ВИНТОВОЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к нефтегазовой промышленности, а именно к технике и технологии бурения нефтяных и газовых скважин с использованием гидравлических забойных двигателей.
Известны винтовые забойные двигатели (ВЗД) для привода породоразрушающего инструмента при бурении и капитальном ремонте скважин [Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Одновинтовые гидравлические машины. Том 2. М., ИРЦ «Газпром», 2007]. Рабочим органом ВЗД является зубчатая косозубая пара с внутренним циклоидальным зацеплением, состоящая из металлического ротора и статора с эластичной обкладкой, между винтовыми поверхностями которых образуются рабочие камеры.
При работе ВЗД ротор, обкатываясь внутри обкладки статора, совершает планетарное движение (вращается относительно собственной оси, которая обращается в переносном движении вокруг неподвижной оси двигателя), а выходной вал, соединенный с ротором посредством шарнирного соединения, совершает концентричное вращение в радиальных опорах шпиндельной секции. Таким образом, породоразрушающий инструмент, закрепленный на конце выходного вала, также совершает концентричное вращение вокруг оси ВЗД и диаметр ствола бурящейся скважины, если не учитывать износ вооружения долота и опор ВЗД, равен номинальному диаметру долота.
Вместе с тем, в определенных условиях повышение эффективности строительства скважины или снижение металлоемкости ее конструкции может быть достигнуто с использованием методов бурения, основанных на расширении ствола скважины (одновременно в процессе долбления или после проводки верхнего пилотного интервала), что позволяет получить диаметр скважины больше, чем проходной (внутренний) диаметр ранее спущенной обсадной колонны или пробуренного интервала. При этом результирующий диаметр бурящейся скважины оказывается больше габаритного диаметра забойной компоновки при ее поступательном перемещении в скважине.
Одним из наиболее распространенных вариантов реализации указанного метода является роторное бурение скважин с использованием бицентричных (эксцентричных) долот со смещенным центром вращения и твердосплавным или алмазным вооружением [Абубакиров В.Ф., Гноевых А.Н., Буримов Ю.Г., Межлумов А.О. Оборудование буровое, противовыбросовое и устьевое. Справочное пособие. Том 2. М., ИРЦ «Газпром», 2007, стр.80].
Бицентричные долота состоят из стального корпуса, оснащенного несколькими выступающими с одной стороны резцами, нижним направляющим пилотным долотом и верхней замковой резьбой для присоединения к бурильной колонне. Они предназначены для бурения с одновременным расширением ствола скважины различного диаметра, например, при номинальном диаметре долота 120,6 мм диаметр расширения ствола в зависимости от конструкции бицентричного долота составляет 126-141 мм, т.е. увеличивается на 4,5-16,9%.
К числу недостатков бицентричных долот следует отнести относительную сложность их конструкции, а также недостаточную надежность при использовании гидравлических забойных двигателей в связи с дополнительными динамическими нагрузками на шпиндельную секцию при вращении неуравновешенной массы долота, что в определенной степени ограничивает распространение метода бурения с одновременным расширением ствола.
В случае необходимости использования стандартных шарошечных или алмазных долот и гидравлических забойных двигателей расширение ствола скважины не представляется возможным, поэтому в этом случае для увеличения диаметра ствола скважины необходимо изменение кинематической схемы гидродвигателя, при которой его выходной вал будет совершать неконцентричное движение.
Ближайшим техническим решением, принятым за прототип, является схема ВЗД, в которой долото соединяется непосредственно с наружным элементом рабочих органов (статором), совершающим планетарное движение и обкатывающимся вокруг закрепленного на колонне бурильных труб ротора [Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Одновинтовые гидравлические машины. Том 2. М, ИРЦ «Газпром», 2007, стр.23, рис.1.4, схема IV].
Недостатком данной схемы является необходимость применения шарнирного соединения планетарно движущегося статора с вышерасположенным валом опорного узла, вращающегося в радиальных и осевых подшипниках, что обусловливает сложность конструкции и недостаточную эксплуатационную надежность двигателя.
Задачей полезной модели, представляющей собой гидравлический забойный двигатель, предназначенный для расширения ствола скважины, является расширение функциональных возможностей ВЗД посредством реализации кинематической схемы гидродвигателя, обеспечивающей возможность планетарного движения выходного вала шпинделя и связанного с ним долота, а также упрощение общей конструктивной схемы и повышение эксплуатационной надежности ВЗД.
Поставленная задача и указанный техничекий результат достигаются тем, что в винтовом забойном двигателе, состоящим из рабочих органов на базе винтового героторного механизма, шпинделя, вал которого устанавлен на осевых и радиальных опорах скольжения и узла соединения ротора рабочих органов и вала шпинделя, новым является то, что сопряженные детали радиальных и осевых опор вала шпинделя смонтированы с радиальным люфтом, величина которого составляет не менее двух эксцентриситетов героторного механизма.
Монтаж сопряженных деталей радиальных и осевых опор скольжения вала шпинделя с радиальными люфтами, величина которых назначается равной не менее двух эксцентриситетов героторного механизма рабочих органов ВЗД, позволяет осуществить возможность планетарного движения выходного вала шпинделя и связанного с ним долота и исключить из конструкции ВЗД шарнирное соединение винтового ротора и вала шпинделя.
На фиг.1 представлен общий вид заявленного винтового забойного двигателя, а на фиг.2 изображено поперечное сечение радиальной опоры скольжения шпинделя.
Винтовой забойный двигатель-расширитель состоит из рабочих органов, представляющих собой винтовую пару ротор 3 - статор 2, и шпинделя. Собственно шпиндель включает в себя корпус 7, вал 5, вращающийся в радиальных опорах скольжения 6 и 12, и многорядную осевую опору скольжения, состоящую из неподвижных 8 и вращающихся 9 колец (называемых соответственно подпятниками и дисками). Подпятники и диски устанавливаются в корпусе 7 и на валу 5 шпинделя посредством дистанционных втулок 10, 11 и закрепляются фрикционным способом. Вал шпинделя 5, являющийся полым и содержащий радиальные отверстия а для прохода жидкости к долоту, соединяется с движущимся внутренним элементом рабочих органов (ротором 3) непосредственно жесткой связью. Неподвижный наружный элемент рабочих органов (статор 2) соединяется с бурильной колонной посредством резьбового переводника 1. Долото соединяется с выходным валом при помощи переводника 13. Для передачи осевой нагрузки на долото от веса бурильной колонны и перепада давления в рабочих органах двигателя, а также восприятия реакции забоя на валу шпинделя выполнены упорные бурты, контактирующие с верхним или нижним диском осевой опоры.
Выходной вал шпинделя двигателя-расширителя имеет возможность совершать эксцентричное вращение в соответствии с кинематикой ротора, зависящей от кинематического отношения и эксцентриситета винтовой пары.
Конструктивно радиальные и осевые опоры скольжения шпинделя выполнены таким образом, что вал 5 (или втулка 11 на валу) и вращающийся диск 9 осевой опоры устанавливаются внутри сопряженных в радиальном направлении элементов (неподвижных колец опор 6, 12, 8 или втулок 10) с радиальным люфтом (полости Б, В), величина которого составляет не менее двух эксцентриситетов винтовой пары, что требует выполнения условия:
D-d≥2e,
где, D - внутренний диаметр кольцевого элемента, d - наружный диаметр вала или диска, е - эксцентриситет.
скв
ном
Устройство работает следующим образом. При подаче бурового раствора на вход в ВЗД совершается рабочий цикл, при котором ротор совершает планетарное движение, обкатываясь по винтовым зубьям неподвижного статора с эксцентриситетом е, равным межосевому расстоянию винтового механизма. В результате аналогичное движение совершает выходной вал шпинделя и долото, что приводит к расширению ствола скважины и увеличению его диаметра D относительно номинального диаметра долота D:
скв
ном
D=D+2е.
Технический результат и экономический эффект от использования предлагаемого устройства достигается за счет упрощения конструктивной схемы породоразрушающего инструмента и повышения эффективности бурения с расширением ствола скважины при использовании гидравлических забойных двигателей. Кроме того, предложенная схема может быть использована в скважинных гидроприводных винтовых насосных агрегатах для добычи нефти (система гидродвигатель-насос) с целью упрощения конструкции узла соединения выходного вала гидродвигателя и ротора насоса.