ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2007 года по МПК E21B4/02 

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

Известен винтовой забойный двигатель для наклонно направленного бурения, включающий двигательную секцию, ротор и торсион, которые 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 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 близким к заявляемой конструкции является героторный гидравлический двигатель [2], 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.

Недостатком известного изобретения является большее расстояние от долота до нижней радиальной опоры, что отрицательно сказывается на долговечности опорного узла, а также на точности проходки скважины вследствие возникновения реактивного изгибающего момента от усилий резания, возникающих на долоте.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении точности проводки, повышении долговечности и, как следствие, снижении аварийности за счет оптимального расположения нижней радиальной опоры за счет увеличения площади контакта упорной поверхности опорной части муфты и центратора со стенками скважины.

Другой технической задачей является снижение вероятности безвозвратной потери долота или гидравлического забойного двигателя (ГЗД) на забое и улучшение эксплуатационных показателей ГЗД за счет конструкции противоаварийных устройств.

Решение поставленной задачи заключается в том, что гидравлический забойный двигатель, содержащий полый корпус, размещенный внутри него героторный механизм, включающий соосно расположенный в корпусе статор и установленный внутри статора ротор, а также шпиндельную секцию, включающий вал с осевым подшипником, размещенный в верхней и нижней радиальных опорах, состоящих из наружной и внутренней втулок и размещенных в корпусе шпиндельной секции, соединенной на входе приводным валом с ротором, а на выходе - нижним переводником с долотом, регулируемый переводник, установленный между героторным механизмом и корпусом шпиндельной секции, согласно изобретения двигатель снабжен верхним противоаварийым устройством, состоящим из вала, упора и гайки, и нижним противоаварийным устройством, выполненным в виде фигурной втулки, при этом верхнее противоаварийное устройство соединено с ротором героторного механизма, а нижнее противоаварийное устройство установлено на валу шпиндельной секции и расположено между внутренней втулкой нижней радиальной опоры и осевым подшипником, причем регулируемый переводник установлен с возможностью изменения угла наклона осей шпиндельной секции и статора героторного механизма таким образом, что опорная часть муфты регулируемого переводника выполнена под острым углом к оси двигателя, не превышающим 3 градуса, вал шпиндельной секции имеет окружной бурт, а фигурная втулка - внутренний и наружный окружные бурты, при этом окружной бурт вала шпиндельной секции и внутренний бурт фигурной втулки выполнены в виде винтовой нарезки с направлением, обратным вращению вала шпиндельной секции, с возможностью упора окружного бурта вала шпиндельной секции во внутренний бурт фигурной втулки, а наружный бурт фигурной втулки упирается в упорный торец нижнего переводника, при этом наружная втулка нижней радиальной опоры крепится непосредственно к корпусу нижнего переводника таким образом, что крайние торцовые поверхности радиальной опоры и корпуса нижнего переводника совпадают.

Кроме того, в гидравлическом забойном двигателе на наружной поверхности корпуса шпиндельной секции расположена резьба для установки сменного центратора.

Кроме того, в гидравлическом забойном двигателе в роторе и в верхнем противоаварийном устройстве выполнены отверстия для перетока части жидкости.

На фиг.1 изображен общий вид ГЗД.

На фиг.2 - верхнее противоаварийное устройство.

На фиг.3 - муфта.

На фиг.4 - втулка.

Показанный на фиг.1, 2 гидравлический забойный двигатель ГЗД 1 содержит полый корпус 2, внутри полого корпуса размещен героторный механизм 3, включающий соосно расположенный статор 4 и установленный внутри статора ротор 5, а также шпиндельную секцию 6, включающую вал 7 шпиндельной секции 6, размещенный в верхней 8 и нижней 9 радиальных опорах. Вал 7 шпиндельной секции 6 соединенную на входе приводным валом 10 с ротором 5, а на выходе с долотом (на фигурах не показан).

Ротор 5 героторного механизма содержит верхнее противоаварийное устройство 11 (фиг.2), состоящее из вала 12, упора 13 и гайки 14.

На наружной поверхности корпуса шпиндельной секции 6 расположена резьба 16 для установки сменного центратора 17.

Муфта 18 регулируемого переводника 15, показанная на фиг.3, имеет опорную часть 19, выполненную под острым углом α к оси двигателя.

На валу 7 шпиндельной секции 6 имеется нижнее противоаварийное устройство 20. Верхняя 8 и нижняя 9 радиальные опоры размещены в корпусе 21 шпиндельной секции 6. Вал 7 шпиндельной секции 6 размещен в верхней 8 и нижней 9 радиальных опорах, состоящих из наружной 22 и внутренней втулок 23. Нижнее противоаварийное устройство 20 выполнено в виде фигурной втулки 24. Вал 7 шпиндельной секции 6 имеет окружной бурт 25, расположенный в расточке 26 фигурной втулки 24. Фигурная втулка 24 имеет внутренний 27 и наружный 28 окружные бурты, которые предотвращают выпадение вала 7 шпиндельной секции в случае его поломки. Внутренний бурт 27 упирается в окружной бурт 25 вала 7 шпиндельной секции 6, а наружный бурт 28 в упорный торец 29 нижнего переводника нижней радиальной опоры 9.

Регулируемый переводник 15 установлен между героторным механизмом 3 и корпусом 21 шпиндельной секции 6.

Окружной бурт 25 на валу 7 шпиндельной секции 6 и внутренний бурт 27 на фигурной втулке 24 выполнены в виде винтовой нарезки с направлением, обратным вращению вала 7 шпиндельной секции 6. Наружная втулка 22 нижней радиальной опоры 9 крепится непосредственно к корпусу 30 нижнего переводника таким образом, что крайние торцовые поверхности 31, 32 нижней радиальной опоры 9 и корпуса 30 нижнего переводника совпадают.

В роторе 5 и в верхнем противоаварийном устройстве 11 выполнены отверстия а и b (фиг.1, 2) для перетока части жидкости.

ГЗД работает следующим образом.

Рабочая жидкость под давлением 20-70 кг/см² по колонне буровых труб подается в проточные винтовые каналы между ротором и статором. 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 крутящий момент вызывает его планетарное движение относительно статора, которое при помощи приводного вала 10 преобразуется во вращательное движение вала шпинделя, втулки, долота.

Рабочая жидкость на выходе из двигателя направляется внутрь полого вала 7 шпиндельной секции 6 к долоту, где она размывает породу при бурении скважины. На забое скважины давление повышенное.

Часть рабочей жидкости, минуя внутреннюю полость вала шпиндельной секции, проходит через зазоры в радиальных опорах 8, 9 и осевого подшипника 35 (например, шарикоподшипника), тем самым осуществляя смазку и охлаждение.

В отличие от прототипа наличие в предлагаемом изобретении верхнего противоаварийного устройства, состоящего из вала 12, упора 13 и гайки 14, обеспечивает возможность извлечения ГЗД при различных вариантах поломок резьбовых соединений двигателя, например, при отвороте резьбы либо при сломе муфты или ниппеля резьбы в опасной зоне.

Верхнее противоаварийное устройство обеспечивает надежную фиксацию ротора в случае извлечения ГЗД из скважины даже при нарушении целостности ГЗД.

Нижнее противоаварийное устройство предотвращает выпадение вала шпиндельной секции в случае поломки в наиболее опасных зонах.

Нижнее противоаварийное устройство выполнено в виде фигурной втулки 24. Фигурная втулка имеет внутренний а и наружный b окружные бурты, которые предотвращают выпадение вала в случае его поломки. Внутренний бурт а упирается в окружной бурт вала шпиндельной секции, а наружный бурт b - в упорный торец нижнего переводника. Для обеспечения сборки на бурте вала шпиндельной секции и фигурной втулки выполнена винтовая нарезка с направлением, обратным вращению вала шпиндельной секции.

Регулируемый переводник 15 установлен между секцией рабочих органов и корпусом шпиндельной секции с возможностью изменения угла наклона осей шпинделя и статора, что обеспечивает при необходимости управление изменением пространственного расположения ствола бурящейся скважины. Искривление осей ГЗД двигателя осуществляется путем изменения взаимного расположения деталей регулируемого переводника 15.

Для работы двигателя на больших расходах жидкости обеспечен переток части жидкости через внутреннюю полость ротора за счет отверстий а в роторе и b в верхнем противоаварийном устройстве для перетока части жидкости, которая при необходимости может быть не задействована исходя из технологических условий работы.

В прототипе между долотом и валом шпиндельной секции установлен дополнительный переводник, также внизу между долотом и нижней радиальной опорой размещено нижнее противоаварийное устройство в виде окружного бурта, что существенно увеличивает расстояние от долота до нижней радиальной опоры.

В отличие от регулируемого переводника прототипа, в котором имеется муфта, но без специально выделенной опорной части, в предлагаемом изобретении в регулируемом переводнике размещена муфта, опорная часть которой скошена, т.е. выполнена под острым углом к оси двигателя, не превышающим 3°.

При превышении острого угла более чем на 3° контакт двигателя со скважиной будет проходить по верхней кромке, так как верхняя кромка сильно выступает и не вписывается в требуемый проходной диаметр для условия вписываемости компоновки двигателя в траекторию ствола скважины.

Упорная поверхность опорной части муфты регулируемого переводника упрочнена твердосплавным материалом - армирована. Армированная опорная часть муфты регулируемого переводника выполнена под углом для распределения зоны контакта абразивного износа на всю поверхность опорной части, выполненной армированной. За счет этого долговечность повышается, поскольку стойкость к износу увеличена, так как увеличивается площадь контакта регулируемого переводника.

ГЗД используется с оптимальным углом наклона опорной части муфты.

В отличие от прототипа на валу шпиндельной секции между нижней радиальной опорой и осевым подшипником установлена фигурная втулка, а вал шпиндельной секции имеет окружной бурт, расположенный в расточке втулки, причем бурт на валу шпиндельной секции и фигурной втулке выполнен в виде винтовой нарезки с направлением, обратным вращению вала шпиндельной секции, наружная втулка радиальной опоры кренится непосредственно к корпусу нижнего переводника.

Нижняя радиальная опора размещена максимально близко к долоту, непосредственно у резьбового соединения вала с долотом, что уменьшает возникновение реактивного изгибающего момента от усилий резания, что приводит к повышению точности проводки скважины, а соответственно к повышению долговечности опорного узла ГЗД, т.е. нижней радиальной опоры.

Сменный центратор размещен на корпусе шпиндельной секции.

Нижний переводник позволяет менять угол наклона осей шпинделя и статора героторного механизма.

Предлагаемое изобретение с предложенной совокупностью признаков повышает точность проводки скважины, увеличивает долговечность узлов ГЗД, а также улучшает эксплуатационные показатели ГЗД и снижает безвозвратные потери долота и ГЗД.

Источники информации

1. RU, патент 2081986, кл. 6 Е21В 4/02, 1993.

2. RU, патент 2162162, кл. 7 Е21В 4/02, Е21В 7/08, 2001.

Изобретение относится к гидравлическим забойным двигателям. Обеспечивает повышение точности проводки, повышение долговечности, снижение аварийности и улучшение эксплуатационных показателей. Двигатель содержит полый корпус, размещенный внутри него героторный механизм, включающий соосно расположенный в корпусе статор и установленный внутри него ротор, шпиндельную секцию, включающую вал с осевым подшипником, размещенный в верхней и нижней радиальных опорах, состоящих из наружной и внутренней втулок и размещеных в корпусе шпиндельной секции, соединенный на входе приводным валом с ротором, а на выходе - нижним переводником с долотом, регулируемый переводник, установленный между героторным механизмом и корпусом шпиндельной секции. Двигатель снабжен верхним противоаварийным устройством, состоящим из вала, упора и гайки, и нижним противоаварийным устройством в виде фигурной втулки. Верхнее противоаварийное устройство соединено с ротором, а нижнее противоаварийное устройство установлено на валу шпиндельной секции и расположено между внутренней втулкой нижней радиальной опоры и осевым подшипником. Регулируемый переводник установлен с возможностью изменения угла наклона осей шпиндельной секции и статора так, что опорная часть муфты регулируемого переводника выполнена под острым углом к оси двигателя, не превышающим 3 градуса. Вал шпиндельной секции имеет окружной бурт, а фигурная втулка - внутренний и наружный окружные бурты. Окружной бурт вала шпиндельной секции и внутренний бурт фигурной втулки выполнены в виде винтовой нарезки с направлением, обратным вращению вала шпиндельной секции, с возможностью упора окружного бурта вала шпиндельной секции во внутренний бурт фигурной втулки, а наружный бурт фигурной втулки упирается в упорный торец нижнего переводника. Наружная втулка нижней радиальной опоры крепится непосредственно к корпусу нижнего переводника так, что крайние торцовые поверхности радиальной опоры и корпуса нижнего переводника совпадают. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Гидравлический забойный двигатель, содержащий полый корпус, размещенный внутри него героторный механизм, включающий соосно расположенный в корпусе статор и установленный внутри статора ротор, а также шпиндельную секцию, включающую вал с осевым подшипником, размещенный в верхней и нижней радиальных опорах, состоящих из наружной и внутренней втулок и размещенных в корпусе шпиндельной секции, соединенный на входе приводным валом с ротором, а на выходе - нижним переводником с долотом, регулируемый переводник, установленный между героторным механизмом и корпусом шпиндельной секции, отличающийся тем, что двигатель снабжен верхним противоаварийным устройством, состоящим из вала, упора и гайки, и нижним противоаварийным устройством, выполненным в виде фигурной втулки, при этом верхнее противоаварийное устройство соединено с ротором героторного механизма, а нижнее противоаварийное устройство установлено на валу шпиндельной секции и расположено между внутренней втулкой нижней радиальной опоры и осевым подшипником, причем регулируемый переводник установлен с возможностью изменения угла наклона осей шпиндельной секции и статора героторного механизма таким образом, что опорная часть муфты регулируемого переводника выполнена под острым углом к оси двигателя, не превышающем 3°, вал шпиндельной секции имеет окружной бурт, а фигурная втулка - внутренний и наружный окружные бурты, при этом окружной бурт вала шпиндельной секции и внутренний бурт фигурной втулки выполнены в виде винтовой нарезки с направлением, обратным вращению вала шпиндельной секции, с возможностью упора окружного бурта вала шпиндельной секции во внутренний бурт фигурной втулки, а наружный бурт фигурной втулки упирается в упорный торец нижнего переводника, при этом наружная втулка нижней радиальной опоры крепится непосредственно к корпусу нижнего переводника таким образом, что крайние торцовые поверхности радиальной опоры и корпуса нижнего переводника совпадают.2. Гидравлический забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что на наружной поверхности корпуса шпиндельной секции расположена резьба для установки сменного центратора.3. Гидравлический забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что в роторе и в верхнем противоаварийном устройстве выполнены отверстия для перетока части жидкости.