ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
HYDRAULIC DOWNHOLE MOTOR

Изобретение относится к гидравлическим приводам для вращательного бурения, размещаемым в скважинах, а именно к ловильным устройствам для подъема оборвавшихся валов шпинделей с долотом, и может быть использовано в гидравлических винтовых героторных двигателях и турбобурах для бурения нефтяных и газовых скважин.
Известен гидравлический забойный двигатель, содержащий полый корпус, размещенный внутри него привод с ротором, а также шпиндель, установленный внутри корпуса шпинделя на осевой и радиальных опорах, снабженный долотом и соединенный приводным валом с ротором, корпуса двигателя и шпинделя соединены изогнутыми резьбовыми переводчиками, а ротор и шпиндель соединены с приводным валом, снабженным ведущим и ведомым шарнирными узлами с осевыми опорами скольжения, посредством резьбовых переходников, корпус шпинделя выполнен с поперечным разъемом между осевой и радиальной опорами со стороны долота, шпиндель выполнен с кольцевой канавкой в плоскости поперечного разъема корпуса шпинделя, в канавке установлено разъемное кольцо, диаметр которого превышает диаметр шпинделя, внутри корпуса шпинделя закреплены опорная втулка и кольцо-ловитель, а радиальная опора корпуса шпинделя со стороны долота выполнена в виде размещенной на втулке и закрепленной внутри корпуса шпинделя упругоэластичной опоры скольжения, при этом расстояние между осевыми опорами приводного вала не превышает длины осевой опоры шпинделя (RU 2232859 С2, 20.07.2004).
Недостатком известного забойного двигателя (турбобура) является невозможность увеличения наружного диаметра выходной части вала шпинделя для крепления долота большего типоразмера, поэтому в шпинделе предусмотрен переходник, который увеличивает "вылет" долота, ухудшает проходимость, т.е. повышает сопротивления и напряжения в компоновке низа бурильной колонны при прохождении через радиусные участки ствола скважины, имеющие участки малого и среднего радиуса.
Недостатком известной конструкции является также выполнение шпинделя с кольцевой канавкой в плоскости разъема корпуса шпинделя и установленного в кольцевой канавке разъемного кольца, диаметр которого превышает диаметр шпинделя, а также закрепление внутри корпуса шпинделя опорной втулки и кольца-ловителя, что объясняется необходимостью двойного "перекрытия" (требуется минимальное перекрытие 4-5 мм) диаметров каждого из ловильных буртов: окружного бурта опорной втулки и внутреннего бурта кольца-ловителя, а также "перекрытия" внутреннего диаметра установленного в кольцевой канавке разъемного кольца относительно наружного диаметра вала шпинделя, которые уменьшают прочность и усталостную выносливость вала шпинделя от действия максимальных значений поперечных напряжений, возникающих от изгибающих моментов долота на валу шпинделя при прохождении через радиусные участки ствола скважины, а также при износе осевой опоры.
Известен гидравлический забойный двигатель, содержащий полый корпус, размещенный внутри него героторный механизм, включающий соосно расположенный в корпусе статор и установленный внутри статора ротор, а также шпиндельную секцию, включающую вал с осевым подшипником, размещенный в верхней и нижней радиальных опорах, состоящих из наружной и внутренней втулок и размещенных в корпусе шпиндельной секции, соединенный на входе приводным валом с ротором, а на выходе - нижним переводником с долотом, переводник, установленный между героторным механизмом и корпусом шпиндельной секции, снабженный противоаварийным устройством, выполненным в виде фигурной втулки, установленной на валу шпиндельной секции и расположенной между внутренней втулкой нижней радиальной опоры и осевым подшипником, вал шпиндельной секции имеет окружной бурт, а фигурная втулка - внутренний и наружный окружные бурты, при этом окружной бурт вала шпиндельной секции и внутренний бурт фигурной втулки выполнены в виде винтовой нарезки с направлением, обратным вращению вала шпиндельной секции (RU 2299302 С1, 20.05.2007).
Недостатком известной конструкции является расположение резьбы и кольцевой канавки на валу шпинделя (на диаметре, меньшем диаметра внутренней втулки нижней радиальной опоры) между осевой и нижней радиальной опорами, которые уменьшают прочность и усталостную выносливость вала шпинделя от действия максимальных значений поперечных напряжений, возникающих от изгибающих моментов долота на валу шпинделя при прохождении через радиусные участки ствола скважины, а также при износе осевой опоры.
Такое выполнение противоаварийного устройства увеличивает коэффициент напряжения при изгибе (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению), повышает вероятность разрушения вала между осевой и нижней радиальной опорами шпинделя, а при разрушении вала шпинделя по кольцевому поясу "а" долото и вал шпинделя безвозвратно теряются в скважине.
Недостатком известной конструкции является также выполнение фигурной втулки с внутренним и наружным окружными ловильными буртами, что увеличивает диаметр шпинделя или уменьшает прочность ловильных буртов и опасного сечения вала шпинделя при расположении противоаварийного устройства между внутренней втулкой нижней радиальной опоры и осевым подшипником: кольцевого пояса "а" между поясом "в" и нижней радиальной опорой скольжения.
Это объясняется необходимостью двойного "перекрытия" (требуется минимальное перекрытие 4-5 мм) диаметров каждого из ловильных буртов: окружного бурта "в" вала шпиндельной секции и внутреннего бурта фигурной втулки, выполненных в виде винтовой нарезки с направлением, обратным вращению вала шпиндельной секции, а также "перекрытия" диаметров окружного бурта фигурной втулки относительно торца и внутреннего диаметра корпуса нижнего переводника.
Известен винтовой забойный двигатель, содержащий шпиндель с осевыми и радиальными опорами и двигательную секцию, установленная в нижней части шпинделя радиальная опора выполнена комбинированной, включающей опору скольжения с жесткими рабочими поверхностями и упругую опору скольжения с рабочими поверхностями, одна из которых выполнена из металла, а другая - с элементом из упругоэластичного материала, опора скольжения с жесткими рабочими поверхностями установлена выше упругой опоры скольжения, длина рабочих поверхностей упругой опоры скольжения не менее чем в 1,5 раза больше длины рабочих поверхностей жесткой опоры скольжения, радиальный зазор в сопряжении рабочих поверхностей упругой опоры скольжения равен или меньше радиального зазора в сопряжении рабочих поверхностей жесткой опоры скольжения, при этом нижняя упругая радиальная опора скольжения шпинделя размещена в резьбовом ниппеле, вал шпинделя выполнен с ловильным буртом, а на резьбовом ниппеле со стороны долота закреплена гайка с ловильным поясом (RU 2241106 C1, 27.11.2004).
Недостатком известного забойного двигателя является невозможность увеличения наружного диаметра выходной части вала шпинделя для крепления долот большего типоразмера вследствие того, что диаметр выходной части вала шпинделя ограничивается внутренним диаметром ловильного пояса центратора.
Упругая опора скольжения, расположенная ниже жесткой (нижней) опоры скольжения, длина рабочих поверхностей которой не менее чем в 1,5 раза больше длины рабочих поверхностей жесткой (нижней) опоры скольжения, увеличивает осевые габариты шпинделя, ухудшает проходимость, т.е. повышает сопротивления и напряжения в компоновке низа бурильной колонны при прохождении через радиусные участки ствола скважины, снижает точность бурения.
Наиболее близким к заявляемой конструкции является гидравлический забойный двигатель ДВР3-176, содержащий корпус с размещенным внутри него ротором, выполненным с возможностью вращения, осуществляемого насосной подачей текучей среды, корпус шпинделя с размещенным внутри него валом шпинделя, установленным на осевой опоре, выполненной на упорно-радиальном многорядном подшипнике, а также на верхней и нижней радиальных опорах скольжения, армированных твердым сплавом, резьбовой переводник, скрепленный с корпусами двигателя и шпинделя, вал шпинделя соединен приводным валом с ротором, скреплен с долотом и содержит ловильный бурт, а на резьбе корпуса закреплена гайка, выполненная с ловильным поясом (Журнал "Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море". - М.: ОАО "ВНИИОЭНГ", №9, 2003, стр.10, рис.4).
Недостатком известного двигателя является невозможность увеличения наружного диаметра выходной части вала шпинделя для крепления долот большего типоразмера вследствие того, что диаметр выходной части вала шпинделя ограничивается внутренним диаметром ловильного пояса защитной втулки или устанавливаемого вместо нее центратора.
Недостатками известного двигателя являются также неполная возможность увеличения ресурса и надежности шпинделя двигателя (нижней радиальной опоры), повышения точности бурения наклонных и горизонтальных скважин, повышения темпа набора параметров кривизны скважин, а также повышения проходимости, т.е. уменьшения сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны при прохождении через радиусные участки ствола скважины, имеющие участки малого и среднего радиуса 30…300 м.
Ресурс и надежность шпинделя определяются износом осевой опоры (допускается осевой люфт вала шпинделя до 5,5 мм), а также износом нижней радиальной опоры скольжения, выполненной в виде пары металл-металл, с армированием сопряженных поверхностей твердым сплавом (допускается радиальный люфт вала шпинделя не более 1,55 мм), а при превышении радиального люфта вала шпинделя в нижней радиальной опоре не допускается бурение наклонных и горизонтальных скважин.
Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в увеличении наружного диаметра выходной части вала шпинделя для крепления долот большего типоразмера, в увеличении ресурса и надежности шпинделя двигателя, повышении точности бурения скважин и темпа набора параметров кривизны скважин, повышении проходимости, т.е. уменьшении сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны при прохождении через радиусные участки ствола скважины, по существу, в повышении жесткости нижней радиальной опоры скольжения, максимально приближенной к долоту, повышении прочности и усталостной выносливости вала шпинделя от действия максимальных значений поперечных напряжений, возникающих от изгибающих моментов долота на валу шпинделя при прохождении через радиусные участки ствола скважины, а также при износе осевой опоры за счет выполнения ловильного бурта в ловильном кольце, установленном на центрирующем пояске вала шпинделя, выполнения ловильного пояса гайки с пазами, ширина и диаметр которых превышает, соответственно, толщину в поперечном сечении и диаметр ловильного кольца, а также сборки ловильного кольца (с поворотом на прямой угол) через пазы ловильного пояса гайки.
Сущность технического решения заключается в том, что в гидравлическом забойном двигателе, содержащем корпус с размещенным внутри него ротором, выполненным с возможностью вращения, осуществляемого насосной подачей текучей среды, корпус шпинделя с размещенным внутри него валом шпинделя, установленным на осевой опоре, выполненной в виде упорно-радиального многорядного подшипника, а также на верхней и нижней радиальных опорах скольжения, резьбовой переводник, скрепленный с корпусами двигателя и шпинделя, при этом вал шпинделя содержит ловильный бурт, соединен приводным валом с ротором и скреплен с долотом, а на резьбе корпуса шпинделя закреплена гайка, выполненная с ловильным поясом, согласно изобретению вал шпинделя выполнен с центрирующим пояском и резьбой, расположенными между нижней радиальной опорой скольжения и выходной частью вала, предназначенной для крепления долота, ловильный бурт выполнен в ловильном кольце, установленном на центрирующем пояске вала шпинделя, на валу шпинделя установлена резьбовая втулка, закрепляющая ловильное кольцо, при этом ловильный пояс гайки выполнен с пазами, ширина и диаметр которых превышает, соответственно, толщину в поперечном сечении и диаметр ловильного кольца, внутри гайки выполнена кольцевая полость, сообщающаяся с пазами ловильного пояса, а диаметр кольцевой полости превышает диаметр ловильного бурта в ловильном кольце.
1
Диаметр Д ловильного пояса закрепленной в корпусе шпинделя гайки и диаметр Д ловильного бурта ловильного кольца, установленного на центрирующем пояске вала шпинделя, связаны соотношением:
1
Д=Д-(0,03÷0,05)Д.
Максимальный внутренний диаметр закрепленной в корпусе шпинделя гайки, выполненной с ловильным поясом, в плоскости нижней радиальной опоры скольжения равен диаметру ее ловильного пояса.
Выполнение гидравлического забойного двигателя таким образом, что вал шпинделя выполнен с центрирующим пояском и резьбой, расположенными между нижней радиальной опорой скольжения и выходной частью вала, предназначенной для крепления долота, ловильный бурт выполнен в ловильном кольце, установленном на центрирующем пояске вала шпинделя, на валу шпинделя установлена резьбовая втулка, закрепляющая ловильное кольцо, при этом ловильный пояс гайки выполнен с пазами, ширина и диаметр которых превышает, соответственно, толщину в поперечном сечении и диаметр ловильного кольца, внутри гайки выполнена кольцевая полость, сообщающаяся с пазами ловильного пояса, а диаметр кольцевой полости превышает диаметр ловильного бурта в ловильном кольце, увеличивает наружный диаметр выходной части вала шпинделя (не ограниченной диаметром ловильного пояса гайки) для крепления долот большего типоразмера, увеличивает ресурс и надежность шпинделя двигателя, повышает точность бурения скважин и темп набора параметров кривизны скважин, повышает проходимость, т.е. уменьшает сопротивления и напряжения в компоновке низа бурильной колонны при прохождении через радиусные участки ствола скважины, имеющие участки малого и среднего радиуса 30…300 м, за счет повышения жесткости нижней радиальной опоры, максимально приближенной к долоту, упрощения сборки шпинделя, уменьшения максимальных значений поперечных напряжений, возникающих от изгиба вала шпинделя с долотом, снижает вероятность разрушения вала шпинделя в зоне резьбовой втулки и ловильного кольца, а также повышает прочность и усталостную выносливость резьбового соединения вала шпинделя с резьбовой втулкой, корпуса шпинделя с гайкой при прохождении через радиусные участки ствола скважины в условиях трения и вращения в стволе скважины.
1
Выполнение диаметра Д ловильного пояса закрепленной в корпусе гайки и диаметра Д ловильного бурта закрепленного на валу шпинделя ловильного кольца таким образом, что они связаны соотношением:
1
Д=Д-(0,03÷0,05) Д, обеспечивает минимальное "перекрытие" ловильного пояса в ловильном кольце над ловильным буртом гайки, надежное удержание оборванного вала шпинделя с долотом при заданных наружных диаметрах резьбового соединения корпуса шпинделя с гайкой, выполненной с ловильным поясом, предотвращает срез и смятие ловильного бурта в ловильном кольце.
Выполнение гидравлического забойного двигателя таким образом, что максимальный внутренний диаметр гайки, выполненной с ловильным поясом, в плоскости нижней радиальной опоры скольжения равен диаметру ее ловильного пояса, повышает жесткость нижней радиальной опоры, уменьшает "вылет" долота за счет сборки (с поворотом на прямой угол относительно поперечной оси шпинделя) ловильного кольца через пазы ловильного пояса гайки, упрощает замену и ремонт узлов подшипников осевой и радиальных опор при выработке ресурса.
Ниже представлен лучший вариант героторного винтового гидравлического двигателя ДРУ1-240РС со шпинделем, регулятором угла, долотом, верхним и нижним скважинными ловителями для бурения нефтяных скважин.
На фиг.1 показан продольный разрез героторного винтового гидравлического двигателя со шпинделем, регулятором угла, верхним и нижним скважинными ловителями и долотом.
На фиг.2 показана нижняя часть шпинделя без долота.
На фиг.3 показан разрез А-А на фиг.2 выходной части вала шпинделя.
На фиг.4 показана схема сборки ловильного кольца через пазы в ловильном поясе гайки.
Гидравлический забойный двигатель содержит корпус 1 с закрепленной внутри него обкладкой 2 из эластомера и размещенным в обкладке 2 корпуса 1 винтовым многозаходным ротором 3, выполненным с возможностью вращения, осуществляемого насосной подачей текучей среды 4 (бурового раствора), корпус 5 шпинделя с размещенным внутри него валом 6 шпинделя, установленным на осевой опоре 7, выполненной в виде упорно-радиального многорядного подшипника 8, а также на верхней 9 и нижней 10 радиальных (твердосплавных) опорах скольжения, вал 6 шпинделя соединен приводным (карданным) валом 11 с винтовым ротором 3, скреплен резьбовым соединением 12 с долотом 13 и содержит ловильный бурт 14, а на резьбе 15 корпуса 5 шпинделя закреплена гайка 16, выполненная с ловильным поясом 17, показано на фиг.1.
Гидравлический двигатель содержит также состоящий из трех секций резьбовой (изогнутый) переводник 18, скрепленный с корпусом 1 двигателя и корпусом 5 шпинделя, показано на фиг.1.
Вал 6 шпинделя выполнен с центрирующим пояском 19 и резьбой 20, расположенными между нижней радиальной опорой 10 скольжения и выходной частью 21 вала 6, предназначенной для крепления долота 13, ловильный бурт 14 выполнен в ловильном кольце 22, установленном на центрирующем пояске 19 вала 6 шпинделя, на валу 6 шпинделя установлена резьбовая втулка 23, закрепляющая ловильное кольцо 22, при этом ловильный пояс 17 гайки 16 выполнен с пазами 24, 25, ширина 26 и диаметр 27 (или размер 27) которых превышает, соответственно, толщину 28 в поперечном сечении и диаметр 29 ловильного кольца 22, внутри гайки 16 выполнена кольцевая полость 30, сообщающаяся с пазами 24, 25 ловильного пояса 17, а диаметр 31 кольцевой полости 30 превышает диаметр 29 ловильного бурта 14 в ловильном кольце 22, показано на фиг.2, 3, 4.
Длина 32 кольцевой полости 30 превышает длину хорды 33 на диаметре 29 ловильного кольца 22 для обеспечения возможности сборки ловильного кольца 22, которое устанавливается через пазы 24, 25 ловильного пояса 17 гайки 16 в кольцевую полость 30 и шарнирно поворачивается на прямой угол, показано на фиг.2, 3, 4.
Диаметр 34 Д ловильного пояса 17 закрепленной в корпусе 5 шпинделя гайки 16 и диаметр 29 Д ловильного бурта 14 закрепленного на валу 6 шпинделя ловильного кольца 22 связаны соотношением:
1
Д=Д-(0,03÷0,05)Д, показано на фиг.2, 3, 4.
Максимальный внутренний диаметр 35 гайки 16, выполненной с ловильным поясом 17, в плоскости нижней радиальной опоры 10 скольжения равен диаметру 34 Д ее ловильного пояса, показано на фиг.2, 3, 4.
На фиг.1 также показано: поз.36 - верхний переводник двигателя; поз.37 - верхний скважинный ловитель для подъема ротора 3 с корпусом 1 двигателя, разрушенным, например, по резьбе 38 или 39, корпусом 5 шпинделя, валом 6 шпинделя и долотом 13.
На фиг.2 также показано: снаружи на выходной части корпуса 5 шпинделя выполнен кольцевой бурт 40 с опорным торцом 41 и резьба 42 для установки защитной гайки 43 или сменного центратора (не показан).
Гидравлический забойный двигатель работает следующим образом: поток бурового раствора 4 под давлением по колонне бурильных труб подается в многозаходные винтовые (шлюзовые) камеры между зубьями винтового многозаходного ротора 3 и винтовыми зубьями обкладки 2 из эластомера (поперечное сечение зубьев и обкладки не показано) и образует область высокого давления и момент от гидравлических сил, который приводит в планетарно-роторное вращение ротор 3 внутри эластомерной обкладки 2, закрепленной в корпусе 1.
3
Винтовые многозаходные камеры между винтовыми зубьями ротора 3 и винтовыми зубьями эластомерной обкладки 2 имеют переменный объем и периодически перемещаются по потоку бурового раствора 4, который имеет плотность до 1500 кг/м, содержит до 1% песка и до 10% нефтепродуктов.
Планетарно-роторное вращение винтового ротора 3 внутри обкладки 2, закрепленной в корпусе 1, передает крутящий момент (в противоположном направлении) через приводной (карданный) вал 11, вал шпинделя 6 на долото 13, осуществляя бурение скважины.
-1
В режиме максимальной мощности частота вращения вала 6 шпинделя и долота 13 составляет (1,2÷2,2) с; момент силы на валу 6 шпинделя составляет (10,0÷14,0) кН·м; перепад давления (межвиткового, на зубьях эластомерной обкладки 2) в режиме максимальной мощности составляет 6…10 МПа; допустимая осевая нагрузка (на долото) составляет 350 кН.
Значение коэффициента напряжения при изгибе (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению) при прохождении участков изменения кривизны наклонной скважины в поперечных сечениях: вала 6 шпинделя, выполненного с цилиндрическим пояском 19 и резьбой 20, расположенных между нижней радиальной опорой 10 скольжения и выходной частью 21 вала 6, предназначенной для крепления долота 13, а также ловильного бурта 14 вала 6 шпинделя, выполненного в ловильном кольце 22, установленном на центрирующем пояске 19 вала 6 шпинделя, а также в резьбе 20 вала 6 шпинделя, на которой установлена резьбовая втулка 23, закрепляющая ловильное кольцо 22, уменьшается и равно по существу (2,2÷3,5), повышается жесткость нижней радиальной опоры, максимально приближенной к долоту, упрощается сборка и ремонт шпинделя при выработке ресурса подшипников.
Гидравлический забойный двигатель, в котором вал 6 шпинделя выполнен с центрирующим пояском 19 и резьбой 20, расположенными между нижней радиальной опорой 10 скольжения и выходной частью 21 вала 6, предназначенной для крепления долота 13, ловильный бурт 14 выполнен в ловильном кольце 22, установленном на центрирующем пояске 19 вала 6 шпинделя, на валу 6 шпинделя установлена резьбовая втулка 23, закрепляющая ловильное кольцо 22, при этом ловильный пояс 17 гайки 16 выполнен с пазами 24, 25, ширина 26 и диаметр 27 (или размер 27) которых превышает, соответственно, толщину 28 в поперечном сечении и диаметр 29 ловильного кольца 22, внутри гайки 16 выполнена кольцевая полость 30, сообщающаяся с пазами 24, 25 ловильного пояса 17, а диаметр 31 кольцевой полости 30 превышает диаметр 29 ловильного бурта 14 в ловильном кольце 22, увеличивает ресурс и надежность, повышает точность бурения скважин и темп набора параметров кривизны скважин, повышает проходимость, т.е. уменьшает сопротивления и напряжения в компоновке низа бурильной колонны, с использованием в колонне бурильных труб гидравлических ясов, с ударными нагрузками и ударными импульсами от ясов, а также при релаксации растягивающих напряжений в изогнутой колонне бурильных труб при прохождении через радиусные участки ствола скважины.
Гидравлический забойный двигатель, например, ДРУ1-240РС, имеющий наружный диаметр 240 мм, обеспечивает увеличенный (не ограниченный диаметром ловильного пояса гайки) наружный диаметр выходной части вала шпинделя для резьбового крепления долот большего типоразмера, например имеющих резьбы З-152÷3-201
5
5
8
8
(6 / REG ÷ 8 / REG), при этом наружный диаметр долот составляет 311÷660 мм.