RU2231607C1

RU2231607C1 - Turbine section of turbodrill

Info

Publication number: RU2231607C1
Application number: RU2002128191/03A
Authority: RU
Inventors: Н.А. Шамов (RU); Н.А. Шамов
Original assignee: Шамов Николай Александрович
Priority date: 2002-10-23
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2004-06-27

Abstract

FIELD: well boring technology.

SUBSTANCE: device has body with sets of stator turbines placed in it, sets of rotor turbines with radial thrust sliding bearings on moveable relatively to their hubs profiled shaft, made in form of cylindrical shaft, on which three localizing flats placed at angle of 120° to each other in cross-section with capability for engaging localizing flats, formed on hubs of rotor turbines and radial thrust sliding bearings. Width of localizing flats is determined from equations: for profiled shaft -

for hubs -

where k - coefficient, chosen in range 1.6-2, d - diameter of profiled shaft, Δ - space along diameter between profiled shaft and hubs.

EFFECT: higher efficiency, reliability and durability of turbine section operation, lower costs of its maintenance.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области бурения скважины, в частности, к забойным двигателям.The invention relates to the field of well drilling, in particular, to downhole motors.

Известна турбинная секция, включающая корпус с размещенными в нем турбинами статора и радиально-упорными подшипниками скольжения, турбины ротора, установленные на подвижном относительно их ступиц профильном валу [1].A known turbine section, comprising a housing with stator turbines and angular contact bearings placed therein, rotor turbines mounted on a profile shaft movable relative to their hubs [1].

К недостаткам известного устройства относится то, что на профильном валу и ступицах турбин ротора выполнена одна лыска, которая не может обеспечить удовлетворительное центрирование турбин ротора даже при небольшом зазоре между их ступицами и профильным валом. Но при малом зазоре в процессе бурения и хранения вследствие ржавления стального вала и попадания в зазор множества мелких твердых частиц из бурового раствора происходит заклинивание турбин ротора на профильном валу, который теряет подвижность. Секция становится непригодной к эксплуатации, затрудняется ее разборка, и увеличиваются затраты на техническое обслуживание.The disadvantages of the known device include the fact that on the profile shaft and the hubs of the rotor turbines one flange is made, which cannot provide satisfactory centering of the rotor turbines even with a small gap between their hubs and the profile shaft. But with a small gap during drilling and storage due to rusting of the steel shaft and getting into the gap of many small solid particles from the drilling fluid, the rotor turbines are jammed on the profile shaft, which loses mobility. The section becomes unusable, its disassembly becomes difficult, and maintenance costs increase.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является турбинная секция турбобура, включающая корпус с размещенными в нем пакетами турбин статора, пакеты турбин ротора с радиально-упорными подшипниками скольжения на подвижном относительно их ступиц профильном валу [2], которая принята за прототип.The closest device of the same purpose to the claimed invention in terms of features is a turbine section of a turbo-drill, including a housing with packages of stator turbines placed therein, packages of rotor turbines with angular contact bearings on a profile shaft movable relative to their hubs [2], which is taken as prototype.

К недостаткам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известной турбинной секции профильный вал выполнен шестигранным, который может обеспечить удовлетворительное центрирование ступиц турбин ротора и радиально-упорных подшипников скольжения только при небольшом зазоре между ними и профильным валом. Но при малом зазоре зачастую происходит выход секции из строя из-за заклинивания турбин ротора на профильном валу, затрудняется ее разборка и увеличиваются затраты на техническое обслуживание. При увеличении зазора до значений, предотвращающих заклинивание, усиливается смещение турбин ротора на профильном валу, вследствие чего требуется увеличивать радиальные зазоры между турбинами ротора и статора, через которые увеличиваются “паразитные” утечки раствора мимо лопаточного аппарата турбин, то есть растут объемные гидравлические потери, снижается эффективность работы устройства.The disadvantages that impede the achievement of the technical result indicated below when using the known device adopted as a prototype include the fact that the profile shaft is hexagonal in the known turbine section, which can provide satisfactory centering of the rotor hubs and angular contact bearings only with a small clearance between them and a profile shaft. But with a small gap, the section often fails due to jamming of the rotor turbines on the profile shaft, its disassembly is difficult and maintenance costs are increased. When the gap increases to values that prevent jamming, the displacement of the rotor turbines on the profile shaft increases, as a result of which it is necessary to increase the radial gaps between the turbines of the rotor and the stator, through which the “spurious” leakage of the solution past the turbine blade apparatus increases, that is, the volumetric hydraulic losses increase, and the device performance

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение эффективности функционирования устройства.The task to which the invention is directed is to increase the efficiency of the device.

Технический результат осуществления изобретения заключается в повышении коэффициента полезного действия, надежности и долговечности работы турбинной секции, снижении затрат на ее техническое обслуживание.The technical result of the invention is to increase the efficiency, reliability and durability of the turbine section, reducing the cost of its maintenance.

Указанный результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в данной турбинной секции, включающей корпус с размещенными в нем пакетами турбин статора, пакеты турбин ротора с радиально-упорными подшипниками скольжения на подвижном относительно их ступиц профильном валу, особенностью изобретения является то, что последний выполнен в виде цилиндрического вала, на котором образованы расположенные под углом 120° друг к другу в поперечном сечении три центрирующие лыски с возможностью зацепления с центрирующими лысками, образованными в ступицах турбин ротора и радиально-упорных подшипников скольжения, при этом ширина лысок определяется из соотношений:The specified result during the implementation of the invention is achieved by the fact that in this turbine section, comprising a housing with stator turbine packages located therein, rotor turbine packages with angular contact bearings on a profile shaft movable relative to their hubs, a feature of the invention is that the latter is made in in the form of a cylindrical shaft, on which are formed three centering flats located at an angle of 120 ° to each other in cross section with the possibility of engagement with centering flats, formed bubbled turbine rotor hub and radial-thrust sliding bearing, wherein the width of the flats is determined from the relations:

- для профильного вала- for a profile shaft

- для ступиц- for hubs

где k - коэффициент, выбираемый в интервале 1,6-2;where k is a coefficient selected in the range of 1.6-2;

d - диаметр профильного вала;d is the diameter of the profile shaft;

Δ - зазор по диаметру между профильным валом и ступицами.Δ is the gap in diameter between the profile shaft and the hubs.

Кроме того, особенность турбинной секции состоит в том, что содержит упругие уплотнительные элементы, выполненные, например, из резины в виде тороидальных колец или полуколец и размещенные на профильном валу между ступицами радиально-упорных подшипников скольжения и верхних турбин ротора в каждом пакете.In addition, a feature of the turbine section is that it contains elastic sealing elements made, for example, of rubber in the form of toroidal rings or half rings and placed on a profile shaft between the hubs of angular contact bearings and the upper rotor turbines in each package.

Указанный технический результат, в частности повышение коэффициента полезного действия турбинной секции, достигается путем снижения объемных гидравлических потерь вследствие уменьшения радиальных зазоров между турбинами статора и ротора за счет точного центрирования последних на профильном валу по трем выполненным в них центрирующим лыскам.The specified technical result, in particular, an increase in the efficiency of the turbine section, is achieved by reducing the volumetric hydraulic losses due to the reduction of the radial clearances between the stator and rotor turbines due to the exact centering of the latter on the profile shaft along the three centering flats made in them.

Повышение надежности и долговечности работы, сокращение затрат на техническое обслуживание секции достигается за счет предупреждения заклинивания турбин ротора на профильном валу и сохранения его подвижности в процессе бурения и хранения секции путем увеличения зазора между профильным валом и ступицами турбин ротора до значений, предотвращающих заклинивание.Improving the reliability and durability of the work, reducing the maintenance costs of the section is achieved by preventing jamming of the rotor turbines on the profile shaft and maintaining its mobility during drilling and storage of the section by increasing the gap between the profile shaft and the hubs of the rotor turbines to values that prevent jamming.

Все признаки независимого пункта формулы изобретения являются существенными, то есть необходимыми для обеспечения технического результата.All the features of the independent claim are essential, that is, necessary to ensure a technical result.

Остальные признаки являются частью существенными, необходимыми для реализации частного решения конструкции устройства.The remaining features are part essential, necessary for the implementation of a particular solution to the design of the device.

Так, размещение упругих уплотнительных элементов, выполненных, например, из резины в виде тороидальных колец или полуколец, на профильном валу между ступицами радиально-упорных подшипников скольжения и верхних турбин ротора в каждом пакете позволяет за счет упругого торцевого поджатия всех турбин ротора в пакете, перекрытия зазора между турбинами ротора и профильным валом предотвратить течение бурового раствора по зазору, образование ржавчины и отложений частиц твердой фазы в нем, тем самым сохранить подвижность профильного вала, повысить надежность и долговечность работы, сократить затраты на техническое обслуживание турбинной секции.So, the placement of elastic sealing elements made, for example, of rubber in the form of toroidal rings or half rings, on the profile shaft between the hubs of angular contact bearings and the upper rotor turbines in each package allows, due to the elastic end pressing of all rotor turbines in the package, overlapping the gap between the rotor turbines and the profile shaft to prevent drilling mud from flowing through the gap, the formation of rust and deposits of solid particles in it, thereby maintaining the mobility of the profile shaft, increasing to increase the reliability and durability of work, reduce the cost of maintenance of the turbine section.

В связи с тем, что из данной области техники не известна совокупность признаков, характеризующих предложенное изобретение, позволяет сделать вывод о том, что заявленное изобретение отвечает условию “новизна”.Due to the fact that the set of features characterizing the proposed invention is not known from the art, it can be concluded that the claimed invention meets the condition of “novelty”.

Из вышеизложенного следует, что изобретение отвечает и условию “изобретательский уровень”, так как не является очевидным для специалистов в данной отрасли промышленности.From the above it follows that the invention meets the condition of "inventive step", as it is not obvious to specialists in this industry.

На чертежах представлено: на фиг.1 изображена турбинная секция турбобура; на фиг.2 - поперечное сечение профильного вала со ступицей турбины ротора в статическом положении; на фиг.3 - поперечное сечение профильного вала со ступицей турбины ротора в рабочем положении.The drawings show: FIG. 1 shows a turbine section of a turbodrill; figure 2 is a cross section of the profile shaft with the hub of the rotor turbine in a static position; figure 3 is a cross section of the profile shaft with the hub of the rotor turbine in the working position.

Турбинная секция состоит из корпуса 1 с размещенными в нем пакетами турбин статора 2, пакетов турбин ротора 3 и радиально-упорных подшипников скольжения 4, размещенных на подвижном относительно их ступиц 5 и 6 профильном валу 7, который выполнен цилиндрическим с тремя центрирующими лысками 8, в зацеплении с которыми входят центрирующие лыски 9, образованные в ступицах турбин ротора и радиально-упорных подшипников скольжения.The turbine section consists of a housing 1 with packages of stator turbines 2 located therein, packages of turbines of the rotor 3 and angular contact bearings 4 placed on the profile shaft 7, which is movable relative to their hubs 5 and 6, which is made cylindrical with three centering flanges 8, in meshing with which the centering flats 9 are formed in the hubs of the rotor turbines and angular contact bearings.

В турбинной секции могут быть установлены на профильном валу между ступицами радиально-упорных подшипников скольжения и верхних турбин ротора в каждом пакете упругие уплотнительные элементы 10, выполненные, например, из резины в виде тороидальных колец или полуколец.In the turbine section, elastic sealing elements 10 made, for example, of rubber in the form of toroidal rings or half rings, can be mounted on a profile shaft between the hubs of angular contact bearings and the upper rotor turbines in each package.

Турбинная секция работает следующим образом. При прокачивании бурового раствора через нее турбины ротора 3 начинают вращаться относительно турбин статора 2, закрепленных в корпусе 1, вследствие чего ступицы 5 турбин ротора поворачиваются относительно профильного вала 7, сцепляются своими центрирующими лысками 9 с центрирующими лысками 8 профильного вала и центрируются на нем (фиг.3). Профильный вал начинает вращаться, поворачивается относительно ступиц 6 радиально-упорных подшипников скольжения 4, сцепляется своими центрирующими лысками с центрирующими лысками ступиц 6 и центрируется в радиально-упорных подшипниках скольжения. Вращение от профильного вала передается долоту.The turbine section operates as follows. When pumping the drilling fluid through it, the rotor turbines 3 begin to rotate relative to the stator 2 turbines fixed in the housing 1, as a result of which the hubs of the rotor turbines 5 rotate relative to the profile shaft 7, engage their centering flats 9 with the centering flats 8 of the profile shaft and center on it (Fig. .3). The profile shaft begins to rotate, rotates relative to the hubs 6 of the angular contact bearings 4, engages its centering flats with the centering flats of the hubs 6 and is centered in the angular contact bearings. Rotation from the profile shaft is transmitted to the bit.

При использовании в конструкции турбинной секции упругих уплотнительных элементов 10, установленных на профильном валу между ступицами радиально-упорных подшипников скольжения и верхних турбин ротора в каждом пакете (фиг.1), предотвращаются перетоки бурового раствора через зазоры между ступицами турбин ротора и профильным валом, а также накопление в зазорах осадка твердой фазы. Кроме того, при спуске секции в скважину на колонне бурильных труб и заполнении последних через секцию скважинной жидкостью, содержащей частицы разбуренной породы, а также при возникновении продольных перемещений вала, вызванных осевыми колебаниями долота, упругие уплотнительные элементы предотвращают возникновение разъемов между ступицами турбин на профильном валу, попадание через них твердой фазы в зазоры между ступицами турбин ротора и профильным валом. Тем самым сохраняется подвижность вала относительно пакета турбин ротора и радиально-упорных подшипников скольжения.When using in the design of the turbine section of the elastic sealing elements 10 mounted on the profile shaft between the hubs of the angular contact bearings and the upper rotor turbines in each package (Fig. 1), mud flow through the gaps between the hubs of the rotor turbines and the profile shaft is prevented also accumulation in the gaps of sediment of a solid phase. In addition, when the section is lowered into the well on a drill pipe string and the latter is filled through the section with borehole fluid containing drilled particles, as well as when longitudinal movements of the shaft caused by axial vibrations of the bit occur, elastic sealing elements prevent the occurrence of connectors between the turbine hubs on the profile shaft solid phase penetrating through them into the gaps between the hubs of the rotor turbines and the profile shaft. This preserves the mobility of the shaft relative to the package of rotor turbines and angular contact bearings.

Таким образом, средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в области бурения скважин, а именно в забойных двигателях, в частности, в турбобурах. Для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью известных средств. Устройство, воплощающее заявленное изобретение, способно обеспечить достижение указанного выше технического результата.Thus, the tool embodying the claimed device in its implementation is intended for use in the field of well drilling, namely in downhole motors, in particular in turbodrills. For the claimed device in the form as described in the independent paragraph of the claims, the possibility of its implementation using known means is confirmed. A device embodying the claimed invention is capable of achieving the above technical result.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “промышленная применимость”.Therefore, the claimed invention meets the condition of “industrial applicability”.

Источники информацииSources of information

1. А.с. SU № 137075, кл. Е 21 В 4/00, 1960.1. A.S. SU No. 137075, class E 21 B 4/00, 1960.

2. А.с. SU № 1550068, кл. Е 21 В 4/00, 1987 (прототип).2. A.S. SU No. 1550068, class E 21 B 4/00, 1987 (prototype).

Claims

1. The turbine section of the turbo-drill, comprising a housing with stator turbine packages placed therein, rotor turbine packages with angular contact bearings on a profile shaft that is movable relative to their hubs, characterized in that the latter is made in the form of a cylindrical shaft on which angled 120 ° to each other in cross section three centering flats with the possibility of engagement with centering flats formed in the hubs of the rotor turbines and angular contact bearings, the width centering flats is determined from the relations

for profile shaft

for hubs

where k is a coefficient selected in the range of 1.6 - 2;

d is the diameter of the profile shaft;

Δ is the gap in diameter between the profile shaft and the hubs.

2. The section according to claim 1, characterized in that it contains elastic sealing elements made, for example, of rubber in the form of toroidal rings or half rings and placed on a profile shaft between the hubs of angular contact bearings and the upper rotor turbines in each package.