РЕГУЛЯТОР УГЛА ПЕРЕКОСА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2012 года по МПК E21B4/02 

Изобретение относится к буровой технике, а именно к регуляторам угла перекоса гидравлических забойных двигателей в компоновке низа бурильных колонн, задающим проектный угол искривления ствола наклонно направленных и горизонтальных нефтяных скважин.

Известен регулятор угла перекоса с устройством для управления положением плоскостей искривления героторного двигателя, содержащий кривой вал с наружными шлицами, муфту с торцовыми зубьями, верхний и кривой переводники, несоосно расположенные между собой, при этом муфта установлена на шлицах кривого вала, а верхний и кривой переводники соединены с кривым валом резьбами на обращенных друг к другу краях, оси резьб, выполненных на искривленных участках кривого вала и кривого переводника, пересекаются в одной точке на центральной оси кривого вала, имея одну плоскость искривления, при этом он содержит промежуточный вал с присоединительными резьбами и наружными шлицами, обойму с зубчатой насечкой на торце, установленную на наружных шлицах промежуточного вала, и соединительный переводник с зубчатой насечкой на верхнем торце, взаимодействующей с зубчатой насечкой обоймы, промежуточный вал скреплен резьбами с нижним краем кривого переводника и верхним краем соединительного переводника, а соединительный переводник установлен на промежуточном валу с возможностью окружного смещения относительно обоймы и скреплен резьбой с верхним краем статора героторного двигателя (RU 2358084 C1, 10.06.2009).

Регулятор угла перекоса I и устройство III для управления положением плоскостей искривления героторного двигателя имеют две точки перекоса и искривляются в двух плоскостях, результирующий угол искривления имеет сложную пространственную форму, что усложняет его точное вычисление при промежуточных дискретных установках угла перекоса. Второй регулятор угла перекоса I или устройство III для управления положением плоскостей искривления героторного двигателя размещают обычно выше одной из секций забойного двигателя, что обеспечивает регулировку величины угла перекоса.

В компоновке низа бурильной колонны через трубчатый кривой вал 1 и трубчатый промежуточный вал 10 регулятора угла перекоса проходит приводной (карданный или торсионный) вал, содержащий верхнюю полумуфту, соединенную резьбой с ротором винтового героторного двигателя, а также содержащий нижнюю полумуфту, соединенную резьбой с валом шпинделя с закрепленным на нем долотом для бурения скважины.

Недостатком известной конструкции является неполная возможность увеличения диаметра приводного вала без увеличения внутренних диаметров кривого вала и промежуточного вала при максимальном угле искривления, минимальном зазоре между кривым валом и приводным валом, между промежуточным валом и приводным валом, при максимальном эксцентриситете в соединении ротор-статор винтового героторного двигателя в плоскости искривления регулятора угла перекоса, а также неполная возможность повышения момента сопротивления и прочностных характеристик приводного вала (при заданных механических свойствах материала), увеличения передаваемого крутящего момента, повышения ресурса и надежности приводного вала и двигателя.

Недостатками известной конструкции являются также:

- увеличение, по существу, в два раза ее длины и, вследствие этого, увеличение длины приводного вала, а также невозможность размещения приводного вала внутри кривого вала 1 и промежуточного вала 10 при максимальном угле искривления (до 3°) регулятора угла перекоса I и регулируемого отклоняющего устройства III, при максимальном эксцентриситете в соединении ротор-статор винтового героторного двигателя, вследствие задевания его за внутренние стенки кривого вала 1 и промежуточного вала 10;

- высокая стоимость работ по определению угла смещения плоскостей искривления регулятора угла перекоса I и регулируемого отклоняющего устройства III героторного двигателя с использованием продольных рисок 20 и 21 и переноса их на соответствующие продольные риски 22 и 23 регулятора угла перекоса I при подъеме из скважины вследствие необходимости проведения вышеуказанных работ механизированным ключом, содержащим устройство для предотвращения перезатяжки (overtorquing) чрезмерным крутящим моментом;

- ухудшение проходимости, т.е. повышение сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны за счет увеличения длины известной конструкции, по существу, регулятора и устройства для управления положением плоскостей искривления героторного двигателя при прохождении (с вращением колонны бурильных труб) через радиусные участки ствола скважины;

- недостаточные ресурс и надежность при максимальном угле (до 3°) искривления регулятора угла перекоса I и регулируемого отклоняющего устройства III, при максимальном эксцентриситете между центральными продольными осями в соединении ротор-статор двигательной секции, вследствие невозможности вращения колонны бурильных труб при прохождении через радиусные участки ствола наклонно направленной скважины, имеющие участки малого и среднего радиуса 30÷100 м, в условиях интенсивного трения по стволу скважины.

Известен регулятор угла перекоса, состоящий из центрального трубчатого элемента и соединенных с ним трех несоосных между собой трубчатых элементов, каждый из которых имеет внутреннее сквозное отверстие, при этом внутренний трубчатый элемент расположен в центре между первым и вторым трубчатыми элементами, а первый и второй трубчатые элементы соединены с внутренним трубчатым элементом резьбами на обращенных один к другому краях, при этом первый трубчатый элемент предназначен для соединения со статором винтового героторного двигателя, а второй трубчатый элемент предназначен для соединения с корпусом шпинделя, в котором размещен вал с долотом для бурения скважины (US 5101915 A, 07.04.1992).

В известной конструкции центральный и внутренний трубчатые элементы соединены шпоночным соединением и предусматривают переустановку нового значения угла перекоса при подъеме колонны бурильных труб без разъединения с винтовым героторным двигателем, а центральные продольные оси резьб первого и второго трубчатых элементов, предназначенных для соединения со статором винтового героторного двигателя и, соответственно, с корпусом шпинделя, пересекаются с центральными продольными осями внутреннего трубчатого элемента в двух точках (показано на фиг.6).

В компоновке низа бурильной колонны через внутренний трубчатый элемент 6 регулятора угла перекоса проходит приводной (карданный или торсионный) вал, содержащий верхнюю полумуфту, соединенную резьбой с ротором винтового героторного двигателя, а также содержащий нижнюю полумуфту, соединенную резьбой с валом шпинделя с закрепленным на нем долотом для бурения скважины.

Недостатком известной конструкции является неполная возможность увеличения диаметра приводного вала без увеличения внутреннего диаметра внутреннего трубчатого элемента регулятора при максимальном угле искривления, минимальном зазоре между приводным валом и внутренней поверхностью внутреннего трубчатого элемента и максимальном эксцентриситете в соединении ротор-статор винтового героторного двигателя в плоскости искривления регулятора угла перекоса, а также неполная возможность повышения момента сопротивления и прочностных характеристик приводного вала, увеличения передаваемого крутящего момента, повышения ресурса и надежности приводного вала и двигателя.

Наиболее близким к заявляемой конструкции является регулятор угла перекоса винтового героторного двигателя, содержащий полый кривой вал с наружными продольными шлицами, первой и второй резьбами на его краях, зубчатую муфту с внутренними продольными шлицевыми пазами и зубьями на торце, установленную на наружных продольных шлицах полого кривого вала, прямой и кривой трубчатые переводники, несоосно расположенные между собой, причем на торце кривого трубчатого переводника выполнены зубья, входящие в зацепление с зубьями на торце зубчатой муфты, прямой и кривой трубчатые переводники соединены с полым кривым валом резьбами на направленных один к другому краях, при этом прямой трубчатый переводник предназначен для соединения с резьбой статора винтового героторного двигателя, кривой трубчатый переводник предназначен для соединения с резьбой корпуса шпиндельной секции, в котором размещен вал с долотом, а центральные продольные оси резьб прямого и кривого трубчатых переводников, предназначенных для соединения со статором винтового героторного двигателя и, соответственно, с корпусом шпинделя, пересекаются с центральными продольными осями кривого переводника в двух точках (US 5343966 A, 06.09.1994).

В регуляторе угла перекоса винтового героторного двигателя центральный и внутренний трубчатые элементы соединены шлицевым соединением и предусматривают переустановку нового значения угла перекоса при подъеме колонны бурильных труб без разъединения с забойным двигателем.

В компоновке низа бурильной колонны внутри регулятора угла перекоса через полый кривой вал 50 проходит приводной (карданный или торсионный) вал, содержащий верхнюю полумуфту, соединенную резьбой с ротором винтового героторного двигателя, а также содержащий нижнюю полумуфту, соединенную резьбой с валом шпинделя с закрепленным на нем долотом для бурения скважины.

Недостатком известной конструкции является неполная возможность размещения приводного вала увеличенного диаметра без увеличения внутреннего диаметра полого кривого вала регулятора при максимальном угле искривления, минимальном зазоре между приводным валом и внутренней поверхностью полого кривого вала и максимальном эксцентриситете в соединении ротор-статор винтового героторного двигателя в плоскости искривления регулятора угла перекоса, а также неполная возможность повышения момента сопротивления и прочностных характеристик приводного вала, увеличения передаваемого крутящего момента, повышения ресурса и надежности приводного вала и двигателя.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, - размещение приводного вала увеличенного диаметра без увеличения внутреннего диаметра полого кривого вала регулятора угла перекоса, повышение момента сопротивления и прочностных характеристик приводного вала, увеличение передаваемого крутящего момента, повышение ресурса и надежности двигателя и приводного вала, проходящего внутри регулятора угла перекоса и передающего крутящий момент от ротора винтового героторного двигателя на вал шпиндельной секции с долотом при максимальном угле искривления, минимальном зазоре между приводным валом и внутренней поверхностью полого кривого вала и максимальном эксцентриситете в соединении ротор-статор винтового героторного двигателя в плоскости искривления регулятора угла перекоса.

Сущность технического решения заключается в том, что в регуляторе угла перекоса гидравлического забойного двигателя, содержащем полый кривой вал с наружными продольными шлицами и резьбами на его краях, прямой и кривой трубчатые переводники, несоосно расположенные между собой, соединенные с полым кривым валом резьбами на направленных один к другому краях, зубчатую муфту с внутренними продольными шлицевыми пазами и зубьями со стороны торца, направленного к торцу кривого трубчатого переводника, установленную на наружных продольных шлицах полого кривого вала между прямым и кривым трубчатыми переводниками, а со стороны торца кривого трубчатого переводника, направленного к зубчатой муфте, выполнены зубья, входящие в зацепление с зубьями зубчатой муфты, при этом прямой трубчатый переводник предназначен для соединения с резьбой статора гидравлического забойного двигателя, а кривой трубчатый переводник предназначен для соединения с резьбой корпуса шпиндельной секции, согласно изобретению зубчатая муфта с внутренними продольными шлицевыми пазами и зубьями со стороны торца, направленного к торцу кривого трубчатого переводника, выполнена с наклоном торца со стороны зубьев, точка пересечения центральной продольной оси зубьев зубчатой муфты относительно центральной продольной оси ее внутренних продольных шлицевых пазов расположена в плоскости торца зубчатой муфты со стороны зубьев, точка пересечения центральной продольной оси резьбы полого кривого вала, соединяющей его с резьбой трубчатого кривого переводника, относительно центральной продольной оси трубчатого прямого переводника расположена в плоскости торца зубчатой муфты со стороны зубьев, а трубчатый кривой переводник выполнен с собственной опорной сегментной площадкой, в поперечном сечении которой расположена плоскость с точкой пересечения центральной продольной оси резьбы трубчатого кривого переводника, соединяющей его с резьбой полого кривого вала, относительно центральной продольной оси резьбы трубчатого кривого переводника, предназначенной для соединения с резьбой корпуса шпиндельной секции.

Точка пересечения центральной продольной оси резьбы трубчатого кривого переводника, соединяющей его с резьбой полого кривого вала, относительно центральной продольной оси резьбы трубчатого кривого переводника, предназначенной для соединения с резьбой корпуса шпиндельной секции, расположена на расстоянии L от плоскости торца зубчатой муфты со стороны зубьев, которое с диаметром D зубчатой муфты связано соотношением: L=(0,85÷1,15)D.

Один из наружных продольных шлицев полого кривого вала и один из внутренних продольных шлицевых пазов зубчатой муфты, входящих в зацепление друг с другом, выполнены отличающимися по толщине шлица и, соответственно, по ширине паза от остальных, соответственно, наружных продольных шлицев полого кривого вала и внутренних продольных шлицевых пазов зубчатой муфты.

Собственная опорная сегментная площадка трубчатого кривого переводника расположена со стороны, противоположной углу перекоса между центральной продольной осью резьбовой части кривого трубчатого переводника, предназначенной для соединения с шпиндельной секцией гидравлического забойного двигателя, и центральной продольной осью резьбовой части кривого трубчатого переводника, предназначенной для соединения с резьбовой частью полого кривого вала.

Образующая собственной опорной сегментной площадки трубчатого кривого переводника расположена над его наружной поверхностью, при этом на собственной опорной сегментной площадке закреплены пластины из твердого сплава.

Выполнение регулятора угла перекоса гидравлического забойного двигателя таким образом, что зубчатая муфта с внутренними продольными шлицевыми пазами и зубьями со стороны торца, направленного к торцу кривого трубчатого переводника, выполнена с наклоном торца со стороны зубьев, точка пересечения центральной продольной оси зубьев зубчатой муфты относительно центральной продольной оси ее внутренних продольных шлицевых пазов расположена в плоскости торца зубчатой муфты со стороны зубьев, точка пересечения центральной продольной оси резьбы полого кривого вала, соединяющей его с резьбой трубчатого кривого переводника, относительно центральной продольной оси трубчатого прямого переводника расположена в плоскости торца зубчатой муфты со стороны зубьев, а трубчатый кривой переводник выполнен с собственной опорной сегментной площадкой, в поперечном сечении которой расположена плоскость с точкой пересечения центральной продольной оси резьбы трубчатого кривого переводника, соединяющей его с резьбой полого кривого вала, относительно центральной продольной оси резьбы трубчатого кривого переводника, предназначенной для соединения с резьбой корпуса шпиндельной секции, обеспечивает размещение приводного вала увеличенного диаметра (в средней части приводного вала) без увеличения внутреннего диаметра полого кривого вала регулятора, повышает момент сопротивления и прочностные характеристики приводного вала, увеличивает передаваемый крутящий момент, ресурс и надежность двигателя и приводного вала, проходящего внутри регулятора угла перекоса и передающего крутящий момент от ротора винтового героторного двигателя на вал шпиндельной секции с закрепленным на нем долотом при максимальном угле искривления, минимальном зазоре между приводным валом и внутренней поверхностью полого кривого вала и максимальном эксцентриситете в соединении ротор-статор винтового героторного двигателя в плоскости искривления регулятора угла перекоса.

Выполнение регулятора угла перекоса гидравлического забойного двигателя таким образом, что точка пересечения центральной продольной оси резьбы трубчатого кривого переводника, соединяющей его с резьбой полого кривого вала, относительно центральной продольной оси резьбы трубчатого кривого переводника, предназначенной для соединения с резьбой корпуса шпиндельной секции, расположена на расстоянии L от плоскости торца зубчатой муфты со стороны зубьев, которое с диаметром D зубчатой муфты связано соотношением: L=(0,85÷1,15)D, обеспечивает расположение точки перекоса регулятора угла гидравлического забойного двигателя максимально приближенной к нижнему шарниру карданного вала, что позволяет сблизить оси карданного вала и отверстия в полом кривом валу, а также обеспечивает максимальный угол искривления (3°) при минимальном зазоре (0,85 мм) между приводным валом и внутренней поверхностью полого кривого вала, максимальном эксцентриситете в соединении ротор-статор винтового героторного двигателя в плоскости искривления регулятора угла перекоса, минимальном уровне резонансных вибраций гидравлического забойного двигателя, при этом напряжения кручении в опасной (средней) зоне карданного вала снижаются дополнительно на (24÷27)%.

Такое выполнение конструкции регулятора угла перекоса гидравлического забойного двигателя повышает также "ремонтопригодность" зубчатой муфты.

В эксплуатации при смене угла перекоса двигателя, при затяжке трубчатого прямого резьбового переводника регулятора угла перекоса происходят повреждения ("задиры") соответствующих упорных торцов на зубчатой муфте и прямом трубчатом переводнике, по существу, из-за попадающего между торцами бурового раствора. В заявляемой конструкции торец (верхний) зубчатой муфты, контактирующий с торцом (нижним) прямого трубчатого переводника, возможно ремонтировать, протачивая в токарном стенке.

Выполнение регулятора угла перекоса гидравлического забойного двигателя таким образом, что один из наружных продольных шлицев полого кривого вала и один из внутренних продольных шлицевых пазов зубчатой муфты, входящих в зацепление друг с другом, выполнены отличающимися по толщине шлица и, соответственно, по ширине паза от остальных, соответственно, наружных продольных шлицев полого кривого вала и внутренних продольных шлицевых пазов зубчатой муфты, обеспечивает экономические преимущества: сборку регулятора угла перекоса только в одном окружном положении при заданном расположении углов перекоса полого кривого вала с наружными продольными шлицами и резьбами на его краях, зубчатой муфты с внутренними продольными шлицевыми пазами и зубьями со стороны нижнего торца, установленной на продольных наружных шлицах полого кривого вала, прямого и кривого трубчатых переводников, несоосно расположенных между собой, а также зубьев со стороны торца кривого трубчатого переводника и зубьев зубчатой муфты.

Обеспечивается сборка регулятора угла перекоса таким образом, что собственная опорная сегментная площадка трубчатого кривого переводника при промежуточных значениях угла перекоса всегда расположена со стороны, противоположной углу перекоса между центральной продольной осью резьбовой части кривого трубчатого переводника, предназначенной для соединения с шпиндельной секцией гидравлического забойного двигателя, и центральной продольной осью резьбовой части кривого трубчатого переводника, предназначенной для соединения с резьбовой частью полого кривого вала, при этом образующая собственной опорной сегментной площадки трубчатого кривого переводника расположена над его наружной поверхностью, при этом на собственной опорной сегментной площадке закреплены пластины из твердого сплава, что повышает устойчивость гидравлического забойного двигателя (винтового многозаходного героторного двигателя) в плоскости искривления колонны бурильных труб, повышает ресурс и надежность регулятора угла перекоса, а также позволяет компенсировать результирующую радиально-неуравновешенную силу, возникающую при вращении бурового долота в стволе скважины, и удерживать контактную сегментную площадку (обтюратор) на регуляторе угла перекоса в плоскости искривления колонны бурильных труб в контакте со стенкой ствола скважины во время бурения.

В эксплуатации были случи отказа гидравлических винтовых героторных двигателей из-за поломок карданных валов в средней части на двигателях ДРУ3-106РС, ДРУ1-98РС. Исследования разрушенных валов, как правило, показывают, что механические свойства материала валов соответствуют требованиям чертежа. Причина разрушения связана с ужесточением условий работы гидравлических забойных двигателей: резонансными ударами и вибрациями, частыми торможениями при бурении изогнутых наклонно направленных и горизонтальных скважин, при использовании в компоновке низа бурильной колонны гидравлических ясов.

С целью предотвращения поломок карданных валов была проработана возможность усиления карданных валов, применяемых на двигателях ДРУ3-106, ДРУ1-98РС. В качестве одной из мер предлагался переход на изготовление указанных валов из стали 38ХН3МФА с лучшими прочностными характеристиками, чем у применяемой стали 40ХН2МА. Предел текучести термообработанной стали 38ХН3МФА составляет не менее 1000 МПа против 780 МПа для стали 40ХН2МА. Это позволяет увеличить прочностные характеристики валов на (28-33)%.

Была рассмотрена возможность увеличения диаметра карданных валов в месте поломки. Для этого были определены минимальные зазоры между карданным валом и внутренней поверхностью сердечника регулятора угла при максимальном угле искривления регулятора и максимальном эксцентриситете в соединении ротор-статор двигательной секции.

Момент сопротивления W карданного вала в опасном сечении определяется по формуле: W=πd³/32 в см³, где d - наружный диаметр карданного вала.

Использование данного изобретения, в котором зубчатая муфта с внутренними продольными шлицевыми пазами и зубьями со стороны торца, направленного к торцу кривого трубчатого переводника, выполнена с наклоном торца со стороны зубьев, точка пересечения центральной продольной оси зубьев зубчатой муфты относительно центральной продольной оси ее внутренних продольных шлицевых пазов расположена в плоскости торца зубчатой муфты со стороны зубьев, точка пересечения центральной продольной оси резьбы полого кривого вала, соединяющей его с резьбой трубчатого кривого переводника, относительно центральной продольной оси трубчатого прямого переводника расположена в плоскости торца зубчатой муфты со стороны зубьев, а трубчатый кривой переводник выполнен с собственной опорной сегментной площадкой, в поперечном сечении которой расположена плоскость с точкой пересечения центральной продольной оси резьбы трубчатого кривого переводника, соединяющей его с резьбой полого кривого вала, относительно центральной продольной оси резьбы трубчатого кривого переводника, предназначенной для соединения с резьбой корпуса шпиндельной секции, обеспечивает размещение карданного вала увеличенного диаметра без увеличения внутреннего диаметра полого кривого вала регулятора угла перекоса, по существу, наружный диаметр карданного вала ДРУ1-98РС.014 может быть увеличен с 33,5 мм до 37 мм, а карданного вала ДРУ3-106РС.008 - с 38 мм до 42 мм. При этом напряжения кручения в опасной зоне уменьшились на 24%.

Увеличение наружного диаметра карданного вала в месте поломки приводит к увеличению момента сопротивления в данном сечении для карданного вала ДРУ1-98РС.014 с 3,69 см³ до 4,97 см³, для карданного вала ДРУ3-106РС.008 - с 5,38 см³ до 7,26 см³, то есть на 25%.

Совместное применение указанных мероприятий приводит к увеличению прочностных характеристик карданных валов ДРУ1-98РС.014 и ДРУ3-106РС.008 на 47% и 51% соответственно.

Точка искривления (перекоса) в заявляемой конструкции регулятора угла перекоса гидравлического забойного двигателя сдвигается вниз, в сторону шпиндельной секции и долота и расположена в поперечном сечении собственной опорной сегментной площадки (обтюратора) трубчатого кривого переводника, вследствие этого уменьшаются (на 33÷47%) изгибающие напряжения в корпусных деталях двигателя, повышается ресурс (на 19÷23%) забойного двигателя вследствие уменьшения износа радиальных опор шпиндельной секции, увеличивается интенсивность набора кривизны при бурении наклонно направленных и горизонтальных скважин.

Ниже представлен лучший вариант регулятора угла перекоса для гидравлического винтового героторного двигателя ДРУ4-106РС, обеспечивающего изменение угла перекоса от нуля до трех градусов с шагом в одну четверть градуса.

На фиг.1 показана компоновка низа бурильной колонны, включающая гидравлический винтовой героторный двигатель, регулятор угла перекоса, шпиндельную секцию и долото.

На фиг.2 показан элемент I на фиг.1 регулятора угла перекоса, скрепленного резьбами со статором винтового героторного двигателя и корпус шпиндельной секции.

На фиг.3 показан регулятор угла перекоса винтового героторного двигателя в плоскости искривления колонны бурильных труб.

На фиг.4 показан разрез А-А на фиг.3 поперек плоскости продольных наружных шлицев полого кривого вала и внутренних продольных шлицевых пазов зубчатой муфты, входящих в зацепление друг с другом.

На фиг.5 показан разрез Б-Б на фиг.3 в поперечной плоскости стыка торцовых зубьев зубчатой муфты и кривого трубчатого переводника.

Винтовой героторный двигатель 1 с регулятором 2 угла перекоса, шпиндельной секцией 3 и долотом 4 в компоновке низа бурильных труб 5 показан на фиг.1.

Внутри регулятора 2 угла перекоса размещен карданный вал 6, содержащий верхнюю полумуфту 7, соединенную резьбой 8 с ротором 9 винтового героторного двигателя 1, а также содержащий нижнюю полумуфту 10, соединенную резьбой 11 с валом 12 шпиндельной секции 3, показано на фиг.2.

Регулятор 2 угла перекоса гидравлического забойного двигателя 1 содержит полый кривой вал 13 с наружными продольными шлицами 14 и резьбами 15 и 16 на его краях, соответственно, 17 и 18, прямой трубчатый переводник 19 и кривой трубчатый переводник 20, несоосно расположенные между собой, соединенные с полым кривым валом 13 резьбами, соответственно, 21 и 22 на направленных один к другому краях, по существу, на крае 17 полого кривого вала 13 и крае 23 прямого трубчатого переводника 19, а также на другом крае 18 полого кривого вала 13 и крае 24 кривого трубчатого переводника 20, показано на фиг.3, 4.

Регулятор 2 угла перекоса гидравлического забойного двигателя 1 содержит зубчатую муфту 25 с внутренними продольными шлицевыми пазами 26 и зубьями 27 со стороны торца 28, направленного к торцу 24 (или к краю 24) кривого трубчатого переводника 20, установленную на наружных продольных шлицах 14 полого кривого вала 13 между торцом 23 (краем 23) прямого трубчатого переводника 19 и торцом 24 (краем 24) кривого трубчатого переводника 20, а со стороны торца 24 кривого трубчатого переводника 20, направленного к торцу 28 зубчатой муфты, выполнены прямоугольные зубья 29, входящие в зацепление с прямоугольными зубьями 27 зубчатой муфты 25, показано на фиг.2, 3, 4.

Прямой трубчатый переводник 19 предназначен для соединения резьбой 30 с резьбой 31 статора 32 гидравлического забойного двигателя 1, а кривой трубчатый переводник 20 предназначен для соединения резьбой 33 с резьбой 34 корпуса 35 шпиндельной секции 3, в которой размещен вал 12 с долотом 4 для бурения скважины, показано на фиг.1, 2, 3, 4.

Кроме того, на фиг.3 показано: поз.36 - центральная продольная ось резьбы 30 прямого трубчатого переводника 19; поз.37 - центральная продольная ось резьбы 15 полого кривого вала 13, соединяющей его с прямым трубчатым переводником 19, при этом центральная продольная ось 36 резьбы 30 прямого трубчатого переводника 19 и центральная продольная ось 37 резьбы 15 полого кривого вала 13, соединяющей его с прямым переводником 19, расположены между собой соосно.

Поз.38 - центральная продольная ось резьбы 33 кривого трубчатого переводника 20, предназначенной для соединения с резьбой 34 корпуса 35 шпиндельной секции 3, в которой размещен вал 12 с долотом 4 для бурения скважины, показано на фиг.3.

Поз.39 - центральная продольная ось резьбы 16 (изогнутой части) полого кривого вала 13, предназначенной для соединения с резьбой 22 (изогнутой части) кривого трубчатого переводника 20.

Центральная продольная ось 38 резьбы 33 кривого трубчатого переводника 20, предназначенной для соединения с резьбой 34 корпуса 35 шпиндельной секции 3, в которой размещен вал 12 с долотом 4 для бурения скважины, пересекается с центральной продольной осью 39 резьбы 16 (изогнутой части) полого кривого вала 13, предназначенной для соединения с резьбой 22 (изогнутой части) кривого трубчатого переводника 20, в точке 40 под углом 41, α, показано на фиг.2, 3.

Зубчатая муфта 25 с внутренними продольными шлицевыми пазами 26 и зубьями 27 зубчатой муфты 25 со стороны торца 28, направленного к торцу 24 кривого трубчатого переводника 20, выполнена с наклоном торца 28 со стороны зубьев 27 под углом 42, β, показано на фиг.2, 3.

Точка 43 пересечения центральной продольной оси 44 зубьев 27 зубчатой муфты 25 относительно центральной продольной оси 45 ее внутренних продольных шлицевых пазов 26 расположена в плоскости торца 28 зубчатой муфты 25 со стороны зубьев 27, показано на фиг.3, 4, 5.

Точка 46 пересечения центральной продольной оси 39 резьбы 16 полого кривого вала 13, соединяющей его с резьбой 22 трубчатого кривого переводника 20, относительно центральной продольной оси 36 трубчатого прямого переводника 19 также расположена в плоскости торца 28 зубчатой муфты 25 со стороны зубьев 27, показано на фиг.3, 4, 5.

Трубчатый кривой переводник 20 выполнен с собственной опорной сегментной площадкой 47, в поперечном сечении которой расположена плоскость 48 с точкой 40 пересечения центральной продольной оси 39 резьбы 22 трубчатого кривого переводника 20, соединяющей его с резьбой 16 полого кривого вала 13, относительно центральной продольной оси 38 резьбы 33 трубчатого кривого переводника 20, предназначенной для соединения с резьбой 34 корпуса 35 шпиндельной секции 3, показано на фиг.2, 3.

Точка 40 пересечения центральной продольной оси 39 резьбы 22 трубчатого кривого переводника 20, соединяющей его с резьбой 16 полого кривого вала 13, относительно центральной продольной оси 38 резьбы 33 трубчатого кривого переводника 20, предназначенной для соединения с резьбой 34 корпуса 35 шпиндельной секции 3 (под углом 41, α), расположена на расстоянии 49, L от плоскости торца 28 зубчатой муфты 25 со стороны зубьев 27, которое с диаметром 50, D зубчатой муфты 25 связано соотношением: L=(0,85÷1,15)D, показано на фиг.2, 3, 5.

Один из наружных продольных шлицев 51 полого кривого вала 13 и один из внутренних продольных шлицевых пазов 52 зубчатой муфты 25, входящих в зацепление друг с другом, выполнены отличающимися по толщине шлица 51 и, соответственно, по ширине паза 52 от остальных, соответственно, наружных продольных шлицев 14 полого кривого вала 13 и внутренних продольных шлицевых пазов 26 зубчатой муфты 25, при этом наружные продольные шлицы 14 на полом кривом валу 13 и внутренние продольные шлицевые пазы 26 в зубчатой муфте 25 соединяются между собой только в одном окружном положении, как показано на фиг.4.

Собственная опорная сегментная площадка 47 трубчатого кривого переводника 20 расположена со стороны, противоположной углу перекоса 41, а между центральной продольной осью 38 резьбовой части 33 кривого трубчатого переводника 20, предназначенной для соединения с резьбой 34 корпуса 35 шпиндельной секции 3, и центральной продольной осью 39 резьбовой части 22 кривого трубчатого переводника, предназначенной для соединения с резьбовой (изогнутой) частью 16 полого кривого вала 13, показано на фиг.2, 3.

Образующая 53 собственной опорной сегментной площадки 47 трубчатого кривого переводника 20 расположена над его наружной поверхностью 54, при этом на собственной опорной сегментной площадке 47 закреплены пластины 55 из твердого сплава, например, карбид вольфрама - кобальт, пропиткой порошка износостойкого материала, например, измельченного литого карбида вольфрама расплавленным металлом-связкой, показано на фиг.2, 3.

Твердость пластин 55 из твердого сплава карбид вольфрама-кобальт составляет (89-92) HRA, толщина пластин составляет (2,5±0,5) мм, расплавленный порошок связки-припоя для крепления пластин 55 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) НRС э.

Кроме того, на фиг.1 показано: поз.56 - зона захвата для механического ключа на прямом трубчатом переводнике 19; поз.57 - зона захвата для механического ключа на кривом трубчатом переводнике 20; поз.58 - направление вращения зубчатой муфты 25 для увеличения угла перекоса.

Кроме того, на фиг.2 показано: поз.59 - обкладка из эластомера с винтовыми зубьями, закрепленная внутри статора 32 гидравлического винтового героторного двигателя 1; поз.60 - максимальный эксцентриситет в соединении ротор 9 - обкладка 59 из эластомера в статоре 32 гидравлического винтового героторного двигателя 1 в плоскости искривления регулятора угла перекоса; поз.61 - внутренняя поверхность полого кривого вала 13; поз.62 - минимальный зазор между приводным карданным валом 6 и внутренней поверхностью 61 полого кривого вала 13; поз.63 - центр поворота карданного вала 6 относительно нижней полумуфты 10, скрепленной резьбой 11 с валом 12 шпиндельной секции.

Регулятор угла перекоса винтового героторного двигателя с шпиндельной секцией и долотом в компоновке низа бурильных труб работает следующим образом: поток бурового раствора под давлением, например, 15÷30 МПа, по колонне бурильных труб 5 подается в винтовые (шлюзовые) камеры между ротором 9 и обкладкой 59 из эластомера, закрепленной внутри статора 32 винтового героторного двигателя 1. Число винтовых зубьев ротора 9 на единицу меньше числа зубьев в обкладке 59 из эластомера, закрепленной внутри статора 32.

Возникающий на роторе 9 крутящий момент сообщает ему планетарно-роторное вращение относительно обкладки 59 из эластомера, закрепленной внутри статора 32 винтового героторного двигателя 1, которое при помощи верхней и нижней полумуфт 7, 10 и карданного вала 6 преобразуется во вращение (в противоположном направлении относительно планетарного вращения ротора 9) вала 12 шпиндельной секции 3 и долота 4, осуществляя бурение скважины. Вертикальный ствол скважины бурят до заданной глубины. Затем буровые трубы бурильной колонны поочередно раскрепляют и поднимают, при этом компоновка низа бурильной колонны находится в вертикальном положении на буровой установке, как показано на фиг.1.

Устанавливают механические ключи на зону 56 прямого трубчатого переводника 19 и зону 57 кривого трубчатого переводника 20 регулятора 2 угла перекоса забойного двигателя 1, как показано на фиг.1. Раскрепляют резьбовое соединение 15 между полым кривым валом 13 и прямым трубчатым переводником 19, а затем отворачивают прямой трубчатый переводник 19 регулятора 2 угла перекоса до появления зазора 20±2 мм в кольцевом стыке между зубчатой муфтой 25 и кольцевым торцом 23 прямого трубчатого переводника 19 регулятора 2 угла перекоса, показано на фиг.1, 3.

В процессе раскрепления резьбового соединения 15-21 зубчатая муфта 25 и кривой трубчатый переводник 20 регулятора 2 угла перекоса забойного двигателя 1 должны оставаться в зацеплении, по существу, прямоугольные зубья 29 со стороны торца 24 кривого трубчатого переводника 20, направленного к торцу 28 зубчатой муфты 25, должны находиться в зацеплении с прямоугольными внутренними зубьями 27 зубчатой муфты 25.

Поднимают зубчатую муфту 25 вверх до выхода из зацепления прямоугольных зубьев 29 кривого трубчатого переводника 20 и прямоугольных внутренних зубьев 27 зубчатой муфты 25. Удерживая зубчатую муфту 25 в верхнем положении, поворачивают ее относительно кривого трубчатого переводника 20 регулятора 2 угла перекоса забойного двигателя 1 до совпадения меток требуемого угла (метки требуемого угла не показаны). Для увеличения угла перекоса поворачивают зубчатую муфту 25 в направлении 58, для уменьшения - в обратном направлении, показано на фиг.1.

Устанавливают механические ключи на зону 56 прямого трубчатого переводника 19 и зону 57 кривого трубчатого переводника 20 регулятора 2 угла перекоса забойного двигателя 1, как показано на фиг.1. Заворачивают резьбовое соединение 15÷21 между полым кривым валом 13 и прямым трубчатым переводником 19, а затем затягивают на заданный крутящий момент прямой трубчатый переводник 19 регулятора угла 2 забойного двигателя 1. Величину крутящего момента свинчивания задают по технологическому процессу.

В процессе свинчивания зубчатая муфта 25 и кривой трубчатый переводник 20 регулятора 2 угла перекоса забойного двигателя 1 должны оставаться в зацеплении, по существу, прямоугольные зубья 29 кривого трубчатого переводника 20 должны находиться в зацеплении с прямоугольными внутренними зубьями 27 зубчатой муфты 25.

Совпадающие фрезерованные метки со значением угла перекоса указывают величину угла перекоса гидравлического забойного двигателя 1. Плоскость искривления регулятора 2 угла перекоса забойного двигателя 1 проходит через совпадающие метки.

Угол искривления регулятора угла перекоса, задающий проектный угол искривления ствола наклонно направленных и горизонтальных скважин, равен простой сумме углов: 41, α и 42, β.

Использование регулятора угла перекоса гидравлического винтового героторного двигателя обеспечивает размещение приводного вала увеличенного диаметра без увеличения внутреннего диаметра полого кривого вала регулятора угла перекоса, что повышает момент сопротивления и прочностные характеристики приводного вала, увеличивает передаваемый крутящий момент, повышает ресурс и надежность двигателя и приводного вала, проходящего внутри регулятора угла перекоса и передающего крутящий момент от ротора винтового героторного двигателя на вал шпиндельной секции с закрепленным на нем долотом при максимальном угле искривления, минимальном зазоре между приводным валом и внутренней поверхностью полого кривого вала и максимальном эксцентриситете в соединении ротор-статор винтового героторного двигателя в плоскости искривления регулятора угла перекоса.

Изобретение относится к буровой технике, а именно к регуляторам угла перекоса гидравлических забойных двигателей в компоновке низа бурильных колонн, задающим проектный угол искривления ствола наклонно направленных и горизонтальных нефтяных скважин. Зубчатая муфта регулятора с внутренними продольными шлицевыми пазами и зубьями со стороны торца, направленного к торцу кривого трубчатого переводника, выполнена с наклоном торца со стороны зубьев. Точка пересечения центральной продольной оси зубьев зубчатой муфты относительно центральной продольной оси ее внутренних продольных шлицевых пазов расположена в плоскости торца зубчатой муфты со стороны зубьев. Точка пересечения центральной продольной оси резьбы полого кривого вала, соединяющей его с резьбой трубчатого кривого переводника, относительно центральной продольной оси трубчатого прямого переводника расположена в плоскости торца зубчатой муфты со стороны зубьев. Трубчатый кривой переводник выполнен с собственной опорной сегментной площадкой, в поперечном сечении которой расположена плоскость с точкой пересечения центральной продольной оси резьбы трубчатого кривого переводника, соединяющей его с резьбой полого кривого вала, относительно центральной продольной оси резьбы трубчатого кривого переводника, предназначенной для соединения с резьбой корпуса шпиндельной секции. Обеспечивает повышение момента сопротивления и прочностные характеристики приводного вала, увеличивает передаваемый крутящий момент, повышает ресурс и надежность двигателя и приводного вала. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Регулятор угла перекоса гидравлического забойного двигателя, содержащий полый кривой вал с наружными продольными шлицами и резьбами на его краях, прямой и кривой трубчатые переводники, несоосно расположенные между собой, соединенные с полым кривым валом резьбами на направленных один к другому краях, зубчатую муфту с внутренними продольными шлицевыми пазами и зубьями со стороны торца, направленного к торцу кривого трубчатого переводника, установленную на наружных продольных шлицах полого кривого вала между прямым и кривым трубчатыми переводниками, а со стороны торца кривого трубчатого переводника, направленного к зубчатой муфте, выполнены зубья, входящие в зацепление с зубьями зубчатой муфты, при этом прямой трубчатый переводник предназначен для соединения с резьбой статора гидравлического забойного двигателя, а кривой трубчатый переводник предназначен для соединения с резьбой корпуса шпиндельной секции, отличающийся тем, что зубчатая муфта с внутренними продольными шлицевыми пазами и зубьями со стороны торца, направленного к торцу кривого трубчатого переводника, выполнена с наклоном торца со стороны зубьев, точка пересечения центральной продольной оси зубьев зубчатой муфты относительно центральной продольной оси ее внутренних продольных шлицевых пазов расположена в плоскости торца зубчатой муфты со стороны зубьев, точка пересечения центральной продольной оси резьбы полого кривого вала, соединяющей его с резьбой трубчатого кривого переводника, относительно центральной продольной оси трубчатого прямого переводника расположена в плоскости торца зубчатой муфты со стороны зубьев, а трубчатый кривой переводник выполнен с собственной опорной сегментной площадкой, в поперечном сечении которой расположена плоскость с точкой пересечения центральной продольной оси резьбы трубчатого кривого переводника, соединяющей его с резьбой полого кривого вала, относительно центральной продольной оси резьбы трубчатого кривого переводника, предназначенной для соединения с резьбой корпуса шпиндельной секции.

2. Регулятор угла перекоса гидравлического забойного двигателя по п.1, отличающийся тем, что точка пересечения центральной продольной оси резьбы трубчатого кривого переводника, соединяющей его с резьбой полого кривого вала, относительно центральной продольной оси резьбы трубчатого кривого переводника, предназначенной для соединения с резьбой корпуса шпиндельной секции, расположена на расстоянии L от плоскости торца зубчатой муфты со стороны зубьев, которое с диаметром D зубчатой муфты связано соотношением:
L=(0,85÷1,15)D.

3. Регулятор угла перекоса гидравлического забойного двигателя по п.1, отличающийся тем, что один из наружных продольных шлицев полого кривого вала и один из внутренних продольных шлицевых пазов зубчатой муфты, входящих в зацепление друг с другом, выполнены отличающимися по толщине шлица и соответственно по ширине паза от остальных соответственно наружных продольных шлицев полого кривого вала и внутренних продольных шлицевых пазов зубчатой муфты.

4. Регулятор угла перекоса гидравлического забойного двигателя по п.1, отличающийся тем, что собственная опорная сегментная площадка трубчатого кривого переводника расположена со стороны, противоположной углу перекоса между центральной продольной осью резьбовой части кривого трубчатого переводника, предназначенной для соединения с шпиндельной секцией гидравлического забойного двигателя, и центральной продольной осью резьбовой части кривого трубчатого переводника, предназначенной для соединения с резьбовой частью полого кривого вала.

5. Регулятор угла перекоса гидравлического забойного двигателя по п.1, отличающийся тем, что образующая собственной опорной сегментной площадки трубчатого кривого переводника расположена над его наружной поверхностью, при этом на собственной опорной сегментной площадке закреплены пластины из твердого сплава.