ШПИНДЕЛЬ ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2004 года по МПК E21B4/02 

Изобретение относится к области бурения скважин, в частности, к забойным двигателям.

Известен шпиндель забойного двигателя, включающий корпус с ниппельной гайкой, полый вал с входным отверстием в соединительной полумуфте, верхнюю и нижнюю радиальные опоры скольжения, радиально-упорные подшипники качения и смазочную камеру, регулировочные элементы в корпусе и на полом валу [1].

К недостаткам известного устройства относится невысокая надежность и низкая долговечность работы, так как данная конструкция шпинделя не позволяет создавать на нем необходимый при работе с гидромониторными долотами перепад давления, из-за значительной величины которого происходит разгерметизация смазочной камеры, что приводит к выходу из строя шпинделя.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является шпиндель забойного двигателя, включающий корпус с ниппельной гайкой, полый вал с входным отверстием в соединительной полумуфте, верхнюю и нижнюю радиальные опоры скольжения, гидравлически связанные друг с другом периферийными каналами, установленные между радиальными опорами скольжения верхнее и нижнее уплотнения, дроссель, радиально-упорные подшипники качения и смазочную камеру с внутренними и внешними обоймами, регулировочные элементы в корпусе и на полом валу [2], который принят за прототип.

К недостаткам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известных устройств, в том числе и принятого за прототип, относится то, что в известных шпинделях вследствие жесткого закрепления в корпусе и на полом валу с помощью регулировочных элементов, выполненных в виде втулок, радиально-упорных подшипников под воздействием продольных колебаний долота на забое происходит их преждевременное разрушение.

По причине размещения в устройстве, принятом за прототип, верхнего дросселя под резинометаллической радиальной опорой скольжения в процессе циркуляции через нее буровой жидкости содержащиеся в последней абразивные частицы беспрепятственно попадают в данную опору, а наиболее крупные из них не пропускаются далее дросселем, оседают в радиальной опоре скольжения, вызывая ускоренный ее износ. Вследствие выполнения периферийных каналов между внешними обоймами и корпусом при течении буровой жидкости, содержащей агрессивные к металлу химические компоненты и абразивные частицы, происходит интенсивная коррозия металлических поверхностей корпуса и внешних обойм, их закоксовывание и заклинивание, что затрудняет разборку шпинделя при техническом обслуживании и снижает долговечность его работы. Использование в конструкции торцевых жестких уплотнений не позволяет компенсировать изменение объема воздушных пузырей, образовавшихся при заполнении смазкой радиально-упорных подшипников качения и смазочной камеры, из-за которых на глубинах более 2000 м в уплотнениях возникает перепад давления более 20 МПа, на герметизирующих поверхностях появляется значительное трение, что приводит к разгерметизации уплотнений и выходу из строя шпинделя. Применение в смазочной камере диафрагменного лубрикатора усложняет конструкцию, увеличивает размеры шпинделя, что затрудняет его техническое обслуживание, а также создание шпинделей с малым диаметром корпуса.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение эффективности функционирования устройства.

Технический результат осуществления изобретения заключается в повышении надежности и долговечности работы шпинделя.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном шпинделе, включающем корпус с ниппельной гайкой, полый вал с входным отверстием в соединительной полумуфте, верхнюю и нижнюю радиальные опоры скольжения, гидравлически связанные друг с другом периферийными каналами, установленные между радиальными опорами скольжения верхнее и нижнее уплотнения, дроссель, радиально-упорные подшипники качения и смазочную камеру с внутренними и внешними обоймами, регулировочные элементы в корпусе и на полом валу, особенностью изобретения является то, что регулировочные элементы выполнены в виде амортизаторов, например, прорезных или тарельчатых пружин, одни из которых с наибольшей жесткостью установлены в верхней части корпуса над радиально-упорными подшипниками качения, другие с меньшей жесткостью - на полом валу под радиально-упорными подшипниками качения или под нижним уплотнением, размещенным в смазочной камере в виде подвижного тороидального полого кольца, при этом периферийные каналы выполнены внутри внешних обойм уплотнений, радиально-упорных подшипников качения и смазочной камеры, а дроссель установлен над верхней радиальной опорой скольжения.

Кроме того, особенность шпинделя заключается в том, что под нижней радиальной опорой скольжения в ниппельной гайке установлен дополнительный дроссель.

Кроме того, особенность шпинделя состоит в том, что дроссели образованы верхней и нижней радиальными опорами скольжения.

Кроме того, особенность шпинделя состоит в том, что снабжен дополнительными амортизаторами, размещенными в корпусе под радиально-упорными подшипниками качения и на полом валу над радиально-упорными подшипниками качения, причем их жесткость меньше, например, в два раза, чем у соответствующих им амортизаторов, установленных в верхней части корпуса и под радиально-упорными подшипниками качения или под нижним уплотнением на полом валу.

Кроме того, особенность шпинделя заключается в том, что на сопрягаемых с внутренней и внешней обоймами смазочной камеры поверхностях подвижного тороидального полого кольца под углом к ним образованы не менее двух кольцевых гребешков, в которых выполнены косые радиальные надрезы, смещенные на соседних кольцевых гребешках относительно друг друга.

Кроме того, особенность шпинделя состоит в том, что внутри подвижного тороидального полого кольца размещена тороидальная винтовая пружина.

Кроме того, особенность шпинделя заключается в том, что на соединительной полумуфте образована правая винтовая лопасть, верхняя часть которой выполнена касательной снизу к входному отверстию.

При анализе отличительных признаков описываемого шпинделя не выявлено аналогичных известных решений, касающихся выполнения периферийных каналов внутри внешних обойм, регулировочных элементов в виде амортизаторов, одни из них с наибольшей жесткостью установлены в верхней части корпуса, с меньшей жесткостью - на полом валу под радиально-упорными подшипниками качения, а также размещения нижнего уплотнения в смазочной камере в виде подвижного тороидального полого кольца. Эти особенности позволяют повысить надежность и долговечность работы устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что при возникновении относительно слабых продольных колебаний долота на забое, передаваемых валом на радиально-упорные подшипники качения, эти возмущения гасятся амортизаторами с меньшей жесткостью, размещенными на полом валу, более значительные колебания - амортизаторами с большей жесткостью, установленными в корпусе. Размещение в смазочной камере нижнего уплотнения в виде подвижного тороидального полого кольца позволяет компенсировать изменения объемов воздушных пузырей, возникших при заправке смазкой радиально-упорных подшипников качения и смазочной камеры, в процессе спуска в скважину и ее бурения, выравнивать давление между камерой и периферийными каналами, избежать разгерметизации уплотнений, упростить конструкцию шпинделя и его обслуживание. Выполнение периферийных каналов внутри внешних обойм дает возможность устранить коррозию внутренних металлических поверхностей корпуса, закоксовывание и заклинивание деталей в нем. Установка дросселя над верхней радиальной опорой скольжения позволяет предотвратить попадание и накопление крупных абразивных частиц бурового раствора в данной опоре и существенно сократить ее износ.

Все признаки независимого пункта формулы изобретения являются существенными, то есть необходимыми для обеспечения технического результата. Остальные признаки являются частью существенными, необходимыми для реализации частных решений конструкции устройства.

Так, установка под нижней радиальной опорой скольжения в ниппельной гайке дополнительного дросселя позволяет снизить перепад давления в процессе бурения на установленном над верхней радиальной опорой скольжения дросселе и уменьшить его износ, а во время спуска в скважину, в частности, с гидромониторным долотом, когда возникает значительный обратный перепад давления в шпинделе, способствующий течению через нижнюю радиальную опору скольжения скважинной жидкости, содержащей абразивные и асфальтосмолистые частицы, вызывающие износ радиальных опор скольжения и закоксовывание периферийных каналов, дает возможность задержать дополнительным дросселем наиболее крупные частицы.

Образование дросселей верхней и нижней радиальными опорами скольжения позволяет выполнить конструкцию шпинделя более компактной, упростить его техническое обслуживание, увеличить продолжительность работы радиальных опор скольжения и устройства в целом.

Снабжение шпинделя дополнительными амортизаторами, размещенными в корпусе под радиально-упорными подшипниками качения и на полом валу над ними, жесткость которых меньше, чем у установленных в верхней части корпуса и на полом валу под радиально-упорными подшипниками качения или под нижним уплотнением соответствующих амортизаторов, обеспечивает при сжатии последних под воздействием продольных колебаний полого вала с долотом поджатие к перемещающимся при этом обоймам уплотнений, радиально-упорных подшипников качения и смазочной камеры других остающихся вне воздействия продольных колебаний деталей, тем самым предотвратить возникновение между ними временно несомкнутых щелей, в которые могут проникнуть абразивные частицы и нарушить герметичность уплотнений, смазочной камеры и радиально-упорных подшипников качения.

Образование на сопрягаемых с внутренней и внешней обоймами смазочной камеры поверхностях подвижного тороидального полого кольца под углом к ним не менее двух кольцевых гребешков с косыми радиальными надрезами, смещенными на соседних кольцевых гребешках относительно друг друга, позволяет снизить контактное давление подвижного тороидального полого кольца на сопрягаемые цилиндрические поверхности смазочной камеры, уменьшить трение, улучшить его подвижность в ней, тем самым повысить долговечность работы шпинделя.

Размещение внутри подвижного тороидального полого кольца тороидальной винтовой пружины дает возможность поджима ее витками его стенок к сопрягаемым поверхностям смазочной камеры по мере износа и обеспечить герметичность уплотнения в течение более длительного срока эксплуатации.

Образование на соединительной полумуфте правой винтовой лопасти с верхней частью, выполненной касательной к входному отверстию, позволяет предотвратить при бурении на сильно загрязненных или утяжеленных буровых растворах образование плотного, не пропускающего охлаждающий и смазывающий фильтрат к радиальным опорам скольжения осадка в пространстве между полым валом, корпусом и верхней радиальной опорой скольжения путем разрушения и транспортировки осадка винтовой лопастью к входному отверстию, тем самым предупредить износ и заклинивание радиальных опор.

В связи с тем, что из данной области техники не известна совокупность признаков, характеризующих предложенное изобретение, позволяет сделать вывод о том, что заявленное изобретение отвечает условию “новизна”.

Из изложенного выше следует, что изобретение отвечает и условию “изобретательский уровень”, так как не является очевидным для специалистов в данной отрасли промышленности.

На чертежах представлено: на фиг.1 изображен шпиндель, общий вид; фиг.2 - нижняя часть шпинделя с дополнительным дросселем; фиг.3 - шпиндель с радиальными опорами скольжения в виде дросселей и дополнительными амортизаторами в корпусе и на валу; фиг.4 - подвижное тороидальное полое кольцо с кольцевыми гребешками; фиг.5 - данное кольцо с размещенной в нем тороидальной винтовой пружиной; фиг.6 - верхняя часть шпинделя с соединительной полумуфтой и образованной на ней винтовой лопастью.

Шпиндель забойного двигателя (фиг.1) включает корпус 1 с ниппельной гайкой 2, полый вал 3, соединительную полумуфту 4 с входным отверстием 5, верхнюю 6 и нижнюю 7 радиальные опоры скольжения, гидравлически связанные друг с другом периферийными каналами 8, установленные между радиальными опорами скольжения верхнее 9 и нижнее 10 уплотнения, дроссель 11, радиально-упорные подшипники качения 12 и смазочную камеру 13 с внутренними 14 и внешними 15 обоймами, втулки 16 в корпусе и 17 на валу, регулировочные элементы, выполненные в виде амортизаторов 18 и 19, например, прорезных или тарельчатых пружин, одни из которых с наибольшей жесткостью установлены в верхней части корпуса над радиально-упорными подшипниками качения, другие с меньшей жесткостью размещены на полом валу под радиально-упорными подшипниками качения или под нижним уплотнением 10, установленным в смазочной камере в виде подвижного тороидального полого кольца. Периферийные каналы выполнены внутри внешних обойм уплотнений, радиально-упорных подшипников качения и смазочной камеры, дроссель установлен над верхней радиальной опорой скольжения.

Под нижней радиальной опорой скольжения 7 в ниппельной гайке 2 (фиг.2) может быть установлен дополнительный дроссель 20.

Дроссели могут быть образованы верхней 6 и нижней 7 радиальными опорами скольжения (фиг.3).

Шпиндель может быть снабжен дополнительными амортизаторами 21 и 22 (фиг.3), размещенными в корпусе под радиально-упорными подшипниками качения и на полом валу над радиально-упорными подшипниками качения, причем их жесткость меньше, например, в два раза, чем у соответствующих им амортизаторов, установленных в верхней части корпуса и под радиально-упорными подшипниками качения или под нижним уплотнением на полом валу.

На каждой из сопрягаемых с внутренними и внешними обоймами смазочной камеры поверхностей подвижного тороидального полого кольца могут быть образованы не менее двух кольцевых гребешков 23, в которых выполнены косые радиальные надрезы 24, смещенные относительно друг друга на соседних кольцевых гребешках (фиг.4).

Внутри подвижного тороидального полого кольца (фиг.5) может быть установлена тороидальная винтовая пружина 25.

На соединительной полумуфте 4 (фиг.6) может быть образована правая винтовая лопасть 26, верхняя часть которой выполнена касательной снизу к входному отверстию 5.

Шпиндель работает следующим образом. При спуске в скважину компоновки, содержащей шпиндель, радиально-упорные подшипники качения 12 и смазочная камера 13 которого предварительно заполнены смазкой, образовавшиеся при заполнении смазкой воздушные пузыри сжимаются при возрастании гидростатического давления, нижнее уплотнение 10, выполненное в виде подвижного тороидального полого кольца, перемещается вверх в смазочной камере, компенсируя изменение объема воздушных пузырей, выравнивая давление в ней и периферийных каналах 8. За счет такого выполнения нижнего уплотнения оно обладает повышенной эластичностью и упругостью, не создает высокого контактного давления на поверхностях внешних и внутренних обойм смазочной камеры, тем самым снижается трение между ними при сохранении требуемой герметичности.

При бурении основная часть потока бурового раствора течет через входное отверстие 5 соединительной полумуфты 4 и полый вал 3 к долоту, а остальная часть (5-6%) протекает через дроссель 11, верхнюю радиальную опору скольжения 6, периферийные каналы 8 к нижней радиальной опоре скольжения 7. При этом абразивные частицы твердой фазы раствора размерами 0,15 мм и более не пропускаются дросселем в опоры, циркулирующая по периферийным каналам жидкость с мелкими твердыми частицами и агрессивными химическими компонентами не попадает на внутренние поверхности корпуса 1 и в радиально-упорные подшипники качения 12. При ударах долота о забой скважины полый вал 3 перемещается вверх относительно корпуса, сжимая установленный на полом валу амортизатор 19, тем самым амортизируя небольшие ударные нагрузки. При более значительных ударных нагрузках амортизатор 19 полностью сжимается, перемещение полого вала передается через радиально-упорные подшипники качения 12, их внешние обоймы 15 на амортизатор 18, который гасит энергию удара, что обеспечивает долговечность и надежность работы шпинделя.

При использовании в шпинделе дополнительного дросселя 20, установленного в ниппельной гайке 2 и изображенного на фиг.2, снижаются потери бурового раствора, вытекающего через радиальные опоры скольжения шпинделя, количество попадающих в указанные опоры абразивных частиц, вследствие этого уменьшается износ, зашламовывание периферийных каналов, интенсивность агрессивного воздействия химически активных к металлу компонентов раствора и скважинной жидкости, поступающих в шпиндель при спуске в скважину.

При применении в шпинделе верхней и нижней радиальных опор скольжения, образующих собой дроссели (фиг.3), условия его работы существенно не меняются, но конструкция становится более компактной, упрощается техническое обслуживание, уменьшается общая длина поверхностей скольжения, что позволяет снизить вероятность возникновения перекосов и смещений их относительно друг друга при сборке устройства, тем самым увеличить продолжительность его работы.

За счет применения дополнительных амортизаторов 21 и 22 (фиг.3) с жесткостью меньшей, например, в два раза, чем у соответствующих им амортизаторов 18 и 19, и которые при сборке шпинделя обычно полностью сжимаются, при продольных перемещениях вверх относительно корпуса обеспечивается поджатие к перемещающимся при этом обоймам остающихся вне перемещения деталей, вследствие чего предотвращается образование между ними временно несомкнутых щелей, в которые могут попасть абразивные частицы, находящиеся в периферийных каналах, и нарушить герметичность уплотнений и подшипников.

При применении подвижного тороидального полого кольца (фиг.4) с образованными на каждой из сопрягаемых (взаимодействующих) с внутренними и внешними обоймами смазочной камеры поверхностях кольцевых гребешков 23 с косыми радиальными надрезами 24, смещенными на соседних кольцевых гребешках относительно друг друга, уменьшается контактное давление указанного кольца на сопрягаемые цилиндрические поверхности смазочной камеры, снижается трение, улучшается его подвижность в ней. В случае увеличения перепада давления на нижнем уплотнении выполненные под углом кольцевые гребешки расправляются, плотнее прилегают друг к другу и сопрягаемым поверхностям смазочной камеры. Изменение диаметральных размеров кольцевых гребешков компенсируется перемещением их отдельных элементов относительно друг друга по косым радиальным надрезам. Даже при случайной негерметичности кольцевых гребешков по косым радиальным надрезам за счет выполнения их смещенными относительно друг друга на соседних кольцевых гребешках и прижатия давлением их одного к другому обеспечивается герметичность нижнего уплотнения в смазочной камере.

При использовании тороидальной винтовой пружины 25 внутри подвижного тороидального полого кольца (фиг. 5) ее витки поджимают его стенки к сопрягаемым цилиндрическим поверхностям смазочной камеры, обеспечивая герметичность по мере износа взаимодействующих поверхностей указанных кольца и камеры, тем самым повышается надежность работы шпинделя.

При применении соединительной полумуфты 4 с правой винтовой лопастью 26 (фиг.6) накапливающиеся в процессе циркуляции сильно загрязненного бурового раствора на входе в верхнюю радиальную опору скольжения 6 или дроссель 11 (фиг.1) частицы твердой фазы подхватываются лопастью и переносятся к входному отверстию 5, где увлекаются потоком раствора и удаляются из шпинделя, предотвращая износ и заклинивание опоры.

Таким образом, средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в области бурения скважин, а именно в забойных двигателях. Для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью известных средств. Устройство, воплощающее заявленное изобретение, способно обеспечить достижение указанного выше технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “промышленная применимость”.

Источники информации

1. А.с. SU №1093779, кл. Е 21 В 4/00, 1983.

2. Патент RU №2057882, кл. Е 21 В 4/00, 1993 (прототип).

Изобретение относится к области бурения скважины, в частности, к забойным двигателям. Шпиндель включает корпус с ниппельной гайкой, полый вал с входным отверстием в соединительной полумуфте, верхнюю и нижнюю радиальные опоры скольжения, гидравлически связанные друг с другом периферийными каналами, установленные между радиальными опорами скольжения верхнее и нижнее уплотнения, дроссель, радиально-упорные подшипники качения и смазочную камеру с внутренними и внешними обоймами, регулировочные элементы в корпусе и на полом валу. Регулировочные элементы выполнены в виде амортизаторов, например, прорезных или тарельчатых пружин, одни из которых с наибольшей жесткостью установлены в верхней части корпуса над радиально-упорными подшипниками качения, другие с меньшей жесткостью - на полом валу под радиально-упорными подшипниками качения или под нижним уплотнением, размещенным в смазочной камере в виде подвижного тороидального полого кольца. Периферийные каналы выполнены внутри внешних обойм уплотнений, радиально-упорных подшипников качения и смазочной камеры. Дроссель установлен над верхней радиальной опорой скольжения. Изобретение обеспечивает повышение надежности, долговечности работы шпинделя. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Шпиндель забойного двигателя, включающий корпус с ниппельной гайкой, полый вал с входным отверстием в соединительной полумуфте, верхнюю и нижнюю радиальные опоры скольжения, гидравлически связанные друг с другом периферийными каналами, установленные между радиальными опорами скольжения верхнее и нижнее уплотнения, дроссель, радиально-упорные подшипники качения и смазочную камеру с внутренними и внешними обоймами, регулировочные элементы в корпусе и на полом валу, отличающийся тем, что регулировочные элементы выполнены в виде амортизаторов, например прорезных или тарельчатых пружин, одни из которых, с наибольшей жесткостью, установлены в верхней части корпуса над радиально-упорными подшипниками качения, другие, с меньшей жесткостью, - на полом валу под радиально-упорными подшипниками качения или под нижним уплотнением, размещенным в смазочной камере в виде подвижного тороидального полого кольца, при этом периферийные каналы выполнены внутри внешних обойм уплотнений, радиально-упорных подшипников качения и смазочной камеры, а дроссель установлен над верхней радиальной опорой скольжения.2. Шпиндель по п.1, отличающийся тем, что под нижней радиальной опорой скольжения в ниппельной гайке установлен дополнительный дроссель.3. Шпиндель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что дроссели образованы верхней и нижней радиальными опорами скольжения.4. Шпиндель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что снабжен дополнительными амортизаторами, размещенными в корпусе под радиально-упорными подшипниками качения и на полом валу над радиально-упорными подшипниками качения, причем их жесткость меньше, например, в два раза, чем у соответствующих им амортизаторов, установленных в верхней части корпуса и под радиально-упорными подшипниками качения или под нижним уплотнением на полом валу.5. Шпиндель по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что на сопрягаемых с внутренней и внешней обоймами смазочной камеры поверхностях подвижного тороидального полого кольца под углом к ним образовано не менее двух кольцевых гребешков, в которых выполнены косые радиальные надрезы, смещенные на соседних кольцевых гребешках относительно друг друга.6. Шпиндель по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что внутри подвижного тороидального полого кольца размещена тороидальная винтовая пружина.7. Шпиндель по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что на соединительной полумуфте образована правая винтовая лопасть, верхняя часть которой выполнена касательной снизу к входному отверстию.