ШПИНДЕЛЬ ВИНТОВОГО ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Предлагаемая полезная модель относится к буровой технике, а именно к конструкции шпиндельной секции для винтовых забойных двигателей, применяемых при бурении нефтяных и газовых скважин.
Использование шпинделей с многоступенчатой осевой опорой для винтовых забойных двигателей известно давно. Шпиндель предназначен для передачи вращающего момента с рабочего органа винтового забойного двигателя и осевой нагрузки на долото. Основным недостатком шпинделя является отсутствие надежных устройств для погашения динамических нагрузок от долота в процессе бурения на осевую опору шпинделя, шарниры и рабочие органы винтового забойного двигателя.
Для производительной работы долота необходимо передать на забой от рабочих органов значительные по величине мощность и вращающий момент при ограниченном наружном диаметре винтового забойного двигателя. В результате анизотропности разрушаемых пород, наличия неровностей забоя и зубчатой поверхности шарошек долота, последнее вместе с винтовым забойным двигателем подвержены интенсивным осевым вибрациям и крутильным колебаниям, что приводит к значительным перегрузкам всех элементов шпинделя, шарниров и рабочих органов двигателя.
В этих условиях надежность и долговечность винтового забойного двигателя, включая шпиндель, может быть обеспечена только при использовании в его конструкции многоступенчатой комбинированной осевой опоры с равномерным распределением осевой нагрузки по ступеням и амортизирующими способностями для подавления вибраций, крутильных колебаний и, следовательно, снижении динамических нагрузок на шпиндель.
Известен шпиндель забойного двигателя (RU, патент 2183245, Кл. 7 Е21В 4/02, 2002), включающий корпус, вал, осевую и радиальные опоры, и установленный между ними упругий элемент, выполненный в виде двух групп пружинных колец, каждая из которых содержит внутреннее кольцо, закрепленное на валу, и наружное кольцо, закрепленное в корпусе, а осевая опора качения расположена между этими группами пружинных колец. При этом пружинные кольца установлены с кольцевым зазором между собой, а осевая опора выполнена с кольцевыми каналами, обеспечивающими переток смазывающей жидкости между двумя группами пружинных колец. Внутренние и наружные кольца упругого элемента имеют одинаковую жесткость и выполнены с возможностью поджатия с усилием, превышающим осевую нагрузку на шпинделе на 10-15%.
Недостатком данного шпинделя является сложность осуществления предварительной осадки внутренних и наружных пружинных колец с одинаковым усилием, одновременно обеспечивая необходимые амортизирующие свойства упругого элемента исходя из диапазона реальных осевых нагрузок на долото при бурении. Кроме того, предварительное поджатие упругого элемента не оказывает никакого влияния на равномерность распределения нагрузок по рядам осевой опоры, которое зависит только от точности изготовления всех деталей, входящих в состав подшипника качения.
Другим недостатком известного шпинделя является то, что упругий элемент осевой опоры находится постоянно под осевой нагрузкой сжатия, близкой к осевой нагрузке на шпиндель при бурении, тем самым снижается упругая податливость внутренних и наружных пружинных колец и, следовательно, эффективность гашения виброударов, передаваемых от долота.
Известна многоступенчатая комбинированная осевая опора шпинделя турбобура (RU, патент 258786, Кл. Р16с 21/00, 1969), ступени которой содержат упорный подшипник качения и дополнительный подшипник скольжения, взаимодействующий с кольцами подшипника качения, ограничивая перемещение вала шпинделя, а также расположенным между подшипниками скольжения и качения элементом, закрепленным на валу шпинделя, позволяющим равномерно распределить осевую нагрузку в упорных подшипниках качения по ступеням.
Недостатком известной многоступенчатой комбинированной осевой опоры шпинделя является отсутствие устройства, эффективно снижающего динамические нагрузки на корпусные детали шпинделя, соединительные элементы и рабочие органы винтового забойного двигателя, а также сложность и многодетальность конструкции.
При использовании аналогичных многорядных подшипников качения с тороидальными дорожками и резиновыми компенсаторами (Винтовые забойные двигатели / Балденко Д.Ф., и др. М.: Недра, 1999. С.61) в шпинделе винтового забойного двигателя для восприятия осевых нагрузок не достигнуто приемлемой долговечности в сравнении с применяемыми упорно радиальными подшипниками качения и многорядным резинометаллическими опорами скольжения, как не обеспечивающие в достаточной степени демпфирование динамических нагрузок.
Известна многоступенчатая осевая опора шпинделя (RU, патент 2277189, Кл. F16C 27/06, 2006), состоящая из наружных и внутренних колец, дисков и подпятников с эластичными элементами, причем эластичные элементы подпятников в каждой ступени осевой опоры установлены между торцами дисков с возможностью предварительного сжатия по торцам.
Такая многоступенчатая осевая опора шпинделя имеет достаточную несущую способность при равномерном распределении осевой нагрузки по ступеням. Кроме того, многоступенчатая осевая опора без зазоров на ее рабочих поверхностях и консольном расположении эластичных элементов относительно корпусов подпятников является также демпфером, воспринимающим ударные нагрузки от долота при бурении забойным двигателем.
Для повышения долговечности известной многоступенчатой осевой опоры шпинделя необходимо снизить влияние поперечных вибраций, возникающих вследствие обкатки ротора по зубьям статора и передаваемых через приводной узел, вал шпинделя и диски на эластичные элементы подпятников, которые испытывают дополнительные радиальные нагрузки, снижающие нагрузочные характеристики многоступенчатой осевой опоры шпинделя в условиях сложнонапряженного состояния материала эластичных элементов.
Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является шпиндель забойного двигателя (RU, патент 2011776, Кл. 5 Е21В 4/00, 1994), включающий корпус, размещенный внутри корпуса вал, осевую и радиальные резинометаллические опоры, причем одна из радиальных опор выполнена в виде двух втулок и двух дисков, между которыми установлен упруго цилиндрический элемент из износостойкого материала с низким коэффициентом трения с завулканизированной внутри пружиной сжатия. Установка упругого цилиндрического элемента в шпинделе обеспечивает одностороннее поджатие рабочих поверхностей дисков и подпятников осевой опоры.
Недостатком прототипа является то, что вне зависимости от направления действия осевой нагрузки, при постоянном одностороннем поджатии рабочих поверхностей дисков и подпятников осевой опоры за счет деформации упругого элемента между дисками осевая опора не обладает достаточной износостойкостью пар трения диск-подпятник в связи с неравномерным распределением нагрузок по ступеням резинометаллической осевой опоры (Расчет, конструирование и эксплуатация турбобуров / Гусман М.Т. и др. М.: Недра, 1976. С.225-227). Кроме того, изобретение не обеспечивает снижения динамических нагрузок на шпиндель, подавления вибраций при бурении и повышения срока службы шпинделя в связи с тем, что по мере износа торцов упругого элемента и сопряженных дисков, а также износа дисков и подпятников осевой опоры, усилие сжатой пружины и зона упругой деформации упругого цилиндрического элемента будут уменьшаться с одновременным снижением эффективности гашения ударных нагрузок.
Техническая задача, решаемая в предлагаемой полезной модели, заключается в повышении надежности и работоспособности шпинделя винтового забойного двигателя.
Технический результат от использования предлагаемой полезной модели определяется значительным подавлением вибраций и снижением динамических нагрузок на шпиндель путем оптимального распределения знакопеременной осевой нагрузки на поверхности пар трения в условиях упругой податливости многоступенчатой осевой опоры шпинделя, что обеспечивает амортизацию динамических составляющих осевой нагрузки вследствие одновременного их восприятия всеми ступенями осевой опоры и поперечных вибраций радиальными опорами.
Решение поставленной задачи заключается в том, что шпиндель винтового забойного двигателя, включающий корпус, размещенный внутри корпуса вал, многоступенчатую резинометаллическую осевую опору, в которой рабочие поверхности дисков и подпятников находятся под односторонним поджатием друг к другу, верхнюю и нижнюю радиальные опоры, согласно полезной модели многоступенчатая резинометаллическая осевая опора выполнена в виде демпфера, включающего подпятники с эластичными элементами, прочно связанными с корпусом и втулкой подпятника, причем эластичные элементы подпятников в каждой ступени расположены между дисками с предварительным поджатием по торцам, при этом многоступенчатая резинометаллическая осевая опора установлена между верхней радиальной опорой скольжения повышенной жесткости, выполненной из металла, и нижней радиальной опорой, выполненной комбинированной, включающей радиальную опору скольжения повышенной жесткости в сочетании с ниже расположенной резинометаллической радиальной опорой скольжения.
На фиг.1 показан продольный разрез шпинделя винтового забойного двигателя.
На фиг.2 показан вариант компоновки многоступенчататой резинометаллической осевой опоры с радиальной и комбинированной радиальной опорами.
Шпиндель винтового забойного двигателя (фиг.1) содержит корпус 1, вал 2, многоступенчатую резинометаллическую осевую опору 3, верхнюю радиальную опору повышенной жесткости 4, комбинированную радиальную опору 5, колпак 6. На валу 2 установлена муфта 7. Для предотвращения потери долота в случае поломки вала 2 в шпинделе предусмотрено устройство, выполненное в виде противоаварийного уступа 8 на валу 2 и ответного противоаварийного уступа 9, выполненного на колпаке 6 шпинделя, которые вступают во взаимодействие при подъеме двигателя из скважины.
Многоступенчатая резинометаллическая осевая опора (фиг.2) содержит подпятник 10, состоящий из корпуса 11, втулки 12 с закрепленным между ними эластичным элементом 13, диск 14, кольцо корпуса 15, кольцо вала 16. В состав комбинированной радиальной опоры 5 входит радиальная опора повышенной жесткости 17 и резинометаллическая радиальная опора 18.
В процессе бурения скважин долотами с зубчатой поверхностью шарошек осевая опора шпинделя подвержена интенсивным осевым вибрациям. Кроме того, при работе винтового забойного двигателя через приводной вал, расположенный под углом к оси шпинделя от ротора двигателя передаются дополнительные радиальные нагрузки и поперечные колебания на радиальные опоры и эластичные элементы подпятников, что способствует интенсивному их износу.
При установке в шпинделе многоступенчатой резинометаллической осевой опоры в совокупности с радиальными опорами и возможностью равномерного распределения осевых нагрузок между упруго эластичными элементами подпятников в каждой ступени путем консольного закрепления их между корпусам и втулкой в каждом подпятнике, осевая опора за счет ее способности к амортизации, может обеспечить снижение динамических нагрузок на шпиндель, подавление как продольных, так и поперечных вибраций, что позволит увеличить срок службы шпинделя, повысить скорость бурения и качество проводки ствола скважины. При больших ударных нагрузках упруго эластичные элементы подпятников с постоянным поджатием к дискам выполняют роль демпфера, значительно погашая силу ударов от долота, действие импульса силы смягчается, а распространение импульса по ступеням в осевой опоре постепенно затухает по сравнению с достаточно жесткой резинометаллической осевой опорой любого типа. Энергия удара постепенно поглощается благодаря упругой податливости эластичных элементов подпятников, при этом многократно снижается размах колебаний напряжений в материале вала и элементах многоступенчатой резинометаллической осевой опоры. Это позволяет увеличить надежность и долговечность всего винтового забойного двигателя.