Устройство для бурения скважин

 

Использование: бурение скважин на нефть и газ. Сущность изобретения: устройство содержит секционный забойный двигатель и долото. Двигатель включает корпус, валы секций с муфтами, механизм преобразования гидравлической мощности и преобразователь частоты вращения. Одна муфта вала является самоуправляемой. Один вал преобразователя частоты вращения жестко связан с валом самоуправляемой муфты, а другой - с валом секции. Между преобразователем частоты вращения и самоуправляемой муфтой установлен механизм преобразования гидравлической мощности. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к буровой технике и предназначено для бурения нефтяных и газовых скважин.

Цель изобретения повышение эффективности процесса бурения путем увеличения диапазона частот вращения долота, в котором обеспечивается устойчивая работа секционного забойного двигателя при одновременном повышении его долговечности за счет уменьшения моментной нагрузки преобразователя частоты вращения и снижения его частоты вращения в определенном диапазоне частот вращения долота, а также упрощение условий эксплуатации за счет использования в соседних секциях механизмов преобразования гидравлической мощности потока жидкости в механическую мощность с большей разницей разгонных оборотов.

Поставленная цель достигается тем, что один из валов преобразователя частоты вращения жестко связан с валом самоуправляемой муфты или храпового механизма, а другой с валом секции. На валу между преобразователем частоты вращения и самоуправляемой муфтой или храповым механизмом может быть установлен механизм преобразования гидравлической мощности потока жидкости в механическую мощность.

Сущность предложенного изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено устройство для бурения скважин, в секционном забойном двигателе которого тихоходный вал преобразователя частоты вращения жестко связан с валом самоуправляемой муфты, а быстроходный с валом секции; на фиг.2 секционный забойный двигатель, в котором быстроходный вал преобразователя частоты вращения жестко связан с валом самоуправляемой муфты, а тихоходный вал с валом секции; на фиг.3 секционный забойный двигатель, изображенный на фиг.1, в котором на валу между преобразователем частоты вращения и самоуправляемой муфтой установлен механизм преобразования гидравлической мощности потока жидкости в механическую мощность; на фиг.4 секционный забойный двигатель, изображенный на фиг.2, в котором на валу между преобразователем частоты вращения и самоуправляемой муфтой установлен механизм преобразования гидравлической мощности потока жидкости в механическую мощность; на фиг.5 - моментная характеристика секционного забойного двигателя; на фиг.6 моментная характеристика преобразователя частоты вращения, установленного в секционном забойном двигателе.

Забойный двигатель (фиг. 1) состоит из отдельных секций, а валы по крайней мере двух секций, одна из которых является нижней 1, а другая верхней 2, связаны самоуправляемой муфтой 3, включаемой и выключаемой автоматически при достижении определенной частоты вращения вала нижней секции 1 (например, муфта свободного хода, обгонная муфта и т.п.) или храповым механизмом.

Каждая секция содержит корпус 4, вал 5 и механизм 6 преобразования гидравлической мощности потока жидкости в механическую мощность на вал 5. В верхней секции 2 установлен преобразователь частоты вращения 7 (например, редуктор и т.п.), быстроходный вал 8 которого жестко связан с валом 5 этой секции, а тихоходный вал 9 с валом самоуправляемой муфты 3 или храпового механизма. Выходной вал секционного забойного двигателя соединен с долотом 10.

Преобразователь частоты вращения 7 может быть установлен и в нижней секции 1 (фиг. 2), при этом его быстроходный вал 8 жестко связан с валом самоуправляемой муфты 3, а тихоходный вал 9 с валом 5 этой секции.

Между преобразователем частоты вращения 7 и самоуправляемой муфтой 3 может быть дополнительно установлен механизм 6 преобразования гидравлической мощности потока жидкости в механическую мощность (фиг.3, 4).

Характеристики рабочих органов секций забойного двигателя подобраны так, чтобы частота вращения валов, соединенных самоуправляемой муфтой 3, по отношению друг к другу в режиме разгонных оборотов находилась в следующей зависимости: n^Iб_XX>n^II_XX где n^Iб_XX частота вращения быстроходного вала нижней секции 1 в режиме разгонных оборотов; n^II_XX частота вращения выходного вала верхней секции 2 в режиме разгонных оборотов.

Если в секции 1 не установлен преобразователь частоты вращения 7, то n^Iб_XX=n_XX где: n_xx частота вращения выходного вала нижней секции 1 в режиме разгонных оборотов.

Устройство для бурения скважин работает следующим образом.

При отсутствии внешней нагрузки валы всех секций забойного двигателя развивают свою разгонную частоту вращения. Самоуправляемая муфта 3 выключена, а валы секций 1 и 2 разъединены.

При создании нагрузки на долото 10 уменьшается частота вращения быстроходного вала нижней секции 1. При этом результирующая моментная характеристика забойного двигателя соответствует моментной характеристике нижней секции 1 в диапазоне частот вращения, определяемом соотношением n^II_XX<n n^Iб_XX где: n^Iб частота вращения быстроходного вала нижней секции 1.

Указанному диапазону соответствует диапазон частоты вращения выходного вала нижней секции 1, определяемый соотношением n_{вкл.муфты} < n n_xx, где: n_{вкл.муфты} частота вращения выходного вала нижней секции 1, при которой n^Iб=n^II_XX,,
n частота вращения выходного вала нижней секции 1.

В указанном диапазоне частот вращения самоуправляемая муфта 3 выключена, а валы секций 1 и 2 разъединены.

Если между нижней секций 1 и долотом 10 установлена турбинная секция, вал которой жестко связан с валом нижней секции 1, например, конусно-шлицевой муфтой, то результирующая моментная характеристика забойного двигателя соответствует сумме их моментных характеристик.

При дальнейшем увеличении нагрузки на долото 10, когда частота вращения быстроходного вала нижней секции 1 станет меньше частоты вращения выходного вала верхней секции 2, в режиме разгонных оборотов автоматически произойдет включение самоуправляемой муфты 3, соединяющей валы секций 1 и 2. При этом результирующая моментная характеристика забойного двигателя в диапазоне частот вращения, определяемого соотношением
0<n n^II_XX
будет соответствовать суммарной характеристике всех секций, а тормозной момент равняться сумме отдельных тормозных моментов секций. Указанному диапазону соответствует диапазон частоты вращения выходного вала нижней секции 1, определяемый соотношением
0 < n n_{вкл.муфты}.

Таким образом, результирующая моментная характеристика забойного двигателя состоит из прямых участков, образующих вогнутую линию (фиг.5).

При уменьшении нагрузки на долото 10 происходит выключение муфты 3 и разъединение валов 5 секций 1 и 2 в порядке, обратном описанному выше.

В диапазоне частот вращения выходного вала нижней секции 1, определяемом соотношением
n_{вкл.муфты} < n n_xx
самоуправляемая муфта 3 выключена, а преобразователь частоты вращения 7 работает без моментной нагрузки (фиг.6).

Таким образом при жесткой связи одного вала преобразователя частоты вращения 7 с валом самоуправляемой муфты 3, а другого с валом секции повышается долговечность забойного двигателя.

Одновременно с этим достигается увеличение диапазона частот вращения долота, в котором обеспечивается устойчивая работа секционного забойного двигателя, а также возможность использования в соседних секциях механизмов преобразования гидравлической мощности потока жидкости в механическую мощность с большей разницей их разгонных оборотов.

Формула изобретения

1. Устройство для бурения скважин, включающее долото, связанное с выходным валом секционного забойного двигателя, который содержит корпус, валы секций, связанные муфтами, по крайней мере одна из которых выполнена самоуправляемой или в виде храпового механизма и установлена с возможностью периодического соединения валов соседних секций, механизм преобразования гидравлической мощности потока жидкости в механическую мощность на валы секций и преобразователь частоты вращения с быстроходным и тихоходным валами, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности процесса бурения путем увеличения диапазона частот вращения долота, в котором обеспечивается устойчивая работа секционного забойного двигателя при одновременном повышении его долговечности за счет уменьшения моментной нагрузки преобразователя частоты вращения и снижения его частоты вращения в определенном диапазоне частот вращения долота, а также упрощения условий эксплуатации путем использования в соседних секциях механизмов преобразования гидравлической мощности потока жидкости в механическую мощность с большей разницей разгонных оборотов, один из валов преобразователя частоты вращения жестко связан с валом самоуправляемой муфты или храпового механизма, а другой с валом секции.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на валу между преобразователем частоты вращения и самоуправляемой муфтой или храповым механизмом установлен механизм преобразования гидравлической мощности потока жидкости в механическую мощность.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6