РЕДУКТОР ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ
DOWNHOLE MOTOR REDUCTION GEAR

Изобретение относится к техническим средствам, предназначенным для бурения нефтяных и газовых скважин, а именно к исполнению редуктора забойного двигателя, применяемого для вращения буровых долот.
Известен редуктор забойного двигателя (Заявка 93001339/03, 11.01.1993, дата публикации 10.10.1995, автор Митюрев Е.А.). Редуктор включает неподвижный корпус, сателлит с зубчатым венцом, установленный с помощью подшипников на подвижной оси водила - эксцентрика и взаимодействующий с зубчатым венцом центрального колеса, а также муфту, например муфту Ольдгема, включающую подвижный элемент между двумя полумуфтами, одна из которых закреплена на сателлите. Вторая полумуфта закреплена на неподвижном корпусе редуктора.
Попытки применения редукторов, выполненных по такой схеме, показывали низкую нагрузочную способность и, как следствие, низкую долговечность, из-за высокой частоты вращения подшипника сателлита при высоких радиальных нагрузках на него.
Известен редуктор забойного двигателя (см. патент РФ №943385, авт. Натаров А.П., Деркач Н.Д., Крутик Э.Н., Чудаков Г.Ф.). Редуктор выполнен с шевронным зубчатым зацеплением, имеет ведущий вал с двумя зубчатыми венцами-полушевронами с правым и левым направлениями зуба, сателлиты с двумя ответными зубчатыми венцами-полушевронами, раздельные коронные колеса с правым и левым направлениями зуба. Ведущий вал и сателлиты в этом редукторе имеют возможность самоустановки по зубчатому зацеплению под действием нагрузки, что способствует равномерному распределению нагрузки между полушевронами зацепления.
Недостатком редуктора забойного двигателя являлась ограниченная нагрузочная способность подшипников сателлитов. Также при повышенных нагрузках редуктора происходил слом цапф осей сателлитов.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является редуктор забойного двигателя (см. статью «Повышение прочности редуктора турбобура», Авт. Г.Ф. Чудаков, Н.Ю. Мялицин, В.Г. Мингараев, Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и море, №1, 2007, рис.1 и рис.5) с двухрядным косозубым зубчатым зацеплением, который принят за прототип. Редуктор имеет ведущий вал с двумя зубчатыми венцами, один из которых выполнен с правым направлением, а другой - с левым направлением зуба. Сателлиты выполнены отдельно по каждому ряду зацепления, что дало возможность удвоить количество подшипников сателлитов и снизить нагрузку на цапфы осей сателлитов. Сателлиты и коронные колеса выполнены с правым и левым направлениями зуба в соответствии с ответными зубьями зацепления. Ведущий вал имеет возможность самоустановки по зубчатому зацеплению под нагрузкой, что способствует равномерному распределению нагрузки между рядами зацепления. Такие редукторы широко применяются в турбобурах и дают хорошие результаты по нагрузочной способности и эксплуатационным показателям.
Однако с развитием технологии бурения и совершенствованием конструкций долот нагрузочная способность этих редукторов становится недостаточной. Современные высокопроизводительные долота режущего типа, оснащенные алмазными пластинами PDC, при бурении требуют высокого крутящего момента. Режимы бурения такими долотами обуславливают значительное повышение нагрузки в редукторе забойного двигателя. Ограниченная нагрузочная способность редуктора не позволяет полностью использовать производительность этих долот, что ведет к сдерживанию роста показателей бурения.
Технической задачей настоящего изобретения является создание редуктора забойного двигателя с высокой нагрузочной способностью, обладающего высокой долговечностью при максимальной производительности долот режущего типа.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном редукторе забойного двигателя с косозубой зубчатой планетарной передачей, имеющей ведущий вал с зубчатыми венцами с правым и левым направлениями наклона зубьев, сателлиты и коронные колеса с правым и левым направлениями наклона зубьев, у которой зубчатые венцы ведущего вала, сателлитов и коронных колес образуют ряды зацепления, охватываемые одним водилом, согласно изобретению зубчатая планетарная передача выполнена с четырьмя или более рядами зацепления, при этом зубчатые венцы ведущего вала с правым направлением наклона зубьев расположены в одной группе, а зубчатые венцы ведущего вала с левым направлением наклона зубьев расположены в другой группе.
Кроме того, в редукторе забойного двигателя, с косозубой зубчатой планетарной передачей согласно изобретению, количество рядов зацепления планетарной передачи является четным.
В предлагаемом техническом решении, в отличие от прототипа, зубчатая планетарная передача выполнена с четырьмя или более рядами зацепления, что позволяет кратно повысить нагрузочную способность редуктора забойного двигателя. Равномерность распределения нагрузки между рядами зубчатого зацепления обеспечивается за счет объединения зубчатых венцов правого и левого направлений в группы так, что венцы ведущего вала с правым направлением наклона зубьев расположены в одной группе, а венцы ведущего вала с левым направлением наклона зубьев расположены в другой группе. При многорядном зубчатом зацеплении это дает возможность самоустановки ведущего вала планетарной передачи за счет осевого перемещения по зубьям под действием нагрузки и способствует равномерному распределению нагрузки между рядами зубчатого зацепления.
Оптимальное количество рядов зацепления планетарной передачи является четным, что обеспечивает симметричное расположение рядов зубчатого зацепления и способствует выравниванию нагрузки между ними.
Равномерное распределение нагрузки между рядами зубчатого зацепления увеличивает нагрузочную способность и долговечность планетарной передачи, позволяет повышать мощность забойного двигателя и производительность бурения.
Выполнение редуктора забойного двигателя с указанными отличительными признаками, в совокупности с известными, позволит значительно повысить нагрузочную способность редуктора и, в конечном итоге, получить высокоэффективный забойный привод для бурения различных интервалов скважины современными высокопроизводительными долотами.
На чертеже показан пример исполнения редуктора забойного двигателя согласно изобретению.
Редуктор имеет четыре ряда косозубого зубчатого зацепления и содержит ведущий вал 1, с двумя зубчатыми венцами 2 правого направления наклона зубьев и двумя зубчатыми венцами 3 левого направления наклона зубьев, сателлиты с левым 4 и правым 5 направлениями наклона зубьев, коронные колеса с левым 6 и правым 7 направлениями наклона зубьев, оси сателлитов 8, подшипники 9 сателлитов, водило 10 с выходной муфтой 11, подшипники 12 водила. Зубчатые венцы 2 и 3 ведущего вала 1 входят в зацепление с сателлитами 4 и 5, которые входят в зацепление с коронными колесами 6 и 7.
Редуктор работает следующим образом. При вращении ведущего вала 1 от привода (не показано) забойного двигателя через зубчатые венцы 2 и 3 движение передается на сателлиты 4 и 5, которые входят в зацепление с неподвижными коронными колесами 6 и 7. С сателлитов 4 и 5 через оси 8 и подшипники 9 движение передается на общее для всех рядов водило 10. Водило 10 охватывает сателлиты 4 и 5 всех рядов зацепления и вращается вместе с ними вокруг оси планетарной передачи. С муфты 11 водила 10 движение передается на выходной вал (не показано) забойного двигателя, далее на буровое долото (не показано). Водило 10 при вращении центрируется подшипниками 12.
В качестве привода (не показано) забойного двигателя с редуктором может использоваться гидравлический или электрический двигатель.
Расположение зубчатых венцов 2 с правым направлением наклона зубьев в одной группе, а венцов 3 с левым направлением наклона зубьев в другой группе дает возможность самоустановки ведущего вала 1 за счет осевого перемещения под нагрузкой. Если в какой-то момент нагрузка на зубчатых венцах 2 становится больше чем на венцах 3, то и осевая составляющая нагрузки на зубчатых венцах 2 также становится больше, чем на венцах 3. Так как ведущий вал 1 опирается на зубчатые венцы 2 и 3, разность осевой нагрузки вызовет осевое перемещение вала 1 до выравнивания осевых составляющих нагрузки по рядам зубчатого зацепления, т.е. суммарная осевая сила на ведущем валу 1 будет стремиться к нулю. При нулевой суммарной осевой силе осевые составляющие сил в зацеплении по рядам равны между собой. При равных по величине, но противоположных по направлению углах наклона зубьев, и равных осевых составляющих тангенциальные и радиальные составляющие нагрузки в зубчатом зацеплении также равны между собой.
Оптимальное количество рядов зацепления планетарной передачи является четным, что обеспечивает симметричное расположение рядов зубчатого зацепления с противоположным наклоном зубьев. Симметричное расположение рядов позволяет выравнивать распределение нагрузки между ними. Равномерное распределение нагрузки между рядами зубчатого зацепления увеличивает суммарную нагрузочную способность и долговечность планетарной передачи, позволяет повысить передаваемую долоту мощность.
Применение настоящего изобретения позволяет повысить мощность забойного двигателя, обеспечить высокий крутящий момент и производительные режимы бурения за счет применения современных долот режущего типа, оснащенных алмазными пластинами PDC.