Турбобур-забурник

 

Турбобур-забурник используется для бурения скважин сверх большого диаметра в донных отложениях заливов и рек. В этих скважинах устанавливаются и цементируются сваи диаметром 700-1500 мм, необходимые для строительства причалов, эстакад и мостов. Турбобур-забурник состоит из статорной оси, которая своим верхним переводником соединяется с гибким шлангом, по которому насосы подают воду к турбобуру. На статорной оси с помощью гайки неподвижно закреплены статорные элементы осевой пяты, статорные ступени давления турбины, статорные втулки радиальных опор. В корпусе-роторе турбобура неподвижно закреплены с помощью фланцев роторные элементы осевой пяты, роторные ступени давления турбины, радиальные опоры. В корпусе переводника закреплены венцы, назначение которых отклонить поток воды в направлении, обратном направлению вращения корпуса турбобура. К переводнику корпуса турбобура крепится вихревой гидротормоз, к нижней резьбе которого прикрепляется долото. Изобретение позволяет повысить надежность турбобура-забурника за счет снижения нагрузок на его осевую пяту при обеспечении оптимально низких частот вращения долота. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Настоящее изобретение относится к техническим средствам, с помощью которых на дне морских заливов и на реках в достаточно прочных донных отложениях бурятся относительно неглубокие скважины, в которые устанавливаются и в которых цементируются трубные сваи диаметром 700 - 1500 мм, служащие основанием для причалов, нефтеналивных эстакад и мостов.

В более узком подразделении таких средств настоящее изобретение относится к скважинным забойным двигателям, назначение которых - привод во вращение буровых долот, с помощью которых углубляются забои скважин.

Известные конструкции таких двигателей - турбобуров имеют ряд существенных особенностей, которые в очень большой мере затрудняют их использование для целей бурения скважин под свайные основания.

Наиболее неудобные из них - очень большая длина (от 10 до 16 м), необходимая для получения достаточного для вращения долот сверх большого диаметра крутящего момента. Также чрезмерно высокая холостая и рабочая частоты вращения, которые быстро выводят из строя опоры и вооружение очень дорогих долот сверх большого диаметра, шарошки которых имеют частоты вращения в 2,5 - 6 раз более высокие, чем частоты вращения ротора турбобура. Наконец, очень высокие гидравлические осевые нагрузки на пяту турбобуров затрудняют их запуск и очень сильно сокращают отказной срок службы осевой опоры, для демонтажа и замены которой турбобуры часто приходится отправлять "на берег" в специализированные на их ремонте цеха. В конечном итоге эти недостатки в значительной мере удорожают и без того чрезвычайно дорогое строительство нефтеналивных эстакад, мостов и других подобных им сооружений.

Известная конструкция турбобура-турбодолота (см. Р.А.Иоаннесян "Основы теории и техники турбинного бурения", Москва-1953 г., стр. 135 - 137), предназначенная для использования с алмазной бурильной головкой способна решить только одну проблему - снять избыточную гидравлическую нагрузку с пяты турбобура.

Наиболее близким прототипом нашего турбобура-забурника является изобретение, выполненное согласно патенту РФ N 2071531 "Свая морской нефтегазовой платформы".

В этом изобретении для уменьшения холостой и рабочих частот вращения долота (долотного щита) используется лопастной гидротормоз, который крепится к валу-ротору турбобура, а под ним (гидротормозом) крепится долото. Подобная компоновка, состоящая из долота, гидротормоза и турбобура позволяет уменьшить до необходимых значений холостую и рабочие частоты вращения долота, но при этом приходится существенно усложнять конструкцию двигателя, так как на его осевую пяту в процессе работы воздействует весьма значительная гидравлическая нагрузка. Это обстоятельство существенно осложняет запуск двигателя и "съедает" значительную часть потенциально достижимого отказного срока службы. Другим большим недостатком всех скважинных двигателей с диаметром корпуса больше чем 240 мм является необходимость крепления корпусных переводников моментами в 3000 - 5000 кГс·м, что требует использования специальных тяжелых и весьма дорогих механических ключей. Поэтому двигатели большого диаметра ремонтируются и собираются в специально приспособленных для этой цели цехах.

Наш ближайший прототип из-за высоких гидравлических нагрузок на пяту двигателя не позволяет существенно нарастить кинетическую энергию на его валу-роторе из-за его небольшого диаметра (относительно корпуса). Поэтому не удается обеспечить стабильности и плавности изменения его рабочих частот вращения. Как следствие - элементы качения опор шарошек долот, работающие в режимах больших ускорений, быстрее выходят из строя.

Целью нашего изобретения является создание возможно меньших гидравлических нагрузок на осевую пяту турбобура-забурника, при обеспечении оптимально низких частот вращения долота в сочетании с высоким значением вращающего момента и запасенной кинетической энергией на роторе турбобура при возможности его сборки и ремонтах без использования весьма значительных крепежных моментов на его корпусных переводниках.

Сущность изобретения заключается в использовании в турбобуре с вращающимся корпусом-ротором с большим наружным диаметром (обеспечивающим достаточный запас кинетической энергии, а следовательно, и высокую стабильность при работе на низких частотах вращения) фланцевой системы затяжки роторных ступеней давления турбины, а также вихревого многолопаточного гидротормоза, закрепленного в нижней части корпуса-ротора над долотом, прикрепленным к нижней части корпуса. При этом в самой нижней части внутреннего пространства переводника корпуса размещаются один или несколько лопаточных венцов, закручивающих поток воды в сторону, противоположную направлению вращения долота. Сочетание этих конструктивных особенностей позволяет эффективно решить главные задачи, которые были поставлены нами при создании турбобура-забурника: получить высокий вращающий момент на долоте при максимально возможной кинетической энергии; получить достаточно короткий, а следовательно, удобный в работе скважинный двигатель; обеспечить оптимально низкие устойчивые частоты вращения долот сверх большого диаметра, гарантирующие высокие отказные их стойкости; обеспечить удобство сборок и ремонтов.

Изобретение поясняется фигурами.

На фиг. 1 приведена общая компоновка турбобура-забурника с долотом и вихревым гидротормозом.

На фиг. 2 дается внутренний разрез турбобура-забурника и его рабочих узлов и деталей.

На фиг. 3 приведен общий вид вихревого многолопаточного гидротормоза.

На фиг. 4 приведен вид сверху вихревого многолопаточного гидротормоза.

На фиг. 5 изображены лопаточные венцы, размещенные во внутреннем пространстве переводника корпуса турбобура.

На фиг. 1 не показаны шланг или дополнительная труба, которые на резьбе крепятся к верхнему переводнику статорной оси турбобура и крюк палиспастной системы плавучего крана (или монтажного крана пирса), которые поддерживают "на весу" собранную компоновку турбобура-забурника.

На фиг. 1 позицией 1 обозначен верхний переводник статорной оси 2 турбобура. Корпус 3 турбобура в своей нижней части имеет фланец 4, который крепится на корпусе на резьбе или сварке. К фланцу 4 крепится фланец 5, который крепит в корпусе 3 роторные ступени давления турбины. Фланец 5 с помощью сварки или на резьбе закреплен на переводнике 6 корпуса 3 турбобура. К переводнику 6 на резьбе или с помощью фланцевого соединения крепится вихревой гидротормоз 7, к нижней части которого на резьбе или с помощью фланца крепится долото 8 сверх большого диаметра.

Статорная ось 2 турбобура, на которой крепится переводник 1 имеет внутреннюю полость 9, которая гидравлически сообщается через окна 10 и окна 11 распорного фонаря 12 с внутренним пространством 13 корпуса 3 турбобура. Во внутреннем пространстве корпуса 3 турбобура неподвижно закреплены с помощью фланцевого соединения 4 и фланцевого соединения 5 переводника 6 корпуса турбобура роторные ступени давления 14 турбины, роторные элементы 15 пяты турбобура и его радиальная опора 19.

На статорной оси 2 неподвижно закреплены с помощью гайки 16 статорные ступени давления 17 турбины турбобура, фонарь 12 статорные элементы 18 пяты турбобура и втулка 20 радиальной опоры.

В нижней части внутреннего пространства переводника 6 корпуса 3 турбобура на гайке 16 неподвижно закреплены один или несколько лопаточных венцов 21. Вихревой гидротормоз 7, который крепится к переводнику 6 корпуса 3 турбобура, представлен на фиг. 3 и 4.

На внешней поверхности корпуса 7 вихревого гидротормоза с помощью тяг 23 закрепляются лопатки 24, наружный диаметр которых на 100 - 200 мм меньше наружного - габаритного диаметра долота 8. Тяги 23 и лопатки 24 могут располагаться в один или несколько рядов вдоль продольной оси корпуса 7 вихревого гидротормоза. При этом в зависимости от необходимости получения конкретных параметров энергетической характеристики турбобура-забурника лопатки 24 могут устанавливаться под различными углами Z к плоскости, перпендикулярной оси корпуса 3 турбобура-забурника (см. фиг. 1).

То же относится к радиальной высоте h_r лопаток 24 и их осевой высоте - h_ос. Количество лопаток, устанавливаемых в одном или нескольких рядах может также изменяться.

Во внутренней полости 22 корпуса 7 вихревого гидротормоза располагаются лопаточные венцы 21, которые неподвижно закреплены на гайке 16.

Лопаточные венцы 21 имеют лопатки, установочный угол которых - β , измеряемый от плоскости, перпендикулярной оси корпуса 7 вихревого гидротормоза (см. фиг. 5) уменьшается от самого верхнего венца (для которого наилучший угол равен 40^o) до самого нижнего. Если таких венцов только два, то на нижнем угол может быть равен 10 - 15^o.

Направление установки лопаток венцов должно обеспечить прокатывание между лопатками под действием силы тяжести шара в сторону, противоположную вращению часовой стрелки (если смотреть на турбобур со стороны переводника 1 его статорной оси 2.

Работа турбобура-забурника Турбобур-забурник, собранный согласно описанию (см.фиг. 1), вместе с вихревым гидротормозом 7 и долотом 8 присоединяется своим верхним переводником 1 к гибкому шлангу насосной группы, которая может располагаться на отдельной барже или на строящемся пирсе и подвешивается на крюке палиспастной системы подъемного крана (плавучего или установленного на строящемся пирсе). От поворота под действием реактивного момента оси 2 турбобура-забурника палиспастная система крана фиксируется с помощью специальных тросов-оттяжек.

Турбобур-забурник "подается" к дну залива и фиксируется над дном на расстоянии примерно одного метра. После этого включаются насосы и вода подается к ступеням давления турбины (позиции 14 и 17) и через переводник 6 корпуса 3 турбобура и корпус вихревого гидротормоза 7 к долоту 8.

При этом корпус-ротор 3 турбобура начинает вращаться, вращая долото 8.

Долото 8 бурильщик плавно подает к дну залива и нагружает его всем весом турбобура-забурника. Бурение ствола осуществляется на заданную глубину, после чего вся компоновка извлекается из пробуренного ствола и может использоваться для бурения на следующей "точке". В процессе вращения лопастей 24 вихревого гидротормоза 7 турбобура на нем реализуется избыточный вращающий момент, что не позволяет турбобуру выходить в зону высоких частот вращения долота 8.

Формула изобретения

1. Турбобур-забурник, включающий статорные ступени давления турбины, статорные элементы осевой пяты и радиальных опор, роторные ступени давления турбины, роторные элементы осевой пяты и радиальных опор, вихревой гидротормоз, долото, отличающийся тем, что статорные ступени давления турбины неподвижно закреплены на статорной оси, связанной с верхним переводником турбобура-забурника, роторные ступени давления турбины которого неподвижно закреплены в корпусе с возможностью его вращения совместно с корпусом вихревого гидротормоза, на наружной поверхности которого закреплены лопатки, при этом роторные элементы осевой пяты, роторные ступени давления турбины и радиальные опоры закреплены в корпусе турбобура-забурника с помощью фланцевого соединения переводника корпуса турбобура-забурника, а долото связано с вихревым гидротормозом.

2. Турбобур-забурник по п.1, отличающийся тем, что он имеет во внутренней полости переводника корпуса, располагающегося над вихревым гидротормозом, лопаточные венцы, углы установок лопаток которых направлены против часовой стрелки.

РИСУНКИ

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