Винтовой забойный двигатель Российский патент 2004 года по МПК E21B4/02 

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

Для бурения таких скважин используют винтовые забойные двигатели с кривым переводником между двигательной и шпиндельной секциями и шарниром, расположенным в области установки этого переводника для соединения шпиндельного вала с торсионом ротора двигательной секции.

Известен винтовой забойный двигатель, предназначенный для бурения вертикальных скважин, с шарнирным соединением, которое служит для связи сплошного ротора двигательной секции с валом шпиндельной секции и состоит из промежуточного патрубка с разнесенными по концам шарнирами (патент СССР № 1012640, Е 21 В 4/02, 1979). Такое шарнирное соединение позволяет при работе винтового забойного двигателя компенсировать только параллельное смещение оси ротора относительно оси шпиндельного вала на величину эксцентриситета и используется в винтовых забойных двигателях только прямого исполнения.

Собственно шарнир содержит снаружи зубчатый венец, внутри которого установлены зубчатые полумуфты, закрепленные подвижными гайками. Между полумуфтами в сферических расточках установлен центральный шар для передачи осевых усилий. В рабочей полости, образованной венцом, гайками и полумуфтами, помещены шайбы, обоймы и эластичные элементы. Элементы выполнены в виде гладких рукавов и служат уплотнениями. Концы каждого рукава закреплены в обойме и на полумуфте.

Поверхности деталей в рабочей полости шарнира покрыты слоем консистентной смазки, нанесенной при сборке изделия. При этом свободное от консистентной смазки пространство в рабочей полости заполняет атмосферный воздух. Гладкие уплотнительные рукава предназначены для сохранения смазки и предохранения рабочей полости шарнира от попадания бурового раствора.

Недостатком этого шарнирного соединения является сложность конструкции, трудоемкость в изготовлении и большие габариты по длине, что не позволяет устанавливать его в искривленных винтовых забойных двигателях, предназначенных для горизонтального и наклонно-направленного бурения.

Под воздействием давления столба бурового раствора порции атмосферного воздуха, заполняющие вместе с консистентной смазкой рабочую полость шарнира, настолько сжимаются, а иногда охлопываются, уменьшая до предела свой объем, что эластичные элементы вдавливаются в зазор между зубчатым венцом и зубчатыми полумуфтами, повреждаются и герметичность шарнира нарушается. Буровой раствор попадает в рабочую полость, зубья зацепления при работе интенсивно изнашиваются, шарнир быстро выходит из строя.

Известен также винтовой забойный двигатель для наклонно-направленного бурения (патент РФ № 2081986, Е 21 В 4/02, 1997), принятый за прототип как наиболее близкий по своему назначению и принципу действия к заявленному объекту. Он содержит двигательную секцию, полый ротор и упругий торсион которой связаны между собой в своей верхней части, шпиндельную секцию, корпус которой соединен с корпусом двигательной секции переводником, и шарнирный узел, кинематически связывающий свободный нижний конец торсиона с валом шпиндельной секции. Шарнирный узел выполнен в виде муфты, встроенной своей верхней частью в глухое отверстие торсиона, полумуфты с глухим отверстием, в котором размещена нижняя часть муфты, и двух расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях пальцев, установленных в сквозных отверстиях, выполненных в торсионе, муфте и полумуфте. Причем пальцы установлены в отверстиях упругого торсиона и полумуфты неподвижно на сварке, а муфта посажена на пальцах подвижно с зазором.

При вращении ротора двигательной секции муфта, перемещаясь по дуге и колеблясь относительно пальцев, одновременно передает крутящий момент и осевые усилия, создаваемые перепадом давления бурового раствора на ротор двигательной секции. За счет дугообразного перемещения концов муфты вокруг перпендикулярно установленных пальцев при колебаниях "вправо-влево" и "вперед-назад" осевое усилие ротора двигательной секции преобразуется в ударные нагрузки, которые передаются от ротора и упругого торсиона двигательной секции к шпиндельному валу и долоту. Высокая частота и сила ударов выводят из строя детали винтового забойного двигателя и датчики контроля телесистемы, устанавливаемой непосредственно над винтовым забойным двигателем для контроля в пространстве профиля бурящейся скважины.

Поверхности трения муфты и пальцев не защищены от абразивной среды бурового раствора, быстро изнашиваются, выходят из строя и преждевременно выводят из строя шарнирный узел и винтовой забойный двигатель.

Встроенный в упругий торсион и шпиндельный вал шарнирный узел незначительно укорачивает шпиндельную секцию и на увеличение интенсивности набора кривизны бурящейся скважины практически положительно не влияет. Зато при ремонте, когда вместе с вышедшим из строя шарнирным узлом приходится менять дорогостоящие упругий торсион и шпиндельный вал, это вызывает большие осложнения, поскольку требуются дополнительные затраты на приобретение и своевременную доставку запчастей. Такие двигатели становятся дорогими в ремонте и нерентабельными в эксплуатации.

Решаемая изобретением задача заключается в повышении нагрузочной способности и долговечности винтовых забойных двигателей при работе с повышенными перекосом и смещением осей ротора двигательной секции и шпиндельного вала и снижении стоимости в эксплуатации и ремонте.

Для этого в известном винтовом забойном двигателе, содержащем двигательную секцию, у которой полый ротор связан с упругим торсионом в своей верхней части, шпиндельную секцию, корпус которой соединен с корпусом двигательной секции кривым переводником, и соединяющий шпиндельный вал с упругим торсионом шарнир, последний содержит ведущую муфту с пазами, соединенную с кожухом, имеющим внутренний торец, ведомый ниппель с пальцем на неподвижной посадке, оси которых перпендикулярны друг относительно друга, и эластичный гофрированный чехол, образующий с кожухом рабочую полость, заполненную смазывающей жидкостью, при этом на пальцах установлены вкладыши, размещенные в пазах муфты, а взаимодействующие торцы ведомого ниппеля и ведущей муфты снабжены сменными пятой и эластичной опорой подпятника.

Существенными признаками, отличительными от наиболее близкого аналога (патент РФ № 2081986, Е 21 В 4/02, 1997), являются наличие в шарнире ведущей муфты с пазами, соединенной с кожухом, имеющим внутренний торец, ведомого ниппеля с пальцем на неподвижной посадке, оси которых перпендикулярны друг относительно друга, и эластичного гофрированного чехла, образующего с кожухом рабочую полость, заполненную смазывающей жидкостью, при этом на пальцах установлены вкладыши, размещенные в пазах ведущей муфты, а взаимодействующие торцы ведомого ниппеля и ведущей муфты снабжены сменными пятой и эластичной опорой подпятника; кроме того, боковые поверхности рабочих граней вкладышей выполнены бомбинированными и снабжены наклонными маслоподводящими канавками со скошенными боковыми стенками; кроме того, эластичная опора подпятника выполнена из полиуретана.

При этом:

- выполнение эластичного чехла гофрированным повышает его упругость, увеличивает емкость полости для смазывающей жидкости и камеры для сбора осаждающихся взвешенных частиц продуктов износа;

- выполнение кожуха с внутренним торцем предотвращает рассоединение ведущей муфты и ведомого ниппеля шарнира в случае всплытия ротора при спуске инструмента в скважину или при обратной циркуляции бурового раствора через долото в бурильные трубы.

Кроме того, для снятия концентрации напряжения боковые поверхности рабочих граней вкладышей выполнены бомбинированными и снабжены наклонными маслоподводящими канавками (способствует выносу продуктов износа из рабочей зоны вкладышей и притоку свежей смазки к поверхностям трения) со скошенными боковыми стенками (способствующими возникновению жидкостного трения), а эластичная опора подпятника выполнена из полиуретана.

На чертеже изображен винтовой забойный двигатель, где:

- на фиг.1 показан общий вид двигателя;

- на фиг.2 - шарнир;

- на фиг.3, 4 - вкладыш в продольном разрезе и с сечением А-А;

- на фиг.5 - вид Б на фиг.3.

Винтовой забойный двигатель включает двигательную и шпиндельную секции. Двигательная секция содержит упругий торсион 1, верхний переводник 2, корпус 3 с закрепленным в нем статором, полый ротор 4 и нижний переводник 5. Упругий торсион 1 и полый ротор 4 связаны между собой в своей верхней части переводником 6. Корпус 3 двигательной секции через переводник 5 и короткий кривой переводник 7 соединен с корпусом 8 шпиндельной секции. Последняя также содержит полый шпиндельный вал 9 и упорно-радиальный подшипник 10 с комплектом уплотнительных колец 11. Нижний конец упругого торсиона 1 связан с верхним концом шпиндельного вала 9 шарниром, выполненным в виде индивидуального кинематического узла с быстроразъемными, например, коническими соединениями. Шарнир содержит ведущую муфту 12 с двумя сквозными пазами 13, соединенный с ней кожух 14 с внутренним торцом 15, ведомый ниппель 16 и эластичный гофрированный чехол 17, образующий с кожухом 14 рабочую полость 18, заполненную смазывающей жидкостью. Полость 18 герметизирована уплотнительным кольцом 19 и хомутами 20 и 21, посредством которых концы эластичного гофрированного чехла 17 закреплены на кожухе 14 и ведомом ниппеле 16. Часть рабочей полости 18 в интервале размещения эластичного гофрированного чехла 17 увеличена в объеме за счет гофр для сбора взвешенных частиц продуктов износа шарнира. При работе винтового забойного двигателя с повышенными перекосом и смещением оси ротора 4 двигательной секции относительно шпиндельного вала 9, вращении и пространственном перемещении ведущей муфты 12 шарнира относительно ведомого ниппеля 16, гофры способствуют упругости эластичного гофрированного чехла 17, долговечной и надежной работе шарнира и винтового забойного двигателя в целом.

В рабочем состоянии рабочая полость 18 должна быть полностью заполнена смазывающей жидкостью без каких-либо остатков атмосферного воздуха. Для полного вытеснения атмосферного воздуха и замещения его смазывающей жидкостью заполнение рабочей полости 18 ведут при ослабленном креплении хомута 20 и повернутом на 180° относительно положения шарнира на фиг. 2. После полного вытеснения из полости 18 атмосферного воздуха и полного ее заполнения смазывающей жидкостью хомут 20 зажимают окончательно, а пресс-масленку 22 меняют на заглушку 23.

Во время работы винтового забойного двигателя взвешенные частицы продуктов износа под действием гравитационных сил оседают, освобождая верхнюю часть рабочей полости 18 от продуктов износа, скапливаются в нижней части рабочей полости 18 в интервале эластичного гофрированного чехла 17 и уплотняются под действием вибрации от работающего долота, не взмучивая и не загрязняя смазывающую жидкость в верхней части рабочей полости 18. Это способствует повышению износостойкости и долговечной работе шарнира.

В ведомом ниппеле 16 симметрично относительно его оси установлен на неподвижной посадке палец 24, ось которого перпендикулярна оси ведомого ниппеля 16. По концам пальца 24 установлены вкладыши 25, размещенные в пазах 13 ведущей муфты 12 в области герметизированной рабочей полости 18.

Взаимодействующие торцы ведомого ниппеля 16 и ведущей муфты 12 снабжены сменной пятой 26 и сменным подпятником 27 на эластичной опоре 28, выполненной из полиуретана. Такая опора в условиях бурения нефтяных и газовых скважин обладает улучшенными упругими свойствами по сравнению с другими известными эластичными материалами (например, резина и др.), не набухает под воздействием нефтепродуктов и химреагентов в буровом растворе, интенсивно сглаживает ударные осевые нагрузки, снижает вибрацию винтового забойного двигателя и тем способствует повышению его долговечности.

Ведомый ниппель 16, палец 24, вкладыши 25 и сменная пята 26 имеют систему осевых и радиальных каналов для подвода смазки к трущимся поверхностям шарнира. Палец 24 в средней части, кроме того, имеет наружную цилиндрическую проточку (на чертеже не показана) для прохода масла к сменной пяте 26 и сменному подпятнику 27, а вкладыши 25 - маслоподводящие канавки 29. Канавки 29 наклонены к оси движения вкладышей 25 вдоль пазов 13 ведущей муфты 12, что способствует выносу продуктов износа из рабочей зоны трения вкладышей 25 и притоку сюда свежей смазки. Боковые стенки канавок 29 скошены в виде трапеции или треугольника в сечении, что интенсифицирует образование масляного клина и способствует возникновению жидкостного трения в рабочей зоне вкладышей 25.

Наружный диаметр сферического участка сменной пяты 26 в 1,05-1,15 раза больше диаметра сменного подпятника 27, выполняемого обычно из более мягкого материала (бронза, латунь и др.). Это способствует работе сменной пяты 26 с постоянным перекрытием рабочей сферической поверхности сменного подпятника 27 при применяемых обычно в винтовых забойных двигателях углах перекосов осей ротора 4 и шпиндельного вала 9.

Радиус сферы сменной пяты 26 на 0,5-1,0 мм меньше радиуса сферы сменного подпятника 27. Это снижает концентрацию напряжений в пяте 26 и сменном подпятнике 27 и повышает нагрузочную способность и долговечность шарнира и винтового забойного двигателя.

Опыт показывает, что выполнение наружных диаметров и радиусов сфер сменной пяты 26 и сменного подпятника 27 в указанных выше пределах при передаче осевых усилий снижает концентрацию напряжений в сменной пяте 26 и сменном подпятнике 27 и повышает нагрузочную способность и долговечность шарнира при работе с повышенными перекосом и смещением осей полого ротора 4 двигательной секции и шпиндельного вала 9.

Постоянные контакты сменной пяты 26 ведомого ниппеля 16 со сменным подпятником 27 ведущей муфты 12, а также наружных сферических поверхностей вкладышей 25 с внутренней цилиндрической поверхностью кожуха 14 обеспечивают передачу крутящего момента с равными угловыми скоростями, что очень важно для бесперебойной работы забойных датчиков телесистем.

Выполненная из полиуретана эластичная опора 28 сменного подпятника 27 эффективно снижает ударные осевые нагрузки и сглаживает вибрацию, идущую от долота. Это способствуют повышению долговечности винтового забойного двигателя.

Боковые поверхности рабочих граней 30 вкладышей 25, передающие крутящий момент, выполнены бомбинированными. Это снимает концентрацию напряжений, возникающую за счет краевого эффекта, и тем способствует повышению нагрузочной способности шарнира и в целом винтового забойного двигателя.

Заполнение рабочей полости 18 смазывающей жидкостью при повернутом на 180° положении шарнира позволяет полностью вытеснить из полости атмосферный воздух, что предотвращает деформацию кожуха 14 и порыв эластичного гофрированного чехла 18 под давлением столба бурового раствора в 150-200 кгс/см² при работе на забое скважины.

Герметизированный маслонаполненный шарнир в сочетании с упругим торсионом 1 обеспечивает компенсацию повышенных до 3-5° перекосов осей полого ротора 4 двигательной и вала 9 шпиндельной секций винтового забойного двигателя, а также передачу крутящего момента и осевой нагрузки к шпиндельному валу 9 и долоту. За счет постоянного контакта наружной поверхности вкладышей 25 с кожухом 14 и боковых граней - с пазами 13 ведущей муфты 12, а также сферической сменной пяты 26 со сменным подпятником 27 шарнир обеспечивает равномерное вращение шпиндельного вала 9 и долота без колебаний угловых скоростей. Это повышает качество отработки буровых долот на забое скважины и увеличивает проходку на долото. Нормально, без сбоев работает телесистема.

Винтовой забойный двигатель в сборе своим верхним переводником 2 двигательной секции крепится к телесистеме (на чертеже не показана) и спускается на бурильных трубах на забой скважины. К нижнему концу шпиндельного вала 9 через переводник с калибратором 31 крепится породоразрушающий инструмент - буровое долото (не показано).

Винтовой забойный двигатель работает следующим образом. Под действием перепада давления бурового раствора, подаваемого по бурильным трубам буровыми насосами в направлении "Вход", вращение винтового полого ротора 4 двигательной секции передается через упругий торсион 1 и герметизированный маслонаполненный шарнир шпиндельному валу 9 и долоту.

Проходя между полым ротором 4 и статором, буровой раствор омывает герметизированный маслонаполненный шарнир и через боковые проходы в шпиндельном валу 9 поступает по его внутреннему каналу к долоту в направлении "Выход", вынося по затрубному пространству выбуренную породу на дневную поверхность.

При передаче осевого усилия, создаваемого перепадом давления бурового раствора на полый ротор 4, и крутящего момента, вращающего долото, силовой поток в шарнире разделяется по двум направлениям. Осевое усилие воспринимается сменной пятой 26 и сменным подпятником 27, а крутящий момент - рабочими поверхностями бомбинированных граней 30 вкладышей 25, перемещающихся во время работы вдоль боковых стенок пазов 13 муфты 12 при фазе "вправо-влево" и одновременно поворачивающихся относительно пальца 24 при фазе "вперед-назад". При этом осевые усилия воспринимаются упорно-радиальным подшипником 10 шпиндельного вала 9, а вращение и крутящий момент передаются к долоту плавно без колебаний угловых скоростей, т. е. имеет место шарнир равных угловых скоростей. Это положительно сказывается на работе датчиков телесистемы, ее надежности и долговечности.

Наклонные маслоподводящие канавки 29 на рабочих поверхностях граней 30 вкладышей 25 усиливают интенсивность подачи жидкого масла к рабочим поверхностям боковых стенок пазов 13 муфты 12 и рабочим граням вкладышей 25 и интенсивно смывают продукты износа из зоны трения, а скошенные боковые стенки канавок способствуют возникновению жидкостного трения.

В процессе работы винтового забойного двигателя в герметизированной рабочей полости 18 в месте установки эластичного гофрированного чехла 17 оседают под действием гравитационных сил взвешенные частицы, освобождая верхнюю часть рабочей полости 18 от продуктов износа. Таким образом, смазывающая жидкость в зоне работы вкладышей 25, сменной пяты 26 и сменного подпятника 27 постоянно самоочищается от продуктов износа, т. е. имеет место самоочищающийся шарнир равных угловых скоростей.

Винтовой забойный двигатель с кривым переводником, конструктивно выполненный в сочетании с предлагаемым решением шарнира, обладает повышенной надежностью и долговечностью и плавностью работы, что способствует надежной и долговечной работе телесистем при бурении горизонтальных и наклонно направленных нефтяных и газовых скважин.

Изобретение относится к области буровой техники, в частности к искривленным винтовым забойным двигателям, предназначенным для бурения горизонтальных и наклонно-направленных нефтяных и газовых скважин на участках искривления ствола. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит двигательную секцию, у которой полый ротор связан с упругим торсионом в своей верхней части, шпиндельную секцию, корпус которой соединен с корпусом двигательной секции кривым переводником, и шарнир, соединяющий шпиндельный вал с упругим торсионом, при этом шарнир содержит ведущую муфту с пазами, соединенную с кожухом, имеющим внутренний торец, ведомый ниппель с пальцем на неподвижной посадке, оси которых перпендикулярны друг относительно друга, и эластичный гофрированный чехол, образующий с кожухом рабочую полость, заполненную смазывающей жидкостью, а на пальцах установлены вкладыши, размещенные в пазах ведущей муфты, а взаимодействующие торцы ведомого ниппеля и ведущей муфты снабжены сменными пятой и эластичной опорой подпятника. Изобретение позволяет повысить нагрузочную способность и долговечность двигателя. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Винтовой забойный двигатель, содержащий двигательную секцию, у которой полый ротор связан с упругим торсионом в своей верхней части, шпиндельную секцию, корпус которой соединен с корпусом двигательной секции кривым переводником, и шарнир, соединяющий шпиндельный вал с упругим торсионом, отличающийся тем, что шарнир содержит ведущую муфту с пазами, соединенную с кожухом, имеющим внутренний торец, ведомый ниппель с пальцем на неподвижной посадке, оси которых перпендикулярны друг относительно друга, и эластичный гофрированный чехол, образующий с кожухом рабочую полость, заполненную смазывающей жидкостью, при этом на пальцах установлены вкладыши, размещенные в пазах ведущей муфты, а взаимодействующие торцы ведомого ниппеля и ведущей муфты снабжены сменными пятой и эластичной опорой подпятника.2. Винтовой забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что боковые поверхности рабочих граней вкладышей выполнены бомбинированными и снабжены наклонными маслоподводящими канавками со скошенными боковыми стенками.3. Винтовой забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что эластичная опора подпятника выполнена из полиуретана.