротивление вращению долота не будет преодолено. Это может продолжаться до полной остановки двигателя. При этом промывочная жидкость под предельным давлением деформирует резиновые зубья статора и беспрепятственно протекает через рабочие органы, непроизводительно изнашивая и преждевременно разрушая их. A disadvantage of the known downhole screw motor is that it is not protected from the ingress of sludge and small abrasive particles into the working bodies (during tripping) through flushing holes in the bit. Nothing prevents the reverse rotation of the rotor when the engine is lowered into the well, and the sludge located in the well, together with the liquid, under excess pressure enters the working bodies through the hollow shaft, forcing them to rotate in the opposite direction, fills the engine and the lower part of the drill string. The next time you start the engine, you must thoroughly rinse it, otherwise sludging and emergency lifting for repairing the downhole motor cannot be avoided. Another significant drawback of the known downhole screw motor is that it has an excessively rigid energy characteristic, which for the most part is the cause of intense abrasion, accelerated wear and premature destruction of the working bodies due to overloads. Due to a sharp increase in the bottomhole load, the pressure in the working bodies increases until the resistance to rotation of the bit is overcome. This can continue until the engine stops completely. In this case, the flushing fluid under extreme pressure deforms the rubber teeth of the stator and flows unhindered through the working bodies, wearing out unproductively and prematurely destroying them.
Также недостатком известного винтового забойного двигателя является то, что он имеет достаточно высокий удельный перепад давления на единицу момента силы, и с увеличением расхода промывочной жидкости он возрастает. Another disadvantage of the known downhole screw motor is that it has a sufficiently high specific pressure drop per unit torque, and with an increase in the flow rate of the flushing fluid it increases.
Больший удельный перепад давления на единицу момента силы предопределяет большую удельную нагрузку на рабочие органы и на опорные узлы, большую потерю мощности, следовательно, более интенсивный износ ротора, статора, опорных узлов шпинделя, меньшую надежность и долговечность винтового забойного двигателя. A greater specific pressure drop per unit of moment of force determines a greater specific load on the working bodies and on the support units, a large loss of power, therefore, more intensive wear of the rotor, stator, spindle support units, less reliability and durability of the downhole screw motor.
Эти и другие недостатки известного винтового забойного двигателя не позволяют в полной мере обеспечить его длительную безаварийную работу и не дают возможности повышать технологические качества, его экономическую эффективность, надежность и долговечность. These and other disadvantages of the well-known downhole motor do not fully ensure its long trouble-free operation and do not provide the opportunity to improve technological quality, its economic efficiency, reliability and durability.
Задачами предлагаемого изобретения являются устранение имеющихся недостатков известного винтового забойного двигателя и смягчение его энергетической характеристики, снижение удельного перепада давления на единицу момента силы, создание возможности изменения и регулирования энергетической характеристики в широких пределах на буровой без изменения производительности буровых насосов, предотвращение возможности аварийного разрушения статора при перегрузках рабочих органов забойными нагрузками и шламованием их, уменьшение инерционных нагрузок на рабочие органы и на опорные узлы шпинделя, исключение возможности попадания шлама в рабочие органы через промывочные отверстия в долоте при спускоподъемных операциях и нарушения контакта ротора и статора из-за этого, и в конечном счете повышение надежности и долговечности винтового забойного двигателя, повышение его экономической эффективности. The objectives of the invention are to eliminate the existing drawbacks of the known downhole motor and mitigate its energy characteristics, reduce the specific pressure drop per unit of torque, create the ability to change and control the energy characteristics over a wide range without changing the performance of the mud pumps, and prevent the possibility of accidental destruction of the stator when overloads of working bodies with downhole loads and their sludge, reduction of inertia these loads on the working bodies and on the support nodes of the spindle, eliminating the possibility of sludge entering the working bodies through flushing holes in the bit during tripping and disturbing contact of the rotor and stator due to this, and ultimately increasing the reliability and durability of the downhole screw motor, increasing its economic efficiency.
Поставленные задачи решаются за счет того, что в известном винтовом забойном двигателе, содержащем рабочие органы, включающие статор и размещенный внутри статора с возможностью эксцентричного вращения полый ротор со сквозным осевым каналом, образующие совместно полости высокого и низкого давления, шпиндель, полый выходной вал которого кинематически связан с полым ротором при помощи полого гибкого элемента с проточным каналом, и верхний переводник, установленный на статоре, согласно изобретению он содержит узел регулирования силовой нагрузки на рабочие органы, установленный на полый ротор в полости высокого давления для перекрытия сквозного осевого канала, и обратный клапан, установленный в верхнем переводнике для гидравлического взаимодействия с рабочими органами и с узлом регулирования силовой нагрузки на рабочие органы;
- узел регулирования силовой нагрузки на рабочие органы выполнен в виде полумуфты с выполненным в ней проточным осевым отверстием и снабжен набором быстросменяемых гидромониторных насадок, каждая с различной величиной площади поперечного сечения проточного канала, причем одна гидромониторная насадка из набора установлена в полумуфту для перекрытия проточного осевого отверстия и для гидравлического взаимодействия с рабочими органами двигателя и с обратным клапаном;
- узел регулирования силовой нагрузки на рабочие органы выполнен в виде дорна переменного поперечного сечения, размещенного в проточном канале установленной в полумуфту гидромониторной насадки с возможностью взаимного осевого перемещения;
- установленная в полумуфту гидромониторная насадка в осевом направлении подпружинена;
- площадь поперечного сечения сквозного осевого канала полого ротора, проточного осевого отверстия полумуфты и проточного канала полого гибкого элемента выполнены каждая больше, чем площадь поперечного сечения проточного канала, выполненного в каждой из набора гидромониторной насадке.The tasks are solved due to the fact that in the well-known downhole screw motor containing working bodies, including a stator and placed inside the stator with the possibility of eccentric rotation, a hollow rotor with a through axial channel forming joint cavities of high and low pressure, a spindle, the hollow output shaft of which is kinematically connected to the hollow rotor by means of a hollow flexible element with a flow channel, and the upper sub mounted on the stator, according to the invention, it contains a power control unit load on the working bodies mounted on the hollow rotor in the high-pressure cavity to close the through axial channel, and a check valve installed in the upper sub for hydraulic interaction with the working bodies and with the power load control unit on the working bodies;
- the unit for regulating the power load on the working bodies is made in the form of a half-coupling with a flowing axial hole made in it and equipped with a set of quick-change hydraulic monitor nozzles, each with a different cross-sectional area of the flow channel, and one hydraulic monitor nozzle from the set is installed in the coupling half to close the axial flow hole and for hydraulic interaction with the working bodies of the engine and with a check valve;
- the unit for regulating the power load on the working bodies is made in the form of a mandrel of variable cross-section, placed in the flow channel installed in the coupling sleeve of the hydraulic nozzle with the possibility of mutual axial movement;
- the axial directional nozzle mounted in the coupling half is spring loaded;
- the cross-sectional area of the through axial channel of the hollow rotor, the flow axial hole of the coupling half and the flow channel of the hollow flexible element is each larger than the cross-sectional area of the flow channel made in each of the set of hydraulic nozzle.
В предлагаемом винтовом забойном двигателе узел регулирования силовой нагрузки на рабочие органы обеспечивает возможность изменения величины площади поперечного сечения проточного канала (зазора) и задает определенную степень зависимости забойной нагрузки от расхода промывочной жидкости, направляемой мимо рабочих органов. Силовая нагрузка на рабочие органы представляет собой крутящий момент силы, развиваемый рабочими органами винтового забойного двигателя для преодоления момента сопротивления вращению долота, т.е. для преодоления забойной нагрузки. In the proposed screw downhole motor, the knot for regulating the power load on the working bodies provides the possibility of changing the cross-sectional area of the flow channel (gap) and sets a certain degree of dependence of the bottomhole load on the flow rate of flushing fluid directed past the working bodies. The power load on the working bodies is the torque of the force developed by the working bodies of the downhole screw motor to overcome the moment of resistance to rotation of the bit, i.e. to overcome the bottomhole load.
В результате того, что предлагаемый винтовой забойный двигатель содержит узел регулирования силовой нагрузки на рабочие органы, установленный на полый ротор в полости высокого давления для перекрытия сквозного осевого канала, и обратный клапан, установленный в верхнем переводнике для гидравлического взаимодействия с рабочими органами и с узлом регулирования силовой нагрузки на рабочие органы, создается возможность для уменьшения (изменения) силовой нагрузки на рабочие органы путем регулирования частоты вращения ротора и долота и связанного с этим изменения количества отбиваемой долотом породы и своевременного удаления ее с забоя путем улучшения (соответствующего изменения) качества промывки и очистки забоя от выбуренной породы. As a result of the fact that the proposed downhole screw motor contains a control unit for the power load on the working bodies mounted on the hollow rotor in the high-pressure cavity to close the through axial channel, and a check valve installed in the upper sub for hydraulic interaction with the working bodies and with the control unit power load on the working bodies, it is possible to reduce (change) the power load on the working bodies by adjusting the rotor and bit speed and the change in the quantity of rock beaten by the chisel and timely removal of it from the bottom by improving (the corresponding change) in the quality of washing and cleaning the bottom of the cuttings.
Это позволяет исключить дополнительное непроизводительное перемалывание шлама на забое, уменьшить момент сопротивления вращению долота, следовательно, уменьшить силовые нагрузки на рабочие органы, существенно сократить дополнительное истирание и износ ротора и статора. В результате использования узла регулирования силовой нагрузки на рабочие органы в предлагаемом винтовом забойном двигателе создается возможность снижения силовой нагрузки на рабочие органы вплоть до полного снятия ее непосредственно на буровой без изменения производительности буровых насосов. This eliminates the additional unproductive grinding of sludge at the bottom, reduces the moment of resistance to rotation of the bit, therefore, reduces power loads on the working bodies, significantly reduce additional abrasion and wear of the rotor and stator. As a result of the use of the unit for regulating the power load on the working bodies in the proposed downhole screw motor, it becomes possible to reduce the power load on the working bodies until it is completely removed directly at the drilling without changing the performance of the mud pumps.
При спуске винтового забойного двигателя в скважину жидкость из скважины под действием избыточного давления, возникающего под двигателем, через промывочные отверстия в долоте поступает в двигатель. When the downhole screw motor is lowered into the well, liquid from the well under the influence of excess pressure arising under the motor enters the engine through the flushing holes in the bit.
Узел регулирования силовой нагрузки на рабочие органы свободно пропускает жидкость под обратный клапан, гидравлически взаимодействует с ним, выравнивает давление над рабочими органами и под ними, тем самым предотвращает обратное вращение ротора и устраняет возможность ухудшения контакта ротора и статора из-за шламования, исключает непроизводительную дополнительную силовую нагрузку на рабочие органы, предотвращает излишнее истирание и износ рабочих органов. The unit for regulating the power load on the working bodies freely passes liquid under the check valve, hydraulically interacts with it, equalizes the pressure above and below the working bodies, thereby preventing reverse rotation of the rotor and eliminating the possibility of deterioration of the contact of the rotor and stator due to sludge, eliminating unproductive additional power load on the working bodies, prevents excessive abrasion and wear of the working bodies.
Узел регулирования силовой нагрузки на рабочие органы во взаимодействии с обратным клапаном значительно разгружает рабочие органы двигателя при резком повышении забойной нагрузки (например, при аварийной остановке и заклинивании долота). The unit for regulating the power load on the working bodies in cooperation with the non-return valve significantly unloads the working bodies of the engine with a sharp increase in the bottomhole load (for example, during an emergency stop and jamming of the bit).
При резкой остановке вращения ротора (долота) в полости высокого давления под обратным клапаном скачкообразно повышается давление и обратный клапан закрывается, принимая на себя гидравлический удар от движения промывочной жидкости по бурильным трубам и снимая перегрузку с рабочих органов. В связи с этим на какое-то (весьма малое) время прекращается подача промывочной жидкости в рабочие органы. Промывочная жидкость под повышенным давлением и в увеличенном объеме протекает через узел регулирования силовой нагрузки на рабочие органы, сбрасывает повышенное давление, а в незначительном объеме просачивается через рабочие органы, не причиняя им существенного вреда. When the rotation of the rotor (chisel) stops abruptly in the high-pressure cavity under the non-return valve, the pressure rises abruptly and the non-return valve closes, taking on a hydraulic shock from the movement of flushing fluid through the drill pipes and removing overload from the working bodies. In this regard, for some (very small) time, the supply of flushing fluid to the working bodies stops. Flushing fluid under high pressure and in an increased volume flows through the power load control unit to the working bodies, relieves the increased pressure, and leaks through the working bodies in a small amount without causing significant harm to them.
Таким образом, при реализации изобретения решаются задачи расширения арсенала технических средств для бурения нефтяных и газовых скважин и может быть получен следующий технический результат:
- создан винтовой забойный двигатель с новыми качествами, обеспечивающими смягчение энергетической характеристики двигателя и снижение удельного перепада давления на рабочих органах на единицу момента силы, и благодаря этому может быть ликвидировано жесткое взаимодействие ротора и статора, предотвращено преждевременное разрушение рабочих органов;
- создана возможность изменения и регулирования энергетической характеристики двигателя в широких пределах непосредственно на буровой без изменения производительности буровых насосов и в связи с этим устранена возможность забойной перегрузки рабочих органов, повышенного истирания их, чрезмерного износа и аварийного разрушения;
- исключена возможность попадания шлама в рабочие органы двигателя через промывочные отверстия в долоте при спускоподъемных операциях и в результате устраняется вероятность ухудшения контакта ротора и статора, уменьшено истирание, снижен износ рабочих органов и опорных узлов шпинделя, снижена вероятность дополнительного и аварийного отправления в ремонт винтового забойного двигателя из-за шламования его рабочих органов.Thus, when implementing the invention, the tasks of expanding the arsenal of technical means for drilling oil and gas wells are solved and the following technical result can be obtained:
- a downhole screw motor has been created with new qualities that provide mitigation of the energy performance of the engine and a decrease in the specific pressure drop across the working bodies per unit torque, and due to this, the rigid interaction of the rotor and stator can be eliminated, and premature destruction of the working bodies is prevented;
- the opportunity was created for changing and regulating the energy characteristics of the engine over a wide range directly at the drilling site without changing the performance of the mud pumps and, in connection with this, the possibility of downhole overloading of working bodies, their increased abrasion, excessive wear and accidental destruction was eliminated;
- eliminated the possibility of sludge getting into the working parts of the engine through the flushing holes in the bit during tripping operations and as a result the probability of deterioration of the contact of the rotor and stator is eliminated, attrition is reduced, wear of the working parts and the spindle support assemblies is reduced, the likelihood of additional and emergency downhole screw repair is reduced engine due to slurry of its working bodies.
В результате того что в предлагаемом винтовом забойном двигателе узел регулирования силовой нагрузки на рабочие органы выполнен в виде полумуфты с выполненным в ней проточным осевым отверстием и снабжен набором быстросменяемых гидромониторных насадок, каждая с различной величиной площади поперечного сечения проточного канала, причем одна гидромониторная насадка из набора установлена в полумуфту для перекрытия проточного осевого отверстия и для гидравлического взаимодействия с рабочими органами двигателя и с обратным клапаном, создается возможность периодически по мере надобности менять гидромониторную насадку, устанавливаемую в полумуфте, на другую, с необходимой площадью поперечного сечения проточного канала, и тем самым оперативно освобождать рабочие органы винтового забойного двигателя от ожидаемых перегрузок или также оперативно повышать нагрузочную способность рабочих органов для преодоления повышенной силовой нагрузки. As a result of the fact that in the proposed screw downhole motor the control unit for the power load on the working bodies is made in the form of a half coupling with a flowing axial bore made in it and equipped with a set of quick-change hydraulic monitor nozzles, each with a different cross-sectional area of the flow channel, and one hydraulic monitor nozzle from the set installed in the coupling half for closing the axial flow hole and for hydraulic interaction with the working parts of the engine and with the check valve, It is possible to periodically change the hydraulic nozzle installed in the coupling half, if necessary, to another, with the required cross-sectional area of the flow channel, and thereby quickly release the working bodies of the downhole motor from the expected overloads or also quickly increase the load capacity of the working bodies to overcome increased power load.
Таким образом, создается возможность оперативной заменой гидромониторной насадки осуществить первую ступень регулирования силовой нагрузки на рабочие органы и обеспечить периодическое ступенчатое регулирование (изменение) энергетической характеристики двигателя. Thus, it is possible to quickly replace the jet nozzle to carry out the first stage of regulation of the power load on the working bodies and to provide periodic stepwise regulation (change) of the energy characteristics of the engine.
В результате того что в предлагаемом винтовом забойном двигателе узел регулирования силовой нагрузки на рабочие органы выполнен в виде дорна переменного поперечного сечения, размещенного в проточном канале установленной в полумуфту гидромониторной насадки с возможностью взаимного осевого перемещения, создается возможность оперативно, на буровой, бесступенчато и точно регулировать и устанавливать определенную силовую нагрузку на рабочие органы, т.е. задавать рабочим органам двигателя наиболее благоприятный режим работы. Это достигается путем изменения величины зазора и площади поперечного сечения проточного канала в узле регулирования силовой нагрузки на рабочие органы, образованного наружным профилем дорна переменного сечения и внутренним профилем проточного канала гидромониторной насадки за счет осевого перемещения дорна. As a result of the fact that in the proposed screw downhole motor the control unit for the power load on the working bodies is made in the form of a mandrel of variable cross-section, located in the flow channel installed in the coupling sleeve of the hydraulic monitor nozzle with the possibility of mutual axial movement, it is possible to quickly, steplessly and precisely adjust and establish a certain power load on the working bodies, i.e. set the working bodies of the engine the most favorable mode of operation. This is achieved by changing the size of the gap and the cross-sectional area of the flow channel in the node for regulating the power load on the working bodies, formed by the external profile of the mandrel of variable cross section and the internal profile of the flow channel of the hydraulic nozzle due to the axial movement of the mandrel.
Таким образом, в предлагаемом винтовом забойном двигателе решается задача периодического бесступенчатого регулирования силовой нагрузки на рабочие органы, т. е. реализуется вторая ступень регулирования энергетической характеристики двигателя. Thus, the proposed downhole screw motor solves the problem of periodic stepless regulation of the power load on the working bodies, i.e., the second stage of regulation of the energy characteristics of the engine is implemented.
В результате того что в предлагаемом винтовом забойном двигателе в узле регулирования силовой нагрузки на рабочие органы установленная в полумуфту гидромониторная насадка в осевом направлении подпружинена, создается возможность под действием изменяющегося перепада давления, сопровождающего процесс бурения скважин, изменять величину площади поперечного сечения проточного канала (зазора) путем осевого смещения гидромониторной насадки относительно дорна переменного поперечного сечения и тем самым изменять расход промывочной жидкости мимо рабочих органов и через рабочие органы и автоматически регулировать силовую нагрузку на рабочие органы. As a result of the fact that in the proposed downhole screw motor in the node for regulating the power load on the working bodies, the hydraulic monitor nozzle installed in the coupling half in the axial direction is spring loaded, it is possible under the influence of the changing pressure drop accompanying the drilling process to change the cross-sectional area of the flow channel (gap) by axial displacement of the nozzle relative to the mandrel of variable cross section and thereby change the flow rate of the flushing fluid te past the working bodies and through the working bodies and automatically adjust the power load on the working bodies.
При повышении забойной нагрузки и связанного с этим возрастания перепада давления на рабочих органах повышается силовая нагрузка на рабочие органы. В связи с возрастанием перепада давления на рабочих органах гидромониторная насадка, преодолевая сопротивление пружины, смещается вниз и увеличивает площадь поперечного сечения проточного канала (зазора). Промывочная жидкость под возросшим давлением через увеличенную площадь поперечного сечения проточного канала в большем объеме протекает к долоту и лучше промывает и качественнее очищает забой от выбуренной породы. В связи с тем что общий объем промывочной жидкости, поступающей в двигатель, остается неизменным, количество промывочной жидкости, проходящее через рабочие органы двигателя, уменьшается, поэтому снижается частота вращения ротора и долота, и количество выбуренной породы уменьшается. With an increase in the bottomhole load and the associated increase in the pressure drop across the working bodies, the power load on the working bodies increases. Due to the increase in pressure drop across the working bodies, the hydraulic nozzle, overcoming the resistance of the spring, moves down and increases the cross-sectional area of the flow channel (gap). Flushing fluid under increased pressure through a larger cross-sectional area of the flow channel flows to a bit in a larger volume and rinses better and cleans the face from cuttings better. Due to the fact that the total volume of flushing fluid entering the engine remains unchanged, the amount of flushing fluid passing through the working parts of the engine decreases, therefore, the rotor and bit speed decreases, and the amount of cuttings decreases.
Таким образом, уменьшение количества выбуренной долотом породы на забое и улучшение промывки и очистки забоя от выбуренной породы приводит к тому, что забойная нагрузка снижается, перепад давления и силовая нагрузка на рабочие органы уменьшается. В связи с уменьшением перепада давления на рабочих органах гидромониторная насадка под действием пружины перемещается вверх и уменьшает площадь поперечного сечения проточного канала (зазора). Промывочная жидкость под пониженным давлением через уменьшенную площадь поперечного сечения проточного канала и в меньшем объеме протекает к долоту, а в большем объеме проходит через рабочие органы, повышая частоту вращения ротора и долота. Thus, a decrease in the amount of rock drilled at the bottom by a bit and an improvement in flushing and cleaning of the bottom from drilled rock leads to a decrease in bottomhole load, a pressure drop and a power load on the working bodies are reduced. In connection with a decrease in the pressure drop across the working bodies, the hydromonitor nozzle moves upward under the action of a spring and reduces the cross-sectional area of the flow channel (gap). Flushing liquid under reduced pressure through a reduced cross-sectional area of the flow channel and in a smaller volume flows to the bit, and in a larger volume passes through the working bodies, increasing the rotational speed of the rotor and the bit.
Таким образом реализуется третья ступень регулирования силовой нагрузки на рабочие органы - автоматического бесступенчатого регулирования энергетической характеристики винтового забойного двигателя. Thus, the third stage of regulation of the power load on the working bodies is realized - automatic stepless regulation of the energy characteristics of a downhole screw motor.
В результате того что в предлагаемом винтовом забойном двигателе площади поперечного сечения сквозного осевого канала полого ротора, проточного осевого отверстия полумуфты и проточного канала полого гибкого элемента выполнены каждая больше, чем площадь поперечного сечения проточного канала, выполненного в каждой из набора гидромониторной насадке, создается возможность уменьшения инерционных силовых нагрузок на рабочие органы и на опорные узлы шпинделя путем уменьшения массы эксцентрично вращающихся деталей и сохранения определенной индивидуальной степени зависимости силовой нагрузки на рабочие органы от каждого по величине размера площади поперечного сечения проточного канала (зазора) гидромониторной насадки в узле регулирования силовой нагрузки на рабочие органы. As a result of the fact that in the proposed downhole screw motor the cross-sectional area of the through axial channel of the hollow rotor, the flow-through axial hole of the coupling half and the flow channel of the hollow flexible member is each larger than the cross-sectional area of the flow channel made in each of the set of the hydraulic nozzle, it is possible to reduce inertial power loads on the working bodies and on the spindle support nodes by reducing the mass of eccentrically rotating parts and preserving defined th individual degree depending on a power load working bodies from each largest-sized cross-sectional area of the flow channel (gap) in the jet nozzle assembly for a power load adjusting operating members.
Таким образом, реализация отличительных признаков в совокупности с известными в предлагаемом винтовом забойном двигателе создает возможность ликвидировать недостатки, присущие известному винтовому забойному двигателю, и обеспечивает смягчение энергетической характеристики и снижение удельного перепада давления на единицу момента силы, обеспечивает изменение и регулирование энергетической характеристики двигателя без изменения производительности буровых насосов, предотвращает возможность ухудшения контакта ротора и статора и также аварийного разрушения статора при перегрузках рабочих органов забойными нагрузками и при шламовании их, уменьшает инерционные нагрузки на рабочие органы и на опорные узлы шпинделя, исключает возможность попадания шлама в рабочие органы через промывочные отверстия в долоте при спускоподъемных операциях, и в конечном счете повышает надежность и долговечность винтового забойного двигателя, повышает его экономическую эффективность. Thus, the implementation of the distinguishing features in conjunction with the well-known in the downhole screw motor creates the opportunity to eliminate the disadvantages inherent in the well-known downhole motor, and provides a mitigation of energy performance and a decrease in the specific pressure drop per unit torque, provides a change and regulation of the energy characteristic of the engine without changing performance of mud pumps, prevents the possibility of deterioration of the contact of the rotor and stator, etc. as well as accidental destruction of the stator during overloading of working bodies with downhole loads and during sludging, reduces inertial loads on working bodies and on the spindle support nodes, eliminates the possibility of sludge entering the working bodies through flushing holes in the bit during tripping, and ultimately increases reliability and the durability of the downhole screw motor increases its economic efficiency.
Для пояснения сущности предлагаемого изобретения представлены чертежи. To clarify the essence of the invention, the drawings are presented.
На фиг. 1 показан общий вид винтового забойного двигателя, его верхняя часть (рабочие органы), продольный разрез. In FIG. 1 shows a General view of the downhole motor, its upper part (working bodies), a longitudinal section.
На фиг. 2 изображен общий вид винтового забойного двигателя, его нижняя часть (шпиндель), продольный разрез. In FIG. 2 shows a General view of the downhole motor, its lower part (spindle), a longitudinal section.
На фиг.3 показан вид "А" на фиг.1, увеличен. Figure 3 shows a view of "A" in figure 1, enlarged.
Тонкими штрихпунктирными линиями показаны крайние положения дорна и гидромониторной насадки. Thin dash-dotted lines show the extreme positions of the mandrel and hydraulic nozzle.
Винтовой забойный двигатель содержит рабочие органы 1, включающие статор 2 и размещенный внутри статора 2 с возможностью эксцентричного вращения вокруг оси O1-O1 полый ротор 3 со сквозным осевым каналом 4. Статор 2 и полый ротор 3 образуют совместно полость 5 высокого давления и полость 6 низкого давления.The downhole screw motor contains working bodies 1, including a stator 2 and placed inside the stator 2 with the possibility of eccentric rotation around the axis O 1 -O 1, the
Рабочие органы 1 винтового забойного двигателя представляют собой зубчатую пару с внутренним зацеплением, содержащую металлический полый ротор 3 с винтовыми наружными зубьями и статор 2, выполненный из металлической трубы с прикрепленной внутренней резиновой зубчатой обкладкой. The working bodies 1 of a downhole screw motor are a gear pair with internal gearing, comprising a metal
Статор 2 имеет на один зуб больше, чем полый ротор 3. Stator 2 has one tooth more than
При взаимодействии полого ротора 3 и статора 2 зубья их образуют замкнутые рабочие камеры, которые, заполняясь промывочной жидкостью под избыточным давлением, могут пропустить ее или при вращении полого ротора 3 в статоре 2, или без вращения полого ротора 3 в статоре 2 при значительной перегрузке рабочих органов путем чрезмерной деформации резиновых зубьев статора 2. When the
Двигатель также содержит шпиндель 7, полый выходной вал 8 которого кинематически связан с полым ротором 3 при помощи полого гибкого элемента 9 с проточным осевым каналом 10, и верхний переводник 11, установленный на статоре 2. The engine also contains a
Кроме того, винтовой забойный двигатель содержит узел 12 регулирования силовой нагрузки на рабочие органы 1, установленный на полый ротор 3 в полости 5 высокого давления для перекрытия сквозного осевого канала 4, и обратный клапан 13, установленный в верхнем переводнике 11 для гидравлического взаимодействия с рабочими органами 1 и с узлом 12 регулирования силовой нагрузки на рабочие органы. In addition, the downhole screw motor contains a
Узел 12 регулирования силовой нагрузки на рабочие органы 1 выполнен в виде полумуфты 14 с выполненным в ней проточным осевым отверстием 15 и снабжен набором быстросменяемых гидромониторных насадок, каждая с различной величиной площади поперечного сечения проточного канала 16, причем одна гидромониторная насадка 17 из набора установлена в полумуфту 14 для перекрытия проточного осевого отверстия 15 полумуфты 14 и для гидравлического взаимодействия с рабочими органами 1 двигателя и с обратным клапаном 13. The
Кроме того, узел 12 регулирования силовой нагрузки на рабочие органы 1 выполнен в виде дорна 18 переменного поперечного сечения, размещенного в проточном канале 16 гидромониторной насадки 17, установленной в полумуфту 14 с возможностью взаимного осевого перемещения. In addition, the
Установленная в полумуфту 14 гидромониторная насадка 17 в осевом направлении подпружинена тарельчатыми пружинами 19. Дорн 18 имеет возможность перемещаться относительно полумуфты 14 и относительно гидромониторной насадки 17 с помощью винта 20. The
В винтовом забойном двигателе площади поперечного сечения сквозного осевого канала 4 полого ротора 3, проточного осевого отверстия 15 полумуфты 14 и проточного осевого канала 10 полого гибкого элемента 9 выполнены каждая больше, чем площадь поперечного сечения проточного канала 16 гидромониторной насадки 17, и больше, чем площадь поперечного сечения проточного канала каждой из набора гидромониторной насадки, которыми снабжен винтовой забойный двигатель. In a downhole screw motor, the cross-sectional area of the through axial channel 4 of the
В предлагаемом винтовом забойном двигателе возможны другие варианты исполнения узлов и деталей. In the proposed downhole screw motor, other versions of components and parts are possible.
Полый гибкий элемент 9 выполнен в виде трубы, в стенке которой выполнен сквозной винтовой паз в направлении, противоположном вращению полого выходного вала 8. Внутри трубы установлен блок, набранный из тарельчатых пружин и цилиндрических роликов, закрепленных на трубе меньшего диаметра с проточным осевым каналом 10. Полый гибкий элемент 9 заканчивается муфтой для соединения его с полым выходным валом 8. В муфте выполнены осевое и радиальные отверстия для протока промывочной жидкости в полый выходной вал 8. The hollow
Полый гибкий элемент 9 может быть выполнен в виде полого торсиона с центральным проточным осевым каналом и может подсоединяться к полому ротору 3 или через полумуфту 14, или непосредственно снизу полого ротора 3. The hollow
Быстросменяемые гидромониторные насадки из набора выполняются из минералокерамики, имеют каждая одинаковый наружный диаметр и равную высоту. Они также могут быть изготовлены из металлокерамики, из металла с износоустойчивым покрытием и т.п. Quick-change hydromonitor nozzles from the set are made of mineral ceramics, each have the same outer diameter and equal height. They can also be made of cermets, metal with a wear-resistant coating, etc.
Гидромониторная насадка 17 подпружинена тарельчатыми пружинами 19. Она также может быть подпружинена витыми, разрезными пружинами или резиновыми (упругими) кольцами. The
Шпиндель 7 выполнен с радиальными металлическими опорами скольжения и с шаровой осевой опорой качения. Он также может быть выполнен с резинометаллическими осевыми и радиальными опорами. The
Возможны другие конструктивные варианты выполнения узлов, деталей и всего винтового забойного двигателя. There are other design options for the implementation of nodes, parts and the entire downhole motor.
Верхним переводником 11 винтовой забойный двигатель подсоединяется к бурильным трубам (на чертеже не показаны). Снизу к полому выходному валу 8 шпинделя 7 подсоединяется долото (на чертеже не показано). The top sub 11 of the downhole motor is connected to the drill pipe (not shown). From below, a bit is connected to the
Работает винтовой забойный двигатель следующим образом. The downhole screw motor operates as follows.
Промывочная жидкость через бурильные трубы под давлением поступает в верхний переводник 11, через обратный клапан 13 в полость 5 высокого давления и в рабочие органы 1. Проходя рабочие камеры, образованные зубьями полого ротора 3 и статора 2, промывочная жидкость под действием избыточного давления поворачивает полый ротор 3 вокруг собственной оси и планетарно обращает полый ротор 3 вокруг оси O1-O1 статора 2. Вращение полого ротора 3 передается полому гибкому элементу 9, полому выходному валу 8 шпинделя 7 и долоту, которое, вращаясь, разрушает породу.Flushing fluid through the drill pipe under pressure enters the upper sub 11, through the check valve 13 into the high-pressure cavity 5 and into the working bodies 1. Passing the working chambers formed by the teeth of the
Промывочная жидкость после отработки в рабочих органах 1 поступает в полость 6 низкого давления, через радиальные отверстия полого гибкого элемента 9 в полый выходной вал 8 шпинделя 7 к долоту для промывки и очистки забоя от выбуренной породы. After flushing the liquid in the working bodies 1, it enters the low pressure cavity 6, through the radial holes of the hollow
Одновременно часть промывочной жидкости в полости 5 высокого давления под тем же избыточным давлением протекает через узел 12 регулирования силовой нагрузки на рабочие органы 1, минуя рабочие камеры. Эта часть промывочной жидкости протекает по зазору, образованному дорном 18 в проточном канале 16 гидромониторной насадки 17, величина которого (зазора или что то же: площади поперечного сечения проточного канала 16) регулируется винтом 20 и автоматически осевым смещением гидромониторной насадки 17 в результате изменения перепада давления на рабочих органах 1. Перепад давления на рабочих органах 1 определяет силовую нагрузку на рабочие органы 1 и изменяется в зависимости от забойной нагрузки на долото. Далее промывочная жидкость поступает в проточное осевое отверстие 15 полумуфты 14, сквозной осевой канал 4 полого ротора 3, проточный осевой канал 10 полого гибкого элемента 9, которые, благодаря своей значительной площади поперечного сечения проточного канала, не оказывают существенного гидравлического сопротивления продвижению ее в полый выходной вал 8 шпинделя 7 к долоту для промывки и очистки забоя от выбуренной породы. At the same time, part of the washing liquid in the high-pressure cavity 5 under the same overpressure flows through the
Осевая и радиальная нагрузка с забоя передается на полый выходной вал 8 шпинделя 7 и через осевые и радиальные опоры шпинделя 7 гасится всей массой винтового забойного двигателя. The axial and radial load from the bottom is transferred to the
Крутящий момент двигателя, определяющий силовую нагрузку на рабочие органы 1, зависит в основном от забойной нагрузки и расходуется частично на преодоление момента сопротивления вращению в рабочих органах 1, в шпинделе 7 и в значительной степени на преодоление сопротивления вращению долота. Сопротивление вращению долота включает в себя и непроизводительное излишнее перемалывание выбуренной и не удаленной с забоя породы. Силовая нагрузка на рабочие органы 1 и забойная нагрузка на долото контролируются перепадом давления на рабочих органах 1. The engine torque, which determines the power load on the working bodies 1, depends mainly on the bottomhole load and is partially spent on overcoming the moment of resistance to rotation in the working bodies 1, in the
Перед началом бурения с помощью винта 20 в узле 12 регулирования силовой нагрузки на рабочие органы 1 устанавливают необходимую величину зазора между дорном 18 и гидромониторной насадкой 17 (необходимую величину площади поперечного сечения проточного канала 16) для протока промывочной жидкости мимо рабочих органов 1, предварительно отвернув верхний переводник 11. Это делают в зависимости от необходимости бурения переходного интервала скважины из одного пласта породы в другой, с другими механическими и физическими свойствами, и каждый раз, когда существенно возрастает или значительно снижается перепад давления на рабочих органах 1 в зависимости от изменения забойной нагрузки. При изменении перепада давления на рабочих органах 1 в процессе бурения регулирование силовой нагрузки на рабочих органах 1 осуществляется автоматически. Под действием увеличивающегося перепада давления на рабочих органах 1, связанного с повышением забойной нагрузки, гидромониторная насадка 17 смещается вниз и сжимает тарельчатые пружины 19. При этом величина зазора между дорном 18 и гидромониторной насадкой 17 возрастает и увеличивается площадь поперечного сечения проточного канала 16. В результате расход промывочной жидкости через узел 12 регулирования силовой нагрузки на рабочие органы 1 возрастает, а через рабочие органы 1 снижается, от этого снижается частота вращения долота и уменьшается количество выбуренной породы, улучшается промывка и очистка забоя от выбуренной породы и снижается забойная нагрузка. И как результат снижается перепад давления и уменьшается силовая нагрузка на рабочие органы 1. Before drilling using a screw 20 in the
В связи с уменьшением перепада давления на рабочих органах 1, вызванным снижением забойной нагрузки, гидромониторная насадка 17 под действием тарельчатых пружин 19 поднимается вверх, и величина площади поперечного сечения проточного канала 16 уменьшается. Due to the decrease in the pressure drop across the working bodies 1, caused by the decrease in the bottomhole load, the
В результате расход промывочной жидкости через узел 12 регулирования силовой нагрузки на рабочие органы 1 уменьшается, вызывая увеличение расхода промывочной жидкости через рабочие органы 1. При этом частота вращения полого ротора 3 и долота увеличивается, повышается количество выбуренной породы и восстанавливается заданный узлом 12 регулирования силовой нагрузки на рабочие органы 1 режим работы винтового забойного двигателя. As a result, the flow rate of flushing fluid through the
При спуске винтового забойного двигателя в скважину под двигателем создается повышенное давление, которое передается посредством промывочной жидкости, находящейся в двигателе, обратному клапану 13, минуя рабочие органы 1. В результате обратный клапан 13 запирается и давление в полости 5 высокого давления и в полости 6 низкого давления выравнивается. Полый ротор 3 в статоре 2 не вращается, вместе с этим устраняется их излишнее истирание и износ. Таким образом, в результате взаимодействия обратного клапана 13, узла 12 регулирования силовой нагрузки на рабочие органы 1 и рабочих органов 1 исключается возможность попадания шлама и ухудшения контакта полого ротора 3 и статора 2, предотвращается дополнительный непроизводительный износ полого ротора 3 и статора 2 (т.е. рабочих органов 1) при выполнении спускоподъемных операций. When the downhole screw motor is lowered into the borehole under the engine, increased pressure is generated, which is transmitted by means of the flushing fluid located in the engine to the check valve 13, bypassing the working bodies 1. As a result, the check valve 13 closes the pressure in the high-pressure cavity 5 and in the low-pressure cavity 6 pressure equalizes. The
В связи с тем, что предлагаемый винтовой забойный двигатель содержит узел 12 регулирования силовой нагрузки на рабочие органы 1 в совокупности и во взаимодействии с обратным клапаном 13, реализуется возможность изменения частоты вращения полого выходного вала 8 в широких пределах (вплоть до полной остановки вращения), изменения удельного перепада давления на единицу момента силы, изменения вращающего момента, мощности, КПД двигателя, и таким образом решается задача смягчения, изменения и регулирования энергетической характеристики винтового забойного двигателя непосредственно на буровой, в широких пределах, без изменения производительности буровых насосов, предотвращения возможности преждевременного износа и аварийного разрушения полого ротора 3 и статора 2 при перегрузках рабочих органов шламованием их, забойными и дополнительными непроизводительными нагрузками. Due to the fact that the proposed downhole screw motor contains a
Таким образом, реализация отличительных признаков предлагаемого винтового забойного двигателя в сочетании и в совокупности с известными создает возможность ликвидировать недостатки, присущие известному винтовому забойному двигателю, и обеспечить достижение положительного технического результата:
- уменьшение силовой нагрузки на рабочие органы, предотвращение излишнего непроизводительного истирания, износа и преждевременного разрушения рабочих органов и сохранение винтового забойного двигателя в работоспособном состоянии на более длительный период;
- ликвидация жесткого взаимодействия ротора и статора, предотвращение ухудшения их контакта и исключение необходимости досрочного и аварийного направления в ремонт винтового забойного двигателя по причине шламования;
- реализация возможности использования оперативного изменения энергетической характеристики винтового забойного двигателя непосредственно на буровой и расширение его (двигателя) технических и технологических возможностей.Thus, the implementation of the distinguishing features of the proposed downhole motor in combination with the known ones creates the opportunity to eliminate the disadvantages inherent in the known downhole motor and ensure the achievement of a positive technical result:
- reducing the power load on the working bodies, preventing excessive unproductive abrasion, wear and premature destruction of the working bodies and maintaining the downhole screw motor in operable condition for a longer period;
- elimination of the hard interaction of the rotor and stator, preventing deterioration of their contact and eliminating the need for early and emergency referrals to repair a downhole screw motor due to sludge;
- the implementation of the possibility of using operational changes in the energy characteristics of a downhole screw motor directly at the drilling site and expanding its (engine) technical and technological capabilities.
Все это позволяет повысить надежность, долговечность и привлекательность винтового забойного двигателя, предназначенного для бурения нефтяных и газовых скважин, повысить его экономическую эффективность, то есть позволяет решить поставленные в изобретении задачи. All this allows you to increase the reliability, durability and attractiveness of a downhole screw motor designed for drilling oil and gas wells, to increase its economic efficiency, that is, it allows to solve the tasks of the invention.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001130898A RU2205933C1 (en) | 2001-11-15 | 2001-11-15 | Screw hydraulic downhole motor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001130898A RU2205933C1 (en) | 2001-11-15 | 2001-11-15 | Screw hydraulic downhole motor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2205933C1 true RU2205933C1 (en) | 2003-06-10 |
Family
ID=29210898
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001130898A RU2205933C1 (en) | 2001-11-15 | 2001-11-15 | Screw hydraulic downhole motor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2205933C1 (en) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2492306C2 (en) * | 2009-11-02 | 2013-09-10 | Геннадий Александрович Щелконогов | Unit to control power load onto working elements |
| CN103410444A (en) * | 2013-07-19 | 2013-11-27 | 扬州天业石油机械有限公司 | Waterpower oscillator |
| RU2549647C1 (en) * | 2011-04-08 | 2015-04-27 | НЭШНЛ ОЙЛВЕЛЛ ВАРКО, Эл.Пи. | Valve of drill motor and its application method |
| RU2602245C1 (en) * | 2012-12-21 | 2016-11-10 | Хэллибертон Энерджи Сервисиз, Инк. | Anti-revers mechanism for hydraulic downhole engine |
| RU172421U1 (en) * | 2017-04-20 | 2017-07-07 | Общество с ограниченной ответственностью "Гидробур-сервис" | Drill string rotator |
| RU2664737C1 (en) * | 2017-04-20 | 2018-08-22 | Общество с ограниченной ответственностью "Гидробур-сервис" | Shock-rotational device for drilling column |
| CN108868587A (en) * | 2018-07-31 | 2018-11-23 | 天津立林石油机械有限公司 | Anti- transmission shaft with overload protection reverses helicoid hydraulic motor |
| CN110284846A (en) * | 2019-07-23 | 2019-09-27 | 建湖县帅牛机械有限公司 | A kind of oil-well drilling equipment convenient for adjusting mud pressure |
| CN113818811A (en) * | 2021-10-18 | 2021-12-21 | 江苏华亚石油机械制造有限公司 | Wear-resistant and erosion-resistant screw drilling tool for oil shale in-situ mining and machining process |
| RU2776997C1 (en) * | 2021-11-08 | 2022-07-29 | Салават Анатольевич Кузяев | Method and device for cleaning the bottom hole |
| CN115788278A (en) * | 2022-12-06 | 2023-03-14 | 四川达坦能源科技有限公司 | Screw type pulse anti-drag drilling tool |
-
2001
- 2001-11-15 RU RU2001130898A patent/RU2205933C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2492306C2 (en) * | 2009-11-02 | 2013-09-10 | Геннадий Александрович Щелконогов | Unit to control power load onto working elements |
| RU2549647C1 (en) * | 2011-04-08 | 2015-04-27 | НЭШНЛ ОЙЛВЕЛЛ ВАРКО, Эл.Пи. | Valve of drill motor and its application method |
| RU2602245C1 (en) * | 2012-12-21 | 2016-11-10 | Хэллибертон Энерджи Сервисиз, Инк. | Anti-revers mechanism for hydraulic downhole engine |
| CN103410444A (en) * | 2013-07-19 | 2013-11-27 | 扬州天业石油机械有限公司 | Waterpower oscillator |
| CN103410444B (en) * | 2013-07-19 | 2015-06-17 | 扬州天业石油机械有限公司 | Waterpower oscillator |
| RU2664737C1 (en) * | 2017-04-20 | 2018-08-22 | Общество с ограниченной ответственностью "Гидробур-сервис" | Shock-rotational device for drilling column |
| RU172421U1 (en) * | 2017-04-20 | 2017-07-07 | Общество с ограниченной ответственностью "Гидробур-сервис" | Drill string rotator |
| CN108868587A (en) * | 2018-07-31 | 2018-11-23 | 天津立林石油机械有限公司 | Anti- transmission shaft with overload protection reverses helicoid hydraulic motor |
| CN108868587B (en) * | 2018-07-31 | 2024-06-04 | 天津立林石油机械有限公司 | Anti-reverse screw drilling tool with overload protection for transmission shaft |
| CN110284846A (en) * | 2019-07-23 | 2019-09-27 | 建湖县帅牛机械有限公司 | A kind of oil-well drilling equipment convenient for adjusting mud pressure |
| CN113818811A (en) * | 2021-10-18 | 2021-12-21 | 江苏华亚石油机械制造有限公司 | Wear-resistant and erosion-resistant screw drilling tool for oil shale in-situ mining and machining process |
| CN113818811B (en) * | 2021-10-18 | 2023-11-21 | 江苏华亚石油机械制造有限公司 | Wear-resistant corrosion-resistant screw drilling tool for oil shale in-situ exploitation and processing technology |
| RU2776997C1 (en) * | 2021-11-08 | 2022-07-29 | Салават Анатольевич Кузяев | Method and device for cleaning the bottom hole |
| CN115788278A (en) * | 2022-12-06 | 2023-03-14 | 四川达坦能源科技有限公司 | Screw type pulse anti-drag drilling tool |
| CN115788278B (en) * | 2022-12-06 | 2023-10-17 | 四川达坦能源科技有限公司 | Screw pulse drag reduction drilling tool |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103946478B (en) | There is the positive displacement motor of the rotor clamp of radial constraint | |
| US5662180A (en) | Percussion drill assembly | |
| US6047778A (en) | Percussion drill assembly | |
| US5957220A (en) | Percussion drill assembly | |
| RU2205933C1 (en) | Screw hydraulic downhole motor | |
| EP1430199B1 (en) | An inverted motor for drilling | |
| US4410054A (en) | Well drilling tool with diamond radial/thrust bearings | |
| US4029368A (en) | Radial bearings | |
| CA2961629A1 (en) | Reaming systems, devices, assemblies, and related methods of use | |
| JP6777363B2 (en) | Multi-fluid drilling system | |
| CA2867488C (en) | Mud motor bearing assembly and method | |
| EP0460202A1 (en) | Progressive cavity drilling apparatus with flow restrictor. | |
| CN110905419B (en) | Petroleum drilling tool | |
| CN102705140A (en) | Drilling power tool, drilling tool and drilling method for forming boreholes | |
| US3936247A (en) | Floating flow restrictors for fluid motors | |
| CN104196456A (en) | PDC drill tool with alternating cutting trajectory | |
| RU172421U1 (en) | Drill string rotator | |
| WO1994016189A1 (en) | Improved mud motor system | |
| CN109630010B (en) | High-frequency dynamic load rock breaking tool and using method thereof | |
| US7040417B2 (en) | Drilling systems | |
| DE2441837A1 (en) | DRIVE METHOD AND SOLE MOTOR FOR EARTH DRILLING TOOLS | |
| RU2284405C2 (en) | Hydromechanic jar | |
| US7600578B2 (en) | Percussion adapter for positive displacement motors | |
| RU2124617C1 (en) | Method and device for creating axial thrust on bit | |
| CN113006696A (en) | Drillable reamer for casing running operation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20091116 |