Шпиндель винтового забойного двигателя
SPINDLE OF SCREW DOWNHOLE MOTOR

Данное изобретение относится к бурильной технике, в частности к устройствам для бурения скважин и их составным частям, которыми являются, в том числе винтовые забойные двигатели, имеющие шпиндели. Имеются в виду такие забойные двигатели, которые предназначены для бурения наклонно-направленных нефтяных и газовых скважин, при этом для изменения направления скважины в конструкции шпинделя предусмотрены регуляторы угла перекоса осей двигателя и нижней части шпинделя, к валу которого прикреплено долото.
Из патента RU 2355860 известен гидравлический забойный двигатель, содержащий корпус с размещенным внутри него ротором, вращение которого осуществляется насосной подачей текучей среды, корпус шпинделя с размещенным внутри него валом, установленным на упорно-радиальных подшипниках, а также на верхней и нижней радиальных опорах скольжения, вал шпинделя соединен приводным валом с ротором и скреплен с долотом, корпусы двигателя и шпинделя скреплены резьбовым переводником, нижняя радиальная опора шпинделя размещена в резьбовом ниппеле, а гайка, соединенная с резьбовым ниппелем, выполнена с ловильным поясом, причем вал шпинделя выполнен с резьбовым поясом, расположенным между нижней радиальной опорой скольжения и выходной частью вала, предназначенной для крепления долота, на резьбовом поясе вала шпинделя закреплена резьбовая втулка, на которой выполнен ловильный бурт, предназначенный для взаимодействия с ловильным поясом гайки, соединенной с резьбовым ниппелем, при этом диаметр ловильного бурта резьбовой втулки не превышает диаметр выходной части вала шпинделя. Диаметры корпуса шпинделя, резьбового ниппеля и гайки не превышают диаметр выходной части вала шпинделя, при этом расстояние между нижним краем рабочей поверхности нижней радиальной опоры и направленным к ловильному поясу гайки торцом выходной части вала шпинделя не превышает расстояние между нижним краем осевой опоры и верхним краем рабочей поверхности нижней радиальной опоры. Гайка закреплена внутри резьбового ниппеля и образует с резьбовой втулкой кольцевой дроссельный канал, при этом длина кольцевого дроссельного канала не превышает половины его максимального диаметра (RU 2355860 С1, 20.05.2009).
Известны шпиндели забойных двигателей (RU 2232859 С2, 10.10.2003. RU 48569 U1, 27.10.2005. RU 2233374 С1, 27.07.2004. RU 2114273 С1, 27.06.1998. RU 2003125040 А, 10.02.2005).
Известен также шпиндель винтового забойного двигателя, включающий корпус, размещенный внутри корпуса вал, многоступенчатую осевую опору, верхнюю и нижнюю радиальные опоры вала, при этом осевая опора установлена между верхней и нижней радиальными опорами, на валу установлена муфта, осевая опора содержит подпятник, состоящий из корпуса, втулки с закрепленным между ними эластичным элементом, диск, кольцо корпуса и кольцо вала (RU 86645 U1, 10.09.2009).
Известен двигатель винтовой забойный ДРУ3-172РС.825, содержащий шпиндель, корпус которого выполнен из соединенных между собой трубчатых верхней части и нижней части, в радиальных верхней и нижней опорах корпуса установлен вал шпинделя, расположенный в осевой опоре и соединенный с карданным валом, концы которого соединены с верхним и нижним корпусами карданного вала, регулятор угла отклонения нижней части шпинделя от его продольной оси, при этом на коническом конце верхней части корпуса выполнена резьба для присоединения шпинделя к винтовой двигательной секции, внутри этого конического конца образована цилиндрическая полость, а на конце нижней части вала выполнена резьба для соединения с долотом (Двигатели винтовые забойные. Паспорт групповой. Каталог рисунков, рис. 1. Состав изделия, стр. 68. ООО «Фирма Радиус-Сервис», 2012).
Также известен двигатель гидравлический забойный со шпинделем-отклонителем, при этом шпиндель содержит корпус, выполненный из соединенных между собой трубчатых верхней части и нижней части, установленный в радиальных верхней и нижней опорах вал шпинделя, расположенный в осевой опоре и соединенный с карданным валом, концы которого соединены с верхним и нижним корпусами карданного вала, регулятор угла отклонения нижней части шпинделя от его продольной оси, при этом на коническом конце верхней части корпуса выполнена резьба для присоединения шпинделя к винтовой двигательной секции, внутри этого конического конца образована цилиндрическая полость, а на конце нижней части вала выполнена резьба для соединения с долотом (Гидравлический забойный двигатель со шпинделем-отклонителем ДШОТ-98/106.7/8.42.1 и ДШОТ-98/106.7/8.43.1 производства ООО «Гидробур-сервис». Паспорт групповой. Каталог рисунков. Лист 6, рис. 1. Версия от 01.02.2019 -прототип).
В прототипе на криволинейных участках скважины искривленный винтовой двигатель при вращении испытывает большие знакопеременные изгибающие нагрузки. Последние связаны со сравнительно большим расстоянием от точки перекоса осей двигателя до долота и чем больше это расстояние, тем большая изгибающая нагрузка образуется на двигателе, на его корпусных деталях, валу и радиальных опорах шпинделя. В результате при предельных указанных нагрузках надежность работы шпинделя и двигателя снижается, что отрицательно влияет на производительность бурильной машины.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности шпинделя винтового забойного двигателя.
Техническим результат получен шпинделем винтового забойного двигателя, содержащим корпус, выполненный из соединенных между собой трубчатых верхней части и нижней части, установленный в радиальных верхней и нижней опорах вал шпинделя, расположенный в осевой опоре и соединенный с карданным валом, концы которого соединены с верхним и нижним корпусами карданного вала, регулятор угла отклонения оси вала шпинделя, при этом на коническом конце верхней части корпуса выполнена резьба для присоединения шпинделя к винтовой двигательной секции, внутри этого конического конца образована цилиндрическая полость, а на конце нижней части вала выполнена резьба для соединения с долотом, причем нижняя часть корпуса, выполняющая функции нижнего переводника, выполнена удлиненной так, что в этой части корпуса расположены осевая опора, радиальные опоры, вал шпинделя, концы регулятора угла отклонения и карданного вала с нижней опорой карданного вала, а в верхней части корпуса, выполняющей функции верхнего переводника, расположен верхний корпус карданного вала, при этом верхняя и нижняя части корпуса шпинделя соединены с трубчатым корпусом регулятора угла отклонения, на котором расположено кольцо регулятора враспор между торцами верхней и нижней части корпуса шпинделя, конец верхнего корпуса карданного вала расположен в цилиндрической полости верхней части корпуса, регулятор отклонения выполнен с наружной резьбой на верхнем и нижнем концах, соединенными с резьбовыми концами верхней и нижней частей корпуса.
Снаружи на нижней удлиненной части корпуса выполнена проточка, образующая уменьшенный наружный диаметр D2 нижней части корпуса в сравнении с наружным диаметром D1 каждого конца этой части корпуса шпинделя, при этом расстояние L от торца вала шпинделя до точки G отклонения нижней части шпинделя от продольной оси верхней части шпинделя находится в пределах L=(8,0-9,0)D1, где D1 - наружный диаметр верхней части корпуса.
Расположенная в полости верхней части корпуса верхняя радиальная опора имеет установленную на корпусе нижнего кардана внутреннюю втулку, а нижняя аналогичная радиальная опора имеет наружную втулку с наружной резьбой, завинченной в резьбу нижней части корпуса так, что торец наружной втулки с усилием упирается снизу в осевую опору, расположенную в нижней части корпуса шпинделя.
На фиг. 1 показан шпиндель винтового забойного двигателя в рабочем положении с отклонением нижней части шпинделя на угол а относительно продольной оси шпинделя.
На фиг. 2 - место А на фиг. 1 и 2.
На фиг. 3 показан шпиндель винтового забойного двигателя в рабочем положении без отклонения нижней части шпинделя относительно продольной оси шпинделя.
Шпиндель винтового забойного двигателя содержит корпус (фиг. 1), выполненный из соединенных между собой трубчатых верхней части 1 и нижней части 2 корпуса, осевую опору 3 корпуса, вал 4 шпинделя, установленный в радиальных верхней и нижней опорах 5 и 6, и карданный вал 7, концы которого соединены с верхним и нижним корпусами 8 и 9 карданного вала. Шпиндель содержит регулятор 10 угла а отклонения продольной оси нижней части шпинделя относительно продольной оси верхней части шпинделя.
Верхняя и нижняя части 1 и 2 корпуса выполняют функции переводников, они связаны с элементами шпинделя конструктивно и функционально. Конструктивно, соединенные с корпусом регулятора 10 части 1 и 2 корпуса представляют собой по существу корпус шпинделя.
На коническом конце 12 верхней части 1 корпуса выполнена наружная резьба 13 для присоединения к винтовой двигательной секции (не показана), внутри этого конического конца 12 образована цилиндрическая полость 14. На нижнем конце вала 4 выполнена внутренняя резьба 15 для крепления бурового долота (долото не показано). Конец верхнего корпуса 8 карданного вала расположен в цилиндрической полости 14 верхней части 1 корпуса.
Расстояние L от нижнего торца вала 4 до точки G отклонения шпинделя находится пределах L=(8,0-9,0)D1, где D1 - наружный диаметр верхней части 2 корпуса шпинделя, который больше D2 - наружного диаметра верхней части 2 корпуса в зоне, в которой стенка верхней части 2 корпуса выполнена меньше толщины стенки верхней части 2 корпуса в остальных местах верхней части 2 корпуса.
Трубчатый корпус 16 регулятора 10 выполнен с наружной резьбой 17 на верхнем конце и наружной резьбой 18 на нижнем конце, при этом резьбовые концы корпуса 16 соединены с резьбовыми концами частей 1 и 2 корпуса, на которых имеется резьба 19.
Верхняя радиальная опора 5 (фиг. 2) имеет установленную на нижнем корпусе 9 карданного вала 7 внутреннюю втулку 20, а нижняя аналогичная радиальная опора 6 имеет наружную втулку 21 с наружной резьбой, завинченной в резьбу 19 нижней части 2 корпуса так, что торец наружной втулки с усилием упирается в пакет деталей осевой опоры 3, расположенный в корпусе шпинделя.
Нижняя часть 2 корпуса выполнена удлиненной и в ней расположены нижний конец корпуса 16 регулятора 10, нижний конец карданного вала 7 с его нижним корпусом 9, осевая опора 3, радиальные опоры 5 и 6, а также вал 4. В результате такой компоновки и соединения нижней части 2 корпуса с корпусом 16 регулятора - уменьшено указанное расстояние L от нижнего торца вала 4 до точки G отклонения шпинделя от его продольной оси 11.
С целью снижения изгибающих нагрузок, действующих на вал 4 и резьбовые соединения шпинделя, снаружи на части 2 корпуса выполнена проточка 22, уменьшающая диаметр D1 концов части 2 корпуса до диаметра D2, который меньше диаметра D1.
Внутренняя втулка 20 (фиг. 2) верхней радиальной опоры 5 установлена на нижнем корпусе 9 карданного вала для уменьшения указанного расстояния L. Наружная втулка 21 (фиг. 1) нижней радиальной опоры 6 имеет наружную резьбу, соединенную с резьбой 19 части 2 корпуса так, что торец втулки 21 упирается в пакет корпусных деталей шпинделя и сжимает их в осевом направлении. Между торцами верхней и нижней частей корпуса на трубчатом корпусе 16 регулятора подвижно расположено враспор кольцо 24 регулятора. Верхний корпус 8 карданного вала имеет резьбовой конический конец 23 для его соединения винтовой двигательной секции (не показана).
Работает шпиндель следующим образом. Перед спуском двигателя в скважину на регуляторе угла перекоса 10 устанавливают нужный угол а отклонения продольной оси нижней части шпинделя относительно продольной оси верхней части шпинделя. Угол устанавливают в соответствии с проектируемым темпом набора кривизны скважины.
Для установки угла а отклонения отвинчивают верхнюю часть 1 корпуса от корпуса 16 регулятора 10. Передвигают кольцо 24 регулятора вверх до выхода его из зацепления с нижней частью 2 корпуса. Поворачивают кольцо 24 регулятора относительно нижней части 2 корпуса до совпадения меток кольца с метками требуемого угла а. Опускают кольцо 24 и вводят его в зацепление с нижней частью 2 корпуса. Свинчивают верхнюю часть 1 корпуса с корпусом 16 регулятора.
Шпиндель является частью винтового забойного двигателя. Поэтому при сборке присоединяют к верхней части шпинделя винтовую двигательную секцию (не показана), работающую известным образом, соединяют ротор этой секции с верхним корпусом 8 карданного вала, в частности с коническим резьбовым концом 25 корпуса 8, а статор двигательной секции соединяют верхней частью 1 корпуса шпинделя.
В процессе работы двигателя, крутящий момент и вращение ротора двигательной секции передается на верхний корпус 8 карданного вала, далее на карданный вал 7, нижний корпус 9 карданного вала, нижний вал 4 и, далее, через резьбовое соединение 15 - на буровое долото (не показано), хвостовик которого соединен с внутренней резьбой 15 вала 4.
Шпиндель используют в двух режимах бурения, первый из которых предусматривает режим когда необходимо изменить направление скважины. В этом режиме бурят скважину известным образом без вращения колонны бурильных труб и забойного двигателя. В этом случае происходит изменение направления бурения скважины в сторону отклонения вала 4 от оси 11 шпинделя (фиг. 1). Второй режим не предусматривает изменение направления скважины. В этом режиме скважину бурят с вращением колонны бурильных труб и забойного двигателя соответственно. В обоих режимах работы (с вращением забойного двигателя и без его вращения используется условно искривленный шпиндель, показанный на фиг. 1, при этом в процессе бурения скважины, в зависимости от описанных режимов бурения, шпиндель или вращают, или не вращают.
Шпиндель с двигательной секцией соединяют в сборочном цехе и собранный узел отправляют на буровую. При выставлении угла а отклонения на буровой шпиндель верхний корпус отворачивают на 2 оборота (не скручивают полностью).
При работе шпинделя на нем возникают осевые нагрузки от работы ротора двигателя и долота, которые воспринимаются осевой опорой 3 шпинделя, а радиальные нагрузки воспринимаются верхней и нижней радиальными опорами 5 и 6. Когда бурение осуществляется с вращением забойного двигателя, на криволинейном участке скважины искривленный шпиндель забойного двигателя при каждом обороте испытывает сравнительно меньшую изгибающую нагрузку от стенок скважины, которая действует на корпусные детали шпинделя, его вал и радиальные опоры.
Корпус шпинделя с нижней частью 2 корпуса, выполняющей функции нижнего переводника, представляют собой по существу одну соединенную с верхней частью 1 корпуса трубчатую деталь, что позволило исключить резьбовое соединение между ними, которое было слабым местом при возникновении знакопеременных изгибающих нагрузок и приводило к преждевременным поломкам.
Также нижняя часть 2 корпуса шпинделя в одной из его зон выполнена с меньшим диаметром и более тонкой стенкой в сравнении с этими параметрами концевых частей части 2 корпуса. Это позволило сделать корпус шпинделя менее жестким и более гибким, а также существенное уменьшение расстояние от торца вала шпинделя до точки G изменения направления бурения позволило уменьшить изгибающий момент на валу и на корпусе шпинделя.
В результате создана возможность бурения с увеличенной частотой вращения бурильной колонны на повышенной скорости бурения, при этом повышен ресурс работы шпинделя вследствие снижения радиальных нагрузок и повышения ресурса радиальных опор, также повышена надежность работы шпинделя путем повышения его прочности и уменьшения действующих на него изгибающих нагрузок, поскольку из конструкции исключено вышеупомянутое резьбовое соединение двух частей корпуса. При работе шпинделя отмечено уменьшение износа долота при спуско-подъемных операциях при прохождении долотом искривленного участка бурения, что достигнуто путем уменьшения боковой силы прижатия долота к стенке скважины и уменьшения трения. Шпиндель существенно укорочен и в связи с этим его сопротивляемость изгибу повышена. Названные функциональные особенности шпинделя позволили повысить его надежность.