ШАРОВОЙ ШПИНДЕЛЬ ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2002 года по МПК E21B4/00 

Изобретение относится к техническим средствам, с помощью которых бурятся нефтяные и газовые скважины, и, в более узком подразделении этих средств, к забойным двигателям, с помощью которых приводятся во вращение буровые долота, углубляющие забои стволов глубоких скважин.

Дальним аналогом нашего изобретения является шпиндель турбобура, выполняемый согласно Авторскому свидетельству СССР 166627 (Опубликовано 01.12.1964 г., бюллетень 23).

Это самый первый из выпускавшихся серийно шаровых шпинделей забойных двигателей. Однако в нем не было уплотнения вала шпинделя, что не позволяло использовать гидромониторные долота.

Поэтому в качестве ближайшего аналога мы используем лучший на сегодняшний день шпиндель, выполняемый согласно Авторскому свидетельству СССР А 926.207 (Опубликовано 07.05.82 г., бюллетень 17).

В этом авторском свидетельстве описан шпиндель, который имеет в своем корпусе неподвижно закрепленные с помощью ниппеля и верхнего соединительного переводника: статорные элементы радиальных опор, статорные обоймы шаровой пяты с коническими дорожками качения, статорные распорные проставочные кольца пяты, статорные элементы дроссельного уплотнения и систему статорных торцовых уплотнителей картера шаровой пяты с масляным лубрикатором; на валу шпинделя неподвижно закреплены с помощью гайки-полумуфты: роторные элементы радиальных опор, роторные обоймы шаровой пяты с коническими дорожками качения, роторные распорные проставочные кольца пяты, роторные элементы лабиринтного дроссельного уплотнения вала шпинделя и роторные эластичные уплотнители картера шаровой пяты.

Однако абразив, песок и шлам, скапливающиеся над верхней непроточной радиальной опорой и под ней - над верхним торцовым уплотнением, быстро разрушали систему защиты картера осевой пяты, после чего начинался быстро прогрессирующий износ обойм шаровой пяты и ее статорных распорных проставочных колец. После того, как люфт в пяте достигал значения в 5 мм, статорные проставочные кольца утонялись до таких значений, что возникала реальная угроза невыпрессовки статорного пакета из корпуса шпинделя.

Принимая во внимание весьма высокую стоимость шпинделей, доводить сработку пяты до образования в ней осевого люфта в 10 мм было нельзя, так как это существенно ограничивало их отказной срок службы. Между тем современные ступени давления турбин турбобуров и особенно рабочие органы винтовых двигателей могут позволить отрабатывать пяты шпинделей до образования в них осевых люфтов в 10 и даже 12 мм без потери своих исходных энергетических параметров.

На сегодня все известные конструкции шаровых шпинделей забойных двигателей, в частности турбобуров (см. стр.44-50 "Забойные двигатели и запасные части", Москва, Недра, 1980 г.) обладают одним общим и весьма существенным недостатком.

Срабатывая роторные и статорные обоймы пяты качения до образования осевого люфта в ней в 6-9 мм, ее шары изнашивают, все более утоняя, статорные распорные проставочные кольца. При этом сами шары практически не изнашиваются. В основном обоймы изнашиваются под действием гидравлической нагрузки на вал шпинделя. Так как количество циклов нагружения каждой точки беговой дорожки каждой внутренней - роторной обоймы пяты примерно на 15-25% больше, чем число циклов нагружения беговых дорожек наружных - статорных обойм, внутренние обоймы срабатываются намного сильнее наружных.

По мере все прогрессирующей во времени относительно большей сработки внутренних обойм пяты появляется большое распорное усилие, действующее изнутри на статорные распорные-проставочные кольца. Между тем относительно тонкие статорные проставочные кольца пяты воспринимают и передают на смежные с ними детали осевое усилие сжатия от ниппеля шпинделя и его верхнего соединительного переводника корпуса. С помощью этих колец сама пята, статорные втулки радиальных опор, статорные диски лабиринтного дроссельного уплотнения и их проставочные кольца фиксируются в корпусе шпинделя.

В абразивной среде бурового раствора под действием распорного усилия относительно очень тонкие распорные-проставочние кольца статорных обойм пяты срабатываются до толщины в 2-3 мм и под действием осевого усилия сжатия "проседают" и заклиниваются в корпусе шпинделя. Из-за этого шпиндель может быть полностью выведен из строя. В некоторых случаях не удается "выдавить" статорный пакет шпинделя из его корпуса гидравлическим прессом с усилием в 300 т. Либо приходится ограничивать осевую сработку пяты люфтом в 4-5 мм, что сокращает отказной срок службы шпинделя.

Наше изобретение позволяет полностью ликвидировать сработку наружных статорных распорных-проставочных колец пяты и тем самым доводить сработку обойм пяты до образования в ней осевого люфта в 10 мм. При этом существенно растут отказной срок службы шпинделя и его полный рабочий ресурс до списания.

Сущность нашего изобретения заключается в том, что в шпинделе забойного двигателя все статорные обоймы осевой пяты качения, зажатые весьма значительным осевым усилием в корпусе шпинделя между статорными элементами радиальных опор и статорными элементами дискового дроссельного лабиринтного уплотнения с помощью ниппеля и верхнего соединительного переводника, выполняются из стали, обеспечивающей за счет режима термообработки твердость на поверхности дорожек качения на 3-4 единицы Роквелла меньшую, чем твердость на поверхностях дорожек качения роторных обойм пяты, зафиксированных (зажатых) на валу шпинделя между роторными элементами радиальных опор и роторными элементами дискового дроссельного лабиринтного уплотнения вала шпинделя с помощью гайки-полумуфты. При этом внутренняя цилиндрическая поверхность статорных распорных проставочных колец осевой пяты покрывается тонким слоем резины (с использованием процесса вулканизации).

При этом обеспечивается равномерный износ роторных и статорных обойм пяты и отсутствует износ статорных распорных проставочных колец. При работе шпинделя в режиме разгрузки осевой пяты (когда нагрузка на долото равна гидравлической нагрузке на ротор турбобура, то есть на гайку-полумуфту шпинделя) центробежные силы, прижимающие шары каждого ряда пяты к соответствующим статорным распорным-проставочным кольцам, воспринимаются резиновой обкладкой этих колец. При этом в абразивном буровом растворе резина практически не изнашивается.

Изобретение поясняется тремя фигурами и подробным описанием конструкции шпинделя.

На фиг.1 приведена общая компоновка шпинделя забойного двигателя.

На фиг.2 приведены статорная и роторная обоймы и шары одного ряда осевой пяты с указанием твердости их беговых дорожек.

На фиг.3 приведены статорные и роторные распорные проставочные кольца и шары одного ряда осевой пяты с обрезиненной внутренней поверхностью статорного кольца.

В корпусе 1 шпинделя с помощью ниппеля 2 и верхнего соединительного переводника 3 неподвижно зафиксированы статорные элементы 4 радиальных опор, статорные обоймы 5 осевой пяты качения, статорные распорные проставочные кольца 6 осевой пяты, статорные диски 7 лабиринтного дроссельного уплотнения, статорные распорные проставочные кольца 8 лабиринтного уплотнения.

На полом валу 9 шпинделя с помощью гайки-полумуфты 10 неподвижно зафиксированы роторные элементы 11 радиальных опор, роторные обоймы 12 осевой пяты, роторные распорные проставочные кольца 13 осевой пяты, роторные диски 14 лабиринтного уплотнения вала 9 шпинделя, роторные распорные проставочные кольца 15 лабиринтного уплотнения.

Статорные обоймы 5 осевой пяты выполняются из цементируемых марок сталей типа 20Х2Н4А. При этом твердость по Роквеллу на конических дорожках качения 16 назначается в диапазоне значений от 49 до 53 единиц. Во избежание раскола обойм при сильных вибрациях, сопровождающих процесс бурения в твердых и крепких породах, остальные поверхности от цементации защищаются.

Роторные обоймы 12 выполняются также из цементируемых марок сталей. При этом твердость по Роквеллу на конических дорожках качения 17 назначается в диапазоне значений от 52 до 57 единиц. Остальные поверхности также предохраняются от цементации.

Статорные распорные проставочные кольца 6 пяты имеют на своей внутренней цилиндрической поверхности тонкий слой 18 привулканизированной резины. Для изготовления этих колец используются относительно недорогие калящиеся марки сталей.

Роторные распорные проставочные кольца 13 осевой пяты также выполняются из калящихся марок сталей (типа 40ХНМА). Шары 19 осевой пяты выполняются из калящейся стали типа 55СМ5ФА.

Работа шпинделя. К нижней резьбе вала 9 шпинделя крепится буровое долото (на фиг. 1 не показано). К верхней резьбе верхнего соединительного переводника 3 корпуса 1 шпинделя крепится турбинная секция либо рабочая секция винтового двигателя (на фиг.1 не показаны), затем последовательно одна или несколько свечей утяжеленных бурильных труб, затем и весь став бурильной колонны. Собранная компоновка спускается в ствол скважины; при этом все внутренние полости осевой пяты, вала и дискового лабиринтного дроссельного уплотнения заполняются грязным и абразивным буровым раствором из ствола скважины. Спуск инструмента прекращают, не доводя долото на 9-12 метров до забоя скважины; наворачивают на бурильную колонну ведущую трубу - "квадрат"; фиксируют его от проворота в роторных клиньях стола буровой установки и включают в работу буровые насосы. Турбинная секция либо рабочая секция винтового двигателя начинают вращать вал 9 шпинделя с закрепленным на его нижнем конце долотом. С первой же минуты работы под действием гидравлической нагрузки на гайку-полумуфту 10 и вал шпинделя 9, которая может достигать значений в 10-18 т, и при достаточно высоких частотах вращения (до 1500 об/мин) обоймы 12 и 5 начинают медленно срабатываться. При этом на конических поверхностях дорожек качения 16 и 17 образуются сферические выработки, радиус скругления которых примерно равен радиусу шаров 19.

Благодаря этим выработкам происходит равномерное распределение осевой нагрузки по всем рядам осевой пяты. Благодаря разнице в твердости беговых дорожек 16 и 17 удается обеспечить равную осевую выработку обойм 12 и 5, что и защищает тонкие проставочные распорные кольца 6 от радиальной выработки и связанного с этим фактом "проседания" статорного пакета шпинделя. По мере роста осевой нагрузки на долото может наступить момент, когда нагрузка на долото будет равна гидравлической нагрузке на гайку-полумуфту 10. В этом случае на шары 19 каждого ряда осевой пяты действуют только центробежные силы, которые прижимают их к внутренним поверхностям статорных распорных проставочных колец 6. Однако при перекатывании шаров 19 по резиновому слою 18 колец 6 они (кольца) практически не срабатываются и могут использоваться наряду с распорными проставочными кольцами 13 многократно. Принимая во внимание тот факт, что шары 19 практически не теряют свой диаметр, при ремонтах шпинделя в нем могут заменяться только обоймы 5 и 12 осевой пяты, что существенно сокращает эксплуатационные расходы, связанные с отработкой шпинделей на буровых предприятиях страны. При этом осевой люфт в пяте можно доводить до значений в 10 мм, что существенно увеличивает межремонтный "пробег" шпинделей, то есть безотказный срок их службы и общий моторесурс.

Изобретение относится к области бурения глубоких скважин с использованием забойных двигателей. Предложен шаровой шпиндель забойного двигателя, в корпусе которого с помощью ниппеля и верхнего соединительного переводника неподвижно зафиксированы статорные элементы радиальных опор; статорные обоймы осевой пяты качения, твердость по Роквеллу конических дорожек качения которых укладывается в диапазон значений от 49 до 53 единиц; статорные распорные проставочные кольца осевой пяты, внутренняя цилиндрическая поверхность которых покрывается привулканизированным слоем резины; статорные диски лабиринтного уплотнения; статорные распорные кольца лабиринтного уплотнения. На полом валу шпинделя с помощью гайки-полумуфты неподвижно зафиксированы роторные элементы радиальных опор; роторные обоймы осевой пяты, твердость на поверхности конических дорожек качения которых укладывается в диапазон значений от 52 до 57 единиц; роторные проставочные кольца осевой пяты; роторные диски лабиринтного уплотнения. Шпиндель в такой совокупности своих конструктивных элементов обладает высокими показателями надежности: высокой наработкой на отказ и большим часовым ресурсом до списания. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Шаровой шпиндель забойного двигателя, в корпусе которого с помощью ниппельной гайки и верхнего соединительного переводника неподвижно закреплены статорные элементы радиальных опор, статорные обоймы шаровой пяты, статорные распорные проставочные кольца шаровой пяты, статорные диски и статорные распорные проставочные кольца лабиринтного дроссельного уплотнения, а на валу с помощью гайки-полумуфты неподвижно закреплены роторные элементы радиальных опор, роторные обоймы шаровой пяты, роторные распорные проставочные кольца шаровой пяты, роторные диски и роторные распорные проставочные кольца лабиринтного дроссельного уплотнения вала, отличающийся тем, что твердость конических дорожек качения статорных обойм шаровой пяты на 3-4 единицы по Роквеллу меньше, чем твердость конических дорожек качения роторных обойм шаровой пяты. 2. Шпиндель забойного двигателя по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя цилиндрическая поверхность статорных проставочных колец шаровой пяты покрыта слоем привулканизированной к ним резины.