РАДИАЛЬНАЯ ОПОРА ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к буровой технике, в частности к конструкциям опорных устройств для гидравлических забойных двигателей, работающих в абразивной среде бурового раствора в скважине.
Известна твердосплавная опора скольжения, предназначенная для шпинделей гидравлических забойных двигателей, которая выполнена в виде внутренней и наружной втулок с закрепленными в каждой из них пластинами, например, из твердого сплава карбид вольфрама-кобальт, пластины выполнены в форме параллелепипеда, стороной основания расположены вдоль образующей на расстоянии друг от друга, а также скреплены с каждой из втулок и между собой пропиткой порошка износостойкого материала, например, измельченного литого карбида вольфрама с расплавленным металлом-связкой (патент RU 2310017, МПК С23С 24/10, F16C 33/24, опубл. 10.11.2007). Недостатком известной опоры скольжения с пластинами из твердого сплава является ограниченность ресурса и надежности, что объясняется недостаточной ударной прочностью, расшатыванием и отслаиванием пластин при действии максимальных нагрузок, действующих на радиальные опоры скольжения в изогнутой колонне бурильных труб, в условиях возникновения вибраций.
Наиболее близкой к заявляемой конструкции является конструкция твердосплавных радиальных опор скольжения для гидравлического забойного двигателя, выполненная в виде внутренней и наружной втулок, с закрепленными в каждой из них элементами из твердого сплава, например, из карбида вольфрама, а элементы из твердого сплава скреплены с каждой из втулок пропиткой порошка износостойкого материала, например, измельченного литого карбида вольфрама с металлом-связкой с добавкой никеля и серебра, 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, (патент US 4560014, МПК Е21В 4/02, опубл. 24.12.1985). Недостатком известной опоры скольжения с элементами из твердого сплава является ограниченность ресурса и надежности в прокачиваемых буровым раствором радиальных опорах скольжения шпинделя, что объясняется недостаточной ударной прочностью, расшатыванием и отрывом пластин от втулок при действии максимальных нагрузок в изогнутой колонне бурильных труб, при знакопеременных нагрузках, действующих на радиальные опоры скольжения, в условиях возникновения вибраций. Это приводит к преждевременному износу радиальных опор скольжения и разрушению пластин из твердого сплава в опоре скольжения.
Недостатки известной конструкции опор с металлокомпозитнми элементами из твердого сплава объясняются чувствительностью к ударным нагрузкам, концентрацией напряжений по краям пластин и отрывом пластин от втулок при действии максимальных нагрузок.
Недостатки известной конструкции объясняются также большими значениями напряжений радиальной опоры скольжения в корпусе шпинделя, а также большой вероятность расшатывания и отрыва пластин при действии максимальных нагрузок в изогнутой колонне бурильных труб в условиях высоких вибраций, действующих на радиальные опоры скольжения, при использовании двигателя в управляемых компоновках низа бурильной колонны, на участках изменения кривизны наклонной скважины.
Техническая задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении ресурса работы и надежности твердосплавных радиальных опор забойного двигателя, исключении аварийности, предотвращении образования на рабочей поверхности сетки трещин, расшатывания и отрыва износостойких элементов, разрушения части рабочей поверхности радиальных опор при действии максимальных нагрузок, что обеспечивает уменьшение эксплуатационных затрат на твердосплавные радиальные опоры и в целом на забойный двигатель.
Технический результат достигается за счет того, что радиальная опора забойного двигателя, содержащая внутреннюю и наружную втулки, с нанесенными на наружной и внутренней поверхностях втулок износостойкими элементами из твердого сплава, например карбида вольфрама-кобальта, скрепленные с каждой из втулок пропиткой порошка износостойкого материала с металлом-связкой, согласно полезной модели, по первому варианту, новым является то, что износостойкие элементы выполнены в виде сфер равного диаметра, образующих при равномерной укладке слой, при этом диаметр сфер уложенных в слой на одной из втулок меньше, чем диаметр сфер уложенных в слой на другой втулке; по второму варианту новым является то, что износостойкие элементы выполнены в виде сфер разных диаметров, образующих при равномерной укладке износостойкий слой; по третьему варианту новым является то, что износостойкие элементы выполнены в виде пластин, расположенных рядами, образующих при укладке износостойкий слой, центры пластин каждого ряда расположены напротив промежутков между пластинами соседнего ряда, а длина с промежутка между пластинами, измеренная вдоль оси вращения опоры и длина d пластины связаны соотношением с=(0,15-0,3)d, а расстояние е между пластинами соседних рядов и ширина h пластины связаны соотношением е=(0,3-0,6)h.
Кроме того, износостойкие элементы могут быть выполнены в виде пластин разных форм и размеров.
Кроме того, на краях внутренней и наружной втулках со стороны нанесенных износостойких элементов могут быть выполнены бурты, высота m которых составляет m=(0,7-1,0)k, где k - толщина износостойкого слоя.
Кроме того, расстояние f между твердосплавными пластинами и буртами втулок равно или меньше длины промежутка с между пластинами.
Кроме того, наружная втулка может быть снабжена наружным буртом, который выполнен с резьбой.
Кроме того, пропитка порошка износостойкого материала и металла-связки могут быть выполнены в виде самофлюсующейся композиции.
В предлагаемой полезной модели по первому варианту, в отличие от прототипа, износостойкие элементы выполнены в виде сфер равного диаметра, образующих при равномерной укладке слой, скрепленный с каждой из втулок пропиткой порошка износостойкого материала с металлом-связкой, что предотвращает выкрашивание рабочей поверхности опор при действии максимальных нагрузок. Сферические твердосплавные элементы обладают высокими механическими свойствами, повышенную устойчивость к ударным нагрузкам, не имеют режущих граней.
В предлагаемой полезной модели, в отличие от прототипа, диаметр сфер, уложенных в слой на одной из втулок меньше, чем диаметр сфер, уложенных в слой на другой втулке, что обеспечивает уменьшение взаимопроникновения сферических зерен трущихся слоев опоры скольжения, и снижает эффект взаимного шлифования втулок, и, следовательно, обеспечивает уменьшение износа при действии нагрузок.
По второму варианту предлагаемой полезной модели, в отличие от прототипа, износостойкие элементы выполнены в виде сфер разных диаметров, образующих при равномерной укладке слой, что обеспечивает равномерное распределение сферических элементов, обеспечивает максимально плотную укладку износостойких элементов, при которой можно получить до 83% содержания слоя карбида вольфрама-кобальта. Заполнение меж зерновых пор металлом-связкой предотвращает образование на рабочей поверхности сетки трещин, повышает прочность и надежность твердосплавных радиальных опор. Во втором варианте предложенной полезной модели сферические твердосплавные элементы выполнены в виде сфер двух диаметров, которые обладают высокими механическими свойствами. Коэффициент трения меньше, хорошая устойчивость от удара, нет выкрашивания и отрыва части поверхности при действии максимальных нагрузок, нет режущих граней, небольшие абразивные способности, что позволяет обеспечить минимальный износ и уменьшение взаимного шлифования втулок.
По третьему варианту предлагаемой полезной модели, в отличие от прототипа, износостойкие элементы выполнены в виде пластин, расположенных рядами, согласно полезной модели, центры пластин каждого ряда расположены напротив промежутков между пластинами соседнего ряда, а длина с промежутка между пластинами, измеренная вдоль оси вращения опоры и длина d пластины связаны соотношением с=(0,15-0,3)d, а расстояние е между пластинами соседних рядов и ширина h пластины связаны соотношением е=(0,3-0,6)h.
Соотношение длины с промежутка между пластинами, измеренной вдоль оси вращения опоры и длины d пластины c=(0,15-0,3)d обеспечивает максимальную площадь взаимного перекрытия боковых поверхностей пластин и, следовательно, прочность их взаимосвязи через связующий материал, предохраняя пластины от раскачивания и отрыва с места крепления. Заданные пределы длины с промежутка между пластинами от 0,15 до 0,3 от длины d пластины обеспечивает оптимальное перекрытие рабочих поверхностей опоры скольжения для их износостойкости, а также прочности крепления пластин. При длине с промежутка между пластинами, измеренной вдоль оси вращения опоры, менее 0,15 от длины d пластины ухудшается процесс пропитки связующим материалом. При длине с промежутка между пластинами, измеренной вдоль оси вращения опоры, более 0,3 от длины d пластины снижается суммарная рабочая поверхность пластин, что ведет к снижению износостойкости радиальной опоры.
Исполнение радиальной опоры по третьему варианту, когда центры пластин каждого ряда расположены напротив промежутков между пластинами соседнего ряда пластин, обеспечивает уменьшение нагрузки на концы пластин, при повышении прочности крепления концов пластин одного ряда за счет улучшения связки с серединами пластин соседних рядов. При вращении опоры под нагрузкой концы пластин каждого ряда перекрываются серединами пластин соседнего ряда, при этом сводится к минимуму возможность расшатывания и вырывания каждой пластины с места ее крепления. Повышается надежность и нагрузочная способность радиальной опоры в целом.
Оптимальная длина с промежутка между пластинами, измеренная вдоль оси вращения опоры, составляет от 0,15 до 0,3 от длины d пластины, а расстояние между пластинами е соседних рядов составляет от 0,3 до 0,6 от ширины h пластины. При этом соотношении расстояния между соседними пластинами обеспечивается перекрытие износостойких поверхностей и равномерность распределения нагрузки между пластинами при работе опоры под нагрузкой. В тоже время обеспечивается заполнение промежутков (зазоров) между пластинами связующим материалом.
Кроме того, на краях внутренней и наружной втулок со стороны нанесенных износостойких элементов выполнены бурты, высота m которых составляет m=(0,7-1,0)k, где k - толщина износостойкого слоя, что обеспечивает прочность крепления торцов износостойкого слоя, предохраняет их от выкрашивания при вибрациях и больших нагрузках. При высоте буртов меньше m≤0,7k торцы износостойкого слоя оголяются, подвергаются преждевременному разрушению. Высота буртов больше m≥1,0k может приводить к задирам поверхности и заклиниванию опоры. Поверхности буртов плавно сопряжены с рабочей поверхностью износостойкого слоя, что повышает прочность крепления.
Кроме того, расстояние f между твердосплавными пластинами и буртами втулок равно или меньше длины промежутка с между пластинами. При таком выборе величины расстояния f прочность крепления пластин с краю износостойкого слоя сопоставима с прочностью крепления пластин между собой и с втулкой.
Кроме того, выполнение наружной втулки с наружным буртом, который выполнен с резьбой, позволяет крепить ее к ниппельной гайке без осевого сжатия, т.е. позволяет разгрузить ее от дополнительных напряжений. При снижении напряжений износостойкость опоры увеличивается.
Кроме того, пропитка порошка износостойкого материала и металла-связки выполнена в виде самофлюсующейся композиции, что позволяет менять свойства компонентов в соответствии с требуемой твердостью, пластичностью.
Достигаемый технический результат трех вариантов выполнения радиальной опоры забойного двигателя, описанных выше, одинаков. Предлагаемые варианты радиальной опоры винтового двигателя позволяют повысить прочность и надежность твердосплавных радиальных опор забойного двигателя, повысить ресурс работы, исключить аварийность, предотвратить образование на рабочей поверхности сетки трещин, выкрашивание и разрушение части рабочей поверхности опоры при действии максимальных нагрузок, уменьшить эксплуатационные затраты на твердосплавные радиальные опоры.
Предлагаемые варианты радиальной опоры винтового двигателя поясняются чертежами Фиг.1, Фиг.2, Фиг.3, Фиг.4, Фиг.5, Фиг.6.
На Фиг.1 изображена радиальная опора забойного двигателя (продольный разрез) по первому варианту.
Радиальная опора забойного двигателя содержит внутреннюю 1 и наружную 2 втулки, закрепленные соответственно с наружной и внутренней поверхности втулок износостойкие элементы из твердого сплава в виде сфер 3, 4, которые образуют при равномерной укладке слой. Износостойкие элементы в виде сфер 3, 4 скреплены соответственно с каждой из втулок пропиткой порошка износостойкого материала с металлом-связкой 5. Диаметр сфер 3, уложенных в слой, на внутренней 1 втулке меньший, чем диаметр сфер 4, уложенных в слой, на наружной 2 втулке. Внутренняя 1 и наружная 2 втулки со стороны нанесенных износостойких элементов выполнены с буртами, изнутри наружной втулки бурты 6 и снаружи внутренней втулки бурты 7.
На Фиг.2 изображена радиальная опора забойного двигателя (продольный разрез) по второму варианту.
Износостойкие элементы выполнены в виде сфер 3, 4 разных диаметров, образующих при равномерной укладке износостойкий слой. Диаметр сфер 3 меньший, чем диаметр сфер 4.
На Фиг.3 изображена радиальная опора забойного двигателя (продольный разрез) по третьему варианту.
Износостойкие элементы выполнены в виде пластин 8, расположенных рядами. Центры α пластин каждого ряда расположены напротив промежутков b между пластинами соседнего ряда. Длина с промежутка b между пластинами, измеренная вдоль оси вращения опоры и длина d пластины связаны соотношением c=(0,15-0,3)d. Расстояние е между пластинами соседних рядов и ширина h пластины связаны соотношением e=(0,3-0,6)h. Расстояние f между твердосплавными пластинами 8 и буртами 6, 7 внутренней 1 и наружной 2 втулок равно или меньше расстояния с между пластинами.
На фиг.4 показано исполнение втулки 1 с буртом, с высотой износостойкого слоя k и с высотой m бурта 7.
На фиг.5 показан возможный вариант расположения пластин других форм и размеров, например ромбической формы.
На фиг.6. показан возможный вариант выполнения радиальной опоры забойного двигателя (продольный разрез) с наружным буртом на наружной 2 втулке, на котором имеется резьба 11 для крепления наружной 2 втулки к ниппельной гайке 10. Показаны наружный бурт с резьбой 11, вал 9, внутренняя втулка 1.
Заявляемая радиальная опора забойного двигателя работает следующим образом. При подаче бурового раствора забойный двигатель вращается, вращая при этом подвижную внутреннюю 1 втулку радиальной опоры (Фиг.1). Часть бурового раствора прокачивается в зазоре между подвижной внутренней 1 и стационарной наружной 2 втулками опоры, обеспечивая смазку поверхностей трения и их охлаждение. Износостойкие элементы сферы 3, 4, пластины 8 (Фиг.1, Фиг.2, Фиг.3) и пропитка порошка износостойкого материала с металлом-связкой 5 в контакте друг с другом создают полезные силы, удерживающие вращающуюся внутреннюю 1 втулку и опирающийся на нее вал 9 (Фиг.6) в необходимом для бурения положении. Под воздействием нагрузок от бурильной колонны и долота (не показаны) износостойкие элементы сферы 3, 4, пластины 8 трутся между собой, подвергаясь износу, но обеспечивая необходимую для бурения по заданной траектории радиальную силу на долоте.
Исполнение опоры по первому варианту, когда диаметр сфер 3 уложенных в слой на одной из втулок меньше (Фиг.1), чем диаметр сфер 4 уложенных в слой на другой втулке, уменьшается вероятность оголения сфер и их взаимопроникновения между сферами в ответную поверхность. Исключается возможность зацепления сфер одной втулки опоры сферами другой втулки опоры. Таким образом, уменьшается эффект взаимного шлифования втулок. Не имея острых краев и прочно удерживаясь в связующем материале износостойкие сферы 3 и 4 обеспечивают максимальную работоспособность и надежность опоры и ее способность выдерживать необходимые для бурения нагрузки.
Исполнение опоры по трем заявляемым вариантам сводит к минимуму скорость изнашивания рабочих поверхностей втулок опоры и возможности их разрушения и выкрашивания. По первому и второму вариантам исполнения износостойкие сферы сводят к минимуму усилия между сферами. Исполнение опоры по третьему варианту, когда концы пластин 8 одного ряда, при вращении втулки перекрываются серединами пластин соседнего ряда, а пластины 8 крайних рядов связаны с буртами 6, 7 втулок, сводится к минимуму возможность расшатывания и вырывания каждой пластины с места ее крепления. Повышается надежность и нагрузочная способность опоры в целом. Высота буртов 6, 7 составляет m=(0,7-1,0)k, где k - толщина износостойкого слоя. Поверхности буртов 6, 7 плавно сопряжены с рабочей поверхностью износостойкого слоя, что повышает прочность крепления. Расстояние f между твердосплавными пластинами 8 и буртами 6, 7 втулок равно расстоянию с между пластинами 8 соседних рядов, что позволяет заполнить межзерновые поры металлом-связкой, и предотвратить образование на рабочей поверхности сетки трещин, повысить прочность крепления пластин.
Исполнение наружной втулки 2 (Фиг.6) с наружным буртом 11, который выполнен с резьбой, позволяет крепить ее за эту резьбу без осевого сжатия с ниппельной гайкой 10, т.е. позволяет разгрузить ее от дополнительных напряжений. При снижении напряжений износостойкость опоры увеличивается. Достигаемый технический результат трех вариантов выполнения радиальной опоры забойного двигателя, описанных выше, одинаков.
Таким образом, предлагаемые варианты радиальной опоры винтового двигателя позволяют повысить прочность и надежность твердосплавных радиальных опор забойного двигателя, повысить ресурс работы, исключить аварийность, предотвратить выкрашивание и разрушение части рабочей поверхности опоры при действии максимальных нагрузок, обеспечить экономическое преимущество по сравнению с прототипом, уменьшить эксплуатационные затраты на твердосплавные радиальные опоры.