ШПИНДЕЛЬ ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к буровой технике, в частности к конструкциям шпинделя для гидравлических забойных двигателей, работающих в абразивной среде бурового раствора в скважине.
Известен шпиндель забойного двигателя, (патент РФ №2433241, от 29.04.2010, авт. Сорокин В.Р.), включающий корпус с внутренней посадочной поверхностью, вал со сквозным центральным отверстием, осевую опору, радиальные опоры с внутренними и наружными втулками, наружные втулки закреплены в корпусе шпинделя, внутренние втулки скреплены с валом шпинделя, а часть бурового раствора проходит через зазор радиальной опоры скольжения шпинделя, вал шпинделя соединен муфтой с приводным валом двигателя.
Недостатком известного шпинделя забойного двигателя является применение стандартных подшипников, которые изготавливаются из стали ШХ15. Из опыта применения стали ШХ15 известно, что она растрескивается и разрушается при контакте с буровым раствором даже при небольших нагрузках.
Известна шпиндельная секция гидравлического забойного двигателя, (патент РФ №2457308, от 07.10.2010, авт. Андоскин В.Н., Кобелев К.А., Тимофеев В.И., Рыжов А.Б.)., состоящая из трубчатого корпуса и полого вала, соединенных между собой с возможностью скольжения, трубчатый корпус выполнен из резьбовых трубчатых элементов, полый вал выполнен из резьбовых полых элементов, размещенных на осевой опоре, выполненной в виде переднего и заднего упорных подшипников, а также на передней и задней радиальных опорах скольжения, через полый вал прокачивается буровой раствор под давлением, передний резьбовой полый элемент вала имеет резьбу для долота, между передним резьбовым трубчатым элементом корпуса и резьбовым полым элементом вала со стороны резьбы для долота расположен передний уплотнительный модуль, между корпусом и валом установлен с возможностью скольжения кольцевой поршень с внутренними и наружными уплотнениями, между передним уплотнительным модулем, кольцевым поршнем, корпусом и валом образована герметичная масляная камера, а кольцевой поршень отделяет герметичную масляную камеру от полости, заполненной буровым раствором. Шпиндельная секция содержит дополнительный резьбовой трубчатый элемент корпуса, имеющий собственную радиальную опору скольжения, расположенную между передним и задним упорными подшипниками, с которой соединен с возможностью скольжения хвостовик переднего резьбового полого элемента вала, имеющего резьбу для долота, между торцом переднего упорного подшипника и торцом переднего резьбового полого элемента вала на резьбе переднего резьбового полого элемента вала закреплена ловильная гайка с передним и задним опорными торцами, диаметр которой превышает диаметр передней радиальной опоры скольжения в переднем резьбовом трубчатом элементе корпуса, при этом кольцевой поршень с внутренними и наружными уплотнениями, отделяющий герметичную масляную камеру от полости, заполненной буровым раствором, установлен между собственной радиальной опорой скольжения дополнительного резьбового трубчатого элемента корпуса и задней радиальной опорой скольжения и образует с задней радиальной опорой скольжения, валом и корпусом разгрузочную полость, заполненную буровым раствором, а между задней радиальной опорой скольжения и кольцевым поршнем в резьбовом трубчатом элементе корпуса выполнены отверстия для выхода части прокачиваемого бурового раствора через радиальный зазор задней радиальной опоры скольжения и разгрузочную полость за наружную поверхность корпуса.
Недостатком известной шпиндельной секции забойного двигателя является составной корпус, выполненный из резьбовых трубчатых элементов, за счет чего может возникать значительная несоосность радиальных опор и дополнительные паразитные нагрузки в опорах, что приводит к сокращению их долговечности. Внутреннее уплотнение поршня, контактирующее с буровым раствором и вращающейся с большой скоростью втулкой быстро изнашивается и не обеспечивает герметичность.
Наиболее близкой к заявляемой конструкции является шпиндель забойного двигателя, патент РФ №2057882, от 10.04.1996, авт. Кравцов А.И., Асеев Е.Г., включающий корпус, вал с проточным каналом, установленную между радиальными опорами и имеющую внутренние и внешние обоймы многорядную шаровую опору, посередине которой установлен опорный узел в виде внутренней и наружной проставочных втулок, и уплотнения, размещенные между шаровой и радиальными опорами. Шпиндель снабжен установленным между верхней радиальной опорой и верхним уплотнением дросселем, причем уплотнения выполнены в виде подвижных и неподвижных контактных колец, и на наружных поверхностях внешних обойм шаровой опоры, неподвижных контактных колец уплотнений и наружной проставочной втулки выполнены продольные пазы и кольцевые проточки.
Шпиндель состоит из корпуса, вала, ниппеля, нижней радиальной опоры, нижнего уплотнения, проставочных втулок, шаровой опоры, верхнего уплотнения, дросселя, верхней радиальной опоры, полумуфты, верхнего переводника и отверстий для заправки масла. На вал устанавливается нижняя радиальная опора, нижнее уплотнение, шаровая опора, проставочные втулки, верхнее уплотнение, дроссель и верхняя радиальная опора. Все установленные детали на валу стягиваются полумуфтой. Вал в сборе помещается в корпусе, в который завернут верхний переводник. Все корпусные детали стягиваются в корпусе ниппелем. Возможен другой вариант, где предусматривается установка диафрагменного лубрикатора взамен проставочных втулок, который обеспечивает компенсацию утечек масла через уплотнения. В процессе работы забойного двигателя поток промывочной жидкости проходит через центральный канал вала к забою, а часть жидкости, протекая через верхнюю радиальную опору, поступает к дросселю, рабочие поверхности которого армированы твердым сплавом и имеют радиальный зазор 0,25 мм на сторону, через который протекает минимальное количество жидкости, тем самым выравнивая перепад давления между верхним и нижним уплотнениями, который становится равным затрубному.
Шпиндель состоит из корпуса, образованного переводниками, ниппеля, полого вала, соединенного на входе с соединительной муфтой, передающей крутящий момент от двигателя. Рабочая жидкость через окна муфты перетекает во внутреннюю полость вала, проходит далее до долота для промывки и очистки забоя от выбуренной породы.
Недостатком известного шпинделя является большое расстояние от нижней опоры до долота, из-за ниппельной гайки в нижней части посадочного отверстия корпуса шпинделя. Большое расстояние от нижней опоры до долота дает увеличенные нагрузки, действующие на радиальные опоры в изогнутой колонне бурильных труб при наклонно-направленном бурении. Это приводит к повышенному износу опор шпинделя.
К недостаткам также относится то, что при прохождении бурового раствора через окна муфты вала в центральный канал шпинделя верхний торец вала на заходе центрального канала размывается. Размыв торца вала может достигать резьбы, что приводит к необходимости замены вала при ремонте шпинделя и ведет к увеличению затрат на ремонт.
Техническая задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении ресурса работы и надежности, что обеспечивает уменьшение эксплуатационных затрат на шпиндель, и в целом на забойный двигатель.
Сущность технического решения заключается в том, что шпиндель забойного двигателя, содержащий корпус с внутренней посадочной поверхностью, вал со сквозным центральным отверстием, осевую шаровую опору, радиальные опоры с внутренними и наружными втулками, согласно полезной модели корпус выполнен с внутренним буртом на нижнем конце посадочной поверхности, в верхнем конце центрального отверстия вала установлена предохранительная втулка, на валу выше нижней радиальной опоры выполнена резьба, между этой резьбой и нижней радиальной опорой вала установлена гайка, а над наружной втулкой нижней радиальной опоры установлено кольцо, причем наружный диаметр гайки больше внутреннего диаметра кольца.
Кроме того, согласно полезной модели, втулки радиальных опор выполнены с твердосплавным покрытием.
Кроме того, согласно полезной модели, зазоры 5 в радиальных опорах составляют δ=(0,002÷0,004)d, где d - диаметр поверхности скольжения.
Внутренний бурт на нижнем конце посадочной поверхности корпуса обеспечивает надежное крепление деталей шпинделя, предотвращая аварийность при бурении скважины, сокращает вылет вала шпинделя, за счет чего снижает нагрузки на радиальные опоры и повышает их срок службы.
В предлагаемой полезной модели, в отличие от прототипа, в верхний конец центрального отверстия вала установлена предохранительная втулка из нержавеющей закаленной стали, которая предохраняет от размыва вал. При ремонте шпинделя размытая втулка заменяется на новую, вал остается неповрежденным и работает в несколько раз дольше.
Выполнение втулки радиальных опор с твердосплавным покрытием повышает их долговечность.
Выполнение зазоров 5 в радиальных опорах в пределах δ=(0,002÷0,004)d, где d - диаметр поверхности скольжения, обеспечивает охлаждение и смазку опор за счет прохождения через зазор части потока бурового раствора, исключает возможность заклинки опор, уменьшает до минимума утечки бурового раствора при работе с гидромониторными долотами. При зазоре меньше 0,002d может происходить заклинка опоры, при зазоре больше 0,004d увеличиваются утечки бурового раствора мимо долота, ухудшается промывка забоя скважины.
На фиг.1 изображен продольный разрез шпинделя согласно заявляемой полезной модели.
На фиг.2 показан местный разрез радиальной опоры с зазором.
Шпиндель забойного двигателя содержит корпус 1 с внутренней посадочной поверхностью 2, вал 3 со сквозным центральным отверстием 4, осевую шаровую опору 5, наружную 6 и внутреннюю 7 втулки верхней радиальной опоры, наружную 8 и внутреннюю 9 втулки нижней радиальной опоры. Корпус 1 выполнен с внутренним буртом 10 в нижнем конце посадочной поверхности 2. В верхнем конце центрального отверстия 4 вала 3 установлена предохранительная втулка 11. На валу 3 выше втулки 9 нижней радиальной опоры выполнена резьба 12, а между резьбой 12 и втулкой 9 установлена гайка 13. Над втулкой 8 установлено кольцо 14. Наружный диаметр гайки 13 больше внутреннего диаметра кольца 14. Все детали, установленные в корпус 1 закреплены переводником 15. Все детали, установленные на валу 3, закреплены муфтой 16. Между резьбой 12 и втулкой 9 на валу 3 выполнена зарезьбовая впадина 17, в которой размещена резьба 18 гайки 13. Гайка 13 при сборке вала наворачивается на резьбу 12 вала 3 и перемещается в зарезьбовую впадину 17 вала 3. Это позволяет закреплять все детали, установленные на валу 3, включая втулку нижней радиальной опоры 9, посредством завинчивания муфты 16.
Заявляемый шпиндель забойного двигателя работает следующим образом. При подаче бурового раствора забойный двигатель вращается, вращая вал 3 шпинделя. Основной поток бурового раствора через окна 19 муфты 16 уходит в центральный канал 4. Направление основного потока раствора показано стрелкой А. Часть бурового раствора уходит через зазоры 5 втулок 6, 7 и 8, 9 радиальных опор, обеспечивая смазку поверхностей трения и их охлаждение. Осевая шаровая опора 5 и втулки 6, 7, 8 и 9 радиальных опор шпинделя удерживают опирающийся на них вал 3 с долотом (на фиг. не показано) в необходимом для бурения положении. Для защиты вала 3 от потока бурового раствора на входе центрального канала 4 установлена предохранительная втулка 11 из нержавеющей закаленной стали. Все опоры:
осевая шаровая опора 5, и втулки 6, 8 радиальных опор установлены на одной посадочной поверхности 2 корпуса 1, что обеспечивает их соосность. Это способствует выравниванию нагрузки между опорами и повышению их долговечности. При случайной поломке вала 3, из-за возможных перегрузок, предусмотрено противоаварийное устройство, которое работает следующим образом. При подъеме забойного двигателя из скважины, гайка 13 своей резьбой 18 зацепляет резьбу 12 вала 3 и, опираясь на кольцо 14, извлекает сломанный конец вала 3 с долотом из скважины (на фиг. не показаны).
На выходе потока А из каналов 19 и на входе в центральный канал 4 образуются завихрения, которые размывают предохранительную втулку 11 При ремонте шпинделя размытая втулка 11 заменяется на новую, вал 3 остается неповрежденным и работает в несколько раз дольше.
Втулки радиальных опор 6, 7, 8 и 9 выполнены с твердосплавным покрытием 20 поверхностей скольжения, что обеспечивает повышенную долговечность опор и шпинделя при работе в буровом растворе.
Таким образом, предлагаемое исполнение шпинделя забойного двигателя позволяет повысить его эксплуатационные параметры (небольшая длина, обеспечивающая эффективное управление компоновкой при наклонно-направленном бурении, необходимая долговечность), увеличить ресурс работы, исключить аварийность, обеспечить экономическое преимущество по сравнению с прототипом, уменьшить эксплуатационные затраты.