ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2009 года по МПК E21B4/00 

Изобретение относится к гидравлическим приводам для вращательного бурения, размещаемым в скважинах, а именно к нижним радиальным опорам скольжения шпиндельных секций, и может быть использовано в гидравлических героторных винтовых двигателях и турбобурах для бурения наклонных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин.

Известен гидравлический забойный двигатель с алмазной опорой скольжения, содержащий корпус двигателя с размещенным внутри него ротором, вращение которого осуществляется насосной подачей текучей среды, а также корпус шпинделя с размещенным внутри него валом, установленным на радиальных и осевой опорах скольжения, вал шпинделя соединен приводным валом с ротором двигателя и скреплен с долотом, при этом часть текучей среды прокачивается через радиальные и осевую опоры скольжения, а осевая опора шпинделя выполнена в виде двух пар роторных и статорных колец с закрепленным в каждом из них кольцевым рядом упорных модулей, статорные кольца скреплены с корпусом шпинделя, роторные кольца скреплены с валом шпинделя, а каждый упорный модуль содержит слой поликристаллических алмазов на торце, обращенном к торцам смежных модулей, и поочередно контактирует с одним или двумя торцами смежных модулей (US 4620601, Nov.4, 1986).

В известной конструкции резьбовое соединение 37 ниппеля 38 и корпуса шпинделя 35, а именно плоскости сечения корпуса шпинделя 35 по впадине первого сопряженного витка резьбы 37 ниппеля 38, а также плоскости сечения ниппеля 38 по впадине первого сопряженного витка резьбы 37 корпуса шпинделя 35, расположены консольно на одном краю рабочей поверхности радиальной (твердосплавной) нижней опоры скольжения 143, 144 со стороны долота 150.

Недостатком известной конструкции является выполнение вала шпинделя без ловильного бурта, а ниппеля без ловильного пояса, что исключает возможность подъема из наклонно направленных и горизонтальных скважин (с колонной бурильных труб) шпинделя с долотом при разрушении вала шпинделя, при этом расстояние от долота до резьбового соединения ниппеля с корпусом шпинделя (длина нижнего плеча) увеличивается за счет того, что место под резьбой для размещения радиальной опоры скольжения не используется.

Известен винтовой забойный двигатель, содержащий шпиндель с осевыми и радиальными опорами и двигательную секцию, установленная в нижней части шпинделя радиальная опора выполнена комбинированной, включающей опору скольжения с жесткими рабочими поверхностями и упругую опору скольжения с рабочими поверхностями, одна из которых выполнена из металла, а другая с элементом из упругоэластичного материала, при этом опора скольжения с жесткими рабочими поверхностями установлена выше упругой опоры скольжения, длина рабочих поверхностей упругой опоры скольжения не менее чем в 1,5 раза больше длины рабочих поверхностей жесткой опоры скольжения, радиальный зазор в сопряжении рабочих поверхностей упругой опоры скольжения равен или меньше радиального зазора в сопряжении рабочих поверхностей жесткой опоры скольжения (RU 2241106, Е21В 4/02, 2004.11.27).

Недостатками известного двигателя являются увеличенные осевые габариты шпинделя и расположение центратора 22 с большим "вылетом" относительно резьбового соединения корпуса шпинделя 9 и упругой опоры скольжения 13, что снижает прочность резьбового соединения корпуса шпинделя с ниппелем в условиях трения и вращения компоновки низа бурильной колонны в стволе скважины, с использованием в колонне бурильных труб гидравлических ясов, а также снижает проходимость, т.е. повышает сопротивления и напряжения в компоновке низа бурильной колонны при прохождении через радиусные участки ствола скважины, имеющие участки малого и среднего радиуса 30…300 м.

Размещение упругой радиальной опоры ниже радиальной опоры с жесткими элементами приводит к увеличенному изгибу вала шпинделя и не позволяет удерживать параметры кривизны ствола скважины в заданных пределах.

Известен винтовой забойный двигатель, содержащий одну или несколько двигательных секций, каждая из которых содержит полый трубчатый корпус, закрепленную в корпусе обкладку из эластомера с внутренними винтовыми зубьями и установленный внутри обкладки ротор с наружными винтовыми зубьями, а также шпиндельный узел, содержащий корпусные элементы и выходной вал, элементы соединения, соединяющие ротор двигательной секции и выходной вал шпиндельного узла и (или) роторы двигательных секций, переводник, соединяющий корпус двигательной секции и корпус шпиндельного узла и (или) корпусы двигательных секций (RU 2241107, 2004.11.27).

В известной конструкции двигателя переводник выполнен в виде полого металлического цилиндра и имеет две присоединительные зоны L1 и L2, которые находятся на концах переводника и обеспечивают соединение корпуса двигательной секции с корпусным элементом опорного узла и (или) корпусов двигательных секций, и находящуюся между ними в средней части переводника зону пониженной жесткости на изгиб L, при этом толщина стенок переводника в зоне пониженной жесткости на изгиб L меньше, чем толщина стенок переводника в присоединительных зонах L1 и L2, которая определяется разностью наружных и внутренних диаметров переводника.

В известной конструкции плоскости сечения корпуса шпинделя 4 по впадине первого сопряженного витка резьбы ниппеля, а также сечения ниппеля по впадине первого сопряженного витка резьбы корпуса шпинделя 4 расположены (в осевом направлении) вне рабочей поверхности радиальной опоры скольжения со стороны долота, что увеличивает осевые габариты шпинделя и расстояние от долота до рабочей поверхности радиальной опоры скольжения ("вылет" долота).

Недостатком известной конструкции является также выполнение вала шпинделя без ловильного бурта, а ниппеля без ловильного пояса, что исключает возможность подъема из наклонных и горизонтальных скважин (с колонной бурильных труб) шпинделя гидравлического забойного двигателя с долотом при разрушении резьбового соединения между шпинделем и переводником, не снижает аварийность и стоимость работ при бурении и капитальном ремонте нефтяных скважин.

Недостатком известной конструкции является также неполная возможность повышения точности проходки наклонных и горизонтальных скважин, повышения темпа набора параметров кривизны скважин, а также повышения проходимости, т.е. уменьшения сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны (героторного двигателя со шпинделем и долотом в изогнутой колонне бурильных труб) за счет уменьшения длины компоновки низа бурильной колонны при прохождении через радиусные участки ствола скважины, имеющие участки малого и среднего радиуса 30…300 м.

Это объясняется тем, что гибкий переводник, соединяющий трубчатый корпус двигательной секции, корпусной элемент и корпус опорного (шпиндельного) узла, увеличивает длину компоновки низа бурильной колонны для бурения горизонтальных скважин, что снижает проходимость, т.е. увеличивает сопротивление и напряжения в компоновке низа бурильной колонны героторного гидравлического двигателя со шпинделем и долотом в изогнутой колонне бурильных труб при прохождении через радиусные участки ствола скважины при горизонтальном бурении.

В компоновках низа бурильной колонны для бурения наклонных и горизонтальных скважин используют, например, регуляторы угла и реактивного момента забойного двигателя со шпинделем и долотом, которые предназначены для искривления траектории скважины (US 5343966, 06.09.1994; RU 2261318, 10.05.2005).

Наиболее близким к заявляемой конструкции является двигатель Д2-195, содержащий одну или несколько двигательных секций, включающих статор, состоящий из корпуса, закрепленную в корпусе обкладку из эластомера с внутренними винтовыми зубьями и размещенный внутри обкладки ротор с наружными винтовыми зубьями, находящимися в контакте с внутренними винтовыми зубьями обкладки, число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев обкладки, а также шпиндельную секцию, включающую корпусные элементы, вал, осевые и радиальные опоры, приводной вал, соединяющий ротор двигательной секции и вал шпиндельной секции, переводник, соединяющий статор двигательной секции и корпус шпиндельной секции, при этом диаметр ниппеля не превышает диаметр шпинделя, вал шпинделя выполнен с ловильным буртом, а ниппель выполнен с ловильным поясом (Балденко Д.Ф. и др. Винтовые забойные двигатели. - М.: Недра, 1999, с.35. УДК 622.24.05 (031), ББК 26.2).

В известном двигателе упругая радиальная опора со стороны наддолотного переводника 14 размещена внутри корпуса шпинделя 8 и закреплена втулкой регулировочной и ниппелем 13, а плоскости сечения корпуса шпинделя 8 по впадине первого сопряженного витка резьбы ниппеля 13, а также сечения ниппеля 13 по впадине первого сопряженного витка резьбы корпуса шпинделя 8 расположены (в осевом направлении) вне рабочей поверхности упругой радиальной опоры, что увеличивает длину шпинделя и расстояние от долота до рабочей поверхности радиальной опоры скольжения ("вылет" долота).

Недостатком известного двигателя является неполная возможность увеличения ресурса и надежности его шпиндельной секции за счет уменьшения длины шпинделя и "вылета" долота, уменьшения демпфирования и изгиба вала шпинделя в нижней радиальной опоре скольжения, повышения прочности резьбового соединения корпуса шпинделя с ниппелем в условиях трения и вращения компоновки низа бурильной колонны в стволе скважины с использованием в колонне бурильных труб гидравлических ясов с ударными нагрузками и ударными импульсами от ясов, а также при релаксации растягивающих напряжений в изогнутой колонне бурильных труб, в которой установлен гидравлический забойный двигатель.

Недостатком известного двигателя является также неполная возможность обеспечения первоначального радиального люфта вала в нижней радиальной опоре, повышения точности проходки наклонных и горизонтальных скважин, повышения темпа набора параметров кривизны скважин, а также повышения проходимости, т.е. уменьшения сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны за счет уменьшения демпфирования и изгиба вала шпинделя в нижней радиальной опоре скольжения, а также за счет уменьшения длины компоновки низа бурильной колонны при прохождении через радиусные участки ствола скважины, имеющие участки малого и среднего радиуса 30…300 м.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение ресурса и надежности шпинделя двигателя, обеспечение первоначального радиального люфта вала в нижней радиальной опоре скольжения, повышение точности проходки наклонных и горизонтальных скважин, повышение темпа набора параметров кривизны скважин, а также повышение проходимости, т.е. уменьшение сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны за счет уменьшения длины шпинделя и "вылета" долота, уменьшения демпфирования и изгиба вала шпинделя в нижней радиальной опоре скольжения, повышения прочности резьбового соединения корпуса шпинделя с ниппелем при прохождении через радиусные участки ствола скважины в условиях трения и вращения в стволе скважины с использованием в колонне бурильных труб гидравлических ясов с ударными нагрузками и ударными импульсами от ясов, а также при релаксации растягивающих напряжений в изогнутой колонне бурильных труб.

Этот технический результат достигается тем, что в гидравлическом забойном двигателе, содержащем корпус с размещенным внутри него ротором, вращение которого осуществляется насосной подачей текучей среды, корпус шпинделя с размещенным внутри него валом, установленным на осевой опоре, например на упорно-радиальных подшипниках, а также на верхней и нижней радиальных опорах скольжения, вал шпинделя соединен приводным валом с ротором и скреплен с долотом, корпусы двигателя и шпинделя скреплены резьбовым переводником, а нижняя радиальная опора шпинделя закреплена ниппелем, при этом корпус шпинделя и ниппель скреплены резьбой, например, конической, диаметры ниппеля и корпуса шпинделя выполнены одинаковыми, вал шпинделя выполнен с ловильным буртом, а ниппель выполнен с ловильным поясом, согласно изобретению плоскости сечения корпуса шпинделя по впадине первого сопряженного витка резьбы ниппеля, а также сечения ниппеля по впадине первого сопряженного витка резьбы корпуса шпинделя расположены в осевом направлении в пределах рабочей поверхности нижней радиальной опоры скольжения, соответственно от края нижней радиальной опоры, направленного к осевой опоре, а также от края нижней радиальной опоры, направленного к долоту, на расстоянии, по меньшей мере, равном суммарной толщине стенок корпуса шпинделя и ниппеля в их резьбовом соединении, при этом расстояние между краем рабочей поверхности нижней радиальной опоры и ближним краем осевой опоры равно, по меньшей мере, расстоянию между плоскостями сечения корпуса шпинделя по впадине первого сопряженного витка резьбы ниппеля и сечения ниппеля по впадине первого сопряженного витка резьбы корпуса шпинделя. Длина L рабочей поверхности нижней радиальной опоры скольжения и расстояние Т между плоскостями сечения корпуса шпинделя по впадине первого сопряженного витка резьбы ниппеля и сечения ниппеля по впадине первого сопряженного витка резьбы корпуса шпинделя связаны соотношением L=(1,45÷2,15)T. Момент инерции J_ш поперечного сечения корпуса шпинделя по впадине первого сопряженного витка резьбы ниппеля и момент инерции J_н поперечного сечения ниппеля по впадине первого сопряженного витка резьбы корпуса шпинделя связаны соотношением

J_ш=(1,95÷2,55)J_н. Диаметр Д ловильного бурта шпинделя и диаметр Д₁ ловильного пояса ниппеля связаны соотношением Д=Д₁+(0,035÷0,055)Д. Ниппель выполнен с резьбовым хвостовиком, направленным к долоту, на резьбовом хвостовике ниппеля установлена гайка, а между торцами ниппеля и гайки закреплено кольцо, при этом диаметры ниппеля, гайки и кольца не превышают диаметр корпуса шпинделя. Между торцами гайки и ниппеля закреплен сменный центратор, диаметр сменного центратора превышает диаметр ниппеля, гайки и корпуса шпинделя и не превышает диаметр долота, а кольцевая стенка центратора плотно охватывает ниппель и край корпуса шпинделя. Торец центратора расположен от контактирующих торцов корпуса шпинделя и ниппеля на расстоянии, по меньшей мере, равном суммарной толщине стенок корпуса шпинделя и ниппеля в их резьбовом соединении.

Выполнение гидравлического забойного двигателя таким образом, что плоскости сечения корпуса шпинделя по впадине первого сопряженного витка резьбы ниппеля, а также сечения ниппеля по впадине первого сопряженного витка резьбы корпуса шпинделя расположены в осевом направлении в пределах рабочей поверхности нижней радиальной опоры скольжения, соответственно от края нижней радиальной опоры, направленного к осевой опоре, а также от края нижней радиальной опоры, направленного к долоту, на расстоянии, по меньшей мере, равном суммарной толщине стенок корпуса шпинделя и ниппеля в их резьбовом соединении, при этом расстояние между краем рабочей поверхности нижней радиальной опоры и ближним краем осевой опоры равно, по меньшей мере, расстоянию между плоскостями сечения корпуса шпинделя по впадине первого сопряженного витка резьбы ниппеля и сечения ниппеля по впадине первого сопряженного витка резьбы корпуса шпинделя, уменьшает длину шпинделя и "вылет" долота, снижает максимальные значения поперечных напряжений, возникающих от действия изгибающих моментов долота на вал шпинделя при прохождении через радиусные участки ствола скважины, уменьшает вероятность разрушения (среза) вала шпинделя в зоне между осевой и нижней радиальной опорами шпинделя, увеличивает ресурс и надежность шпинделя двигателя, повышает точность проходки наклонных и горизонтальных скважин, повышает темп набора параметров кривизны скважин, а также повышает проходимость, т.е. уменьшает сопротивления и напряжения в компоновке низа бурильной колонны (забойного двигателя со шпинделем и долотом в изогнутой колонне бурильных труб).

Такое выполнение гидравлического забойного двигателя повышает прочность резьбового соединения корпуса шпинделя с ниппелем при прохождении через радиусные участки ствола скважины в условиях трения и вращения в стволе скважины с использованием в колонне бурильных труб гидравлических ясов с ударными нагрузками и ударными импульсами от ясов, а также при релаксации растягивающих напряжений в изогнутой колонне бурильных труб.

При использовании заявляемой конструкции обеспечивается также первоначальный радиальный люфт вала в нижней радиальной (твердосплавной) опоре скольжения, повышается темп набора параметров кривизны скважин, повышается проходимость, т.е. уменьшаются сопротивления и напряжения в компоновке низа бурильной колонны за счет уменьшения демпфирования и изгиба вала шпинделя относительно нижней радиальной опоры скольжения в корпусе шпинделя при прохождении через радиусные участки ствола скважины, имеющих участки малого и среднего радиуса 30…300 м, а также повышаются технико-экономические показатели бурения: увеличивается проходка скважины на рейс долота, уменьшается время простоя буровой установки.

В заявляемой конструкции за счет того, что длина L рабочей поверхности нижней радиальной опоры скольжения и расстояние Т между плоскостями сечения корпуса шпинделя по впадине первого сопряженного витка резьбы ниппеля и сечения ниппеля по впадине первого сопряженного витка резьбы корпуса шпинделя связаны соотношением L=(1,45÷2,15)Т, уменьшаются максимальные значения поперечных напряжений в резьбовом соединении (возникающих от изгиба вала шпинделя с долотом), уменьшается вероятность разрушения (среза) вала шпинделя в зоне между осевой и нижней радиальной опорами шпинделя.

Поперечные сечения корпуса шпинделя по впадине первого сопряженного витка резьбы ниппеля, а также ниппеля по впадине первого сопряженного витка резьбы корпуса шпинделя являются опасными и определяющими коэффициент напряжения при изгибе (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению) в местах стыка резьбовых соединений.

За счет того, что момент инерции J_ш поперечного сечения корпуса шпинделя по впадине первого сопряженного витка резьбы ниппеля и момент инерции J_н поперечного сечения ниппеля по впадине первого сопряженного витка резьбы корпуса шпинделя связаны соотношением J_ш=(1,95÷2,55)J_н, дополнительно повышается прочность резьбового соединения корпуса шпинделя с ниппелем при прохождении через радиусные участки ствола скважины в условиях трения и вращения в стволе скважины с использованием в колонне бурильных труб гидравлических ясов с ударными нагрузками и ударными импульсами от ясов, а также при релаксации растягивающих напряжений в изогнутой колонне бурильных труб, а также увеличивается точность проходки неоднородности забоя скважин за счет оптимальной осевой нагрузки на долото без потери устойчивости изогнутой колонны бурильных труб в наклонно направленных и горизонтальных участках скважины.

За счет того, что диаметр Д ловильного бурта шпинделя и диаметр Д₁ ловильного пояса ниппеля связаны соотношением Д=Д₁+(0,035÷0,055)Д, обеспечивается минимальное "перекрытие" ловильного пояса ниппеля над ловильным буртом шпинделя, надежное удержание оборванного вала шпинделя с долотом при заданных наружных диаметрах резьбового соединения корпуса шпинделя с ниппелем, обеспечивается в заданных габаритах момент инерции J_ш поперечного сечения корпуса шпинделя по впадине первого сопряженного витка резьбы ниппеля и момент инерции J_н поперечного сечения ниппеля по впадине первого сопряженного витка резьбы корпуса шпинделя, которые связаны соотношением J_ш=(1,95÷2,55)J_н, что дополнительно повышает прочность резьбового соединения корпуса шпинделя с ниппелем при прохождении через радиусные участки ствола скважины в условиях интенсивного трения и вращения в стволе скважины.

За счет того, что ниппель выполнен с резьбовым хвостовиком, направленным к долоту, на резьбовом хвостовике ниппеля установлена гайка, а между торцами ниппеля и гайки закреплено кольцо, при этом диаметры ниппеля, гайки и кольца не превышают диаметр корпуса шпинделя, обеспечивается быстрая замена кольца сменным центратором в вертикальном положении в хомутах (спайдерах) на буровой.

За счет того, что между торцами гайки и ниппеля закреплен сменный центратор, диаметр сменного центратора превышает диаметр ниппеля, гайки и корпуса шпинделя и не превышает диаметр долота, а кольцевая стенка центратора плотно охватывает ниппель и край корпуса шпинделя, при этом торец центратора расположен от контактирующих торцов корпуса шпинделя и ниппеля на расстоянии, по меньшей мере, равном суммарной толщине стенок корпуса шпинделя и ниппеля в их резьбовом соединении, уменьшается коэффициент напряжения при изгибе (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению) в местах стыка опасных при изгибе резьбовых соединений: корпуса шпинделя по впадине первого сопряженного витка резьбы ниппеля, а также ниппеля по впадине первого сопряженного витка резьбы корпуса шпинделя.

Этот технический результат обеспечивает использование долота одного диаметра в двух смежных размерах компоновки низа бурильной колонны, хотя увеличение наружного диаметра корпуса в нижней части шпинделя требует перехода на больший (соседний из ряда) диаметр долота.

Ниже представлен лучший вариант героторного винтового гидравлического двигателя ДРУ1-195РС.820 со шпинделем, регулятором угла и долотом для бурения наклонных и горизонтальных скважин.

На фиг.1 показан продольный разрез героторного винтового гидравлического двигателя со шпинделем, регулятором угла и долотом.

На фиг.2 показан элемент I на фиг.1 шпинделя.

На фиг.3 показан шпиндель с ниппелем, выполненным с резьбовым хвостовиком, направленным к долоту, кольцом и гайкой.

На фиг.4 показан шпиндель с ниппелем, выполненным с резьбовым хвостовиком, направленным к долоту, сменным центратором и гайкой, стенка центратора плотно охватывает ниппель и край корпуса шпинделя.

На фиг.5 показан разрез А-А на фиг.4 поперек сменного центратора.

Гидравлический забойный двигатель содержит корпус 1 с размещенным внутри него винтовым ротором 2, вращение которого осуществляется насосной подачей текучей среды 3, корпус шпинделя 4 с размещенным внутри него валом 5, установленным на осевой опоре 6, например на упорно-радиальных подшипниках, а также на верхней радиальной (упругой) опоре скольжения 7 и нижней радиальной (твердосплавной) опоре скольжения 8, вал шпинделя 5 соединен приводным валом 9 с винтовым ротором 2 и скреплен с долотом 10, например, при помощи переходника 11, при этом корпус двигателя 1 и корпус шпинделя 4 скреплены резьбовым переводником 12 с изогнутой центральной осью (регулятором угла), а нижняя радиальная опора скольжения 8 для вала шпинделя 5 закреплена ниппелем 13, при этом корпус шпинделя 4 и ниппель 13 скреплены конической резьбой 14, диаметры ниппеля 13 и корпуса шпинделя 4 выполнены одинаковыми, вал шпинделя 5 выполнен с ловильным буртом 15, а ниппель 4 выполнен с ловильным поясом 16, показано на фиг.1, 2.

Плоскости сечения 17 корпуса шпинделя 4 по впадине первого сопряженного витка резьбы 18 ниппеля 13, а также сечения 19 ниппеля 13 по впадине первого сопряженного витка резьбы 20 корпуса шпинделя 4 расположены в осевом направлении, вдоль оси 21 вала шпинделя 5, в пределах рабочей поверхности 22 нижней радиальной (твердосплавной) опоры скольжения 8, соответственно от края 23 нижней радиальной опоры 8, направленного к осевой опоре 6, а также от края 24 нижней радиальной опоры 8, направленного к долоту 10, на расстоянии 25 и соответственно 26, по меньшей мере, равном суммарной толщине 27 стенок корпуса шпинделя 4 и ниппеля 13 в их резьбовом соединении 8, показано на фиг.1, 2.

Расстояние 28 между краем рабочей поверхности 23 нижней радиальной опоры 8 и ближним краем 29 осевой опоры 6 равно, по меньшей мере, расстоянию 30, Т между плоскостями сечения 17 корпуса шпинделя 4 по впадине 18 первого сопряженного витка резьбы ниппеля 13 и сечения 19 ниппеля 13 по впадине первого сопряженного витка резьбы 20 корпуса шпинделя 4, показано на фиг.1, 2.

Длина 22, L рабочей поверхности нижней радиальной опоры скольжения 8 и расстояние 30, Т между плоскостями сечения 17 корпуса шпинделя 4 по впадине 18 первого сопряженного витка резьбы ниппеля 13 и сечения 19 ниппеля 13 по впадине 20 первого сопряженного витка резьбы корпуса шпинделя 4 связаны соотношением L=(1,45÷2,15)T, показано на фиг.2.

Момент инерции J_ш поперечного сечения корпуса шпинделя 4 (в плоскости 17) по впадине первого сопряженного витка резьбы 18 ниппеля 13 определяется по формуле

J_ш=(πd⁴/64)(1-с⁴)≈0,005d⁴(1-с⁴), где π=3,14159…, с=d₀/d, при этом d₀ - внутренний диаметр 31 в поперечном сечении корпуса шпинделя 4 по впадине первого сопряженного витка резьбы 18 ниппеля 13, а d - наружный диаметр 32 корпуса шпинделя 4, показано на фиг.2.

Момент инерции J_н поперечного сечения ниппеля 13 (в плоскости 19) по впадине первого сопряженного витка резьбы 20 корпуса шпинделя 4 определяется по формуле J_ш=(πd₂ ⁴/64)(1-n⁴)≈0,005d₂ ⁴(1-n⁴), где π=3,14159…, n=d₁/d₂, при этом d₁ - внутренний диаметр 33 поперечного сечения ниппеля 13 по впадине первого сопряженного витка резьбы 20 корпуса шпинделя 4, a d₂ - диаметр 34 сечения ниппеля 13 по впадине первого сопряженного витка резьбы 20 корпуса шпинделя 4, показано на фиг.2.

Момент инерции J_ш поперечного сечения (в плоскости 17) корпуса шпинделя 4 по впадине первого сопряженного витка резьбы 18 ниппеля 13 и момент инерции J_н поперечного сечения (в плоскости 19) ниппеля 13 по впадине первого сопряженного витка резьбы 20 корпуса шпинделя 4 связаны соотношением J_ш=(1,95÷2,55)J_н, показано на фиг.2.

Диаметр 35, Д ловильного бурта 15 шпинделя 5 и диаметр 36, Д₁ ловильного пояса 16 ниппеля 13 связаны соотношением Д=Д₁+(0,035÷0,055)Д, показано на фиг.2.

Ниппель 13 может быть выполнен с резьбовым хвостовиком 37, направленным к долоту 10, на резьбовом хвостовике 37 ниппеля 13 установлена гайка 38, а между торцами 39, 40 соответственно ниппеля 13 и гайки 38 закреплено кольцо 41, толщина кольца 41 обозначена 42, при этом диаметры гайки 38, ниппеля 13 и кольца 41 не превышают диаметр d, 32 шпинделя 4 (выполнены одинаковыми), показано на фиг.2, 3.

Между торцами 39, 40 соответственно ниппеля 13 и гайки 38 вместо кольца 41 может быть закреплен сменный центратор 42, при этом диаметр 43 сменного центратора 42 превышает диаметр d, 32 ниппеля 13, гайки 38 и корпуса шпинделя 4 и не превышает диаметр 44 долота 10, а кольцевая стенка 45 центратора 42 плотно охватывает ниппель 13 и край корпуса шпинделя 4 в плоскости 19 по впадине первого сопряженного витка резьбы 20 корпуса шпинделя 4, показано на фиг.3, 4, 5.

При этом торец 46 центратора 42 расположен от контактирующих торцов 47 корпуса шпинделя 4 и ниппеля 13 на расстоянии 48, по меньшей мере, равном суммарной толщине 27 стенок корпуса шпинделя 4 и ниппеля 13 в их резьбовом соединении, показано на фиг.3, 4, 5.

Гидравлический забойный двигатель работает следующим образом: поток бурового раствора 3 под давлением, например, 12…18 МПа по колонне бурильных труб подается в многозаходные винтовые (шлюзовые) камеры между зубьями ротора и зубьями обкладки из эластомера (поперечное сечение зубьев не показано) и образует область высокого давления и момент от гидравлических сил, который приводит в планетарно-роторное вращение ротор 2 внутри эластомерной обкладки, закрепленной в корпусе 1.

Винтовые (шлюзовые) многозаходные камеры между зубьями ротора 2 и зубьями эластомерной обкладки имеют переменный объем и периодически перемещаются по потоку бурового раствора 3, который имеет плотность до 1500 кг/м³, содержит до 2% песка и до 5% нефтепродуктов.

Планетарно-роторное вращение ротора 2 внутри обкладки корпуса 1 передает крутящий момент (в противоположном направлении) через приводной (карданный) вал 9, вал шпинделя 5, переходник 11 на долото 10, осуществляя бурение наклонных и горизонтальных скважин.

В режиме максимальной мощности частота вращения вала шпинделя 5 и долота 10 составляет (1,8…2,5) с^-1; момент силы на валу шпинделя 5 составляет (9…14) кН·м; перепад давления (межвиткового, на зубьях эластомерной обкладки корпуса 1) в режиме максимальной мощности составляет 12…18 МПа; максимальная осевая нагрузка (на долото) составляет 250 кН.

Выполнение нижней радиальной опоры скольжения гидравлического забойного двигателя таким образом, что плоскости сечения 17 корпуса шпинделя 4 по впадине первого сопряженного витка резьбы 18 ниппеля 13, а также сечения 19 ниппеля 13 по впадине первого сопряженного витка резьбы 20 корпуса шпинделя 4 расположены в осевом направлении, вдоль оси 21 вала шпинделя 5, в пределах рабочей поверхности 22 нижней радиальной опоры скольжения 8, соответственно от края 23 нижней радиальной опоры 8, направленного к осевой опоре 6, а также от края 24 нижней радиальной опоры 8, направленного к долоту 10, на расстоянии 25, 26, по меньшей мере, равном суммарной толщине 27 стенок корпуса шпинделя 4 и ниппеля 13 в их резьбовом соединении 8, обеспечивает первоначальный радиальный люфт вала шпинделя 5 в нижней радиальной опоре 8, уменьшает максимальные значения поперечных напряжений, возникающих вследствие изгибов вала шпинделя 5 с долотом 10, уменьшает вероятность разрушения (среза) вала шпинделя 5 в зоне между осевой и нижней радиальной опорой скольжения соответственно 6 и 8, повышает точность проходки наклонных и горизонтальных скважин, повышает темп набора параметров кривизны скважин, а также повышает проходимость, т.е. уменьшает сопротивления и напряжения в компоновке низа бурильной колонны за счет уменьшения длины шпинделя 5 и "вылета" долота 10, уменьшения демпфирования и изгиба вала шпинделя 5 в нижней радиальной опоре скольжения 8, повышения прочности резьбового соединения корпуса шпинделя 4 с ниппелем 13 при прохождении через радиусные участки ствола скважины, имеющие участки малого и среднего радиуса 30…300 м, с использованием в колонне бурильных труб гидравлических ясов с ударными нагрузками и ударными импульсами от ясов, а также при релаксации растягивающих напряжений в изогнутой колонне бурильных труб.

Значение коэффициента напряжения при изгибе (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению) при прохождении участков изменения кривизны наклонной скважины в поперечных сечениях: корпуса шпинделя 4 по впадине первого сопряженного витка резьбы 18 ниппеля 13, а также ниппеля 13 по впадине первого сопряженного витка резьбы 20 корпуса шпинделя 4, уменьшается и равно, по существу, (2,9…4,3), что повышает ресурс и надежность шпинделя при использовании двигателя в горизонтальных управляемых компоновках низа бурильной колонны на участках изменения кривизны наклонной скважины.

Изобретение относится к гидравлическим приводам для вращательного бурения, размещаемым в скважинах, а именно к нижним радиальным опорам скольжения шпиндельных секций, и может быть использовано в гидравлических героторных винтовых двигателях и турбобурах для бурения наклонных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин. Вал шпинделя гидравлического забойного двигателя соединен приводным валом с ротором и скреплен с долотом, корпусы двигателя и шпинделя скреплены резьбовым переводником, нижняя радиальная опора шпинделя закреплена ниппелем, связанным с корпусом шпинделя конической резьбой, диаметры ниппеля и корпуса шпинделя выполнены одинаковыми, вал шпинделя выполнен с ловильным буртом, а ниппель выполнен с ловильным поясом. Плоскости сечения корпуса шпинделя по впадине первого сопряженного витка резьбы ниппеля, а также сечения ниппеля по впадине первого сопряженного витка резьбы корпуса шпинделя расположены в осевом направлении в пределах рабочей поверхности нижней радиальной опоры скольжения, соответственно от края нижней радиальной опоры, направленного к осевой опоре, а также от края нижней радиальной опоры, направленного к долоту, на расстоянии, по меньшей мере, равном суммарной толщине стенок корпуса шпинделя и ниппеля в их резьбовом соединении, при этом расстояние между краем рабочей поверхности нижней радиальной опоры и ближним краем осевой опоры равно, по меньшей мере, расстоянию между плоскостями сечения корпуса шпинделя по впадине первого сопряженного витка резьбы ниппеля и сечения ниппеля по впадине первого сопряженного витка резьбы корпуса шпинделя. Увеличиваются ресурс и надежность шпинделя двигателя, повышается точность проходки наклонных и горизонтальных скважин, темп набора параметров кривизны скважин, уменьшаются сопротивления и напряжения в компоновке низа бурильной колонны за счет уменьшения длины шпинделя и "вылета" долота, повышается прочность резьбового соединения корпуса шпинделя с ниппелем при прохождении через радиусные участки ствола скважины в условиях трения и вращения в стволе скважины. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Гидравлический забойный двигатель, содержащий корпус с размещенным внутри него ротором, вращение которого осуществляется насосной подачей текучей среды, корпус шпинделя с размещенным внутри него валом, установленным на осевой опоре, например, на упорно-радиальных подшипниках, а также на верхней и нижней радиальных опорах скольжения, вал шпинделя соединен приводным валом с ротором и скреплен с долотом, корпусы двигателя и шпинделя скреплены резьбовым переводником, а нижняя радиальная опора шпинделя закреплена ниппелем, при этом корпус шпинделя и ниппель скреплены резьбой, например конической, диаметры ниппеля и корпуса шпинделя выполнены одинаковыми, вал шпинделя выполнен с ловильным буртом, а ниппель выполнен с ловильным поясом, отличающийся тем, что плоскости сечения корпуса шпинделя по впадине первого сопряженного витка резьбы ниппеля, а также сечения ниппеля по впадине первого сопряженного витка резьбы корпуса шпинделя расположены в осевом направлении в пределах рабочей поверхности нижней радиальной опоры скольжения, соответственно от края нижней радиальной опоры, направленного к осевой опоре, а также от края нижней радиальной опоры, направленного к долоту, на расстоянии, по меньшей мере, равном суммарной толщине стенок корпуса шпинделя и ниппеля в их резьбовом соединении, при этом расстояние между краем рабочей поверхности нижней радиальной опоры и ближним краем осевой опоры равно, по меньшей мере, расстоянию между плоскостями сечения корпуса шпинделя по впадине первого сопряженного витка резьбы ниппеля и сечения ниппеля по впадине первого сопряженного витка резьбы корпуса шпинделя.

2. Гидравлический забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что длина L рабочей поверхности нижней радиальной опоры скольжения и расстояние Т между плоскостями сечения корпуса шпинделя по впадине первого сопряженного витка резьбы ниппеля и сечения ниппеля по впадине первого сопряженного витка резьбы корпуса шпинделя связаны соотношением L=(1,45÷2,15)T.

3. Гидравлический забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что момент инерции J_ш поперечного сечения корпуса шпинделя по впадине первого сопряженного витка резьбы ниппеля и момент инерции J_н поперечного сечения ниппеля по впадине первого сопряженного витка резьбы корпуса шпинделя связаны соотношением J_ш=(1,95÷2,55)J_н.

4. Гидравлический забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что диаметр Д ловильного бурта шпинделя и диаметр Д₁ ловильного пояса ниппеля связаны соотношением Д=Д₁+(0,035÷0,055)Д.

5. Гидравлический забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что ниппель выполнен с резьбовым хвостовиком, направленным к долоту, на резьбовом хвостовике ниппеля установлена гайка, а между торцами ниппеля и гайки закреплено кольцо, при этом диаметры ниппеля, гайки и кольца не превышают диаметр корпуса шпинделя.

6. Гидравлический забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что между торцами гайки и ниппеля закреплен сменный центратор, диаметр сменного центратора превышает диаметр ниппеля, гайки и корпуса шпинделя и не превышает диаметр долота, а кольцевая стенка центратора плотно охватывает ниппель и край корпуса шпинделя.

7. Гидравлический забойный двигатель по п.1 или 6, отличающийся тем, что торец центратора расположен от контактирующих торцов корпуса шпинделя и ниппеля на расстоянии, по меньшей мере, равном суммарной толщине стенок корпуса шпинделя и ниппеля в их резьбовом соединении.