Гидравлический забойный двигатель

 

Изобретение относится к бурению направленных скважин, в частности к гидравлическим забойным двигателям с турбинными отклонителями. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель, содержащий полый корпус, размещенный внутри него привод с ротором, а также шпиндель, установленный внутри корпуса шпинделя на осевой и радиальных опорах, снабженный долотом и соединенный приводным валом с ротором, причем корпуса двигателя и шпинделя соединены изогнутыми резьбовыми переводниками, а ротор и шпиндель соединены с приводным валом, снабженным ведущим и ведомым шарнирными узлами с осевыми опорами скольжения, посредством резьбовых переходников, корпус шпинделя выполнен с поперечным разъемом между осевой и радиальной опорой со стороны долота, шпиндель выполнен с кольцевой канавкой в плоскости поперечного разъема корпуса шпинделя, в канавке установлено разъемное кольцо, диаметр которого превышает диаметр шпинделя, внутри корпуса шпинделя закреплены опорная втулка и кольцо-ловитель, а радиальная опора корпуса шпинделя со стороны долота выполнена в виде размещенной на съемной втулке и закрепленной внутри корпуса шпинделя упругоэластичной опоры скольжения, при этом расстояние между осевыми опорами приводного вала не превышает длины осевой опоры шпинделя. Изобретение расширяет возможности забойного двигателя, уменьшает длину компоновки низа бурильной колонны, увеличивает ресурс и надежность забойного двигателя. 2 ил.

Изобретение относится к бурению направленных скважин, в частности к забойным двигателям с турбинными отклонителями.

Известен забойный двигатель, содержащий полый корпус, размещенный внутри него привод с ротором, а также шпиндель, установленный внутри корпуса шпинделя на осевой и радиальных опорах, снабженный резьбой для крепления долота и соединенный приводным валом с ротором. Причем корпусы двигателя и шпинделя соединены изогнутыми резьбовыми переводниками, а ротор и шпиндель соединены с приводным валом шарнирным соединением [1].

Недостатком известного турбинного отклонителя является малая стойкость узла искривления соединения валов нижнего и верхнего участков отклонителя.

В известной конструкции турбинной секции турбобура требуется осевая силовая опора вращения для восприятия реакции забоя скважины, см. рис.2.11 стр. 44 [1]. Это усложняет конструкцию турбобура, увеличивает его длину, не обеспечивает увеличение ресурса и надежности осевой опоры ротора турбобура вследствие размещения ее в буровом растворе, а также не повышает проходимость турбинного отклонителя, т.е. возможность беспрепятственного прохождения скважины с большей кривизной.

Известен шпиндель-отклонитель, содержащий секции винтовой рабочей пары и секцию шпиндельную, состоящую из верхней части с установленным комплектом осевых и радиальных опор и нижней наставки, валы которых соединены между собой кулачковыми полумуфтами [2].

В известной конструкции за счет уменьшения длины наставки путем приближения радиальной опоры к забою скважины ее монтируют в ниппельную гайку, а для передачи осевых нагрузок и уменьшения реакции забоя на опоры кулачковые полумуфты имеют упорные торцы. Недостатком известной конструкции является малая стойкость узла искривления и недостаточно высокий ресурс шпинделя-отклонителя вследствие больших изгибающих напряжений радиальной опоры в ниппельной гайке со стороны долота, износа и(или) разрушения кулачковых полумуфт узла искривления и его радиальной опоры вследствие контакта с буровым раствором.

Наиболее близкой к заявляемой конструкции является конструкция гидравлического забойного двигателя, содержащая полый корпус, размещенный внутри него привод с ротором, а также шпиндель, установленный внутри корпуса шпинделя на осевой и радиальной опорах, снабженный долотом и соединенный приводным валом с ротором, причем корпуса двигателя и шпинделя соединены изогнутыми резьбовыми переводниками, а ротор и шпиндель соединены с приводным валом, снабженным ведущим и ведомым шарнирными узлами с осевыми опорами скольжения, посредством резьбовых переходников [3].

Недостатком известной конструкции является недостаточный ресурс героторного гидравлического двигателя, приводного вала и шпиндельного узла. Однако при использовании вместо героторного гидравлического двигателя многосекционного турбобура увеличивается длина компоновки низа бурильной колонны. Известные турбинные отклонители без собственной силовой осевой опоры не применяются, см. например, [1].

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в уменьшении длины компоновки низа бурильной колонны, увеличении ресурса и надежности забойного двигателя путем использования в качестве привода многосекционного турбобура без собственных силовых осевых опор ротора двигателя, использования шарнирных осевых опор скольжения укороченного приводного вала, надежности удержания срезанного шпинделя кольцом-ловителем осевой опоры шпинделя в поперечном разъеме корпуса шпинделя.

Другой технической задачей является максимальное приближение радиальной опоры к забою скважин, уменьшение реакции забоя на опоры при использовании многосекционного турбобура с шпинделем и изогнутым переводником.

Сущность технического решения заключается в том, что в гидравлическом забойном двигателе, содержащем полый корпус, размещенный внутри него привод с ротором, а также шпиндель, установленный внутри корпуса шпинделя на осевой и радиальных опорах, снабженный долотом и соединенный приводным валом с ротором, причем корпуса двигателя и шпинделя соединены изогнутыми резьбовыми переводниками, а ротор и шпиндель соединены с приводным валом, снабженным ведущим и ведомым шарнирными узлами с осевыми опорами скольжения, посредством резьбовых переходников, согласно изобретению, корпус шпинделя выполнен с поперечным разъемом между осевой и радиальной опорой со стороны долота, шпиндель выполнен с кольцевой канавкой в плоскости поперечного разъема корпуса шпинделя, в канавке установлено разъемное кольцо, диаметр которого превышает диаметр шпинделя, внутри корпуса шпинделя закреплены опорная втулка и кольцо-ловитель, а радиальная опора корпуса шпинделя со стороны долота выполнена в виде размещенной на съемной втулке и закрепленной внутри корпуса шпинделя упругоэластичной опоры скольжения, при этом расстояние между осевыми опорами приводного вала не превышает длины осевой опоры шпинделя.

Выполнение корпуса шпинделя с поперечным разъемом между осевой и радиальной опорой со стороны долота, шпинделя - с кольцевой канавкой в плоскости поперечного разъема корпуса шпинделя, а также установка в канавке разъемного кольца, диаметр которого превышает диаметр шпинделя, закрепление внутри корпуса шпинделя опорной втулки и кольца-ловителя позволяет использовать осевые опоры скольжения приводного вала в качестве силовых опор роторных ступеней турбобуров, повысить надежность удержания срезанной части шпинделя, а также уменьшить длину компоновки низа бурильной колонны, повысить надежность и ресурс забойного двигателя.

Это объясняется тем, что в известных турбинных отклонителях силовые осевые опоры роторных ступней турбобуров размещены в напорной текучей среде бурового раствора, а в предлагаемой конструкции - в маслонаполненной полости осевой опоры шпинделя.

Выполнение радиальной опоры корпуса шпинделя со стороны долота в виде размещенной на съемной втулке и закрепленной внутри корпуса шпинделя упругоэластичной опоры скольжения упрощает регулировку осевых зазоров в роторных ступенях турбобуров, предотвращает повреждение осевой и радиальных опор скольжения при монтаже шпинделя с опорной втулкой и разъемным (в меридианной плоскости) кольцом-ловителем.

Выполнение расстояния между осевыми опорами приводного вала, не превышающем длины осевой опоры шпинделя, позволяет синхронизировать вращение приводного вала относительно роторных ступеней турбобура и шпинделя, уменьшает внецентроидность шарнирных узлов приводного вала в его осевых опорах скольжения относительно осей изогнутых переходников, а также обеспечивает минимизацию осевых перемещений роторных ступеней турбобуров при изменении реакции забоя скважины в процессе бурения, преимущественно, когда азимутальная составляющая усилия на долоте меняет знак.

На фиг.1 показан продольный разрез гидравлического забойного двигателя с секцией турбобура.

На фиг.2 показан элемент I на фиг.1: корпус шпинделя с поперечным разъемом между осевой и радиальной опорой со стороны крепления долота.

Гидравлический забойный двигатель содержит полый корпус 1, размещенный внутри него привод с турбинным ротором 2 на радиальных опорах скольжения 3 и 4, и турбинным статором 5, а также шпиндель 6, установленный внутри корпуса шпинделя 7 на радиальных опорах скольжения 8, 9 и осевой опоре скольжения 10.

Шпиндель 6 снабжен переходником 11 для крепления долота (не показано) и соединен приводным валом 12 с ротором 2. Корпус двигателя 1 и корпус шпинделя 7 соединены изогнутыми резьбовыми переводниками 13, 14, а ротор 2 соединен также с приводным валом 12 конусно-шлицевой муфтой 15. Приводной вал 12 снабжен ведущим шарнирным узлом 16 и ведомым шарнирным узлом 17 с осевыми сферическими опорами скольжения 18, 19 и соединен с ротором 2 и шпинделем 6 посредством резьбовых переходников 20, 21. Корпус шпинделя 7 выполнен составным с поперечным разъемом 22 между осевой опорой скольжения 10 и радиальной опорой скольжения 9 со стороны переходника 11 для крепления долота, см. фиг.1.

Шпиндель 6 выполнен с кольцевой канавкой 23 в плоскости поперечного разъема 22 корпуса шпинделя 7. В канавке 23 установлено разъемное (состоящее из полуколец) кольцо 24, диаметр которого 25 превышает диаметр 26 шпинделя 6, см. фиг.2.

Внутри корпуса шпинделя 7 закреплены опорная втулка 27 и кольцо-ловитель 28, а радиальная опора 9 корпуса шпинделя 7 со стороны переходника 11 для крепления долота выполнена в виде размещенной на съемной втулке 29 и закрепленной внутри корпуса шпинделя 7 упругоэластичной опоры скольжения 30, см. фиг.2.

Расстояние 31 между осевыми опорами 18 и 19 приводного вала 12 не превышает длины 32 осевой опоры скольжения 10 шпинделя 6, см. фиг.1. Осевой зазор 33 между торцом 34 опорной втулки 27 и кольцом-ловителем 28 ограничивает осевые перемещения турбинного ротора 2, см. фиг.2.

Кроме того, на фиг.1 показано: 35 - выходная резьбовая муфта корпуса 1; 36 - входная резьбовая муфта; 37 - наклонные каналы в резьбовом переходнике 21, которые определяют центральный путь прохождения бурового раствора к переходнику 11 и долоту; 38 - буровой раствор.

Гидравлический забойный двигатель работает следующим образом: напор текучей среды бурового раствора 38 взаимодействует с турбинным статором 5, вращает турбинный ротор 2, резьбовой переходник 20, приводной вал 12 с ведущим и ведомым шарнирными узлами 16, 17, резьбовыми переходниками 20, 21, шпинделем 6 и переходником 11 с долотом.

При бурении неоднородных пород на изогнутых переводниках 13, 14, а также на шпинделе 6 возникает реактивный изгибающий момент вследствие усилий резания на долоте, а также реакция забоя скважины. Вышеуказанный изгибающий момент и реакция забоя скважины компенсируются осевым перемещением шпинделя 6 в пределах осевого зазора 33 между торцом 34 опорной втулки 27 и кольцом-ловителем 28, поворотом ведущего и ведомого шарнирных узлов 16, 17 в осевых сферических опорах скольжения 18, 19, а также демпфированием силовой осевой опоры скольжения 10 шпинделя 6. Осевой зазор турбинного ротора 2 относительно турбинного статора 5 превышает осевой зазор 33 между торцом 34 опорной втулки 27 и кольцом-ловителем 28, при этом лопатки турбинного ротора 2 не задевают за лопатки турбинного статора 5. При расстоянии 31 между осевыми опорами 18, 19 приводного вала 12, не превышающем длины 32 осевой опоры 10 шпинделя 6, вращение приводного вала 12 уменьшает внецентроидность шарнирных узлов 16 и 17 за счет их скольжения в осевых опорах 18, 19 относительно осей изогнутых переходников 13, 14, синхронизирует вращение приводного вала 12 относительно роторных ступеней турбобура, а также демпфирует осевые перемещения шпинделя 6 в осевой силовой опоре скольжения 10, обеспечивая минимализацию осевых перемещений роторных ступеней турбобуров при изменении реакции забоя скважины в процессе бурения.

При заклинивании долота и срезании шпинделя 6, переходник 11 с долотом удерживаются усилием полуколец 24, охватывающих шпиндель 6 в кольцевой канавке 23, опорной втулкой 27 в кольце-ловителе 28, которое закреплено съемной втулкой 29 с упругоэластичной опорой скольжения 30 внутри корпуса шпинделя 7.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Калинин А.Г. и др. Бурение наклонных и горизонтальных скважин. Справочник. М.: Недра. Стр.44, рис.2.1.

2. RU, патент 2136834, МПК Е 21 В 4/02, 7/08, 24.04.97 г.

3. RU, патент 2149971, МПК Е 21 В 4/02, 7/08, 02.02.99 г.

Формула изобретения

Гидравлический забойный двигатель, содержащий полый корпус, размещенный внутри него привод с ротором, а также шпиндель, установленный внутри корпуса шпинделя на осевой и радиальных опорах, снабженный долотом и соединенный приводным валом с ротором, причем корпуса двигателя и шпинделя соединены изогнутыми резьбовыми переводниками, а ротор и шпиндель соединены с приводным валом, снабженным ведущим и ведомым шарнирными узлами с осевыми опорами скольжения, посредством резьбовых переходников, отличающийся тем, что корпус шпинделя выполнен с поперечным разъемом между осевой и радиальной опорой со стороны долота, шпиндель выполнен с кольцевой канавкой в плоскости поперечного разъема корпуса шпинделя, в канавке установлено разъемное кольцо, диаметр которого превышает диаметр шпинделя, внутри корпуса шпинделя закреплены опорная втулка и кольцо-ловитель, а радиальная опора корпуса шпинделя со стороны долота выполнена в виде размещенной на съемной втулке и закрепленной внутри корпуса шпинделя упругоэластичной опоры скольжения, при этом расстояние между осевыми опорами приводного вала не превышает длины осевой опоры шпинделя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2