забойный двигатель для отбора керна

Формула изобретения

ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ ОТБОРА КЕРНА, включающий корпус с установленными в нем статором и полым ротором, верхний переводник с центральными и периферийными отверстиями, опорный узел и съемный керноприемник с перекрывающей центральное отверстие захватной головкой, отличающийся тем, что рабочие органы двигателя выполнены в виде одновинтового механизма с трубчатым торсионом и он снабжен зафиксированной от проворота и размещенной между переводником и торсионом уплотнительной втулкой, верхняя часть которой установлена с уплотнением по наружному диаметру в выполненном на переводнике глухом отверстии, а нижняя часть выполнена с буртом, причем втулка установлена относительно переводника с возможностью осевого перемещения и прижатия буртом к верхнему торцу торсиона, при этом средний диаметр ротора по зубьям равен наружному диаметру верхней части втулки и менее величины наружного диаметра уплотняющий поверхности между буртомвтулки и верхним торцом торсиона.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к буровой технике, а именно к забойным двигателям с колонковой трубой для отбора керна.

Известен забойный двигатель для отбора керна (1), содержащий турбину, шпиндель, колонковую трубу, размещенную внутри полых валов шпинделя и ротора.

Недостатком этого двигателя является большая металлоемкость ввиду значительной длины турбины. Однако уменьшение числа турбинных секций, с целью уменьшения длины двигателя, приводит к уменьшению вращающего момента на валу двигателя.

Наиболее близким к предлагаемому является керноотборный турбобур (2), содержащий несколько турбинных секций с полым валом и размещенный в нем съемный керноприемник, включающий керноприемную трубу с дренажным клапаном, захватную головку и штангу.

К недостаткам этого керноотборного турбобура относятся его большая длина и нагруженность опорного узла знакопеременными нагрузками в режимах работы устройства, когда статическая осевая нагрузка на бурголовку приблизительно равна гидравлической осевой нагрузке на вал керноотборного турбобура (например, для керноотборного турбобура с диаметром корпуса 172 мм, при перепаде давления на нем 7 МПа, гидравлическая осевая нагрузка на вал турбобура составит приблизительно 8,5 т).

Возникающие вследствие перекатывания шарошек по забою знакопеременные нагрузки вызывают отрыв тел качения от обойм, значительные ударные нагрузки на тела качения и обоймы, что приводит к их интенсивному износу. Причем при увеличении осевого люфта опорного узла, вследствие абразивного износа при работе в глинистом растворе, износ тел качения и обойм, а именно выкрашивание, пластические деформации и сколы, будут происходить с нарастающей интенсивностью.

Например, по результатам исследования динамики забойных осевых нагрузок с использованием шарошечного долота диаметром 190 мм при статической осевой нагрузке на долото 10 т мгновенные значения осевой нагрузки, возникающие вследствие перекатывания шарошек по забою, менялись от 7 до 13 т, при частоте колебаний 190-200 Гц.

На фиг. 3 показан упрощенный график изменения мгновенных значений осевой нагрузки F в опорном узле керноотборного турбобура по времени для случая, когда статическая осевая нагрузка на бурголовку приблизительно равна гидравлической осевой нагрузке на вал турбобура.

Целью изобретения является увеличение долговечности опорного узла и уменьшение металлоемкости забойного двигателя для отбора керна.

Цель достигается тем, что героторный забойный двигатель для отбора керна, включающий статор, полный ротор, верхний переводник с центральным и периферийными отверстиями, опорный узел и съемный керноприемник, который перекрывает центральное отверстие переводника, рабочий орган двигателя выполнен в виде одновинтового механизма с трубчатым торсионом и снабжен зафиксированной от проворота и размещенной между переводником и торсионом уплотнительной втулкой, верхняя часть которой установлена с уплотнением по наружному диаметру в выполненном на переводнике глухом отверстии, а нижняя часть втулки выполнена с буртом, причем втулка установлена относительно переводника с возможностью осевого перемещения и прижатия буртом к верхнему торцу торсиона, при этом средний диаметр ротора по зубьям равен наружному диаметру верхней части втулки и менее величины наружного диаметра уплотняющей поверхности между буртом втулки и верхним торцом торсиона.

Применение уплотнительной втулки, зафиксированной от проворота при помощи шпонки, позволяет полностью разгрузить торсион от гидравлической осевой нагрузки со стороны ротора при условии D₁=D_ср, где D₁ наружный диаметр верхней части уплотнительной втулки; D_ср средний диаметр ротора по зубьям. При D₁<D<SUB>срср² D₁²), направленная вниз, где Р перепад давления на рабочей паре. При D₁>D_ср на ротор будет действовать гидравлическая осевая нагрузка F= PП/4(D₁²-D_ср²), направленная вверх.

Для обеспечения гидравлического поджатия уплотнительной втулки к торцовой поверхности торсиона необходимо соблюдение условия D₂>D₁, где D₂ наружный диаметр уплотняющей поверхности между буртом втулки и верхним торцом торсиона (условие поджатия втулки к торцовой поверхности торсиона определяется по формуле F_п=PП/4 (D₂²-D₂¹)).

На фиг. 4 показан упрощенный график применения мгновенных значений осевой нагрузки F в опорном узле по времени для случая, когда осевая нагрузка на вал двигателя со стороны ротора отсутствует. Из графика видно, что нагрузка F не меняет знака, поэтому отрыва тел качения от обойм происходить не будет, а увеличенный осевой люфт в опоре не будет приводить к более интенсивному износу.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод о том, что заявляемый героторный забойный двигатель для отбора керна отличается тем, что рабочий орган двигателя выполнен в виде одновинтового механизма с трубчатым торсионом и снабжен зафиксированной от проворота и размещенной между переводником и торсионом уплотнительной втулкой, верхняя часть которой установлена с уплотнением по наружному диаметру в выполненном на переводнике глухом отверстии, а нижняя часть втулки выполнена с буртом, причем втулка установлена относительно переводника с возможностью осевого перемещения и прижатия буртом к верхнему торцу торсиона, при этом средний диаметр ротора по зубьям равен наружному диаметру верхней части втулки и менее величины наружного диаметра уплотняющей поверхности между буртом втулки и верхним торцом торсиона.

На фиг. 1 представлена схема двигателя, продольное сечение; на фиг. 2 узел I на фиг. 1; на фиг. 3 и 4 упрощенные графики изменения мгновенных значений осевой нагрузки F в опорном узле соответственно для керноотборного турбобура, когда статическая осевая нагрузка на бурголовку приблизительно равна гидравлической осевой нагрузке на вал турбобура и для заявляемого героторного забойного двигателя для отбора керна, при той же статической осевой нагрузке на бурголовку.

Героторный забойный двигатель для отбора керна (фиг. 1) включает уплотнительную втулку 1, расположенную внутри верхнего переводника 2 и зафиксированную от проворота при помощи шпонки 3, тонкостенный трубчатый торсион 4, расположенный внутри ротора 5 и имеющий в верхней части торцовую уплотнительную поверхность, съемный керноприемник 6, подвешенный к верхнему переводнику 2, статор 7 с внутренней обрезиненной поверхностью и опорный узел 8. Ротор 5 и статор 7 выполнены комбинированными, т.е. концевые части их выполнены с винтовым профилем и имеют длины по половине шага винтовой линии статора, а центральные части выполнены с прямозубым профилем.

Устройство работает следующим образом.

Рабочая жидкость от насоса поступает через отверстие в верхнем переводнике 2 к рабочей паре устройства, при этом на щели A создается перепад давления жидкости, под действием которого уплотнительная втулка 1 перемещается вниз до упора в торец торсиона 4, а за счет того, что диаметр D₂ больше диаметра D₁, уплотнительная втулка 1 гидравлически подожмется к торцу торсиона. Так как диаметр D₁=D_ср, то осуществляется полная разгрузка и торсиона 4 от осевых сил. Ротор 5 приводится во вращение, и за счет создаваемого при этом перепада давления на рабочей паре съемный керноприемник 6 гидравлически подожмется к коническому седлу, выполненному на верхнем переводнике 2. Далее жидкость от рабочей пары через центральное отверстие внутри вала шпинделя и через каналы в бурильной головке устремляется к забою скважины.

Использование предлагаемого героторного забойного двигателя для отбора керна позволит: увеличить долговечность осевой опоры шпинделя за счет исключения действия на нее знакопеременных нагрузок; уменьшить металлоемкость забойного двигателя для отбора керна за счет использования в качестве рабочего органа героторного одновинтового механизма.