ШПИНДЕЛЬ-ОТКЛОНИТЕЛЬ БУРОВОГО ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к буровой технике, а именно к техническим средствам для бурения наклонно-направленных скважин.
Известен шпиндель-отклонитель по книге «Обслуживание и ремонт гидравлических забойных двигателей» авторов В.А.Добкина, Г.М.Никитина, А.А.Утробина, Москва «Недра», 1983, стр.58-59, содержащий полый корпус, вал с центральным отверстием, осевые и радиальные опоры, искривляющий переводник, шарнир, полумуфту вала для соединения с валом рабочего органа забойного двигателя. В указанном шпинделе-отклонителе корпус и вал разделены на две части: верхнюю и нижнюю, каждая из частей имеет свои радиальные и осевые опоры, искривляющий переводник соединяет части корпуса, а части вала соединены шарниром. Верхняя часть шпинделя соединена с рабочим органом, работающим в забое. Шарнир работает в потоке абразивной промывочной жидкости.
Недостатком данного шпинделя-отклонителя является наличие двух осевых опор, каждая из которых нагружена односторонней нагрузкой (от ротора забойного двигателя или от долота, работающего в забое), что ведет к ускоренному износу обеих опор. Другим недостатком данной конструкции является ускоренный износ шарнира, наиболее нагруженные элементы, которого работают в абразивной промывочной жидкости и также подвергаются интенсивному износу. Еще одним недостатком является увеличение длины шпинделя (шпиндель-отклонитель фактически представляет собой два прямых шпинделя, соединенных друг с другом искривляющим переводником и шарниром), которое ведет к удорожанию конструкции, к увеличению комплектующих и запасных частей, а также к ухудшению условий контроля траекторий скважины.
Известен турбобур-отклонитель для бурения наклонно-направленных скважин по a.c. SU 974375 (опубл. 30.07.82), содержащий турбинную секцию с корпусом, в котором расположены статор и ротор с независимой подвеской, шпиндель с полым корпусом и валом, верхней и нижней полумуфтами с контактными поверхностями, установленными соответственно на валах ротора и шпинделя, кривой переводник, соединяющий корпус турбинной секции с корпусом шпинделя, причем верхняя полумуфта выполнена с боковыми каналами, сообщающими ее внутреннюю полость с рабочей полостью турбобура, нижняя полумуфта выполнена с центральным отверстием, сообщающим ее внутреннюю полость с полостью вала шпинделя, причем верхняя и нижняя полумуфты
установлены одна относительно другой с осевым зазором, а их контактные поверхности выполнены соответственно цилиндрическими и плоскими.
Недостатком данной конструкции является ускоренный износ опор и кулачков из-за того, что кулачковая муфта работает в абразивной промывочной жидкости, а осевые опоры шпинделя и ротора движущего органа нагружены каждая односторонней нагрузкой, что приводит к быстрому износу опор.
Другим недостатком конструкции является уменьшение мощности привода при одинаковой длине рабочего органа, из-за того, что часть элементов рабочих органов турбин замещается осевыми опорами.
Известен отклонитель по патенту SU 177681 (опубл. 15.11.92), включающий забойный двигатель с корпусом и размещенные внутри выходной вал, осевые и радиальные опоры, кривой переводник, соединяющий корпус двигателя с корпусом шпинделя, и муфту, размещенную в кривом переводнике и соединяющую выходной вал шпинделя с валом ротора, отклонитель снабжен дополнительным валом и дополнительным узлом осевых и радиальных опор, размещенных в корпусе двигателя, причем, дополнительный узел осевых и радиальных опор установлен между кривым переводником и статором, а дополнительный вал установлен в дополнительном узле опор и соединен с валом ротора муфтой, при этом статор двигателя установлен в корпусе коаксиально с зазором.
Недостатком данной конструкции является ускоренный износ опор, а также уменьшение мощности привода при одинаковой длине рабочего органа.
Наиболее близким решением к заявляемому техническому решению является шпиндель-отклонитель приведенный в описании к патенту SU 22322859 (опубл. 2002.10.10) содержащий полый корпус, вал, осевые и радиальные опоры, искривляющие переводники, узел соединения вала шпинделя с валом рабочего органа двигателя, включающий герметизированные шарниры с осевыми опорами. Узел соединения вала шпинделя с валом рабочего органа двигателя состоит из приводного вала, снабженного ведущим и ведомыми шарнирными узлами с осевыми опорами скольжения.
Недостатком данного технического решения является удлинение шпинделя и соответственно двигателя за счет приводного вала и одного дополнительного шарнира, что влечет за собой повышение трудоемкости изготовления, металлоемкости, снижение надежности и долговечности. При работе с турбинным приводом приводной вал, расположенный под углом к оси турбины, создает дополнительные радиальные нагрузки на опоры и способствует ускоренному износу радиальных опор вала турбины.
Предлагаемой полезной моделью решается задача упрощения конструкции, увеличение срока службы, увеличение мощности привода за счет укорочения конструкции, повышение надежности работы.
Для достижения указанного технического результата в шпинделе-отклонителе бурового забойного двигателя, содержащем полый корпус, вал, осевые и радиальные опоры, искривляющий переводник, узел соединения вала шпинделя с валом рабочего органа двигателя, включающий герметизированный сферический шарнир с осевой опорой, ведущая часть узла соединения связана с валом рабочего органа двигателя с возможностью передачи осевого усилия и крутящего момента, а ведомая часть узла соединения зафиксирована на валу шпинделя, сферический шарнир образован обращенными друг к другу концами ведущей и ведомой частей узла соединения вала шпинделя с валом рабочего органа, и размещен в полости, образованной внутри ведущей части узла соединения вала шпинделя с валом рабочего органа двигателя, а центр вращения сферического шарнира совмещен с секущей плоскостью перекоса искривляющего переводника.
Отличительными признаками предлагаемого шпинделя-отклонителя от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, является то, что сферический шарнир образован обращенными друг к другу концами ведущей и ведомой частей узла соединения вала шпинделя с валом рабочего органа, и размещен в полости, образованной внутри ведущей части узла соединения вала шпинделя с валом рабочего органа двигателя, а центр вращения сферического шарнира совмещен с секущей плоскостью перекоса искривляющего переводника.
Благодаря наличию этих признаков повышается ресурс шпинделя-отклонителя, уменьшается длина компоновки низа бурильной колонны.
Предлагаемый шпиндель-отклонитель иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-2.
На фиг.1 показан продольный разрез шпинделя-отклонителя бурового забойного двигателя.
На фиг.2 показан продольный разрез шарнира, образованного ведущей и ведомой частями узла соединения вала шпинделя с валом рабочего органа.
Шпиндель-отклонитель (фиг.1) содержит полый корпус 1, вал 2, осевые опоры 3, радиальные опоры 4, искривляющий проводник 5, узел соединения 6 вала шпинделя 2 с валом 7 рабочего органа бурового забойного двигателя. Искривляющий переводник 5 имеет секущую плоскостью перекоса искривляющего переводника - плоскость А-А перекоса осей.
Узел соединения вала шпинделя с валом рабочего органа двигателя 6 (далее узел соединения), включает герметизированный сферический шарнир с осевой опорой, ведущая часть 8 узла соединения 6 связана с валом 7 рабочего органа двигателя с возможностью передачи осевого усилия и крутящего момента, а ведомая часть 11 узла соединения зафиксирована на валу 2 шпинделя, причем, сферический шарнир образован обращенными друг к другу концами ведущей 8 и ведомой 11 частей узла соединения вала шпинделя с валом рабочего органа. Ведущая часть 8 узла соединения вала шпинделя с валом рабочего органа (рис.2), снабжена поверхностями для передачи от вала 7 рабочего органа осевого усилия - конус 9, и крутящего момента - шлицы 10. Ведомая часть 11 узла соединения вала шпинделя с валом рабочего органа, зафиксирована на валу 2 шпинделя на резьбе 12. Концы частей 8 и 11 узла соединения 6, обращены друг к другу: нижний конец 13 ведущей части 8 и верхний конец 14 ведомой части 11 образуют с помощью шаров 15 и пяты 16 сферический шарнир с центром вращения «0». Указанный шарнир размещен в полости, образованной внутри ведущей части 8 узла соединения вала шпинделя 9 с валом рабочего органа 7 узла соединения вала шпинделя с валом рабочего органа двигателя 6. Полость загерметизирована от окружающей среды с помощью эластичной мембраны 17 и заполнена пластичной смазкой или густым маслом. Центр шарнира «0» совмещен с плоскостью А-А искривления переводника 5.
Устройство работает следующим образом. Соединенный с рабочим органом забойного двигателя и долотом, которое присоединяется к валу 2 снизу на резьбе (на рисунке не показано), шпиндель-отклонитель спускается на забой. При прокачке через двигатель (и шпиндель) промывочной жидкости, последняя приводит во вращение вал 7 рабочего органа, создавая на нем крутящий момент и осевое усиление. Движение промывочной жидкости через шпиндель показано стрелками. Вращение вала 7 с помощью соединительного устройства 6, имеющего сферический шарнир с центром в точке «0», предается без искажения на вал 2 шпинделя и далее - на долото, разрушающее горную породу. Осевое усилие вниз от вала 7 через пяту 16 передается на осевую опору 3. При разрушении горной породы долотом на ту же осевую опору 3 воздействует снизу вверх сила от долота. Тем самым осевые силы, действующие в противоположных направлениях, частично уравновешиваются, что приводит к снижению износа осевых опор.
Радиальные опоры 4 шпинделя воспринимают радиальные нагрузки от долота и радиальную составляющую осевой нагрузки, действующей под углом перекоса от вала 7. Благодаря тому, что центр «0» шарнира размещен в плоскости А-А перекоса искривляющего переводника, не возникает дополнительных радиальных нагрузок на
радиальные опоры движущего органа (радиальные опоры турбинной секции или эластичную обкладку статора винтового двигателя). Смещение центра «0» вверх или вниз привело бы к возникновению дополнительных радиальных нагрузок на опоры.
Размещение шарнира в полости внутри ведущей части 8 позволило не только сократить длину соединительного элемента 6 (а, следовательно, уменьшить длину, материалоемкость, трудоемкость изготовления, надежность всего двигателя), но и защитить эластичную мембрану 17 от агрессивного воздействия скоростного напора движущейся с высокой скоростью промывочной жидкости, содержащей абразивные твердые частицы. Это также позволяет повысить надежность и долговечность устройства.