ВИНТОВОЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ НАКЛОННО НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК E21B4/02 

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

Для осуществления бурения таких скважин известны различные забойные двигатели и устройства к ним, например гибкие узлы соединения ротора двигательной секции с выходным валом шпиндельной секции.

Известен буровой забойный двигатель с прогрессирующей полостью гибким соединительным стержнем (Патент США N 4.679.638 за 1987 года НКИ 175-107, МКИ E 21 B 4/02). В данном двигателе ротор соединен с выходным валом шпиндельной секции соединительным гибким стержнем, который расположен внутри перегрузочного переходника. По концам гибкий стержень и перегрузочный переходник соединены между собой при помощи шпонок и прорезей для них. Прорези шире шпонок, поэтому имеется возможность для ограниченного поворота их относительно друг друга. Стержень выдерживает нагрузку кручения до тех пор пока вращающий момент на соединениях не достигает определенной величины. Тогда шпонки соприкасаются со стенками пазов и переходник подвергается нагрузке при кручении сильнее, чем стержень. Данный двигатель обладает тем преимуществом, что гибкий соединительный стержень подстрахован перегрузочным переходником от избыточного вращающего момента и преждевременной поломки.

Недостаток этого двигателя заключается в том, что наличие подшипникового узла, уплотнений, пружин, шпонок делает конструкцию сложной и увеличивает длину двигателя, исключается возможность установки кривого переводника - отклонителя между корпусами двигательной и шпиндельной (подшипниковой)секции, что, в свою очередь, исключает возможность использования его для наклонно направленного бурения скважин.

Известен также узел универсальной муфты для шарнирного соединения ротора двигательной секции с выходным валом шпиндельной секции забойного двигателя (Патент США N 4.772.246 от 1988 года НКИ 464-117, МКИ E 16 D 3/50), включающий несколько компонентов: первая роторная деталь, имеющая продольную ось и наружную трубчатую часть на одном из своих концов. Эта часть концентрически расположена вокруг оси. Вторая роторная деталь имеет вторую продольную ось и внутреннюю трубчатую часть на одном из своих концов, она также концентрически расположена вокруг оси. Вторая деталь имеет конструкцию, позволяющую вдвигать ее в наружную трубчатую концевую часть первой детали. Первая и вторая роторные детали соответственно соединены с двигательной и шпиндельной секциями забойного двигателя. Для передачи осевых нагрузок между первой и второй роторными деталями служит шарикоподшипник, который обеспечивает шарнирное соединение между первой и второй деталями. Этим соединением обеспечивается небольшое ограниченное шарнирное вращение во все стороны одной из деталей относительно второй вокруг точки пересечения продольных осей.

Для передачи вращающего момента между наружной и внутренней трубчатой концевыми частями предусмотрены шпонки и прорези. Продольные прорези находятся на трубчатом конце одной детали, а шпонки выступают с трубчатого конца другой детали и вступают в процесс передачи вращающего момента.

Шарнирный механизм от попадания рабочей жидкости защищен специальными уплотнениями: одним плавающим и одним неподвижным.

Недостаток данного узла универсальной муфты для шарнирного соединения ротора с выходным валом двигателя заключается в том, что конструкция сложная и имеет значительные габариты по длине, что исключает возможность использования узла универсальной муфты для шарнирного соединения ротора с выходным валом двигателя, предназначенного для наклонно направленного бурения.

Известно шарнирное соединение забойной героторной гидравлической машины (Патент СССР N 1012640 за 1979 год по кл. E 21 B 4/02), предназначенное для соединения ротора двигательной секции с выходным валом шпиндельной секции винтового забойного двигателя. Данное соединение состоит из промежуточного вала с шарнирными соединениями по концам для непосредственной связи с ротором и выходным валом. Шарнирное соединение включает венец, внутри которого установлены зубчатые полумуфты, закрепленные посредством подвижных гаек. Между полумуфтами в сферических расточках установлен центральный шар. В полости, образованной венцом, гайками и полумуфтами, размещены шайбы, обоймы и эластичные элементы. Последние выполнены в виде рукава и служит уплотнениями. Концы рукава закреплены в обойме и полумуфте.

Недостатком этого шарнирного соединения, как и предыдущих устройств, является сложность конструкции и значительные габариты по длине, что не позволяет установить кривой переводник между корпусом двигательной секции и шпиндельной секции. Таким образом, это шарнирное соединение использовать в забойных двигателях для наклонно направленного бурения нежелательно.

Наиболее известен винтовой забойный двигатель (Патент СССР N 784397 за 1978 год, по кл. E 21 B 4/02), включающий двигательную секцию, состоящую из переводника, ротора и статора; шпиндельную секцию, состоящую, из корпуса, выходного вала и подшипника; торсион, концы которого выполнены в виде конуса для соединения ротора двигательной секции с выходным валом шпиндельной секции, размещенной в полости ротора, что не увеличивает длину двигателя, как в выше описанных конструкциях. Соединение торсиона с ротором расположено выше рабочей зоны зубьев ротора, что стабилизирует движение ротора, снижает вибрации двигателя, тем самым повышается долговечность.

Наряду с положительными качествами данный двигатель имеет существенный недостаток, а именно: при использовании его для наклонно направленного бурения возникает необходимость установки между двигательной и шпиндельной секциями кривого переводника, что приводит к ухудшению условий работы торсиона (гибкого вала) и других узлов из-за возникновения дополнительных нагрузок в месте перекоса осей двигательной и шпиндельной секций и, как результат, быстрый выход двигателя из строя.

Известен винтовой двигатель по авторскому свидетельству СССР N 943387 по кл. E 21 B 4/02 от 1976 года, содержащий две двигательные секции, роторы которых соединены торсионом, а вращающий момент с роторов на вал шпиндельной секции передается посредством двухшарнирного карданного вала. Однако при установке в таком двигателе кривого переводника между шпиндельной и двигательной секциями увеличиваются поперечные усилия в шарнирах карданного вала, что приведет к повышению износа не только радиальных опор шпиндельной секции, но и зубьев ротора и статора. Увеличение механических потерь в двигателе приведет к снижению надежности и долговечности всех его узлов.

Винтовой забойный двигатель для наклонно направленного бурения скважин (Патент СССР за 1990 год N 1776281 по кл. E 21 B 4/02) принят в качестве прототипа как по назначению, так и по общим существенным признакам.

Этот двигатель включает двигательную секцию, ротор и торсион которой связаны между собой в верхней части, и шпиндельную секцию, корпус которой соединен с корпусом двигательной секции переводником. Вал ротора (торсион) через дополнительный вал с осевыми и радиальными опорами соединен валом с шпиндельной секции шлицевой муфтой.

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 с увеличением угла искривления этого переводника и жестком расположении соединяемых валов в радиальных опорах приведет к неравномерному вращению (разным угловым скоростям) ведущей и ведомой частей муфты при передаче крутящего момента, износу соударяемых поверхностей, повышению уровня вибраций и снижению долговечности шлицевой муфты.

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение длины винтового забойного двигателя для наклонно направленного бурения и повышение долговечности его составных частей.

Поставленная задача достигается тем, что предлагаемый винтовой двигатель для наклонно направленного бурения, включающий двигательную секцию, ротор и торсион которой связаны между собой в своей верхней части, и шпиндельную секцию, корпус которой соединен с корпусом двигательной секции переводником, отличается тем, снабжен шарнирным узлом, кинематически связанным со свободным концом торсиона и шпинделем, при этом шарнирный узел выполнен в виде муфты, размещенной верхней частью в отверстии торсиона, 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. Отверстия торсиона и полумуфты, в которых размещена муфта, и концы муфты выполнены с коническими участками.

Выполнение шарнирного узла с коническими участками в отверстиях торсиона, полумуфты и на концах муфты, а также двумя пальцами для соединения деталей шарнирного узла и его использование в двигателе совместно с торсионом для кинематической связи ротора с валом шпиндельной секции позволяет сократить, длину кривого переводника между шпиндельной и двигательной секциями, при этом значительно улучшить условия работы торсиона и других узлов двигателя за счет снижения ударных нагрузок в шарнирном узле и снижения вибрации двигателя.

Уменьшение длины кривого переводника приведет к сокращению общей длины двигателя, что даст возможность использовать кривой переводник с увеличенными углами искривления и осуществлять бурение участков изменения направления ствола скважины с большей интенсивностью набора угла отклонения по сравнению с прототипом.

Винтовой двигатель с шарнирным узлом на свободном конце торсиона и кривым проводником между двигательной и шпиндельной секциями будет иметь низкий уровень вибраций даже при значительных углах искривления кривого переводника, так как шарнирный узел и торсион полностью сглаживают все пульсирующие нагрузки при работе двигателя. Это подтверждается результатами стендовых испытаний винтовых двигателей диаметром 88, 105 и 172 мм.

На фиг. 1 показан общий вид двигателя (верхняя часть); на фиг. 2 общий вид двигателя (нижняя часть), на фиг. 3 поперечный разрез А-А шарнирного узла.

Винтовой забойный двигатель для наклонно-направляющего бурения содержит двигательную секцию и шпиндельную секцию 2.

Двигательная секция 1 включает торсион (гибкий вал) 3, верхний переводник 4, статор 5, ротор 6 и кривой переводник 7. Торсион 3 и ротор 6 связаны между собой в своей верхней части посредством конусного соединения.

Статор 5 и ротор 6 представляют собой зубчатую пару внутреннего зацепления с винтовыми зубьями. Статор 5 имеет на один зуб больше, чем ротор 6.

Винтовые зубья статора 5 выполнены на обкладке из эластичного материала, а винтовая поверхность стального ротора 6 упрочнена методом хромирования или азотирования. Двигательная секция 1 через верхний переводник 4 крепится к бурильным трубам (на чертежах не показано), а через кривой переводник 7 соединяется со шпиндельной секцией 2.

Шпиндельная секция 2 включает корпус 8, выходной вал 9 и радиально-упорный подшипник 10. К нижнему концу выходного вала 10 крепится долото (на чертежах не показано).

Торсион (гибкий вал) 3 свободным концом связан с шарнирным узлом, выполненным в виде муфты 11, полумуфты 12 и двух пальцев 13, расположенных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и установленных в отверстиях, выполненных перпендикулярно к осям торсиона 3, муфты 11 и полумуфты 13.

Муфта 11 размещена верхней частью в отверстии, выполненном с торца на свободном конце торсиона 3, а нижней частью в отверстии полумуфты 12.

Отверстия торсиона 3 и полумуфты 12, в которых размещена муфта 11 и концы муфты 11 выполнены с коническими участками "а" и "б" соответственно.

Шарнирный узел в сочетании с упругостью торсиона (гибкого вала ) 3, обеспечивает передачу крутящего момента и осевой нагрузки при установке между двигательной секцией 1 и шпиндельной секцией 2 прямого переводника или кривого переводника 7 с большим углом искривления.

Винтовой забойный двигатель для наклонно направленного бурения работает следующим образом. Под действием потока рабочей жидкости ротор 6, обкатываясь по зубьям статора 5, совершает планетарное движение. Переносное движение ротора 6 редуцируется в абсолютное с передаточным отношением равным числу зубьев ротора 6, что создает на выходном валу 9 высокий крутящий момент при низкой частоте вращения.

Винтовой забойный двигатель для наклонно направленного бурения глубоких скважин, снабженный шарнирным узлом на свободном конце торсиона и коротким кривым переводников, позволяет эффективно осуществлять, с высокой для практики точностью, все виды технологических операций при бурении участков изменения направления ствола скважины.

Использование: в горном деле при бурении наклонно направленных скважин забойными двигателями. Сущность изобретения: двигатель включает двигательную секцию, ротор и торсион которой связаны между собой в своей верхней части, и шпиндельную секцию, корпус которой соединен с корпусом двигательной секции переводником. Двигатель снабжен шарнирным узлом, кинематически связанным со свободным концом торсиона, и шпиндельной секцией. 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. Отверстия торсиона и полумуфты, в которых размещена муфта, и концы муфты выполнены с коническими участками. 3 ил.

Винтовой забойный двигатель для наклонно-направленного бурения, включающий двигательную секцию, ротор и торсион которой связаны между собой в своей верхней части, и шпиндельную секцию, корпус которой соединен с корпусом двигательной секции переводником, отличающийся тем, что двигатель снабжен шарнирным узлом, кинематически связанным со свободным концом торсиона и шпиндельной секцией, при этом 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.