ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
HYDRAULIC DOWNHOLE MOTOR

Изобретение относится к гидравлическим приводам для вращательного бурения, размещаемым в скважинах, и может быть использовано при роторном бурении боковых горизонтальных стволов нефтяных скважин винтовыми героторными гидравлическими двигателями.
Известен гидравлический забойный двигатель, содержащий полый корпус, размещенный внутри него привод с ротором, а также шпиндель, установленный внутри корпуса шпинделя на осевой и радиальных опорах, снабженный долотом и соединенный приводным валом с ротором, корпусы двигателя и шпинделя соединены изогнутыми резьбовыми переводниками, а ротор и шпиндель соединены с приводным валом, снабженным ведущим и ведомым шарнирными узлами с осевыми опорами скольжения посредством резьбовых переходников, корпус шпинделя выполнен с поперечным разъемом между осевой и радиальной опорами со стороны долота, шпиндель выполнен с кольцевой канавкой в плоскости поперечного разъема корпуса шпинделя, в канавке установлено разъемное кольцо, диаметр которого превышает диаметр шпинделя, внутри корпуса шпинделя закреплены опорная втулка и кольцо-ловитель, а радиальная опора корпуса шпинделя со стороны долота выполнена в виде размещенной на съемной втулке и закрепленной внутри корпуса шпинделя упругоэластичной опоры скольжения, при этом расстояние между осевыми опорами приводного вала не превышает длины осевой опоры шпинделя (RU 2232859 С1, 20.07.2004).
Недостатком известного двигателя является выполнение вала шпинделя 6 с кольцевой канавкой 23, расположенной между нижней радиальной опорой 9 и осевой опорой 10, что ослабляет его поперечное сечение, увеличивает максимальные значения поперечных напряжений, возникающих от действия изгибающих моментов долота на вал шпинделя при использовании двигателя в управляемых компоновках низа бурильной колонны на участках изменения кривизны скважин.
Недостатком известного двигателя является также неполная возможность увеличения ресурса и надежности его шпинделя, снижения аварийности при подъеме забойного двигателя из скважины при бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин, а также неполная возможность повышения точности проходки скважин, темпа набора параметров кривизны скважин и проходимости, т.е. уменьшения сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны при использовании двигателя в управляемых компоновках низа бурильной колонны на участках изменения кривизны скважины.
Известен гидравлический забойный двигатель, содержащий корпус с размещенным внутри него ротором, выполненным с возможностью вращения, осуществляемого насосной подачей текучей среды, корпус шпинделя с размещенным внутри него валом шпинделя, установленным на осевой опоре, выполненной в виде упорно-радиального многорядного подшипника, а также на верхней и нижней радиальных опорах скольжения, резьбовой переводник, скрепленный с корпусами двигателя и шпинделя, при этом вал шпинделя содержит ловильный бурт, соединен приводным валом с ротором и скреплен с долотом, а на резьбе корпуса шпинделя закреплена гайка, выполненная с ловильным поясом, при этом вал шпинделя выполнен с центрирующим пояском и резьбой, расположенными между нижней радиальной опорой скольжения и выходной частью вала, предназначенной для крепления долота, ловильный бурт выполнен в ловильном кольце, установленном на центрирующем пояске вала шпинделя, на валу шпинделя установлена резьбовая втулка, закрепляющая ловильное кольцо, ловильный пояс гайки выполнен с пазами, ширина и диаметр которых превышает соответственно толщину в поперечном сечении и диаметр ловильного кольца, внутри гайки выполнена кольцевая полость, сообщающаяся с пазами ловильного пояса, а диаметр кольцевой полости превышает диаметр ловильного бурта в ловильном кольце (RU 2367761, 20.09.2009).
Недостатком известной конструкции является неполная возможность уменьшения расстояния от долота до нижней радиальной опоры скольжения ("вылет" долота), что отрицательно сказывается на ресурсе опорного узла, а также неполная возможность снижения аварийности при подъеме забойного двигателя с колонной бурильных труб из боковых горизонтальных стволов нефтяных скважин, повышения точности проходки боковых горизонтальных стволов скважин и темпа набора параметров кривизны скважин, а также повышения проходимости, т.е. уменьшения сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны при использовании двигателя в горизонтальных управляемых компоновках низа бурильной колонны на участках изменения кривизны скважин.
Известна герметичная шпиндельная секция гидравлического забойного двигателя, используемого для бурения скважин, имеющая первый трубчатый элемент, второй трубчатый элемент, телескопически установленный в первом трубчатом элементе, второй трубчатый элемент, имеющий внутренний канал, через который проходит буровой раствор под давлением, производимым насосом, зазор между первым и вторым трубчатыми элементами, определяющий герметичную маслонаполненную камеру, которая имеет один край под буровое долото, изолированный с помощью уплотнительных средств, которые направлены к буровому долоту, и один край под насос, изолированный с помощью уплотнительных средств, данные уплотнительные средства находятся в герметичной камере, включающие неподвижное механическое уплотнение, расположенное в герметичной камере, между уплотнительными средствами насоса и уплотнительными средствами бурового долота, механическое уплотнение, разделяющее герметичную камеру на насосную секцию и долотную секцию, а также насосные уплотнительные средства, будучи зависимыми от давления таким образом, что насосные уплотнительные средства оказывают давление на масло в насосной секции герметичной камеры в ответ на давление, оказываемое буровым раствором, прокачиваемым вдоль внутреннего канала за счет действия насосов, при этом уплотнительные средства со стороны бурового долота, будучи зависимыми от давления таким образом, что уплотнительные средства бурового долота оказывают давление на масло внутри долотной секции герметичной камеры в ответ на давление, оказываемое буровым раствором, перемещающимся наружу к первому трубчатому элементу и второму трубчатому элементу, механическое уплотнение включает средства для невращающегося присоединения первого уплотнительного кольца к первому трубчатому элементу, средства для невращающегося присоединения второго уплотнительного кольца ко второму трубчатому элементу и средства для герметичного зацепления первого уплотнительного кольца и второго ' уплотнительного кольца, тем самым формирования механического уплотнения, изолирующего перепад давления между насосной секцией и долотной секцией герметичной камеры (US 5377771, Jan. 3, 1995).
Недостатком известной конструкции, используемой в гидравлическом забойном двигателе для бурения скважин, является отсутствие ловильного устройства на валу шпиндельной секции, на резьбе которого закреплено долото, что не обеспечивает возможность подъема с колонной бурильных труб из скважины долота с валом шпиндельной секции при срезе хвостовика или ступенчатого перехода на валу шпиндельной секции.
Недостатками известной конструкции являются также неполная возможность повышения ресурса и надежности радиальных опор скольжения, упорных подшипников и элементов вала шпиндельной секции, что объясняется недостаточной ударной прочностью и усталостной выносливостью, низкой стойкостью к возникновению резонансных вибраций и "прихвату" при действии максимальной осевой и радиальных нагрузок в изогнутой колонне бурильных труб, при изменении знака осевой нагрузки, действующей на упорные подшипники, при повышенном износе радиальных опор скольжения и радиальных люфтах, определяемых величиной износа, например, в пределах 30÷50% от величины допустимого износа вала шпиндельной секции с долотом в нижней опоре скольжения, вследствие попадания абразивных частиц бурового раствора в масляную полость радиальных опор скольжения и упорных подшипников элементов вала шпиндельной секции.
Недостатки известной конструкции объясняются резьбовым соединением элементов вала между упорными подшипниками, а также установкой переднего упорного роликоподшипника 32 и двух задних упорных роликоподшипников 30, 28 в разных трубчатых элементах вала шпиндельной секции: в переднем элементе 14 и, соответственно, в заднем элементе 14b, соединенных резьбой 13 между упорными подшипниками, что не обеспечивает экономических преимуществ для обеспечения требуемой прочности и точности (соосности) двух частей вала шпиндельной секции с долотом в опорах скольжения 24 и 26.
Недостатки известной конструкции объясняются также отсутствием собственной радиальной опоры скольжения, расположенной в камере для масла между передним и задним упорными подшипниками (в зоне максимального значения эквивалентных напряжений), при совместном действии максимальной осевой и радиальных нагрузок в изогнутой колонне бурильных труб, при изменении знака осевой нагрузки, действующей на упорные подшипники, возникновении вибраций, что не позволяет уменьшать максимальное значение эквивалентных напряжений (по Мизесу), увеличивать передаваемый крутящий момент, повышать ресурс и надежность шпиндельной секции.
Повышенные напряжения между передним и задним упорными подшипниками объясняются наличием концентратора напряжений в виде свободной от силовых связей с ниппелем резьбовой канавки или проточки для сбега резьбы, а также резким изменением крутильной и изгибной жесткости в месте перехода от соединения муфты с ниппелем, связанными силовыми взаимодействиями в резьбе в одно целое, и выполняющего роль жесткой заделки по отношению к свободной части муфты со сравнительно тонкой стенкой.
Известен гидравлический забойный двигатель, содержащий корпус с размещенным внутри него ротором, вращение которого осуществляется насосной подачей текучей среды, корпус шпинделя с размещенным внутри него валом, установленным на упорно-радиальных подшипниках, 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, нижняя радиальная опора шпинделя размещена в резьбовом ниппеле, а гайка, соединенная с резьбовым ниппелем, выполнена с ловильным поясом, вал шпинделя выполнен с резьбовым поясом, расположенным между нижней радиальной опорой скольжения и выходной частью вала, предназначенной для крепления долота, на резьбовом поясе вала шпинделя закреплена резьбовая втулка, на которой выполнен ловильный бурт, предназначенный для взаимодействия с ловильным поясом гайки, соединенной с резьбовым ниппелем, при этом диаметр ловильного бурта резьбовой втулки не превышает диаметр выходной части вала шпинделя (RU 2355860 С2, 20.05.2009).
Недостатками известного гидравлического забойного двигателя являются неполная возможность снижения аварийности при роторном бурении боковых горизонтальных стволов нефтяных скважин, по существу, при подъеме с вращением бурильной колонны с долотом при разрушении вала шпиндельной секции, что объясняется возможностью отворачивания гайки 15 из резьбового ниппеля 14 и потерей ловильного устройства на валу шпиндельной секции, на резьбе которого закреплено долото.
Недостатки известной конструкции объясняются также тем, что "гайка 15 закреплена внутри резьбового ниппеля 14 на резьбе 38 и образует с резьбовой втулкой 25 кольцевой дроссельный (щелевой) канал 39, а длина 40 кольцевого дроссельного канала 39 не превышает половины его максимального диаметра 41'', показано на фиг. 1,3.
При увеличении зажимной части под ключ гайки 15 увеличивается расстояние от долота до нижней радиальной опоры скольжения ("вылет" долота), что отрицательно сказывается на ресурсе опорного узла, при этом грани зажимной части гайки 15 под ключ расположены на меньшем диаметре относительно вала 6 шпинделя, вследствие этого не обеспечивается прочность гайки 15 при затяжке в кулачках гидравлического ключа, а увеличение расстояния от долота до нижней радиальной опоры скольжения ухудшает проходимость КНБК (компоновки низа бурильной колонны).
Известен гидравлический забойный двигатель, содержащий полый корпус, размещенный внутри него героторный механизм, включающий соосно расположенный в корпусе статор и установленный внутри статора ротор, а также шпиндельную секцию, включающую вал с осевым подшипником, размещенный в верхней и нижней радиальных опорах, состоящих из наружной и внутренней втулок и размещенных в корпусе шпиндельной секции, соединенный на входе приводным валом с ротором, а на выходе - нижним переводником с долотом, регулируемый переводник, установленный между героторным механизмом и корпусом шпиндельной секции, при этом двигатель снабжен верхним противоаварийным устройством, состоящим из вала, упора и гайки, и нижним противоаварийным устройством, выполненным в виде фигурной втулки, при этом верхнее противоаварийное устройство соединено с ротором героторного механизма, а нижнее противоаварийное устройство установлено на валу шпиндельной секции и расположено между внутренней втулкой нижней радиальной опоры и осевым подшипником, вал шпиндельной секции имеет окружной бурт, а фигурная втулка - внутренний и наружный окружные бурты, при этом окружной бурт вала шпиндельной секции и внутренний бурт фигурной втулки выполнены в виде винтовой нарезки с направлением, обратным вращению вала шпиндельной секции, с возможностью упора окружного бурта вала шпиндельной секции во внутренний бурт фигурной втулки, а наружный бурт фигурной втулки упирается в упорный торец нижнего переводника, при этом наружная втулка нижней радиальной опоры крепится к корпусу нижнего переводника таким образом, что крайние торцовые поверхности радиальной опоры и корпуса нижнего переводника совпадают (RU 2299302, 20.05.2007).
Недостатками известного гидравлического забойного двигателя являются неполная возможность снижения аварийности при роторном бурении боковых горизонтальных стволов нефтяных скважин, по существу, при подъеме с вращением бурильной колонны с долотом при разрушении вала шпиндельной секции, неполная возможность увеличения ресурса и надежности двигателя, повышения точности проходки скважин и темпа набора параметров кривизны скважин, а также повышения проходимости, т.е. уменьшения сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны.
Основной недостаток известной конструкции объясняется тем, что "окружной бурт вала шпиндельной секции и внутренний бурт фигурной втулки выполнены в виде винтовой нарезки с направлением, обратным вращению вала шпиндельной секции", вследствие этого направление винтовой нарезки наружного бурта фигурной втулки нижнего противоаварийного устройства, установленного на валу шпиндельной секции и расположенного между внутренней втулкой нижней радиальной опоры и осевым подшипником, не совпадает с направлением вращения бурильной колонны с двигателем и долотом при подъеме из скважины.
Бурильные колонны при подъеме из скважин на буровых установках в Российской Федерации при роторном бурении боковых горизонтальных стволов нефтяных скважин винтовыми героторными гидравлическими двигателями вращают ротором бурового станка (5000ЭУ) вправо (правые резьбы труб бурильной колонны), вследствие этого происходит отворачивание разрушенной (срезанной) части полого вала 4 шпиндельной секции с переходной втулкой 8 и долотом (не показанным) по резьбе 17 из резьбы 18 в окружном ребре 15 в корпусе 6 шпиндельной секции при разрушении вала 4 шпиндельной секции выше торца 16, а разрушенная (срезанная) часть вала шпиндельной секции и долото безвозвратно теряются в скважине.
Другим недостатком известной конструкции является расположение резьбы и кольцевой канавки (концентраторов напряжений) на валу шпиндельной секции (на диаметре, меньшем диаметра внутренней втулки нижней радиальной опоры) между осевой и нижней радиальной опорами (в опасном сечении), которые ослабляют вал шпиндельной секции, уменьшают прочность и усталостную выносливость вала от действия максимальных значений поперечных напряжений, возникающих от изгибающих моментов долота на валу шпиндельной секции при прохождении через радиусные участки ствола скважины, а также при износе подшипников осевой опоры (допускается осевой люфт вала шпиндельной секции до 5,5 мм).
Такое выполнение противоаварийного устройства увеличивает коэффициент напряжения при изгибе (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению), повышает вероятность разрушения вала шпиндельной секции между осевой и нижней радиальной опорами шпиндельной секции, а при разрушении вала шпиндельной секции по кольцевому поясу "а" долото и вал шпиндельной секции безвозвратно теряются в скважине.
Другим недостатком известной конструкции является выполнение фигурной втулки 24 с внутренним 27 и наружным 28 окружными ловильными буртами, что увеличивает диаметр шпиндельной секции или уменьшает прочность ловильных буртов и опасного сечения вала шпиндельной секции при расположении противоаварийного устройства между внутренней втулкой нижней радиальной опоры и осевым подшипником: кольцевого пояса "а" между поясом "в" и нижней радиальной опорой скольжения 9.
Это объясняется необходимостью двойного "перекрытия" (требуется минимальное перекрытие 4÷5 мм) ловильных буртов: окружного бурта "в" вала шпиндельной секции и внутреннего бурта 27 фигурной втулки 24, а также "перекрытия" окружного бурта 28 фигурной втулки 24 относительно торца 29 и внутреннего диаметра корпуса нижнего переводника 30.
Недостатки известной конструкции объясняются также большим значением коэффициента напряжения в радиальных опорах скольжения и в упорно-радиальном многорядном подшипнике вала шпиндельной секции (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению), по существу, равного (5,4÷7,8), а также большой вероятностью возникновения резонансных вибраций и "прихвата" при действии максимальной осевой и радиальных нагрузок (от долота) в изогнутой колонне бурильных труб, при изменении знака осевой нагрузки, действующей на упорно-радиальный многорядный подшипник.
Наиболее близким к заявляемой конструкции является 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 упорно-радиального многорядного подшипника, при этом вал шпиндельной секции и ловильная втулка нижнего ловильного устройства с наружным ловильным буртом жестко 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).
Ресурс и надежность гидравлического забойного двигателя определяются ресурсом и надежностью его шпиндельной секции, по существу, износом осевой опоры вала шпиндельной секции, выполненной в виде упорно-радиального многорядного подшипника (допускается осевой люфт вала шпиндельной секции не более 5,5 мм), а также износом нижней радиальной опоры скольжения, выполненной в виде пары металл-металл, с армированием сопряженных поверхностей твердым сплавом (допускается радиальный люфт вала шпиндельной секции не более 1,5 мм), а при превышении радиального люфта вала шпиндельной секции в нижней радиальной опоре не допускается использование двигателя в управляемых компоновках низа бурильной колонны при роторном бурении (с вращением бурильной колонны) боковых горизонтальных стволов нефтяных скважин.
Недостатками известной конструкции являются неполная возможность увеличения ресурса и надежности двигателя и его шпиндельной секции, снижения аварийности при использовании гидравлического забойного двигателя в компоновке низа бурильной колонны для роторного бурения боковых горизонтальных стволов нефтяных скважин, повышения точности проходки скважин и темпа набора параметров кривизны скважин, повышения проходимости, т.е. уменьшения сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны.
Недостатками известной конструкции являются также неполная возможность снижения стоимости изготовления и обслуживания, обеспечения минимума различных деталей в разных конфигурациях (с кривым переводником или регулятором угла перекоса, с центратором на корпусе шпиндельной секции), стандартизации парка двигателей, повторного использования деталей существующих конструкций, упрощения конструкции, например, за счет исключения натяга по торцам упорного кольца, а также за счет сборки и разборки вала шпиндельной секции через нижнюю радиальную опору скольжения.
Технической задачей заявляемого изобретения является увеличение ресурса и надежности двигателя и его шпиндельной секции, снижение аварийности при использовании гидравлического забойного двигателя в компоновке низа бурильной колонны для роторного бурения боковых горизонтальных стволов нефтяных скважин, повышение точности проходки скважин и темпа набора параметров кривизны скважин, повышение проходимости, т.е. уменьшение сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны за счет увеличения прочности и усталостной выносливости элементов вала шпиндельной секции от действия максимальных значений поперечных напряжений, возникающих от изгибающих моментов долота на валу шпинделя при прохождении через радиусные участки ствола скважины.
Другой технической задачей заявляемого изобретения является снижение стоимости изготовления и обслуживания за счет обеспечения минимума различных деталей в разных конфигурациях (с кривым переводником или регулятором угла перекоса, с центратором на корпусе шпиндельной секции), стандартизации парка двигателей, возможности повторного использования деталей существующих конструкций, упрощения конструкции, например, за счет исключения натяга по торцам упорного кольца, а также за счет сборки и разборки вала шпиндельной секции через нижнюю радиальную опору скольжения.
Сущность технического решения заключается в том, что в гидравлическом забойном двигателе, содержащем трубчатый корпус, размещенный внутри него многозаходный винтовой героторный механизм, включающий статор с обкладкой из эластомера и установленный в статоре ротор, вращение которого осуществляется насосной подачей текучей среды, и 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 буртом, упорного кольца и резьбового переводника, 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 скольжения и осевой опорой, выполненной в виде упорно-радиального многорядного подшипника, вал шпиндельной секции и ловильная втулка нижнего ловильного устройства с ловильным буртом жестко скреплены между собой с помощью общей резьбы, согласно изобретению упорное кольцо выполнено разъемным и установлено внутри корпуса шпиндельной секции между направленными друг к другу торцами резьбового переводника и наружного кольца упорно-радиального многорядного подшипника, ловильный бурт в ловильной втулке расположен между внутренним кольцом упорно-радиального многорядного подшипника и указанным упорным кольцом, при этом диаметр ловильного бурта ловильной втулки превышает диаметр отверстия упорного кольца, а диаметр отверстия нижней радиальной опоры скольжения превышает диаметр ловильной втулки.
1
1
Диаметр Д отверстия упорного кольца и диаметр Д ловильного бурта ловильной втулки связаны соотношением: Д=Д - (0,03÷0,05) Д.
Упорное кольцо выполнено разъемным в меридианной плоскости относительно центральной продольной оси корпуса шпиндельной секции.
Резьбовой переводник снабжен кольцевым уплотнителем из эластомера, установленным в кольцевой канавке перед входным витком наружной резьбы.
Резьбовой переводник, наружная втулка верхней радиальной опоры скольжения, внутренние втулки верхней и нижней радиальных опор скольжения выполнены каждые в виде единой конструкции с пластинами из твердого сплава, при этом пластины из твердого сплава установлены во внутренних расточках резьбового переводника и наружной втулки верхней радиальной опоры скольжения, а также, соответственно, в наружных расточках внутренних втулок верхней и нижней радиальных опор скольжения, и скреплены между собой пропиткой твердого сплава компонентами связки-припоя.
Расплавленный порошок связки-припоя для крепления пластин из твердого сплава в нижнем резьбовом переводнике, наружной втулке верхней радиальной опоры скольжения, внутренних втулках верхней и нижней радиальных опор скольжения содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %: Ni 32÷47, Fe 2, Cr 7÷14, Si 2, WC остальное.
Выполнение гидравлического забойного двигателя таким образом, что упорное кольцо выполнено разъемным и установлено внутри корпуса шпиндельной секции между направленными друг к другу торцами резьбового переводника и наружного кольца упорно-радиального многорядного подшипника, ловильный бурт в ловильной втулке расположен между внутренним кольцом упорно-радиального многорядного подшипника и указанным упорным кольцом, при этом диаметр ловильного бурта ловильной втулки превышает диаметр отверстия упорного кольца, а диаметр отверстия нижней радиальной опоры скольжения превышает диаметр ловильной втулки, обеспечивает увеличение ресурса и надежности двигателя и его шпиндельной секции, снижение аварийности при использовании гидравлического забойного двигателя в компоновке низа бурильной колонны для роторного бурения боковых горизонтальных стволов нефтяных скважин, повышение точности проходки скважин и темпа набора параметров кривизны скважин за счет увеличения прочности и усталостной выносливости элементов вала шпиндельной секции от действия максимальных значений поперечных напряжений, возникающих от изгибающих моментов долота на валу шпиндельной секции при прохождении через радиусные участки ствола скважины, а также обеспечивает повышение проходимости, т.е. уменьшает сопротивления и напряжения при роторном бурении горизонтальных стволов нефтяных скважин, по существу, при износе осевой опоры вала шпиндельной секции, выполненной в виде упорно-радиального многорядного подшипника (допускается осевой люфт вала шпиндельной секции не более 5,5 мм), а также при износе нижней радиальной опоры скольжения, выполненной в виде пары металл-металл, с армированием сопряженных поверхностей твердым сплавом (допускается радиальный люфт вала шпиндельной секции не более 1,5 мм).
Такое выполнение гидравлического забойного двигателя снижает также стоимость изготовления и обслуживания за счет обеспечения минимума различных деталей в разных конфигурациях (с кривым переводником или регулятором угла перекоса, с центратором на корпусе шпиндельной секции), стандартизации парка двигателей, возможности повторного использования деталей существующих конструкций, упрощения конструкции, например, за счет исключения натяга по торцам упорного кольца, а также за счет сборки и разборки вала шпинделя сквозь нижнюю радиальную опору скольжения шпиндельной секции.
Такое выполнение шпиндельной секции гидравлического забойного двигателя уменьшает значение коэффициента напряжения в радиальных опорах скольжения и в упорно-радиальном многорядном подшипнике вала шпиндельной секции (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению), по существу, равного (2,9÷3,2), снижает вероятность возникновения резонансных вибраций, "прихвата" при действии максимальной осевой и радиальных нагрузок (от бурового долота) в изогнутой колонне бурильных труб, при изменении знака осевой нагрузки, действующей на упорно-радиальный многорядный подшипник, при роторном бурении боковых горизонтальных стволов нефтяных скважин, а при разрушении вала шпиндельной секции долото и вал шпиндельной секции беспрепятственно поднимаются из скважины с любым вращением колонны бурильных труб.
1
1
Выполнение гидравлического забойного двигателя таким образом, что диаметр Д отверстия упорного кольца и диаметр Д ловильного бурта ловильной втулки связаны соотношением: Д=Д - (0,03÷0,05) Д, уменьшает значение коэффициента напряжения в радиальных опорах скольжения и в упорно-радиальном многорядном подшипнике вала шпиндельной секции (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению), по существу, равного (2,9÷3,2), снижает также стоимость изготовления и обслуживания за счет обеспечения минимума различных деталей в разных конфигурациях (с кривым переводником или регулятором угла перекоса, с центратором на корпусе шпиндельной секции), стандартизации парка двигателей, возможности повторного использования деталей существующих конструкций, упрощения конструкции, например, за счет сборки и разборки вала шпиндельной секции через нижнюю радиальную опору скольжения, обеспечивает минимальное "перекрытие" ловильного пояса в ловильной втулке над ловильным буртом резьбового переводника, надежное удержание оборванного вала шпиндельной секции с долотом при заданных наружных диаметрах резьбового соединения корпуса шпиндельной секции.
Выполнение гидравлического забойного двигателя таким образом, что упорное кольцо выполнено разъемным в меридианной плоскости относительно центральной продольной оси корпуса шпиндельной секции, дополнительно уменьшает значение коэффициента напряжения в радиальных опорах скольжения и в упорно-радиальном многорядном подшипнике вала шпиндельной секции (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению), снижает также стоимость изготовления, обслуживания и ремонта.
Выполнение гидравлического забойного двигателя таким образом, что резьбовой переводник снабжен кольцевым уплотнителем из эластомера, установленным в кольцевой канавке перед входным витком наружной резьбы, обеспечивает относительную гибкость заходной части перед входным витком наружной резьбы при действии высокого давления бурового раствора, например, 35÷50 МПа, прокачиваемого в объеме 5÷10% через шпиндельную секцию, вследствие этого обеспечивается эффект "самоуплотнения", действие которого (герметичность) возрастает с увеличением давления, при этом предотвращается гидроабразивный износ ("размыв") резьбового соединения резьбового переводника потоком бурового раствора, который имеет плотность до 1500 кг/м, содержит до 1% песка и до 10% нефтепродуктов, и отворачивание резьбового переводника из корпуса шпиндельной секции.
Выполнение гидравлического забойного двигателя таким образом, что резьбовой переводник, наружная втулка верхней радиальной опоры скольжения, внутренние втулки верхней и нижней радиальных опор скольжения, выполнены каждые в виде единой конструкции с пластинами из твердого сплава, при этом пластины из твердого сплава установлены во внутренних расточках резьбового переводника и наружной втулки верхней радиальной опоры скольжения, а также, соответственно, в наружных расточках внутренних втулок верхней и нижней радиальных опор скольжения, и скреплены между собой пропиткой твердого сплава компонентами связки-припоя, при этом расплавленный порошок связки-припоя для крепления пластин из твердого сплава в нижнем резьбовом переводнике, наружной втулке верхней радиальной опоры скольжения, внутренних втулках верхней и нижней радиальных опор скольжения содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %: Ni 32÷47, Fe 2, Cr 7÷14, Si 2, WC остальное, повышает ресурс и надежность двигателя, точность проходки скважин и темп набора параметров кривизны скважин, обеспечивает повышение проходимости, т.е. уменьшает сопротивления и напряжения при роторном бурении боковых горизонтальных стволов нефтяных скважин, по существу, при износе осевой опоры вала шпиндельной секции, выполненной в виде упорно-радиального многорядного подшипника, (допускается осевой люфт вала шпиндельной секции не более 5,5 мм), а также при износе нижней радиальной опоры скольжения (допускается радиальный люфт вала шпиндельной секции не более 1,5 мм), а при превышении радиального люфта вала шпиндельной секции в нижней радиальной опоре скольжения не допускается бурение боковых горизонтальных стволов нефтяных скважин.
Этот технический результат обеспечивает также использование бурового долота одного диаметра ("типоразмера") в двух смежных размерах компоновки низа бурильной колонны, хотя увеличение наружного диаметра в нижней части корпуса шпиндельной секции требует перехода на больший диаметр бурового долота.
Ниже представлен лучший вариант героторного винтового гидравлического двигателя ДРУ3-120РС.800 с шпиндельной секцией, регулятором угла перекоса, буровым долотом, верхним и нижним скважинными ловителями, используемого для роторного бурения боковых горизонтальных стволов нефтяных скважин.
На фиг. 1 показан продольный разрез героторного винтового гидравлического двигателя с шпиндельной секцией, регулятором угла, верхним и нижним скважинными ловителями и буровым долотом.
На фиг. 2 показан элемент I на фиг. 1 нижнего ловильного устройства шпиндельной секции.
На фиг. 3 показан элемент II на фиг. 2 разъемного упорного кольца, установленного внутри корпуса шпиндельной секции.
На фиг. 4 показан разрез А-А на фиг. 1 поперек многозаходного винтового героторного механизма двигателя.
На фиг. 5 показан разрез Б-Б на фиг. 2 корпуса шпиндельной секции с установленным внутри разъемным упорным кольцом.
Гидравлический забойный двигатель содержит трубчатый корпус 1, размещенный внутри него многозаходный винтовой героторный механизм 2, включающий статор 3 с обкладкой 4 из эластомера с внутренними винтовыми зубьями 5 и установленный в статоре 3 винтовой многозаходный ротор 6 с винтовыми зубьями 7, число зубьев 7 ротора 6 на единицу меньше числа зубьев 5 обкладки 4 из эластомера, планетарно-роторное вращение ротора 6 осуществляется насосной подачей текучей среды 8 (бурового раствора), и шпиндельную секцию 9, включающую вал 10, установленный на осевой опоре 11, выполненной в виде упорно-радиального многорядного подшипника 12, а также на верхней радиальной опоре 13 скольжения и нижней радиальной опоре 14 скольжения, состоящих из наружной втулки 15 и внутренней втулки 16 верхней радиальной опоры 13 скольжения, размещенных в корпусе 17 шпиндельной секции 9, и, соответственно, из резьбового переводника 18 и внутренней втулки 19 нижней радиальной опоры 14 скольжения, размещенной на валу 10 шпиндельной секции 9, изображено на фиг. 1, 2, 4.
Вал 10 шпиндельной секции 9 скреплен на входе 20 приводным (карданным) валом 21 с ротором 6 при помощи резьбового соединения 22 с выходным корпусом 23 карданного вала 21, а при помощи резьбового соединения 24 входной корпус 25 карданного вала 21 скреплен с выходной частью 26 ротора 6, при этом на выходе 27 вал 10 шпиндельной секции 9 скреплен с буровым долотом 28 при помощи резьбового соединения 29, изображено на фиг. 1, 2.
Двигатель снабжен верхним ловильным устройством 30, состоящим из вала 31, упора 32 и гайки 33, и нижним ловильным устройством 34, выполненным в виде ловильной втулки 35 с наружным буртом 36, упорного кольца 37 и резьбового переводника 18, верхнее ловильное устройство 30 скреплено с верхней частью 38 ротора 6 героторного винтового механизма, а нижнее ловильное устройство 34 установлено на валу 10 шпиндельной секции 9 между внутренней втулкой 19 нижней радиальной опоры 14 скольжения и осевой опорой 11, выполненной в виде упорно-радиального многорядного подшипника 12, вал шпиндельной секции 10 и ловильная втулка 35 нижнего ловильного устройства 34 с ловильным буртом 36 жестко скреплены между собой с помощью общей резьбы 39, изображено на фиг. 1, 2.
Упорное кольцо 37 выполнено разъемным, например из двух частей 40 и 41, и установлено внутри корпуса 17 шпиндельной секции 9 в промежутке между направленными друг к другу торцом 42 резьбового переводника 18 и торцом 43 наружного кольца 44 упорно-радиального многорядного подшипника 12, ловильный бурт 36 в ловильной втулке 35 расположен между внутренним кольцом 45 упорно-радиального многорядного подшипника 12 и указанным упорным кольцом 37, при этом поз. 46 - регулировочное кольцо; поз. 47 - уплотнитель из эластомера, изображено на фиг. 1, 2, 3, 5.
1
Диаметр 48, Д ловильного бурта 36 ловильной втулки 35 превышает диаметр 49, Д отверстия упорного кольца 37, а диаметр 50 отверстия нижней радиальной опоры скольжения превышает диаметр 51 ловильной втулки 35, изображено на фиг. 1, 2, 3, 5.
1
1
Диаметр 49, Д отверстия упорного кольца и диаметр 48, Д ловильного бурта ловильной втулки связаны соотношением: Д=Д - (0,03÷0,05) Д, изображено на фиг. 1, 2, 3, 5.
Упорное кольцо 37 выполнено разъемным в меридианной плоскости 52 относительно центральной продольной оси 53 корпуса 17 шпиндельной секции 9, например из двух частей 40 и 41, изображено на фиг. 1, 2, 3, 5.
Резьбовой переводник 18 снабжен таким же кольцевым уплотнителем 47 из эластомера, установленным в кольцевой канавке 54 перед входным витком 55 наружной резьбы 56, изображено на фиг. 1, 2, 3.
Кроме того, на фиг. 4 изображено: поз. 57 - многозаходные винтовые (шлюзовые) камеры между наружными зубьями 7 винтового ротора 6 и внутренними винтовыми зубьями 5 обкладки 4 из эластомера в трубчатом корпусе 1 (в статоре 3).
Кроме того, на фиг. 1, 2 изображено: поз. 58 и 59 - пластины из твердого сплава, скрепленные пропиткой твердого сплава компонентами связки-припоя в резьбовом переводнике 18, наружной втулке 15 верхней радиальной опоры 13 скольжения, внутренней втулке 16 верхней радиальной опоре скольжения и во внутренней втулке 19 нижней радиальной опоры скольжения, изображено на фиг. 1, 2.
Твердость пластин 58, 59, например из твердого сплава карбид вольфрама-кобальт, составляет (89÷92) HRA, толщина пластин составляет (2,5±0,5) мм, расплавленный порошок связки-припоя для крепления пластин 58, 59 из твердого сплава содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %: Ni 32÷47, Fe 2, Cr 7÷14, Si 2, WC остальное, твердость материала, образованного пропиткой твердого сплава компонентами связки-припоя, составляет (52÷65) HRC э, изображено на фиг. 1, 2.
Кроме того, на фиг. 1, 2, 3 изображено: поз. 60 - защитное кольцо-центратор с покрытием из твердого сплава, скрепленное при помощи резьбы 61 с корпусом 17 шпиндельной секции 9.
Гидравлический забойный двигатель работает следующим образом: поток бурового раствора 8 под давлением, например, 35÷50 МПа по колонне бурильных труб подается в многозаходные винтовые (шлюзовые) камеры 57 между наружными зубьями 7 винтового многозаходного ротора 6 и внутренними винтовыми зубьями 5 обкладки 4 из эластомера в трубчатом корпусе 1 (в статоре 3) и образует область высокого давления и момент от гидравлических сил, который приводит в планетарно-роторное вращение ротор 6 внутри обкладки 4, из эластомера, закрепленной в корпусе 1.
Винтовые (шлюзовые) многозаходные камеры 57 между наружными зубьями 7 винтового многозаходного ротора 6 и внутренними винтовыми зубьями 5 обкладки 4 из эластомера в трубчатом корпусе 1 имеют переменный объем и периодически перемещаются по потоку бурового раствора 8, который имеет плотность до 1500 кг/м, содержит до 2% песка и до 5% нефтепродуктов.
Винтовой ротор 6, размещенный внутри обкладки 4 из эластомера, закрепленной в корпусе 1, под действием насосной подачей текучей среды - бурового раствора 8, при рабочем диапазоне давления 35÷50 МПа и расхода бурового раствора 10÷20 л/с осуществляет планетарно-роторное вращение и передает крутящий момент (в противоположном направлении) через карданный вал 21, вал 10 шпиндельной секции 9 на буровое долото 28, осуществляет бурение наклонных и горизонтальных скважин, при этом поток бурового раствора 8 охлаждает буровое долото 28 и осуществляет вынос выбуренных частиц породы из забоя через затрубное пространство к устью скважины.
Поток бурового раствора 8, прокачиваемого в объеме 5÷10% через шпиндельную секцию, осуществляет также охлаждение шпиндельной секции 9, включающей вал 10, установленный на осевой опоре 11, выполненной в виде упорно-радиального многорядного подшипника 12, а также на верхней радиальной опоре 13 скольжения и нижней радиальной опоре 14 скольжения, состоящих из наружной втулки 15 и внутренней втулки 16 верхней радиальной опоры 13 скольжения, размещенных в корпусе 17 шпиндельной секции 9, и, соответственно, из резьбового переводника 18 и внутренней
втулки 19 нижней радиальной опоры 14 скольжения, размещенной на валу 10 шпиндельной секции 9.
Энергетические характеристики двигательной секции: "заходность" (отношение чисел зубьев ротора-статора) 7/8; длина активной части статора 5000 мм; число шагов статора 5,6; рабочий диапазон расходов бурового раствора 10÷20 л/с; частота вращения на холостом ходу 130÷265 об/мин; максимально допустимый дифференциальный перепад давления (межвиткового, на зубьях обкладки из эластомера) 7,2 МПа; частота вращения в режиме максимальной мощности 70÷230 об/мин; момент силы на выходном валу 310 кгс·м; мощность 40÷75 кВт.
Винтовыми забойными двигателями производства ООО "Фирма "Радиус-Сервис": RS055, Д-60РС, ДРУ-63РС, ДРУ-75РС, ДОТ-75РС, ДОТ-75РС, ДРК-98РС, Д1-105РС, ДРУ120-РС, ДРУ4-127РС, Д-172РС, ДРУ3-172РС, ДРУ-240РС, ДРУ3-120РС, имеющими момент силы на выходном валу, в режиме от минимальной до максимальной мощности от 250 Н·м до 14000 Н·м (от 25 до 1400 кгс-м), на месторождениях Российской Федерации были успешно пробурены десятки сложных наклонно-направленных скважин глубиной 3000÷5000 метров с боковыми горизонтальными стволами длиной 400÷800 метров для добычи нефти.
1
Выполнение упорного кольца 37 разъемным и установленным внутри корпуса 17 шпиндельной секции 9 между направленными друг к другу торцами 42 и 43 резьбового переводника и наружного кольца 44 упорно-радиального многорядного подшипника 12, расположение ловильного бурта 36 в ловильной втулке 35 между внутренним кольцом 45 упорно-радиального многорядного подшипника 12 и указанным упорным кольцом 37 при превышении диаметра 48, Д ловильного бурта 36 ловильной втулки 35 относительно диаметра 49, Д отверстия упорного кольца 37, диаметра 50 отверстия нижней радиальной опоры скольжения - не превышающего диаметр 51 ловильной втулки 35, а также установка пластин из твердого сплава, скрепленных пропиткой твердого сплава компонентами связки-припоя в резьбовом переводнике 18, наружной втулке 15 верхней радиальной опоры 13 скольжения, внутренней втулке 16 верхней радиальной опоре скольжения и во внутренней втулке 19 нижней радиальной опоры скольжения уменьшает максимальные значения поперечных напряжений, возникающих от изгиба вала 10 шпиндельной секции 9 с буровым долотом 28, и вероятность разрушения вала 10 шпиндельной секции 9 в зоне между осевой опорой 11 и нижней радиальной опорой 14 шпиндельной секции 9 обеспечивает увеличение ресурса и надежности при использовании забойного двигателя в компоновке низа бурильной колонны для роторного бурения боковых горизонтальных стволов нефтяных скважин, повышает точность проходки скважин, темп набора параметров кривизны скважин и проходимость, т.е. уменьшает сопротивления и напряжения в компоновке низа бурильной колонны, снижает стоимость изготовления и обслуживания, а также обеспечивает использование долота одного диаметра в двух смежных размерах компоновки низа бурильной колонны.