СИСТЕМА КОМПЕНСАЦИИ ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ПОДШИПНИКОВОГО УЗЛА С МАСЛЯНЫМ УПЛОТНЕНИЕМ ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2015 года по МПК E21B4/02 

Заявление касательно исследования или разработки спонсируемого федеральными властями

[0001] Не применимо.

Область изобретения

[0002] Настоящее изобретение в целом относится к подшипниковым узлам для забойных двигателей, используемых при бурении скважин на нефть, газ и воду. В частности, настоящее изобретение относится к системам компенсации давления для подшипниковых узлов с масляным уплотнением.

Уровень техники

[0003] При бурении ствола скважины в земле, например для извлечения углеводородов или минералов из подземных образований, обычно присоединяют буровую головку к нижнему концу сборки из секций бурильных труб, соединенных концами друг к другу (обычно называемой «буровой колонной»), и затем проворачивают буровую колонну, так что буровая головка перемещается вниз в землю для создания необходимой скважины. В ходе обычных операций вертикального бурения ствола скважины происходит поворот буровой колонны и головки посредством «поворотного стола» или «верхнего привода», связанных с буровой установкой, установленной на поверхности земли над стволом скважиной (или в ходе операций бурения морского дна на установленной в открытом море буровой платформе, или на соответствующим образом приспособленном плавучем судне).

[0004] В процессе бурения буровой раствор (также обычно называемый в промышленности «буровым глинистым раствором» или просто «буровым раствором») закачивают под давлением вниз от поверхности через буровую колонну и из буровой головки в скважину и затем обратно наверх к поверхности через кольцевое пространство между буровой колонной и стволом скважины. Буровой раствор, состав которого может быть основан на воде или масле, обычно достаточно вязок, что увеличивает его способность выносить обломки породы из ствола скважины на поверхность. Буровой раствор может выполнять различные другие важные функции, включая увеличение производительности буровой головки (например, посредством выброса раствора под давлением через отверстия в буровой головке, что создает струи бурового раствора, проникающие внутрь нижележащих пластов породы, находящихся перед буровой головкой, и ослабляет их), охлаждение буровой головки и формирование защитной корки на стенке ствола скважины (для стабилизации и уплотнения стенки ствола скважины).

[0005] В частности, с середины 1980-х годов в нефтегазовой промышленности стало все более желательным и распространенным использование способов «направленного бурения» для бурения горизонтальных и других невертикальных стволов скважин с целью облегчения более эффективного доступа и добычи из большего количества подземных областей, содержащих углеводородные соединения, чем это было бы возможно при использовании только вертикальных стволов скважин. При направленном бурении специализированные компоненты буровой колонны и «нижней части бурильной колонны» (ВНА) использованы для создания, контроля и управления отклонений в траектории при перемещении буровой головки для создания ствола скважины желательной невертикальной конфигурации.

[0006] Направленное бурение, как правило, выполняют, используя «забойный двигатель» (иначе называемый «забойным турбинным двигателем»), прикрепленный к буровой колонне непосредственно над буровой головкой. Обычный забойный двигатель содержит несколько основных компонентов, а именно (в порядке, начиная с вершины блока двигателя):

- верхний переходник, предназначенный для облегчения соединения с нижним концом буровой колонны («переходник» представляет собой обычный общий термин в нефтегазовой промышленности для любого малого или вторичного компонента буровой колонны);

- силовую секцию, содержащую определенным образом смещенный двигатель известного типа с ротором, крыльчатка которого имеет спиралевидную форму с возможностью эксцентричного поворота внутри секции статора;

- ведущий вал, расположенный в корпусе так, что верхний конец ведущего вала функционально прикреплен к ротору силовой секции; и

- подшипниковую секцию, содержащую цилиндрический шпиндель, коаксиально и с возможностью поворота расположенный внутри цилиндрического корпуса так, что верхний конец прикреплен к нижнему концу ведущего вала, а нижний конец предназначен для прикрепления к буровой головке.

Поворот шпинделя происходит от ведущего вала, поворот которого происходит в результате потока бурового раствора под давлением через силовую секцию. Поворот шпинделя происходит относительно цилиндрического корпуса, прикрепленного к буровой колонне.

[0007] При бурении с использованием забойного двигателя буровой раствор циркулирует под давлением через буровую колонну и возвращается к поверхности, как и при обычных способах бурения. Однако подаваемый под давлением буровой раствор, выходящий из нижнего конца бурильной трубы, отклонен через силовую секцию забойного двигателя, чтобы выработать мощность для поворота буровой головки.

[0008] Подшипниковая секция должна обеспечивать возможность относительного поворота между шпинделем и корпусом, передавая при этом между ними осевые нагрузки. Осевые нагрузки возникают в двух операционных режимах бурения: нагрузка «на дне» и нагрузка «вне дна». Нагрузка «на дне» соответствует режиму работы, в ходе которого буровая головка осуществляет бурение подземных образований под воздействием вертикальной нагрузки, обусловленной весом буровой колонны, которая, в свою очередь, находится в состоянии сжатия; другими словами, буровая головка расположена на дне ствола скважины. Нагрузка «вне дна» соответствует режимам работы, в ходе которых головка поднята со дна ствола скважины, и буровая колонна растянута (то есть когда головка поднята со дна ствола скважины и подвешена на буровой колонне, например, когда буровая колонна вынута из ствола скважины, или при расширении ствола скважины в направлении вверх по стволу скважины). Такое состояние имеет место, например, при вытаскивании буровой колонны из скважины и воздействии сил растяжения на буровую колонну вследствие веса ее узлов. Растягивающие нагрузки, проходящие через корпус подшипниковой секции и шпиндель, также возникают, когда буровой раствор циркулирует при поднятой со дна буровой головке вследствие перепада давления между буровой головкой и подшипниковым узлом.

[0009] В соответствии с этим подшипниковая секция забойного двигателя должна быть способна выдерживать осевые нагрузки в обоих осевых направлениях при повороте шпинделя в корпусе. Подшипниковая секция забойного двигателя может быть выполнена с одним или большим количеством подшипников, противостоящих только осевым нагрузкам в режиме «на дне», с другими одним или несколькими подшипниками, противостоящими только осевым нагрузкам в режиме «вне дна». В качестве альтернативы один или большее количество двунаправленных осевых подшипников могут быть использованы для противодействия нагрузкам в обоих режимах. Обычная сборка осевых подшипников содержит подшипники (обычно, но не обязательно, роликовые подшипники, расположенные внутри корпуса), расположенные внутри кольцевого вида камеры.

[0010] Подшипники, расположенные в подшипниковой секции забойного двигателя, могут быть с масляной смазкой или со смазкой в виде бурового раствора. В подшипниковом узле с масляным уплотнением подшипники расположены внутри заполненного маслом резервуара в кольцевой области между шпинделем и корпусом таким образом, что резервуар ограничен внутренними поверхностями корпуса и внешней поверхностью шпинделя, а также элементами уплотнения на каждом конце резервуара. Вследствие относительного поворота между шпинделем и корпусом эти элементы уплотнения должны иметь поворотные уплотнения.

[0011] Подшипниковые секции забойного двигателя также содержат большее количество радиальных подшипников для поддержания соосности между шпинделем и корпусом подшипника. В узле с масляным уплотнением радиальные подшипники могут быть выполнены в виде втулок, расположенных в кольцевом пространстве между внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью шпинделя. Желательно максимизировать радиальную опору для шпинделя, чтобы максимизировать сопротивление шпинделя напряжениям изгиба, возникающим при бурении непрямолинейных скважин.

[0012] Подшипниковый узел с масляным уплотнением должен содержать средства компенсации давления, посредством которых происходит автоматическая регулировка объема кольцевого резервуара с маслом для компенсации изменений объема масла вследствие изменения температуры. Кроме того, определенные типы выполненных из эластомера поворотных уплотнений (таких как уплотнения марки «KALSI SEALS®») предназначены для медленной закачки масла под поверхность уплотнения, и это приводит к постепенному уменьшению объема масла, которое также должно быть компенсировано. Для достижения оптимальных рабочих характеристик поворотного уплотнения необходимо, чтобы поверхность уплотнения шпинделя была как можно более износостойкой и имела очень высокую степень отделки поверхности.

[0013] В обычном способе обеспечения компенсации давления в подшипниковом узле с масляным уплотнением использован выполненный в виде кольца поршень, расположенный внутри кольцеобразной области (или «поршневой камеры») между корпусом и шпинделем. Внешний диаметр поршня герметичен относительно внутреннего отверстия корпуса (посредством одного или нескольких скользящих уплотнений, в виде уплотнительных колец) и также может содержать антиповоротные уплотнения, предотвращающие поворот поршня относительно корпуса. Внутренний диаметр поршня герметичен относительно шпинделя посредством поворотного уплотнения, выполняющего поворот относительно шпинделя во время работы, а также скользящего в осевом направлении вдоль шпинделя во время перемещения поршня. Поворотное уплотнение и скользящие уплотнения, связанные с поршнем, ограничивают, таким образом, верхний конец масляного резервуара внутри подшипникового узла.

[0014] Длина шпинделя находящегося ниже исходного положения поршня должна быть достаточной для того, чтобы вместить ход поршня, имеющий место при изменении объема масла со временем (или вследствие изменения температуры или утечки масла). Отверстие в корпусе также должно быть непрерывным вдоль этой длины, образуя цилиндрический резервуар для масла. Таким образом, самая верхняя радиальная опора расположена в точке ниже резервуара с маслом.

Следовательно, в обычной подшипниковой секции с масляным уплотнением забойного двигателя большая часть шпинделя не имеет радиальной опоры.

[0015] В качестве альтернативы радиальная опора для шпинделя может до некоторой степени быть обеспечена непосредственно поршнем, который осуществляет компенсацию давления. Однако длина радиальной опоры ограничена длиной поршня (причем желательно сведение ее к минимуму), и шпиндель все еще будет неподдерживаемым вдоль длины масляного резервуара (указанная длина которого будет наибольшей при полном масляном резервуаре и расположении поршня в самом верхнем положении).

[0016] Для достижения оптимальных рабочих характеристик поворотного уплотнения необходимо, чтобы поверхность уплотнения шпинделя была как можно более износостойкой и имела очень высокую степень качества поверхности. Это обычно достижимо при использовании такой поверхностной обработки, как выполнение стойкого к истиранию покрытия методом алмазного шлифования. Для того чтобы обеспечить возможность осевого перемещения поршня внутри поршневой камеры, обработку поверхности шпинделя необходимо выполнять вдоль длины, соответствующей по меньшей мере диапазону перемещения поворотного уплотнения поршня и, предпочтительно, вдоль полной длины поршневой камеры.

[0017] В соответствии с этим при современном уровне техники существует необходимость в системе компенсации давления для подшипниковых узлов с масляным уплотнением забойного двигателя, оказывающей радиальную опору для части шпинделя, соответствующей ходу поршня для компенсации давления. Раскрытые варианты реализации настоящего изобретения направлены на выполнение этих целей.

Раскрытие изобретения

[0018] В соответствии с по меньшей мере одним раскрытым здесь вариантом реализации настоящего изобретения цилиндрическая гильза расположена коаксиально, внутри цилиндрического корпуса подшипникового узла с масляным уплотнением в забойном двигателе таким образом, что гильза не совершает поворота относительно корпуса, а цилиндрическая камера сформирована между внешним диаметром гильзы и внутренним диаметром корпуса. Шпиндель подшипникового узла совершает поворот коаксиально внутри гильзы, причем соответствующие подшипниковые устройства (например, втулка) расположены между внутренним диаметром гильзы и внешним диаметром шпинделя. Гильза обеспечивает эффективную радиальную опору соответствующей длине шпинделя посредством изгибной жесткости гильзы, так что изгибающие напряжения, возникающие в шпинделе в ходе операций бурения скважин, будут меньше напряжений, возникающих в подшипниковом узле, не содержащем радиальной опорной гильзы.

[0019] Вышеупомянутая цилиндрическая камера, находящаяся между внешним диаметром радиальной опорной гильзы и внутренним диаметром корпуса, образует часть кольцевого масляного резервуара, в котором расположены один или большее количество нагрузочных подшипников с масляной смазкой. Выполненный в виде кольца поршень, выравнивающий давление, расположен внутри цилиндрической камеры и имеет возможность осевого перемещения внутри камеры в качестве реакции на изменение объема масла в масляном резервуаре. Поскольку оказывающая радиальную опору гильза не способна поворачиваться относительно корпуса, поршень просто скользит внутри цилиндрической камеры и, таким образом, может использовать простые уплотнения скольжения, а не поворотные уплотнения, которые обычно дороже и подвержены износу в большей степени, чем неповоротные уплотнения.

Кроме того, нет необходимости обеспечения поршня антиповоротными уплотнениями, что, таким образом, значительно уменьшает трение уплотнения, которое должно быть преодолено при перемещении поршня во время процесса компенсации. В соответствии с этим, в дополнение к обеспечению радиальной опоры для шпинделя вдоль длины цилиндрической камеры (в отличие от обычных подшипниковых узлов с масляным уплотнением), оказывающая радиальную опору гильза дополнительно обеспечивает значительное преимущество, устраняя необходимость использования поворотных уплотнений в выравнивающем давление поршне. Вместо этого верхнее поворотное уплотнение для масляного резервуара расположено в фиксированном положении внутри корпуса, а не связано с поршнем, таким образом, не происходит его перемещения во время работы. Следовательно, длина шпинделя, требующего обработки с образованием износостойкой поверхности для поворотного уплотнения, может быть сведена к минимуму, что приводит к существенному снижению издержек.

[0020] В соответствии с этим, по меньшей мере, один раскрытый здесь вариант реализации настоящего изобретения описывает систему компенсации давления масла для подшипниковой секции забойного двигателя, причем система компенсации давления содержит:

цилиндрическую гильзу, с возможностью поворота расположенную коаксиально вокруг внешней цилиндрической поверхности шпинделя подшипниковой секции в области над камерой подшипника, вместе с радиальным подшипником, расположенным между внутренней поверхностью гильзы и внешней цилиндрической поверхностью шпинделя, причем гильза без возможности вращения прикреплена к корпусу с образованием цилиндрической поршневой камеры между внешней поверхностью гильзы и внутренней поверхностью корпуса; и

кольцевой поршень, расположенный внутри поршневой камеры, так что поршень способен выполнять перемещение в осевом направлении и без возможности вращения внутри поршневой камеры, причем внутренняя и внешняя поверхности поршня выполнены с возможностью взаимодействия с внешней поверхностью гильзы и внутренней поверхностью корпуса, соответственно, с обеспечением уплотнения.

[0021] Согласно другой особенности по меньшей мере один раскрытый здесь вариант реализации настоящего изобретения описывает подшипниковую секцию для забойного двигателя, причем подшипниковая секция содержит:

удлиненный шпиндель, расположенный коаксиально и с возможностью поворота внутри удлиненного цилиндрического корпуса, причем в шпинделе обработана внешняя поверхность, а в корпусе - внутренняя;

кольцевой масляный резервуар, ограниченный внешней поверхностью шпинделя и внутренней поверхностью корпуса и проходящий между верхним и нижним поворотными уплотнениями между шпинделем и корпусом, причем часть указанного масляного резервуара определяет кольцевую камеру подшипника;

цилиндрическую гильзу с внутренней и внешней цилиндрическими поверхностями, причем гильза расположена коаксиально и с возможностью поворота вокруг внешней цилиндрической поверхности шпинделя в области над камерой подшипника, вместе с радиальным подшипником, расположенным между внутренней поверхностью гильзы и внешней цилиндрической поверхностью шпинделя, причем гильза прикреплена к корпусу без возможности поворота с образованием цилиндрической поршневой камеры между внешней поверхностью гильзы и внутренней поверхностью корпуса; и

кольцевой поршень, расположенный внутри поршневой камеры, так что поршень способен к перемещению в осевом направлении и без возможности поворота внутри поршневой камеры, причем внутренняя и внешняя поверхности поршня выполнены с возможностью взаимодействия с внешней поверхностью гильзы и внутренней поверхностью корпуса, соответственно с обеспечением уплотнения.

[0022] Согласно еще одной особенности по меньшей мере один раскрытый здесь вариант реализации настоящего изобретения описывает способ выполнения увеличенной радиальной опоры для шпинделя, выполненного с возможностью вращения внутри цилиндрического корпуса подшипниковой секции забойного двигателя с камерой подшипника, причем способ включает операции:

обеспечение цилиндрической гильзы с внутренней и внешней цилиндрическими поверхностями; и

установка гильзы коаксиально в области над камерой подшипника и с возможностью вращения вокруг внешней цилиндрической поверхности шпинделя, вместе с опорным подшипником, расположенным между цилиндрической внутренней поверхностью гильзы и внешней цилиндрической поверхностью шпинделя, причем гильза выполнена без возможности поворота относительно корпуса.

[0023] Таким образом, описанные здесь варианты реализации настоящего изобретения включают комбинацию признаков и преимуществ, направленных на устранение различных недостатков, связанных с определенными предшествующими устройствами, системами и способами. Описанные выше различные характеристики, а также другие особенности, после прочтения последующего подробного описания изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, будут совершенно очевидны для специалистов.

Краткое описание чертежей

[0024] Для подробного описания предпочтительных вариантов реализации настоящего изобретения будут сделаны ссылки на прилагаемые чертежи, на которых цифрами обозначены одинаковые части, в которых:

[0025] на фиг. 1 показано продольное поперечное сечение, проведенное через подшипниковую секцию забойного двигателя известного из уровня техники;

[0026] на фиг. 2 показано увеличенное подробное изображение поршня, компенсирующего давление в подшипниковой секции, известного из уровня техники по фиг. 1;

[0027] на фиг. 3 показано продольное поперечное сечение, проведенное через подшипниковую секцию забойного двигателя, содержащую средства компенсации давления в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения;

[0028] на фиг. 4 показано увеличенное подробное изображение поршня, компенсирующего давление в подшипниковой секции, показанной на фиг. 3.

Подробное описание предпочтительных вариантов реализации изобретения

[0029] Последующее описание направлено на раскрытие различных вариантов реализации настоящего изобретения. Хотя один или несколько из этих вариантов реализации изобретения могут быть более предпочтительными, описанные варианты реализации изобретения не должны быть интерпретированы или иным образом использованы как ограничивающие объем настоящего изобретения, включая пункты формулы изобретения. Кроме того, специалисту понятно, что последующее описание имеет широкий диапазон применения, и описание любого варианта реализации изобретения представляет собой лишь пример и не позволяет говорить о сужении области применения данного изобретения, включая пункты формулы изобретения, этим вариантом реализации изобретения.

[0030] Определенные термины использованы в последующем описании и в пунктах формулы изобретения для указания на конкретные признаки или компоненты. Как понятно специалисту, различные лица могут упоминать один и тот же признак или один и тот же компонент под различными названиями. Этот документ не предназначен для описания различений между компонентами или признаками, отличающимися по названию, но не по функции. Чертежи не должны обязательно быть выполнены с соблюдением масштаба. Некоторые показанные здесь признаки и компоненты могут быть отображены в увеличенном масштабе или изображены схематично, а некоторые детали обычных элементов могут быть опущены для того, что бы рисунок выглядел ясным и не перегруженным информацией.

[0031] В последующем описании и в пунктах формулы изобретения термины «включающий» и «содержащий» использованы с поправкой на то, что они должны быть интерпретированы как «включая, но не ограничиваясь…». Кроме того, термин «связанный» или «связанные» означает как косвенную, так и прямую связь. Таким образом, если первое устройство связано со вторым устройством, это соединение может быть выполнено напрямую или посредством косвенной связи через другие устройства, компоненты и соединения. Кроме того, использованные здесь термины «осевой» и «аксиальный» обычно относятся к направлению вдоль или параллельно центральной оси (например, центральной оси корпуса или отверстия), а термины «радиальный» и «радиально» обычно относятся к направлению, перпендикулярному к центральной оси. Например, осевое расстояние относится к расстоянию, измеренному вдоль или параллельно центральной оси, а радиальное расстояние означает расстояние, измеренное перпендикулярно к центральной оси.

[0032] Любое использование в любой форме терминов «прикреплен», «установлен», «зацеплен», «соединен», «присоединен» или любого другого термина, описывающего взаимодействие между элементами, не означает ограничение этого взаимодействия прямым взаимодействием между рассматриваемыми элементами и может также включать косвенное взаимодействие между элементами, например, посредством вторичной или промежуточной структуры. Описывающие относительное положение термины, такие как «параллельный», «перпендикулярный», «совпадающий», «пересекающийся» и «равноотстоящий», не подразумевают абсолютной математической или геометрической точности и не требуют ее. Соответственно такие термины следует понимать как обозначающие или требующие существенную точность лишь в том случае (например, «по существу параллельные»), если контекст очевидно не требует иного.

[0033] На фиг. 1 показан обычный подшипниковый узел с масляным уплотнением в подшипниковой секции 10 известного из уровня техники забойного двигателя, а на фиг. 2 показан поршень 80 компенсации давления, состоящий из узла, известного из уровня техники. Подшипниковая секция 10 содержит шпиндель 20, имеющий верхний конец 20U, нижний конец 20L и центральное отверстие 22, через которое буровой раствор может быть прокачан вниз к буровой головке (не показана), прикрепленной непосредственно или косвенно к нижнему концу 20L шпинделя 20. Шпиндель 20 коаксиально и с возможностью вращения расположен внутри цилиндрического корпуса 30, который обычно состоит из нескольких свинченных вместе подсекций (таких как 30А, 30В, 30С, 30D на фиг. 1). Корпус 30 содержит верхний конец 30U, который имеет возможность крепления к нижнему концу корпуса ведущего вала (не показан) забойного двигателя, и нижний конец 30L (через который выдвинут нижний конец 20L шпинделя 20). Верхний конец 20U шпинделя 20 имеет возможность крепления к ведущему валу (не показан) забойного двигателя, так что ведущий вал будет поворачивать шпиндель 20 внутри и относительно корпуса 30. В показанном узле нижнее поворотное уплотнение 15 расположено между шпинделем 20 и корпусом 30 вблизи нижнего конца подсекции 30С корпуса 30.

[0034] В показанной подшипниковой секции 10, известной из уровня техники, подшипниковый узел 50 расположен внутри кольцевой камеры подшипника между шпинделем 20 и корпусом 30, примерно посередине подшипниковой секции 10. Для наглядности подшипниковый узел 50 показан как содержащий нижний подшипник 52 (с соответствующими обоймами подшипника) для противодействия осевым нагрузкам в режиме «вне дна»; верхний подшипник 54 (с соответствующими обоймами подшипника) для противодействия осевым нагрузкам в режиме «на дне» и разрезное кольцо 56, прикрепленное к шпинделю 20, для создания передающих нагрузку заплечиков с целью передачи осевых нагрузок на подшипники 52 и 54. Однако структурные и действующие детали подшипникового узла 50 не имеют непосредственного отношения к вариантам реализации настоящего изобретения и поэтому не раскрыты подробно в описании этого патента. Между подшипниковым узлом 50 и нижним концом 30L корпуса 30 нижний радиальный подшипник (показанный в виде нижней втулки 24) расположен в кольцевом пространстве между шпинделем 20 и корпусом 30 для обеспечения радиальной опоры шпинделю 20 при его повороте внутри корпуса 30.

[0035] Обращаясь теперь к фиг. 1 и 2, можно видеть, что в области над подшипниковым узлом 50 цилиндрическая поршневая камера 70 сформирована между внешней цилиндрической поверхностью 21 шпинделя 20 и внутренней цилиндрической поверхностью 31 корпуса 30. Кольцевой поршень 80 расположен внутри цилиндрической поршневой камеры 70 с возможностью аксиального перемещения в обоих направлениях. Поршень 80 обычно не имеет возможности поворота относительно корпуса 30, при этом верхний конец 20U шпинделя 20 поворачивается относительно поршня 80 и корпуса 30. Соответственно, поршень 80 несет поворотное уплотнение 82, предназначенное для уплотнения поршня 80, относительно шпинделя 20 при перемещении поршня 80 в осевом направлении внутри цилиндрической поршневой камеры 70 и при повороте шпинделя 20 внутри и относительно поршня 80. Верхний конец поршня 80 также переносит грязесъемник 85, входящий в контакт с внешней поверхностью 21 шпинделя 20. Поршень 80 также изображен со втулкой 84, контактирующей с внешней поверхностью 21 шпинделя 20, и несколькими скользящими уплотнениями 83, контактирующими с внутренней поверхностью 31 корпуса 30. При необходимости поршень 80 может также содержать внешнюю втулку 86, контактирующую с внутренней поверхностью 31 корпуса 30, как показано на фиг. 2. Обычно кольцевой масляный резервуар сформирован между нижним поворотным уплотнением 15, поршнем 80 (с соответствующими уплотнениями), внешней поверхностью 21 шпинделя 20 и внутренней поверхностью 31 корпуса 30 и содержит поршневую камеру 70 и камеру подшипника, связанную с подшипниковым узлом 50. Как видно на фиг. 2, поршень 80 может содержать один или большее количество каналов 87 для масла и 88 бурового раствора, предназначенных для распределения масла и бурового раствора (соответственно) между внутренней и внешней поверхностями поршня 80 для предотвращения блокировки гидравлического давления между парами уплотнений.

[0036] Поршневая камера 70 содержит верхний конец 70U и нижний конец 70L, определяющие длину L_РТ хода поршня, то есть расстояние, на которое может быть перемещен поршень 80. Верхний радиальный подшипник (показанный в виде верхней втулки 26) выполнен в кольцевом пространстве между шпинделем 20 и корпусом 30 в области между подшипниковым узлом 50 и нижним концом 70L поршневой камеры 70. Однако часть шпинделя 20 с длиной, соответствующей длине L_РТ хода поршня, не имеет никакой радиальной опоры (кроме любой радиальной опоры переменного объема, осуществляемой поршнем 80).

[0037] На фиг. 3 и 4 показана подшипниковая секция 100 забойного двигателя, содержащая систему компенсации давления в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. Подшипниковая секция 100 содержит шпиндель 20, корпус 30 и нижнее поворотное уплотнение 15, в целом описанные и проиллюстрированные со ссылками на подшипниковую секцию 10, известную из уровня техники и изображенную на фиг. 1. Подшипниковая секция 100 содержит подшипниковый узел 50, расположенный внутри кольцевой камеры подшипника между шпинделем 20 и корпусом 30, примерно посередине подшипниковой секции 100. Подшипниковый узел 50 показан как идентичный подшипниковому узлу 50 на фиг. 1, но может иметь другую конфигурацию в других примерах реализации изобретения. В подшипниковой секции 10, известной из уровня техники, нижняя втулка 24 выполнена в кольцевом пространстве между шпинделем 20 и корпусом 30 между подшипниковым узлом 50 и нижним концом 30L корпуса 30 для оказания радиальной опоры шпинделю 20 при его повороте внутри корпуса 30. Верхнее поворотное уплотнение 182 расположено внутри корпуса 30 (по направлению к его верхнему концу 30U) для уплотнения корпуса 30 относительно шпинделя 20 при повороте шпинделя 20 внутри и относительно корпуса 30.

[0038] В точке над (и более предпочтительно непосредственно над) подшипниковым узлом 50, цилиндрическая гильза 90 установлена коаксиально внутри корпуса 30 таким образом, что гильза 90 не имеет возможности поворота относительно корпуса, и таким образом, что кольцевая камера 170 поршня (с верхним концом 170U и нижним концом 170L) образована между внешней цилиндрической поверхностью 91 гильзы 90 и внутренней цилиндрической поверхностью 31 корпуса 30. В целом, гильза 90 может быть без возможности поворота прикреплена к корпусу 30 любым подходящим способом, известным из области техники. В качестве примера, не ограничивающего объем данного изобретения, это достигается в варианте реализации изобретения, показанном на фиг. 3, посредством выполнения нижнего конца гильзы 90 с круговым выступом 94, выступающим в радиальном направлении наружу от внешней цилиндрической поверхности 91 для облегчения прикрепления к корпусу 30 посредством, например, резьбового соединения, показанного на фиг. 3 под соответствующим обозначением 94А. Один или большее количество нефтепроводных каналов 95 идут в осевом направлении через край 94, обеспечивая возможность потока масла между поршневой камерой 170 и подшипниковым узлом 50.

[0039] Верхний конец 96 гильзы 90 прикреплен к корпусу 30 любым подходящим и надежным средством крепления (например, не ограничиваясь этим вариантом реализации, посредством трения, обусловленного крутящим моментом, приложенным к резьбовому соединению 94А). Верхняя втулка 126 выполнена в кольцевом пространстве между шпинделем 20 и внутренней цилиндрической поверхностью 92 гильзы 90, для облегчения поворота шпинделя 20 внутри гильзы 90 (при необходимости с каналами 28 смазки, выполненными во внутренней цилиндрической поверхности 92 гильзы 90 и обеспечивающими возможность прохождения масла для смазки втулки 126 и верхнего поворотного уплотнения 182).

[0040] Кольцевой выравнивающий давление поршень 180 расположен внутри поршневой камеры 170 с возможностью осевого перемещения в обоих направлениях. Поршень 180 имеет внешнюю поверхность 180А, предназначенную для скользящего взаимодействия с внутренней поверхностью 31 корпуса 30 вместе с внешним уплотнением 93А, и внутреннюю поверхность 180 В, предназначенную для скользящего взаимодействия с внешней поверхностью 91 гильзы 90 вместе с внутренним уплотнением 93 В. Поскольку гильза 90 выполнена без возможности поворота относительно корпуса 30, не происходит поворот поршня 180 и относительно корпуса 30, и относительно гильзы 90. В соответствии с этим внешнее уплотнение 93А и внутреннее уплотнение 93В могут быть скользящими уплотнениями (например, кольцевыми уплотнениями или манжетными уплотнениями), а не поворотными уплотнениями.

[0041] В целом кольцевой масляный резервуар расположен между нижним поворотным уплотнением 15, верхним поворотным уплотнением 182, поршнем 90 (со скользящими уплотнениями 93А и 93В), внешней поверхностью 91 гильзы 90, внешней поверхностью 21 шпинделя 20 и внутренней поверхностью 31 корпуса 30 и содержит поршневую камеру 170 и камеру подшипника, связанную с подшипниковым узлом 50. Поршень 180 также показан с дополнительной втулкой 184, взаимодействующей с внешней поверхностью 91 гильзы 90. На внешней поверхности поршня 180 может быть дополнительно расположена втулка, в частности, втулка может состоять в соединении с внешней поверхностью поршня.

[0042] Гильза 90 оказывает эффективную радиальную опору соответствующей длине шпинделя 20 посредством изгибной жесткости гильзы 90. Кроме того, поскольку поршень 180 не совершает поворота относительно корпуса 30 или относительно гильзы 90, поворотные и антиповоротные уплотнения внутри поршня 180 не нужны. В связи с тем, что происходит перемещение верхнего поворотного уплотнения 82 в узле известного из уровня техники по фиг. 1 и 2 вдоль шпинделя 20 во время работы поршня 80, верхнее поворотное уплотнение 182 узла по фиг. 3 и 4 расположено в фиксированном положении внутри корпуса 30, так что не происходит его перемещения во время работы поршня 180. Следовательно, длина внешней поверхности 21 шпинделя 20, требующей поверхностной обработки с приданием свойства износостойкости для поворотного уплотнения 182, может быть сведена к минимуму, что в результате позволяет снизить издержки. Кроме того, и в отличие от поршня 80, известного из уровня техники по фиг. 2, поршень 180 может использовать лишь одно верхнее уплотнение и лишь одно нижнее уплотнение, как показано на фиг. 3, так что блокировка гидравлического давления не представляет собой проблему, а поршень 180 не обязательно должен иметь каналы 87 для масла и каналы 88 для бурового раствора, как в поршне 80.

[0043] Хотя были показаны и описаны предпочтительные варианты реализации изобретения, их модификации могут быть выполнены специалистом без выхода за пределы объема и идей данного изобретения. Описанные здесь варианты реализации изобретения приведены в качестве примеров и не ограничивают объем данного изобретения. Возможны многие варианты исполнения и модификации описанных здесь систем, устройств и способов, не выходящие за пределы объема данного изобретения. Например, могут быть различными относительные размеры различных частей, материалы, из которых выполнены различные части, и другие параметры могут быть изменены. В соответствии с этим объем защиты не ограничен описанными здесь вариантами реализации изобретения, а ограничен лишь последующими пунктами формулы изобретения, причем область их действия должна содержать все варианты объекта изобретения.

Группа изобретений относится к области бурения скважин, а именно к системам компенсации давления для подшипниковых узлов с масляным уплотнением. Подшипниковая секция забойного двигателя содержит удлиненный шпиндель, расположенный коаксиально с удлиненным цилиндрическим корпусом, имеющим продольную ось, и с возможностью поворота в нем. Шпиндель имеет внешнюю поверхность, а корпус имеет внутреннюю поверхность. Подшипниковая секция дополнительно содержит кольцевой масляный резервуар, расположенный в радиальном направлении между внешней поверхностью шпинделя и внутренней поверхностью корпуса и проходящий в осевом направлении между верхним поворотным уплотнением и нижним поворотным уплотнением, каждое из которых расположено в радиальном направлении между шпинделем и корпусом, причем частью масляного резервуара образована кольцевая камера подшипника; компенсационную систему для компенсации давления масла, содержащую: цилиндрическую гильзу, имеющую внутреннюю цилиндрическую поверхность и внешнюю цилиндрическую поверхность и расположенную коаксиально с внешней цилиндрической поверхностью шпинделя в области, расположенной в осевом направлении над камерой подшипника, причем гильза соединена без возможности поворота с корпусом с образованием кольцевой поршневой камеры между внешней цилиндрической поверхностью гильзы и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса, при этом шпиндель выполнен с возможностью поворота относительно гильзы, а компенсационная система дополнительно содержит: круговой выступ, выполненный на нижнем конце гильзы, соединяющий указанную гильзу с корпусом и содержащий нефтепроводный канал, обеспечивающий возможность прохода через него масла, радиальный подшипник, расположенный между внутренней цилиндрической поверхностью гильзы и внешней цилиндрической поверхностью шпинделя; и кольцевой поршень, расположенный в поршневой камере без возможности поворота и выполненный с возможностью перемещения в ней в осевом направлении и содержащий внутреннюю поверхность, взаимодействующую с внешней поверхностью гильзы с обеспечением уплотнения, и внешнюю поверхность, взаимодействующую с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса с обеспечением уплотнения. Обеспечивается радиальная опора шпинделя. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Подшипниковая секция забойного двигателя, имеющая верхний конец и нижний конец и содержащая:
удлиненный шпиндель, расположенный коаксиально с удлиненным цилиндрическим корпусом, имеющим продольную ось, и с возможностью поворота в нем, причем
шпиндель имеет внешнюю поверхность, а корпус имеет внутреннюю поверхность, а подшипниковая секция дополнительно содержит
кольцевой масляный резервуар, расположенный в радиальном направлении между внешней поверхностью шпинделя и внутренней поверхностью корпуса и проходящий в осевом направлении между верхним поворотным уплотнением и нижним поворотным уплотнением, каждое из которых расположено в радиальном направлении между шпинделем и корпусом, причем частью масляного резервуара образована кольцевая камера подшипника;
компенсационную систему для компенсации давления масла, содержащую:
цилиндрическую гильзу, имеющую внутреннюю цилиндрическую поверхность и внешнюю цилиндрическую поверхность и расположенную коаксиально с внешней цилиндрической поверхностью шпинделя в области, расположенной в осевом направлении над камерой подшипника, причем
гильза соединена без возможности поворота с корпусом с образованием кольцевой поршневой камеры между внешней цилиндрической поверхностью гильзы и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса, при этом шпиндель выполнен с возможностью поворота относительно гильзы, а компенсационная система дополнительно содержит:
круговой выступ, выполненный на нижнем конце гильзы, соединяющий указанную гильзу с корпусом и содержащий нефтепроводный канал, обеспечивающий возможность прохода через него масла,
радиальный подшипник, расположенный между внутренней цилиндрической поверхностью гильзы и внешней цилиндрической поверхностью шпинделя; и
кольцевой поршень, расположенный в поршневой камере без возможности поворота и выполненный с возможностью перемещения в ней в осевом направлении и содержащий внутреннюю поверхность, взаимодействующую с внешней поверхностью гильзы с обеспечением уплотнения, и внешнюю поверхность, взаимодействующую с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса с обеспечением уплотнения.

2. Подшипниковая секция забойного двигателя по п. 1, в которой на внутренней поверхности поршня расположено неповоротное уплотнение для уплотняющего взаимодействия с внешней цилиндрической поверхностью гильзы.

3. Подшипниковая секция забойного двигателя по п. 1, в которой на внешней поверхности поршня расположено неповоротное уплотнение для уплотняющего взаимодействия с внутренней поверхностью корпуса.

4. Подшипниковая секция забойного двигателя по п. 1, в которой выступ выступает в радиальном направлении наружу от внешней цилиндрической поверхности гильзы и выполнен с возможностью неповоротного соединения с корпусом.

5. Подшипниковая секция забойного двигателя по п. 1, в которой радиальный подшипник содержит втулку.

6. Подшипниковая секция забойного двигателя по п. 5, в которой во внутренней цилиндрической поверхности гильзы выполнен один или большее количество каналов смазки.

7. Подшипниковая секция забойного двигателя по п. 1, в которой в соединении с внутренней поверхностью поршня выполнена втулка.

8. Подшипниковая секция забойного двигателя по п. 1, в которой в соединении с внешней поверхностью поршня выполнена втулка.

9. Подшипниковая секция для забойного двигателя, содержащая:
удлиненный шпиндель, расположенный коаксиально с удлиненным цилиндрическим корпусом, имеющим продольную ось, и с возможностью поворота в нем, причем
шпиндель имеет внешнюю поверхность, а корпус имеет верхний конец, нижний конец и внутреннюю поверхность;
кольцевой масляный резервуар, ограниченный внешней поверхностью шпинделя и внутренней поверхностью корпуса и проходящий в осевом направлении между верхним поворотным уплотнением и нижним поворотным уплотнением, каждое из которых расположено между шпинделем и корпусом, при этом
частью масляного резервуара образована кольцевая камера подшипника;
цилиндрическую гильзу, имеющую внутреннюю цилиндрическую поверхность и внешнюю цилиндрическую поверхность, при этом гильза расположена коаксиально с внешней цилиндрической поверхностью шпинделя в области, расположенной над камерой подшипника, причем
гильза без возможности поворота прикреплена к корпусу с образованием кольцевой поршневой камеры между внешней цилиндрической поверхностью гильзы и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса, при этом шпиндель выполнен с возможностью поворота относительно гильзы;
радиальный подшипник, расположенный между внутренней цилиндрической поверхностью гильзы и внешней цилиндрической поверхностью шпинделя; и
выполненный кольцевым поршень, расположенный в поршневой камере, выполненный с возможностью перемещения в осевом направлении и без возможности поворота в поршневой камере и имеющий внутреннюю поверхность, выполненную с возможностью уплотняющего взаимодействия с внешней цилиндрической поверхностью гильзы, и внешнюю поверхность, выполненную с возможностью уплотняющего взаимодействия с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса.

10. Подшипниковая секция по п. 9, в которой внутренняя поверхность поршня выполнена с возможностью уплотняющего взаимодействия с внешней цилиндрической поверхностью гильзы посредством неповоротного уплотнения.

11. Подшипниковая секция по п. 9, в которой внешняя поверхность поршня выполнена с возможностью уплотняющего взаимодействия с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса посредством неповоротного уплотнения.

12. Подшипниковая секция по п. 9, в которой гильза содержит круговой выступ, выступающий в радиальном направлении наружу от внешней цилиндрической поверхности гильзы и соединенный с корпусом без возможности поворота.

13. Подшипниковая секция по п. 9, в которой радиальный подшипник содержит втулку.

14. Подшипниковая секция по п. 13, в которой во внутренней цилиндрической поверхности гильзы выполнен один или большее количество каналов смазки.

15. Подшипниковая секция по п. 9, в которой в соединении с внутренней поверхностью поршня выполнена втулка.

16. Подшипниковая секция по п. 9, в которой в соединении с внешней поверхностью поршня выполнена втулка.

17. Способ выполнения увеличенной радиальной опоры для удлиненного шпинделя в соединении с удлиненной подшипниковой секцией забойного двигателя, включающий
обеспечение цилиндрической гильзы, имеющей верхний конец, нижний конец, внутреннюю цилиндрическую поверхность и внешнюю цилиндрическую поверхность, и
расположение гильзы в области между кольцевой камерой подшипника и верхним поворотным уплотнением коаксиально вокруг внешней цилиндрической поверхности шпинделя, расположенного коаксиально с удлиненным цилиндрическим корпусом и с возможностью поворота в нем, при этом указанный шпиндель имеет внешнюю поверхность, а указанный корпус имеет внутреннюю поверхность, при этом кольцевая камера подшипника сформирована в кольцевом масляном резервуаре, ограниченном внешней поверхностью шпинделя и внутренней поверхностью корпуса и проходящем между верхним поворотным уплотнением и нижним поворотным уплотнением, расположенными между шпинделем и корпусом, при этом гильза не имеет возможности поворота относительно корпуса, а шпиндель имеет возможность поворота относительно гильзы;
присоединение гильзы к корпусу с помощью кругового выступа, расположенного на нижнем конце гильзы, причем выступ содержит нефтепроводный канал; и
обеспечение радиального подшипника, расположенного между внутренней цилиндрической поверхностью гильзы и внешней цилиндрической поверхностью шпинделя.

18. Способ по п. 17, в котором радиальный подшипник содержит втулку.

19. Способ по п. 18, в котором во внутренней цилиндрической поверхности гильзы выполнен один или большее количество каналов смазки.

20. Способ по п. 17, в котором цилиндрическая поршневая камера сформирована между внешней цилиндрической поверхностью гильзы и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса, при этом способ дополнительно включает этап обеспечения средств компенсации давления, содержащих выполненный кольцевым поршень, расположенный в поршневой камере с возможностью перемещения в ней в осевом направлении, причем поршень имеет внутреннюю поверхность, выполненную с возможностью уплотняющего взаимодействия с внешней цилиндрической поверхностью гильзы, и внешнюю поверхность, выполненную с возможностью уплотняющего взаимодействия с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса.