винтовой двигатель для очистки внутренней поверхности труб

Формула изобретения

Винтовой двигатель для очистки внутренней поверхности труб, включающий героторный механизм, состоящий из ротора в виде полого вала с наружными винтовыми зубьями и радиальными отверстиями и установленного с возможностью вращения статора с внутренними винтовыми зубьями и радиальными отверстиями, и режущие элементы, установленные на наружной поверхности статора, отличающийся тем, что на полом валу выполнены по меньшей мере две секции с наружными винтовыми зубьями, образованные последовательно выполненными винтовыми нарезками противоположного направления, причем винтовые нарезки в секции оппозитно расположены за счет разного направления и образуют ее ротор, статор выполнен в виде секций, внутренние винтовые зубья которых выполнены в виде винтовых нарезок, причем граничные друг с другом роторы и статоры разных секций имеют одинаковые направления винтовых нарезок, каждая из секций статора оснащена с обеих сторон опорными пятами, находящимися в контакте с торцевыми поверхностями дисков, жестко закрепленных на полом валу, а радиальные отверстия полого вала размещены между оппозитно расположенными винтовыми нарезками.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к техническим средствам, применяемым в капитальном ремонте нефтяных и газовых скважин, а именно, устройствам для очистки внутренней поверхности обсадных труб от отложений парафина и гипса в процессе эксплуатации скважины, а также для разбуривания цементных пробок и корок в обсадной колонне труб. Изобретение может применяться и для очистки внутренней поверхности различных труб, используемых в нефтегазовой промышленности и других технологиях.

Известно техническое решение - винтовой двигатель, который применяется для очистки внутренней поверхности труб [1].

Указанный двигатель имеет героторный механизм с рабочей парой, выполненной по общераспространенной схеме: неподвижный статор и находящийся внутри него планетарно вращающийся ротор. Планетарное движение ротора через шарнирное соединение преобразуется в соосное вращение вала. В качестве разрушающего элемента используется долото, наружный диаметр которого выполняется меньшим внутреннего диаметра труб.

Недостатком использования такого двигателя в рассматриваемых технологиях является ограниченная возможность очистки труб, поскольку вследствие разницы диаметров между внутренней поверхностью труб и долотом труба очищается не полностью. На ее внутренней поверхности остается слой отложений, который не разрушается долотом.

Ближайшим техническим решением, принятым авторами за прототип, является винтовой двигатель для очистки внутренней поверхности труб, состоящий из ротора в виде полого вала с наружными винтовыми зубьями и радиальными отверстиями и установленного с возможностью вращения статора с внутренними винтовыми зубьями и радиальными отверстиями и режущие элементы, установленные на наружной поверхности статора [2]. Винтовой двигатель выполнен по отличной от штатной кинематической схемы: планетарный вращающийся наружный элемент (статор) и находящийся внутри него неподвижный элемент (ротор).

В такой компоновке винтового двигателя разрушающий элемент, закрепленный на наружной поверхности статора, совершает планетарное движение, обкатываясь по внутренней поверхности, оказывая дробяще-скалывающее воздействие на отложения в трубах.

Однако известное устройство не в полной мере решает технологические проблемы очистки труб. При эксплуатации скважин на внутренней поверхности обсадных труб в интервалах продуктивного пласта имеются прочные цементные корки, оставшиеся после разбуривания цементных мостов, устанавливаемых с целью ликвидации негерметичности обсадных колонн, отключения обводненных пластов и т.п.

При удалении корок с применением приведенных выше технических средств возникает проблема обеспечения равномерности съема корок, т.к. режущий элемент передвигается по винтовой линии, поскольку вращающее движение элемента слагается с поступательным движением инструмента с поверхности.

Задачей изобретения является повышение эффективности очистки внутренней поверхности труб нефтяных и газовых скважин за счет создания турбулизированного потока рабочей жидкости.

Винтовой двигатель для очистки внутренней поверхности труб, включающий героторный механизм, состоящий из ротора в виде полого вала с наружными винтовыми зубьями и радиальными отверстиями и установленного с возможностью вращения статора с внутренними винтовыми зубьями и радиальными отверстиями и режущие элементы, установленные на наружной поверхности статора, на полом валу выполнены, по меньшей мере, две секции с наружными винтовыми зубьями, образованные последовательно выполненными винтовыми нарезками противоположного направления, причем винтовые нарезки в секции оппозитно расположены за счет разного направления и образуют ее ротор, статор выполнен в виде секций, внутренние винтовые зубья которых выполнены в виде винтовых нарезок, причем граничные друг с другом роторы и статоры разных секций имеют одинаковые направления винтовых нарезок, каждая из секций статора оснащена с обеих сторон опорными пятами, находящимися в контакте с торцевыми поверхностями дисков, жестко закрепленных на полом валу, а радиальные отверстия полого вала размещены между оппозитно расположенными винтовыми нарезками.

Благодаря указанным признакам удаление корок будет более эффективным, т.к. режущие элементы будут вращаться по часовой и против часовой стрелки. При использовании режущих элементов, вращающихся в разные стороны, в интервале между ними образуется мощный турбулизированный поток, смывающий разрушенную корку. Особенно эффективно воздействие вращающихся в разные стороны режущих элементов будет проявляться при обработке труб, покрытых смолистыми образованиями, в том числе парафином.

Вращение режущих элементов в разные стороны достигается тем, что двигатель выполнен по схеме с неподвижным ротором и содержит, по меньшей мере, две секции с наружными винтовыми зубьями, образованные последовательно выполненными винтовыми нарезками противоположного направления.

С целью обеспечения вращения секций статоров в разные стороны граничные друг с другом роторы и статоры разных секций имеют одинаковое направление нарезок.

На фиг.1 показаны траектории движения режущего элемента в трубе при правом (поз. 1) и левом (поз. 2) направлении вращения статора.

На фиг.2 показан общий вид винтового двигателя в продольном разрезе.

На фиг.3 показано поперечное сечение двигателя по А-А, статор которого вращается по часовой стрелке.

На фиг.4 показано поперечное сечение двигателя по Б-Б, статор которого вращается против часовой стрелки.

На фиг.5 показан вариант винтового двигателя с долотом, присоединенным к статору нижней секции.

Винтовой двигатель (фиг.2) содержит верхний переводник 1, жестко связанный с неподвижным полым валом 2. На наружной поверхности полого вала последовательно выполнены винтовые нарезки 3, 4, 5 и 6. Соседние винтовые нарезки (3 и 4), (5 и 6) образуют секции, причем винтовые нарезки в секции имеют разное направление.

Секции винтовых поверхностей ротора взаимодействуют с секциями статоров 7 и 8, на внутренней поверхности которых выполнены винтовые нарезки 9, 10, 11, 12.

Эти кинематические пары представляют собой героторные механизмы с разницей в числе зубьев, равной единице и с шагами, пропорциональными числу их зубьев [1].

На наружных поверхностях статоров выполнены режущие элементы 13.

Каждая секция статоров с обеих сторон оснащена опорными пятами 14, находящимися в контакте с торцевыми поверхностями дисков 15, жестко закрепленных на валу 2.

Нижний диск конструктивно выполнен в виде наддолотного переводника 16 и к нему присоединяется долото 17.

Полый вал имеет радиальные отверстия 18, находящиеся между оппозитно расположенными винтовыми нарезками.

В секциях статоров также выполнены радиальные отверстия 19, соединяющие внутреннюю полость двигателя с затрубным пространством. Для промывки долота при его вращении с поверхности предусмотрено отверстие 20.

Двигатель работает следующим образом. Подаваемая насосом с поверхности по колонне насосно-компрессорных труб (на фигурах не показаны) промывочная жидкость проходит через верхний переводник 1 внутрь полого вала 2 и далее через радиальные отверстия 18 в героторные механизмы, образованные винтовыми нарезками 3-6, выполненными на полом валу и нарезками 9-12 в секциях статора, а также попадает в долото через отверстия 20. Под действием неуравновешенных гидравлических сил секции статоров 7 и 8 совершают планетарное движение относительно оси вала. При этом благодаря выбранному направлению нарезок (верхняя - левая) верхняя секция статора вращается вокруг собственной оси по часовой стрелке с относительной угловой скоростью W₀, а сама ось секции вращается вокруг оси вала (неподвижного ротора) также по часовой стрелке с угловой скоростью W_n=Z_pW₀, где Z_p - число зубьев винтовой поверхности ротора.

В героторных механизмах нижней секции направление нарезок выбрано таким образом (верхние элементы секции - правые), что статоры нижней секции в своем относительном движении вращаются против часовой стрелки.

После прохождения винтовых каналов героторных механизмов промывочная жидкость через отверстия 19 направляется в затрубное пространство.

Несмотря на то, что подвижные элементы двигателя в осевом направлении гидравлически уравновешены, опорные элементы могут воспринимать осевые силы, возникающие от массы деталей и дебаланса усилий.

Таким образом, предложенный винтовой двигатель обеспечивает вращение режущих элементов в разные направления и тем самым позволяет повысить эффективность технологического процесса очистки внутренней поверхности труб посредством комплексного воздействия за счет скалывания, резания и совершенной очистки.

Источники информации

1. Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Винтовые забойные двигатели. М., Недра, 1999, с.41.

2. Кочнев А.М. и др. Винтовой двигатель для очистки внутренней поверхности обсадных труб. Патент № 2179233, БИ № 4, 2002, с приоритетом 15.03.2000.