RU2232859C2

RU2232859C2 - Downhole hydraulic motor

Info

Publication number: RU2232859C2
Application number: RU2002104388/03A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Андоскин (RU); В.Н. Андоскин; И.Г. Воронов (RU); И.Г. Воронов; К.А. Кобелев (RU); К.А. Кобелев; В.И. Тимофеев (RU); В.И. Тимофеев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью фирма "Радиус-Сервис"
Priority date: 2002-02-19
Filing date: 2002-02-19
Publication date: 2004-07-20

Abstract

FIELD: oil producing industry; drilling of directional wells.

SUBSTANCE: invention relates to downhole hydraulic motors with turbine deflectors. According to invention, hydraulic motor has hollow housing accommodating drive with rotor and spindle installed inside spindle housing on axial and radial supports, furnished with drilling bit and connected with rotor by drive shaft, motor and spindle housing being connected by curved threaded subs, and spindle are connected with drive shaft provided with driving and driven hinge units with axial sliding supports by means of threaded subs. Spindle housing is made with cross split between axial and radial supports from side of drilling bit. Spindle is provided with ring groove in plane of cross split of spindle housing, and split ring is installed in groove, diameter of split ring exceeding diameter of spindle. Support bushing and ring-catcher are secured inside spindle housing. Radial support of spindle housing from side of drilling bit is made in form of flexibly elastic sliding support located on detachable bushing and secured inside spindle housing. Distance between axial supports of driven shaft does not exceed length of axial support of spindle.

EFFECT: enlarged operating capabilities of downhole motor, reduced length of downhole drill string assembly, increased service life and improved reliability of downhole motor.

2 dwg

Description

Изобретение относится к бурению направленных скважин, в частности к забойным двигателям с турбинными отклонителями.The invention relates to the drilling of directional wells, in particular to downhole motors with turbine diverters.

Известен забойный двигатель, содержащий полый корпус, размещенный внутри него привод с ротором, а также шпиндель, установленный внутри корпуса шпинделя на осевой и радиальных опорах, снабженный резьбой для крепления долота и соединенный приводным валом с ротором. Причем корпусы двигателя и шпинделя соединены изогнутыми резьбовыми переводниками, а ротор и шпиндель соединены с приводным валом шарнирным соединением [1].A downhole motor is known, comprising a hollow body, a drive with a rotor located inside it, and a spindle mounted inside the spindle body on axial and radial bearings, equipped with a thread for attaching the bit and connected by a drive shaft to the rotor. Moreover, the motor and spindle housings are connected by curved threaded adapters, and the rotor and spindle are connected to the drive shaft by a swivel [1].

Недостатком известного турбинного отклонителя является малая стойкость узла искривления соединения валов нижнего и верхнего участков отклонителя.A disadvantage of the known turbine diverter is the low resistance of the curvature of the connection shaft of the lower and upper sections of the diverter.

В известной конструкции турбинной секции турбобура требуется осевая силовая опора вращения для восприятия реакции забоя скважины, см. рис.2.11 стр. 44 [1]. Это усложняет конструкцию турбобура, увеличивает его длину, не обеспечивает увеличение ресурса и надежности осевой опоры ротора турбобура вследствие размещения ее в буровом растворе, а также не повышает проходимость турбинного отклонителя, т.е. возможность беспрепятственного прохождения скважины с большей кривизной.In the known construction of the turbine section of the turbodrill, an axial force support of rotation is required to perceive the reaction of the bottom hole, see Fig. 2.11 p. 44 [1]. This complicates the design of the turbodrill, increases its length, does not increase the resource and reliability of the axial support of the rotor of the turbodrill due to its placement in the drilling fluid, and also does not increase the throughput of the turbine diverter, i.e. the possibility of unhindered passage of wells with greater curvature.

Известен шпиндель-отклонитель, содержащий секции винтовой рабочей пары и секцию шпиндельную, состоящую из верхней части с установленным комплектом осевых и радиальных опор и нижней наставки, валы которых соединены между собой кулачковыми полумуфтами [2].Known spindle deflector containing sections of the screw working pair and spindle section, consisting of the upper part with an installed set of axial and radial bearings and lower extensions, whose shafts are interconnected by cam coupling halves [2].

В известной конструкции за счет уменьшения длины наставки путем приближения радиальной опоры к забою скважины ее монтируют в ниппельную гайку, а для передачи осевых нагрузок и уменьшения реакции забоя на опоры кулачковые полумуфты имеют упорные торцы. Недостатком известной конструкции является малая стойкость узла искривления и недостаточно высокий ресурс шпинделя-отклонителя вследствие больших изгибающих напряжений радиальной опоры в ниппельной гайке со стороны долота, износа и(или) разрушения кулачковых полумуфт узла искривления и его радиальной опоры вследствие контакта с буровым раствором.In the known construction, by reducing the length of the extension by approaching the radial support to the bottom of the well, it is mounted in a nipple nut, and cam halves have thrust ends to transmit axial loads and reduce the reaction of the bottom face to the supports. A disadvantage of the known design is the low resistance of the curvature unit and the insufficiently high resource of the deflecting spindle due to the large bending stresses of the radial support in the nipple nut from the bit side, wear and / or destruction of the cam coupling halves of the curvature and its radial support due to contact with the drilling fluid.

Наиболее близкой к заявляемой конструкции является конструкция гидравлического забойного двигателя, содержащая полый корпус, размещенный внутри него привод с ротором, а также шпиндель, установленный внутри корпуса шпинделя на осевой и радиальной опорах, снабженный долотом и соединенный приводным валом с ротором, причем корпуса двигателя и шпинделя соединены изогнутыми резьбовыми переводниками, а ротор и шпиндель соединены с приводным валом, снабженным ведущим и ведомым шарнирными узлами с осевыми опорами скольжения, посредством резьбовых переходников [3].Closest to the claimed design is the design of the hydraulic downhole motor, comprising a hollow body, a drive with a rotor located inside it, and a spindle mounted inside the spindle body on axial and radial bearings, equipped with a chisel and connected by a drive shaft to the rotor, the motor body and the spindle connected by curved threaded sub, and the rotor and spindle are connected to the drive shaft, equipped with a leading and driven hinge assemblies with axial sliding bearings, by means of thread basic adapters [3].

Недостатком известной конструкции является недостаточный ресурс героторного гидравлического двигателя, приводного вала и шпиндельного узла. Однако при использовании вместо героторного гидравлического двигателя многосекционного турбобура увеличивается длина компоновки низа бурильной колонны. Известные турбинные отклонители без собственной силовой осевой опоры не применяются, см. например, [1].A disadvantage of the known design is the insufficient resource gerotor hydraulic motor, drive shaft and spindle unit. However, when using a multi-section turbodrill instead of a gerotor hydraulic motor, the length of the bottom assembly of the drill string increases. Known turbine diverters without their own axial axial support are not used, see, for example, [1].

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в уменьшении длины компоновки низа бурильной колонны, увеличении ресурса и надежности забойного двигателя путем использования в качестве привода многосекционного турбобура без собственных силовых осевых опор ротора двигателя, использования шарнирных осевых опор скольжения укороченного приводного вала, надежности удержания срезанного шпинделя кольцом-ловителем осевой опоры шпинделя в поперечном разъеме корпуса шпинделя.The technical problem to which the invention is directed is to reduce the length of the bottom of the drill string, increase the life and reliability of the downhole motor by using a multi-section turbodrill without its own axial axial bearings of the engine rotor, using articulated axial sliding bearings of a shortened drive shaft, and reliability of retention cut spindle ring-catcher axial support spindle in the transverse connector of the spindle housing.

Другой технической задачей является максимальное приближение радиальной опоры к забою скважин, уменьшение реакции забоя на опоры при использовании многосекционного турбобура с шпинделем и изогнутым переводником.Another technical task is to maximize the approach of the radial support to the bottom of the wells, to reduce the reaction of the bottom to the supports when using a multi-section turbodrill with a spindle and a bent sub.

Сущность технического решения заключается в том, что в гидравлическом забойном двигателе, содержащем полый корпус, размещенный внутри него привод с ротором, а также шпиндель, установленный внутри корпуса шпинделя на осевой и радиальных опорах, снабженный долотом и соединенный приводным валом с ротором, причем корпуса двигателя и шпинделя соединены изогнутыми резьбовыми переводниками, а ротор и шпиндель соединены с приводным валом, снабженным ведущим и ведомым шарнирными узлами с осевыми опорами скольжения, посредством резьбовых переходников, согласно изобретению, корпус шпинделя выполнен с поперечным разъемом между осевой и радиальной опорой со стороны долота, шпиндель выполнен с кольцевой канавкой в плоскости поперечного разъема корпуса шпинделя, в канавке установлено разъемное кольцо, диаметр которого превышает диаметр шпинделя, внутри корпуса шпинделя закреплены опорная втулка и кольцо-ловитель, а радиальная опора корпуса шпинделя со стороны долота выполнена в виде размещенной на съемной втулке и закрепленной внутри корпуса шпинделя упругоэластичной опоры скольжения, при этом расстояние между осевыми опорами приводного вала не превышает длины осевой опоры шпинделя.The essence of the technical solution lies in the fact that in a hydraulic downhole motor containing a hollow body, a drive with a rotor located inside it, as well as a spindle mounted inside the spindle body on axial and radial bearings, equipped with a chisel and connected by a drive shaft with a rotor, and the motor case and the spindle are connected by curved threaded adapters, and the rotor and spindle are connected to the drive shaft, equipped with a leading and driven hinge assemblies with axial sliding bearings, by means of threaded transitions According to the invention, the spindle housing is made with a transverse connector between the axial and radial bearings on the bit side, the spindle is made with an annular groove in the plane of the transverse connector of the spindle housing, a split ring is installed in the groove, the diameter of which exceeds the diameter of the spindle, a support sleeve is fixed inside the spindle housing and a catcher ring, and the radial support of the spindle body from the bit side is made in the form of an elastic resilient sk mounted on a removable sleeve and fixed inside the spindle body lzheniya, wherein the distance between the axial bearings of the drive shaft is less than the axial length of the spindle support.

Выполнение корпуса шпинделя с поперечным разъемом между осевой и радиальной опорой со стороны долота, шпинделя - с кольцевой канавкой в плоскости поперечного разъема корпуса шпинделя, а также установка в канавке разъемного кольца, диаметр которого превышает диаметр шпинделя, закрепление внутри корпуса шпинделя опорной втулки и кольца-ловителя позволяет использовать осевые опоры скольжения приводного вала в качестве силовых опор роторных ступеней турбобуров, повысить надежность удержания срезанной части шпинделя, а также уменьшить длину компоновки низа бурильной колонны, повысить надежность и ресурс забойного двигателя.The execution of the spindle housing with a transverse connector between the axial and radial bearings on the bit side, the spindle with an annular groove in the plane of the transverse connector of the spindle housing, as well as installing a split ring in the groove, the diameter of which exceeds the diameter of the spindle, fixing the support sleeve and the ring inside the spindle housing catcher allows you to use the axial sliding bearings of the drive shaft as power bearings of the rotary stages of the turbodrills, to increase the reliability of holding the cut part of the spindle, and also to reduce inu layout of the bottom of the drill string, to increase the reliability and resource of the downhole motor.

Это объясняется тем, что в известных турбинных отклонителях силовые осевые опоры роторных ступней турбобуров размещены в напорной текучей среде бурового раствора, а в предлагаемой конструкции - в маслонаполненной полости осевой опоры шпинделя.This is explained by the fact that in the known turbine diverters, the axial force supports of the rotary feet of the turbodrills are located in the pressure fluid of the drilling fluid, and in the proposed design, in the oil-filled cavity of the axial support of the spindle.

Выполнение радиальной опоры корпуса шпинделя со стороны долота в виде размещенной на съемной втулке и закрепленной внутри корпуса шпинделя упругоэластичной опоры скольжения упрощает регулировку осевых зазоров в роторных ступенях турбобуров, предотвращает повреждение осевой и радиальных опор скольжения при монтаже шпинделя с опорной втулкой и разъемным (в меридианной плоскости) кольцом-ловителем.The implementation of the radial support of the spindle body on the bit side in the form of an elastic-elastic sliding support located on the removable sleeve and fixed inside the spindle housing simplifies the adjustment of axial clearances in the rotor stages of the turbodrills, prevents damage to the axial and radial sliding supports when mounting the spindle with the supporting sleeve and detachable (in the meridian plane ) ring-catcher.

Выполнение расстояния между осевыми опорами приводного вала, не превышающем длины осевой опоры шпинделя, позволяет синхронизировать вращение приводного вала относительно роторных ступеней турбобура и шпинделя, уменьшает внецентроидность шарнирных узлов приводного вала в его осевых опорах скольжения относительно осей изогнутых переходников, а также обеспечивает минимизацию осевых перемещений роторных ступеней турбобуров при изменении реакции забоя скважины в процессе бурения, преимущественно, когда азимутальная составляющая усилия на долоте меняет знак.The distance between the axial bearings of the drive shaft, not exceeding the length of the axial bearings of the spindle, allows you to synchronize the rotation of the drive shaft relative to the rotor stages of the turbodrill and the spindle, reduces the eccentricity of the hinge nodes of the drive shaft in its axial bearings against the axes of the bent adapters, and also minimizes the axial movements of the rotor stages of turbodrills when changing the reaction of the bottom hole during drilling, mainly when the azimuthal component of the force on the chisel changes sign.

На фиг.1 показан продольный разрез гидравлического забойного двигателя с секцией турбобура.Figure 1 shows a longitudinal section of a downhole hydraulic motor with a turbodrill section.

На фиг.2 показан элемент I на фиг.1: корпус шпинделя с поперечным разъемом между осевой и радиальной опорой со стороны крепления долота.Figure 2 shows element I in figure 1: a spindle housing with a transverse connector between the axial and radial bearings on the side of the bit attachment.

Гидравлический забойный двигатель содержит полый корпус 1, размещенный внутри него привод с турбинным ротором 2 на радиальных опорах скольжения 3 и 4, и турбинным статором 5, а также шпиндель 6, установленный внутри корпуса шпинделя 7 на радиальных опорах скольжения 8, 9 и осевой опоре скольжения 10.The downhole hydraulic motor comprises a hollow body 1, a drive inside it with a turbine rotor 2 on the radial slide bearings 3 and 4, and a turbine stator 5, as well as a spindle 6 mounted inside the spindle housing 7 on the radial slide bearings 8, 9 and the axial slide support 10.

Шпиндель 6 снабжен переходником 11 для крепления долота (не показано) и соединен приводным валом 12 с ротором 2. Корпус двигателя 1 и корпус шпинделя 7 соединены изогнутыми резьбовыми переводниками 13, 14, а ротор 2 соединен также с приводным валом 12 конусно-шлицевой муфтой 15. Приводной вал 12 снабжен ведущим шарнирным узлом 16 и ведомым шарнирным узлом 17 с осевыми сферическими опорами скольжения 18, 19 и соединен с ротором 2 и шпинделем 6 посредством резьбовых переходников 20, 21. Корпус шпинделя 7 выполнен составным с поперечным разъемом 22 между осевой опорой скольжения 10 и радиальной опорой скольжения 9 со стороны переходника 11 для крепления долота, см. фиг.1.The spindle 6 is equipped with an adapter 11 for fastening a bit (not shown) and is connected by a drive shaft 12 to the rotor 2. The motor housing 1 and the spindle housing 7 are connected by curved threaded adapters 13, 14, and the rotor 2 is also connected to the drive shaft 12 by a slotted coupling 15 The drive shaft 12 is equipped with a leading hinge assembly 16 and a driven hinge assembly 17 with axial spherical sliding bearings 18, 19 and is connected to the rotor 2 and the spindle 6 by means of threaded adapters 20, 21. The spindle housing 7 is made integral with the transverse connector 22 between the axial Ora slip 10 and the radial sliding bearing 9 from the adapter 11 for mounting the bit; see FIG. 1.

Шпиндель 6 выполнен с кольцевой канавкой 23 в плоскости поперечного разъема 22 корпуса шпинделя 7. В канавке 23 установлено разъемное (состоящее из полуколец) кольцо 24, диаметр которого 25 превышает диаметр 26 шпинделя 6, см. фиг.2.The spindle 6 is made with an annular groove 23 in the plane of the transverse connector 22 of the spindle body 7. In the groove 23, a detachable (consisting of half rings) ring 24 is installed, the diameter of which 25 exceeds the diameter 26 of the spindle 6, see figure 2.

Внутри корпуса шпинделя 7 закреплены опорная втулка 27 и кольцо-ловитель 28, а радиальная опора 9 корпуса шпинделя 7 со стороны переходника 11 для крепления долота выполнена в виде размещенной на съемной втулке 29 и закрепленной внутри корпуса шпинделя 7 упругоэластичной опоры скольжения 30, см. фиг.2.The support sleeve 27 and the catch ring 28 are fixed inside the spindle body 7, and the radial support 9 of the spindle body 7 from the adapter 11 side for fastening the bit is made in the form of an elastic spring 30 mounted on the removable sleeve 29 and fixed inside the spindle body 7, see FIG. .2.

Расстояние 31 между осевыми опорами 18 и 19 приводного вала 12 не превышает длины 32 осевой опоры скольжения 10 шпинделя 6, см. фиг.1. Осевой зазор 33 между торцом 34 опорной втулки 27 и кольцом-ловителем 28 ограничивает осевые перемещения турбинного ротора 2, см. фиг.2.The distance 31 between the axial bearings 18 and 19 of the drive shaft 12 does not exceed the length 32 of the axial sliding bearings 10 of the spindle 6, see figure 1. The axial clearance 33 between the end 34 of the support sleeve 27 and the ring-catch 28 limits the axial movement of the turbine rotor 2, see figure 2.

Кроме того, на фиг.1 показано: 35 - выходная резьбовая муфта корпуса 1; 36 - входная резьбовая муфта; 37 - наклонные каналы в резьбовом переходнике 21, которые определяют центральный путь прохождения бурового раствора к переходнику 11 и долоту; 38 - буровой раствор.In addition, figure 1 shows: 35 - output threaded sleeve of the housing 1; 36 - input threaded coupling; 37 - inclined channels in the threaded adapter 21, which determine the Central path of the drilling fluid to the adapter 11 and the bit; 38 - drilling fluid.

Гидравлический забойный двигатель работает следующим образом: напор текучей среды бурового раствора 38 взаимодействует с турбинным статором 5, вращает турбинный ротор 2, резьбовой переходник 20, приводной вал 12 с ведущим и ведомым шарнирными узлами 16, 17, резьбовыми переходниками 20, 21, шпинделем 6 и переходником 11 с долотом.The hydraulic downhole motor operates as follows: the fluid pressure of the drilling fluid 38 interacts with the turbine stator 5, rotates the turbine rotor 2, the threaded adapter 20, the drive shaft 12 with the driving and driven hinge assemblies 16, 17, threaded adapters 20, 21, spindle 6 and adapter 11 with a chisel.

При бурении неоднородных пород на изогнутых переводниках 13, 14, а также на шпинделе 6 возникает реактивный изгибающий момент вследствие усилий резания на долоте, а также реакция забоя скважины. Вышеуказанный изгибающий момент и реакция забоя скважины компенсируются осевым перемещением шпинделя 6 в пределах осевого зазора 33 между торцом 34 опорной втулки 27 и кольцом-ловителем 28, поворотом ведущего и ведомого шарнирных узлов 16, 17 в осевых сферических опорах скольжения 18, 19, а также демпфированием силовой осевой опоры скольжения 10 шпинделя 6. Осевой зазор турбинного ротора 2 относительно турбинного статора 5 превышает осевой зазор 33 между торцом 34 опорной втулки 27 и кольцом-ловителем 28, при этом лопатки турбинного ротора 2 не задевают за лопатки турбинного статора 5. При расстоянии 31 между осевыми опорами 18, 19 приводного вала 12, не превышающем длины 32 осевой опоры 10 шпинделя 6, вращение приводного вала 12 уменьшает внецентроидность шарнирных узлов 16 и 17 за счет их скольжения в осевых опорах 18, 19 относительно осей изогнутых переходников 13, 14, синхронизирует вращение приводного вала 12 относительно роторных ступеней турбобура, а также демпфирует осевые перемещения шпинделя 6 в осевой силовой опоре скольжения 10, обеспечивая минимализацию осевых перемещений роторных ступеней турбобуров при изменении реакции забоя скважины в процессе бурения.When drilling heterogeneous rocks on bent sub 13, 14, as well as on spindle 6, reactive bending moment occurs due to cutting forces on the bit, as well as the reaction of the bottom hole. The aforementioned bending moment and the bottom hole reaction are compensated by the axial movement of the spindle 6 within the axial clearance 33 between the end face 34 of the support sleeve 27 and the catch ring 28, the rotation of the driving and driven hinge assemblies 16, 17 in the axial spherical sliding bearings 18, 19, as well as damping axial force of the sliding support 10 of the spindle 6. The axial clearance of the turbine rotor 2 relative to the turbine stator 5 exceeds the axial clearance 33 between the end face 34 of the support sleeve 27 and the catch ring 28, while the blades of the turbine rotor 2 do not touch for the blades of the turbine stator 5. With a distance of 31 between the axial bearings 18, 19 of the drive shaft 12, not exceeding the length 32 of the axial support 10 of the spindle 6, rotation of the drive shaft 12 reduces the eccentricity of the hinge assemblies 16 and 17 due to their sliding in the axial supports 18, 19 relative to the axes of the bent adapters 13, 14, synchronizes the rotation of the drive shaft 12 relative to the rotary stages of the turbodrill, and also dampens the axial movements of the spindle 6 in the axial power sliding support 10, minimizing the axial movements of the rotor stages urboburov changing reaction borehole bottom during drilling.

При заклинивании долота и срезании шпинделя 6, переходник 11 с долотом удерживаются усилием полуколец 24, охватывающих шпиндель 6 в кольцевой канавке 23, опорной втулкой 27 в кольце-ловителе 28, которое закреплено съемной втулкой 29 с упругоэластичной опорой скольжения 30 внутри корпуса шпинделя 7.When the bit is jammed and the spindle 6 is cut, the adapter 11 with the bit is held by the force of the half rings 24, covering the spindle 6 in the annular groove 23, the supporting sleeve 27 in the catch ring 28, which is fixed by a removable sleeve 29 with an elastic-elastic sliding support 30 inside the spindle body 7.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИSOURCES OF INFORMATION

1. Калинин А.Г. и др. Бурение наклонных и горизонтальных скважин. Справочник. М.: Недра. Стр.44, рис.2.1.1. Kalinin A.G. etc. Drilling of inclined and horizontal wells. Directory. M .: Subsoil. Page 44, Fig. 2.1.

2. RU, патент 2136834, МПК Е 21 В 4/02, 7/08, 24.04.97 г.2. RU, patent 2136834, IPC E 21 B 4/02, 7/08, 04.24.97,

3. RU, патент 2149971, МПК Е 21 В 4/02, 7/08, 02.02.99 г.3. RU, patent 2149971, IPC E 21 B 4/02, 7/08, 02.02.99.

Claims

A downhole hydraulic motor comprising a hollow body, a drive with a rotor placed inside it, and a spindle mounted inside the spindle body on axial and radial bearings, equipped with a chisel and connected by a drive shaft with a rotor, the motor and spindle bodies being connected by curved threaded adapters, and the rotor and the spindle are connected to the drive shaft, equipped with a master and driven hinge assemblies with axial sliding bearings, by means of threaded adapters, characterized in that the spindle housing with a transverse connector between the axial and radial bearings on the bit side, the spindle is made with an annular groove in the plane of the transverse connector of the spindle body, a split ring is installed in the groove, the diameter of which exceeds the diameter of the spindle, a support sleeve and a catcher ring are fixed inside the spindle body, and a radial support the spindle housing on the bit side is made in the form of an elastic-elastic sliding support mounted on a removable sleeve and mounted inside the spindle housing, the distance between the axial supports one shaft is less than the axial length of the spindle support.