ГЕРОТОРНЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2001 года по МПК E21B4/02 E21B7/08 

Изобретение относится к гидравлическим приводам для вращательного движения, в частности, к устройствам для бурения наклонно направленных скважин в формациях земли.

Известен 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 изогнутым переводником [1].

Недостатком известной конструкции является отсутствие устройств для надежного удержания долота при разрушении (срезании) вала шпинделя, а также устройств для охлаждения опор вращения шпинделя промывочным буровым раствором, выполняющих функцию демпфирования напряжений от изгибающих и крутящих моментов, передаваемых от ротора двигателя, и реактивного изгибающего момента вследствие усилий резания на долоте. Это не позволяет оптимизировать параметры процессов бурения и снижать аварийность при производстве и эксплуатации наклонно направленных скважин.

Наиболее близкой к заявляемой конструкции является героторный гидравлический двигатель (типа "Moineau"), содержащий полый корпус, размещенный внутри него многозаходный героторный механизм, включающий соосно расположенный статор и установленный внутри статора ротор, а также шпиндель, включающий вал шпинделя, размещенный в опорах вращения в корпусе шпинделя и соединенный на входе приводным валом с ротором, а на выходе - с долотом, причем корпуса двигателя и шпинделя соединены изогнутым переводником с резьбами на его краях [2].

Известное изобретение включает стабилизатор с изменяемой геометрией, включающий средства дистанционного контроля, способствующие изменению геометрии под влиянием гидростатического давления в бурильной колонне.

Данное изобретение может включать, по меньшей мере, один стабилизатор, сблокированный для вращения вместе с долотом, а также, по меньшей мере, один стабилизатор, закрепленный для вращения вместе с корпусом двигателя.

Недостатком известного изобретения является отсутствие надежного устройства для удержания долота 47 при разрушении (срезании) участка вне опор вращения на ведомом (тихоходном) валу 46.

Кроме того, недостатком изобретения является отсутствие устройств для охлаждения опор вращения вала 46 (шпиндельного узла или редуктора) методом противотока, т.е. подачей рабочей жидкости от долота 47 вверх через ограничитель потока, который выполнял бы при этом функцию демпфирования вибрационных напряжений от планетарного движения ротора 91 в статоре 90 и реактивного изгибающего момента вследствие усилий резания на долоте 47.

Это снижает возможности использования известного изобретения и не позволяет оптимизировать параметры процессов бурения при производстве наклонно направленных скважин с использованием изогнутых переводников между забойным двигателем и шпинделем. Кроме того, известное изобретение не позволяет снижать стоимость, трудоемкость и аварийность при производстве и эксплуатации наклонно направленных скважин, увеличивает вероятность безвозвратной потери долота.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в снижении стоимости и трудоемкости обслуживания работ, связанных с разъединением и установкой изогнутого переводника. Другой технической задачей является повышение точности проходки скважины вследствие демпфирования крутящих и изгибающих моментов от ротора забойного двигателя, а также реактивного изгибающего момента вследствие усилий резания на долоте ограничителем потока, выполненным в виде упруго-эластичной опоры скольжения с винтовыми каналами, направленными против вращения вала шпинделя.

Другой технической задачей является повышение надежности приводного вала и обеспечения герметичности элементов соединения его с ротором и шпинделем, а также снижение вероятности безвозвратной потери долота в скважине.

Сущность технического решения заключается в том, что в героторном гидравлическом двигателе, содержащем полый корпус, размещенный внутри него многозаходный героторный механизм, включающий соосно расположенный статор и установленный внутри статора ротор, а также шпиндель, включающий вал шпинделя, размещенный в опорах вращения в корпусе шпинделя и соединенный на входе приводным валом с ротором, а на выходе - с долотом, причем корпуса двигателя и шпинделя соединены изогнутым переводником с резьбами на его краях, согласно изобретению, корпус шпинделя со стороны его торца, направленного к долоту, имеет окружное ребро, охватывающее с зазором вал шпинделя, а вал шпинделя имеет окружной бурт, расположенный между опорой вращения и окружным ребром, при этом окружной бурт на валу шпинделя и окружное ребро в корпусе шпинделя выполнены по типу непрерывных, сопрягаемых между собой витков резьбы, направление свинчивания вала и корпуса шпинделя противоположно направлению вращения вала шпинделя, а наименьшее расстояние между краями ребер на валу и в корпусе шпинделя равно шагу ребер, при этом приводной вал выполнен разборным между изогнутым переводником и двигателем, место соединения его секций выполнено в виде поверхностей тел вращения относительно общей оси двигателя и шпинделя, а корпус шпинделя со стороны соединения с изогнутым переводником содержит ограничитель потока, выполненный в виде упруго-эластичной опоры скольжения с винтовыми каналами, направленными против вращения вала шпинделя.

Кроме того, согласно изобретению, вал шпинделя и ротор соединены каждый с соответствующей секцией приводного вала при помощи муфты, допускающей угловой перекос, например карданно-шариковой, и содержит эластичный кожух и пару колец, коаксиально охватывающих изнутри и снаружи край кожуха и скрепленных посредством резьбовой втулки с муфтой, при этом, по крайней мере, одно из колец, ограничивает угловые перемещения муфты без нарушения герметичности кожуха.

Выполнение корпуса шпинделя со стороны его торца, направленного к долоту, с окружным ребром, охватывающим с зазором вал шпинделя, а вала шпинделя - с окружным буртом, расположенным между опорой вращения и окружным ребром в корпусе, обеспечивает надежное удержание долота при разрушении (срезании) вала шпинделя.

Выполнением окружного бурта на валу шпинделя, а окружного ребра - в корпусе шпинделя по типу непрерывных, сопрягаемых между собой витков резьбы достигается выполнение корпуса шпинделя цельным, без разборных резьбовых цапф, повышается надежность устройства, исключаются резьбовые соединения, которые могут отвернуться при разрушении вала шпинделя.

Противоположное направлению вращения вала шпинделя свинчивание вала и корпуса шпинделя предотвращает отворачивание срезанной части вала шпинделя с долотом. Наименьшее расстояние между краями ребер на валу в корпусе шпинделя, равное шагу ребер, предотвращает отворачивание срезанной части вала с долотом при косом срезе вала частями, кромками или гранями смежных поверхностей зоны среза шпиндельного вала.

Выполнением приводного вала разборным между изогнутым переводником и двигателем, а места его соединения - в виде поверхностей тел вращения относительно общей оси двигателя и шпинделя, достигается снижение трудоемкости и стоимости работ, связанных с разъединением и установкой требуемого изогнутого переводника. Кроме того, исключаются повреждения шариков и колец муфт, ограничивающих их осевое перемещение, при замене изогнутого переводника, повышается надежность и ресурс работы приводного вала, т.к. при разборке приводного вала осевые усилия на шарики соединительной муфты не передаются.

Выполнение в корпусе шпинделя со стороны соединения с изогнутым переводником ограничителя потока в виде упруго-эластичной опоры скольжения с винтовыми каналами, направленными против вращения вала шпинделя, обеспечивает дросселирование и циркуляцию промывочно-охлаждающего бурового раствора по направлению от долота вверх через опоры вращения шпинделя, а затем в каналы Н резьбового переходника 38. Это обеспечивает улучшенное охлаждение опор вращения шпинделя. Кроме того, это обеспечивает демпфирование напряжений от изгибающих и крутящих моментов, передаваемых от планетарного движения ротора и его одновременного вращения при обкатке по статору двигателя, а также реактивного изгибающего момента вследствие усилий резания на долоте.

Кроме того, соединение вала шпинделя и ротора с соответствующей секцией приводного вала при помощи муфты, допускающей угловой перенос и содержащей эластичный кожух и пару колец, коаксиально охватывающих изнутри и снаружи край кожуха и соединенных посредством резьбовой втулки с муфтой без нарушения герметичности кожуха, обеспечивает удержание консистентной смазки внутри кожуха, повышает надежность и ресурс приводного вала.

На фиг. 1 показан продольный разрез верхней части героторного двигателя;
на фиг. 2 показана выходная часть героторного двигателя, соединенного изогнутым переводником с входной частью шпинделя;
на фиг. 3 показана выходная часть шпинделя и место крепления долота;
на фиг. 4 показан приводной вал, соединенный с муфтами;
на фиг. 5 показан элемент I на фиг. 3 упруго-эластичной опоры скольжения;
на фиг. 6 показан элемент II на фиг. 3 устройства для удержания срезанного вала шпинделя с долотом.

Ниже представлен наиболее предпочтительный вариант исполнения героторного гидравлического двигателя.

Героторный гидравлический двигатель содержит полый корпус 1, размещенный внутри него многозаходный героторный механизм, включающий соосно расположенный статор 2 и установленный внутри статора ротор 3, а также шпиндель, включающий полый вал шпинделя 4, размещенный в опорах вращения 5 в корпусе шпинделя 6 и соединенный на входе приводным валом 7 с ротором 3, а на входе с долотом; показана переходная втулка 8 для присоединения долота.

Корпус двигателя 1 и корпус шпинделя 6 соединены изогнутым переводником 9 с резьбами 10 и 11 на его краях.

Корпус 1 двигателя соединен с изогнутым переводником 9 при помощи резьбового кожуха 12.

Корпус шпинделя 6 соединен с изогнутым переводником 9 при помощи резьбового кожуха 13.

Корпус шпинделя 6 со стороны его торца 14, направленного к долоту, показана втулка 8 для крепления долота, имеет окружное ребро 15, охватывающее с зазором вал шпинделя 4, см. фиг. 6. Полый вал шпинделя 4 имеет окружной бурт 16, расположенный между опорой вращения 5 и окружным ребром 15 в корпусе шпинделя 6.

При этом окружной бурт 16 на валу шпинделя 4 и окружное ребро 15 в корпусе шпинделя 6 выполнены по типу непрерывных, сопрягаемых между собой витков резьбы 17, 18, см. фиг. 6.

Направление свинчивания вала шпинделя 4 и корпуса шпинделя 6 (при сборке) противоположно направлению вращения вала шпинделя 4.

Наименьшее расстояние "а" между краями ребер, т.е. между ребром 15 и окружным буртом 16, равно шагу t ребер или витков резьбы 17, 18, см. фиг. 6.

Приводной вал 7 выполнен разборным между изогнутым переводником 9 и двигателем, см. фиг. 2, 4.

Приводной вал 7 выполнен из двух секций: нижней части (секции) собственно приводного вала 7 и переходной секции 19. При этом верхняя часть 20 приводного вала 7 разъемно соединена при помощи конуса Морзе 21 в нижней части 22 переходной секции 19 и плоских поверхностей 23, 24 в пазу Т переходной секции 19.

Место соединения секции 19 и приводного вала 7 выполнено в виде поверхностей тел вращения 20, 21 относительно общей оси 25, см. фиг. 2, двигателя и шпинделя.

На фиг. 2 показано: 26 - ось двигателя, 27 - ось шпинделя; α - угол переводника 9, определяемый расположением резьб 10 и 11.

Корпус шпинделя 6 со стороны соединения с изогнутым переводником 9 содержит ограничитель потока 28, см. фиг. 3, 5, выполненный в виде упруго-эластичной опоры скольжения 29 с винтовыми каналами 30 (или одним каналом при однозаходной резьбе), направленным против вращения вала шпинделя 4.

Вал шпинделя 4 и ротор 3 соединены каждый с соответствующей секцией 7 и 19 приводного вала 7 при помощи муфты 31 или 32, см. фиг. 2, 4, допускающей угловой перекос β , например, карданно-шариковой, и содержит эластичный кожух 33 и пару колец 34 и 35, коаксиально охватывающих изнутри и снаружи край 36 кожуха 33 и скрепленных посредством резьбовой втулки 37 с муфтой 31.

При этом оба кольца 34, 35 ограничивают угловые перемещения β муфты 31 без нарушения герметичности кожуха 33, т.е. резьбовая втулка 37 не задевает за кожух 33 при максимальных перекосах муфты 31.

Кроме того, на фиг. 2 показаны наклонные каналы Н в резьбовом переходнике 38, которые определяют центральный путь прохождения потока для передачи рабочей жидкости к долоту или втулке 8 для его крепления, см. фиг. 2.

На фиг. 1 - рабочая жидкость 39, стрелкой показано направление ее подвода через колонну буровых труб, которые предусмотрены при работе данного изобретения.

На фиг. 3 - показано направление потока рабочей жидкости 40 для смазки, охлаждения и демпфирования в упруго-эластичной опоре скольжения 28.

Героторный гидравлический двигатель работает следующим образом: рабочая жидкость 39 под давлением 20 -70 кг/см² по колонне буровых труб подается в проточные винтовые каналы между ротором 3 и статором 2, профиль ротора выполнен замкнутым. Возможность подачи рабочей жидкости обеспечивается вследствие разницы в количестве зубьев, т.е. число зубьев ротора на единицу меньше зубьев статора. Возникающий на роторе 3 крутящий момент вызывает его планетарное движение относительно статора 2, которое при помощи переходной секции 19, приводного вала 7 и карданно-шариковых муфт 31, 32 преобразуется во вращательное движение вала шпинделя 4, втулки 8 и долота.

Рабочая жидкость 39 на выходе из двигателя направляется через канал Н резьбового переходника 38 внутрь полого вала шпинделя 4, втулку 8 к долоту, где она размывает породу при бурении скважины. На забое скважины давление повышенное.

При этом рабочая жидкость 40 подается в опоры вращения 5 шпинделя к винтовым каналам 30 упруго-эластичной опоры скольжения 29, дросселируется и подмешивается к потоку 39 рабочей жидкости в каналах Н переходника 38 и обеспечивает охлаждение опор вращения 5 и демпфирование напряжений от изгибающих и крутящих моментов, передаваемых от планетарного движения ротора 3 по статору 2, через приводной вал из секций 19, 7 и муфт 31, 32, а также реактивного изгибающего момента вследствие усилий резания на долоте, т.е. от втулки 8.

На практике вертикальный ствол скважины бурится до заданной глубины. Затем бурильная колонна извлекается и меняется изогнутый переводник 9 между героторным двигателем и шпинделем.

Для разъединения изогнутого переводника 9 шпиндель удерживается в вертикальном положении в хомутах (спайдерах) непосредственно на буровой за поясок на резьбовом кожухе 13. Затем отворачивается резьба 10 и резьбовой кожух 12.

Секция 19 и приводной вал 7 разъединяются при помощи конуса Морзе 21, карданно-шариковые муфты 31 и 32 при этом не нагружаются.

Вал шпинделя 4 проектируется таким образом, что место его разрушения (среза) располагается между опор вращения 5 и окружным буртом 16. При аварийных случаях разрушения вала шпинделя 4 долото (втулка 8) удерживается окружным буртом 16 вала шпинделя 4 и извлекается вместе с колонной бурильных труб из скважины.

Предлагаемая конструкция героторного гидравлического двигателя улучшает охлаждение опор вращения шпинделя, упрощает разъединение и установку изогнутого переводника, повышает точность проходки скважины путем демпфирования и компенсации бокового усилия от долота и моментов ротора в шпинделе изогнутой колонны скважинных труб, а также сохраняет долото при срезании вала шпинделя.

Источники информации
1. RU, патент 2081986, кл. 6 E 21 В 4/02, 1993
2. US, патент 5316093, кл. E 21 В 7/06, E 21 В 4/02, 1994.

Изобретение относится к области бурения наклонно направленных скважин посредством бурения гидравлическим двигателем. Сущность изобретения заключается в том, что рабочая жидкость подается в опоры вращения шпинделя к винтовым каналам упруго-эластичной опоры скольжения, дросселируется и подмешивается к потоку рабочей жидкости в каналах переходника и обеспечивает охлаждение опор вращения и демпфирование напряжений от изгибающих и крутящих моментов, передаваемых от планетарного движения ротора по статору, через приводной вал из секций и муфт, а также реактивного изгибающего момента вследствие усилий резания на долоте. Изобретение обеспечивает повышение точности проходки скважины и надежность в работе двигателя. 1 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Героторный гидравлический двигатель, содержащий полый корпус, размещенный внутри него многозаходный героторный механизм, включающий соосно расположенный статор и установленный внутри статора ротор, а также шпиндель, включающий вал шпинделя, размещенный в опорах вращения в корпусе шпинделя и соединенный на входе приводным валом с ротором, а на выходе - с долотом, причем корпуса двигателя и шпинделя соединены изогнутым переводником с резьбами на его краях, отличающийся тем, что корпус шпинделя со стороны его торца, направленного к долоту, имеет окружное ребро, охватывающее с зазором вал шпинделя, а вал шпинделя имеет окружной бурт, расположенный между опорой вращения и окружным ребром, при этом окружной бурт на валу шпинделя и окружное ребро в корпусе шпинделя выполнены по типу непрерывных, сопрягаемых между собой витков резьбы, направление свинчивания вала и корпуса шпинделя противоположно направлению вращения вала шпинделя, а наименьшее расстояние между краями ребер на валу и в корпусе шпинделя равно шагу ребер, при этом приводной вал выполнен разборным между изогнутым переводником и двигателем, место соединения его секций выполнено в виде поверхностей тел вращения относительно общей оси двигателя и шпинделя, а корпус шпинделя со стороны соединения с изогнутым переводником содержит ограничитель потока, выполненный в виде упруго-эластичной опоры скольжения с винтовыми каналами, направленными против вращения вала шпинделя. 2. Героторный гидравлический двигатель по п.1, отличающийся тем, что вал шпинделя и ротор соединены каждый с соответствующей секцией приводного вала при помощи муфты, допускающей угловой перекос, например карданно-шариковой, и содержит эластичный кожух и пару колец, коаксиально охватывающих изнутри и снаружи край кожуха и скрепленных посредством резьбовой втулки с муфтой, при этом, по крайней мере, одно из колец ограничивает угловые перемещения муфты без нарушения герметичности кожуха.