ГЕРОТОРНЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2018 года по МПК E21B4/02 

Изобретение относится к гидравлическим приводам для вращательного бурения, размещаемым в скважине, а именно к героторным гидравлическим двигателям для бурения нефтяных скважин.

Известен гидравлический забойный двигатель с алмазной опорой скольжения, содержащий корпус двигателя с размещенным внутри него ротором, вращение которого осуществляется насосной подачей текучей среды, а также корпус шпинделя с размещенным внутри него валом, установленным на осевой и радиальных опорах скольжения, вал шпинделя соединен приводным валом с ротором двигателя и скреплен с долотом, при этом часть текучей среды прокачивается через осевую и радиальные опоры скольжения, а осевая опора шпинделя выполнена в виде двух пар роторных и статорных колец с закрепленным в каждом из них кольцевым рядом упорных модулей, статорные кольца скреплены с корпусом шпинделя, роторные кольца скреплены с валом шпинделя, а каждый упорный модуль содержит слой поликристаллических алмазов на торце, обращенном к торцам смежных модулей, и поочередно контактирует с одним или двумя торцами смежных модулей (US 4620601 А, 04.11.1986).

Недостатком известной конструкции является выполнение вала шпинделя без ловильного бурта, а ниппеля - без ловильного пояса, что в случае поломки вала шпинделя исключает возможность подъема с бурильной колонной срезанной части вала шпинделя, скрепленной с долотом, из наклонно направленных и горизонтальных скважин.

Известен винтовой забойный двигатель, содержащий одну или несколько двигательных секций, каждая из которых содержит трубчатый корпус, закрепленную в корпусе обкладку из эластомера с внутренними винтовыми зубьями и установленный внутри обкладки ротор с наружными винтовыми зубьями, а также шпиндельный узел, содержащий корпусные элементы и выходной вал, элементы соединения, соединяющие ротор двигательной секции и выходной вал шпиндельного узла и (или) роторы двигательных секций, переводник, соединяющий корпус двигательной секции и корпус шпиндельного узла и (или) корпусы двигательных секций (RU 2241107 С1, 27.11.2004).

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

В известной конструкции плоскости сечения корпуса шпинделя по впадине первого сопряженного витка резьбы ниппеля, а также сечения ниппеля по впадине первого сопряженного витка резьбы корпуса шпинделя расположены вне поперечного сечения нижней радиальной опоры скольжения, что увеличивает расстояние от долота до края рабочей поверхности радиальной опоры скольжения ("вылет" долота).

Недостатком известной конструкции является также выполнение вала шпинделя без ловильного бурта, а ниппеля - без ловильного пояса, что исключает возможность подъема с колонной бурильных труб шпинделя с долотом из наклонно направленных и горизонтальных скважин при разрушении резьбового соединения между шпинделем и переводником, не снижает стоимость работ при бурении нефтяных скважин.

Недостатком известной конструкции является также неполная возможность повышения точности проходки наклонно направленных и горизонтальных скважин, повышения темпа набора параметров кривизны скважин, а также повышения проходимости, т.е. уменьшения сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны (КНБК) в изогнутой колонне бурильных труб за счет уменьшения длины КНБК при прохождении через радиусные интервалы ствола наклонно направленных и горизонтальных скважин.

Это объясняется тем, что гибкий переводник, соединяющий корпус двигательной секции, корпусной элемент и корпус опорного (шпиндельного) узла, увеличивает длину КНБК для бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин, что снижает проходимость, т.е. увеличивает сопротивление и напряжения в КНБК при прохождении через радиусные интервалы ствола наклонно направленных и горизонтальных скважин.

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

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

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

Недостатком известного двигателя является также неполная возможность обеспечения первоначального радиального люфта вала шпиндельной секции в нижней радиальной опоре скольжения за время назначенного ресурса, повышения точности проходки наклонно направленных и горизонтальных скважин, повышения темпа набора параметров кривизны скважин, а также повышения проходимости, т.е. уменьшения сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны за счет уменьшения изгиба вала шпинделя в нижней радиальной опоре скольжения и уменьшения длины КНБК при прохождении через радиусные интервалы ствола наклонно направленных и горизонтальных скважин.

Известен гидравлический забойный двигатель, который в процессе эксплуатации может использоваться в бурильной колонне для роторного бурения, содержащий полый корпус, размещенный внутри него героторный винтовой механизм, включающий соосно расположенный в корпусе статор и установленный внутри статора ротор, вращение которого осуществляется насосной подачей текучей среды, шпиндельную секцию, включающую вал, установленный на осевой опоре, выполненной в виде упорно-радиального многорядного подшипника, а также на верхней и нижней радиальных опорах скольжения, состоящих из наружной и внутренней втулок, размещенных в корпусе шпиндельной секции, и соответственно, на валу шпиндельной секции, вал шпиндельной секции скреплен на входе приводным валом с ротором, а на выходе скреплен с долотом, двигатель снабжен верхним ловильным устройством, состоящим из вала, упора и гайки, и нижним ловильным устройством, выполненным в виде ловильной втулки с наружным ловильным буртом, упорного кольца и нижнего резьбового переводника с внутренним ловильным буртом, верхнее ловильное устройство скреплено с верхней частью ротора героторного винтового механизма, а нижнее ловильное устройство установлено на валу шпиндельной секции между внутренней втулкой нижней радиальной опоры и осевой опорой, выполненной в виде шарикового упорно-радиального многорядного подшипника, при этом вал шпиндельной секции и ловильная втулка нижнего ловильного устройства с наружным ловильным буртом скреплены между собой с помощью общей резьбы с возможностью обеспечения натяга по торцам упорного кольца, расположенного между торцами ловильной втулки и внутренней втулки нижней радиальной опоры скольжения, при этом направление свинчивания резьбы вала шпиндельной секции и ловильной втулки нижнего ловильного устройства совпадает с направлением вращения бурильной колонны при подъеме из скважины (RU 2515627 С1, 20.05.2014).

Недостатком известной конструкции является неполная возможность увеличения ресурса и надежности гидравлического забойного двигателя, повышения точности проходки наклонно направленных и горизонтальных скважин и темпа набора параметров кривизны скважин, а также улучшения проходимости, т.е. уменьшения сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны при прохождении через радиусные интервалы ствола изогнутой скважины за счет уменьшения жесткости корпусов шпиндельной и двигательной секций при прохождении через радиусные интервалы ствола изогнутой скважины в условиях интенсивного трения по стволу скважины, с использованием в колонне бурильных труб гидравлических ясов, а также за счет уменьшения изгиба вала шпиндельной секции и обеспечения первоначального радиального люфта вала шпиндельной секции в нижней радиальной опоре скольжения за время назначенного ресурса.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является гидравлический забойный двигатель, содержащий корпус с размещенным внутри него винтовым ротором, вращение которого осуществляется насосной подачей текучей среды, корпус шпинделя с размещенным внутри него валом, установленным на осевой опоре, выполненной в виде шарикового упорно-радиальном многорядного подшипника, а также на верхней и нижней радиальных опорах скольжения, вал шпинделя соединен приводным валом с ротором и скреплен с долотом, корпусы двигателя и шпинделя скреплены резьбовым переводником, а нижняя радиальная опора шпинделя закреплена ниппелем, при этом корпус шпинделя и ниппель скреплены резьбой, например, конической, вал шпинделя выполнен с ловильным буртом, а ниппель выполнен с ловильным поясом, при этом плоскости сечения корпуса шпинделя по впадине первого сопряженного витка резьбы ниппеля, а также сечения ниппеля по впадине первого сопряженного витка резьбы корпуса шпинделя расположены в осевом направлении в пределах рабочей поверхности нижней радиальной опоры скольжения, соответственно от края нижней радиальной опоры, направленного к осевой опоре, а также от края нижней радиальной опоры, направленного к долоту, на расстоянии, по меньшей мере, равном суммарной толщине стенок корпуса шпинделя и ниппеля в их резьбовом соединении, при этом расстояние между краем рабочей поверхности нижней радиальной опоры и ближним краем осевой опоры равно, по меньшей мере, расстоянию между плоскостями сечения корпуса шпинделя по впадине первого сопряженного витка резьбы ниппеля и сечения ниппеля по впадине первого сопряженного витка резьбы корпуса шпинделя (RU 2357062 С2, 27.05.2009).

Недостатком известной конструкции является неполная возможность увеличения ресурса и надежности гидравлического забойного двигателя, повышения точности проходки наклонно направленных и горизонтальных скважин и темпа набора параметров кривизны скважин, а также улучшения проходимости, т.е. уменьшения сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны при прохождении через радиусные интервалы ствола изогнутой скважины за счет уменьшения жесткости корпусов шпиндельной и двигательной секций при прохождении через радиусные интервалы ствола изогнутой скважины в условиях интенсивного трения по стволу скважины, с использованием в колонне бурильных труб гидравлических ясов, а также за счет уменьшения изгиба вала шпиндельной секции и обеспечения первоначального радиального люфта вала шпиндельной секции в нижней радиальной опоре скольжения за время назначенного ресурса.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, является увеличение ресурса и надежности гидравлического забойного двигателя, повышение точности проходки наклонно направленных и горизонтальных скважин и темпа набора параметров кривизны скважин, а также улучшение проходимости, т.е. уменьшение сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны при прохождении через радиусные интервалы ствола изогнутой скважины за счет уменьшения жесткости корпусов шпиндельной и двигательной секций при прохождении через радиусные интервалы ствола изогнутой скважины в условиях интенсивного трения по стволу скважины, с использованием в колонне бурильных труб гидравлических ясов, а также за счет уменьшения изгиба вала шпиндельной секции и обеспечения первоначального радиального люфта вала шпиндельной секции в нижней радиальной опоре скольжения за время назначенного ресурса.

Сущность технического решения заключается в том, что в героторном гидравлическом двигателе, содержащем трубчатый корпус, размещенный внутри него винтовой героторный механизм, включающий соосно расположенную в корпусе обкладку из эластомера и установленный внутри корпуса ротор, вращение которого осуществляется насосной подачей текучей среды, корпус шпиндельной секции с размещенным внутри него валом, установленным на осевой опоре, выполненной в виде шарикового упорно-радиального многорядного подшипника, а также на верхней и нижней радиальных опорах скольжения, состоящих из наружной и внутренней втулок, размещенных в корпусе шпиндельной секции, и соответственно, на валу шпиндельной секции, вал шпиндельной секции скреплен на входе приводным валом с ротором двигателя, а на выходе скреплен с долотом, корпусы двигателя и шпиндельной секции скреплены между собой резьбовым переводником, а нижняя радиальная опора шпиндельной секции закреплена ниппелем, при этом корпус шпиндельной секции и ниппель скреплены общей резьбой, согласно изобретению корпус шпиндельной секции содержит пояс повышенной жесткости, характеризующийся выполнением стенки корпуса увеличенной толщиной, расположенный выше по потоку от плоскости сечения корпуса шпиндельной секции по впадине первого сопряженного витка резьбы ниппеля до плоскости сечения одного из нижних по потоку рядов шариков шарикового упорно-радиального многорядного подшипника, при этом момент инерции Jп поперечного сечения упомянутого пояса повышенной жесткости в корпусе шпиндельной секции и момент инерции Jк поперечного сечения корпуса шпиндельной секции в плоскости каждого, расположенного выше по потоку от пояса повышенной жесткости ряда шариков шарикового упорно-радиального многорядного подшипника, связаны соотношением: при этом диаметр d шпиндельной секции в плоскости пояса повышенной жесткости в корпусе шпиндельной секции и диаметр dк шпиндельной секции в плоскости каждого, расположенного выше по потоку от пояса повышенной жесткости ряда шариков шарикового упорно-радиального многорядного подшипника связаны соотношением: а диаметр (к шпиндельной секции в плоскости каждого, расположенного выше по потоку от пояса повышенной жесткости ряда шариков шарикового упорно-радиального многорядного подшипника, и диаметр dд корпуса двигателя связаны соотношением:

Корпус двигательной секции содержит во входной по потоку части пояс пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки корпуса уменьшенной толщиной, расположенным между краем обкладки из эластомера в корпусе и полным последним витком внутренней резьбы во входной по потоку части корпуса, а в выходной по потоку части корпуса содержит пояс пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки корпуса уменьшенной толщиной, расположенным между краем обкладки из эластомера в корпусе и полным последним витком внутренней резьбы в выходной по потоку части корпуса, при этом отношение уменьшенной толщины стенок корпуса во входной и выходной частях трубчатого корпуса к наружному диаметру корпуса составляет 0,065÷0,095.

Выполнение героторного гидравлического двигателя таким образом, что корпус шпиндельной секции содержит пояс повышенной жесткости, характеризующийся выполнением стенки корпуса увеличенной толщиной, расположенный выше по потоку от плоскости сечения корпуса шпиндельной секции по впадине первого сопряженного витка резьбы ниппеля до плоскости сечения одного из нижних по потоку рядов шариков шарикового упорно-радиального многорядного подшипника, при этом момент инерции Jп поперечного сечения упомянутого пояса повышенной жесткости в корпусе шпиндельной секции и момент инерции Jк поперечного сечения корпуса шпиндельной секции в плоскости каждого, расположенного выше по потоку от пояса повышенной жесткости ряда шариков шарикового упорно-радиального многорядного подшипника, связаны соотношением: при этом диаметр d шпиндельной секции в плоскости пояса повышенной жесткости в корпусе шпиндельной секции и диаметр dк шпиндельной секции в плоскости каждого, расположенного выше по потоку от пояса повышенной жесткости ряда шариков шарикового упорно-радиального многорядного подшипника, связаны соотношением: а диаметр dк шпиндельной секции в плоскости каждого, расположенного выше по потоку от пояса повышенной жесткости ряда шариков шарикового упорно-радиального многорядного подшипника, и диаметр dд корпуса двигателя связаны соотношением: обеспечивает увеличение ресурса и надежности гидравлического забойного двигателя, повышение точности проходки наклонно направленных и горизонтальных скважин и темпа набора параметров кривизны скважин, а также улучшение проходимости, т.е. уменьшение сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны при прохождении через радиусные интервалы ствола изогнутой скважины за счет уменьшения жесткости корпусов шпиндельной и двигательной секций при прохождении через радиусные интервалы ствола изогнутой скважины в условиях интенсивного трения по стволу скважины, с использованием в колонне бурильных труб гидравлических ясов, а также за счет уменьшения изгиба вала шпиндельной секции и обеспечения первоначального радиального люфта вала шпиндельной секции в нижней радиальной опоре скольжения за время назначенного ресурса.

Выполнение героторного гидравлического забойного двигателя таким образом, что корпус двигательной секции содержит во входной по потоку части пояс пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки корпуса уменьшенной толщиной, расположенным между краем обкладки из эластомера в корпусе и полным последним витком внутренней резьбы во входной по потоку части корпуса, а в выходной по потоку части корпуса содержит пояс пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки корпуса уменьшенной толщиной, расположенным между краем обкладки из эластомера в корпусе и полным последним витком внутренней резьбы в выходной по потоку части корпуса, при этом отношение уменьшенной толщины стенок корпуса во входной и выходной частях трубчатого корпуса к наружному диаметру корпуса составляет (0,065÷0,095), обеспечивает повышение точности проходки наклонно направленных и горизонтальных скважин, повышение темпа набора параметров кривизны скважин, а также улучшение проходимости, т.е. уменьшение сопротивления и напряжений в КНБК за счет уменьшения жесткости, что обеспечивает изгиб корпуса двигательной секции при прохождении через радиусные интервалы ствола изогнутой скважины в условиях интенсивного трения по стволу скважины.

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

Допустимое значение радиального люфта вала шпиндельной секции в нижней радиальной (твердосплавной) опоре скольжения, который определяет величину утечек текучей среды-бурового раствора, прокачиваемого через шпиндельную секцию, например, для двигателя ДРУ-172РФ.800 в составе РУС (роторной управляемой системы) составляет, например, 0,75 мм за время назначенного ресурса.

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

Ниже представлен лучший вариант героторного винтового гидравлического двигателя ДРУ-172РФ.800 с двигательной секцией, в которой корпус двигателя (статор) выполнен с одинаковой толщиной обкладки из эластомера (R-Wall), и шпиндельной секцией, скрепленных регулируемым модулем угла перекоса.

На фиг. 1 изображен продольный разрез героторного гидравлического двигателя ДРУ-172РФ.800, скрепленного регулируемым модулем угла перекоса с шпиндельной секцией.

На фиг. 2 изображен разрез А-А на фиг. 1 поперек корпуса двигателя с внутренними винтовыми зубьями и обкладкой из эластомера, число зубьев ротора равно 6, число зубьев обкладки и число зубьев внутри корпуса двигателя равно 7.

На фиг. 3 изображен элемент Б на фиг. 1 нижней части корпуса шпиндельной секции.

На фиг. 4 изображен регулируемый модуль угла перекоса, включающий полый кривой вал с продольными шлицами и резьбами на его краях, прямой и кривой переводники и зубчатую муфту.

На фиг. 5 изображен разрез В-В на фиг. 4 поперек полого кривого вала и зубчатой муфты.

На фиг. 6 изображен разрез Г-Г на фиг. 4 поперек полого кривого вала и кривого переводника в плоскости торца зубчатой муфты со стороны зубьев.

Героторный гидравлический двигатель содержит трубчатый корпус 1, размещенный внутри него винтовой героторный механизм 2, который включает соосно расположенную в трубчатом корпусе 1 внутреннюю поверхность 3, выполненную в форме геликоида, по существу, с внутренними винтовыми зубьями 4, причем на входном по потоку текучей среды 5 краю 6 трубчатого корпуса 1 выполнена внутренняя коническая резьба 7, например, РКТ154×6,35×1:9,6 СТП 001-2007, на выходном по потоку текучей среды 5 краю 8 трубчатого корпуса 1 выполнена внутренняя коническая резьба 9, например, РКТ 154×6,35×1:9,6 СТП 001-2007, а также содержит закрепленную в трубчатом корпусе 1 обкладку 10 из эластомера, например, из резины ИРП-1226-5 ТУ 2512-039-05766882, прилегающую к внутренней поверхности 3 трубчатого корпуса 1, при этом обкладка 10 из эластомера выполнена с внутренними винтовыми зубьями 11 и совпадает по форме с внутренними винтовыми зубьями 4 в трубчатом корпусе 1, а также содержит установленный внутри трубчатого корпуса 1 с обкладкой 10 из эластомера винтовой ротор 12, число зубьев 13 винтового ротора 12 на единицу меньше числа винтовых зубьев 11 обкладки 10 из эластомера, при этом планетарное вращение и передача вращающего момента (в противоположном направлении) винтового ротора 12 осуществляется насосной подачей текучей среды 5, например, бурового раствора, содержащего абразивные частицы, 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, изображено на фиг. 1, 2.

Героторный гидравлический двигатель содержит корпус 14 шпиндельной секции с размещенным внутри него валом 15, установленным на осевой опоре 16, выполненной в виде шарикового упорно-радиального многорядного подшипника, а также на верхней по потоку текучей среды 5 радиальной (твердосплавной) опоре 17 скольжения, состоящей из наружной втулки 18 размещенной в корпусе 14 шпиндельной секции, и внутренней втулки 19, размещенной на валу 15 шпиндельной секции, а также на нижней по потоку текучей среды 5 радиальной (твердосплавной) опоре 20 скольжения, состоящей из наружной втулки 21 закрепленной в корпусе 14 шпиндельной секции при помощи ниппеля 22, и внутренней втулки 23, размещенной на валу 15 шпиндельной секции, при этом корпус 14 шпиндельной секции и ниппель 22 скреплены общей резьбой 24, например, МК158×6×1:16, при этом часть текучей среды 5, например, бурового раствора, содержащего абразивные частицы, 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 прокачивается через верхнюю радиальную опору 17 скольжения, осевую опору 16 и нижнюю радиальную опору 20 скольжения, осуществляя смазку и охлаждение вращающихся частей, изображено на фиг. 1, 3.

Вал 15 шпиндельной секции скреплен на входе потока текучей среды 5 приводным (карданным) валом 25, по существу скреплен при помощи выходного шарнирного модуля 26 и входного шарнирного модуля 27 с винтовым ротором 12 двигателя, а на валу 15 шпиндельной секции выполнена муфтовая резьба 28, например, 41\ 2Reg (3-117), предназначенная для крепления долота (долото не изображено), при этом корпус 1 двигателя и корпус 14 шпиндельной секции жестко скреплены между собой регулируемым модулем угла перекоса 29 (с двумя изогнутыми центральными осями) с возможностью регулирования углов перекоса, при максимальном угле до 3°, изображено на фиг. 1, 3, 4.

Корпус 14 шпиндельной секции содержит пояс 30 повышенной жесткости, характеризующийся выполнением стенки 31 корпуса 14 шпиндельной секции увеличенной толщиной, расположенный выше по потоку текучей среды 5 от плоскости 32 сечения корпуса 14 шпиндельной секции по впадине 33 первого сопряженного витка резьбы 24 ниппеля 22 до плоскости 34 сечения одного из нижних, например, нижнего по потоку текучей среды 5 ряда 35 шариков 36 (без сепараторов) шарикового упорно-радиального многорядного подшипника 16 (осевой опоры 16), изображено на фиг. 1, 3.

Момент инерции Jп поперечного сечения пояса 30 повышенной жесткости в корпусе 14 шпиндельной секции определяется по формуле где π=3,14159…, π=d₀/d, при этом d₀ - внутренний диаметр 37 в поперечном сечении корпуса шпинделя 14, равный наружному диаметру Дн подшипника, a d - наружный диаметр 38 корпуса шпинделя 14 в плоскости пояса повышенной жесткости, изображено на фиг. 3.

Момент инерции Jк поперечного сечения части 39 корпуса 14 шпиндельной секции в плоскости каждого, расположенного выше по потоку 5 от пояса 30 повышенной жесткости ряда шариков 36, например, ряда 40 шарикового упорно-радиального многорядного подшипника 16, определяется по формуле где π=3,14159…, c=d₀/dк, при этом d₀ - внутренний диаметр 37 в поперечном сечении корпуса шпинделя 14, равный наружному диаметру Дн подшипника, a dк - наружный диаметр 41 корпуса шпинделя 14 части 39 корпуса 14 шпиндельной секции, по существу, в плоскости каждого, расположенного выше по потоку 5 от пояса 30 повышенной жесткости ряда шариков 36, например, ряда 40 шарикового упорно-радиального многорядного подшипника 16, изображено на фиг. 3.

Момент инерции Jп поперечного сечения пояса 30 повышенной жесткости в корпусе 14 шпиндельной секции и момент инерции Jк поперечного сечения части 39 корпуса 14 шпиндельной секции в плоскости каждого, расположенного выше по потоку 5 от пояса 30 повышенной жесткости ряда шариков 36, например, ряда 40 шарикового упорно-радиального многорядного подшипника 16, связаны соотношением: изображено на фиг. 1,3.

Диаметр d, 38 шпиндельной секции в плоскости пояса 30 повышенной жесткости в корпусе 14 шпиндельной секции и диаметр dк, 41 шпиндельной секции в плоскости каждого, расположенного выше по потоку 5 от пояса 30 повышенной жесткости ряда шариков 36, например, ряда 40 шариков 36 шарикового упорно-радиального многорядного подшипника 16, связаны соотношением: а диаметр dк, 41 шпиндельной секции в плоскости каждого, расположенного выше по потоку 5 от пояса 30 повышенной жесткости ряда шариков 36, например, ряда 40 шариков 36 шарикового упорно-радиального многорядного подшипника 16, и диаметр 42, d_д корпуса 1 двигателя связаны соотношением: изображено на фиг. 1, 3.

Корпус 1 двигательной секции содержит во входной по потоку 5 части 6 пояс пониженной жесткости 43, характеризующийся выполнением стенки 44 корпуса 1 уменьшенной толщиной 45, расположенным между краем 46 обкладки 10 из эластомера в корпусе 1 и полным последним витком 47 внутренней резьбы 7 во входной по потоку 5 части 6 корпуса 1, а в выходной по потоку 5 части 8 корпуса 1 содержит пояс 48 пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки 44 корпуса 1 уменьшенной толщиной 49, расположенным между краем 50 обкладки 10 из эластомера в корпусе 1 и полным последним витком 51 внутренней резьбы 9 в выходной по потоку 5 части 8 корпуса 1, при этом отношение уменьшенной толщины 45 и, соответственно, 49 стенки 44 корпуса 1 во входной по потоку 5 части 6 трубчатого корпуса 1 и в выходной по потоку 5 части 8 трубчатого корпуса 1 к наружному диаметру d_д, 42 корпуса 1 составляет 0,065÷0,095, изображено на фиг. 1.

Резьбовой переводник между корпусом 1 героторного гидравлического двигателя и корпусом 14 шпиндельной секции выполнен в виде регулируемого модуля 29 угла перекоса, изображено на фиг. 1.

Регулируемый модуль 29 угла перекоса гидравлического забойного двигателя 1 содержит полый кривой вал 52 с наружными продольными шлицами 53 и резьбами 54 и 55 на его краях, соответственно, 56 и 57, а также содержит прямой трубчатый переводник 58 и кривой трубчатый переводник 59, несоосно расположенные между собой, соединенные с полым кривым валом 52 резьбами, соответственно, 60 и 61 на направленных один к другому краях, по существу, на крае 56 полого кривого вала 52 и крае 62 прямого трубчатого переводника 58, а также на другом крае 57 полого кривого вала 52 и крае 63 кривого трубчатого переводника 59, изображено на фиг. 1, 4, 5, 6.

Регулируемый модуль 29 угла перекоса гидравлического забойного двигателя 1 содержит зубчатую муфту 64 с внутренними продольными шлицевыми пазами 65 и зубьями 66 со стороны торца 67, направленного к торцу 63 (или к краю 63) кривого трубчатого переводника 59, установленную на наружных продольных шлицах 53 полого кривого вала 52 между торцом 62 (краем 62) прямого трубчатого переводника 58 и торцом 63 (краем 63) кривого трубчатого переводника 59, а со стороны торца 63 кривого трубчатого переводника 59, направленного к торцу 67 зубчатой муфты 64, выполнены прямоугольные зубья 68, входящие в зацепление с прямоугольными зубьями 66 зубчатой муфты 64, изображено на фиг. 2, 3, 4, 5, 6.

Прямой трубчатый переводник 58 предназначен для скрепления (с заданным моментом затяжки) резьбы 69 с резьбой 9 корпуса 1 героторного гидравлического двигателя, а кривой трубчатый переводник 59 предназначен для скрепления (с заданным моментом затяжки) резьбы 70 с резьбой 71 корпуса 14 шпиндельной секции (с заданным углом перекоса), в которой размещен вал 15 с резьбой 28 для крепления долота для бурения скважины, изображено на фиг. 1, 4.

Кроме того, на фиг. 4 изображено: поз. 72 - центральная продольная ось резьбы 69 прямого трубчатого переводника 58; поз. 73 - центральная продольная ось резьбы 54 полого кривого вала 52, соединяющей его с прямым трубчатым переводником 58, при этом центральная продольная ось 72 резьбы 69 прямого трубчатого переводника 58 и центральная продольная ось 73 резьбы 54 полого кривого вала 52, соединяющей его с прямым переводником 58, расположены между собой соосно.

Поз. 74 - центральная продольная ось резьбы 70 кривого трубчатого переводника 59, предназначенной для соединения с резьбой 71 корпуса шпиндельной секции 14, в которой размещен вал 15 с резьбой 28 для крепления долота для бурения скважины, изображено на фиг. 1,4.

Поз. 75 - центральная продольная ось резьбы 55 (изогнутой части) полого кривого вала 52, предназначенной для соединения с резьбой 61 (изогнутой части) кривого трубчатого переводника 59, изображено на фиг. 1, 4.

Центральная продольная ось резьбы 70 кривого трубчатого переводника 59, предназначенной для соединения с резьбой 71 корпуса шпиндельной секции 14, в которой размещен вал 15 с резьбой 28 для крепления долота для бурения скважины, пересекается с центральной продольной осью 75 резьбы 55 (изогнутой части) полого кривого вала 52, предназначенной для соединения с резьбой 61 (изогнутой части) кривого трубчатого переводника 59, в плоскости (точке) 76 под углом 77, α, изображено на фиг. 4.

Зубчатая муфта 64 с внутренними продольными шлицевыми пазами 65 и зубьями 66 со стороны торца 67, направленного к торцу 63 кривого трубчатого переводника 59, выполнена с наклоном торца 67 со стороны зубьев 66 под углом 78, β, изображено на фиг. 4.

Точка 79 пересечения центральной продольной оси 80 зубьев 66 зубчатой муфты 64 относительно центральной продольной оси 73 ее внутренних продольных шлицевых пазов 65 расположена в плоскости торца 67 зубчатой муфты 64 со стороны зубьев 66, изображено на фиг. 4.

Точка 81 пересечения центральной продольной оси 73 резьбы 54 полого кривого вала 52, соединяющей его с прямым переводником 58, относительно центральной продольной оси 72 трубчатого прямого переводника 58 также расположена в плоскости торца 67 зубчатой муфты 64 со стороны зубьев 66, изображено на фиг. 4.

Кроме того на фиг. 2 изображено: поз. 82 - центральная продольная ось ротора 12, поз. 83 - центральная продольная ось обкладки 10 из эластомера, закрепленной внутри трубчатого корпуса 1, поз. 84, е - величина эксцентриситета ротора 12, установленного в обкладке 10 из эластомера внутри трубчатого корпуса 1, скрепленной с внутренней поверхностью 3 трубчатого корпуса 1, поз. 85 - многозаходные винтовые камеры между зубьями 13 ротора 12 и зубьями 4 обкладки 10 из эластомера.

Твердость обкладки 10 из эластомера, например, из резины ИРП-1226-5, составляет 75±3 ед. Шор А.

Героторный гидравлический двигатель работает следующим образом: поток бурового раствора 5 под давлением, например, 17÷28 МПа по колонне бурильных труб подается в многозаходные винтовые (шлюзовые) камеры 85 между зубьями 13 ротора 12 и зубьями 11 обкладки 10 из эластомера и образует область высокого давления и момент от гидравлических сил, который приводит в планетарно-роторное вращение ротор 12 внутри обкладки 10 из эластомера, закрепленной в корпусе 1.

Винтовые (шлюзовые) многозаходные камеры между зубьями 13 ротора 12 и зубьями 11 обкладки 10 из эластомера имеют переменный объем и периодически перемещаются по потоку бурового раствора 5, который имеет плотность до 1500 кг/м³, содержит до 2% песка и до 5% нефтепродуктов.

Планетарно-роторное вращение ротора 12 внутри обкладки 10 из эластомера внутри корпуса 1 передает крутящий момент (в противоположном направлении) через приводной (карданный) вал 25, вал 15 шпиндельной секции, на долото, закрепленное в муфтовой резьбе 28 шпиндельной секции, осуществляя бурение наклонно направленных и горизонтальных скважин.

В режиме максимальной мощности частота вращения вала шпиндельной секции и долота составляет (1,8÷2,5) с^-1; момент силы на валу 15 шпиндельной секции составляет (9÷14) кН⋅м; перепад давления (межвиткового, на зубьях обкладки из эластомера в корпуса 1) в режиме максимальной мощности составляет 17÷28 МПа; максимальная осевая нагрузка (на долото) составляет 250 кН.

Выполнение героторного гидравлического двигателя таким образом, что корпус 14 шпиндельной секции содержит пояс 30 повышенной жесткости, характеризующийся выполнением стенки 31 корпуса 14 шпиндельной секции увеличенной толщиной, расположенный выше по потоку текучей среды 5 от плоскости 32 сечения корпуса 14 шпиндельной секции по впадине 33 первого сопряженного витка резьбы 24 ниппеля 22 до плоскости 34 сечения одного из нижних, например, нижнего по потоку текучей среды 5 ряда 35 шариков 36 (без сепараторов) шарикового упорно-радиального многорядного подшипника 16 (осевой опоры 16), при этом момент инерции Jп поперечного сечения пояса 30 повышенной жесткости в корпусе 14 шпиндельной секции и момент инерции Jк поперечного сечения части 39 корпуса 14 шпиндельной секции в плоскости каждого, расположенного выше по потоку 5 от пояса 30 повышенной жесткости ряда шариков 36, например, ряда 40 шарикового упорно-радиального многорядного подшипника 16, связаны соотношением: при этом диаметр d, 38 шпиндельной секции в плоскости пояса 30 повышенной жесткости в корпусе 14 шпиндельной секции и диаметр dк, 41 шпиндельной секции в плоскости каждого, расположенного выше по потоку 5 от пояса 30 повышенной жесткости ряда шариков 36, например, ряда 40 шариков 36 шарикового упорно-радиального многорядного подшипника 16, связаны соотношением: а диаметр dк, 41 шпиндельной секции в плоскости каждого, расположенного выше по потоку 5 от пояса 30 повышенной жесткости ряда шариков 36, например, ряда 40 шариков 36 шарикового упорно-радиального многорядного подшипника 16, и диаметр 42, dд корпуса 1 двигателя связаны соотношением: обеспечивает увеличение ресурса и надежности, повышение точности проходки наклонно направленных и горизонтальных скважин и темпа набора параметров кривизны скважин, а также улучшение проходимости, т.е. уменьшение сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны при прохождении через радиусные интервалы ствола изогнутой скважины за счет уменьшения жесткости корпусов шпиндельной и двигательной секций при прохождении через радиусные интервалы ствола изогнутой скважины в условиях интенсивного трения по стволу скважины, с использованием в колонне бурильных труб гидравлических ясов, а также за счет уменьшения изгиба вала шпиндельной секции и обеспечения первоначального радиального люфта вала шпиндельной секции в нижней радиальной опоре скольжения за время назначенного ресурса.

Выполнение героторного гидравлического двигателя таким образом, что корпус 1 двигательной секции содержит во входной по потоку 5 части 6 пояс пониженной жесткости 43, характеризующийся выполнением стенки 44 корпуса 1 уменьшенной толщиной 45, расположенным между краем 46 обкладки 10 из эластомера в корпусе 1 и полным последним витком 47 внутренней резьбы 7 во входной по потоку 5 части 6 корпуса 1, а в выходной по потоку 5 части 8 корпуса 1 содержит пояс 48 пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки 44 корпуса 1 уменьшенной толщиной 49, расположенным между краем 50 обкладки 10 из эластомера в корпусе 1 и полным последним витком 51 внутренней резьбы 9 в выходной по потоку 5 части 8 корпуса 1, при этом отношение уменьшенной толщины 45 и, соответственно, 49 стенки 44 корпуса 1 во входной по потоку 5 части 6 трубчатого корпуса 1 и в выходной по потоку 5 части 8 трубчатого корпуса 1 к наружному диаметру dд, 42 корпуса 1 составляет 0,065÷0,095, обеспечивает повышение точности проходки наклонных и горизонтальных скважин, обеспечивается повышение темпа набора параметров кривизны скважин, а также улучшение проходимости, т.е. уменьшение сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны за счет уменьшения жесткости трубчатого корпуса - выполнения стенки трубчатого корпуса во входной и выходной по потоку текучей среды частях с поясом пониженной жесткости, характеризующимся уменьшенной толщиной, что обеспечивает изгиб трубчатого корпуса при прохождении через радиусные участки ствола скважины, имеющие участки малого и среднего радиуса 30÷300 м, в условиях интенсивного трения по стволу скважины.

Использование заявляемой конструкции обеспечивает увеличение ресурса и надежности двигателя, точности проходки наклонно направленных и горизонтальных скважин и темпа набора параметров кривизны скважин, а также улучшение проходимости, т.е. уменьшения сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны при прохождении через радиусные интервалы ствола изогнутой скважины за счет уменьшения жесткости корпусов шпиндельной и двигательной секций в условиях интенсивного трения по стволу скважины, с использованием в колонне бурильных труб гидравлических ясов, а также за счет уменьшения изгиба вала шпиндельной секции и обеспечения первоначального радиального люфта вала шпиндельной секции в нижней радиальной опоре скольжения за время назначенного ресурса.

Изобретение относится к гидравлическим приводам для вращательного бурения, размещаемым в скважинах. Гидравлический двигатель содержит трубчатый корпус, размещенный внутри него винтовой героторный механизм, включающий соосно расположенную в корпусе обкладку из эластомера и установленный внутри обкладки в корпусе винтовой ротор, вращение которого осуществляется насосной подачей текучей среды, корпус шпиндельной секции с размещенным внутри него валом шпиндельной секции, установленным на осевой опоре, выполненной в виде шарикового упорно-радиального многорядного подшипника, а также на верхней и нижней радиальных опорах скольжения, состоящих из наружной и внутренней втулок, размещенных в корпусе шпиндельной секции и, соответственно, на валу шпиндельной секции, вал шпиндельной секции скреплен на входе приводным валом с винтовым ротором двигателя, а на выходе скреплен с долотом, корпусы двигателя и шпиндельной секции скреплены между собой резьбовым переводником, нижняя радиальная опора шпиндельной секции закреплена ниппелем, а корпус шпиндельной секции и ниппель скреплены общей резьбой. Корпус шпиндельной секции содержит пояс повышенной жесткости, характеризующийся выполнением стенки корпуса увеличенной толщиной, расположенный выше по потоку от плоскости сечения корпуса шпиндельной секции по впадине первого сопряженного витка резьбы ниппеля до плоскости сечения одного из нижних по потоку рядов шариков шарикового упорно-радиального многорядного подшипника. Момент инерции J_п поперечного сечения упомянутого пояса повышенной жесткости в корпусе шпиндельной секции и момент инерции J_к поперечного сечения корпуса шпиндельной секции в плоскости каждого расположенного выше по потоку от пояса повышенной жесткости ряда шариков шарикового упорно-радиального многорядного подшипника связаны соотношением: J_п=(1,25÷1,75)J_к. Диаметр d шпиндельной секции в плоскости пояса повышенной жесткости в корпусе шпиндельной секции и диаметр d_к шпиндельной секции в плоскости каждого расположенного выше по потоку от пояса повышенной жесткости ряда шариков шарикового упорно-радиального многорядного подшипника связаны соотношением: d=(1,03÷1,07)d_к, а диаметр d_к шпиндельной секции в плоскости каждого расположенного выше по потоку от пояса повышенной жесткости ряда шариков шарикового упорно-радиального многорядного подшипника и диаметр d_д корпуса двигателя связаны соотношением: d_к=(1,03÷1,07)d_д. Повышается ресурс и надежность двигателя, точность проходки наклонно направленных и горизонтальных скважин и темп набора параметров кривизны скважин, а также улучшается проходимость, т.е. уменьшаются сопротивления и напряжения в компоновке низа бурильной колонны при прохождении через радиусные интервалы ствола изогнутой скважины. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Героторный гидравлический двигатель, содержащий трубчатый корпус, размещенный внутри него винтовой героторный механизм, включающий соосно расположенную в корпусе обкладку из эластомера и установленный внутри обкладки в корпусе винтовой ротор, вращение которого осуществляется насосной подачей текучей среды, корпус шпиндельной секции с размещенным внутри него валом шпиндельной секции, установленным на осевой опоре, выполненной в виде шарикового упорно-радиального многорядного подшипника, а также на верхней и нижней радиальных опорах скольжения, состоящих из наружной и внутренней втулок, размещенных в корпусе шпиндельной секции и, соответственно, на валу шпиндельной секции, вал шпиндельной секции скреплен на входе приводным валом с винтовым ротором двигателя, а на выходе скреплен с долотом, корпусы двигателя и шпиндельной секции скреплены между собой резьбовым переводником, а нижняя радиальная опора шпиндельной секции закреплена ниппелем, при этом корпус шпиндельной секции и ниппель скреплены общей резьбой, отличающийся тем, что корпус шпиндельной секции содержит пояс повышенной жесткости, характеризующийся выполнением стенки корпуса увеличенной толщиной, расположенный выше по потоку от плоскости сечения корпуса шпиндельной секции по впадине первого сопряженного витка резьбы ниппеля до плоскости сечения одного из нижних по потоку рядов шариков шарикового упорно-радиального многорядного подшипника, при этом момент инерции Jп поперечного сечения упомянутого пояса повышенной жесткости в корпусе шпиндельной секции и момент инерции Jк поперечного сечения корпуса шпиндельной секции в плоскости каждого расположенного выше по потоку от пояса повышенной жесткости ряда шариков шарикового упорно-радиального многорядного подшипника связаны соотношением: Jп=(1,25÷1,75)Jк, при этом диаметр d шпиндельной секции в плоскости пояса повышенной жесткости в корпусе шпиндельной секции и диаметр dк шпиндельной секции в плоскости каждого расположенного выше по потоку от пояса повышенной жесткости ряда шариков шарикового упорно-радиального многорядного подшипника связаны соотношением: d=(1,03÷1,07)dк, а диаметр dк шпиндельной секции в плоскости каждого расположенного выше по потоку от пояса повышенной жесткости ряда шариков шарикового упорно-радиального многорядного подшипника и диаметр dд корпуса двигателя связаны соотношением: dк=(1,03÷1,07)dд.

2. Героторный гидравлический двигатель по п. 1, отличающийся тем, что корпус двигательной секции содержит во входной по потоку части пояс пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки корпуса уменьшенной толщиной, расположенный между краем обкладки из эластомера в корпусе и полным последним витком внутренней резьбы во входной по потоку части корпуса, а в выходной по потоку части корпуса содержит пояс пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки корпуса уменьшенной толщиной, расположенный между краем обкладки из эластомера в корпусе и полным последним витком внутренней резьбы в выходной по потоку части корпуса, при этом отношение уменьшенной толщины стенок корпуса во входной и выходной частях трубчатого корпуса к наружному диаметру корпуса составляет 0,065÷0,095.