RU2326227C2

RU2326227C2 - Two-rotor turbodrill

Info

Publication number: RU2326227C2
Application number: RU2006122292/03A
Authority: RU
Inventors: Валериан Петрович Шумилов (RU); Валериан Петрович Шумилов; Владимир Николаевич Мартынов (RU); Владимир Николаевич Мартынов; Михаил Матвеевич Розин (RU); Михаил Матвеевич Розин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная Компания "РАНКО"
Priority date: 2006-06-22
Filing date: 2006-06-22
Publication date: 2008-06-10
Also published as: RU2006122292A

Abstract

FIELD: engines.

SUBSTANCE: invention relates to the field of drilling equipment, particularly, to downhole motors, namely, to turbodrills. Turbodrill consists of spindle assembly, turbine sections assembly and power converter assembly connected consequently. Bodies of the mentioned assemblies form one rotor, their shafts form another rotor. The power converter assembly includes a separator, rigidly fixed to the lower end of drill column and connected with the power converter's body and shaft by means of rolling bodies and/or satellites of planetary gearing which is located in the separator and have ability to accordingly interact with casing and/or central wheels of planetary gearing, fixed in the body and at the shaft of the power converter assembly.

EFFECT: reduction of chisel rotation frequency by 1.5-1.8 times comparing to the serial turbodrills with simultaneous increase of torque at chisel.

4 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области буровой техники, в частности к забойным двигателям, конкретно - к турбобурам для привода буровых долот.The invention relates to the field of drilling equipment, in particular to downhole motors, in particular to a turbo-drill for driving drill bits.

Известны конструкции турбобуров с вращающимся корпусом, эффективность которых в наибольшей степени проявляется при бурении в разрезах, имеющих тенденцию к сильному естественному искривлению или отклонению ствола скважины от задаваемого направления. В силу специфики конструкции турбобуры с вращающимся корпусом выпускались, как правило, с полым валом, жестко соединяемым с бурильной колонной. Долото присоединялось к корпусу нижней секции турбобура с помощью переводника с гидромониторным узлом, где происходило деление потока, часть которого направлялась к соплам долота, а другая - к турбине в направлении снизу вверх (см. Ю.Р.Иоанесян, В.П.Мациевский, А.А.Василенко. «Современная техника турбинного бурения», Киев. Техника, 1977, стр.52-71). Несмотря на названые технологические достоинства, турбобуры с вращающимся корпусом, как и все известные серийные безредукторные турбобуры, имели высокие частоты вращения, что отрицательно сказывается не только на работоспособности долота, но и на долговечности их корпусов, даже защищенных протекторами. Для снижения частот вращения турбобура с вращающимся корпусом использовались дополнительно секции с решетками гидроторможения, что существенно увеличивало осевые габариты забойного двигателя.Known designs of turbodrills with a rotating body, the effectiveness of which is most manifested when drilling in sections that tend to severely naturally bend or deviate the wellbore from a given direction. Due to the design specifics, turbodrills with a rotating body were produced, as a rule, with a hollow shaft rigidly connected to the drill string. The bit was attached to the casing of the lower section of the turbodrill using an adapter with a hydromonitor unit, where the flow was divided, part of which was directed to the nozzles of the bit, and the other to the turbine in the direction from the bottom up (see Yu.R. Ioanesyan, V.P. Matsievsky, A.A. Vasilenko. "Modern technology of turbine drilling", Kiev. Technique, 1977, pp. 52-71). Despite the technological advantages mentioned, turbodrills with a rotating body, like all the well-known serial gearless turbodrills, had high rotational speeds, which negatively affects not only the performance of the bit, but also the durability of their bodies, even protected by protectors. To reduce the rotational speed of the turbodrill with a rotating casing, additional sections with hydraulic braking gratings were used, which significantly increased the axial dimensions of the downhole motor.

Известно устройство для бурения скважин (RU 2021463 С1, Е21В 4/00, 28.06.94), в котором к ротору и статору турбобура присоединены соответственно алмазное и шарошечное долота, причем последнее размещено внутри алмазного долота и приводится во вращение колонной бурильных труб через штангу, размещенную в полом валу ротора. В турбобуре этого типа удается разделить функции высокочастотного алмазного долота, реализующего мощность турбины, и низкооборотного шарошечного долота, независимого от энергетической характеристики турбины. При этом вращение корпуса-статора забойного двигателя и вала-ротора происходит в одну сторону независимо друг от друга. Это значит, что турбина реализует свою мощность только в высокооборотном режиме работы долота.A device for drilling wells is known (RU 2021463 C1, EV 4/00, 06/28/94), in which a diamond and cone bit are connected to the rotor and stator of the turbodrill, the latter being placed inside the diamond bit and driven into rotation by the drill pipe string through the rod, located in the hollow shaft of the rotor. In a turbodrill of this type, it is possible to separate the functions of a high-frequency diamond bit that realizes the power of the turbine and a low-speed roller cone, independent of the energy characteristics of the turbine. In this case, the rotation of the stator casing of the downhole motor and the rotor shaft occurs in one direction independently of each other. This means that the turbine realizes its power only in the high-speed mode of operation of the bit.

Известен также турбинный двигатель по а.с. 523166, кл. F03b 13/02, 07.03.73, в котором содержатся две системы роторов и узел их соединения, выполненный в виде обойм и размещенного между ними сепаратора, снабженного телами качения, причем обоймы расположены последовательно одна за другой, а сепаратор закреплен в корпусе. Тела качения могут быть выполнены также с нарезкой для образования зубчатой передачи. Кинематическим достоинством названного двигателя является то, что в нем возможно существенное (до 2-х раз) снижение частоты вращения выходного вала двигателя с соответствующим увеличением вращающего момента на нем. Существенным недостатком принимаемого за прототип указанного турбинного двигателя является размещение второго ротора непосредственно в корпусе турбобура, иными словами, противоположное вращение статора происходит внутри корпуса. Это, наряду с существенным уменьшением расчетного диаметра турбины, приводит к утечкам в радиальном зазоре, его зашламлению и, как следствие, снижению мощности турбобура, а также усложнению демонтажа турбинных секций при их ремонте. Кроме этого, размещение узлов соединения роторов непосредственно в проточной части турбин также приводит к снижению надежности и долговечности двигателя.Also known as a turbine engine 523166, cl. F03b 13/02, 03/07/73, which contains two systems of rotors and a node for their connection, made in the form of cages and a separator placed between them, equipped with rolling bodies, the cages being arranged sequentially one after another, and the separator is fixed in the housing. Rolling bodies can also be made with a thread to form a gear train. The kinematic advantage of this engine is that it can significantly (up to 2 times) a decrease in the frequency of rotation of the output shaft of the engine with a corresponding increase in torque on it. A significant drawback of the turbine engine adopted for the prototype is the placement of the second rotor directly in the turbodrill casing, in other words, the opposite rotation of the stator occurs inside the casing. This, along with a significant decrease in the design diameter of the turbine, leads to leaks in the radial clearance, its clogging, and, as a result, a decrease in the power of the turbodrill, as well as complicating the dismantling of the turbine sections during their repair. In addition, the placement of the rotor connection nodes directly in the flow part of the turbines also leads to a decrease in the reliability and durability of the engine.

Задачей настоящего предлагаемого изобретения является устранение недостатков, свойственных турбобуру, принятому за прототип, и создание такого турбобура, который при минимальном усложнении конструкции по сравнению с серийными позволял бы использовать серийные шпиндели, в т.ч. и с современными типами опор, использовать серийные турбинные секции с простыми и доступными в промышленном производстве турбинными колесами, использовать стандартные опоры качения, а также известные в практике применения маслонаполненных конструкций и апробированные уплотнительные устройства, применять известные и апробированные системы стабилизации компоновки низа бурильной колонны (КНБК) в скважине, используемые в т.ч. и в роторном бурении.The objective of the present invention is to eliminate the disadvantages inherent in the turbodrill, adopted as a prototype, and to create such a turbodrill, which with minimal complexity of the design compared to serial would allow the use of serial spindles, including and with modern types of supports, use serial turbine sections with simple and affordable turbine wheels in industrial production, use standard rolling bearings, as well as the practice of using oil-filled structures and proven sealing devices, use well-known and approved stabilization systems for the bottom of the drill string (BHA) ) in the well, used including and in rotary drilling.

Сущность изобретения состоит в том, что при располагаемой мощности турбины обеспечивается снижение частоты вращения и повышение вращающего момента на долоте, и при этом турбобур, обладая свойством турбобуров с вращающимся корпусом предотвращать естественное отклонение оси скважины от заданного направления, выполняется с минимальным усложнением конструкции по сравнению с серийными или апробированными в промышленности конструкциями.The essence of the invention lies in the fact that with the available power of the turbine, the rotational speed is reduced and the torque on the bit is increased, while the turbodrill, having the property of the turbodrills with a rotating casing to prevent a natural deviation of the axis of the well from a given direction, is performed with minimal design complexity compared to serial or industry approved designs.

При этом турбобур обеспечивает сниженную в 1,5-1,8 раза частоту вращения долота и увеличенный до 2-х раз рабочий момент на долоте, а также возможность эффективной проработки и калибровки ствола, в том числе с использованием привода от бурильной колонны, обеспечивая при этом эффективную стабилизацию заданного направления ствола скважины.At the same time, the turbodrill provides a 1.5-1.8-fold reduction in the bit rotation frequency and a working moment on the bit increased up to 2 times, as well as the possibility of efficient development and calibration of the barrel, including using a drill string drive, providing this effective stabilization of a given direction of the wellbore.

Для решения поставленной технической задачи двухроторный турбобур включает узел шпинделя, узел турбинных секций и узел преобразователя мощности, соединенный с нижним концом бурильной колонны, корпуса которых образуют один ротор, а валы - другой. Характерной особенностью заявляемого двухроторного турбобура является то, что узел преобразователя мощности включает сепаратор, жестко скрепленный с нижним концом бурильной колонны и связанный с корпусом и с валом посредством тел качения и/или сателлитов зубчатой планетарной передачи, размещенных в сепараторе с возможностью взаимодействия, соответственно, с обоймами и/или центральными колесами зубчатой планетарной передачи, закрепленными в корпусе и на валу узла преобразователя мощности. При этом указанные тела качения и обоймы могут быть выполнены в виде элементов опор качения типа упорно-радиального подшипника с сепаратором. Указанные тела качения и/или элементы зубчатой планетарной передачи размещены в маслонаполненной полости, защищенной уплотнительными узлами, установленными, соответственно, между корпусом и валом узла преобразователя мощности, валом узла преобразователя мощности и сепаратором и сепаратором и корпусом узла преобразователя мощности. В верхней части узла преобразователя мощности между его корпусом и сепаратором, выше сквозных дренажных отверстий, выполненных в сепараторе, установлено многорядное щелевое лабиринтное уплотнение с упрочненными твердым сплавом рабочими поверхностями.To solve the technical problem, a two-rotor turbodrill includes a spindle assembly, a turbine section assembly and a power converter assembly connected to the lower end of the drill string, whose bodies form one rotor and the shafts form another. A characteristic feature of the inventive two-rotor turbodrill is that the power converter assembly includes a separator rigidly attached to the lower end of the drill string and connected to the housing and the shaft by means of rolling bodies and / or planetary gear satellites placed in the separator with the possibility of interaction, respectively, with clips and / or central gear wheels of a planetary gear transmission, fixed in the housing and on the shaft of the power converter assembly. Moreover, these rolling bodies and cages can be made in the form of elements of rolling bearings such as a radial thrust bearing with a separator. These rolling bodies and / or gear planetary gear elements are placed in an oil-filled cavity protected by sealing units installed, respectively, between the housing and the shaft of the power converter assembly, the shaft of the power converter assembly and the separator and separator and the housing of the power converter assembly. In the upper part of the power converter assembly between its body and the separator, above the through drainage holes made in the separator, a multi-row gap labyrinth seal with hard surfaces reinforced with hard alloy is installed.

Технические признаки, являющиеся отличительными для заявляемого двухроторного турбобура, могут быть реализованы с помощью средств, используемых в различных областях техники, в т.ч. в области техники бурения нефтегазовах скважин.Technical features that are distinctive for the inventive twin-rotor turbodrill can be implemented using tools used in various fields of technology, including in the field of oil and gas well drilling technology.

Настоящее предлагаемое изобретение поясняется примерами его выполнения, изображенными на прилагаемых чертежах, на которых:The present invention is illustrated by examples of its implementation, depicted in the accompanying drawings, in which:

фиг.1 - схематическое изображение заявляемого двухроторного турбобура (в продольном разрезе);figure 1 is a schematic representation of the inventive two-rotor turbodrill (in longitudinal section);

фиг.2 - узел соединения роторных систем корпуса и вала в узле преобразователя мощности, выполненный в виде элементов зубчатой планетарной передачи (место 1, фиг.1, в увеличенном масштабе);figure 2 - the connection node of the rotary systems of the housing and the shaft in the node of the power converter, made in the form of elements of a planetary gear transmission (place 1, figure 1, on an enlarged scale);

фиг.3 - тот же узел, выполненный с элементами опор качения типа упорно-радиального подшипника с сепаратором (в увеличенном масштабе);figure 3 - the same site, made with elements of the bearings of the type of persistent radial bearing with a separator (on an enlarged scale);

фиг.4 - поперечное сечение по линии I-I фиг.1;figure 4 is a cross section along the line I-I of figure 1;

фиг.5 - энергетические характеристики заявляемого турбобура.figure 5 - energy characteristics of the inventive turbodrill.

Двухроторный турбобур (см. фиг.1) содержит узел шпинделя, с корпусом 1 которого соединен корпус 2 узла турбинных секций, соединенный, в свою очередь, с корпусом 3 узла преобразователя, соединенного с нижним концом 4 колонны бурильных труб.The two-rotor turbodrill (see Fig. 1) comprises a spindle assembly, with a housing 1 of which a housing 2 of a turbine section assembly is connected, which is in turn connected to a housing 3 of a converter assembly connected to the lower end 4 of the drill pipe string.

Узел преобразователя включает размещенный в корпусе 3 сепаратор 5 и вал 6 с закрепленными на них обоймами 7 и 8, между которыми размещены тела качения 9, установленные в сепараторе 5. Сепаратор 5 в корпусе 3 преобразователя установлен на осевой многорядной опоре качения 10, над которой размещен уплотнительный узел 11. Вал 6 выполнен полым с каналом 12 и выходными отверстиями 13 в надтурбинную полость выше места сочленения вала 6 с валом 14 турбинной секции, которое осуществляется, например, с помощью конусно-шлицевых полумуфт 15 и 16. Между валом 6 и корпусом 3 над отверстиями 13 установлен уплотнительный узел 17. Между валом 6 и сепаратором 5 выше размещенных в нем тел качения 9 установлен уплотнительный узел 18. Полость, защищаемая уплотнительными узлами 11, 17 и 18, заполнена смазочной средой для опоры 10 и тел качения 9. Под и над уплотнительным узлом 11 в теле сепаратора 5 выполнены сквозные отверстия 19 и 20. Отверстие 19 перекрыто разделительным устройством, например эластичной мембраной 21. Выше дренажного отверстия 20 между корпусом 3 и сепаратором 5 установлено многорядное щелевое лабиринтное уплотнение 22 с рабочими поверхностями, упрочненными твердым сплавом. Соединение роторных систем корпуса 3 и вала 6 в узле преобразователя осуществляется телами качения 9, размещенными в сепараторе 5 между обоймами 7 и 8 (фиг.1, 3). Сепаратор 5 с помощью переводника 23 жестко соединяется с колонной бурильных труб 4.The converter assembly includes a separator 5 located in the housing 3 and a shaft 6 with cages 7 and 8 fixed to them, between which rolling elements 9 are installed in the separator 5. The separator 5 in the converter housing 3 is mounted on an axial multi-row rolling support 10, above which the sealing assembly 11. The shaft 6 is made hollow with the channel 12 and the outlet 13 in the turbine cavity above the junction of the shaft 6 with the shaft 14 of the turbine section, which is carried out, for example, using cone-slotted coupling halves 15 and 16. Between the shaft 6 and the body Som 3 above the holes 13, a sealing assembly 17 is installed. Between the shaft 6 and the separator 5, a sealing assembly 18 is installed above the rolling bodies 9 installed therein. The cavity protected by the sealing assemblies 11, 17 and 18 is filled with a lubricant for support 10 and rolling bodies 9. Through and above the sealing assembly 11, through holes 19 and 20 are made in the body of the separator 5. The hole 19 is blocked by a separating device, for example, an elastic membrane 21. Above the drainage hole 20, a multi-row slot labyrinth cavity is installed between the housing 3 and the separator 5 nenie 22 with working surfaces hardened carbide. The connection of the rotor systems of the housing 3 and the shaft 6 in the transducer assembly is carried out by rolling elements 9 located in the separator 5 between the clips 7 and 8 (Figs. 1, 3). The separator 5 using the sub 23 is rigidly connected to the drill pipe string 4.

Тела качения 9 и обоймы 7 и 8 могут быть выполнены как элементы опоры качения типа упорно-радиального подшипника с сепаратором, в том числе и многорядного. Кроме этого, связь корпуса 3 и вала 6 может быть осуществлена посредством элементов зубчатой планетарной передачи (фиг.2, 3) с центральными колесами 24 и 25, соответствующими обоймам 7 и 8, и сателлитами 26, соответствующими телам качения 9 и установленными в сепараторе 5. Возможно сочетание двух вышеприведенных вариантов (фиг.3), что наиболее предпочтительно.Rolling bodies 9 and cages 7 and 8 can be made as elements of a rolling support such as a radial thrust bearing with a cage, including multi-row. In addition, the connection of the housing 3 and the shaft 6 can be carried out by means of the elements of the planetary gear train (Figs. 2, 3) with the central wheels 24 and 25 corresponding to the clips 7 and 8 and the satellites 26 corresponding to the rolling bodies 9 and installed in the separator 5 A combination of the two above options is possible (figure 3), which is most preferred.

В качестве узла шпинделя используется любой известный шпиндель серийного турбобура, при этом преимущественно при отсутствии специальных требований следует применять шпиндель, в корпусе 1 и на валу 27 которого размещена пята-сальник 28 и радиальные опоры 29. Ниппельная часть 30 корпуса 1 шпинделя может быть оснащена опорно-центрирующим элементом 31, выполняющим функцию стабилизатора (центратора) или калибратора. К полому валу 27 шпинделя присоединено долото 32. Соединение валов 14 турбинной секции и 27 шпинделя осуществляется полумуфтами 33 и 34 с отверстиями 35 в последней для пропуска промывочной жидкости к долоту.As the spindle assembly, any known serial turbodrill spindle is used; in this case, in the absence of special requirements, a spindle should be used, in the housing 1 and on the shaft 27 of which a heel seal 28 and radial bearings 29 are located. The nipple part 30 of the spindle housing 1 can be equipped with a support -centric element 31, performing the function of a stabilizer (centralizer) or calibrator. A chisel 32 is connected to the hollow shaft 27 of the spindle. The connection of the shafts 14 of the turbine section and 27 of the spindle is carried out by coupling halves 33 and 34 with holes 35 in the latter for passing the washing liquid to the chisel.

В корпусе 2 и на валу 14 узла турбинной секции размещены рабочие колеса соответственно статоров 36 и роторов 37 осевой многоступенчатой турбины. Здесь также установлены радиальные опоры 38 и предохранительная пята 39. Соединение корпусов турбинных секций между собой и с корпусом шпинделя осуществляется посредством стандартных переводников 40 и 41. При необходимости переводники могут оснащаться опорно-центрирующими элементами (не показаны).In the housing 2 and on the shaft 14 of the node of the turbine section are placed the impellers of the stators 36 and rotors 37 of the axial multistage turbine, respectively. Radial bearings 38 and safety heel 39 are also installed here. The turbine section housings are connected to each other and to the spindle housing using standard sub 40 and 41. If necessary, the sub can be equipped with support centering elements (not shown).

Работа заявляемого двухроторного турбобура.The work of the inventive two-rotor turbodrill.

Собранный и отрегулированный в турбинном цехе двухроторный турбобур доставляется на буровую отдельными узлами - шпиндельной и турбинных секций и узла преобразователя, соединение которых в единый агрегат производится непосредственно над устьем скважины. После соединения названных узлов на вал 27 навинчивается долото 32. Собранный двухроторный турбобур с помощью верхнего переводника 23 преобразователя мощности присоединяется к нижнему звену колонны бурильных труб 4 и далее ведется спуск бурильной колонны в скважину. При пуске насосов промывочная жидкость поступает в турбобур, не доведенный до забоя на расстояние, необходимое для промывки и проработки призабойной зоны. Промывочная жидкость с расходом Q поступает в канал 12 вала 6 преобразователя, далее, выходя из отверстий 13, поступает к рабочим органам 36 и 37 многоступенчатой осевой турбины, которая приводит во вращение две системы роторов (жестко скрепленные корпуса 2, 1 и 3 и также жестко скрепленные валы 14, 6 и 27). Поскольку эти две системы роторов кинематически связаны в механизме соединительного устройства узла преобразователя мощности, относительная (n) частота вращения, определяемая моментной характеристикой М(n) турбины (линия «а» фиг.5), делится таким образом, что по своей абсолютной величине n=[n₁]+[n₂], где n₁- частота вращения роторов 14, 6 и 27 в направлении вращения долота 32 (правое вращение), n₂ - частота вращения корпусов 2, 1 и 3 в противоположном направлении. Соотношение этих частот определяется соотношением геометрических размеров (фиг.4) элементов узла соединения преобразователя, т.е. n₁/n₂=D₂/D₁=i - кинематическое передаточное отношение. При отсутствии (условно) внешних сопротивлений вращению долота на забое и опорно-центрирующим элементам корпуса в стволе скважины турбина турбобура переходит в режим разгонных оборотов, при которых величина n=n_х - максимальна (фиг.5), а частоты вращения долота 32 и корпуса турбобура (n_1x и n_2x) делятся в вышеприведенном соотношении. Таким образом, долото над забоем имеет сниженные обороты по сравнению с теми, которые обеспечивает такая же турбина в обычной компоновке серийного турбобура. В этом режиме начинается проработка ствола скважины в призабойной зоне, а затем и работа долота на забое. По мере нагружения долота и достижения рабочей частоты его вращения соотношение частот вращения корпуса и долота остается таким же, т.е. достигнутая частота вращения турбины (n_i) делится в вышеприведенном соотношении между валом (n_1i) и корпусом (n_2i). При этом, так как активный и реактивный моменты турбины равны по величине, то при отсутствии внешних сопротивлений на корпусе турбобура (на его опорно-центрирующих элементах) долоту передается как момент роторов 37 на валу 14 турбины, так и момент статоров 36, т.е. момент на долоте равен удвоенному моменту, выработанному турбиной (линия «б» фиг.5), а реактивный момент, равный этому удвоенному моменту, от сепаратора 5 воспринимается колонной бурильных труб 4. При наличии внешних сопротивлений вращению корпуса в скважине, связанных с работой опорно-центрирующих элементов, и в т.ч. калибратора, момент на долоте (линия «в») снизится на величину этих затрат момента (линия «в»). При этом как и в первом случае, реактивный момент, воспринимаемый колонной бурильных труб от сепаратора узла преобразователя мощности, равен удвоенному моменту турбины. Очевидно, что при заторможенном на забое долоте прекращается вращение также и корпуса, и, наоборот, при заторможенном в скважине корпусе прекращается вращение также и долота. При этом в обоих случаях реактивный момент на колонне бурильных труб будет равен удвоенному тормозному моменту (2М_т) турбины. Это существенно улучшает эксплуатационные показатели двухроторного турбобура по сравнению с серийными турбобурами при борьбе с прихватами долота, т.к. в этом случае обеспечивается, по крайней мере, двойной тормозной момент при ликвидации прихвата путем вращения колонны ротором.A two-rotor turbodrill assembled and adjusted in the turbine workshop is delivered to the drilling rig by separate units - the spindle and turbine sections and the converter unit, which are connected into a single unit directly above the wellhead. After connecting these nodes, a bit 32 is screwed onto the shaft 27. The assembled two-rotor turbodrill is connected to the lower link of the drill pipe 4 using the upper power transformer sub 23 and the drill string is then lowered into the well. When starting up the pumps, the flushing fluid enters the turbodrill, which is not brought to the bottom at the distance necessary for flushing and working through the bottomhole zone. Flushing fluid with a flow rate of Q enters the channel 12 of the shaft 6 of the converter, then, leaving the holes 13, it enters the working bodies 36 and 37 of a multi-stage axial turbine, which drives two rotor systems (rigidly fastened cases 2, 1 and 3 and also rigidly bonded shafts 14, 6 and 27). Since these two systems of rotors are kinematically connected in the mechanism of the connecting device of the power converter assembly, the relative (n) rotational speed determined by the torque characteristic M (n) of the turbine (line “a” of FIG. 5) is divided in such a way that in its absolute value n = [n ₁ ] + [n ₂ ], where n ₁ is the rotational speed of the rotors 14, 6 and 27 in the direction of rotation of the bit 32 (right rotation), n ₂ is the rotational speed of the casings 2, 1 and 3 in the opposite direction. The ratio of these frequencies is determined by the ratio of the geometric dimensions (Fig. 4) of the elements of the converter connection node, i.e. n ₁ / n ₂ = D ₂ / D ₁ = i - kinematic gear ratio. In the absence of (conditionally) external resistance to the rotation of the bit on the bottom and the support-centering elements of the body in the wellbore, the turbo-drill turbine goes into the acceleration speed mode at which the value n = n _x is maximum (figure 5), and the rotational speed of the bit 32 and the body turbodrills (n _1x and n _2x ) are divided in the above ratio. Thus, the bit above the face has a reduced speed compared to those provided by the same turbine in the usual layout of a serial turbodrill. In this mode, the development of the wellbore in the bottomhole zone begins, and then the work of the bit on the bottom. As the bit is loaded and the working frequency of its rotation is reached, the ratio of the rotational frequencies of the body and the bit remains the same, i.e. the achieved turbine speed (n _i ) is divided in the above ratio between the shaft (n _1i ) and the housing (n _2i ). Moreover, since the active and reactive moments of the turbine are equal in magnitude, in the absence of external resistances on the turbodrill body (on its support-centering elements), the bit is transmitted both the moment of the rotors 37 on the turbine shaft 14 and the moment of the stators 36, i.e. . the moment on the bit is equal to twice the moment generated by the turbine (line "b" of Fig. 5), and the reactive moment equal to this double moment from the separator 5 is perceived by the drill pipe string 4. In the presence of external resistance to rotation of the body in the well associated with the support -centric elements, including calibrator, the moment on the bit (line "b") will decrease by the value of these costs of the moment (line "b"). Moreover, as in the first case, the reactive moment perceived by the drill pipe string from the separator of the power converter assembly is equal to twice the turbine moment. It is obvious that when the bit is braked at the bottom, the rotation of the body also stops, and, conversely, when the body is braked in the well, the rotation of the bit also stops. Moreover, in both cases, the reactive moment on the drill pipe string will be equal to twice the braking torque (2M _t ) of the turbine. This significantly improves the performance of a two-rotor turbodrill compared to serial turbodrills in the fight against bit sticking, because in this case, at least a double braking torque is provided when the sticking is eliminated by rotating the column with a rotor.

Использование в конструкции двухроторного турбобура шпинделя с опорой скольжения - пяты-сальника 28 целесообразно, так как она работает при большей, чем у долота частоте вращения (n_i>n_1i). Передача осевого усилия от колонны бурильных труб происходит также и через опорный узел - осевую многорядную опору качения 10, которая работает в выгодных для опор качения режимах сниженных частот вращения (n_2i). Кроме того, как и тела качения узла преобразователя, опора 10 работает в среде, защищенной от абразивной промывочной жидкости. Благодаря отверстию 19 с мембраной 21 давление в этой полости мало отличается от внешнего давления рабочей жидкости на входе в турбину, что повышает надежность уплотнительных узлов 17 и 18. Уплотнительный узел 11 находится в наиболее сложных условиях, однако, благодаря наличию дренажного отверстия 20 и многорядного щелевого лабиринтного уплотнения 22, рабочие поверхности которого упрочнены твердым сплавом, при допускаемой утечке рабочей жидкости через него (1-2% расхода Q) перепад давления на уплотнительном узле 11 минимален.Use in the design of a two-rotor turbodrill spindle with a sliding support - heel-gland 28 is advisable, since it works at a higher rotational speed than n the bit (n _i > n _1i ). The transmission of axial force from the drill pipe string also takes place through the support unit — the axial multi-row rolling bearing 10, which operates in reduced rotational speeds (n _2i ), which are advantageous for the rolling bearings. In addition, like the rolling elements of the converter assembly, the support 10 operates in an environment protected from abrasive flushing fluid. Due to the hole 19 with the membrane 21, the pressure in this cavity differs little from the external pressure of the working fluid at the turbine inlet, which increases the reliability of the sealing units 17 and 18. The sealing unit 11 is in the most difficult conditions, however, due to the presence of the drainage hole 20 and a multi-row slot a labyrinth seal 22, the working surfaces of which are hardened by a hard alloy, with an allowable leakage of the working fluid through it (1-2% of the flow rate Q), the pressure drop across the sealing assembly 11 is minimal.

Таким образом, предложенный двухроторный турбобур позволяет:Thus, the proposed two-rotor turbodrill allows you to:

- использовать серийные шпиндели, в том числе с современными типами опор;- use serial spindles, including those with modern types of bearings;

- использовать серийные турбинные секции с простыми и доступными в промышленном производстве турбинными колесами;- use serial turbine sections with simple and affordable turbine wheels in industrial production;

- использовать стандартные опоры качения, а также известные в практике применения маслонаполненных конструкций апробированные уплотнительные устройства;- use standard rolling bearings, as well as proven sealing devices known in the practice of using oil-filled structures;

- применять известные и апробированные системы стабилизации КНБК в скважине, в том числе и аналогичные компоновкам роторного бурения.- apply well-known and approved BHA stabilization systems in the well, including those similar to rotary drilling arrangements.

При этом турбобур обеспечивает сниженную в 1,5-1,8 раза частоту вращения долота и увеличенный до 2-х раз рабочий момент на долоте, а также возможность эффективной проработки и калибровки ствола, в том числе с использованием привода от бурильной колонны, осуществляя эффективную стабилизацию заданного направления ствола скважины.At the same time, the turbodrill provides a 1.5-1.8-fold reduced rotational speed of the bit and a working moment on the bit increased up to 2 times, as well as the ability to efficiently drill and calibrate the barrel, including using a drill string drive, making it efficient stabilization of a given direction of the wellbore.

Claims

1. A two-rotor turbodrill, including series-connected nodes of the spindle, turbine sections and a power converter, characterized in that the bodies of these nodes form one rotor, and the shafts form another rotor, the power converter assembly includes a separator rigidly fastened to the lower end of the drill string and connected to the housing and the shaft of the power converter assembly by means of rolling bodies and / or planetary gear satellites placed in the separator with the possibility of interaction, respectively, with clips and / or ENTRAL toothed wheels of the planetary gear, fixed in the housing and on the shaft of the power converter assembly.

2. The two-rotor turbodrill according to claim 1, characterized in that said rolling bodies and / or planetary gear elements are placed in an oil-filled cavity protected by sealing assemblies installed, respectively, between the housing and the shaft of the power converter assembly, the shaft of the power converter assembly and the separator and a separator and a housing of the power converter assembly.

3. The two-rotor turbodrill according to claim 1 or 2, characterized in that the rolling bodies and cages are made in the form of elements of rolling bearings such as a radial thrust bearing.

4. The two-rotor turbodrill according to claim 1, characterized in that in the upper part of the power converter assembly between its casing and the separator, above the through drainage holes made in the separator, a multi-row gap labyrinth seal with hard alloy hardened working surfaces is installed.