РАДИАЛЬНАЯ ОПОРА ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2005 года по МПК E21B4/02 

Настоящее изобретение относится к буровой технике, в частности к конструкциям опор забойных двигателей, работающих в абразивной среде.

Известны конструкции радиальных опор забойных двигателей (турбобуров, винтовых двигателей), включающие размещенные в корпусе и на валу втулки, контактирующие между собой по цилиндрическим поверхностям, одна из которых может быть обрезинена, другая упрочнена (см. например, книгу: Добкин В.А., Никитин Г.М., Утробин А.А. «Обслуживание и ремонт гидравлических забойных двигателей». - М.: Недра, 1983, стр.29-30) или обе армированы твердосплавными материалами (см., например. Научно- технический журнал «Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море». - М.: ВНИИОЭНГ, №9, сентябрь 2003, стр.10).

Основным недостатком всех известных и широко используемых радиальных опор забойных двигателей наряду с недостаточной долговечностью является то, что при появлении радиального зазора в опоре в процессе ее износа управление траекторией ствола скважины особенно в наклонно-направленном и тем более при горизонтальном бурении становится сложным, а зачастую и невозможным.

Известна конструкция радиальной опоры забойного двигателя, принимаемая за прототип, в которой эта проблема частично решается благодаря тому, что в ней содержатся упорные кольца и обоймы, размещенные между валом и корпусом, упорные кольца выполнены с пазами, а обоймы подпружиненными, при этом между обоймами и валом установлены вкладыши с коническими наружными поверхностями, входящие торцовыми частями в пазы упорных колец и взаимодействующие с внутренними поверхностями обойм (см. авт. свид. СССР №832015, кл. Е 21 В 3/12, 20.07.77 г.).

При том, что в названной опоре выполняется функция компенсации радиального износа, она имеет ряд недостатков: 1) каждый из блоков опоры, состоящий из упорного кольца, вкладышей и подпружиненной обоймы, выполняя функцию компенсации износа, тем не менее не исключает возможности перекоса вала вместе с вкладышем, поскольку длина контактной поверхности вкладыша и обоймы ограничена; 2) при значительных величинах радиального износа контактных поверхностей вала и вкладыша осевое смещение обоймы по контактной конической поверхности вкладыша не обеспечивает плотности прилегания этих поверхностей, что усугубляет возможность перекосов вала и «заедания» контактных поверхностей; 3) наконец, в данной системе компенсирующей опоры при недостаточной базовой длине опоры центрирование вала может нарушаться.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее предполагаемое изобретение, является устранение указанных выше недостатков и создание такой радиальной опоры забойного двигателя, конструкция которой при работе в абразивной среде обеспечивала бы исключение перекосов вала вместе с вкладышами, плотность прилегания поверхностей вкладыша и обоймы и исключение возможности нарушения центрирования вала при обеспечении функции компенсации радиального износа взаимодействующих между собой поверхностей вкладышей и вала.

Решение технической задачи достигается тем, что радиальная опора забойного двигателя, включающего корпус и вал, выполнена в виде двух оппозитно расположенных блоков, между которыми установлена пружина, каждый из блоков содержит закрепленное в корпусе упорное кольцо, размещенные между валом и корпусом обойму с возможностью осевого перемещения и вкладыш, с конической наружной поверхностью, установленный между обоймой и валом с возможностью взаимодействия с внутренней конической поверхностью обоймы, при этом каждый блок содержит закрепленное в корпусе и выполненное в виде шлицевой втулки стопорное устройство, в котором с возможностью радиального перемещения размещен вкладыш, а упорные кольца выполнены с внутренними коническими поверхностями для взаимодействия с наружными коническими поверхностями вкладышей. Углы (α) при вершинах конусов конических поверхностей упорных колец, вкладышей и обойм находятся в следующем соотношении с коэффициентом трения (μ) материалов пар трения: упорные кольца - вкладыши, обоймы - вкладыши: tg(α/2)≈μ; взаимодействующая с поверхностью вала поверхность вкладышей выполнена с покрытием из эластомерного или твердосплавного материала.

Аналогичное решение достигается в варианте радиальной опоры забойного двигателя, включающего корпус и вал, выполненной в виде двух оппозитно расположенных блоков, между которыми установлена пружина, каждый из блоков содержит закрепленное в корпусе упорное кольцо, размещенные между валом и корпусом обойму с возможностью осевого перемещения и вкладыш, установленный между обоймой и валом с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью обоймы, при том, что каждый блок содержит закрепленное в корпусе и выполненное в виде шлицевой втулки стопорное устройство, в котором с возможностью радиального перемещения размещен вкладыш, а упорные кольца установлены с возможностью взаимодействия внутренней поверхностью с наружной поверхностью вкладышей. В варианте радиальной опоры взаимодействующие поверхности вкладышей, упорных колец и обоймы выполнены с наклонными к продольной оси вала под углом α/2 плоскими контактными участками; взаимодействующая с валом поверхность вкладышей выполнена с покрытием из эластомерного или твердосплавного материала.

Возможность осуществления заявляемого предлагаемого изобретения подтверждается успешным применением компенсирующей радиальной опоры (прототипа) при ее промышленном использовании на промыслах Татнефти в 70-х г.г., выявивших в то же время вышеперечисленные недостатки. Отличительные признаки, отраженные в формуле настоящего предлагаемого изобретения, могут быть реализованы с помощью средств, используемых в нефтяном машиностроении. Эти признаки необходимы и достаточны, поскольку обеспечивают решение поставленной задачи - создание такой радиальной опоры забойного двигателя, в которой при работе в абразивной среде исключаются перекосы и нарушения центрирования вала при компенсации радиального износа, что в целом повышает эксплуатационную надежность и долговечность забойного двигателя, особенно в глубоком наклонно-направленном и горизонтальном бурении.

В дальнейшем заявляемое настоящее предлагаемое изобретение поясняется примером его выполнения, схематически изображенного на прилагаемых фигурах, на которых:

фиг.1 - продольный разрез участка забойного двигателя с размещенной в нем радиальной опорой,

фиг.2 - поперечное сечение по стопорному устройству (шлицевой втулке) и вкладышам,

фиг.3 - аксонометрическое изображение варианта с плоскими контактными участками.

Радиальная опора забойного двигателя (фиг.1), размещенная в корпусе 1 и на валу 2, выполнена в виде двух оппозитно расположенных блоков, каждый из которых содержит: упорные кольца 3 и стопорные устройства 4, закрепленные в корпусе, например, путем осевого сжатия по торцам втулками 5, обоймы 6, размещенные между корпусом и валом, вкладыши 7, имеющие наружные конические поверхности 8, взаимодействующие с ответными внутренними коническими поверхностями 9 упорных колец 3 и 10 - обойм 6. Углы (α) при вершине конуса для конических поверхностей упорных колец 3, обойм 6 и вкладышей 7 выбираются из соотношения: tg(α/2)≈μ, где μ - коэффициенты трения для материалов пар трения: упорные кольца - вкладыш, вкладыш - обойма. Между обоймами 6 оппозитно расположенных блоков установлена пружина сжатия 11, для защиты которой от зашламления может использоваться свободно устанавливаемая втулка-протектор 12. Вкладыши 7 по внутренней цилиндрической поверхности 13 могут быть выполнены с эластомерным покрытием либо упрочнены твердым сплавом. Поверхности 13 вкладышей находятся в контакте с наружной цилиндрической поверхностью втулки 14 вала 2, которая также может быть упрочнена твердосплавным покрытием. Стопорные устройства 4, представляющие собой шлицевые втулки, оснащены шлицами 15 (фиг.2) или иными элементами аналогичного назначения, обеспечивающими наряду со стопорением от проворота свободу радиального и осевого перемещения установленных в них вкладышей 7.

В варианте исполнения опоры (фиг.3) взаимодействующие поверхности вкладышей 7, упорных колец 3 и обойм 6 выполнены неконическими, а с наклонными к продольной оси плоскими контактными участками 16. Углы (α/2) наклона этих поверхностей к оси также выбираются из соотношения: tg(α/2)≈μ.

Оппозитно расположенные блоки в обоих вариантах опоры, состоящие из вышеперечисленных элементов, разделены проставочной (дистанционной) втулкой 17, включенной в общую систему зажимаемых по оси в корпусе 1 деталей 3, 4 и 5 радиальной опоры.

Радиальная опора забойного двигателя работает следующим образом.

Пружина 11 осуществляет постоянное прижатие обойм 6 к вкладышам 7, которые, имея с противоположной стороны контакт по конической поверхности с упорными кольцами 3, прижаты к валу 2. Сила прижатия, определяемая углом наклона α/2 взаимодействующих поверхностей (8 и 9, 8 и 10) и усилием пружины 11, выбирается исходя из допустимого значения контактного давления в паре трения поверхностей 13 и 14, являясь исходной величиной для выбора характеристики пружины 11 и угла α. При появлении радиального зазора (износ) в паре трения поверхностей 13 и 14 под действием пружины 11 обоймы 6 смещаются в осевом направлении, так как конические поверхности обойм 6 и упорных колец 3, взаимодействуя с ответными поверхностями вкладышей 7, вызывают радиальное перемещение вкладышей 7 в шлицах 15 стопорных устройств - шлицевых втулок 4 в направлении вала 2. В результате происходит ликвидация радиального зазора, т.е. компенсация износа контактирующих поверхностей радиальной опоры и сохранение центрирования вала забойного двигателя.

При перемещении вкладышей 7 по коническим поверхностям упорных колец 3 и обойм 6 по коническим поверхностям вкладышей 7 полное прилегание контактирующих конических поверхностей имеет место лишь в начальный момент, а затем контакт осуществляется по концевым кромкам, однако это практически не влияет на эффект компенсации радиального люфта, так как при возникновении повышенных удельных нагрузок на концевых кромках они прирабатываются и прилегание по коническим поверхностям восстанавливается.

В варианте выполнения поверхностей, по которым взаимодействуют вкладыши 7 с упорными кольцами 3 и обоймами 6, с плоскими контактными участками, наклоненными к оси под углом (α/2), смещение обойм 6 и вкладышей 7 в осевом направлении не приводит к размыканию контакта этих поверхностей, что позволяет повысить твердость и, следовательно, износостойкость этих поверхностей.

Выбор угла α в обоих вышеописанных вариантах исполнения радиальной опоры таким, что tg(α/2)≈μ, исключает децентрирование вала при возникновении внешних радиальных нагрузок, действующих на вал забойного двигателя, т.е. невозможность отжатия вкладышей в радиальном направлении, так как их перемещение по наклонной поверхности (конической или плоской) под действием радиальной нагрузки при «угле трения», близком к коэффициенту трения, не произойдет. В свою очередь, при появлении радиального зазора в результате износа пары трения: вкладыш - вал, компенсация (т.е. устранение) этого зазора осуществляется за счет осевого перемещения обойм по наклонным поверхностям (конической или плоской) под действием пружины, усиливаемым также и вибрацией забойного двигателя.

Расположение наружных конических (или плоских наклонных) поверхностей вкладыша 7 по обоим его концам при взаимодействии с сопряженными поверхностями упорных колец 3 и обойм 6 обеспечивает надежное центрирование, исключение перекоса вкладышей и их равномерное радиальное перемещение для компенсации радиального износа поверхностей трения радиальной опоры.

Выбор осевой длины дистанционной втулки 17 принципиально ничем не ограничивается, поэтому база радиальной опоры может быть задана исходя из конструктивных требований надежного центрирования его вала.

Описанная выше радиальная опора забойного двигателя применима в узлах конструкций турбобуров, винтовых забойных двигателей и других машинах аналогичного назначения, в которых возникновение радиального зазора в результате износа радиальных опор снижает не только работоспособность двигателя, но и приводит к существенному отклонению от технологических требований проводки ствола скважины, особенно в условиях направленного бурения (наклонно-направленных и горизонтальных скважин).

Предложенная опора применима и в других отраслях техники, где имеются сходные требования.

Настоящее изобретение относится к буровой технике, в частности к конструкциям опор забойных двигателей, работающих в абразивной среде. Радиальная опора забойного двигателя, включающего корпус и вал, содержит упорные кольца, закрепленные в корпусе, и подпружиненные обоймы, размещенные между валом и корпусом, причем между обоймами и валом установлены взаимодействующие с валом вкладыши с коническими наружными поверхностями, взаимодействующие с внутренними поверхностями обойм, при этом характерной особенностью радиальной опоры является то, что она выполнена в виде двух оппозитно расположенных блоков, между которыми установлена пружина сжатия и при этом каждый блок содержит закрепленное в корпусе стопорное устройство, выполненное в виде шлицевой втулки, в которой с возможностью радиального перемещения размещены вкладыши, а упорные кольца выполнены с коническими поверхностями, взаимодействующими с наружными поверхностями вкладышей. В радиальной опоре углы при вершинах конусов (α) взаимодействующих между собой конических поверхностей вкладышей, упорных колец и обойм находятся в следующем соотношении с коэффициентами трения (μ) взаимодействующих поверхностей трения: tg(α/2)≈μ; поверхности вкладышей, взаимодействующие с поверхностью вала, могут быть выполнены с покрытием из эластомерного или твердосплавного материала; взаимодействующие поверхности вкладышей, упорных колец и обойм могут быть выполнены с наклонными к продольной оси вала под углом (α/2) плоскими контактными участками (второй вариант). Изобретение обеспечивает повышение надежности работы опоры. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Радиальная опора забойного двигателя, включающего корпус и вал, выполненная в виде двух оппозитно расположенных блоков, между которыми установлена пружина, каждый из блоков содержит закрепленное в корпусе упорное кольцо, размещенные между валом и корпусом обойму с возможностью осевого перемещения и вкладыш с конической наружной поверхностью, установленный между обоймой и валом с возможностью взаимодействия с внутренней конической поверхностью обоймы, отличающаяся тем, что каждый блок содержит закрепленное в корпусе, выполненное в виде шлицевой втулки стопорное устройство, в котором с возможностью радиального перемещения размещен вкладыш, а упорные кольца выполнены с внутренними коническими поверхностями для взаимодействия с наружными коническими поверхностями вкладышей.2. Радиальная опора по п.1, отличающаяся тем, что углы α при вершинах конусов конических поверхностей упорных колец, вкладышей и обойм находятся в следующем соотношении с коэффициентом трения μ материалов пар трения: упорные кольца-вкладыши, обоймы-вкладыши: tgα/2≈μ3. Радиальная опора по п.1, отличающаяся тем, что взаимодействующая с валом поверхность вкладышей выполнена с покрытием из эластомерного или твердосплавного материала.4. Радиальная опора забойного двигателя, включающего корпус и вал, выполненная в виде двух оппозитно расположенных блоков, между которыми установлена пружина, каждый блок содержит закрепленное в корпусе упорное кольцо, размещенные между валом и корпусом обойму с возможностью осевого перемещения и вкладыш, установленный между обоймой и валом с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью обоймы, отличающаяся тем, что каждый блок содержит закрепленное в корпусе, выполненное в виде шлицевой втулки стопорное устройство, в котором с возможностью радиального перемещения размещен вкладыш, а упорные кольца установлены с возможностью взаимодействия внутренней поверхностью с наружной поверхностью вкладышей.5. Радиальная опора по п.4, отличающаяся тем, что взаимодействующие поверхности вкладышей, упорных колец и обойм выполнены с наклонными к продольной оси вала под углом α/2 плоскими контактными участками.6. Радиальная опора по п.4, отличающаяся тем, что взаимодействующая с валом поверхность вкладышей выполнена с покрытием из эластомерного или твердосплавного материала.