шпиндель забойного двигателя

Формула изобретения

Шпиндель забойного двигателя, включающий корпус, полый вал, с установленными и закрепленными на нем нижним и верхним уплотнительными узлами, нижними и верхними и осевыми опорами, масляный лубрикатор, установленный внутри масляной ванны, картер высокого давления, полость которого посредством поршней разделена на камеры, одна из которых сообщена с масляной ванной, а вторая с полостью высокого давления промывочной жидкости, отличающийся тем, что масляный лубрикатор выполнен диафрагменным и связан с полостью высокого давления промывочной жидкости посредством гидравлического канала связи, образованного внутренней поверхностью корпуса шпинделя и наружной поверхностью роторной сборки, включающей связанные между собой по наружным поверхностям диафрагменный лубрикатор, картер высокого давления, верхнюю радиальную опору и верхний уплотнительный узел, при этом масляная камера картера высокого давления выполнена с возможностью сброса масла из масляной ванны верхней радиальной опоры и связана с ней посредством редукционного клапана, установленного в крышке корпуса картера высокого давления, а вторая камера картера высокого давления связана с гидравлическим каналом связи.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин забойными двигателями: турбобурами, винтовыми двигателями и электробурами.

Известны различные типы шпинделей, которые на сегодняшний день нашли широкое применение в промышленности: шпиндели с открытой осевой опорой, предназначенные для работы с серийными турбобурами 3ТСШ1-195 и А7ГТШ [1, стр.5-11], а также шпиндели с лабиринтным дисковым уплотнением ШФД [1, стр.18-19] и герметизированный маслонаполненный шпиндель ШГД [1, стр.20-23].

Недостатком шпинделей с открытой осевой опорой является быстрый износ радиальных и осевых опор, связанный с работой на промывочной жидкости, содержащий высокий процент абразива, что значительно снижает моторесурс всего шпинделя и составляет 80-100 часов.

Недостатком шпинделей типа ШФД и герметизированных маслонаполненных шпинделей является то, что, все они выполнены с использованием резинометалических радиальных опор, которые в силу заложенной технологии их изготовления не могут выполнять функции радиальной опоры, поскольку согласно [2, стр.30] опоры скольжения должны иметь радиальный зазор 0,015-0,025 мм, а не 0,54 мм [3]. При зазоре в 0,15-0,20 мм опора скольжения считается непригодной для эксплуатации. По этой причине ожидать надежной работы маслонаполненных шпинделей в течение длительного срока не приходится.

Известны также шпиндели, выполненные в маслозащищенном варианте на базе осевых и радиальных опор качения [4, стр.122-124, 5, 6].

В качестве прототипа выбран шпиндель забойного двигателя [5], включающий корпус, полый вал, с установленными и закрепленными на нем нижнем и верхнем уплотнительными узлами, нижними и верхними радиальными и осевыми опорами, масляный лубрикатор, установленный внутри масляной ванны, картер высокого давления, полость которого посредством поршней разделена на камеры, одна из которых сообщена с масляной ванной, а вторая с полостью высокого давления промывочной жидкости.

Недостатки известного устройства следующие.

1. Масляный лубрикатор поршневого типа не имеет возможности мгновенно реагировать на пиковые составляющие давления, которые имеют место при движении промывочной жидкости, а следовательно, не обеспечивается равномерное давление внутри и снаружи масляной ванны, при пульсациях, возникающих в буровом растворе.

2. Уплотнительные узлы выполнены на базе торцовых уплотнений, которые относятся к пятой группе уплотнительных устройств и предопределяют постоянную утечку масла из резервуара, как в процессе работы, так и в процессе спускоподьемных операций.

3. Сброс масла при повышении температуры, внутри масляной ванны осуществляется непосредственно в промывочную жидкость, что ухудшает экологическую обстановку с одной стороны, а с другой не позволяет рационально использовать весь смазывающий материал.

Указанные недостатки негативно отражаются на моторесурсе шпинделя в целом, а также на возможности его использования с другими типами приводов.

Целью изобретения является повышение моторесурса шпинделя.

Задача достигается тем, что шпиндель забойного двигателя, включающий корпус, полый вал с установленными и закрепленными на нем нижним и верхним уплотнительными узлами, нижними и верхними радиальными и осевыми опорами, масляный лубрикатор, установленный внутри масляной ванны, картер высокого давления, полость которого посредством поршней разделена на камеры, одна из которых сообщена с масляной ванной, а вторая с полостью высокого давления промывочной жидкости, масляный лубрикатор выполнен диафрагменным и связан с полостью высокого давления промывочной жидкости посредством гидравлического канала связи, образованного внутренней поверхностью корпуса шпинделя и наружной поверхностью роторной сборки, включающей связанные между собой по наружным поверхностям диафрагменный лубрикатор, картер высокого давления, верхнюю радиальную опору и верхний уплотнительный узел, при этом масляная камера картера высокого давления выполнена с возможностью сброса масла из масляной ванны верхней радиальной опоры и связана с ней посредством редукционного клапана, установленного в крышке корпуса картера высокого давления, а вторая камера картера высокого давления связана с гидравлическим каналом связи.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых признаков и связей.

Во-первых, масляный лубрикатор выполнен диафрагменным и связан с полостью высокого давления промывочной жидкости посредством гидравлического канала связи, образованного внутренней поверхностью корпуса шпинделя и наружный поверхностью роторной сборки, включающей связанный между собой по наружным поверхностям диафрагменный лубрикатор, картер высокого давления, верхнею радиальную опору и верхний уплотнительный узел, что позволяет мгновенно выравнивать давление внутри масляной ванны с давлением промывочной жидкости.

Во-вторых, масляная камера картера высокого давления выполнена с возможностью сброса масла из масляной ванны верхней радиальной опоры и связана с ней посредствам редукционного клапана, установленного в крышке корпуса картера высокого давления, а вторая камера картера высокого давления связана с гидравлическим каналом связи, что позволяет сбрасывать часть масла через редукционный клапан не в промывочную жидкость, а в специальную камеру, которая поршнями разделяет масло от промывочной жидкости.

Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями показывает, что предлагаемый шпиндель, выполненный по данной схеме, позволяет практически устранить утечку масла со стороны одного уплотнительного узла и оставить в работе другое уплотнительное устройство, что существенно повысит срок службы шпинделя в целом.

На фиг.1 представлен шпиндель забойного двигателя. На фиг.2 представлен картер высокого давления.

Устройство (фиг.1) включает в себя корпус 1 и полый вал 2. На полом валу 2 установлены и закреплены нижний уплотнительный узел 3, нижняя радиальная опора 4, осевая опора 5, диафрагменный лубрикатор 6, картер высокого давления 7, верхняя радиальная опора 8 и верхний уплотнительный узел 9. Диафрагменный лубрикатор 6, картер высокого давления 7, верхняя радиальная опора 8 и верхний уплотнительный узел 9 соединены между собой по наружным поверхностям и образуют герметичный кожух роторной сборки 12.

Картер высокого давления 7 (фиг.2) выполнен по типу поршневого лубрикатора, причем с одной стороны корпус 10 снабжен крышкой 11, с установленным в ней редукционным клапаном 13, а с другой стороны полость корпуса связана с промывочной жидкостью. Поршни 14 разделяют картер высокого давления 7 на две камеры 15 и 16.

Причем объем камеры 15 для сброса масла составляет порядка (8-12)% от общего объема масляной ванны, что исключает самопроизвольный сброс всего масла через редукционный клапан 13 при работе в забойных условиях. Между кожухом - наружной поверхностью роторной сборки 12 и внутренней поверхностью корпуса 1 образован гидравлический канал связи 17. Полость высокого давления промывочной жидкости 18 через гидравлический канал связи 17 соединена с наружной поверхностью диафрагменного лубрикатора 6. Диафрагменный лубрикатор 6 позволяет иметь внутри масленой ванны величину давления, превышающую на (0,10-0,20)МПа давление промывочной жидкости. То есть верхний уплотнительный узел 9 всегда находится под небольшим перепадом давления в (0,10-0,20)МПа, действующим со стороны масляной ванны.

В данном устройстве несложно реализовать схему, при которой под большим перепадом давления будет находиться верхний уплотнительный узел 9. Для этого необходимо гидравлический канал связи 17 заглушить со стороны промывочной жидкости и соединить его с затрубным пространством. При этом нижний уплотнительный узел 3 будет находиться под небольшим перепадом давления (0,10-0,20)МПа, а верхний уплотнительный узел 9 будет испытывать весь перепад давления промывочной жидкости из полости 18. Однако при такой схеме отсутствует возможность визуального контроля за утечкой смазывающего агента из масляной ванны.

Работа шпинделя осуществляется следующим образом.

Когда отсутствует циркуляция промывочной жидкости в скважине, давление внутри и снаружи корпуса 1 шпинделя выровнены. Гидравлическое давление из полости высокого давления 18 по гидравлическому каналу связи 17 передается на наружную поверхность диафрагменного лубрикатора 6. Через резиновую манжету (на фиг.1 не обозначена) гидростатическое давление передается в масляную ванну шпинделя и происходит выравнивание давления на нижнем уплотнительном узле 3 и верхнем уплотнительном узле 9. Отсутствует перепад давления на уплотнительных узлах.

При включении циркуляции начинается вращение вала забойного двигателя и вала шпинделя. Давление из полости 18 высокого давления по гидравлическому каналу 17 передается на наружную поверхность диафрагменного лубрикатора 6 и через резиновую манжету выравнивается давление внутри масляной ванны. Верхний уплотнительный узел 9 практически не испытывает перепада давления. Однако на нижнем уплотнительном узле 3 появляется перепад давления, равный по величине перепаду давления, срабатываемому в насадках долота.

Кроме того, в процессе работы шпинделя за счет сил трения выделяется тепло и происходит нагрев масла, которое при нагреве расширяется на (8-12)% от общего объема масляной ванны.

При увеличении объема масляной ванны происходит повышение давления внутри нее. Чтобы не перегружать уплотнительные узлы предусмотрен клапан 13, который открывается, когда давление на 0,15-0,20 МПа превысит давление, имеющее место в полости высокого давления 18. Часть масла перетекает в камеру 15 и перемещает поршни 14 относительно корпуса 10 картера высокого давления. Поршни 14 отделяют масло от промывочной жидкости.

Технико-экономическая эффективность от применения шпинделя очень высока. Согласно лабораторным испытанием осевые и радиальные подшипники, помещенные в масляную ванну, работают под очень большими нагрузками в течение 400 часов без какого-либо заметного износа. Вся сложность заключается в том, чтобы защитить масляную ванну от попадания в нее абразивной промывочной жидкости.

Реализация данного устройства позволяет добиться практически безперепадного уплотнительного узла со стороны полости высокого давления. Чем меньше перепад давления на уплотнительном узле, тем меньше вероятность утечки и значительно ниже ее уровень. Работа нижнего уплотнительного узла, где создано избыточное давление со стороны масляной ванны в зону низкого давления, позволит, при неблагоприятных условиях, иметь утечку только на нижнем уплотнении и только в процессе работы шпинделя. При остановке циркуляции давления выравниваются, и утечки смазывающего материала не будут иметь места. Следует указать, что полезный объем диафрагменного лубрикатора почти вдвое превышает объем поршневых лубрикаторов, применяемых в современных маслонаполненных шпинделях.

Таким образом на предлагаемом шпинделе можно получать очень высокий моторесурс за счет эффективного использования смазывающего материала.

Литература

1. Иоаннесян Ю.Р., Попко В.В., Симонянц С.Л. Конструкции и характеристики современных турбобуров. М., ВНИИОЭНГ, 1986. «Нефтяная промышленность» - обзорная информация, серия «Машины и нефтяное оборудование», выпуск 1(53).

2. Ануфриев В.И. Справочник конструктора машиностроителя, том 2, М.: Машиностроение, 1982.

3. Детали резиновые и резинометаллические для опор гидравлических забойных двигателей. Технические условия ГОСТ 4671-76, М., Государственный комитет СССР по стандартам.

4. Султанов Б.З., Шаммасов Н.Х. Забойные буровые машины и инструменты. М., Недра, 1976.

5. Авторское свидетельство СССР №1792481, кл. Е 21В 4/02, 1993 г.