ШАРНИРНЫЙ ПЕРЕВОДНИК ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ
HINGE SUB OF BOTTOMHOLE MOTOR

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано при бурении наклонно-направленных скважин и боковых стволов в качестве шарнирного соединения бурильной колонны или забойного двигателя.
Известен шарнирный переводник, содержащий корпус и полый вал со сферической опорной пятой, снабженные контактирующими элементами для передачи крутящего момента, например зубьями, сферические подпятники, установленные в корпусе, полый шток с уплотнением (патент РФ № 2192535, кл. Е21В 7/08, 2001 г.).
Недостатком известного устройства является ненадежность уплотнения, которое работает в зазоре переменного сечения, в условиях сильной вибрации, величина этого зазора изменяется хаотически и может приводить к попаданию абразивных частиц в зону контакта уплотнительного элемента и штока.
Наиболее близким техническим решением из известных, принятым в качестве прототипа, является шарнирный переводник, содержащий корпус и полый вал со сферической опорной пятой, снабженные контактирующими элементами для передачи крутящего момента, например зубьями, сферические подпятники, установленные в корпусе, уплотнительный элемент, выполненный в виде армированного резинового рукава, на концах которого установлены контактирующие с корпусом и полым валом металлические фитинги, снабженные уплотнениями, причем уплотнительный рукав снабжен защитным элементом в виде стальной пружины или спирали из полимерного материала различного поперечного сечения (патент РФ № 52433, кл. Е21В 7/08, 2005 г.).
Недостатком известного устройства является возможность систематического поступления шлама в пространство между валом и корпусом, вследствие чего шарнирный переводник может частично или полностью утратить возможность взаимного перемещения вала или корпуса. Кроме того, острые частицы шлама могут повредить резиновую оболочку защитного рукава.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности работы шарнирного переводника. При осуществлении изобретения полностью исключается возможность попадания шлама в пространство между валом и корпусом.
Для этого в шарнирном переводнике забойного двигателя, содержащем корпус и полый вал со сферической опорной пятой, снабженные контактирующими элементами для передачи крутящего момента, например зубьями, сферические подпятники, установленные в корпусе, уплотнительный элемент, выполненный в виде армированного резинового рукава, на концах которого установлены контактирующие с корпусом и полым валом металлические фитинги, снабженные уплотнениями, причем уплотнительный рукав снабжен защитным элементом в виде стальной пружины или спирали из полимерного материала, согласно изобретению на полом валу установлено подпружиненное кольцо со сферической поверхностью, контактирующее с ответной сферической поверхностью на корпусе, причем центр сферических поверхностей совпадает с центром сферической опорной пяты полого вала.
Кроме того, согласно изобретению кольцо со сферической поверхностью поджато к корпусу прорезной пружиной высокой жесткости.
Кроме того, согласно изобретению кольцо со сферической поверхностью поджато к корпусу разъемной пружиной регулируемой жесткости.
Кроме того, согласно изобретению металлические фитинги снабжены предохранительными заглушками, имеющими наружный диаметр, превышающий диаметр проходных отверстий полого вала и корпуса.
Благодаря тому, что контакт кольца и корпуса осуществляется по сферической поверхности, центр которой совпадает с центром опорной пяты полого вала, обеспечивается постоянный контакт кольца и корпуса при любом положении полого вала относительно корпуса, а усилие поджатия пружины обеспечивает достаточные контактные напряжения, исключающие попадание частиц шлама в зону контакта и далее в пространство между полым валом и корпусом.
На фиг.1 изображен шарнирный переводник забойного двигателя.
На фиг.2 изображен шарнирный переводник забойного двигателя с поджатием кольца прорезной пружиной.
На фиг.3 изображен шарнирный переводник забойного двигателя с поджатием кольца наборной пружиной.
На фиг.4 изображен шарнирный переводник забойного двигателя с предохранительными заглушками.
Шарнирный переводник забойного двигателя включает корпус 1 и полый вал 2, полый вал 2 имеет сферическую пяту 3, на которой выполнены наружные зубья 4, находящиеся в зацеплении с внутренними зубьями 5 корпуса 1. В корпусе установлен подпятник в виде колец 6 и 7, имеющих сферические поверхности, контактирующие с поверхностью сферической пяты 3 полого вала 2. Уплотнительный элемент 8 выполнен в виде армированного рукава с запрессованными фитингами 9 и уплотнениями фитингов 10. Уплотнительный рукав снабжен защитным элементом 11 в виде стальной пружины. Кольцо 12 посредством витой пружины 13 поджато сферической поверхностью к ответной сферической поверхности корпуса 1.
Работа устройства происходит следующим образом: корпус 1 соединяется с забойным двигателем, а полый вал 2 - с бурильными трубами. Забойный двигатель под действием установленного на его корпусе центратора или другого технологического элемента отклоняется от оси бурильной трубы, при этом сферическая пята 3 поворачивается вокруг своего центра на угол, определяемый углом отклонения двигателя. Осевая нагрузка с бурильной колонны передается через сферическую пяту 3 полого вала 2 через кольцо 6 и 7 на корпус шарнирного переводника и далее на забойный двигатель, при этом уплотнения фитингов 10 препятствуют утечке промывочной жидкости в затрубное пространство.
При нахождении в компоновке забойного двигателя в искривленном стволе сферическая пята 3 полого вала 2 поворачивается в сферических поверхностях колец 6 и 7 относительно корпуса 1. При этом уплотнительный рукав и защитная пружина 11 размещаются в искривленной полости, образующейся в соответствии с углом перекоса полого вала 2 и корпуса 1. Витки защитной пружины 11 упираются в стенки расточки полого вала 2, кольца 7 и корпуса 1 и образуют защитный канал, в котором уплотнительный рукав размещается с минимальным зазором, при этом обеспечивается сохранение формы поперечного сечения уплотнительного рукава и предохранение от выпучивания уплотнительного рукава под действием осевой сжимающей силы.
При этом происходит многоточечный контакт уплотнительного рукава с витками из пружинной проволоки круглого сечения, обеспечивая минимальные контактные напряжения на поверхности уплотнительного рукава, что гарантирует длительный срок службы уплотнительного рукава.
Кольцо 12 установлено на полом валу 2 с возможностью перемещения и прижато сферической поверхностью к ответной сферической поверхности корпуса 1 пружиной 13 с усилием, исключающим попадание частиц шлама в пространство между полым валом 2 и корпусом 1. Сферические поверхности корпуса 1 и полого вала 2 выполнены таким образом, что их центры совпадают с центром сферической пяты 3 полого вала 2. Это обеспечивает постоянное прилегание этих поверхностей и свободное перемещение кольца 12 относительно корпуса 1 при изнашивании этих поверхностей и при изнашивании контактирующих поверхностей сферической пяты 3 и колец 6 и 7.
В случае высокого уровня забойных вибраций целесообразно использовать прорезную пружину 14 (фиг.2), представляющую собой трубу с фрезерованными пазами. Пазы выполнены с постоянным шагом. Каждый следующий ряд пазов повернут на угол 180°/Z, где Z - число пазов. Прорезные пружины имеют значительно более высокую жесткость и могут обеспечивать плотный контакт кольца 12 и корпуса 1 даже в условиях сильных забойных. Кроме того, использование таких жестких пружин может демпфировать удары в зазорах, возникающих при изнашивании контактирующих поверхностей сферической пяты 3 и колец 6 и 7.
Учитывая, что в данном устройстве используются только пружины сжатия, целесообразно использование более технологичного варианта прорезной пружины - пружины разъемной (наборной), состоящей из колец 15 и перемычек 16 (фиг.3). По аналогии с прорезными пружинами количество перемычек в одном ряду Z эквивалентно количеству пазов, и перемычки в каждом следующем ряду повернуты на угол 180°/Z.
Разъемная (наборная) пружина значительно проще в изготовлении, в ней можно легко изменять жесткость путем изменения количества перемычек и количества колец.
Уплотнительный элемент в виде армированного рукава имеет несколько слоев металлической оплетки и высоко герметичную связь с запрессованными фитингами, что обеспечивает не только возможность воспринимать внутреннее давление 300-400 атм, но и растягивающее усилие до 5000-6000 кгс. Это дает возможность использовать уплотнительный рукав в качестве страховочного элемента на случай поломки деталей шарнирного переводника. Для этого металлические фитинги (фиг.4) снабжены предохранительными заглушками 17, имеющими наружный диаметр, превышающий диаметр проходных отверстий полого вала 2 и корпуса 1.