Гибкий вал
FLEXIBLE SHAFT

Изобретение относится к устройствам для бурения скважин, в частности к устройствам для перфорации обсаженных скважин и вскрытия продуктивных пластов. Может использоваться в составе установки радиального вскрытия пласта для передачи вращения от приводного вала погружного двигателя бурильному инструменту при бурении.
Известен гибкий вал по патенту РФ на изобретение №2297558, Е21В 43/11, 2007, содержащий оболочку в виде отдельных звеньев с центральным отверстием. Звенья контактируют концевыми частями друг с другом посредством соединительного элемента, выполненного на одном конце звена и гнезда, выполненного на другом конце звена. При этом звенья установлены с возможностью ограниченного пространственного перемещения друг относительно друга. В центральных отверстиях звеньев размещен сердечник. Каждое звено оболочки выполнено в виде цилиндрической втулки. Данный гибкий вал обладает недостаточной степенью свободы звеньев оболочки относительно друг друга, особенно в осевом направлении.
Известен гибкий вал перфоратора по заявке РФ на изобретение №2006121052, Е21В 43/11 j 2007. Гибкий вал включает концевые элементы, соединенные гибкой частью. Гибкая часть выполнена в виде последовательно расположенных промежуточных наружных цилиндрических втулок, в которых выполнены сквозные отверстия. В эти отверстия с зазором вставлены вкладыши, каждый из которых также выполнен со сквозным отверстием и вставлен одновременно в две соседние наружные втулки. В сквозных отверстиях наружных втулок и вкладышей размещен трос. Наружные втулки и вкладыши соединены друг с другом с возможностью ограниченного пространственного перемещения друг относительно друга в любой плоскости, посредством шлицевого соединения. В сквозные отверстия наружных втулок й вкладышей дополнительно пропущен гибкий рукав* Внутренняя поверхность гибкого рукава выполнена износостойкой и антифрикционной за счет размещения внутри рукава металлической спирали. Наружная поверхность вкладыша в продольном сечении выполнена вогнутой седловидной формы, с сужением в средней части и расширением к торцам как по диаметру выступов и впадин, так и по всей ширине шлицев. Для ограничения осевого перемещения вкладышей в средней части сквозного отверстия наружной втулки выполнен уступ, а в средней части наружной поверхности вкладыша выполнен буртик. Для ограничения осевого перемещения вкладыша шлицы на одном конце наружной втулки или вкладыша смещены относительно шлицев на втором конце на величину равную половине окружного шага шлицев. Недостатком является конструктивная сложность элементов гибкой части, снижающая надежность работы гибкого вала.
В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбран гибкий вал перфоратора по патенту РФ на полезную модель №91104, Е21В 43/11, 2009. Гибкий вал включает верхнюю и нижнюю части, соединенные гибкой частью, в которые помещен гибкий рукав с расположенным внутри канатом. Гибкая часть выполнена в виде последовательно расположенных наружных втулок, сочлененных по концам посредством шлицевых шарниров с внутренними втулками. Каждая наружная втулка для разделения шлицевых гнезд под внутренние втулки имеет в средней зоне кольцевую перемычку. Соединение частей гибкой части только посредством шлиц вызывает недостаточную надежность вала, связанную с возможностью выхода шлиц из зацепления при осевом смещении втулок друг относительно друга при повреждении каната и недостаточную степень свободы.
Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение степени подвижности гибкого вала при обеспечении надежности работы вала.
Технический результат достигается за счет того, что в конструкции гибкого вала, содержащего один конец для соединения с валом привода, второй конец для соединения с инструментом, гибкую оболочку, соединенную с обоими концами и состоящую из последовательно чередующихся наружных втулок и внутренних звеньев, установленных с возможностью их зацепления с помощью шлиц, гибкий рукав, установленный внутри гибкой оболочки, согласно изобретению, шлицы расположены на наружной поверхности средней части каждого внутреннего звена, на концевых частях наружных втулок выполнены пазы, ширина которых больше ширины шлицы, на каждом конце наружной втулки установлена пара штифтовых элементов, штифтовые элементы на одном конце втулки расположены диаметрально противоположно друг другу, плоскость, проходящая через пару штифтовых элементов на одном конце втулки перпендикулярна плоскости, проходящей через пару штифтовых элементов на другом конце втулки, концы штифтовых элементов установлены в отверстиях внутренних звеньев с возможностью движения внутренних звеньев, отверстия внутренних звеньев вытянуты в осевом направлении.
Гибкий рукав может быть выполнен армированным.
Технический результат обеспечивается тем, что на концах наружных втулок гибкой оболочки выполнены сквозные пазы, в которые заходят шлицы внутренних звеньев для возможности передачи гибким валом крутящего момента. За счет того, что ширина сквозных пазов на конце втулки больше ширины шлицев, концы шлицев обладают свободой перемещения внутри ширины пазов наружных втулок. Соединение концов втулок с внутренними звеньями с помощью штифтовых элементов позволяет совершать поворот звена относительно соединенной с ним втулки на определенный угол вокруг штифтового элемента, как вокруг оси. Возможность такого поворота в сочетании с возможностью ограниченного движения концов шлицев в пазах втулок на всей длине гибкой оболочки позволяет увеличить степень изгиба гибкого вала при отклонении его от вертикальной оси, дает дополнительную свободу поворота гибкого вала. Расположение штифтовых элементов на одном конце втулки в плоскости, перпендикулярной плоскости, проходящей через пару штифтовых элементов на другом конце втулки, т.е., развернутыми по окружности конца втулки на 90(друг относительно друга, дает возможность изгиба вала по обеим его поперечным осям в одну, и в другую сторону от центра. Установка штифтовых элементов с возможностью перемещения в отверстиях внутренних звеньев, вытянутых в осевом направлении, позволяет звеньям совершать перемещения относительно наружных втулок гибкой оболочки вдоль ее продольной оси. При этом за счет использования штифтовых элементов осевое перемещение звеньев относительно втулок не вызывает рассоединение звеньев гибкой оболочки, что обеспечивает надежность работы вала.
На фигуре 1 представлен продольный разрез гибкого вала вдоль одной секущей плоскости.
На фигуре 2 представлен продольный разрез гибкого вала вдоль второй секущей плоскости.
На фигуре 3 представлено наружное изображение звеньев гибкой оболочки гибкого вала.
На верхнем конце гибкого вала установлена муфта для соединения его с приводом установки радиального вскрытия пласта. Муфта состоит из корпуса 1 и прижимной втулки 2. На нижнем конце размещен переходник 13 со сферой 3. Инструмент 4 установлен на сфере 3 с помощью винтов 5. Прижимная втулка 2 полый гибкий рукав 6 для подвода рабочей жидкости к инструменту 4. Гибкий рукав 6 может быть выполнен без армирования, а может быть снабжен армирующим слоем, в виде корда из стекловолокна или композиционного материала, или в виде металлической оплетки, работающей на растяжение. Гибкий рукав 6 размещен внутри гибкой оболочки, соединенной с одного конца с корпусом 1, а с другого - со сферой 3. Гибкая оболочка состоит из чередующихся, последовательно установленных друг за другом, соединенных между собой внутренних звеньев 7 и наружных втулок 8. На внутренних звеньях 7 выполнены шлицы 9 в виде выступов призматической формы, равномерно распределенных по наружной цилиндрической поверхности каждого звена 7. На обоих концах каждой наружной втулки 8 выполнены сквозные пазы 10, т.е., открытые со стороны и наружной, и со стороны внутренней поверхности втулки 8. Пазы 10 расположены напротив шлицев 9 звена 7, сопряженного с данной втулкой 8. Ширина паза 10 превышает ширину шлица 9. На поверхности наружной втулки 8 в отверстиях между пазами 10 установлены штифтовые элементы 11. Одна пара штифтовых элементов 11 установлена на одном конце втулки 8. В данной паре один штифтовой элемент 11 расположен диаметрально противоположно другому штифтовому элементу 11. На другом конце этой же втулки 8 установлена вторая пара штифтовых элементов 11″, так же расположенных друг напротив друга. Штифтовые элементы 11 на одном конце втулки 8 расположены в пространстве под углом в 90(к штифтовым элементам 11″, расположенным на другом конце этой же втулки 8, т.е., плоскость, проходящая через пару штифтовых элементов 11 на одном конце втулки 8 перпендикулярна плоскости, проходящей через пару штифтовых элементов 11″ на другом конце втулки 8. Штифтовые элементы 11 и 11″ образуют подвижное соединение между внутренними звеньями 7 и наружными втулками 8 гибкой оболочки. Один конец каждого штифтового элемента 11 и 11″ с натягом установлен в отверстие в корпусе наружной втулки 8. Второй конец штифтового элемента 11 и 11″ установлен с зазором в продолговатое отверстие 12 внутреннего звена 7. Отверстие 12 вытянуто вдоль продольной оси внутреннего звена 7 и, соответственно, вдоль продольной оси гибкого вала. Штифтовые элементы 11 и 11″ неподвижно установлены в теле наружной втулки 8 и подвижно установлены во внутренних звеньях 7. За счет этого внутренние звенья 7 имеют возможность сдвига в осевом направлении в пределах длин отверстий 12 и имеют возможность поворота вокруг штифтовых элементов 11 и 11″ как вокруг осей. Возможность поворота обеспечивается так же меньшей шириной шлица 9 по сравнению с шириной паза 10.
Гибкий вал работает следующим образом.
На муфту передают вращение от привода установки радиального вскрытия пласта. Через боковые поверхности пазов на концевой части корпуса 1 крутящий момент передается на боковые поверхности шлицев 9 внутреннего звена 7. Происходит вращение гибкого вала, при котором боковые поверхности шлицев 9 внутренних звеньев 7 взаимодействуют с боковыми поверхностями пазов 10 наружных втулок 8, передавая крутящий момент последовательно от звена 7 к втулке 8. В результате вращение передается на переходник 13, далее вращение передается буровому инструменту 4. Инструмент 4 соединен с переходником 13 по такому же принципу как звено 7 и втулка 8, но вместо штифтовых элементов 11, предотвращающих выпадение, использованы винты 5 и сфера 3. Сфера 3 является осью вращения для инструмента 4. При этом к рабочему инструменту 4 подводят рабочую жидкость по армированному гибкому рукаву 6 для отвода шлама. Гибкий вал, установленный в отклонитель установки радиального вскрытия пласта, имеет возможность отклонения от вертикальной оси для сверления наклонных отверстий. Отклонение от вертикальной оси обеспечивается возможностью ограниченного поворота внутренних звеньев 7 вокруг штифтовых элементов 11 и 11″. При открытии отверстий в обсадной трубе гибкий вал извлекают наружу из скважины, меняют буровой инструмент и аналогичным образом производят бурение твердой породы пласта. За счет выполнения гибкого рукава армированного кордом из стекловолокна, или из композиционного материала, или металлической оплеткой может быть повышена надежность работы гибкого вала.
Изобретение позволяет увеличить степень подвижности гибкого вала, расширить свободу движений звеньев гибкой части вала в осевом и окружном направлениях при обеспечении надежности работы вала.