ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ТВЕРДОСПЛАВНЫМИ РАДИАЛЬНЫМИ ОПОРАМИ СКОЛЬЖЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК E21B4/02 

Изобретение относится к устройствам приводов вращения, размещаемых в скважине, и может быть использовано в гидравлических героторных винтовых двигателях и турбобурах для вращения ротора от насосной подачи текучей абразивной среды, в частности с твердосплавными радиальными опорами скольжения шпинделя, снабженного долотом для бурения нефтяных и газовых скважин.

Известна конструкция вставок (зубков) с поликристаллическими алмазами для долота, слой алмазов PDC (Polycrystalline Diamond Compakt) во вставках долота имеет толщину Z и расположен на определенном расстоянии Е относительно лобовой поверхности корпусных зубчатых лопастей долота, а также на определенном расстоянии Х относительно поверхности корпусной лопасти долота, воспринимающей давление породы на боковую поверхность вставки, при этом параметры связаны соотношением Z/(Х-Е)≥0,40 (US 7159487, Jan.9, 2007).

Недостатком известной конструкции является неполная возможность использования вставок с поликристаллическими алмазами в прокачиваемых буровым раствором радиальных опорах скольжения шпинделей гидравлических забойных двигателей для обеспечения ресурса, по меньшей мере, равного ресурсу долота, что объясняется недостаточной ударной прочностью, а также низкой стойкостью к термическому удару поликристаллических алмазов во вставках вследствие скопления абразивных частиц в радиальной опоре скольжения, разрушения поликристаллических алмазов на поверхностях трения, возникновения вибраций, "прихвата" и разрушения радиальных опор скольжения от воздействия абразивных частиц, например, до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов, содержащихся в полимер - глинистом буровом растворе плотностью 1,15÷1,28 г/см³.

Известна опора скольжения для радиальных давлений, предназначенная для шпинделей гидравлических забойных двигателей, содержащая корпус шпинделя с размещенным внутри него валом (для закрепления в резьбе 20 долота), который установлен на радиальных опорах скольжения и осевой многорядной шариковой опоре вращения, при этом радиальная опора скольжения выполнена в виде роторной втулки 142 (или 64) и статорной втулки 146 (или 62) с закрепленными в каждой из них пластинами 66, например, из твердого сплава карбид вольфрама - кобальт, статорная втулка 146 закреплена в корпусе 12 шпинделя, роторная втулка 142 скреплена с валом 26 шпинделя, а часть текучей абразивной среды прокачивается через радиальные опоры скольжения и осевую многорядную шариковую опору качения (US 4511193, Apr.16, 1985).

В известной конструкции пластины 66, например, из твердого сплава карбид вольфрама - кобальт, скреплены с роторной 142, также со статорной 146 втулками, расположены с радиальным и осевым смещением (в шахматном порядке), а пластины 66 из твердого сплава скреплены с каждой из втулок 142, 146 пропиткой порошка износостойкого материала, например, измельченного литого карбида вольфрама расплавленным металлом-связкой.

Недостатком известной опоры скольжения с пластинами из твердого сплава является неполная возможность повышения ресурса и надежности в прокачиваемых буровым раствором радиальных опорах скольжения шпинделя, что объясняется недостаточной ударной прочностью, а также низкой стойкостью к термическому удару материала металлокомпозитных пластин из твердого сплава при воздействии "холодного" бурового раствора на "горячие" рабочие поверхности трения в случае "прихвата", образования на рабочих поверхностях пластин сетки трещин, выкрашивания и отрыва (выпадания) пластин при действии максимальной осевой и радиальных нагрузок (от долота) в изогнутой колонне бурильных труб, при изменении знака осевой нагрузки, действующей на радиальные опоры скольжения, возникновения вибраций, повышенного износа радиальных опор скольжения и разрушения пластин из твердого сплава при радиальных люфтах, определяемых величиной износа, например, в пределах 30÷50% от величины допустимого износа вала шпинделя с долотом в нижней опоре скольжения вследствие скопления абразивных частиц, например, до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов в полимер - глинистом буровом растворе плотностью 1,16÷1,26 г/см³ на поверхностях связки-припоя между пластинами 66 из твердого сплава.

Известна твердосплавная опора скольжения, предназначенная для шпинделей гидравлических забойных двигателей, которая выполнена в виде роторной или статорной втулок с закрепленными в каждой из них пластинами, например, из твердого сплава карбид вольфрама-кобальт, пластины выполнены в форме параллелепипеда, стороной основания расположены вдоль образующей и в шахматном порядке на определенном расстоянии друг от друга, а также скреплены с каждой из втулок и между собой пропиткой порошка износостойкого материала, например, измельченного литого карбида вольфрама расплавленным металлом-связкой (RU 2310017, 10.11.2007).

Недостатком известной опоры скольжения с пластинами из твердого сплава является неполная возможность повышения ресурса и надежности в прокачиваемых буровым раствором радиальных опорах скольжения шпинделя, что объясняется недостаточной ударной прочностью, а также низкой стойкостью к термическому удару материала металлокомпозитных пластин из твердого сплава при воздействии "холодного" бурового раствора на "горячие" рабочие поверхности трения в случае "прихвата", образования на рабочих поверхностях пластин сетки трещин, выкрашивания и отрыва (выпадания) пластин при действии максимальной осевой и радиальных нагрузок (от долота) в изогнутой колонне бурильных труб, при изменении знака осевой нагрузки, действующей на радиальные опоры скольжения, возникновения вибраций, повышенного износа радиальных опор скольжения и разрушения пластин из твердого сплава при радиальных люфтах, определяемых величиной износа, например, в пределах 30÷50% от величины допустимого износа вала шпинделя с долотом в нижней опоре скольжения вследствие скопления абразивных частиц, например, до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов в полимер - глинистом буровом растворе плотностью 1,16÷1,26 г/см³ на поверхностях связки-припоя 4 между пластинами 3 из твердого сплава.

Наиболее близким к заявляемой конструкции является гидравлический забойный двигатель с твердосплавными радиальными опорами 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, который установлен на осевой и радиальных опорах скольжения, вал шпинделя соединен приводным валом с ротором двигателя, радиальная опора скольжения шпинделя выполнена в виде роторной 26 (33) и статорной 3 (4) втулок с закрепленными в каждой из них пластинами 39 из твердого сплава, например, из карбида вольфрама, а пластины 39 из твердого сплава скреплены с каждой из втулок пропиткой порошка износостойкого материала, например, измельченного литого карбида вольфрама расплавленным металлом-связкой, статорные втулки 3 закреплены в корпусе 1 шпинделя, роторные втулки 26 скреплены с валом 6 шпинделя, а часть текучей среды прокачивается через осевую и радиальные опоры скольжения шпинделя (US 4560014, Dec.24, 1985).

Недостатком известной опоры скольжения с пластинами 39 из твердого сплава является неполная возможность повышения ресурса и надежности в прокачиваемых буровым раствором радиальных опорах скольжения шпинделя, что объясняется недостаточной ударной прочностью, низкой стойкостью к термическому удару материала металлокомпозитных пластин 39 из твердого сплава при воздействии "холодного" бурового раствора на "горячие" рабочие поверхности трения в случае "прихвата", образования на рабочих поверхностях пластин 39 сетки трещин, выкрашивания и отрыва (выпадания) пластин при действии максимальной осевой и радиальных нагрузок (от долота) в изогнутой колонне бурильных труб, при изменении знака осевой нагрузки, действующей на радиальные опоры скольжения, возникновения вибраций, повышенного износа радиальных опор скольжения и разрушения пластин 39 из твердого сплава при радиальных люфтах, определяемых величиной износа, например, в пределах 30÷50% от величины допустимого износа вала шпинделя с долотом в нижней опоре скольжения вследствие скопления абразивных частиц, например, до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов в полимер - глинистом буровом растворе плотностью 1,16÷1,26 г/см³, на поверхностях связки-припоя между пластинами 39 из твердого сплава, показано на фиг.1А, 1В, 1C.

При этом бурение изогнутых наклонно направленных и горизонтальных скважин при радиальных люфтах, определяемых величиной износа, например, в пределах 42÷58% (0,39÷0,85 мм) от величины допустимого износа вала шпинделя с долотом в нижней опоре скольжения с пластинами из твердого сплава уже не допускается вследствие невозможности компенсации положительных и отрицательных выбросов динамических колебаний осевой нагрузки на долото и поддержания оптимальной осевой нагрузки на долото путем сохранения текущих значений осевой нагрузки без потери устойчивости наклонно направленной изогнутой колонны бурильных труб и обеспечения параметров кривизны ствола скважины.

Недостатки известной конструкции объясняются узким градиентом мгновенных температур термического удара материала металлокомпозитных пластин из твердого сплава, в частности ограничены градиентом температур (15÷25)°С, а при расширении градиента мгновенных температур термического удара на поверхности пластин образуется первичная сетка трещин, концентраторов напряжений и выкрашиваний.

Недостатки известной конструкции объясняются также большим значением коэффициента напряжения радиальной опоры скольжения в корпусе шпинделя (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению), по существу, равного 7-9, а также большой вероятностью возникновения вибраций, термического удара пластин из твердого сплава при воздействии "холодного" бурового раствора на "горячие" рабочие поверхности трения в случае "прихвата", образования на рабочей поверхности сетки трещин, выкрашивания и отрыва (выпадания) пластин при действии максимальной осевой и радиальных нагрузок (от долота) в изогнутой колонне бурильных труб, при изменении знака осевой нагрузки, действующей на радиальные опоры скольжения, при использовании двигателя в горизонтальных управляемых компоновках низа бурильной колонны, на участках изменения кривизны наклонной скважины, преимущественно в режиме максимальной мощности.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении ресурса и надежности гидравлического забойного двигателя с твердосплавными радиальными опорами скольжения шпинделя с размещенным внутри него валом, который установлен на осевой и радиальных опорах скольжения, каждая радиальная опора скольжения шпинделя выполнена в виде роторной и статориой втулок с закрепленными в каждой из них пластинами из твердого сплава, например, из карбида вольфрама, а пластины из твердого сплава скреплены с каждой из втулок пропиткой порошка износостойкого материала, например измельченного литого карбида вольфрама расплавленным металлом-связкой, за счет повышения ударной прочности, повышения стойкости к термическому удару пластин из твердого сплава при воздействии "холодного" бурового раствора на "горячие" рабочие поверхности трения в случае "прихвата", предотвращения образования на рабочей поверхности сетки трещин, выкрашивания и отрыва (выпадания) пластин при действии максимальной осевой и радиальных нагрузок (от долота) в изогнутой колонне бурильных труб, при изменении знака осевой нагрузки, действующей на радиальные опоры скольжения.

Другая техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в уменьшении амплитуды резонансных колебаний вала шпинделя за счет демпфирования резонансных колебаний ротора двигателя, приводного вала и вала шпинделя при радиальных люфтах, определяемых величиной износа, например, в пределах 30÷50% (0,33÷0,75 мм) от величины допустимого износа вала шпинделя с долотом в нижней опоре скольжения с пластинами из твердого сплава.

Другая техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в обеспечении экономического преимущества:

уменьшения стоимости твердосплавных радиальных опор скольжения шпинделя за счет уменьшения толщины твердосплавных пластин, унификации твердосплавных пластин и использования пластин минимальной, например, равной половине длины в каждом продольном ряду твердосплавных пластин с одного края радиальной опоры.

Сущность технического решения заключается в том, что в гидравлическом забойном двигателе с твердосплавными радиальными опорами скольжения, содержащем корпус двигателя с размещенным внутри него ротором, вращение которого осуществляется насосной подачей текучей среды, а также корпус шпинделя с размещенным внутри него валом, который установлен на осевой и радиальных опорах скольжения, вал шпинделя соединен приводным валом с ротором двигателя и скреплен с долотом, каждая радиальная опора скольжения шпинделя выполнена в виде роторной и статорной втулок с закрепленными в них окружными и/или продольными рядами пластин, например, из твердого сплава карбид вольфрама-кобальт, а пластины из твердого сплава скреплены с каждой из втулок пропиткой порошка износостойкого материала расплавленным металлом-связкой, статорные втулки закреплены в корпусе шпинделя, роторные втулки скреплены с валом шпинделя, а часть текучей среды прокачивается через радиальные и осевую опоры скольжения шпинделя, согласно изобретению, в поперечных сечениях, по меньшей мере, одной из радиальных опор скольжения, проходящих через каждую твердосплавную пластину продольного ряда, число твердосплавных пластин в роторной втулке на единицу меньше числа твердосплавных пластин в статорной втулке, а в каждом продольном ряду твердосплавных пластин с одного края радиальной опоры скольжения закреплена твердосплавная пластина, длина которой выполнена минимальной, при этом на каждом из краев радиальной опоры скольжения в окружном направлении по обе стороны от каждой целой твердосплавной пластины закреплены две твердосплавных пластины, длины которых выполнены минимальными, а на противоположном от целой пластины крае радиальной опоры скольжения в этом продольном ряду длина пластины выполнена минимальной, при этом толщина Х каждой твердосплавной пластины и толщина У роторной, а также статорной втулок в месте крепления твердосплавных пластин связаны соотношением Х=(0,045÷0,111)У.

Площадь F₁ контактирующего торца каждой твердосплавной пластины в роторной, а также в статорной втулках и площадь F₂ основания каждой твердосплавной пластины, скрепляемой с роторной, а также со статорной втулкой спеченным порошком связки-припоя, связаны соотношением F₁=(0,61÷0,86) F₂.

Каждая твердосплавная пластина минимальной длины L и длина L₁ каждой целой твердосплавной пластины связаны соотношением L=(0,45÷0,77)L₁.

Расстояния между направленными друг к другу боковыми сторонами смежных твердосплавных пластин, а также между направленными друг к другу торцами смежных твердосплавных пластин выполнены равными ширине твердосплавных пластин.

Расплавленный порошок связки-припоя для крепления пластин из твердого сплава содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: Ni 32÷47, Fe 2, Cr 7÷14, Si 2, WC остальное, при этом твердость материала, образованного пропиткой твердого сплава компонентами связки-припоя, составляет (52÷65) HRC э.

Выполнение твердосплавных радиальных опор скольжения (нижней и верхней) шпинделя гидравлического забойного двигателя таким образом, что в поперечных сечениях, по меньшей мере, одной из радиальных опор скольжения, проходящих через каждую твердосплавную пластину продольного ряда, число твердосплавных пластин в роторной втулке на единицу меньше числа твердосплавных пластин в статорной втулке, а в каждом продольном ряду твердосплавных пластин с одного края радиальной опоры скольжения закреплена твердосплавная пластина, длина которой выполнена минимальной, при этом на каждом из краев радиальной опоры скольжения в окружном направлении по обе стороны от каждой целой твердосплавной пластины закреплены две твердосплавных пластины, длины которых выполнены минимальными, а на противоположном от целой пластины крае радиальной опоры скольжения в этом продольном ряду длина пластины выполнена минимальной, при этом толщина Х каждой твердосплавной пластины и толщина У роторной, а также статорной втулок в месте крепления твердосплавных пластин связаны соотношением Х=(0,045÷0,111)У, повышает ресурс и надежность гидравлического забойного двигателя с твердосплавными радиальными опорами скольжения шпинделя с размещенным внутри него валом, который установлен на осевой и радиальных опорах скольжения, каждая радиальная опора скольжения шпинделя выполнена в виде роторной и статорной втулок с закрепленными в каждой из них пластинами, например, из твердого сплава карбид вольфрама-кобальт, за счет повышения ударной прочности, повышения стойкости к термическому удару пластин из твердого сплава при воздействии "холодного" бурового раствора на "горячие" рабочие поверхности трения в случае "прихвата", предотвращения образования на рабочей поверхности сетки трещин, выкрашивания и отрыва (выпадания) пластин при действии максимальной осевой и радиальных нагрузок (от долота) в изогнутой колонне бурильных труб, при изменении знака осевой нагрузки, действующей на радиальные опоры скольжения, предотвращения вибраций радиальных опор скольжения.

Такое выполнение, например, нижней твердосплавной радиальной опоры скольжения шпинделя гидравлического забойного двигателя расширяет, по существу, в 3÷5 раз градиент мгновенных температур термического удара в материале металлокомпозитных пластин из твердого сплава при воздействии "холодного" бурового раствора на "горячие" рабочие поверхности трения в случае "прихвата", при этом обеспечивается градиент (155÷175)°С мгновенных температур термического удара.

Такое выполнение твердосплавных радиальных опор скольжения (нижней и верхней) шпинделя гидравлического забойного двигателя обеспечивает также уменьшение амплитуды резонансных колебаний вала шпинделя за счет демпфирования резонансных колебаний ротора двигателя, приводного вала и вала шпинделя при радиальных люфтах, определяемых величиной износа, например, в пределах 30÷50% (0,33÷0,75 мм) от величины допустимого износа вала шпинделя с долотом в нижней опоре скольжения с пластинами из твердого сплава.

При этом толщина Х каждой (тонкостенной) твердосплавной пластины и толщина У роторной, а также статорной втулок в месте крепления твердосплавных пластин связаны соотношением Х=(0,045÷0,111)У, что уменьшает значение коэффициента напряжения радиальной опоры скольжения в корпусе шпинделя (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению), по существу, равного (3,3÷4,7), повышает многократно скорость прогрева пластин и стойкость к термическому удару, а также снижает вероятность возникновения вибраций, "прихвата", образования на рабочей поверхности сетки трещин, выкрашивания и отрыва (выпадания) пластин при действии максимальной осевой и радиальных нагрузок (от долота) в изогнутой колонне бурильных труб, при изменении знака осевой нагрузки, действующей на радиальные опоры скольжения, при использовании двигателя в горизонтальных управляемых компоновках низа бурильной колонны, на участках изменения кривизны наклонной скважины, преимущественно в режиме максимальной мощности.

Такое выполнение твердосплавных радиальных опор скольжения (нижней и верхней) шпинделя гидравлического забойного двигателя повышает также точность параметров кривизны ствола скважины и технико-экономические показатели бурения: увеличивает проходку скважины на рейс долота, уменьшает время простоя буровой установки.

Выполнение твердосплавных радиальных опор скольжения (нижней и верхней) шпинделя гидравлического забойного двигателя таким образом, что площадь F₁ контактирующего торца каждой твердосплавной пластины в роторной, а также в статорной втулках и площадь F₂ основания каждой твердосплавной пластины, скрепляемой с роторной, а также со статорной втулкой спеченным порошком связки-припоя, связаны соотношением F₁=(0,61÷0,86)F₂, повышает ресурс гидравлического забойного двигателя с твердосплавными радиальными опорами скольжения шпинделя за счет увеличения площади рабочих поверхностей твердосплавных пластин по мере износа, например, при радиальных люфтах, определяемых величиной износа более 50% (более 0,75 мм) от величины допустимого износа вала шпинделя с долотом в нижней опоре скольжения с пластинами из твердого сплава.

Выполнение твердосплавных радиальных опор скольжения (нижней и верхней) шпинделя гидравлического забойного двигателя таким образом, что каждая твердосплавная пластина минимальной длины L и длина L₁ каждой целой твердосплавной пластины связаны соотношением L=(0,45÷0,77)L₁, обеспечивает экономическое преимущество: уменьшает стоимость твердосплавных радиальных опор скольжения шпинделя за счет уменьшения толщины твердосплавных пластин, унификации твердосплавных пластин и использования пластин минимальной, например, равной половине длины целой пластины в каждом продольном ряду твердосплавных пластин с одного края радиальной опоры.

Выполнение твердосплавных радиальных опор скольжения (нижней и верхней) шпинделя гидравлического забойного двигателя таким образом, что расстояния между направленными друг к другу боковыми сторонами смежных твердосплавных пластин, а также между направленными друг к другу торцами смежных твердосплавных пластин выполнены равными ширине твердосплавных пластин, уменьшает амплитуду резонансных колебаний вала шпинделя за счет демпфирования резонансных колебаний ротора двигателя, приводного вала и вала шпинделя при радиальных люфтах, определяемых величиной износа, например, в пределах 35÷55% (0,33÷0,75 мм) от величины допустимого износа вала шпинделя с долотом в нижней опоре скольжения.

Выполнение твердосплавных радиальных опор скольжения (нижней и верхней) шпинделя гидравлического забойного двигателя таким образом, что расплавленный порошок связки-припоя для крепления пластин из твердого сплава содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: Ni 32÷47, Fe 2, Cr 7÷14, Si 2, WC остальное, при этом твердость материала, образованного пропиткой твердого сплава компонентами связки-припоя, составляет (52÷65) HRC э, повышает стойкость к термическому удару пластин из твердого сплава при воздействии "холодного" бурового раствора на "горячие" рабочие поверхности трения в случае "прихвата", повышает ударную прочность при уменьшении толщины пластин из твердого сплава, предотвращает образование на рабочей поверхности сетки трещин, ыкрашивание и отрыв (выпадание) пластин при действии максимальной осевой и радиальных нагрузок (от долота) в изогнутой колонне бурильных труб, при изменении знака осевой нагрузки, действующей на радиальные опоры скольжения, уменьшает вероятность появления вибраций радиальных опор скольжения, а также уменьшает значение коэффициента напряжения радиальной опоры скольжения в корпусе шпинделя (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению), по существу равного (3,3÷4,7), что также снижает вероятность образования на рабочей поверхности сетки трещин, выкрашивания и отрыва (выпадания) пластин при действии максимальной осевой и радиальных нагрузок (от долота) в изогнутой колонне бурильных труб, при изменении знака осевой нагрузки, действующей на радиальные опоры скольжения, при использовании двигателя в горизонтальных управляемых компоновках низа бурильной колонны, на участках изменения кривизны наклонной скважины, преимущественно в режиме максимальной мощности.

Ниже представлен лучший вариант героторного винтового гидравлического двигателя ДРУ1-240РС с твердосплавными радиальными опорами скольжения шпинделя, регулятором угла, верхним и нижним скважинными ловителями, верхним переводником и долотом.

На фиг.1 изображен героторный винтовой двигатель со шпинделем, верхним переводником и долотом.

На фиг.2 изображен элемент I на фиг.1 шпинделя с валом в верхней радиальной твердосплавной опоре скольжения.

На фиг.3 изображен элемент II на фиг.1 шпинделя с валом в нижней радиальной твердосплавной опоре скольжения.

На фиг.4 изображена статорная втулка нижней радиальной твердосплавной опоры скольжения и схема расположения твердосплавных пластин на внутренней поверхности статорной втулки.

На фиг.5 изображена роторная втулка нижней радиальной твердосплавной опоры скольжения и схема расположения твердосплавных пластин на наружной поверхности роторной втулки,

На фиг.6 изображен разрез А-А на фиг.4 поперек статорной втулки нижней радиальной твердосплавной опоры скольжения.

На фиг.7 изображена схема расположения твердосплавных пластин на внутренней поверхности статорной втулки, а также на наружной поверхности роторной втулки.

На фиг.8 изображен разрез Б-Б на фиг.5 поперек роторной втулки нижней радиальной твердосплавной опоры скольжения.

Гидравлический забойный двигатель с твердосплавными радиальными опорами скольжения содержит корпус 1 двигателя с размещенным внутри него ротором 2, вращение которого осуществляется насосной подачей текучей абразивной среды 3, а также корпус 4 шпинделя с размещенным внутри него валом 5, который установлен на осевой многорядной шариковой опоре 6, на нижней радиальной опоре скольжения 7 и на верхней радиальной опоре скольжения 8, вал 5 шпинделя соединен приводным карданным валом 9 с ротором 2 двигателя и скреплен с долотом 10 резьбой 11, показано на фиг.1

Каждая радиальная опора скольжения шпинделя: нижняя радиальная опора скольжения 7 и верхняя радиальная опора скольжения 8 выполнены в виде роторной и статорной втулок, соответственно 12, 13 и 14, 15 с закрепленными в них окружными 16 и/или продольными 17 рядами пластин 18, например, из твердого сплава карбид вольфрама-кобальт, а пластины 18 из твердого сплава скреплены с каждой из втулок 12, 13 и 14, 15 пропиткой порошка износостойкого материала расплавленным металлом-связкой 19, статорные втулки 13, 15 закреплены в корпусе 4 шпинделя, роторные втулки 12, 14 скреплены с валом 5 шпинделя, а часть 20 текучей среды 3 прокачивается через осевую многорядную шариковую опору 6, а также верхнюю и нижнюю радиальные опоры 7, 8 скольжения шпинделя, показано нафиг.1, 2, 3, 4, 5.

В поперечных сечениях, например, 16, 21 нижней (определяющей "вылет" долота 10) опоры скольжения 7, проходящих через каждую твердосплавную пластину 18 продольного ряда 17, число (например, 83) твердосплавных пластин 18 в роторной втулке 12 на единицу меньше числа (например, 84) твердосплавных пластин 18 в статорной втулке 13, показано на фиг.4, 5, 6, 8.

В каждом продольном ряду, например, 17 твердосплавных пластин 18 с одного края, например, 22 радиальной опоры скольжения 7, например, в статорной втулке 13 закреплена твердосплавная пластина 23, длина 24, L которой выполнена минимальной, показано на фиг.4.

В каждом продольном ряду, например, 25 твердосплавных пластин 18 с одного края, например, 21 радиальной опоры скольжения 7, например, в статорной втулке 13 закреплена твердосплавная пластина 26, длина 24, L которой выполнена минимальной, показано на фиг.4.

В каждом продольном ряду, например, 17 твердосплавных пластин 18 с одного края, например, 21 радиальной опоры скольжения 7, например, в роторной втулке 12 закреплена твердосплавная пластина 27, длина 24, L которой выполнена минимальной, показано на фиг.5.

В каждом продольном ряду, например, 28 твердосплавных пластин 18 с одного края, например, 22 радиальной опоры скольжения 7, например, в роторной втулке 12 закреплена твердосплавная пластина 29, длина 24, L которой выполнена минимальной, показано на фиг.5.

На каждом из краев радиальной опоры скольжения 7, например, на крае 21 статорной втулки 13 в окружном направлении по обе стороны от каждой целой твердосплавной пластины 18 закреплены две твердосплавных пластины 26, длины которых выполнены минимальными, например, 24, L, а на противоположном от целой пластины 18 крае 22 радиальной опоры скольжения 7 в этом продольном ряду 17 длина пластины 23 выполнена минимальной, например, 24, L, показано на фиг.1, 4, 7.

На каждом из краев радиальной опоры скольжения 7, например, на крае 21 роторной втулки 12 в окружном направлении по обе стороны от каждой целой твердосплавной пластины 18 закреплены две твердосплавных пластины 27, длины которых выполнены минимальными, например, 24, L, а на противоположном от целой пластины 18 крае 22 радиальной опоры скольжения 7 в этом продольном ряду длина пластины 29 выполнена минимальной, например, 24, L, показано на фиг.1, 5.

Толщина 30, Х каждой твердосплавной пластины и толщина 31. У роторной втулки 12, а также статорной втулки 13 в месте крепления твердосплавных пластин 18, 26, 27, 29 связаны соотношением X=(0,045÷0,111)У, показано на фиг.5, 8.

Площадь 32, F₁ контактирующего торца каждой твердосплавной пластины в роторной втулке 12, а также в статорной втулке 13 и площадь 33, F₂ основания каждой твердосплавной пластины, например, 18, скрепляемой с роторной втулкой 12, а также со статорной втулкой 13 спеченным порошком связки-припоя 19, связаны соотношением F₁=(0,55÷0,86) F₂, показано на фиг.5, 8.

Каждая твердосплавная пластина 23, 26, 27, 29 минимальной длины 24, L и длина 34, L₁ каждой целой твердосплавной пластины Г8 связаны соотношением L=(0,45÷0,77) L₁, показано на фиг.4, 5, 7.

Расстояния 35 между направленными друг к другу боковыми сторонами смежных твердосплавных пластин, например, 18, а также расстояния 36 между направленными друг к другу торцами смежных твердосплавных пластин, например, 18 выполнены равными ширине 37 твердосплавных пластин, например, 18, показано на фиг.7.

Расплавленный порошок связки-припоя 19 для крепления пластин 18, 23, 26, 27, 29 из твердого сплава содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: N1 32÷47, Fe 2, Cr 7÷14, Si 2, WC остальное, при этом твердость материала, образованного пропиткой твердого сплава компонентами связки-припоя, составляет (52÷65) HRC э, показано на фиг.6, 8.

Кроме того, на фиг.1 обозначено: поз.38 - центральная продольная ось обкладки 39 из эластомера, закрепленной в корпусе 1; поз.40 - центральная продольная ось ротора 2; поз.41 - величина эксцентриситета ротора 2, установленного в обкладке 39 из эластомера; поз.42 - винтовые многозаходные многошаговые зубья ротора 2, число зубьев 42 ротора 2 на единицу меньше числа зубьев 43 в обкладке 39 из эластомера, закрепленной в корпусе 1; поз.44 - многозаходные винтовые (шлюзовые) камеры между зубьями 42 ротора 2 и зубьями 43 обкладки 39 из эластомера, поз.45 - верхний переводник для соединения с колонной бурильных труб; поз.46 - верхний скважинный ловитель.

Гидравлический забойный двигатель с твердосплавными радиальными опорами скольжения работает следующим образом: поток бурового раствора 3, содержащий абразивные частицы, например, до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов, содержащихся в полимер - глинистом буровом растворе плотностью 1,16÷1,26 г/см³, под давлением 25÷35 МПа по колонне бурильных труб подается в многозаходные винтовые (шлюзовые) камеры 44 между зубьями 42 ротора 2 и зубьями 43 обкладки 39 из эластомера, образует область высокого давления и момент от гидравлических сил, который приводит в планетарно-роторное вращение ротор 2 внутри эластомерной обкладки 39, закрепленной в корпусе 1, а также приводит во вращение приводной вал 9, вал шпинделя 5 и долото 10, осуществляя бурение скважины.

Винтовые зубья 43 эластомерной обкладки 39, закрепленной в корпусе 1, подвергаются сложной деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора 2 внутри корпуса 1. Винтовые (шлюзовые) многозаходные многошаговые камеры 44 между зубьями 42 ротора 2 и зубьями 43 эластомерной обкладки 39 имеют переменный объем и периодически перемещаются по потоку 3 бурового раствора. Обкладка 39, выполненная из резины ИРП-1226-5, работает в напряженных условиях: при наличии в рабочей паре (ротор 2 - обкладка 39) необходимого натяга, контактное давление составляет 4÷6 МПа, скорость скольжения 0,5÷4,0 м/с, частота нагружения до 30 Гц и гидростатическое давление до 50 МПа.

Ротор 2, расположенный в обкладке 39 корпуса 1 эксцентрично, с величиной эксцентриситета 41, при работе двигателя совершает планетарное движение - вращение вокруг своей центральной продольной оси 40 и обращение относительно центральной продольной оси 38 обкладки 39 из эластомера, закрепленной в корпусе 1 с частотой в Z_p раз больше частоты вращения вала двигателя (приводного вала 9, вала шпинделя 5), где Z_p - число зубьев 42 ротора 2, показано на фиг.1.

При работе героторного винтового двигателя, соединенного с валом 5 в корпусе 4 шпинделя приводным (карданным) валом 9, возникают поперечные колебания от действия инерционных сил вращающегося с высокой частотой и эксцентриситетом массивного ротора 2 и больших по величине поперечных гидравлических сил (перекашивающего момента), изменяющих свое направление одновременно с вращением ротора 2.

Основная частота колебаний двигателя совпадает с частотой вращения ротора 2, по существу, в Z_p раз больше частоты вращения вала 2 (ротора) двигателя. Собственные частоты колебаний винтового забойного двигателя находятся в области рабочих частот двигателя, а резонансные режимы возникают периодически при изменении (увеличении или уменьшении) осевой нагрузки (на долото) на 55÷155 кН.

В процессе бурения скважин, с непрерывным контролем нагрузки на долото и механической скорости, например, что при плавном увеличении или снижении нагрузки от 50 до 250 кН и обратно, механическая скорость изменяется с резким чередованием экстремумов (максимумов и минимумов).

Амплитуда колебаний корпуса 1 винтового забойного двигателя в режиме поперечных резонансных колебаний ротора 2 увеличивается многократно, при этом многократно увеличиваются потери мощности двигателя на поперечные колебания, а также возникают осевые резонансные колебания вала шпинделя 5, повышаются динамические нагрузки на осевую многорядную шариковую опору 6, на нижнюю радиальную опору скольжения 7 и на верхнюю радиальную опору скольжения 8.

Выполнение гидравлического забойного двигателя с твердосплавными радиальными опорами скольжения таким образом, что в поперечных сечениях, например, 16, 21 нижней (определяющей "вылет" долота 10) опоры скольжения 7, проходящих через каждую твердосплавную пластину 18 продольного ряда 17, число (например, 83) твердосплавных пластин 18 в роторной втулке 12 на единицу меньше числа (например, 84) твердосплавных пластин 18 в статорной втулке 13, при этом в каждом продольном ряду, например, 17 твердосплавных пластин 18 с одного края, например, 22 радиальной опоры скольжения 7, например, в статорной втулке 13 закреплена твердосплавная пластина 23, длина 24, L которой выполнена минимальной, в каждом продольном ряду, например, 25 твердосплавных пластин 18 с одного края, например, 21 радиальной опоры скольжения 7, например, в статорной втулке 13 закреплена твердосплавная пластина 26, длина 24, L которой выполнена минимальной, а в каждом продольном ряду, например, 17 твердосплавных пластин 18 с одного края, например, 21 радиальной опоры скольжения 7, например, в роторной втулке 12 закреплена твердосплавная пластина 27, длина 24, L которой выполнена минимальной, при этом в каждом продольном ряду, например, 28 твердосплавных пластин 18 с одного края, например, 22 радиальной опоры скольжения 7, например, в роторной втулке 12 закреплена твердосплавная пластина 29, длина 24, L которой выполнена минимальной, а на каждом из краев радиальной опоры скольжения 7, например, на крае 21 статорной втулки 13 в окружном направлении по обе стороны от каждой целой твердосплавной пластины 18 закреплены две твердосплавных пластины 26, длины которых выполнены минимальными, например, 24, L, а на противоположном от целой пластины 18 крае 22 радиальной опоры скольжения 7 в этом продольном ряду 17 длина пластины 23 выполнена минимальной, например, 24, L, при этом на каждом из краев радиальной опоры скольжения 7, например, на крае 21 роторной втулки 12 в окружном направлении по обе стороны от каждой целой твердосплавной пластины 18 закреплены две твердосплавных пластины 27, длины которых выполнены минимальными, например, 24, L, а на противоположном от целой пластины 18 крае 22 радиальной опоры скольжения 7 в этом продольном ряду длина пластины 29 выполнена минимальной, например, 24, L, при этом толщина 30, Х каждой твердосплавной пластины и толщина 31. У роторной втулки 12, а также статорной втулки 13 в месте крепления твердосплавных пластин 18, 26, 27, 29 связаны соотношением X=(0,045÷0,111)У, повышает ресурс и надежность гидравлического забойного двигателя с твердосплавными радиальными опорами скольжения шпинделя с размещенным внутри него валом, который установлен на осевой и радиальных опорах скольжения, каждая радиальная опора скольжения шпинделя выполнена в виде роторной и статорной втулок с закрепленными в каждой из них пластинами, например, из твердого сплава карбид вольфрама-кобальт, за счет повышения ударной прочности, повышения стойкости к термическому удару пластин из твердого сплава при воздействии "холодного" бурового раствора на "горячие" рабочие поверхности трения в случае "прихвата", предотвращения образования на рабочей поверхности сетки трещин, выкрашивания и отрыва (выпадания) пластин при действии максимальной осевой и радиальных нагрузок (от долота) в изогнутой колонне бурильных труб, при изменении знака осевой нагрузки, действующей на радиальные опоры скольжения, предотвращения вибраций радиальных опор скольжения.

Твердость пластин, например, из твердого сплава карбид вольфрама-кобальт, составляет (89-92) HRA, толщина пластин составляет (2,5±0,5) мм, расплавленный порошок связки-припоя 19 для крепления пластин 18, 23, 26, 27, 29 из твердого сплава содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: Ni 32÷47, Fe 2, Cr 7÷14, Si 2, WC остальное, твердость материала, образованного пропиткой твердого сплава компонентами связки-припоя, составляет (52÷65) HRC э, при этом теплопроводность (X,) пластин составляет 85 Вт/(м·°С), а время прогрева тонкостенных пластин многократно уменьшается, вследствие этого выполнение, например, нижней твердосплавной радиальной опоры скольжения шпинделя гидравлического забойного двигателя расширяет, по существу, в 3÷5 раз градиент мгновенных температур термического удара в материале пластин из твердого сплава при воздействии "холодного" бурового раствора на "горячие" рабочие поверхности трения в случае "прихвата", обеспечивает градиент (155÷175)°С мгновенных температур термического удара.

Истинные температуры термического удара в пластинах из твердого сплава в радиальных опорах скольжения определялись, например, при помощи кристаллов ИМТК (измерителя максимальной температуры кристаллического), по существу, методом установки (препарирования) нескольких кристаллов алмаза PDC (Polycrystalline Diamond Compakt) во втулки опор скольжения, наработки двигателя, извлечения кристаллов, измерения температурного отклонения объемной решетки кристаллов при помощи электронного микроскопа, при этом ресурс опор скольжения обеспечивался при температурах термического удара в пластинах из твердого сплава в пределах (555÷710)°С (градиент температур 155°С).

Выполнение гидравлического забойного двигателя с твердосплавными радиальными опорами скольжения таким образом, что толщина 30, Х каждой твердосплавной пластины и толщина 31. У роторной втулки 12, а также статорной втулки 13 в месте крепления твердосплавных пластин 18, 26, 27, 29 связаны соотношением X=(0,045÷0,111)У, уменьшает значение коэффициента напряжения радиальной опоры скольжения в корпусе шпинделя (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению), по существу, равного (3,3÷4,7), повышает стойкость к термическому удару, а также снижает вероятность возникновения вибраций, "прихвата", образования на рабочей поверхности сетки трещин, выкрашивания и отрыва (выпадания) пластин при действии максимальной осевой и радиальных нагрузок (от долота) в изогнутой колонне бурильных труб, при изменении знака осевой нагрузки, действующей на радиальные опоры скольжения, при использовании двигателя в горизонтальных управляемых компоновках низа бурильной колонны, на участках изменения кривизны наклонной скважины, преимущественно в режиме максимальной мощности.

В режиме максимальной мощности частота вращения вала 5 шпинделя с долотом 10 составляет 1,414÷2,215 с^-1; момент силы на выходном валу 5 шпинделя составляет 16÷19,5 кН·м; перепад давления (межвиткового, на зубьях обкладки 38 корпуса 1) в режиме максимальной мощности составляет 25÷33 МПа; осевая нагрузка составляет 273 кН, а при достижении частоты колебаний ω=91 рад/с наступает режим резонанса, при этом амплитуда поперечных колебаний вала 5 шпинделя составляет ≈0,45 мм, амплитуда продольных колебаний вала 5 шпинделя составляет ≈0,13 мм, что на порядок меньше, чем в известной конструкции.

При использовании заявляемой конструкции повышаются ресурс и надежность героторного винтового гидравлического двигателя ДРУ1-240РС с твердосплавными радиальными опорами скольжения шпинделя, повышаются точность параметров кривизны ствола скважины и технико-экономические показатели бурения: увеличивается проходка скважины на рейс долота в условиях интенсивного трения и вращения в стволе скважины, с использованием в колонне бурильных труб гидравлических ясов, с ударными нагрузками и ударными импульсами от ясов, повышается темп набора параметров кривизны скважин, уменьшаются сопротивления и напряжения в компоновке низа бурильной колонны, уменьшается время простоя буровой установки.

Изобретение относится к устройствам приводов вращения, размещаемых в скважине, и может быть использовано в гидравлических героторных винтовых двигателях и турбобурах. Двигатель содержит корпус с размещенным внутри него ротором, вращение которого осуществляется насосной подачей текучей среды, а также корпус шпинделя с размещенным внутри него валом, который установлен на осевой и радиальных опорах скольжения. Вал шпинделя соединен приводным валом с ротором двигателя и скреплен с долотом, каждая радиальная опора скольжения шпинделя выполнена в виде роторной и статорной втулок с закрепленными в них окружными и/или продольными рядами пластин из твердого сплава. Пластины из твердого сплава скреплены с каждой из втулок пропиткой порошка износостойкого материала расплавленным металлом-связкой. Статорные втулки закреплены в корпусе шпинделя, роторные втулки скреплены с валом шпинделя. Часть текучей среды прокачивается через радиальные и осевую опоры скольжения шпинделя. В поперечных сечениях, по меньшей мере, одной из радиальных опор скольжения, проходящих через каждую твердосплавную пластину продольного ряда, число твердосплавных пластин в роторной втулке на единицу меньше числа твердосплавных пластин в статорной втулке, а в каждом продольном ряду твердосплавных пластин с одного края радиальной опоры скольжения закреплена твердосплавная пластина, длина которой выполнена минимальной. На каждом из краев радиальной опоры скольжения в окружном направлении по обе стороны от каждой целой твердосплавной пластины закреплены две твердосплавных пластины, длины которых выполнены минимальными, а на противоположном от целой пластины крае радиальной опоры скольжения в этом продольном ряду длина пластины выполнена минимальной, при этом толщина Х каждой твердосплавной пластины и толщина У роторной, а также статорной втулок в месте крепления твердосплавных пластин связаны соотношением Х=(0,045÷0,111)У. Повышаются ресурс и надежность гидравлического забойного двигателя. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Гидравлический забойный двигатель с твердосплавными радиальными опорами 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, который установлен на осевой и радиальных опорах скольжения, вал шпинделя соединен приводным валом с ротором двигателя и скреплен с долотом, каждая радиальная опора скольжения шпинделя выполнена в виде роторной и статорной втулок с закрепленными в них окружными и/или продольными рядами пластин из твердого сплава, например, карбид вольфрама-кобальт, а пластины из твердого сплава скреплены с каждой из втулок пропиткой порошка износостойкого материала расплавленным металлом-связкой, статорные втулки закреплены в корпусе шпинделя, роторные втулки скреплены с валом шпинделя с возможностью прокачивания текучей среды через осевую и радиальные опоры скольжения шпинделя, отличающийся тем, что в поперечных сечениях, по меньшей мере, одной из радиальных опор скольжения, проходящих через каждую твердосплавную пластину продольного ряда, число твердосплавных пластин в роторной втулке на единицу меньше числа твердосплавных пластин в статорной втулке, а в каждом продольном ряду твердосплавных пластин с одного края радиальной опоры скольжения закреплена твердосплавная пластина, длина которой выполнена минимальной, при этом на каждом из краев радиальной опоры скольжения в окружном направлении по обе стороны от каждой целой твердосплавной пластины закреплены две твердосплавных пластины, длины которых выполнены минимальными, а на противоположном от целой пластины крае радиальной опоры скольжения в этом продольном ряду длина пластины выполнена минимальной, при этом толщина Х каждой твердосплавной пластины и толщина Y роторной, а также статорной втулок в месте крепления твердосплавных пластин связаны соотношением Х=(0,045÷0,111)Y.

2. Гидравлический забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что площадь F₁ контактирующего торца каждой твердосплавной пластины в роторной, а также в статорной втулках и площадь F₂ основания каждой твердосплавной пластины, скрепляемой с роторной, а также со статорной втулкой спеченным порошком связки-припоя, связаны соотношением
F₁=(0,61÷0,86)F₂.

3. Гидравлический забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждая твердосплавная пластина минимальной длины L и длина L₁ каждой целой твердосплавной пластины связаны соотношением L=(0,45÷0,77)L₁.

4. Гидравлический забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что расстояния между направленными друг к другу боковыми сторонами смежных твердосплавных пластин, а также между направленными друг к другу торцами смежных твердосплавных пластин выполнены равными ширине твердосплавных пластин.

5. Гидравлический забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что расплавленный порошок связки-припоя для крепления пластин из твердого сплава содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Ni 32÷47 Fe 2 Cr 7÷14 Si 2 WC остальное,