СИСТЕМА МАСЛОЗАЩИТЫ ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ
SYSTEM OF OIL PROTECTION IN DOWNHOLE MOTOR

Изобретение относится к буровой технике, а именно к системам маслозащиты узлов (подшипников шпинделей, редукторов и др.) забойных двигателей, применяемых для бурения наклонно-направленных скважин.
Известны уплотнения вращающихся валов (Контактные уплотнения вращающихся валов / Г.А.Голубев, Г.М.Кукин, Г.Е.Лазарев и др. М.: «Машиностроение», 1976. С.195-196, рис.108), содержащие невращающееся кольцо, вращающееся кольцо и дополнительную опору вращающегося кольца, в виде шарикового подшипника. Дополнительная опора вращающегося кольца ограничивает влияние биения или вибрации валов на герметичность уплотнений.
Недостаток известного устройства заключается в том, что при попытках использования такого уплотнения в маслозащите забойного двигателя, работающего при бурении скважин в режиме больших динамических нагрузок и сильных вибраций, оно не обеспечивало надежной герметизации системы маслозащиты. Под влиянием сильных вибраций буровой раствор проникал в герметизируемый механизм (редуктор турбобура с подшипниками), за счет чего ускорялся износ редуктора и подшипников, снижался ресурс забойного двигателя. Испытания системы маслозащиты забойного двигателя с такими уплотнениями показали, что при одном подшипнике в дополнительной опоре вращающегося кольца возможны перекосы оси вращения кольца и потеря герметичности маслозащиты.
Известна система маслозащиты забойного двигателя (Фоменко Ф.Н. Бурение скважин электробуром. М.: «Недра», 1974, С.82-83). Она включает торцовые подвижные кольца, установленные на втулке, смонтированной на двух специальных подшипниках. Втулка сопряжена с валом с помощью шпонки и уплотнительного узла, состоящего из втулки и резиновых уплотнительных колец, установленных на втулках уплотнения и вала. Втулка уплотнения сцентрирована и зафиксирована в осевом направлении подшипниками, расположенными в невращающемся корпусе шпинделя электробура. Таким образом, значительно облегчаются условия работы торцового уплотнения. Вал относительно втулки может иметь значительные осевые перемещения, которые в конечном итоге определяют осевое скольжение втулки по резиновым кольцам.
Применялись конструкции с одной торцовой парой, но они не давали необходимой надежности. Двухпарные конструкции были более надежны, но сложны в сборке и эксплуатации.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является система маслозащиты забойного двигателя (Патент РФ №977668, Редукторная вставка забойного двигателя, авт. Вадецкий Ю.В., Деркач Н.Д., Крутик Э.Н., Чудаков Г.Ф., Строителев Н.П.), содержащая корпус, редуктор, размещенный в маслонаполненной камере с уплотнениями, ведущий и ведомый валы, каждый из которых установлен на двух опорах. Одни опоры валов выполнены сферическими, а другие опоры связаны с корпусом через упругие элементы, причем уплотнения валов размещены между опорами ближе к сферическим опорам. Упругие элементы выполнены в виде радиальных резинометаллических подшипников скольжения. Так как уплотнения валов размещены ближе к сферическим опорам и удалены от упругих опор, то влияние биения или вибрации валов на герметичность уплотнений ограничивается. Достигается улучшение герметичности уплотнений и повышение надежности системы маслозащиты редуктора.
Использование такой системы маслозащиты забойного двигателя, работающего при бурении скважин в режиме больших динамических нагрузок и сильных вибраций, давало неплохие результаты повышения ее надежности.
Однако требовалось повышение долговечности. При износе сферических опор герметичность уплотнений утрачивалась. Под влиянием сильных вибраций буровой раствор проникал в герметизируемый механизм (редуктор турбобура с подшипниками), за счет чего ускорялся износ редуктора и подшипников, снижался ресурс забойного двигателя.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности и долговечности известных систем маслозащиты с торцовыми уплотнениями вращающихся валов забойных двигателей, улучшение условий смазки герметизируемых механизмов и повышение срока службы забойных двигателей за счет уменьшения влияния биения или вибрации валов на герметичность уплотнений.
Поставленная задача решается за счет того, что в известной системе маслозащиты забойного двигателя, содержащей маслонаполненную камеру, один или более вращающихся валов с уплотнениями, включающими корпус, кольца с уплотняющими торцами, одно из которых зафиксировано в корпусе, а другое вращается с валом, согласно изобретению уплотнения снабжены двумя или более радиальными подшипниками, на которых установлены вращающиеся кольца с уплотняющими торцами, при этом валы снабжены радиальными выступами, а вращающиеся кольца снабжены торцовыми выступами, входящими в зацепление с радиальными выступами валов.
Кроме того, согласно изобретению, торцы вращающихся колец расположены перпендикулярно оси их вращения.
Кроме того, в системе маслозащиты забойного двигателя, согласно изобретению, в зацеплении торцовых выступов с радиальными выступами валов выполнены зазоры 0,5-1,0 мм.
Кроме того, в системе маслозащиты забойного двигателя, согласно изобретению, между вращающимися кольцами и валами установлены эластичные уплотнительные элементы, допускающие относительное радиальное смещение колец и валов.
Кроме того, в системе маслозащиты забойного двигателя, согласно изобретению, торцы уплотнительных колец снабжены износостойким покрытием.
Установка вращающихся колец на двух или более радиальных подшипниках обеспечивает жесткость относительного положения уплотнительных колец, что сводит к минимуму влияние биения или вибрации валов на герметичность уплотнений. Выполнение на уплотняемых валах радиальных выступов, а на вращающихся кольцах торцовых выступов, входящих в зацепление с радиальными выступами валов, позволяет максимально эффективно использовать радиальное пространство для размещения усиленных подшипников вращающихся колец, что повышает их износостойкость и долговечность.
Выполнение торцов вращающихся колец перпендикулярно оси их вращения устраняет биение уплотняющих торцов, что повышает герметичность и износостойкость уплотнений.
Выполнение зазоров 0,5-1,0 мм в зацеплении торцовых выступов вращающихся колец с радиальными выступами валов обеспечивает предохранение радиальных подшипников вращающихся колец от перегрузки при биении или вибрации уплотняемых валов.
Эластичные уплотнительные элементы, установленные между вращающимися кольцами и валами, допускают относительное смещение вращающихся колец и валов без потери герметичности уплотнения.
Износостойкое покрытие торцовых уплотнений повышает их долговечность и надежность герметизации на протяжении работы забойного двигателя, улучшает работу системы маслозащиты.
Выполнение системы маслозащиты забойного двигателя с указанными отличительными признаками, в совокупности с известными, позволит значительно повысить ее надежность, предохраняет защищаемые механизмы от воздействия бурового раствора, улучшает условия смазки герметизируемых механизмов и увеличивает долговечность забойного двигателя в целом.
На чертеже показан пример конкретного исполнения системы маслозащиты забойного двигателя согласно изобретению.
Система маслозащиты содержит маслонаполненную камеру 1, вращающиеся валы 2 и 3, вращающееся 4 и невращающееся 5 кольца с уплотняющими торцами 6, подшипники 7, установленные в корпус 8 уплотнения. Корпус 8 уплотнения установлен неподвижно в корпус 9 забойного двигателя. Между валом 2 и вращающимся уплотнительным кольцом 4 установлено кольцо 10 из эластомера, например из резины. Кольца 4 и 5 на уплотняющих торцах 6 имеют износостойкое покрытие. Уплотняющие торцы 6 прижимаются пружинками 11. Подшипники 7 зафиксированы в корпусе 8 пружинным кольцом 12. Вращающееся кольцо 4 имеет торцовые выступы 13. На втулке 14 вала 2 выполнены радиальные выступы 15, которые входят в зацепление с торцовыми выступами 13 втулки 14 вала 2. Втулка 14 неподвижно закреплена на валу 2 и при вращении вала составляет с ним одно целое. Кольцо 3 имеет шлицы 16, входящие в зацепление со шлицами корпуса 8 уплотнения. Валы 2 и 3 в приведенном примере исполнения опираются на сферические подшипники качения 18 и резинометаллические подшипники скольжения 19. Могут применяться и другие типы подшипников. Валы 2 и 3 соединены между собой муфтой или редуктором (на чертеже не показано).
Неподвижные соединения деталей системы маслозащиты уплотнены резиновыми кольцами 17. Кольца 4 и 5 с уплотняющими торцами 6 отделяют масло, которым заполнена камера 1 системы маслозащиты, от бурового раствора. Подача бурового раствора на забой скважины (на чертеже не показано) производится между корпусом 9 забойного двигателя и корпусом 8 уплотнения системы маслозащиты. Направление движения бурового раствора показано стрелкой А. Шлицы 16 кольца 5, входящие в зацепление со шлицами корпуса 8 уплотнения, удерживают кольцо 5 от вращения, предохраняя от износа резиновое кольцо 17. На валу 3 уплотнение с корпусом 8, вращающимся 4 и невращающимся 5 кольцами с подшипниками 7, установлено аналогичным образом.
Система маслозащиты работает следующим образом. В процессе бурения валы 2 и 3 забойного двигателя вращаются, передавая мощность привода на долото (на чертеже не показаны). Валы 2 и 3 находятся под воздействием высоких динамических нагрузок, возникающих при разрушении разбуриваемых пород. При этом они деформируются и испытывают продольные и радиальные вибрации. В результате исполнения уплотнений в соответствии с заявляемым техническим решением уплотнительные торцы 6 колец 4 и 5 защищены от воздействия как продольных, так и радиальных вибраций. Установка вращающегося кольца 4 на двух (или более) радиальных подшипниках 7 обеспечивает жесткую фиксацию оси вращения кольца 4, а следовательно, фиксацию относительного положения уплотнительных торцов 6 колец 4 и 5. Т.к. радиальные люфты в контактах тел качения радиальных подшипников минимальны (не более 0,01-0,02 мм), то перекосы подвижного и неподвижного колец подшипника также сводятся к минимуму, поскольку ось вращения кольца 4 жестко зафиксирована. Испытания показывают, что такое исполнение устраняет вероятность раскрытия торцов 6 колец 4 и 5 и потерю герметичности системы маслозащиты в целом.
Выполнение торцов 6 вращающегося кольца 4 перпендикулярно оси вращения устраняет биение уплотняющих торцов 6, что повышает герметичность и износостойкость уплотнений.
Выполнение на вращающемся кольце 4 торцовых выступов 13, входящих в зацепление с радиальными выступами 15 втулок 14, установленных неподвижно на валах 2 и 3, позволяет использовать радиальное пространство для размещения усиленных подшипников 7, что повышает их грузоподъемность и долговечность.
Выполнение зазоров 0,5-1,0 мм в зацеплении торцовых выступов 13 с радиальными выступами 15 предохраняет радиальные подшипники 7 от перегрузки при биении или вибрации валов 2 и 3 забойного двигателя, возникающих в процессе бурения.
Установка эластичного уплотнительного элемента 10 между вращающимся кольцом 4 и втулкой 14, допускающего относительное радиальное смещение вращающихся колец 4 и втулок 14 валов 2 и 3, позволяет сохранять герметичность уплотнений при вибрациях валов 2 и 3, возникающих в процессе бурения.
Износостойкое покрытие 6 торцовых колец 4 и 5 повышает надежность герметизации системы маслозащиты на протяжении всей работы забойного двигателя, улучшает работу системы маслозащиты, что предохраняет защищаемые механизмы (на чертеже не показано) от воздействия бурового раствора и увеличивает долговечность забойного двигателя в целом.
Выполнение системы маслозащиты забойного двигателя с указанными отличительными признаками, в совокупности с известными, позволяет значительно повысить ее долговечность, предохраняет защищаемые механизмы от воздействия бурового раствора, улучшает условия смазки герметизируемых механизмов и увеличивает долговечность забойного двигателя в целом.