ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ЗАБОЙНЫЕ ДВИГАТЕЛИ С УПОРНЫМ ПОДШИПНИКОМ С ПОВЫШЕННЫМ КРУТЯЩИМ МОМЕНТОМ
HYDRAULIC DOWNHOLE MOTORS WITH THRUST BEARING WITH INCREASED TORQUE

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Данная заявка испрашивает приоритет у заявки США № 15/399245, поданной 5 июля 2017 года, которая включена в данный документ в полном объеме посредством ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
1. Область техники
[0001] Раскрытие в целом относится к гидравлическим забойным двигателям для применения в буровой установке для вращения бурового долота для бурения скважин или стволов скважин.
2. Предшествующий уровень техники
[0002] Скважины или стволы скважин образуют для добычи углеводородов (нефти и газа), находящихся в подземных зонах пласта. Бурильная компоновка (также называемая компоновкой низа бурильной колонны или «КНБК») на конце содержит буровое долото, используемое для бурения стволов скважин. В некоторых бурильных компоновках, таких как те, которые используются для бурения наклонных стволов скважин, используется буровой двигатель, обычно называемый «гидравлическим забойным двигателем», для вращения бурового долота с формированием таких стволов скважин. Гидравлический забойный двигатель содержит ротор, который вращается, когда флюид, такой как бурильный флюид (обычно известный как «буровой раствор»), проходит под давлением через гидравлический забойный двигатель. Ротор соединен с гибким валом, который, в свою очередь, соединен с приводным валом, соединяющимся с долотом через коробку подключения. Приводной вал опирается на осевой подшипник (обычно называемый «упорным подшипником»). Используемые в настоящее время упорные подшипники содержат несколько отдельных блоков подшипников (часто более 10), которые соединены или сложены в стопку для формирования упорного подшипника. Каждый такой отдельный пакет подшипников содержит набор роликов или шариков, размещенных внутри двух обойм. Упорный подшипник вращается вместе с приводным валом. Бурильная компоновка и, следовательно, гидравлический забойный двигатель и упорный подшипник работают в очень суровых условиях, таких как давление свыше 10000 фунтов на квадратный дюйм (700 бар) и температура, превышающая 200 градусов по Фаренгейту (93 градуса по Цельсию). Бурильная компоновка и, таким образом, упорный подшипник во время бурения испытывают очень высокие вибрации, вихревые и другие механические нагрузки. Из-за разделения обойм для каждого шарика, установленного в применяемых в настоящее время упорных подшипниках, возможность передачи крутящего момента через пакеты подшипников ограничена из-за проскальзывания (контакта трения) между пакетами подшипников. Кроме того, проскальзывание между пакетами подшипников также может привести к износу и повреждению упорного подшипника, а также прилегающих к нему деталей.
[0003]Раскрытие в данном документе обеспечивает гидравлический забойный двигатель, который содержит упорный подшипник, устраняющий некоторые из отмеченных выше недостатков используемого в настоящее время упорного подшипника.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] В одном аспекте раскрыто устройство для применения в стволе скважины, которое в одном неограничивающем варианте реализации содержит: вращающийся элемент, упорный подшипник, соединенный с вращающимся элементом, при этом упорный подшипник содержит пакет подшипников, содержащий унитарный элемент обоймы, который содержит множество разнесенных в осевом направлении внутренних обойм вокруг наружной поверхности унитарного элемента обоймы, набор элементов качения, размещенных в каждой обойме во множестве внутренних обойм, и отдельную внешнюю обойму, которая закрепляет каждый набор элементов качения в каждой внутренней обойме. В одном варианте реализации изобретения каждое пространство между соседними внешними обоймами может поддерживаться или ограничиваться опорным элементом, состоящим по меньшей мере из двух элементов, для обеспечения возможности сборки и разборки пакета подшипников.
[0005] В другом аспекте раскрывается, что способ сборки устройства для применения в стволе скважины в одном неограничивающем варианте реализации изобретения включает в себя: размещение первого набора  элементов качения в первой внутренней обойме, выполненной на наружной поверхности унитарного элемента обоймы, имеющего по меньшей мере две внутренних обоймы вокруг наружной поверхности унитарного элемента обоймы; закрытие первой внутренней обоймы с первым набором элементов качения, помещенных в ней, первым элементом внешней обоймы; помещение первого опорного элемента около первого элемента наружной обоймы; помещение второго набора элементов качения во второй внутренней обойме около первой внутренней обоймы; и закрытие второй внутренней обоймы вторым элементом внешней обоймы.
[0006] В еще одном аспекте раскрыт способ бурения ствола скважины, который в одном неограничивающем варианте осуществления включает в себя: транспортировку бурильной компоновки в стволе скважины, содержащей гидравлический забойный двигатель, который вращает приводной элемент, выполненный с возможностью вращения бурового долота на конце бурильной компоновки, упорный подшипник, соединенный с приводным элементом, при этом пакет упорных подшипников дополнительно содержит унитарный элемент обоймы, содержащий множество разнесенных в осевом направлении внутренних обойм вокруг внешней поверхности унитарного внутреннего элемента обоймы, набор элементов качения, размещенных в каждой внутренней обойме во множестве внутренних обойм, и отдельную наружную обойму, которая закрепляет каждый набор элементов качения в каждой внутренней обойме; и бурение ствола скважины путем вращения бурового долота с помощью гидравлического забойного двигателя.
[0007] Были довольно широко обобщены примеры некоторых отличительных признаков устройства и способов, чтобы можно было лучше понять их последующее подробное описание и чтобы можно было оценить вклад в уровень техники. Конечно же, имеются дополнительные отличительные признаки, которые будут описаны ниже и которые станут объектом формулы изобретения.
ГРАФИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
[0008] Для детального понимания установки и способов, раскрытых в данном документе, следует обратиться к сопроводительным графическим материалам и их подробному описанию, при этом одинаковым элементам в основном даны одинаковые числовые обозначения и при этом:
на фиг. 1 проиллюстрирован вид в поперечном сечении представленного в качестве примера гидравлического забойного двигателя, который содержит пакет упорных подшипников, содержащий унитарный элемент, имеющий ряд размещенных в осевом направлении внутренних обойм, в которых размещены элементы качения, выполненные в соответствии с одним неограничивающим вариантом реализации изобретения;
на фиг. 2 проиллюстрирован изометрический вид в разрезе частично собранного пакета упорных подшипников согласно одному неограничивающему варианту реализации изобретения;
на фиг. 3 проиллюстрирован изометрический вид в разрезе частично собранного пакета упорных подшипников согласно одному неограничивающему варианту реализации изобретения;
на фиг. 4 проиллюстрирован вид в разрезе пакета упорных подшипников, проиллюстрированного на фиг. 3; и
на фиг. 5 проиллюстрирован собранный пакет упорных подшипников, проиллюстрированный на фиг. 1.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0009] На фиг. 1 проиллюстрирован вид в разрезе части бурового или гидравлического забойного двигателя  100, который содержит представленный в качестве примера упорный подшипник (также называемый в этом документе как «упорный подшипниковый узел») 110, содержащий пакет подшипников (также называемый «пакет упорных подшипников»)  130, выполненный в соответствии с одним неограничивающим вариантом реализации изобретения. Гидравлический забойный двигатель 100 образует нижнюю часть бурильной компоновки, которая соединена с бурильной трубой 113 для формирования бурильной колонны. Гидравлический забойный двигатель 100 содержит корпус 111, в котором находится ротор 112 внутри статора 114 . Ротор 112 соединен с приводным валом 120 (также упоминается как «шпиндель забойного двигателя»). Приводной вал 120 имеет концевое соединение 122 на своем конце для размещения бурового долота (не показано). Во время операций бурения ротор 112 вращается внутри статора 114 благодаря потоку бурового раствора 115, проходящему через буровой двигатель 100. Флюид 115 проходит через проем или отверстие 124 в приводном валу 120 и выходит в нижней части долота. Ствол скважины формируется или бурится путем вращения бурового долота с помощью гидравлического забойного двигателя и/или путем вращения бурильной компоновки, как известно в данной области техники. Приводной вал 120 поддерживается упорным подшипником 110, содержащим пакет подшипников 130. Пакет подшипников 130 соединен с внешней стороной приводного вала 120 внутри корпуса 111. Стабилизатор 140 продемонстрирован расположенным внутри корпуса 110. В одном неограничивающем варианте реализации изобретения пакет подшипников 130 содержит унитарный элемент обоймы 134, содержащий несколько разнесенных в осевом направлении внутренних обойм или канавок 133a-333n, расположенных вокруг наружной поверхности 134a унитарного элемента обоймы 134. В каждой внутренней обойме находится набор элементов качения, таких как шарики. Как проиллюстрировано на фиг. 1, наборы шариков 130a-130n показаны размещенными в соответствующих внутренних обоймах 132a-132n, как более подробно описано со ссылкой на фиг. 2-5. Каждая внутренняя обойма, содержащая набор шариков, изолирована или защищена внешней обоймой. Как проиллюстрировано на фиг. 1, наружные обоймы 136a-136n  показаны размещенными поверх соответствующих внутренних обойм 132a-132n. Бурильные компоновки и гидравлически забойные двигатели хорошо известны в буровой промышленности и, таким образом, не описаны в данном документе более подробно. Хотя упорный подшипник 110 описан в данном документе в контексте бурильной установки, такой упорный подшипник может применяться вокруг вращающегося элемента любого другого устройства для передачи крутящего момента от такого элемента к другому устройству или инструменту в форме, продемонстрированной и описанной в данном документе или в очевидной вариации этих форм.
[0010] На фиг. 2 проиллюстрирован  изометрический вид частично собранного пакета упорных подшипников 200 с открытым видом унитарного тела, обоймы или корпуса 210, выполненного согласно одному неограничивающему варианту реализации изобретения. В одном варианте реализации изобретения унитарный элемент внутренней обоймы 210 представляет собой сплошной цилиндрический элемент, изготовленный из подходящего материала, такого как сталь. В одном аспекте унитарный элемент внутренней обоймы 210 содержит множество канавок или обойм 212a, 212b - 212n (также называемые в данном документе «внутренними обоймами»), сформированными вокруг внешней поверхности 215 унитарного элемента обоймы 210. В одном варианте реализации изобретения внутренние обоймы 212a-212n расположены на расстоянии друг от друга в осевом направлении, разделенные равным пространством между соседними обоймами. Например, как проиллюстрировано на фиг. 2, пространство 214a разделяет внутренние обоймы 212a и 212b, пространство 214b разделяет внутренние обоймы 212b и 212c и пространство 214n-1 разделяет внутренние обоймы 212n-1 и 212n. Каждая внутренняя обойма содержит набор шариков (элементов качения), расположенных в такой внутренней обойме. На фиг. 2 проиллюстрирован набор шариков 220a, размещенных во внутренней обойме 212a. Каждая внутренняя обойма со своим набором шариков в нем окружена соответствующим элементом внешней обоймы, который содержит обойму вдоль своей внутренней поверхности для закрепления набора шариков в ней, как подробно описано со ссылкой на фиг. 3. Как проиллюстрировано на фиг. 2, внешняя обойма 224a изготовлена из двух полуколец 234a и 234b показана размещенной поверх внутренней обоймы 212a, содержащей шарики 220a. Каждый набор шариков, заключенных между внутренней и внешней обоймами, формирует индивидуальный пакет, относящийся к пакету упорных подшипников 200, при этом такие индивидуальные пакеты или элементы отстоят по оси с образованием пакета подшипников 200.
[0011] На фиг. 3 проиллюстрирован изометрический вид в разрезе собранного пакета упорного подшипника 300, выполненного в соответствии с одним неограничивающим вариантом реализации изобретения для применения в устройстве, таком как гидравлический забойный двигатель 100, проиллюстрированный на  фиг. 1. Проиллюстрировано, что пакет упорных подшипников 300 содержит унитарный элемент внутренней обоймы 210, содержащий множество канавок или обойм 212a-212n снаружи 215 унитарного элемента внутренней обоймы 210. Каждая из внутренних обойм 212a-212n содержит набор шариков. Как проиллюстрировано на фиг. 3, набор шариков 220a  находится внутри и вокруг обоймы 212a, набор шариков 220b находится внутри и вокруг внутренней обоймы 212b и набор шариков 220n находится внутри и вокруг внутренней обоймы 212n. Каждая из внутренних обойм 212a-212n в унитарном элементе внутренней обоймы 210 вместе с соответствующим набором шариков 220a-220n, находящимся в ней, ограничена отдельным элементом наружной обоймы, который содержит внутреннюю канавку (называемую в этом документе внешней обоймой) вдоль внутренней поверхности такого элемента внешней обоймы, выполненный с возможностью заключения шарика, установленного в соответствующую внутреннюю обойму. Как проиллюстрировано на фиг. 3, элемент внешней обоймы 224a содержит внешнюю обойму 232a, заключающую шарики 220a во внутренней обойме 212a, элемент внешней обоймы 224b, который содержит внешнюю обойму 232b, заключающий внутреннюю обойму 212b, содержащую шарики 220b, и элемент внешней обоймы 224n с внешней обоймой 232n, заключающей внутреннюю обойму 212n с шариками 220n в ней. Каждый из элементов внешней обоймы 224a-224n может быть изготовлен путем радиального размещения нескольких круглых секций или сегментов, таких как два или более круглых сегмента, для простоты размещения и заключения шариков во время процесса сборки пакета упорных подшипников 300. Опорный элемент или промежутки расположены в каждом пространстве между соседними элементами внешних обойм. Ссылаясь на фиг. 2 и 3, опорный элемент 244a проиллюстрирован размещенным вокруг пространства 214a между соседними элементами внешних обойм 224a и 224b a, опорный элемент 244b проиллюстрирован размещенным вокруг пространства 214b между элементами внешних обойм 224b и 224c и опорный элемент 244n-1 между элементами 2240n-1 и 224n. Унитарный элемент внутренней обоймы 210 содержит сквозной проход 250. Пакет упорных  подшипников 300 размещен снаружи вокруг привода 120 гидравлического забойного двигателя 110 (фиг. 1) с унитарным элементом внутренней обоймы 210, прикрепленным к приводу 120 таким образом, что когда привод 120 вращается, также вращается унитарный элемент внутренней обоймы 210 наряду с внутренними обоймами 212a-212n.
[0012] Ссылаясь теперь на фиг. 2 и 3, элементы внешней обоймы 224a-224n могут быть изготовлены из двух или более деталей для облегчения размещения или заключения шариков во внутренних обоймах при сборке пакета упорных подшипников 300. Опорные элементы 244a-244n-1 могут также содержать два или более элемента для облегчения сборки таких элементов на пакете упорных подшипников 300. В одном варианте реализации изобретения опорный элемент может быть сформирован из двух полуколец, подобно элементам 234a и 234b внешних обойм, как проиллюстрировано на фиг. 2. В качестве альтернативы, все или некоторые из внешних обойм могут быть сформированы внутри унитарных элементов (таких как унитарные кольца), при этом отдельная внешняя обойма соответствует каждой из внутренних обойм 212a-212n. Такое внешнее кольцо может быть изготовлено из двух или большего числа элементов или частей (таких как полукольца, четверти колец и т.д.), при этом все такие кольца, размещенные вместе над унитарным элементом обоймы, охватывают все наборы элементов качения. Такая структура не будет нуждаться в опорных элементах, поскольку промежутки между внешними обоймами будут выполнять ту же функцию, что и отдельные опорные элементы.
[0013] На фиг. 4 проиллюстрирован вид с частичным разрезом 400 пакета упорных подшипников 300, проиллюстрированного на фиг. 3, в процессе сборки и разборки пакета упорных подшипников 300. Способ сборки пакета упорных подшипников 300 может включать в себя: помещение первого набора шариков 220a в первую внутреннюю обойму 212a, выполненную на наружной поверхности 215 унитарного элемента внутренней обоймы 210, содержащего выбранное количество внутренних обойм 212a-212n вокруг внешней поверхности обоймы 215; заключение или закрепление первого набора шариков 220a, помещенного в первой внутренней обойме 212a, в первой внешней обойме 224a; помещение первого опорного элемента 244a, смежного по отношению к элементу внешней обоймы 224a; помещение второго набора шариков 220b во вторую внутреннюю обойму 212b и заключение второй внутренней обоймы 212b со вторым набором шариков 220, помещенных в нее, во второй внешней обойме 224b; а также помещение второго опорного элемента 244b рядом со вторым элементом внешней обоймы 224b. Этот процесс продолжается до тех пор, пока все внутренние обоймы не будут заполнены соответствующими наборами шариков и закреплены соответствующими элементами внешней обоймы вместе с опорными элементами, расположенными в промежутках между соседними элементами внешней обоймы. Для разборки пакета упорных подшипников 400 упомянутый  выше процесс выполняется в обратном порядке. Опорные элементы обеспечивают возможность разборки упорного подшипника, открывая доступ к наборам шариков в процессе разборки.
[0014] На фиг. 5 проиллюстрирован изометрический вид полностью собранного пакета упорных подшипников 300, проиллюстрированного на фиг. 3. Проиллюстрировано, что упорный подшипник  300 содержит унитарный элемент внутренней обоймы 210, имеющий сквозное внутреннее отверстие 250. Внешние обоймы 224a-224n соответственно содержат наборы шариков 220a-220n в соответствующих внутренних обоймах 212a-212n (скрыты  на фиг. 5). Опорные элементы 244a-244n-1, как проиллюстрировано, помещены в промежутки 214a-214n-1 между смежными внешними обоймами 224a-224n. Раскрытый в данном документе упорный подшипник, содержащий пакет подшипников, выполненный в соответствии с вариантом реализации этого изобретения, может обеспечивать передачу более высокого крутящего момента по сравнению с используемыми в настоящее время упорными подшипниками и уменьшать отказы во время бурения, такие как растрескивание приводной части, которая содержит упорный подшипник, и разрывы наружного диаметра приводной детали, вызванные крутильным перемещением между обоймами упорных подшипников.
[0015] Вышеизложенное раскрытие направлено на некоторые представленные в качестве примера неограничивающие варианты реализации бурильного двигателя с упорным подшипником. Для специалистов в данной области техники будут очевидны различные модификации. Предполагают, что все такие модификации в пределах объема прилагаемой формулы изобретения будут охвачены вышеприведенным изобретением. Слова «содержащий», «включающий», «содержит» и «включает», используемые в формуле изобретения, следует интерпретировать как подразумевающие «включающий, но не ограничивающийся ими». Кроме того, реферат не должен применяться для ограничения объема формулы изобретения.