гидравлический забойный двигатель с алмазной опорой скольжения

Формула изобретения

1. Гидравлический забойный двигатель с алмазной опорой скольжения, содержащий корпус двигателя с размещенным внутри него ротором, вращение которого осуществляется насосной подачей текучей среды, а также корпус шпинделя с размещенным внутри него валом, установленным на радиальных и осевой опорах скольжения, вал шпинделя скреплен с ротором двигателя и долотом, при этом часть текучей среды прокачивается через радиальные и осевую опоры скольжения, а осевая опора шпинделя выполнена в виде двух пар роторных и статорных колец с закрепленным в каждом из них кольцевым рядом упорных модулей, статорные кольца закреплены в корпусе шпинделя, роторные кольца установлены на валу шпинделя, а каждый упорный модуль содержит слои поликристаллических алмазов на торце, обращенном к торцам смежных модулей, и поочередно контактирует с одним или двумя торцами смежных модулей, отличающийся тем, что содержит установленную на валу шпинделя шлицевую втулку с наружными шлицами и две упругодемпферные опоры, размещенные на краях шлицевой втулки и воспринимающие осевые усилия, действующие на осевую опору шпинделя, выполненную в виде двух пар роторных и статорных колец с закрепленным в каждом из них кольцевым рядом упорных модулей со слоями поликристаллических алмазов, при этом каждая упругодемпферная опора контактирует с задним торцом соответствующего роторного кольца с закрепленным кольцевым рядом упорных модулей, а роторные кольца с закрепленными в них кольцевыми рядами упорных модулей выполнены с внутренними шлицами, соответствующими наружным шлицам шлицевой втулки, и установлены, каждое, с возможностью углового перекоса роторного кольца с закрепленным в нем кольцевым рядом упорных модулей относительно собственной упругодемпферной опоры.

2. Гидравлический забойный двигатель с алмазной опорой скольжения по п.1, отличающийся тем, что каждая упругодемпферная опора образована кольцевым поясом края шлицевой втулки, опорной кольцевой втулкой с торцовой стенкой, установленной на валу шпинделя и контактирующей с торцом шлицевой втулки, а также кольцевым подпятником, размещенным между кольцевым поясом края шлицевой втулки и внутренним кольцевым поясом опорной кольцевой втулки, образующими внутри замкнутую камеру, в которой расположено кольцо из упругого эластомерного материала, плотно контактирующее со стенками указанной замкнутой камеры, при этом кольцевой подпятник установлен с возможностью его углового перекоса совместно с роторным кольцом с закрепленным в нем кольцевым рядом упорных модулей относительно оси вращения шпинделя в пределах ±3°.

3. Гидравлический забойный двигатель с алмазной опорой скольжения по п.1 и 2, отличающийся тем, что установленные на краях шлицевой втулки две упругодемпферные опоры расположены вдоль оси вала шпинделя зеркально друг относительно друга.

4. Гидравлический забойный двигатель с алмазной опорой скольжения по п.1 и 2, отличающийся тем, что площадь F кольца из упругого эластомерного материала, размещенного в замкнутой камере упругодемпферной опоры, и площадь F₁ упорных модулей, содержащих слои поликристаллических алмазов на торце упорных модулей, закрепленных в роторном кольце, связаны соотношением: F=(1,35÷1,75)F₁.

5. Гидравлический забойный двигатель с алмазной опорой скольжения по п.1 и 2, отличающийся тем, что кольцо из упругого эластомерного материала, размещенного в замкнутой камере упругодемпферной опоры, имеет твердость 80±3 ед. Шор А.

6. Гидравлический забойный двигатель с алмазной опорой скольжения по п.1 и 2, отличающийся тем, что на торце кольца из упругого эластомерного материала, размещенного в замкнутой камере упругодемпферной опоры, выполнен кольцевой выступ, контактирующий с торцом кольцевого подпятника.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам приводов вращения, размещаемых в скважине, и может быть использовано в гидравлических героторных винтовых двигателях и турбобурах для вращения ротора от насосной подачи текучей абразивной среды, в частности, с алмазной осевой опорой скольжения шпинделя, снабженного долотом для бурения наклонно направленных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин.

Известен гидравлический забойный двигатель с алмазным упорным подшипником скольжения, содержащий корпус шпинделя, размещенный внутри него вал, установленный на радиальных и осевой опоре скольжения, закрепленное на валу долото, при этом часть текучей среды прокачивается через радиальные и осевую опоры скольжения, а осевая опора выполнена в виде двух пар роторных и статорных колец с закрепленным в каждом из них рядом упорных модулей, в каждой паре роторных и статорных колец статорное кольцо закреплено в корпусе шпинделя, роторное кольцо скреплено с валом шпинделя, а каждый упорный модуль содержит слой поликристаллических алмазов на торце, обращенном к торцам смежных упорных модулей, и поочередно контактирует с одним или двумя торцами вышеуказанных упорных модулей (US 4620601, 04.11.1986).

Недостатком известного гидравлического забойного двигателя с упорными модулями, содержащими слои поликристаллических алмазов PDC (Polycrystalline Diamond Compakt) на торцах, обращенных к торцам смежных упорных модулей, является неполная возможность повышения ресурса и надежности осевой опоры скольжения шпинделя, прокачиваемой насосной подачей текучей абразивной среды (бурового раствора), что объясняется узким диапазоном регулировки и сжатия тарельчатых пружин 111 (в пределах 2÷3 мм), отказом в работе сферических колец 112, 114 и тарельчатых пружин 111 вследствие шламования полости тарельчатых пружин 111, а также полости сферических колец 112 и 114 абразивными частицами: до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов, например, в полимер-глинистом буровом растворе плотностью 1,16÷1,26 г/см³, показано на фиг.2.

Недостатки известного забойного двигателя объясняются неполной возможностью "самоустановки" статорных колец в корпусе шпинделя или роторных колец на валу шпинделя с целью обеспечения параллельности рабочих поверхностей упорных модулей, содержащих слои поликристаллических алмазов на торцах, при появлении зазора в нижней радиальной опоре скольжения шпинделя, вызываемого изгибом вала шпинделя с долотом при проходке изогнутой скважины, что приводит к повышенным местным напряжениям сжатия на контактирующих торцах упорных модулей, содержащих слои поликристаллических алмазных кристаллов, возникновению вибраций, "прихвата" и разрушению осевой опоры скольжения.

Недостатком известной конструкции с упорными модулями, содержащими слои поликристаллических алмазов на торцах, является также неполная возможность повышения ресурса и надежности прокачиваемой буровым раствором осевой опоры скольжения шпинделя, что объясняется недостаточной прочностью опорных колец и штифтов (поз. 116, 117, 118, 119, 116с, 117с), которые разрушаются при максимальной осевой нагрузке от долота, направленной от забоя к устью скважины, при изменении знака осевой нагрузки, действующей на осевые опоры скольжения, вследствие шламования абразивных частиц: до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов, например, в полимер-глинистом буровом растворе плотностью 1,16÷1,26 г/см³ в полости колец 116с, 117с, показано на фиг.2.

Недостаток известной конструкции объясняется большим значением коэффициента напряжения осевой опоры скольжения в корпусе шпинделя (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению), по существу, равного 8÷10, а также большой вероятностью возникновения вибраций, "прихвата" и разрушения поликристаллических алмазных кристаллов в осевой опоре скольжения при использовании двигателя в горизонтальных управляемых компоновках низа бурильной колонны, на участках изменения кривизны наклонно направленной скважины.

Известен гидравлический забойный двигатель с алмазной опорой скольжения, содержащий корпус двигателя с размещенным внутри него ротором, вращение которого осуществляется насосной подачей текучей среды, а также корпус шпинделя с размещенным внутри него валом, установленным на радиальных и осевой опоре скольжения, вал шпинделя скреплен с ротором двигателя и долотом, при этом часть текучей среды прокачивается через радиальные и осевую опоры скольжения, а осевая опора шпинделя выполнена в виде двух пар роторных и статорных колец с закрепленным в каждом из них кольцевым рядом упорных модулей, статорные кольца скреплены с корпусом шпинделя, роторные кольца скреплены с валом шпинделя, а каждый упорный модуль содержит слой поликристаллических алмазов на торце, обращенном к торцам смежных модулей, и поочередно контактирует с одним или двумя торцами смежных модулей (US 4560014, 24.12.1985).

Недостатком известного гидравлического забойного двигателя с упорными модулями, содержащими слои поликристаллических алмазов PDC (Polycrystalline Diamond Compakt) на торцах, обращенных к торцам смежных упорных модулей, является неполная возможность повышения ресурса и надежности осевой опоры скольжения шпинделя, прокачиваемой насосной подачей текучей абразивной среды (бурового раствора), что объясняется узким диапазоном регулировки и сжатия тарельчатых пружин 76 (в пределах 2÷3 мм), отказом в работе тарельчатых пружин 76 вследствие шламования абразивных частиц: до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов, например, в полимер-глинистом буровом растворе плотностью 1,16÷1,26 г/см³ в полости тарельчатых пружин 76, показано на фиг.2.

Недостатки известного забойного двигателя объясняются неполной возможностью "самоустановки" статорных колец в корпусе шпинделя или роторных колец на валу шпинделя с целью обеспечения параллельности рабочих поверхностей упорных модулей, содержащих слои поликристаллических алмазов на торцах, при появлении зазора в нижней радиальной опоре скольжения шпинделя, вызываемого изгибом вала шпинделя с долотом при проходке изогнутой скважины, что приводит к повышенным местным напряжениям сжатия на контактирующих торцах упорных модулей, содержащих слои поликристаллических алмазных кристаллов, возникновению вибраций, "прихвата" и разрушению осевой опоры скольжения.

При допустимой нагрузке на долото (40000 кгс) тарельчатые пружины 76 сжимаются до упора торцовых зубьев 66, 67 в упорных модулях 64, 68, не обеспечивают "самоустановки" и параллельности рабочих поверхностей 77, содержащих слои поликристаллических алмазов PDC в упорных модулях 29 и 68, 38 и 64 относительно друг друга, что приводит к повышенным местным напряжениям сжатия на контактирующих торцах 77 упорных модулей 29 и 68, 38 и 64, приводит к возникновению вибраций, "прихвату" и разрушению осевой опоры скольжения, показано на фиг.2.

Недостатки известной конструкции с упорными модулями, содержащими слои поликристаллических алмазов на торцах упорных модулей, обращенных к торцам смежных упорных модулей, объясняются, по существу, появлением зазора в нижней радиальной опоре скольжения шпинделя при проходке изогнутых скважин, вызываемого изгибом вала шпинделя с долотом, что приводит к отклонению от параллельности роторных и статорных колец с упорными модулями, повышенным местным напряжениям сжатия на контактирующих торцах упорных модулей, содержащих слои поликристаллических алмазных кристаллов, возникновению вибраций, "прихвата" и разрушению осевой опоры скольжения.

Недостатком известной конструкции является также неполная возможность повышения ресурса и надежности прокачиваемой буровым раствором осевой опоры скольжения шпинделя гидравлического забойного двигателя, что объясняется низкой усталостной выносливостью тарельчатых пружин 76, недостаточной прочностью упорных модулей (поз. 64, 68, 28, 38), которые разрушаются при максимальных осевых нагрузках от долота, направленных от забоя к устью скважины, а также вследствие шламования абразивных частиц в осевой опоре скольжения, "прихвата" и разрушения поликристаллических алмазных кристаллов в осевой опоре скольжения, подпружиненной пакетом тарельчатых пружин 76 упорных модулей (поз. 64, 68, 28, 38, 29, 33) при попадании абразивных частиц: до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов, содержащихся, например, в полимер-глинистом буровом растворе плотностью 1,16÷1,26 г/см³ на поверхности 79, 83, 84 поликристаллических алмазов во вставках 77, 78, по существу, при изменении знака действия осевой нагрузки на долото в процессе бурения скважины.

Недостаток известной конструкции объясняется большим значением коэффициента напряжения осевой опоры скольжения в корпусе шпинделя (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению), по существу, равного 9÷11, а также большой вероятностью возникновения вибраций, "прихвата" и разрушения поликристаллических алмазных кристаллов в осевой опоре скольжения при использовании двигателя в горизонтальных управляемых компоновках низа бурильной колонны, на участках изменения кривизны наклонно направленной скважины.

Это не позволяет компенсировать положительные и отрицательные выбросы динамических колебаний осевой нагрузки на долото и поддерживать оптимальную осевую нагрузку на долото путем сохранения текущих значений осевой нагрузки без потери устойчивости наклонно направленной изогнутой колонны бурильных труб и обеспечения параметров кривизны ствола скважины.

Известна компоновка гидравлического забойного двигателя для бурения подземных пластов, создающая вращающий момент на буровое долото, двигатель присоединен к упорному подшипнику, включающему первый узел, имеющий множественные опорные элементы, определяющие первую опорную поверхность, по меньшей мере, один опорный элемент из множества опорных элементов первого узла, включающий поликристаллическую алмазную пластину на подложке, второй узел, имеющий множественные опорные элементы, определяющие вторую опорную поверхность, при этом первая опорная поверхность и вторая опорная поверхность имеют такую конфигурацию, чтобы формировать зацепление между собой во время относительного смещения первого узла и второго узла, первый гибкий элемент, расположенный между первым узлом и, по меньшей мере, одним опорным элементом первого узла, первый гибкий элемент, имеющий такую конфигурацию, чтобы обеспечить требуемую величину смещения, по меньшей мере, одного опорного элемента первого узла в первом направлении относительно первого узла, и второй гибкий элемент, расположенный между первым узлом и, по меньшей мере, одним опорным элементом первого узла, второй гибкий элемент, имеющий такую конфигурацию, чтобы обеспечить требуемую величину смещения, по меньшей мере, одного опорного элемента первого узла во втором направлении относительного первого узла, при этом второе направление отличное от первого направления (US 7946768, 24.05.2011).

В известной компоновке гидравлического забойного двигателя для бурения подземных пластов устройство осевой опоры включает, по меньшей мере, первый гибкий элемент или второй гибкий элемент, который имеет такую конфигурацию, чтобы обеспечить требуемую величину отклонения поверхности, по меньшей мере, одного опорного элемента первого узла в пределах ±2 градуса, а также содержит смещающий элемент, включающий прикрепленную к дну смещающего элемента волнистую пружинную шайбу, изогнутую пружинную шайбу или тарельчатую пружинную шайбу, а смещающий элемент имеет такую конфигурацию, чтобы смещать, по меньшей мере, один требуемый опорный элемент, по меньшей мере, в одном из следующих направлений: радиальном направлении, кольцевом направлении, продольном направлении.

Недостатком известного гидравлического забойного двигателя с упорными модулями, содержащими слои поликристаллических алмазов на торце, обращенном к торцам смежных упорных модулей, является неполная возможность повышения ресурса и надежности осевой опоры скольжения шпинделя, прокачиваемой насосной подачей текучей абразивной среды, что объясняется устройством осевой опоры скольжения, которая включает в себя прикрепленную к дну волнистую пружинную шайбу, изогнутую пружинную шайбу или тарельчатую пружинную шайбу, которые имеют узкий диапазон регулировки и сжатия, по существу, в пределах 2÷3 мм, показано на фиг.13.

При допустимой нагрузке на долото (40000 кгс) осевая опора скольжения, которая включает в себя прикрепленную к дну волнистую пружинную шайбу, изогнутую пружинную шайбу или тарельчатую пружинную шайбу, показано на фиг.13, сжимается до упора и не обеспечивает демпфирования осевых усилий от долота, действующих на указанную осевую опору скольжения, не обеспечивает "самоустановки" и параллельности рабочих поверхностей упорных модулей относительно друг друга, что приводит к повышенным местным напряжениям сжатия на контактирующих торцах вышеуказанных упорных модулей, содержащих слои поликристаллических алмазов, возникновению вибраций, "прихвату" и разрушению осевой опоры скольжения.

Недостатки известной конструкции с упорными модулями, содержащими слои поликристаллических алмазов на торцах упорных модулей, каждый из которых включает в себя прикрепленную к дну волнистую пружинную шайбу, изогнутую пружинную шайбу или тарельчатую пружинную шайбу, объясняются полным сжатием прикрепленных к дну упорных модулей волнистых пружинных шайб, изогнутых пружинных шайб или тарельчатых пружинных шайб, а также появлением зазора при наработке в нижней радиальной опоре скольжения шпинделя, вызываемого изгибом вала шпинделя с долотом при проходке изогнутой скважины, что приводит к отклонению от параллельности роторных и статорных колец с упорными модулями, содержащими слои поликристаллических алмазов на торцах упорных модулей, обращенных к торцам смежных упорных модулей осевой опоры скольжения, не обеспечивает "самоустановки" рабочих поверхностей упорных модулей относительно друг друга.

Наиболее близким к заявляемой конструкции является гидравлический забойный двигатель с алмазной опорой скольжения, содержащий корпус двигателя с размещенным внутри него ротором, вращение которого осуществляется насосной подачей текучей среды, а также корпус шпинделя с размещенным внутри него валом, установленным на радиальных и осевой опоре скольжения, вал шпинделя скреплен с ротором двигателя и долотом, при этом часть текучей среды прокачивается через радиальные и осевую опоры скольжения, а осевая опора шпинделя выполнена в виде двух пар роторных и статорных колец с закрепленным в каждом из них кольцевым рядом упорных модулей, статорные кольца скреплены с корпусом шпинделя, роторные кольца скреплены с валом шпинделя, а каждый упорный модуль содержит слой поликристаллических алмазов на торце, обращенном к торцам смежных модулей, и поочередно контактирует с одним или двумя торцами смежных модулей, при этом в каждой паре роторных и статорных колец число упорных модулей роторного кольца на единицу меньше числа упорных модулей статорного кольца, площадь проходного сечения для текучей среды между каждыми двумя упорными модулями роторного кольца при контакте с каждым упорным модулем статорного кольца составляет 1,154÷1,618 от площади проходного сечения для текучей среды между каждыми двумя упорными модулями статорного кольца при контакте с каждым упорным модулем роторного кольца, высота Н каждого упорного модуля с высотой Z роторного и статорного колец связана соотношением Н=(0,255÷0,355)Z (RU 2340757, 10.12.2008).

Недостатком известной конструкции гидравлического забойного двигателя с упорными модулями, содержащими слои поликристаллических алмазов на торцах, обращенных к торцам смежных упорных модулей, является неполная возможность повышения ресурса и надежности осевой опоры скольжения шпинделя, прокачиваемой насосной подачей текучей абразивной среды (бурового раствора), что объясняется жестким креплением роторных и статорных колец с закрепленным в каждом из них рядом упорных модулей в пакеты в корпусе и на валу шпинделя, по существу, объясняется отсутствием "самоустановки" роторных колец в корпусе шпинделя или на валу шпинделя с целью компенсации углового перекоса и обеспечения параллельности рабочих поверхностей упорных модулей, содержащих слои поликристаллических алмазов на торцах.

Недостатки известного забойного двигателя объясняются неполной возможностью "самоустановки" статорных колец в корпусе шпинделя или роторных колец на валу шпинделя с целью обеспечения параллельности рабочих поверхностей упорных модулей, содержащих слои поликристаллических алмазов на торцах, при появлении зазора в нижней радиальной опоре скольжения шпинделя, вызываемого изгибом вала шпинделя с долотом при проходке изогнутой скважины, что приводит к повышенным местным напряжениям сжатия на контактирующих торцах упорных модулей, содержащих слои поликристаллических алмазных кристаллов, возникновению вибраций, "прихвата" и разрушению осевой опоры скольжения.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении ресурса и надежности осевой опоры скольжения шпинделя гидравлического забойного двигателя с упорными модулями, содержащими слои поликристаллических алмазов на торцах, обращенных к торцам смежных модулей, за счет установки на валу шпинделя шлицевой втулки с наружными шлицами и двух упругодемпферных опор, контактирующих с задними торцами роторных колец с внутренними шлицами, соответствующими наружным шлицам шлицевой втулки, для компенсации углового перекоса и обеспечения параллельности рабочих поверхностей упорных модулей, содержащих слои поликристаллических алмазов на торцах.

Сущность технического решения заключается в том, что гидравлический забойный двигатель с алмазной опорой скольжения, содержащий корпус двигателя с размещенным внутри него ротором, вращение которого осуществляется насосной подачей текучей среды, а также корпус шпинделя с размещенным внутри него валом, установленным на радиальных и осевой опорах скольжения, вал шпинделя скреплен с ротором двигателя и долотом, при этом часть текучей среды прокачивается через радиальные и осевую опоры скольжения, а осевая опора шпинделя выполнена в виде двух пар роторных и статорных колец с закрепленным в каждом из них кольцевым рядом упорных модулей, статорные кольца закреплены в корпусе шпинделя, роторные кольца установлены на валу шпинделя, а каждый упорный модуль содержит слои поликристаллических алмазов на торце, обращенном к торцам смежных модулей, и поочередно контактирует с одним или двумя торцами смежных модулей, согласно изобретению содержит установленную на валу шпинделя шлицевую втулку с наружными шлицами и две упругодемпферные опоры, размещенные на краях шлицевой втулки и воспринимающие осевые усилия, действующие на осевую опору шпинделя, выполненную в виде двух пар роторных и статорных колец с закрепленным в каждом из них кольцевым рядом упорных модулей со слоями поликристаллических алмазов, при этом каждая упругодемпферная опора контактирует с задним торцом соответствующего роторного кольца с закрепленным кольцевым рядом упорных модулей, а роторные кольца с закрепленными в них кольцевыми рядами упорных модулей выполнены с внутренними шлицами, соответствующими наружным шлицам шлицевой втулки, и установлены, каждое, с возможностью углового перекоса роторного кольца с закрепленным в нем кольцевым рядом упорных модулей относительно собственной упругодемпферной опоры.

Каждая упругодемпферная опора образована кольцевым поясом края шлицевой втулки, опорной кольцевой втулкой с торцовой стенкой, установленной на валу шпинделя и контактирующей с торцом шлицевой втулки, а также кольцевым подпятником, размещенным между кольцевым поясом края шлицевой втулки и внутренним кольцевым поясом опорной кольцевой втулки, образующими внутри замкнутую камеру, в которой расположено кольцо из упругого эластомерного материала, плотно контактирующее со стенками указанной замкнутой камеры, при этом кольцевой подпятник установлен с возможностью его углового перекоса совместно с роторным кольцом с закрепленным в нем кольцевым рядом упорных модулей относительно оси вращения шпинделя в пределах ±3 градуса.

Установленные на краях шлицевой втулки две упругодемпферные опоры расположены вдоль оси вала шпинделя зеркально друг относительно друга.

Площадь F кольца из упругого эластомерного материала, размещенного в замкнутой камере упругодемпферной опоры, и площадь F₁ упорных модулей, содержащих слои поликристаллических алмазов на торце упорных модулей, закрепленных в роторном кольце, связаны соотношением: F=(1,35÷1,75)F₁.

Кольцо из упругого эластомерного материала, размещенного в замкнутой камере упругодемпферной опоры, имеет твердость 80±3 ед. Шор А.

На торце кольца из упругого эластомерного материала, размещенного в замкнутой камере упругодемпферной опоры, выполнен кольцевой выступ, контактирующий с торцом кольцевого подпятника.

Выполнение гидравлического забойного двигателя с алмазной опорой скольжения таким образом, что содержит установленную на валу шпинделя шлицевую втулку с наружными шлицами и две упругодемпферные опоры, размещенные на краях шлицевой втулки и воспринимающие осевые усилия, действующие на осевую опору шпинделя, выполненную в виде двух пар роторных и статорных колец с закрепленным в каждом из них кольцевым рядом упорных модулей со слоями поликристаллических алмазов, при этом каждая упругодемпферная опора контактирует с задним торцом соответствующего роторного кольца с закрепленным кольцевым рядом упорных модулей, а роторные кольца с закрепленными в них кольцевыми рядами упорных модулей выполнены с внутренними шлицами, соответствующими наружным шлицам шлицевой втулки, и установлены, каждое, с возможностью углового перекоса роторного кольца с закрепленным в нем кольцевым рядом упорных модулей относительно собственной упругодемпферной опоры, повышает ресурс и надежность осевой опоры скольжения шпинделя гидравлического забойного двигателя с упорными модулями, содержащими слои поликристаллических алмазов на торцах, обращенных к торцам смежных модулей, за счет установки на валу шпинделя шлицевой втулки с наружными шлицами и двух упругодемпферных опор, контактирующих с задними торцами роторных колец с внутренними шлицами, соответствующими наружным шлицам шлицевой втулки, для компенсации углового перекоса и обеспечения параллельности рабочих поверхностей упорных модулей, содержащих слои поликристаллических алмазов на торцах, предотвращает вибрации, "прихваты" и разрушения поликристаллических алмазных кристаллов в рабочих поверхностях трения осевой опоры скольжения шпинделя с долотом.

Преимущества заявляемой конструкции с упорными модулями, содержащими слои поликристаллических алмазов на торцах упорных модулей, обращенных к торцам смежных упорных модулей, объясняются, по существу, компенсацией перекосов и отклонений от параллельности роторных и статорных колец с упорными модулями, содержащими слои поликристаллических алмазов на торцах упорных модулей, обращенных к торцам смежных упорных модулей осевой опоры скольжения, вызываемых появлением радиального зазора в нижней радиальной опоре скольжения шпинделя при бурении наклонно направленных и горизонтальных скважин вследствие изгиба вала шпинделя с долотом при проходке изогнутой скважины.

Такое выполнение, например, героторного винтового гидравлического двигателя с алмазной осевой опорой скольжения шпинделя повышает точность проходки наклонно направленных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин, а также улучшает технико-экономические показатели бурения: увеличивает проходку скважины на рейс долота, уменьшает время простоя буровой установки.

Выполнение гидравлического забойного двигателя с алмазной опорой скольжения таким образом, что каждая упругодемпферная опора образована кольцевым поясом края шлицевой втулки, опорной кольцевой втулкой с торцовой стенкой, установленной на валу шпинделя и контактирующей с торцом шлицевой втулки, а также кольцевым подпятником, размещенным между кольцевым поясом края шлицевой втулки и внутренним кольцевым поясом опорной кольцевой втулки, образующими внутри замкнутую камеру, в которой расположено кольцо из упругого эластомерного материала, плотно контактирующее со стенками указанной замкнутой камеры, при этом кольцевой подпятник установлен с возможностью его углового перекоса совместно с роторным кольцом с закрепленным в нем кольцевым рядом упорных модулей относительно оси вращения шпинделя в пределах ±3 градуса, упрощает конструкцию упругодемпферной опоры, обеспечивает экономические преимущества за счет снижения стоимости осевой опоры скольжения с упорными модулями, содержащими слои поликристаллических алмазов, при этом каждая упругодемпферная опора воспринимает осевые усилия, действующие на собственную осевую опору скольжения шпинделя, и компенсирует перекосы и отклонения от параллельности собственного роторного кольца, соединенного с возможностью передачи крутящего момента с шлицевой втулкой, закрепленной на валу шпинделя, что также повышает ресурс и надежность в прокачиваемой буровым раствором осевой опоре скольжения шпинделя гидравлического забойного двигателя.

Выполнение гидравлического забойного двигателя с алмазной опорой скольжения таким образом, что установленные на краях шлицевой втулки две упругодемпферные опоры расположены вдоль оси вала шпинделя зеркально друг относительно друга, площадь F кольца из упругого эластомерного материала, размещенного в замкнутой камере упругодемпферной опоры, и площадь F₁ упорных модулей, содержащих слои поликристаллических алмазов на торце упорных модулей, закрепленных в роторном кольце, связаны соотношением: F=(1,35÷1,75)F₁, при этом кольцо из упругого эластомерного материала, размещенного в замкнутой камере упругодемпферной опоры, имеет твердость 80±3 ед. Шор А, а на торце кольца из упругого эластомерного материала, размещенного в замкнутой камере упругодемпферной опоры, выполнен кольцевой выступ, контактирующий с торцом кольцевого подпятника, обеспечивает максимально допустимую нагрузку на долото, равную F=40000 кгс, повышает надежность конструкции, устраняет осевой люфт вала шпинделя с долотом за счет предустановленного осевого натяга в упругодемпферных опорах, повышает ресурс шпиндельной опоры, по меньшей мере, до ресурса долота с зубками из поликристаллических алмазов.

Работоспособность упругодемпферной опоры подтверждается расчетом на прочность опорной кольцевой втулки с торцовой стенкой, установленной на валу шпинделя и контактирующей с торцом шлицевой втулки, ограничивающей сжатие кольца из упругого эластомерного материала, например резины ИРП-1226-5, в замкнутом объеме.

Материал опорной кольцевой втулки с торцовой стенкой и деталей соединения упругодемпферной опоры - сталь 40ХН2МА, ГОСТ 4543-71.

Свойства:

предел прочности	в=930 МПа=95 кгс/мм2
предел текучести	02=780 МПа=79,6 кгс/мм2
предел выносливости при симметричном
цикле нагружения (изгиб)	-1=45,6 кгс/мм2
остаточное удлинение при разрыве	=13%
остаточное сужение при разрыве	=45%
модуль упругости	Е=19800 МПа=20000 кгс/мм2

При осевой нагрузке кольцо из упругого эластомерного материала в замкнутом объеме ведет себя как жидкость. Давление в резине, образующееся от осевого сжатия резинового кольца, вызывает растягивающие напряжения в опорной кольцевой втулке с торцовой стенкой, установленной на валу шпинделя и контактирующей с торцом шлицевой втулки. При допустимой нагрузке на долото F=40000 кгс в резине возникает давление p=F/S=40000/113=354 кг/см ², где S=113 см² - площадь резинового кольца. Для упрощения расчета "юбку" опорной кольцевой втулки с торцовой стенкой принимаем в виде безразмерной трубы, находящейся под давлением. Напряжения растяжения в "юбке" опорной кольцевой втулки с торцовой стенкой _p=p×r_ср/h=354×9,05/0,7=4576 кг/см², где r_ср - средний радиус стенки "юбки" опорной кольцевой втулки, h - толщина стенки "юбки" опорной кольцевой втулки.

Для стали сталь 40ХН2МА, ГОСТ 4543-71, предел текучести:

₀₂=780 МПа=79,6 кгс/мм², ₀₂ 7000 кгс/см². Коэффициент запаса k=1,5.

С учетом того, что торцовая стенка опорной кольцевой втулки выполняет функцию шпангоута, напряжения растяжения в "юбке" опорной кольцевой втулки будут еще меньше, при этом прочность опорной кольцевой втулки с торцовой стенкой достаточная.

Расчет напряженно-деформированного состояния осевой алмазной опоры скольжения и упругодемпферной опоры, проводимый методом конечных элементов с помощью сертифицированного аналитического программного продукта ANSYS 12.1 в статической нелинейной постановке с использованием элементов, имитирующих контактное взаимодействие, с учетом упруго-пластичных свойств материалов, а также свойств резины в замкнутом объеме конструкции, показал, что в случае равномерного распределения нагрузки двумя парами роторных и статорных колец с закрепленным в каждом из них кольцевым рядом упорных модулей, каждый из которых содержит слои поликристаллических алмазов АРС3 (RU) зернистостью 2000/1600 мкм, образующими пленочный композит толщиной 2,25 мм на торце, обращенном к торцам смежных модулей, и поочередно контактирует с одним или двумя торцами смежных модулей, запас по пределу контактной прочности осевой опоры скольжения составляет 1,45, запас по пределу прочности упругодемпферной опоры составляет 1,55, коэффициент напряжения осевой опоры скольжения в корпусе шпинделя (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению) составляет 2,3÷4,2.

Изобретение может быть использовано в гидравлических героторных винтовых двигателях для бурения наклонно направленных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин, а также для бурения скважин с использованием турбобура.

Ниже представлен гидравлический турбобур Т3 240 PC 801 с алмазной осевой опорой скольжения шпинделя, упругодемпферными опорами для роторных колец с упорными модулями, а также долотом.

На фиг.1 изображен гидравлический турбобур с радиальной твердосплавной опорой скольжения шпинделя, алмазной осевой опорой скольжения шпинделя, упругодемпферными опорами для роторных колец с упорными модулями, радиальными эластомерными опорами скольжения ротора турбобура со ступенями лопаток, а также долотом.

На фиг.2 изображен элемент I на фиг.1 вала шпинделя с упругодемпферными опорами для осевой опоры скольжения, выполненной в виде роторных колец с упорными модулями, содержащими слои поликристаллических алмазов на торцах.

На фиг.3 изображен разрез А-А на фиг.2 поперек упорных модулей осевой опоры скольжения в корпусе шпинделя, содержащих слои поликристаллических алмазов на торцах.

На фиг.4 изображен элемент II на фиг.2 упругодемпферной опоры для роторных колец с упорными модулями, содержащими слои поликристаллических алмазов на торцах.

На фиг.5 изображено кольцо из эластомерного материала с кольцевым выступом, предназначенное для установки в замкнутой камере упругодемпферной опоры.

Гидравлический турбобур с алмазной опорой скольжения содержит корпус 1 турбобура, имеющий 150 ступеней 2 статорных лопаток 3, закрепленных в указанном корпусе 1 с размещенным внутри него ротором 4 турбобура, имеющим соответственно 150 ступеней 5 роторных лопаток 6, закрепленных на валу 7 ротора 4 турбобура, вращение ступеней 5 роторных лопаток 6 осуществляется насосной подачей текучей абразивной среды 8 (бурового раствора), а также содержит корпус 9 опоры шпинделя с размещенным внутри него валом 10 шпинделя, установленным на твердосплавной радиальной опоре 11 скольжения и осевой опоре 12 скольжения, размещенной внутри корпуса 1 турбобура, при этом вал 7 ротора 4 турбобура установлен на 5 радиальных эластомерных опорах 13 скольжения, установленных внутри корпуса 1 турбобура, показано на фиг.1.

Вал 10 шпинделя скреплен резьбой 14 с валом 7 ротора 4 турбобура и скреплен резьбой 15 с долотным переводником 16 и долотом 17, при этом часть текучей среды 8 прокачивается для охлаждения и смазки через радиальные эластомерные опоры 13 скольжения ротора 4 турбобура, открытую осевую алмазную опору 12 скольжения, а также через радиальную опору 11 скольжения вала 10 шпинделя, армированную твердым сплавом ТТ7К15, показано на фиг.1.

В буровом растворе 8, радиальных опорах 13 скольжения ротора 4 турбобура и открытой осевой алмазной опоре 12 скольжения в корпусе 9 шпинделя, а также в твердосплавной радиальной опоре 11 скольжения вала 10 шпинделя содержатся абразивные частицы, прошедшие через фильтры бурильной колонны: до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов, например, в полимер-глинистом буровом растворе плотностью 1,16÷1,26 г/см³.

Корпус 1 турбобура скреплен резьбой 18 с переводником 19, предназначенным для закрепления 150 статорных ступеней 2 лопаток 3, переводник 19 скреплен резьбой 20 с трубным переводником 21, а трубный переводник 21 скреплен резьбой 22 с колонной бурильных труб 23, показано на фиг.1.

Осевая опора 12 скольжения шпинделя выполнена в виде двух пар роторных и статорных колец: роторных колец 24, 25 и статорных колец 26, 27 с закрепленным в каждом из них кольцевым рядом упорных модулей 28, статорные кольца 26, 27 закреплены в корпусе 1 шпинделя, роторные кольца 24, 25 установлены на валу 10 шпинделя, а каждый упорный модуль 28 содержит слои 29 поликристаллических алмазов на торце 30, обращенном к торцам 31 смежных модулей 28, и поочередно контактирует с одним или двумя торцами 31 смежных модулей 28, показано на фиг.1, 2, 3, 4.

Слои 29 на торцах 30, 31 упорных модулей 28 оснащены синтетическими поликристаллическими алмазами, например, АРС3 (RU) зернистостью 2000/1600 мкм, образующими многослойный композит толщиной 2,25 мм, показано на фиг.4.

Слои 29 на торцах 30, 31 упорных модулей 28 могут быть оснащены поликристаллическими алмазами PDC, например, фирмы US Synthetic (US) зернистостью 2000/1600 мкм, образующими многослойный композит толщиной 2,05 мм, показано на фиг.4.

Гидравлический турбобур с алмазной опорой скольжения содержит установленную на валу 10 шпинделя шлицевую втулку 32 с наружными шлицами 33, 34 и две упругодемпферные опоры 35 и 36, размещенные на краях 37 и соответственно 38 шлицевой втулки 32, воспринимающие осевые усилия, действующие на осевую опору 12 шпинделя, которая выполнена в виде двух пар роторных и статорных колец: роторных колец 24, 25 и статорных колец 26, 27 с закрепленным в каждом из них кольцевым рядом упорных модулей 28, статорные кольца 26, 27 закреплены в корпусе 1 шпинделя, роторные кольца 24, 25 установлены на валу 10 шпинделя, а каждый упорный модуль 28 содержит слои 29 поликристаллических алмазов на торце 30, обращенном к торцам 31 смежных модулей 28, и поочередно контактирует с одним или двумя торцами 31 смежных модулей 28, показано на фиг.1, 2, 3, 4.

Упругодемпферная опора 35 контактирует с задним торцом 39 роторного кольца 24 с закрепленным кольцевым рядом упорных модулей 28, а роторное кольцо 24 с закрепленными в них кольцевыми рядами упорных модулей 28 выполнено с внутренними шлицами 40, соответствующими наружным шлицам 33 шлицевой втулки 32, и установлено с возможностью углового перекоса роторного кольца 24 с закрепленным в нем кольцевым рядом упорных модулей 28 относительно собственной упругодемпферной опоры 35, показано на фиг.2, 3, 4.

Упругодемпферная опора 36 контактирует с задним торцом 41 роторного кольца 24 с закрепленным кольцевым рядом упорных модулей 28, а роторное кольцо 24 с закрепленными в них кольцевыми рядами упорных модулей 28 выполнено с внутренними шлицами 42, соответствующими наружным шлицам 34 шлицевой втулки 32, и установлено с возможностью углового перекоса роторного кольца 24 с закрепленным в нем кольцевым рядом упорных модулей 28 относительно собственной упругодемпферной опоры 36, показано на фиг.1, 2, 3, 4.

Каждая упругодемпферная опора, например упругодемпферная опора 35, образована кольцевым поясом 43 края 37 шлицевой втулки 32, опорной кольцевой втулкой 44 с торцовой стенкой 45, установленной на валу 10 шпинделя и контактирующей с торцом (краем) 37 шлицевой втулки 32, а также кольцевым подпятником 46, размещенным между кольцевым поясом 43 края (торца) 37 шлицевой втулки 32 и внутренним кольцевым поясом 47 опорной кольцевой втулки 44, образующими внутри замкнутую камеру 48, в которой расположено кольцо 49 из упругого эластомерного материала, например резины ИРП-1226-5, плотно контактирующее со стенками указанной замкнутой камеры: с кольцевым поясом 43 края 37 шлицевой втулки 32, с внутренним кольцевым поясом 47 опорной кольцевой втулки 44, с торцовой стенкой 45 опорной кольцевой втулки 44, а также с задней поверхностью 50 кольцевого подпятника 46, показано на фиг.2, 4.

При этом кольцевой подпятник 46 установлен с возможностью его углового перекоса (за счет радиальных зазоров или сферических поясов) совместно с роторным кольцом 24 с закрепленным в нем кольцевым рядом упорных модулей 28, содержащих слои 29 поликристаллических алмазов на торцах 30, относительно оси 51 вращения вала 10 шпинделя в пределах ±3 градуса, показано на фиг.2, 4.

Установленные на краях 37 и 38 шлицевой втулки 32 две упругодемпферные опоры 35 и 36 расположены вдоль оси 51 вала 10 шпинделя зеркально друг относительно друга, показано на фиг.1, 2, 4.

Площадь 52, F кольца 49 из упругого эластомерного материала, например резины ИРП-1226-5, размещенного в замкнутой камере 48 упругодемпферной опоры, например, 35, и площадь 53, F₁ упорных модулей 28, содержащих слои 29 поликристаллических алмазов на торце 30 упорных модулей 28, закрепленных в роторном кольце 24, связаны соотношением: F=(1,35÷1,75)F₁, показано на фиг.3, 4, 5. Кольцо 49 из упругого эластомерного материала, например резины ИРП-1226-5, размещенного в замкнутой камере 48 упругодемпферной опоры, например, 35, имеет твердость 80±3 ед. Шор А, показано на фиг.3, 4.

На торце кольца 49 из упругого эластомерного материала, например резины ИРП-1226-5, размещенного в замкнутой камере 48 упругодемпферной опоры, например, 35, выполнен кольцевой выступ 54, предназначенный для создания предустановленного осевого натяга, контактирующий с задней поверхностью 50 кольцевого подпятника 46, показано на фиг.4, 5.

Гидравлический турбобур Т3 240 PC 801 с упругодемпферными опорами для роторных колец осевой алмазной опоры скольжения шпинделя с долотом работает следующим образом: поток бурового раствора 8, содержащий абразивные частицы, например до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов, содержащихся в полимер-глинистом буровом растворе плотностью 1,16÷1,26 г/см³, под давлением 37÷45 МПа по колонне бурильных труб 23 подается в корпус 1 турбобура, содержащий 150 ступеней 2 статорных лопаток 3, закрепленных в указанном корпусе 1, с размещенным внутри него ротором 4 турбобура, имеющим соответственно 150 ступеней 5 роторных лопаток 6, закрепленных на валу 7 ротора 4 турбобура, создает крутящий момент на 150 ступенях 5 роторных лопаток 6, закрепленных на валу 7 ротора 4 турбобура, передаваемый далее на вал 10 шпинделя, долотного переводника 16 и бурового долота 17, осуществляет вращение бурового долота 17 и бурение скважины.

Часть текучей среды 8 прокачивается под давлением 37÷45 МПа через радиальные эластомерные опоры 13 скольжения ротора 4 турбобура, открытую осевую алмазную опору 12 скольжения, а также через радиальную опору 11 скольжения вала 10 шпинделя, армированную твердым сплавом.

При появлении зазора в радиальной опоре 11 скольжения вала 10 шпинделя, армированной твердым сплавом, вызываемого изгибом вала 10 шпинделя с долотом 17 при бурении в крепких и твердых породах изогнутой скважины, упругодемпферная опора 35 контактирует с задним торцом 39 роторного кольца 24 с закрепленным кольцевым рядом упорных модулей 28, а роторное кольцо 24 с закрепленными в них кольцевыми рядами упорных модулей 28 выполнено с внутренними шлицами 40, соответствующими наружным шлицам 33 шлицевой втулки 32, и установлено с возможностью углового перекоса роторного кольца 24 с закрепленным в нем кольцевым рядом упорных модулей 28 относительно собственной упругодемпферной опоры 35, и обеспечивает компенсацию углового перекоса и параллельность рабочих поверхностей упорных модулей, содержащих слои поликристаллических алмазов на торцах, что уменьшает местные напряжения сжатия на контактирующих торцах упорных модулей, предотвращает возникновение вибраций, "прихвата" и разрушения осевой опоры скольжения.

При появлении зазора в радиальной опоре 11 скольжения вала 10 шпинделя, армированной твердым сплавом, вызываемого изгибом вала 10 шпинделя с долотом 17 при бурении в крепких и твердых породах изогнутой скважины, упругодемпферная опора 36 контактирует с задним торцом 41 роторного кольца 24 с закрепленным кольцевым рядом упорных модулей 28, а роторное кольцо 24 с закрепленными в них кольцевыми рядами упорных модулей 28 выполнено с внутренними шлицами 42, соответствующими наружным шлицам 34 шлицевой втулки 32, и установлено с возможностью углового перекоса роторного кольца 24 с закрепленным в нем кольцевым рядом упорных модулей 28 относительно собственной упругодемпферной опоры 36, осевая опора 12 скольжения шпинделя, выполненная в виде двух пар роторных и статорных колец: роторных колец 24, 25 и статорных колец 26, 27 с закрепленным в каждом из них кольцевым рядом упорных модулей 28, статорные кольца 26, 27 закреплены в корпусе 1 шпинделя, роторные кольца 24, 25 установлены на валу 10 шпинделя, а каждый упорный модуль 28 содержит слои 29 поликристаллических алмазов на торце 30, обращенном к торцам 31 смежных модулей 28, и поочередно контактирует с одним или двумя торцами 31 смежных модулей 28, и обеспечивает компенсацию углового перекоса и параллельность рабочих поверхностей упорных модулей, содержащих слои поликристаллических алмазов на торцах, что уменьшает местные напряжения сжатия на контактирующих торцах упорных модулей, предотвращает возникновение вибраций, "прихвата" и разрушения осевой опоры скольжения.

При выполнении турбобура с алмазной осевой опорой 12 скольжения шпинделя, упругодемпферными опорами 35, 36 для роторных колец 24, 25 с упорными модулями 28 таким образом, что площадь 52, F кольца 49 из упругого эластомерного материала, например резины ИРП-1226-5, размещенного в замкнутой камере 48 упругодемпферной опоры, например, 35, и площадь 53, F₁ упорных модулей 28, содержащих слои 29 поликристаллических алмазов на торце 30 упорных модулей 28, закрепленных в роторном кольце 24, связаны соотношением: F=(1,35÷1,75)F₁, кольцо 49 из упругого эластомерного материала, например резины ИРП-1226-5, размещенного в замкнутой камере 48 упругодемпферной опоры, например, 35, имеет твердость 80±3 ед. Шор А, при этом на торце кольца 49 из упругого эластомерного материала, например резины ИРП-1226-5, размещенного в замкнутой камере 48 упругодемпферной опоры, например, 35, выполнен кольцевой выступ 54, предназначенный для создания предустановленного осевого натяга, контактирующий с задней поверхностью 50 кольцевого подпятника 46, значение коэффициента напряжения осевой опоры скольжения в корпусе шпинделя (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению) уменьшается и составляет (2,3÷4,2), что снижает вероятность "прихвата" и разрушения слоев 29 на торцах 30, 31 упорных модулей 28, оснащенных поликристаллическими алмазами в осевой опоре 12 скольжения шпинделя.

При использовании заявляемой конструкции повышается ресурс и надежность осевой опоры скольжения шпинделя гидравлического забойного двигателя с упорными модулями, содержащими слои поликристаллических алмазов на торцах, обращенных к торцам смежных модулей, за счет компенсации углового перекоса и обеспечения параллельности рабочих поверхностей упорных модулей, повышается точность параметров кривизны ствола скважины, увеличивается проходка скважины на рейс долота с использованием в колонне бурильных труб гидравлических ясов, повышается темп набора параметров кривизны скважин, уменьшаются напряжения в компоновке низа бурильной колонны и время простоя буровой установки.