винтовой забойный двигатель для наклонно направленного бурения

Формула изобретения

1. Винтовой забойный двигатель для наклонно направленного бурения, включающий двигательную секцию, в корпусе которой размещены статор и жестко связанные между собой в своих верхних частях ротор и торсион, шпиндельную секцию, в корпусе которой размещен имеющий внутренний продольный канал выходной вал с радиальным и упорным подшипниками, элементом их крепления и выступом под долото на нижнем конце, и соединяющий корпуса обеих секций кривой переводник, во внутреннем пространстве которого размещен шарнирный узел, кинематически связывающий нижний конец торсиона двигательной секции с верхним концом выходного вала шпиндельной секции, отличающийся тем, что шарнирный узел выполнен в виде двух муфт, каждая из которых с одного конца выполнена с посадочным гнездом и с цилиндрическим стержнем на другом конце, при этом одна муфта жестко посажена на нижний конец торсиона, а вторая муфта жестко посажена на верхний конец выходного вала, на наружной поверхности обращенных друг к другу цилиндрических стержней обеих муфт выполнены винтовые ручьи, торцы стержней выполнены сферическими и с полушаровыми углублениями по продольной оси, в которые заведен упорный шарик, в винтовые ручьи обращенных друг к другу цилиндрических стержней муфт заведена цилиндрическая пружина, один конец которой заведен в углубление муфты, жестко посаженной на нижний конец торсиона, а второй конец пружины заведен в углубление муфты, жестко посаженной на верхний конец выходного вала, при этом внутри муфты верхнего конца выходного вала выполнен продольный канал, соединенный с внутренним продольным каналом выходного вала, и радиальный канал для соединения продольного канала с внутренним пространством кривого переводника, а элемент крепления радиального и упорного подшипников выполнен в виде разрезного кольца, которое заведено в кольцевую проточку, выполненную на внутренней поверхности нижнего конца корпуса шпиндельной секции, и в цилиндрическую выточку с уступом на наружной поверхности нижнего конца радиального подшипника, при этом ширина кольцевой проточки вместе с шириной упорного буртика в корпусе шпиндельной секции в сумме выполнена меньшей величины, чем расстояние между нижним торцем корпуса шпиндельной секции и выступом под долото на нижнем конце выходного вала.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что винтовые ручьи на наружной поверхности обращенных друг к другу цилиндрических стержней обеих муфт выполнены многозаходными, а количество заведенных в них цилиндрических пружин равно числу заходов винтовых ручьев на цилиндрических стержнях обеих муфт, при этом шаг навивки каждой пружины выполнен равным шагу винтового ручья.

3. Двигатель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что винтовые ручьи на наружной поверхности обращенных друг к другу цилиндрических стержней обеих муфт и заведенная в них цилиндрическая пружина выполнены левой навивки.

4. Двигатель по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что диаметр по дну винтовых ручьев на конечной части каждого цилиндрического стержня выполнен уменьшающимся в сторону его сферического торца.

5. Двигатель по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что разрезное кольцо для крепления радиального и упорного подшипников выполнено не менее чем из трех частей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области буровой техники, в частности к забойным двигателям, предназначенным для бурения наклонно направленных нефтяных и газовых скважин на участках искривления ствола.

По патенту СССР N 1776281 М. Кл⁵ E 21 B 4/02 (заявлено 10.12.90, опубликовано 15.11.92, Бюл. N 42) известен винтовой забойный двигатель для наклонно направленного бурения скважин, который принимаем за аналог как по назначению, так и по общим существенным признакам. Этот двигатель включает в себя двигательную секцию, ротор и торсион которой связаны между собой в верхней части, и шпиндельную секцию, корпус которой соединен с корпусом двигательной секции кривым переводником. Вал ротора (торсион) через дополнительный вал с осевыми и радиальными опорами соединен с валом шпиндельной секции шлицевой муфтой.

Однако при использовании такого технического решения увеличивается длина винтового забойного двигателя (отклонителя), что в значительной степени влияет на уменьшение интенсивности набора угла искривления ствола скважины, а при ограниченном по протяженности участке изменения направления ствола скважины выполнить поставленную технологическую задачу не представляется возможным. Кроме того, при размещении шлицевой муфты в кривом переводнике увеличение угла искривления этого переводника при жестком расположении соединяемых валов в радиальных опорах приведет к неравномерному вращению (разным угловым скоростям) ведущей и ведомой частей муфты при передаче крутящего момента, износу сопрягаемых поверхностей, повышению уровня вибраций и снижению долговечности шлицевой муфты.

Наиболее близким (прототипом) к заявляемому изобретению по совокупности сходных существенных признаков из числа известных технических решений того же назначения является изобретение по патенту Российской Федерации N 2081986 М. Кл. ⁶ E 21 B 4/02 (заявлено 19.08.93, опубликовано 20.06.97, Бюл. N 17) под названием "Винтовой забойный двигатель для наклонно направленного бурения".

Двигатель по прототипу включает в себя двигательную секцию, в корпусе которой размещены статор и жестко связанные между собой в своих верхних частях ротор и торсион, шпиндельную секцию, в корпусе которой размещен имеющий внутренний продольный канал выходной вал с радиальным и упорным подшипниками, элементом их крепления и выступом под долото на нижнем конце, и соединяющий корпуса обеих секций кривой переводник, во внутреннем пространстве которого размещен шарнирный узел, кинематически связывающий нижний конец торсиона двигательной секции с верхним концом выходного вала шпиндельной секции. Шарнирный узел выполнен в виде муфты, размещенной верхней частью в отверстии, выполненном в торсионе, полумуфты с отверстием, в котором размещена нижняя часть муфты, и двух размещенных во взаимно перпендикулярных плоскостях пальцев, установленных в отверстиях, выполненных в торсионе, муфте и полумуфте, причем отверстия торсиона и полумуфты, в которых размещена муфта, и концы муфты выполнены с коническими участками.

Выполнение такого шарнирного узла в двигателе по прототипу позволяет сократить длину кривого переводника, при этом улучшить условия работы торсиона и других узлов двигателя за счет снижения ударных нагрузок в шарнирном узле и снижения вибрации двигателя.

Недостатком известного по прототипу двигателя является его низкий моторесурс, снижение которого вызвано тем, что шарнирный узел содержит детали с трущимися поверхностями, которые быстро изнашиваются. Быстрому износу подвержен и радиальный подшипник выходного вала из-за значительной длины между ним и долотом, от которой при вибрации долота и двигателя износ подшипника увеличивается. Кроме того, шарнирный узел, содержащий муфту, полумуфту и пальцы, усложняет конструкцию двигателя и увеличивает потери на трение при передаче осевой нагрузки и крутящего момента от торсиона двигательной секции на выходной вал шпиндельной секции.

Основной целью изобретения является достижение нового технического результата, а именно - увеличение моторесурса двигателя.

Еще одной целью изобретения является упрощение конструкции двигателя.

Еще одной целью изобретения является облегчение сборки двигателя.

Еще одной целью изобретения является снижение потерь на трение при передаче осевой нагрузки и крутящего момента от торсиона двигательной секции на выходной вал шпиндельной секции двигателя.

Указанные цели изобретения достигаются тем, что в известном по прототипу винтовом забойном двигателе для наклонно направленного бурения, включающем двигательную секцию, в корпусе которой размещены статор и жестко связанные между собой в своих верхних частях ротор и торсион, шпиндельную секцию, в корпусе которой размещен имеющий внутренний продольный канал выходной вал с радиальным и упорным подшипниками, элементом их крепления и выступом под долото на нижнем конце, и соединяющий корпуса обеих секций кривой переводник, во внутреннем пространстве которого размещен шарнирный узел, кинематически связывающий нижний конец торсиона двигательной секции с верхним концом выходного вала шпиндельной секции, нами предложено выполнить новые конструктивные элементы, касающиеся шарнирного узла и касающиеся элемента крепления радиального и упорного подшипников с их новыми взаимосвязями и новой формой выполнения, чем в известном двигателе, а именно: шарнирный узел по предлагаемому изобретению нами предложено выполнить в виде двух муфт, каждая из которых с одного конца выполнена с посадочным гнездом и с цилиндрическим стержнем на другом конце, при этом одна муфта жестко посажена на нижний конец торсиона, а вторая муфта жестко посажена на верхний конец выходного вала, на наружной поверхности обращенных друг к другу цилиндрических стержней обеих муфт выполнены винтовые ручьи, торцы стержней выполнены сферическими и с полушаровыми углублениями по продольной оси, в которые заведен упорный шарик, в винтовые ручьи обращенных друг к другу цилиндрических стержней муфт заведена цилиндрическая пружина, один конец которой заведен в углубление муфты, жестко посаженной на нижний конец торсиона, а второй конец пружины заведен в углубление муфты, жестко посаженной на верхний конец выходного вала, при этом внутри муфты верхнего конца выходного вала выполнен продольный канал, соединенный с внутренним продольным каналом выходного вала, и радиальный канал для соединения продольного канала с внутренним пространством кривого переводника, а элемент крепления радиального и упорного подшипников согласно предлагаемому изобретению предложено выполнить в виде разрезного кольца, которое заведено в кольцевую проточку, выполненную на внутренней поверхности нижнего конца корпуса шпиндельной секции и в цилиндрическую выточку с уступом на наружной поверхности нижнего конца радиального подшипника, при этом ширина кольцевой проточки вместе с шириной упорного буртика в корпусе шпиндельной секции в сумме выполнена меньшей величины, чем расстояние между нижним торцем корпуса шпиндельной секции и выступом под долото на нижнем конце выходного вала.

Указанные выше новые существенные конструктивные признаки заявляемого двигателя являются отличительными признаками предлагаемого изобретения по отношению к известному по прототипу двигателю.

Из общедоступных источников патентной и научно-технической информации нам не известны винтовые забойные двигатели для наклонно направленного бурения, которые вместе с известными существенными признаками включали бы в себя указанные выше новые отличительные существенные признаки, предложенные нами в заявляемом двигателе.

В совокупности известные и новые отличительные существенные признаки обеспечивают заявляемому изобретению достижение нового технического результата, изложенного в цели изобретения.

Так благодаря выполнению шарнирного узла из двух муфт, одна из которых своим посадочным гнездом жестко посажена на нижний конец торсиона, а вторая муфта ее посадочным гнездом жестко посажена на верхний конец выходного вала, при том, что цилиндрические стержни обеих муфт обращены друг к другу и на их наружной поверхности выполнены винтовые ручьи, а торцы выполнены сферическими и с полушаровыми углублениями по продольной оси, в которые заведен упорный шарик, а в винтовые ручьи цилиндрических стержней муфт заведена цилиндрическая пружина, один конец которой заведен в углубление одной муфты, а второй конец пружины заведен в углубление второй муфты, то в целом шарнирный узел предложенной конструкции в заявляемом двигателе через цилиндрическую пружину обеспечивает передачу крутящего момента от винтовой пары двигательной секции на выходной вал шпиндельной секции, расположенной под углом к продольной оси двигательной секции. Упорный шарик, заведенный в полушаровые углубления сферических торцев стержней муфт обеспечивает при передаче крутящего момента и центрирование обеих муфт, и восприятие части гидравлического усилия на ротор двигателя, снижая при этом потери на трение. При передаче крутящего момента через пружину в заявляемой конструкции нет деталей с трущимися частями, нет их износа, что увеличивает моторесур двигателя, снижает потери на трение при передаче крутящего момента и упрощает конструкцию шарнирного узла двигателя.

Выполнение продольного канала и соединенного с ним радиального канала внутри муфты, жестко посаженной на верхний конец выходного вала, обеспечивает подачу потока рабочей жидкости на долото.

Выполнение элемента крепления радиального и упорного подшипников в виде разрезного кольца, которое заведено в кольцевую проточку, выполненную на внутренней поверхности нижнего конца корпуса шпиндельной секции, и в цилиндрическую выточку с уступом на наружной поверхности нижнего конца радиального подшипника кроме простоты конструкции обеспечивают заявляемому изобретению еще два технических результата: во-первых, достигается сокращение длины шпиндельной секции, т. к. разрезное кольцо по сравнению с прототипом заменяет собой нажимную шпиндельную гайку, на длину которой и сокращается длина шпиндельной секции, что приближает долото к нижней радиальной опоре, в результате чего снижается вибрация выходного вала и износ радиального подшипника, увеличивая моторесурс двигателя. Во-вторых, предложенная конструкция элемента крепления радиального и упорного подшипников в виде разрезного кольца вместе с предложенными элементами шарнирного узла облегчают сборку двигателя. Так с верхнего конца на выходной вал заявляемого двигателя заводят и устанавливают радиальные и упорные подшипники. Весь пакет подшипников затягивают муфтой, жестко посаженной на верхнем конце выходного вала, что позволяет вести визуальный контроль за сборкой и облегчает ее. После этого на пакет подшипников со стороны верхнего конца выходного вала заводят корпус шпиндельной секции до выступа под долото. В таком положении благодаря тому, что ширина кольцевой проточки вместе с шириной упорного буртика в корпусе шпиндельной секции в сумме выполнена меньшей величины, чем расстояние между нижним торцем корпуса шпиндельной секции и выступом под долото на нижнем конце выходного вала, обеспечивается возможность завести разрезное кольцо в кольцевую проточку на внутренней поверхности нижнего конца корпуса шпиндельной секции. Передвигая указанный корпус вместе с заведенным в него разрезным кольцом обратно в сторону верхнего конца выходного вала до упора разрезного кольца в уступ цилиндрической выточки на наружной поверхности нижнего конца радиального подшипника, верхний конец корпуса шпиндельной секции резьбовым концом соединяют с нижним концом кривого переводника, завершая тем самым сборку шпиндельной секции.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 дан общий вид двигателя (его продольный разрез), на фиг. 2 дан вид узла 1 фиг. 1 (обращенные друг к другу без пружины цилиндрические стержни обеих муфт с винтовыми ручьями на наружной поверхности и сферическими торцами с полушаровыми углублениями под упорный шарик) и на фиг. 3 дан вид узла II фиг. 1.

Винтовой забойный двигатель для наклонно направленного бурения включает в себя двигательную секцию, в корпусе 1 которой размещены статор 2 и жестко связанные между собой в своих верхних частях ротор 3 и торсион 4, шпиндельную секцию, в корпусе 5 которой размещен выходной вал 6, имеющий внутренний продольный канал 7. На выходном валу 6 установлен радиальный 8 и упорный 9 подшипники. Выходной вал 6 на нижнем конце выполнен с выступом 10 под долото.

Корпуса 1 и 5 обеих секций соединяет кривой переводник 11.

Размещенный во внутреннем пространстве переводника 11 шарнирный узел выполнен из двух муфт. Одна муфта своим посадочным гнездом 12 жестко посажена на нижний конец торсиона 4, вторая муфта ее посадочным гнездом 13 жестко посажена на верхний конец выходного вала 6. Обе муфты на противоположных от посадочных гнезд концах имеют цилиндрические стержни 14 и 15, на наружной поверхности которых выполнены винтовые ручьи 16. Обращенные друг к другу торцы 17 стержней 14 и 15 выполнены сферическими и с полушаровыми углублениями 18 по продольной оси стержней, в которые заведен упорный шарик 19. В винтовые ручьи 16 стержней 14 и 15 заведена цилиндрическая пружина 20, один конец 21 которой заведен в углубление 22 муфты, жестко посаженной на нижний конец торсиона 4. Второй конец 23 пружины 20 заведен в углубление 24 муфты, жестко посаженной на верхний конец выходного вала 6. Внутри муфты с углублением 24 выполнен продольный канал 25 и радиальный канал 26, через которые внутренний продольный канал 7 выходного вала 6 соединен с внутренним пространством 27 кривого переводника 11.

Элемент крепления радиального 8 и упорного 9 подшипников выполнен в виде разрезного кольца 28, которое заведено в кольцевую проточку 29, выполненную на внутренней поверхности нижнего конца корпуса 5 шпиндельной секции, и в цилиндрическую выточку 30 с уступом 31 на наружной поверхности нижнего конца радиального подшипника 8. Ширина "а" кольцевой проточки 29 вместе с шириной упорного буртика 32 в нижнем конце корпуса 5 шпиндельной секции в сумме выполнена меньшей величины, чем расстояние "в" между нижним торцем корпуса 5 шпиндельной секции и выступом 10 под долото на нижнем конце выходного вала 6.

Заявляемый двигатель с помощью переводника 33 закрепляют на нижнем конце колонны труб (не показано) для спуска в ствол скважины.

Предлагаемый винтовой забойный двигатель для наклонно направленного бурения работает следующим образом. Под действием потока рабочей жидкости ротор 3, обкатываясь по зубьям статора 2, совершает планетарное движение. Переносное движение ротора 3 редуцируется в абсолютное с передаточным отношением, равным числу зубьев ротора 3, что создает на выходном валу 6 высокий крутящий момент при низкой частоте вращения.

Предлагаемый двигатель позволяет более эффективно осуществлять все виды технологических операций при бурении участков изменения направления ствола скважины. Двигатель имеет повышенный моторесурс. Его потери на трение при передаче осевой нагрузки и крутящего момента от торсиона двигательной секции на выходной вал шпиндельной секции ниже. Конструкция двигателя проще, что облегчает его сборку.