RU172421U1

RU172421U1 - Drill string rotator

Info

Publication number: RU172421U1
Application number: RU2017113781U
Authority: RU
Inventors: Эрнст Николаевич Крутик; Дмитрий Александрович Осипов; Олег Игоревич Фуфачев; Михаил Сергеевич Борисов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Гидробур-сервис"
Priority date: 2017-04-20
Filing date: 2017-04-20
Publication date: 2017-07-07

Abstract

Полезная модель относится к буровой технике, в частности к ударно-вращательным устройствам для бурильной колонны, предназначенным для создания гидромеханических импульсов. В полезной модели осевая опора ротора выполнена в виде опоры скольжения с двумя дисками, один из которых установлен в нижней части статора. Другой диск жестко скреплен с нижним торцом ротора, в процессе работы героторного механизма он, перемещаясь вместе с ротором, скользит по поверхности неподвижного диска, причем трущиеся поверхности дисков выполнены с высокой твердостью и износостойкостью и обработаны с высокой степенью плоскостности и чистоты. Клапанное устройство расположено в верхней части героторного механизма. Оно создает колебания давления жидкости и вибрацию колонны. Техническим результатом полезной модели является создание работоспособного, компактного, надежного ударно-вращательного устройства для бурильной колонны.The utility model relates to drilling equipment, in particular to rotary percussion devices for a drill string designed to create hydromechanical impulses. In a utility model, the axial support of the rotor is made in the form of a sliding support with two disks, one of which is installed in the lower part of the stator. The other disk is rigidly fastened to the lower end of the rotor; during the operation of the gerotor mechanism, it moves along with the rotor and slides along the surface of the fixed disk, the friction surfaces of the disks being made with high hardness and wear resistance and processed with a high degree of flatness and cleanliness. The valve device is located at the top of the gerotor mechanism. It creates fluid pressure fluctuations and column vibrations. The technical result of the utility model is the creation of a workable, compact, reliable impact-rotational device for the drill string.

Description

Полезная модель относится к буровой технике, в частности к ударно-вращательным устройствам для бурильной колонны, предназначенным для создания гидромеханических импульсов, снижающих силы трения бурильной колонны о стенки скважины, что позволяет увеличить показатели бурения в наклонных и горизонтальных скважинах, снизить напряжения в элементах бурильной колонны, забойного двигателя и долота.The utility model relates to drilling equipment, in particular to rotary shock devices for a drill string, designed to create hydromechanical impulses that reduce the friction forces of the drill string against the borehole walls, which allows to increase drilling performance in deviated and horizontal wells, to reduce stresses in the drill string elements downhole motor and chisel.

Известно вибрационное устройство для бурения скважин по патенту 2186926 (опубл. 18.12.2000), содержащее корпус с проходным сечением, расположенный по оси корпуса эксцентрик, одним концом соединенный с гидравлической турбиной, а другим - с диском, установленным с возможностью свободного вращения вокруг оси корпуса за счет дебаланса и содержащим отверстие для прохода промывочной жидкости, причем эксцентрик выполнен в виде пустотелого вала, расположенного по оси корпуса с эксцентрично закрепленным внутри его полости грузом и жестко связанного с флажком, примыкающим к диску, для перекрытия отверстия последнего при вращении вала.Known vibration device for drilling wells according to patent 2186926 (publ. 18.12.2000), comprising a housing with a cross-section located on the axis of the housing, an eccentric, one end connected to a hydraulic turbine and the other with a disk mounted for free rotation around the axis of the housing due to unbalance and containing an opening for the passage of washing liquid, the eccentric made in the form of a hollow shaft located along the axis of the housing with a load eccentrically fixed inside its cavity and rigidly connected to the fl The jaw adjacent to the disk is used to block the hole of the latter during shaft rotation.

Недостатками известного устройства являются: значительные затраты энергии потока жидкости для вращения с необходимой частотой вала с массивным эксцентриком, создающим дополнительное сопротивление вращению вала с высокой частотой в буровом растворе, а также быстрый износ радиальных опор при высокой скорости вращения вала и больших радиальных нагрузках.The disadvantages of the known device are: significant energy costs of the fluid flow for rotation with the required shaft frequency with a massive eccentric, which creates additional resistance to the rotation of the shaft with a high frequency in the drilling fluid, as well as the rapid wear of radial bearings at high shaft speeds and high radial loads.

Известно ударно-вращательное устройство (варианты) по патенту 2362866 (опубл. 28.01.2005), содержащее корпус, приспособленный для монтажа на опорном элементе, объемный двигатель, имеющий статор и ротор, в котором при эксплуатации ротор колеблется, вращаясь и перемещаясь в поперечном направлении внутри статора, и клапан, включающий колеблющийся первый клапанный элемент и неподвижный второй клапанный элемент, причем каждый клапанный элемент образует клапанное отверстие и имеет основную продольную ось, первый клапанный элемент соединен с ротором и имеет возможность перемещения относительно второго клапанного элемента, при этом при эксплуатации клапанные элементы взаимодействуют, совместно образуя переменное проходное сечение через клапан, и, по меньшей мере, одно из отверстий клапанных элементов смещено от соответствующей основной продольной оси.Known shock-rotation device (options) according to patent 2362866 (publ. 28.01.2005), comprising a housing adapted for mounting on a support element, a volumetric engine having a stator and a rotor, in which the rotor oscillates during operation, rotating and moving in the transverse direction inside the stator, and a valve including an oscillating first valve element and a stationary second valve element, each valve element forming a valve hole and having a main longitudinal axis, the first valve element is connected to the rotor and has the ability to move relative to the second valve element, while during operation the valve elements interact, together forming a variable flow section through the valve, and at least one of the holes of the valve elements is offset from the corresponding main longitudinal axis.

Недостатками данной конструкции являются: низкая эффективность использования пульсации давления жидкости для увеличения скорости бурения; использование упорного диска с отверстиями малого диаметра для прохода раствора, установленного на входе в двигатель для предотвращения перемещения ротора вверх, что приводит к нерациональной потере части давления и возможности шламования малых отверстий. Еще одним недостатком известного устройства является нерациональная схема ввода раствора в первый клапанный элемент, приводящая к потере давления и опасности размыва крепления клапанного элемента к ротору.The disadvantages of this design are: low efficiency of the use of fluid pressure pulsation to increase the drilling speed; the use of a thrust disk with holes of small diameter for the passage of a solution installed at the inlet of the engine to prevent the rotor from moving upward, which leads to an irrational loss of part of the pressure and the possibility of slurry of small holes. Another disadvantage of the known device is an irrational scheme for introducing the solution into the first valve element, leading to a loss of pressure and the risk of erosion of the fastening of the valve element to the rotor.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является осциллятор для бурильной колонны по патенту 2565316 (опубл. 20.10.2015), содержащий героторный гидравлический двигатель, включающий многозаходные винтовые статор и ротор, размещенный внутри статора и имеющий на один заход меньше, чем статор, а также клапан, клапанные элементы которого взаимодействуют друг с другом, образуя совместно отверстие переменной площади для прохода бурового раствора. Осциллятор содержит также полый вал, установленный в радиально-осевой опоре вращения, связанный с ротором трансмиссионным валом, а также генератор гидромеханических импульсов, содержащий трубчатый корпус, полый плунжер, размещенный внутри корпуса и связанный с ним шлицевым соединением для передачи крутящего момента и пружинным модулем, расположенными в маслонаполненной камере, образованной внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью плунжера, загерметизированной уплотнениями сверху и кольцевым поршнем с уплотнениями в нижней части камеры. Первый клапанный элемент скреплен с ротором с помощью плунжерного модуля, снабженного пружинным устройством с возможностью продольного перемещения для постоянного контакта со вторым клапанным элементом. Такое устройство осциллятора позволяет более рационально использовать пульсацию давления для осевых колебаний колонны, что облегчает продвижение колонны в наклонно направленных и горизонтальных скважинах с большим расстоянием от вертикали.Closest to the claimed utility model is an oscillator for a drill string according to patent 2565316 (published on October 20, 2015), containing a gerotor hydraulic motor including a multi-helical stator and a rotor located inside the stator and having one run less than the stator, as well as a valve the valve elements of which interact with each other, together forming a hole of variable area for the passage of the drilling fluid. The oscillator also contains a hollow shaft mounted in a radial-axial rotation support, connected to the rotor of the transmission shaft, and a hydromechanical pulse generator, comprising a tubular housing, a hollow plunger located inside the housing and connected with a spline connection for transmitting torque and a spring module, located in the oil-filled chamber formed by the inner surface of the housing and the outer surface of the plunger, sealed with seals on top and an annular piston with seals in bottom of the camera. The first valve element is fastened to the rotor by means of a plunger module equipped with a spring device with the possibility of longitudinal movement for constant contact with the second valve element. Such an oscillator device allows for more rational use of pressure pulsation for axial column vibrations, which facilitates the movement of the column in directional and horizontal wells with a large distance from the vertical.

Недостатком осциллятора является сложность конструкции, заключающаяся в использовании дополнительного пустотелого вала, установленного на многорядной шаровой опоре качения, и торсионного вала, связывающего пустотелый вал с планетарно вращающимся ротором, причем эти элементы увеличивают материалоемкость и стоимость осциллятора, а также создают дополнительное гидравлическое сопротивление при прокачке раствора. Кроме того, недостатком анализируемой конструкции является сравнительно низкая наработка на отказ (150-200 часов), т.к. многорядный подшипник качения в гидроабразивной среде вращается с максимальной скоростью ротора (практически отсутствует тормозящий крутящий момент на роторе) при наличии перекашивающего усилия на ось подшипника, создаваемого торсионом, таким образом малый межремонтный период.The disadvantage of the oscillator is the design complexity, which consists in using an additional hollow shaft mounted on a multi-row ball bearing and a torsion shaft connecting the hollow shaft with a planetary rotating rotor, and these elements increase the material consumption and cost of the oscillator, as well as create additional hydraulic resistance when pumping the solution . In addition, the disadvantage of the analyzed design is the relatively low MTBF (150-200 hours), because the multi-row rolling bearing in a hydroabrasive medium rotates with a maximum rotor speed (there is practically no braking torque on the rotor) in the presence of a skewing force on the bearing axis created by the torsion bar, thus a short overhaul period.

Предлагаемой полезной моделью решается задача повышения эффективности применения устройства.The proposed utility model solves the problem of increasing the efficiency of the device.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемой полезной модели осевая опора ротора выполнена в виде опоры скольжения с двумя горизонтально расположенными дисками, верхний диск скреплен с нижним торцем ротора, а нижний диск осевой опоры закреплен в нижней части без возможности вращения и радиальных колебаний. В процессе работы героторного механизма первый диск, перемещаясь вместе с ротором, скользит по поверхности неподвижного диска, причем трущиеся поверхности дисков выполнены с высокой твердостью (не менее 50 HRC) и износостойкостью и обработаны с высокой степенью плоскостности и чистоты. Роль радиальной опоры ротора здесь выполняет статор, поэтому нет необходимости использовать полый вал с радиально-осевой опорой качения и соединять его карданным валом или торсионом с ротором. Клапанное устройство расположено в верхней части героторного механизма. Над клапанным устройством размещен генератор гидромеханических импульсов, который находится под действием колебаний давления, создаваемых клапаном. Клапанное устройство выполнено в виде двух клапанных элементов, первый клапанный элемент выполнен в виде диска радиусом «R», который соосно установлен на верхней торцевой части ротора перпендикулярно к его оси, а второй клапанный элемент, выполненный в виде стакана, смонтирован в верхней части статора соосно с ним и зафиксирован от проворота и прижат к первому клапанному элементу пружиной. Во втором клапанном элементе выполнена фигурная прорезь для прохода бурового раствора, которая при работе героторного механизма периодически частично перекрывается первым клапанным элементом, перемещающимся вместе с ротором, создавая пульсацию давления. Форма фигурной прорези ограничена дугами, проведенными радиусами из точки «O1», расположенной на расстоянии «е» от оси статора, причем «е» - эксцентриситет ротора в статоре, радиусы дуг фигурной прорези равны: R1=R-e, R2=R+e+f, «f» - ширина зазора, не перекрываемая первым клапанным элементом, f=0,04R, угол «g» ограничивает длину прорези и может быть выполнен в пределах 120-180 градусов.To achieve the specified technical result in the proposed utility model, the axial support of the rotor is made in the form of a sliding support with two horizontally located disks, the upper disk is fastened to the lower end of the rotor, and the lower disk of the axial support is fixed at the bottom without the possibility of rotation and radial vibrations. During the operation of the gerotor mechanism, the first disk, moving together with the rotor, slides along the surface of the fixed disk, and the friction surfaces of the disks are made with high hardness (at least 50 HRC) and wear resistance and are processed with a high degree of flatness and purity. The stator plays the role of the radial support of the rotor, so there is no need to use a hollow shaft with a radial-axial rolling support and connect it with a cardan shaft or a torsion bar with a rotor. The valve device is located at the top of the gerotor mechanism. A hydromechanical pulse generator is located above the valve device, which is under the influence of pressure fluctuations created by the valve. The valve device is made in the form of two valve elements, the first valve element is made in the form of a disk of radius "R", which is coaxially mounted on the upper end part of the rotor perpendicular to its axis, and the second valve element, made in the form of a cup, is mounted coaxially in the upper part of the stator with it and is fixed against rotation and pressed against the first valve element by a spring. In the second valve element, a curved slot is made for the passage of the drilling fluid, which during operation of the gerotor mechanism is periodically partially blocked by the first valve element moving with the rotor, creating a pressure pulsation. The shape of the curly slot is limited by arcs drawn by the radii from the point “O1” located at a distance “e” from the axis of the stator, with “e” being the eccentricity of the rotor in the stator, the radii of the arcs of the curly slot are equal to: R1 = Re, R2 = R + e + f, "f" is the gap width not covered by the first valve element, f = 0.04R, the angle "g" limits the length of the slot and can be made in the range of 120-180 degrees.

Благодаря наличию этих признаков авторам удалось снизить потери давления в устройстве, материалоемкость, сложность в обслуживании и ремонте.Due to the presence of these signs, the authors were able to reduce the pressure loss in the device, material consumption, complexity in maintenance and repair.

Техническим результатом полезной модели является создание работоспособного, компактного, надежного ударно-вращательного устройства для бурильной колонны, повышение его надежности и долговечности, снижение потерь давления, а также повышение эффективности использования пульсации давления жидкости и упрощение работ по сервисному обслуживанию.The technical result of the utility model is to create a workable, compact, reliable impact-rotational device for the drill string, increase its reliability and durability, reduce pressure losses, as well as increase the efficiency of the use of fluid pressure pulsations and simplify maintenance work.

На фиг. 1 показан продольный разрез ударно-вращательного устройства для бурильной колонны с осевой опорой скольжения в нижней части героторного механизма и с клапаном в верхней его части.In FIG. 1 shows a longitudinal section of a rotary hammer for a drill string with an axial sliding support in the lower part of the gerotor mechanism and with a valve in its upper part.

На фиг. 2 показан разрез А-А.In FIG. 2 shows a section aa.

Ударно-вращательное устройство для бурильной колонны (фиг. 1) содержит героторный многозаходный механизм 1 (играющий в предлагаемом устройстве роль двигателя), включающий статор 2 в виде полой металлической трубы с переводниками, присоединенными коническими резьбами, с закрепленной на его внутренней поверхности эластичной обкладкой 3 с внутренними винтовыми зубьями, и ротор 4 с наружными зубьями, расположенный внутри статора 2. Количество зубьев статора Zcт на единицу больше числа зубьев ротора Zp, т.е. Zcт=Zp+1. Расстояние между соседними витками в осевом направлении у статора 2 и у ротора 4 (шаг винта t) равны между собой, ход винтовой линии Т каждого из элементов (статора и ротора) равен произведению числа зубьев на шаг винта, т.е. Tcт=Zcт×t; Tp=Zp×t; Tc-Tp=t. Устройство и работа многозаходных героторных механизмов широко известны из книги «Забойные винтовые двигатели для бурения скважин» авторов Гусман М.Т., Балденко Д.Ф., Кочнев A.M., Никомаров С.С. (Москва, «Недра», 1981 г.), поэтому нет необходимости подробно описывать их. Достаточно упомянуть, что зубчатые поверхности статора и ротора образуют замкнутые камеры, которые при прокачке бурового раствора приводят в движение ротор 4 в сложное планетарное движение вокруг оси статора 2 и вокруг собственной оси. Ось ротора 4 смещена относительно оси статора 2 на величину эксцентриситета «е», Частота вращения ротора 4 вокруг оси статора 2 составит N=Np×Zcт, где Np - частота вращения ротора 4 вокруг своей оси. Героторный двигатель является работоспособным при осевой длине активной части (длина контакта винтовых поверхностей ротора и статора) не менее осевой длины хода винтовой линии статора Тст. С учетом необходимости длительной работы устройства и наличия изнашивающих факторов (абразив 1-2% в растворе, относительно высокая скорость скольжения между контактирующими поверхностями ротора и статора) длина активной части механизма для данной цели предлагается равной (1,5…2,0)×Тр. При прокачке бурового раствора (по стрелке Е) на ротор 4 действует осевое усилие, направленное сверху вниз. К нижней части статора 2 присоединены переводники для соединения через конусную резьбу 5 с нижней частью бурильной колонны. Для предотвращения перемещения ротора 4 вниз используется осевая опора скольжения 6. Осевая опора 6 выполнена в виде двух опорных дисков с твердостью более 50HRC, причем верхний диск 7 выполнен с каналом «b» и крепится к нижнему торцу ротора 4. Нижний диск 8 осевой опоры 6 закреплен от проворота и осевого перемещения в переводнике, связанном с нижней частью статора 2, причем нижний диск 8 осевой опоры имеет канал «с» для прохода раствора в нижнюю часть колонны. Буровой раствор проходит через канал «d», размещенный в нижней части ротора 4 и далее через каналы «b» и «с». Нижний диск 8 осевой опоры для снижения ударных нагрузок при вибрационном режиме работы установлен на амортизирующее кольцо 9 из эластомера.The rotary shock device for the drill string (Fig. 1) contains a multi-start gerotor mechanism 1 (which plays the role of an engine in the proposed device), including a stator 2 in the form of a hollow metal pipe with adapters connected by tapered threads, with an elastic lining 3 fixed to its inner surface with internal helical teeth, and a rotor 4 with external teeth located inside the stator 2. The number of teeth of the stator Zst is one more than the number of teeth of the rotor Zp, i.e. Zct = Zp + 1. The distance between adjacent turns in the axial direction at the stator 2 and at the rotor 4 (screw pitch t) is equal to each other, the helix T of each element (stator and rotor) is equal to the product of the number of teeth per screw pitch, i.e. Tst = Zst × t; Tp = Zp × t; Tc-Tp = t. The design and operation of multi-start gerotor mechanisms are widely known from the book “Downhole Screw Motors for Drilling Wells” by Gusman MT, Baldenko DF, Kochnev AM, Nikomarov SS (Moscow, Nedra, 1981), so there is no need to describe them in detail. It is enough to mention that the gear surfaces of the stator and rotor form closed chambers, which, when pumping the drilling fluid, move the rotor 4 into complex planetary motion around the axis of stator 2 and around its own axis. The axis of the rotor 4 is shifted relative to the axis of the stator 2 by the amount of eccentricity “e” . The frequency of rotation of the rotor 4 around the axis of the stator 2 will be N = Np × Zct, where Np is the frequency of rotation of the rotor 4 around its axis. The gerotor motor is operable with the axial length of the active part (contact length of the screw surfaces of the rotor and stator) not less than the axial length of the stator helix Tst. Given the need for long-term operation of the device and the presence of wear factors (abrasive 1-2% in solution, relatively high sliding speed between the contacting surfaces of the rotor and stator), the length of the active part of the mechanism for this purpose is proposed to be (1.5 ... 2.0) × Tr . When pumping the drilling fluid (arrow E), the rotor 4 acts on the axial force directed from top to bottom. To the lower part of the stator 2 are connected sub to connect through a taper thread 5 with the lower part of the drill string. To prevent the rotor 4 from moving downward, an axial sliding bearing 6. An axial bearing 6 is made in the form of two supporting disks with a hardness of more than 50HRC, the upper disk 7 being made with a channel “b” and attached to the lower end of the rotor 4. The lower disk 8 of the axial bearing 6 secured from rotation and axial movement in the sub associated with the lower part of the stator 2, and the lower disk 8 of the axial support has a channel "c" for the passage of the solution into the lower part of the column. The drilling fluid passes through the channel "d" , located in the lower part of the rotor 4 and then through the channels "b" and "c" . The lower disk 8 of the axial support to reduce shock loads during vibration operation is mounted on a shock absorbing ring 9 of elastomer.

Клапанное устройство 10 выполнено в виде двух клапанных элементов и включает первый клапанный элемент 11, выполненный в виде диска, который соосно установлен на верхней торцевой части ротора 4 и перпендикулярно к его оси. Диск выполнен из износостойкого материала радиусом «R», равным радиусу впадин зубьев ротора. Второй клапанный элемент 12, выполненный в виде стакана, смонтирован в верхней части статора 2, соосно с ним, зафиксирован от проворота и прижат к первому клапанному элементу 11 пружиной 14. Зазор между внутренней поверхностью статора 2 и вторым клапанным элементом 12 уплотнен «O»-образным кольцом 13, трущаяся поверхность второго клапанного элемента 12 выполнена также из износостойкого материала. Пружины 14 прижимают первый клапанный элемент 11 и второй клапанный элемент 12 друг к другу чисто обработанными, как у осевой опоры, поверхностями. На фиг. 2 показана торцевая поверхность второго клапанного элемента 12 с фигурной прорезью 15. Фигурная прорезь 15 при планетарном движении ротора 4 периодически максимально открывается диском первого клапанного элемента 11 и максимально перекрывается первым клапанным элементом 11 при перемещении оси ротора 4 относительно оси статора 2 на 180 градусов, при этом в движущейся жидкости возникает пульсация давления. Полное перекрытие фигурной прорези 15 не допускается во избежание гидравлического удара, поэтому форма прорези зависит от радиуса «R», равного радиусу впадин зубьев ротора и шириной S=2e+f, где «е» - эксцентриситет ротора, а «ƒ» - ширина части фигурной прорези 15, не перекрываемая первым клапанным элементом 11. Опытным путем установлены оптимальные значения величин: «ƒ» = 0,04R, при этом g =120-180 градусов. Форма фигурной прорези ограничена дугами, проведенными из точки «01» на расстоянии «е» от оси статора 2. Радиусы дуг фигурной прорези равны: R1=R-e, R2=R+e+f, где «е» - эксцентриситет ротора в статоре, «f» - ширина зазора, не перекрываемая первым клапанным элементом, f=0,04 R, угол «g» ограничивает длину прорези и может быть 120-180 градусов. Значения «f» и «g» определены опытным путем.The valve device 10 is made in the form of two valve elements and includes a first valve element 11 made in the form of a disk, which is coaxially mounted on the upper end part of the rotor 4 and perpendicular to its axis. The disk is made of wear-resistant material with a radius of "R" equal to the radius of the hollows of the teeth of the rotor. The second valve element 12, made in the form of a cup, is mounted in the upper part of the stator 2, coaxially with it, fixed against rotation and pressed against the first valve element 11 by a spring 14. The gap between the inner surface of the stator 2 and the second valve element 12 is sealed "O" - shaped ring 13, the rubbing surface of the second valve element 12 is also made of wear-resistant material. The springs 14 press the first valve element 11 and the second valve element 12 against each other with cleanly machined axial bearings surfaces. In FIG. 2 shows the end surface of the second valve element 12 with a figured slot 15. The figured slot 15 during planetary movement of the rotor 4 is periodically maximally opened by the disk of the first valve element 11 and is blocked as much as possible by the first valve element 11 when the axis of the rotor 4 is moved relative to the axis of the stator 2 by 180 degrees, this causes a pulsation of pressure in the moving fluid. Full overlap of the curly slot 15 is not allowed to avoid water hammer, therefore, the shape of the slot depends on the radius "R" equal to the radius of the hollows of the teeth of the rotor and the width S = 2e + f, where "e" is the eccentricity of the rotor, and "ƒ" is the width of the part curly slots 15, not blocked by the first valve element 11. Experimentally established optimal values: "ƒ" = 0.04R, with g = 120-180 degrees. The shape of the curly slot is limited by arcs drawn from point “01” at a distance “e” from the axis of the stator 2. The radii of the arcs of the curly slot are equal to: R1 = Re, R2 = R + e + f, where “e” is the eccentricity of the rotor in the stator, "F" is the width of the gap that is not covered by the first valve element, f = 0.04 R, the angle "g" limits the length of the slot and can be 120-180 degrees. The values of "f" and "g" are determined empirically.

При подаче раствора площадь для прохода раствора через фигурную прорезь 15 изменяется от максимума до минимума и обратно с частотой вращения ротора 4 вокруг оси статора 2, соответственно пульсирует и давление жидкости с амплитудой колебания давления не более 10-12 бар.When the solution is supplied, the area for the solution to pass through the curly slot 15 changes from maximum to minimum and vice versa with the rotor 4 rotational speed around the axis of stator 2, and the liquid pressure also pulsates with a pressure fluctuation amplitude of not more than 10-12 bar.

Над героторным механизмом 1 и клапанным устройством 10 расположен генератор гидромеханических импульсов 16, соединенный с корпусом статора 2 переводником 17. Генератор гидромеханических импульсов 16 содержит трубчатый наружный корпус, состоящий из соединенных друг с другом коническими резьбами верхнего переводника 18, переводника 19 с внутренними шлицами, а также переводников 20, 21, 22. Внутри трубчатого корпуса установлен сборный трубчатый шток 23, имеющий в верхней части коническую резьбу 24 для соединения с бурильной колонной (на чертеже не показана), соединенный в нижней части на резьбе с упорной втулкой 25. На наружной поверхности штока 23 имеются шлицы, взаимодействующие со шлицами переводника 19 (для передачи крутящего момента по бурильной колонне), резьба для монтажа втулки 26, воспринимающей осевую нагрузку при необходимости приподнять бурильную колонну или освободить ее от прихвата. В нижней части штока 23 смонтирован комплект тарельчатых пружин 27, зажатый между верхним торцом упорной втулки 25 и нижним торцом переводника 21, являющегося частью трубчатого корпуса. Кольцевое пространство между трубчатыми корпусом и сборным трубчатым штоком 23 уплотнено группой уплотнений 28 в верхней части переводника 18 и уплотнениями 29 на упорной втулке 25. Заправка кольцевого пространства маслом производится через два отверстия в трубчатом корпусе, закрываемых пробками 30 и 31. Перемещение штока 23 вниз ограничено кольцом 32, а вверх - торцом втулки 26, упирающимся в нижний торец шлицевого переводника 19. Величина осевого перемещения сборного трубчатого штока 23 в корпусе не превышает 10 мм. Устройство соединяется с нижней частью бурильной колонны резьбой 5, с верхней частью - резьбой 24.Above the gerotor mechanism 1 and valve device 10, there is a hydromechanical pulse generator 16 connected to the stator housing 2 by an adapter 17. The hydromechanical pulse generator 16 comprises a tubular outer case consisting of tapered threads of the upper adapter 18 connected to each other, the adapter 19 with internal slots, and also sub 20, 21, 22. Inside the tubular body there is a prefabricated tubular rod 23 having a tapered thread 24 in the upper part for connection with a drill string (not shown in the drawing azana), connected in the lower part on the thread with the thrust sleeve 25. On the outer surface of the rod 23 there are slots interacting with the splines of the sub 19 (for transmitting torque along the drill string), the thread for mounting the sleeve 26, which accepts the axial load, if necessary, raise the drill column or free it from sticking. In the lower part of the rod 23, a set of Belleville springs 27 is mounted, sandwiched between the upper end of the thrust sleeve 25 and the lower end of the sub 21, which is part of the tubular body. The annular space between the tubular body and the assembled tubular rod 23 is sealed by a group of seals 28 in the upper part of the sub 18 and the seals 29 on the thrust sleeve 25. The annular space is filled with oil through two openings in the tubular body, which are closed by plugs 30 and 31. The downward movement of the rod 23 is limited the ring 32, and up - the end face of the sleeve 26, abutting against the lower end of the spline sub 19. The axial displacement of the assembled tubular rod 23 in the housing does not exceed 10 mm. The device is connected to the bottom of the drill string by thread 5, with the upper part by thread 24.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. При прокачке бурового раствора по стрелке Е он приводит в действие героторный механизм 1, при этом ротор 4, вращаясь, с помощью клапана создает пульсацию давления в ударно-вращательном устройстве. В зависимости от типоразмера устройства и количества прокачиваемой жидкости частота пульсации давления составляет 20-40 Гц, амплитуда колебаний давления не более 10-12 кг/см². Пульсирующее давление воздействует на трубчатый шток 23 с упорной втулкой 25, который совершает возвратно-поступательные осевые перемещения относительно корпуса устройства и создает осевые колебания колонны бурильных труб, снижая трение при осевом перемещении колонны вдоль скважины.The proposed device operates as follows. When pumping the drilling fluid in the direction of arrow E, it activates the gerotor mechanism 1, while the rotor 4, rotating, by means of a valve, creates a pressure pulsation in the rotary impact device. Depending on the size of the device and the amount of pumped liquid, the pressure pulsation frequency is 20-40 Hz, the amplitude of the pressure fluctuations is not more than 10-12 kg / cm ² . Pulsating pressure acts on the tubular rod 23 with a thrust sleeve 25, which makes reciprocating axial movements relative to the device body and creates axial vibrations of the drill pipe string, reducing friction during axial movement of the string along the well.

Наряду с осевыми колебаниями за счет интенсивного планетарного вращения ротора 4, обладающего значительной массой, ударно-вращательное устройство дает радиальные колебания колонны, дополнительно снижающие трение колонны о стенки скважины. Благодаря совместному воздействию интенсивных осевых и радиальных колебаний бурильной колонны существенно возрастает скорость бурения и увеличивается длина наклонных и горизонтальных участков скважин.Along with axial vibrations due to the intensive planetary rotation of the rotor 4, which has a significant mass, the shock-rotating device gives radial vibrations to the columns, further reducing the friction of the columns against the borehole walls. Due to the combined effect of intense axial and radial vibrations of the drill string, the drilling speed increases significantly and the length of the inclined and horizontal sections of the wells increases.

Заявляемое устройство для бурильной колонны обеспечивает высокую эффективность использования пульсации давления жидкости для увеличения скорости бурения; низкую себестоимость изделия при обеспечении высоких показателей работоспособности и надежности; повышение эффективности бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин за счет снижения трения колонны о стенки скважин, повышение ресурса долота, снижение металлоемкости конструкции, увеличение скорости проходки скважины благодаря усовершенствованию конструкции, а также исключается дополнительное гидравлическое сопротивление при прокачке раствора.The inventive device for the drill string provides high efficiency using pulsation of fluid pressure to increase the drilling speed; low cost of the product while ensuring high performance and reliability; increasing the efficiency of drilling directional and horizontal wells by reducing the friction of the column against the walls of the wells, increasing the resource of the bit, reducing the metal consumption of the structure, increasing the rate of penetration of the well due to the improvement of the design, and also eliminates additional hydraulic resistance when pumping the solution.

Claims

Ударно-вращательное устройство для бурильной колонны, включающее героторный механизм, клапанное устройство, осевую опору ротора героторного механизма и генератор гидромеханических импульсов, отличающееся тем, что осевая опора выполнена в виде двух опорных дисков, верхний диск осевой опоры выполнен с каналом «b» и скреплён с нижним торцом ротора, нижний диск осевой опоры имеет канал «c» и закреплён в нижней части статора, а трущиеся поверхности двух опорных дисков выполнены из износостойкого материала с твёрдостью более 50HRC, клапанное устройство выполнено в виде двух клапанных элементов, первый клапанный элемент выполнен в виде диска радиусом «R», равным радиусу впадин зубьев ротора, который соосно установлен на верхней торцевой части ротора перпендикулярно к его оси, а второй клапанный элемент, выполненный в виде стакана, смонтирован в верхней части статора соосно с ним, зафиксирован от проворота и прижат к первому клапанному элементу пружиной, при этом во втором клапанном элементе выполнена фигурная прорезь для прохода бурового раствора, которая при работе героторного механизма периодически частично перекрывается первым клапанным элементом, перемещающимся вместе с ротором, создавая пульсацию давления, причём форма фигурной прорези ограничена дугами, проведёнными радиусами из точки O1, расположенной на расстоянии «е» от оси статора, причём «е» - эксцентриситет ротора в статоре, радиусы дуг фигурной прорези равны: R1=R-e, R2=R+e+f, f - ширина зазора, не перекрываемая первым клапанным элементом, f=0,04R, угол g ограничивает длину прорези и может быть выполнен в пределах 120-180 градусов.A rotary shock device for a drill string, including a gerotor mechanism, a valve device, an axial support of the rotor of the gerotor mechanism and a hydromechanical pulse generator, characterized in that the axial support is made in the form of two support disks, the upper disk of the axial support is made with a channel "b" and fastened with the lower end of the rotor, the lower disk of the axial support has a channel “c” and is fixed in the lower part of the stator, and the friction surfaces of the two supporting disks are made of wear-resistant material with a hardness of more than 50HRC, valve The structure is made in the form of two valve elements, the first valve element is made in the form of a disk with a radius “R” equal to the radius of the tooth cavities of the rotor, which is coaxially mounted on the upper end part of the rotor perpendicular to its axis, and the second valve element, made in the form of a glass, is mounted in the upper part of the stator coaxially with it, it is fixed against rotation and pressed against the first valve element by a spring, while in the second valve element there is a shaped slot for the passage of drilling fluid, which during operation of the gerotor the mechanism is periodically partially blocked by the first valve element moving together with the rotor, creating a pressure pulsation, and the shape of the curly slot is limited by arcs drawn by radii from the point O1 located at a distance "e" from the stator axis, and "e" is the eccentricity of the rotor in the stator, the radii of the arcs of the curly slot are equal: R1 = Re, R2 = R + e + f, f is the gap width not covered by the first valve element, f = 0.04R, the angle g limits the length of the slot and can be made in the range of 120-180 degrees .