ШПИНДЕЛЬ ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ
DOWNHOLE MOTOR SPINDLE

Изобретение относится к устройствам, применяемым при бурении нефтяных и газовых скважин.
Основным недостатком известных шпинделей является частичный проход рабочей жидкости через радиальные подшипники и многорядный радиально-упорный подшипник. Поскольку в рабочей жидкости содержатся абразивные частицы, подшипники подвержены быстрому изнашиванию. Кроме того, многорядный радиально-упорный подшипник является громоздким узлом, снижающим к.п.д. шпинделя.
Известна конструкция шпинделя забойного двигателя, включающая корпус, полый вал, маслонаполненную шаровую опору, уплотнения, размещенные между шаровой и радиальными опорами (Патент РФ №2057882, E21B 4/00, 1996 г.) Уплотнения выполнены в виде подвижных и неподвижных контактных колец (торцовые уплотнения).
Недостатком известной конструкции является отсутствие герметизации радиальной опоры от рабочей жидкости и подверженность износу абразивными частицами. Торцовые уплотнения в условиях ударных забойных нагрузок, колебаний и вибрации работают при изменяющихся усилиях прижатия опорных торцовых поверхностей. В результате через торцовые уплотнения будет просачиваться рабочая жидкость, содержащая абразивные частицы, а опорные торцовые поверхности будут расходиться под напором, интенсивность изнашивания увеличится, причем изнашивание будет наблюдаться по всей контактной торцовой поверхности неравномерно. Герметичность будет нарушена, и рабочая жидкость поступит в шаровую опору многорядного радиально-упорного подшипника, усиливая интенсивность износа.
Наиболее близким к заявляемому по конструкции является шпиндель забойного двигателя, который содержит корпус, полый вал, радиальные и осевые опоры, соединительную муфту с окнами для пропуска рабочей жидкости через полый вал, верхний переводник и ниппель (Патент РФ №2206695, E21B 4/02, 2003 г.) Он также включает гидравлический упор с отбойной фаской, установленный на соединительную муфту ниже окон для пропуска рабочей жидкости, снабжен кольцевыми уплотнениями, установленными в расточках корпуса и ниппеля.
2
Недостатком известной конструкции является низкий ресурс и к.п.д., т.к. рабочая жидкость вместе с абразивными частицами в небольшом количестве имеет возможность проходить в подшипниковые узлы. Давление перед соединительной муфтой составит от 5 до 10 МПа (50-100 кгс/см), которое известное кольцевое уплотнение вместе с гидроупором не смогут сдержать. Гидравлический упор и кольцевые уплотнения выполнены в виде поршней с поршневыми кольцами, которые чередуется с плавающими дистанционными кольцами. Такое уплотнение не обеспечивает герметизацию подвижных соединений, т.е. по вращающемуся валу.
Осевые опоры в известной конструкции выполнены специальными, в котором шарики находятся на конических поверхностях, наклоненных к основанию конуса под углом в пределах 1…10°. Такая конструкция осевых опор явно уступает стандартным упорным подшипникам (например по ГОСТ 7872-89), у которых шарики катятся по дорожкам качения обойм и предусмотрены минимальные удельные давления. Кроме того, подшипники по ГОСТ 7872-89 имеют возможность развернуться на некоторый угол при отклонении оси вала в процессе бурения.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении ресурса и к.п.д. шпинделя путем улучшения герметичности осевой и радиальной опор за счет исключения просачивания рабочей жидкости, а также возможности использования стандартных подшипников, работающих на современных смазках.
Сущность изобретения заключается в том, что в шпинделе забойного двигателя, включающем корпус, установленный в нем полый вал, соединительную муфту с окнами для пропуска рабочей жидкости, кольцевые уплотнения на входе и выходе, радиальные и осевые опоры, а также ряд переводников, согласно формуле изобретения, радиальные и осевые опоры установлены между кольцевыми уплотнениями. На входе в шпиндель ниже окон для пропуска рабочей жидкости размещен активатор для задержки крупных абразивных частиц. Кольцевое уплотнение выполнено в виде пустотелой открытой с одной стороны втулки из композиционного материала, на наружной и внутренней поверхностях которой расположены гребешки с возможностью натяга по расточке корпуса и наружной поверхности полого вала. В открытый паз втулки помещен эластичный вкладыш с образованием полости для смазочного материала, связанный радиальными каналами втулки с наружной поверхностью вала. При этом по торцовым поверхностям втулки и вкладыша установлены предохранительные кольца с радиальным зазором по наружной и внутренней поверхностям сопряжения, а в одном из переводников выполнен внутренний бурт.
Герметизация шпинделя обеспечивает долговечность подшипниковых узлов за счет исключения попадания абразивных частиц и использования качественной смазки, что снижает износ и повышает ресурс и долговечность подшипников, а также обеспечивает высокий к.п.д. шпинделя.
Кроме того, заявляемая конструкция позволяет использовать стандартные радиальные и упорные подшипники качения, а также подшипники, способные работать в особо тяжелых условиях бурения с использованием современных смазок и масел.
Выполнение внутреннего бурта в одном из переводников дает возможность через упорные подшипники воспринимать осевые силы, действующие на вал либо со стороны двигателя, либо со стороны долота, повышая ресурс работы,
Установка предохранительных колец по торцовым поверхностям втулки и вкладыша с минимальным радиальным зазором по наружной и внутренней поверхностям сопряжения около 0,05 мм позволяет уменьшить объем поступающей жидкости, снизить давление перед втулкой с одной стороны, а со стороны вкладыша - предохранить его от чрезмерной деформации.
Изобретение проиллюстрировано следующими чертежами.
На фиг.1 изображен общий вид заявляемой конструкции шпинделя с подшипниками качения в качестве радиальных опор. На фиг.2 представлена входная часть А шпинделя в продольном сечении на фиг.1, а на фиг.3 - поперечное сечение Г-Г на фиг.2.
Выходная часть шпинделя Б представлена в продольном сечении на фиг.4.
На фиг.5 изображено продольное сечение рабочего вала, соединенного с валом шпинделя.
На фиг.6 изображен общий вид заявляемой конструкции шпинделя с подшипниками скольжения в качестве радиальных опор.
На фиг.7 представлена входная часть Д шпинделя с подшипниками скольжения в продольном сечении.
На фиг.8 изображена выходная часть Е шпинделя с подшипниками скольжения в продольном сечении.
Кольцевое уплотнение заявляемой конструкции в увеличенном виде представлено на фиг.9.
Шпиндель состоит из корпуса 1, образованного переводниками 2, 3, 4, ниппеля 5, полого вала 6, соединенного на входе с соединительной муфтой 7, передающей крутящий момент от двигателя (не показан). Рабочая жидкость через окна 8 муфты 7 перетекает во внутреннюю полость 9 вала 6 (указана стрелками), проходит далее до долота (не показан) для промывки и очистки забоя от выбуренной породы.
На муфте 7 размещен активатор 10, который не пропускает крупные абразивные частицы к уплотнению 11, которое герметизирует входную часть А шпинделя и фиксируется гайкой 12.
Кольцевое уплотнение 11 (фиг.9) включает неподвижную пустотелую открытую с одной стороны втулку 13 из композиционного материала. Втулка 13 имеет по наружной и внутренней поверхностям сплошные гребешки 14 и 15 с возможностью выполнения натяга по валу 6 и по расточке 16 в переводнике 3 корпуса 1.
Втулка 13 запирается с открытой стороны вкладышем 17, выполненным из резины или полиуретана. При этом образуется кольцевая полость 18, в которую закладывается смазочный материал, который во время работы проходит через ряд радиальных каналов 19 во внутреннем кольце 21 втулки 13, попадает на вал 6, смазывая его поверхности 20, по которым скользят гребешки 14 втулки 13 при вращении вала 6. С обеих сторон уплотнения 11 устанавливают предохранительные кольца 22. Также с обеих сторон уплотнения 11 устанавливают дистанционные кольца 23. Гайка 12 фиксирует весь узел кольцевого уплотнения 11 в расточке переводника 3.
Радиальными опорами вала 6 служат подшипниковые узлы 24 и 25, опирающиеся на переводники 3 и 4 (фиг.2, 4). Переводник 3 соединен конической резьбой с переводником 2, который в свою очередь соединен с переводником двигателя (не показан).
Осевой опорой вала 6 является опора 26, в качестве которой использован стандартный упорный подшипник по ГОСТ 7872-89 (фиг.4). Он упирается в бурт 27 переводника 4. С противоположной стороны с зазором Δ=1…2 мм от бурта 27 расположен упорный шариковый подшипник 28, воспринимающий осевую силу, действующую на вал 6 со стороны двигателя (фиг.2). Эта сила передается муфтой 7 на вал 6.
На валу 6 имеется проточка 29, в которую вставляют сухари 30, которые удерживаются в радиальном направлении втулкой 31. При движении вала 6 в сторону долота сухари 30 воздействуют через шайбу 32 на подшипник 28, который упирается в бурт 27 переводника 4 (фиг.2, 3).
Втулки 33 и 34 являются распорными, а втулки 35 и 36 - силовыми, передающими осевую силу со стороны долота на подшипник 26 (фиг.4).
Шайбы 37 удерживают консистентную смазку в подшипниках 24 и 25 (фиг.2). Кольцевое уплотнение 38 герметизирует шпиндель со стороны выходной части Е (фиг.4). Его конструкция аналогична конструкции кольцевого уплотнения 11. Гайка 39 фиксирует уплотнение 38 в ниппеле 5.
Рабочий вал 40 соединен конической резьбой с валом 6 с одной стороны, а с другой - замковой конической резьбой с муфтой 41, несущей бурильный инструмент долото (не показан). Гайка 42 запирает рабочий вал 40 (фиг.5).
Шариковые подшипники заполнены консистентной смазкой типа Литол-24 ГОСТ 21150-87 или ШРУС-4М ТУ 38.401-58-128-95.
Конструкция шпинделя с подшипниками скольжения в качестве радиальных опор аналогична конструкции с подшипниками качения (фиг.6, 7, 8). Однако отличается тем, что:
- радиальными опорами служат подшипники скольжения 44 и 45;
- в качестве осевой опоры 46 используется подшипник упорно-радиальный роликовый сферический по ГОСТ 9942-90;
- в переводнике 3 установлены две пробки 47 для заливки масла;
- во внутреннюю подшипниковую полость заливают масло типа Лукойл ТМ-4 (80W-85).
Шпиндель заявляемой конструкции работает следующим образом.
Рабочая жидкость, включающая абразивные частицы, поступает во входную часть А шпинделя (указана стрелками), основная часть жидкости поступает в окна 8 муфты 7. Другая часть жидкости поступает к кольцевому уплотнению 11 через активатор 10, который жестко связан с муфтой 7 и вращается вместе с ней. На наружной поверхности активатора 10 имеется левая резьба (при вращении муфты 7 по часовой стрелке). Благодаря левой резьбе активатора 10 крупные абразивные частицы рабочей жидкости выбрасываются в окна 8 муфты 7 и таким образом не допускается шламование пространства перед уплотнением 11.
Рабочая жидкость проходит через окна 8 муфты 7, полый вал 6, рабочий вал 40 к долоту для промывки и очистки забоя от выбуренной породы.
Кольцевое уплотнение 38 герметизирует выходную часть шпинделя, чтобы отработанная рабочая жидкость не попала в подшипниковую полость. Муфта 7 через коническую резьбу вала 6 передает ему крутящий момент от двигателя. В свою очередь вал 6 передает крутящий момент рабочему валу 40 и муфте 41, которая имеет замковую коническую резьбу для крепления долота.
При бурении осевая сила от долота через рабочий вал 40 передается валу 6, а через втулки 35 и 36 - подшипнику 26, который упирается в бурт 27 переводника 4.
На валу 6 имеется еще один упорный подшипник 28, который воспринимает осевую силу со стороны двигателя через муфту 7. Этот подшипник также может упираться в бурт 27 переводника 4, только с другой стороны. Между подшипником 28 и буртом 27 имеется зазор Δ=1-2 мм. Подшипник 28 входит в соприкосновение с буртом 27, когда отсутствует осевая сила со стороны долота. И наоборот, когда сила со стороны долота превышает осевую силу со стороны двигателя, подшипник 26 упирается в бурт 27 переводника 4, а подшипник 28 отходит от бурта 27 и вращается вхолостую.
Осевая сила со стороны двигателя через муфту 7 передается на вал 6, в котором выполнена выточка 29 для сухарей 30. Сухари 30 передают осевую силу от вала 6 на шайбу 32 и затем - на подшипник 28, который упирается в бурт 27 переводника 4 в том случае, когда сила, действующая на вал 6 со стороны долота, будет меньше, чем со стороны двигателя. Эта сила уменьшает осевую силу со стороны долота, действующую также на вал 6, т.к. эти силы - противоположно направленные. Так, например, осевая сила двигателя Д2-172М равна 112,11 кН (11211 кгс) (М.Т.Гусман, Д.Ф.Балденко и др. Забойные винтовые двигатели для бурения скважин. - М.: Недра, 1981, стр.74). Используемый в качестве опоры 26 подшипник №28318 по ГОСТ 7872-89 имеет динамическую грузоподъемность 196000 Н (19600 кгс). Суммарная осевая сила, действующая на долото до разрушения подшипника 26 для двигателя Д2-172М, составляет:
19600+11211=30811 (кгс).
Радиальные силы воспринимают подшипники качения 24 (№46118) по ГОСТ 831-75, которые имеют динамическую грузоподъемность, равную 4590 кгс каждый. В качестве опоры 25 использован роликовый сферический двухрядный подшипник №3518 ГОСТ 5721-75, имеющий динамическую грузоподъемность, равную 13000 кгс.
Для более тяжелых условий бурения применяют шпиндель с подшипниками скольжения. Так, для шпинделя с наружным диаметром 172…176 мм в качестве осевой опоры 46 применен подшипник упорно-радиальный роликовый сферический №9039318 ГОСТ 9942-90, у которого динамическая грузоподъемность равна 40000 кгс. Наибольшая осевая сила, действующая на долото до разрушения указанного подшипника для двигателя Д2-172М составляет: 40000+11211=51211 (кгс).
Возможные радиальные нагрузки подшипников скольжения 44 и 45 могут быть значительно выше, чем подшипников качения и зависят от их размеров, материала и других факторов, являются расчетными характеристиками.