гидравлический забойный двигатель

Формула изобретения

1. Гидравлический забойный двигатель, который в процессе эксплуатации может использоваться в бурильной колонне для роторного бурения, содержащий полый корпус, размещенный внутри него героторный винтовой механизм, включающий соосно расположенный в корпусе статор и установленный внутри статора ротор, вращение которого осуществляется насосной подачей текучей среды, шпиндельную секцию, включающую вал, установленный на осевой опоре, выполненной в виде упорно-радиального многорядного подшипника, а также на верхней и нижней радиальных опорах скольжения, состоящих из наружной и внутренней втулок, размещенных в корпусе шпиндельной секции, и соответственно, на валу шпиндельной секции, вал шпиндельной секции скреплен на входе приводным валом с ротором, а на выходе скреплен с долотом, двигатель снабжен верхним ловильным устройством, состоящим из вала, упора и гайки, и нижним ловильным устройством, выполненным в виде ловильной втулки с наружным ловильным буртом, упорного кольца и нижнего резьбового переводника с внутренним ловильным буртом, верхнее ловильное устройство скреплено с верхней частью ротора героторного винтового механизма, а нижнее ловильное устройство установлено на валу шпиндельной секции между внутренней втулкой нижней радиальной опоры и осевой опорой, выполненной в виде упорно-радиального многорядного подшипника, отличающийся тем, что вал шпиндельной секции и ловильная втулка нижнего ловильного устройства с наружным ловильным буртом жестко скреплены между собой с помощью общей резьбы с возможностью обеспечения натяга по торцам упорного кольца, расположенного между торцами ловильной втулки и внутренней втулки нижней радиальной опоры скольжения, при этом направление свинчивания резьбы вала шпиндельной секции и ловильной втулки нижнего ловильного устройства совпадает с направлением вращения бурильной колонны при подъеме из скважины.

2. Гидравлический забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что диаметр Д внутреннего ловильного пояса в нижнем резьбовом переводнике и наружный диаметр Д ₁ ловильного бурта ловильной втулки нижнего ловильного устройства связаны соотношением: Д=Д₁-(0,03÷0,05)Д.

3. Гидравлический забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что упорное кольцо нижней радиальной опоры скольжения выполнено с наружным буртом, контактирующим с внутренней втулкой нижней радиальной опоры скольжения, при этом диаметр наружного бурта упорного кольца не превышает наружный диаметр внутренней втулки нижней радиальной опоры скольжения.

4. Гидравлический забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что наружная втулка нижней радиальной опоры скольжения и нижний резьбовой переводник выполнены в виде единой конструкции с пластинами из твердого сплава, при этом пластины из твердого сплава установлены во внутренней расточке нижнего резьбового переводника и скреплены между собой пропиткой твердого сплава компонентами связки-припоя.

5. Гидравлический забойный двигатель по п.4, отличающийся тем, что расплавленный порошок связки-припоя для крепления пластин из твердого сплава в нижнем резьбовом переводнике содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: Ni 32÷47, Fe 2, Cr 7÷14, Si 2, WC остальное.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гидравлическим приводам для вращательного бурения, размещаемым в скважинах, и может быть использовано при роторном бурении боковых горизонтальных стволов нефтяных скважин винтовыми героторными гидравлическими двигателями.

Известен гидравлический забойный двигатель, содержащий полый корпус, размещенный внутри него привод с ротором, а также шпиндель, установленный внутри корпуса шпинделя на осевой и радиальных опорах, снабженный долотом и соединенный приводным валом с ротором, корпусы двигателя и шпинделя соединены изогнутыми резьбовыми переводниками, а ротор и шпиндель соединены с приводным валом, снабженным ведущим и ведомым шарнирными узлами с осевыми опорами скольжения посредством резьбовых переходников, корпус шпинделя выполнен с поперечным разъемом между осевой и радиальной опорами со стороны долота, шпиндель выполнен с кольцевой канавкой в плоскости поперечного разъема корпуса шпинделя, в канавке установлено разъемное кольцо, диаметр которого превышает диаметр шпинделя, внутри корпуса шпинделя закреплены опорная втулка и кольцо-ловитель, а радиальная опора корпуса шпинделя со стороны долота выполнена в виде размещенной на съемной втулке и закрепленной внутри корпуса шпинделя упругоэластичной опоры скольжения, при этом расстояние между осевыми опорами приводного вала не превышает длины осевой опоры шпинделя (RU 2232859, 20.07.2004).

Недостатком известного двигателя является выполнение вала шпинделя 6 с кольцевой канавкой 23, расположенной между нижней радиальной опорой 9 и осевой опорой 10, что ослабляет его поперечное сечение, увеличивает максимальные значения поперечных напряжений, возникающих от действия изгибающих моментов долота на вал шпинделя при использовании двигателя в управляемых компоновках низа бурильной колонны на участках изменения кривизны скважин.

Недостатками известного двигателя являются также ухудшение охлаждения нижней радиальной опоры скольжения прокачиваемым буровым раствором, неполная возможность увеличения ресурса и надежности шпинделя двигателя, снижения аварийности при подъеме забойного двигателя из скважин при бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин, а также неполная возможность повышения точности проходки скважин и темпа набора параметров кривизны скважин, повышения проходимости, т.е. уменьшения сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны при использовании двигателя в управляемых компоновках низа бурильной колонны на участках изменения кривизны скважин.

Известен героторный гидравлический двигатель, содержащий полый корпус, размещенный внутри него многозаходный героторный механизм, включающий соосно расположенный статор и установленный внутри статора ротор, а также шпиндель, включающий вал шпинделя, размещенный в опорах вращения в корпусе шпинделя и соединенный на входе приводным валом с ротором, а на выходе - с долотом, причем корпусы двигателя и шпинделя соединены изогнутым переводником с резьбами на его краях (RU 2162132, 20.01.2001).

Недостатком известной конструкции является неполная возможность использования при роторном бурении боковых горизонтальных стволов нефтяных скважин вследствие того, что "корпус шпинделя со стороны его торца, направленного к долоту, имеет окружное ребро, охватывающее с зазором вал шпинделя, а вал шпинделя имеет окружной бурт, расположенный между опорой вращения и окружным ребром, при этом окружной бурт на валу шпинделя и окружное ребро в корпусе шпинделя выполнены по типу непрерывных, сопрягаемых между собой витков резьбы, направление свинчивания вала и корпуса шпинделя противоположно направлению вращения вала шпинделя".

Недостаток известной конструкции объясняется "вывинчиванием" разрушенной (срезанной) части полого вала 4 шпинделя с переходной втулкой 8 и долотом (не показанным) по резьбе 17 из резьбы 18 в окружном ребре 15 в корпусе шпинделя 6 при разрушении вала 4 шпинделя выше торца 16 вследствие того, что бурильные колонны при подъеме из скважин на буровых установках в Российской Федерации вращают вправо ротором бурового станка, например, 5000ЭУ относительно стола ротора, при этом долото и вал шпинделя безвозвратно теряются в скважине.

Другим недостатком известной конструкции является неполная возможность уменьшения расстояния от долота до нижней радиальной опоры скольжения ("вылет" долота), что не обеспечивает возможности увеличения ресурса и надежности шпиндельной секции, а также повышения точности проходки скважин.

Известен гидравлический забойный двигатель, содержащий корпус с размещенным внутри него ротором, выполненным с возможностью вращения, осуществляемого насосной подачей текучей среды, корпус шпинделя с размещенным внутри него валом шпинделя, установленным на осевой опоре, выполненной в виде упорно-радиального многорядного подшипника, а также на верхней и нижней радиальных опорах скольжения, резьбовой переводник, скрепленный с корпусами двигателя и шпинделя, при этом вал шпинделя содержит ловильный бурт, соединен приводным валом с ротором и скреплен с долотом, а на резьбе корпуса шпинделя закреплена гайка, выполненная с ловильным поясом, при этом вал шпинделя выполнен с центрирующим пояском и резьбой, расположенными между нижней радиальной опорой скольжения и выходной частью вала, предназначенной для крепления долота, ловильный бурт выполнен в ловильном кольце, установленном на центрирующем пояске вала шпинделя, на валу шпинделя установлена резьбовая втулка, закрепляющая ловильное кольцо, ловильный пояс гайки выполнен с пазами, ширина и диаметр которых превышают соответственно толщину в поперечном сечении и диаметр ловильного кольца, внутри гайки выполнена кольцевая полость, сообщающаяся с пазами ловильного пояса, а диаметр кольцевой полости превышает диаметр ловильного бурта в ловильном кольце (RU 2367761, 20.09.2009).

Недостатком известной конструкции является неполная возможность уменьшения расстояния от долота до нижней радиальной опоры скольжения ("вылет" долота), что отрицательно сказывается на ресурсе опорного узла, а также неполная возможность снижения аварийности при подъеме забойного двигателя с колонной бурильных труб из боковых горизонтальных стволов нефтяных скважин, повышения точности проходки и темпа набора параметров кривизны скважин, а также улучшения проходимости, т.е. уменьшения сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны при использовании двигателя в горизонтальных управляемых компоновках низа бурильной колонны на участках изменения кривизны скважин.

Известен гидравлический забойный двигатель с алмазной опорой скольжения, содержащий корпус двигателя с размещенным внутри него ротором, а также корпус шпинделя с размещенным внутри него валом, установленным на радиальных и осевой опорах скольжения, вал шпинделя соединен приводным валом с ротором двигателя и скреплен с долотом, 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 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 4620601, Nov.4, 1986).

Недостатком известной конструкции является выполнение вала шпинделя без ловильного бурта, а ниппеля - без ловильного пояса, что исключает возможность подъема с колонной бурильных труб из боковых горизонтальных стволов нефтяных скважин при разрушении вала шпинделя.

Наиболее близким к заявляемой конструкции является гидравлический забойный двигатель, содержащий полый корпус, размещенный внутри него героторный механизм, включающий соосно расположенный в корпусе статор и установленный внутри статора ротор, а также шпиндельную секцию, включающую вал с осевым подшипником, размещенный в верхней и нижней радиальных опорах, состоящих из наружной и внутренней втулок и размещенных в корпусе шпиндельной секции, соединенный на входе приводным валом с ротором, а на выходе - нижним переводником с долотом, регулируемый переводник, установленный между героторным механизмом и корпусом шпиндельной секции, при этом двигатель снабжен верхним противоаварийным устройством, состоящим из вала, упора и гайки, и нижним противоаварийным устройством, выполненным в виде фигурной втулки, верхнее противоаварийное устройство соединено с ротором героторного механизма, а нижнее противоаварийное устройство установлено на валу шпиндельной секции и расположено между внутренней втулкой нижней радиальной опоры и осевым подшипником, вал шпиндельной секции имеет окружной бурт, а фигурная втулка - внутренний и наружный окружные бурты, при этом окружной бурт вала шпиндельной секции и внутренний бурт фигурной втулки выполнены в виде винтовой нарезки с направлением, обратным вращению вала шпиндельной секции, с возможностью упора окружного бурта вала шпиндельной секции во внутренний бурт фигурной втулки, а наружный бурт фигурной втулки упирается в упорный торец нижнего переводника, при этом наружная втулка нижней радиальной опоры крепится к корпусу нижнего переводника таким образом, что крайние торцовые поверхности радиальной опоры и корпуса нижнего переводника совпадают (RU 2299302, 20.05.2007).

Недостатками известного гидравлического забойного двигателя являются неполная возможность снижения аварийности при роторном бурении боковых горизонтальных стволов нефтяных скважин, по существу, при подъеме с вращением бурильной колонны с долотом при разрушении вала шпиндельной секции, неполная возможность увеличения ресурса и надежности двигателя, повышения точности проходки скважин и темпа набора параметров кривизны скважин, а также повышения проходимости, т.е. уменьшения сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны.

Основной недостаток известной конструкции объясняется тем, что "окружной бурт вала шпиндельной секции и внутренний бурт фигурной втулки выполнены в виде винтовой нарезки с направлением, обратным вращению вала шпиндельной секции", вследствие этого направление винтовой нарезки наружного бурта фигурной втулки нижнего противоаварийного устройства, установленного на валу шпиндельной секции и расположенного между внутренней втулкой нижней радиальной опоры и осевым подшипником, не совпадает с направлением вращения бурильной колонны с двигателем и долотом при подъеме из скважины.

Бурильные колонны при подъеме из скважин на буровых установках в Российской Федерации при роторном бурении нефтяных скважин винтовыми героторными гидравлическими двигателями вращают ротором бурового станка, например, 5000ЭУ вправо (правые резьбы труб бурильной колонны), вследствие этого в известной конструкции происходит отворачивание разрушенной части полого вала 4 шпиндельной секции с переходной втулкой 8 и долотом (не показанным) по резьбе 17 из резьбы 18 в окружном ребре 15 в корпусе 6 шпиндельной секции при разрушении вала 4 шпиндельной секции выше торца 16, а разрушенная часть вала шпиндельной секции и долото безвозвратно теряются в скважине.

Другим недостатком известной конструкции является расположение резьбы и кольцевой канавки (концентраторов напряжений) на валу шпиндельной секции (на диаметре, меньшем диаметра внутренней втулки нижней радиальной опоры) между осевой и нижней радиальной опорами (в опасном сечении), которые ослабляют вал шпиндельной секции, уменьшают прочность и усталостную выносливость вала от действия максимальных значений поперечных напряжений, возникающих от изгибающих моментов долота на валу шпиндельной секции при прохождении через радиусные участки ствола скважины, а также при износе подшипников осевой опоры (допускается осевой люфт вала шпиндельной секции, например, до 5,5 мм).

Такое выполнение противоаварийного устройства увеличивает коэффициент напряжения при изгибе (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению), повышает вероятность разрушения вала шпиндельной секции между осевой и нижней радиальной опорами, а при разрушении вала шпиндельной секции по кольцевому поясу "а" долото и вал безвозвратно теряются в скважине.

Другим недостатком известной конструкции является выполнение фигурной втулки 24 с внутренним 27 и наружным 28 окружными ловильными буртами, что увеличивает диаметр шпиндельной секции или уменьшает прочность ловильных буртов и опасного сечения вала шпиндельной секции при расположении противоаварийного устройства между внутренней втулкой нижней радиальной опоры и осевым подшипником: кольцевого пояса "а" между поясом "в" и нижней радиальной опорой скольжения 9.

Это объясняется необходимостью двойного "перекрытия" (требуется минимальное перекрытие 4÷5 мм) ловильных буртов: окружного бурта "в" вала шпиндельной секции и внутреннего бурта 27 фигурной втулки 24, а также "перекрытия" окружного бурта 28 фигурной втулки 24 относительно торца 29 и внутреннего диаметра корпуса нижнего переводника 30.

Ресурс и надежность шпиндельной секции определяются износом осевой опоры вала шпиндельной секции, выполненной в виде упорно-радиального многорядного подшипника, (допускается осевой люфт вала шпиндельной секции, например, до 5,5 мм), а также износом нижней радиальной опоры скольжения, (допускается радиальный люфт вала шпиндельной секции, например, не более 1,55 мм), а при превышении радиального люфта вала шпиндельной секции в нижней радиальной опоре не допускается бурение боковых горизонтальных стволов нефтяных скважин.

Недостатки известной конструкции объясняются также большим значением коэффициента напряжения в радиальных опорах скольжения и в упорно-радиальном многорядном подшипнике вала шпиндельной секции (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению), по существу, равного (5,4÷7,8), а также большой вероятностью возникновения резонансных вибраций и "прихвата" при действии максимальной осевой и радиальных нагрузок (от долота) в изогнутой колонне бурильных труб, при изменении знака осевой нагрузки, действующей на упорно-радиальный многорядный подшипник.

Техническим результатом изобретения является снижение аварийности при использовании гидравлического забойного двигателя в компоновке низа бурильной колонны для роторного бурения боковых горизонтальных стволов нефтяных скважин, увеличение ресурса и надежности двигателя, повышение точности проходки скважин и темпа набора параметров кривизны скважин, а также повышение проходимости, т.е. уменьшение сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны за счет жесткого скрепления вала шпиндельной секции и ловильной втулки нижнего ловильного устройства между собой с помощью общей резьбы с обеспечением натяга по торцам упорного кольца, расположенного между торцами ловильной втулки и внутренней втулки нижней радиальной опоры скольжения, а также за счет того, что направление свинчивания резьбы вала шпиндельной секции и ловильной втулки нижнего ловильного устройства совпадает с направлением вращения бурильной колонны при подъеме из скважины.

Этот технический результат достигается тем, что в гидравлическом забойном двигателе, который в процессе эксплуатации может использоваться в бурильной колонне для роторного бурения, содержащем полый корпус, размещенный внутри него героторный винтовой механизм, включающий соосно расположенный в корпусе статор и установленный внутри статора ротор, вращение которого осуществляется насосной подачей текучей среды, шпиндельную секцию, включающую вал, установленный на осевой опоре, выполненной в виде упорно-радиального многорядного подшипника, а также на верхней и нижней радиальных опорах скольжения, состоящих из наружной и внутренней втулок, размещенных в корпусе шпиндельной секции, и соответственно, на валу шпиндельной секции, вал шпиндельной секции скреплен на входе приводным валом с ротором, а на выходе скреплен с долотом, двигатель снабжен верхним ловильным устройством, состоящим из вала, упора и гайки, и нижним ловильным устройством, выполненным в виде ловильной втулки с наружным ловильным буртом, упорного кольца и нижнего резьбового переводника с внутренним ловильным буртом, верхнее ловильное устройство скреплено с верхней частью ротора героторного винтового механизма, а нижнее ловильное устройство установлено на валу шпиндельной секции между внутренней втулкой нижней радиальной опоры и осевой опорой, выполненной в виде упорно-радиального многорядного подшипника, согласно изобретению вал шпиндельной секции и ловильная втулка нижнего ловильного устройства с наружным ловильным буртом жестко скреплены между собой с помощью общей резьбы с возможностью обеспечения натяга по торцам упорного кольца, расположенного между торцами ловильной втулки и внутренней втулки нижней радиальной опоры скольжения, при этом направление свинчивания резьбы вала шпиндельной секции и ловильной втулки нижнего ловильного устройства совпадает с направлением вращения бурильной колонны при подъеме из скважины.

Диаметр Д внутреннего ловильного пояса в нижнем резьбовом переводнике и наружный диаметр Д₁ ловильного бурта ловильной втулки нижнего ловильного устройства связаны соотношением: Д=Д₁-(0,03÷0,05)Д.

Упорное кольцо нижней радиальной опоры скольжения выполнено с наружным буртом, контактирующим с внутренней втулкой нижней радиальной опоры скольжения, при этом диаметр наружного бурта упорного кольца не превышает наружный диаметр внутренней втулки нижней радиальной опоры скольжения.

Наружная втулка нижней радиальной опоры скольжения и нижний резьбовой переводник выполнены в виде единой конструкции с пластинами из твердого сплава, при этом пластины из твердого сплава установлены во внутренней расточке нижнего резьбового переводника и скреплены между собой пропиткой твердого сплава компонентами связки-припоя.

Расплавленный порошок связки-припоя для крепления пластин из твердого сплава в нижнем резьбовом переводнике содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: Ni 32÷47, Fe 2, Cr 7÷14, Si 2, WC остальное.

Выполнение гидравлического забойного двигателя таким образом, что вал шпиндельной секции и ловильная втулка нижнего ловильного устройства с наружным ловильным буртом жестко скреплены между собой с помощью общей резьбы с возможностью обеспечения натяга по торцам упорного кольца, расположенного между торцами ловильной втулки и внутренней втулки нижней радиальной опоры скольжения, при этом направление свинчивания резьбы вала шпиндельной секции и ловильной втулки нижнего ловильного устройства совпадает с направлением вращения бурильной колонны при подъеме из скважины, обеспечивает снижение аварийности при использовании гидравлического забойного двигателя при подъеме с вращением бурильной колонны с долотом из боковых стволов скважин при разрушении вала шпинделя, повышает ресурс и надежность двигателя, точность проходки скважин и темп набора параметров кривизны скважин, а также обеспечивает повышение проходимости, т.е. уменьшает сопротивления и напряжения при роторном бурении боковых горизонтальных стволов нефтяных скважин при износе подшипников осевой опоры шпиндельной секции, выполненной в виде упорно-радиального многорядного подшипника, для которого допускается осевой люфт вала шпиндельной секции, например, до 5,5 мм.

Такое выполнение шпиндельной секции гидравлического забойного двигателя уменьшает значение коэффициента напряжения в радиальных опорах скольжения и в упорно-радиальном многорядном подшипнике вала шпиндельной секции (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению), по существу, равного (3,1÷4,5), снижает вероятность возникновения резонансных вибраций, "прихвата" при действии максимальной осевой и радиальных нагрузок (от долота) в изогнутой колонне бурильных труб, при изменении знака осевой нагрузки, действующей на упорно-радиальный многорядный подшипник, при роторном бурении боковых горизонтальных стволов нефтяных скважин, а при разрушении вала шпиндельной секции долото и вал шпиндельной секции беспрепятственно поднимаются из скважины с правым вращением колонны бурильных труб.

Выполнение гидравлического забойного двигателя таким образом, что диаметр Д внутреннего ловильного пояса, закрепленного в корпусе шпиндельной секции нижнего резьбового переводника, и наружный диаметр Д₁ ловильного бурта ловильной втулки нижнего ловильного устройства связаны соотношением: Д=Д₁ -(0,03÷0,05)Д, обеспечивает минимальное "перекрытие" ловильного пояса в ловильной втулке над ловильным буртом нижнего резьбового переводника, надежное удержание оборванного вала шпиндельной секции с долотом при заданных наружных диаметрах резьбового соединения корпуса шпиндельной секции и нижнего резьбового переводника, предотвращает срез и смятие ловильного бурта в ловильной втулке.

Выполнение гидравлического забойного двигателя таким образом, что упорное кольцо выполнено с наружным буртом, контактирующим с внутренней втулкой нижней радиальной опоры скольжения, при этом максимальный диаметр наружного бурта упорного кольца не превышает наружный диаметр внутренней втулки нижней радиальной опоры скольжения, упрощает замену и ремонт узлов подшипников осевой и радиальных опор при выработке ресурса, уменьшает максимальные значения поперечных напряжений, возникающих от изгиба вала шпиндельной секции с долотом, и вероятность разрушения вала шпиндельной секции в зоне между осевой и нижней радиальной опорами шпиндельной секции, а также повышает прочность и усталостную выносливость общего резьбового соединения вала шпиндельной секции с ловильной втулкой при прохождении через радиусные участки ствола скважины в условиях трения и вращения в стволе скважины.

Выполнение гидравлического забойного двигателя таким образом, что наружная втулка нижней радиальной опоры скольжения и нижний резьбовой переводник выполнены в виде единой конструкции с пластинами из твердого сплава, при этом пластины из твердого сплава установлены во внутренней расточке нижнего резьбового переводника и скреплены между собой пропиткой твердого сплава компонентами связки-припоя, при этом расплавленный порошок связки-припоя для крепления пластин из твердого сплава в нижнем резьбовом переводнике содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: Ni 32÷47, Fe 2, Cr 7÷14, Si 2, WC остальное, повышает ресурс и надежность двигателя, точность проходки скважин и темп набора параметров кривизны скважин, а также обеспечивает повышение проходимости, т.е. уменьшает сопротивления и напряжения при роторном бурении боковых горизонтальных стволов нефтяных скважин, по существу, при износе нижней радиальной опоры скольжения, для которой допускается радиальный люфт вала шпиндельной секции, например, не более 1,55 мм, а при превышении радиального люфта вала шпиндельной секции в нижней радиальной опоре не допускается бурение боковых горизонтальных стволов нефтяных скважин.

Этот технический результат обеспечивает также использование долота одного диаметра в двух смежных размерах компоновки низа бурильной колонны, хотя увеличение наружного диаметра корпуса в нижней части шпинделя требует перехода на больший диаметр долота.

Ниже представлен героторный винтовой гидравлический двигатель ДРУ1-73РС с укороченной шпиндельной секцией, регулятором угла, долотом, верхним и нижним скважинными ловителями, используемый для роторного бурения боковых горизонтальных стволов нефтяных скважин.

На фиг.1 показан продольный разрез героторного винтового гидравлического двигателя со шпиндельной секцией, регулятором угла, верхним и нижним скважинными ловителями и долотом.

На фиг.2 показан элемент I на фиг.1 нижнего ловильного устройства шпиндельной секции.

Гидравлический забойный двигатель содержит полый корпус 1 с закрепленной внутри него обкладкой из эластомера 2 и размещенным в обкладке 2 корпуса 1 винтовым многозаходным ротором 3, планетарно-роторное вращение ротора 3 осуществляется насосной подачей текучей среды 4, корпус 5 шпиндельной секции 6 с размещенным внутри него валом 7 шпиндельной секции 6, установленным на осевой опоре 8, выполненной в виде упорно-радиального многорядного шарикового подшипника 9, а также на верхней 10 и нижней 11 радиальных опорах скольжения, состоящих из наружной втулки 12 и внутренней втулки 13 верхней радиальной опоры 10 скольжения, и соответственно, из нижнего резьбового переводника 14 и внутренней втулки 15 нижней радиальной опоры 11 скольжения, размещенных соответственно, в корпусе 5 шпиндельной секции 6, в нижнем резьбовом переводнике 14 и на валу 7 шпиндельной секции 6, показано на фиг.1, 2.

Вал 7 шпиндельной секции 6 скреплен на входе 16 приводным (карданным) валом 17 с ротором 3 при помощи резьбового соединения 18 с выходным корпусом 19 карданного вала 17, а при помощи резьбового соединения 20 входной корпус 21 карданного вала 17 скреплен с выходной частью 22 ротора 3, при этом на выходе 23 вал 7 шпиндельной секции 6 скреплен с долотом 24 при помощи резьбового соединения 25, показано на фиг.1, 2.

Двигатель снабжен верхним ловильным устройством 26, состоящим из вала 27, упора 28 и гайки 29 и снабжен нижним, ловильным устройством 30, выполненным в виде ловильной втулки 31 с ловильным буртом 32 и упорного кольца 33, при этом верхнее ловильное устройство 26 жестко скреплено при помощи резьбы 34 с верхней частью 35 ротора 3 героторного винтового механизма, а нижнее ловильное устройство 30 установлено на валу 7 шпиндельной секции 6 между внутренней втулкой 15 нижней радиальной опоры 11 и осевой опорой 8, выполненной в виде упорно-радиального многорядного подшипника 9, показано на фиг.1, 2.

Кроме того, на фиг.1, 2 показано: поз.36 - дополнительное упорное кольцо, расположенное между торцом 37 внутренней втулки 15 нижней радиальной опоры 11 и торцом 38 вала 7 шпиндельной секции 6; поз.39 - пластины из твердого сплава, скрепленные пропиткой твердого сплава компонентами связки-припоя в нижнем резьбовом переводнике 14, при этом наружная втулка нижней радиальной опоры скольжения и нижний резьбовой переводник 14 выполнены в виде единой конструкции с пластинами из твердого сплава; поз.40 - пластины из твердого сплава, скрепленные пропиткой твердого сплава компонентами связки-припоя во внутренней втулке 15 нижней радиальной опоры 11 скольжения.

Твердость пластин 39, 40, например, из твердого сплава карбид вольфрама-кобальт, составляет (89÷92) HRA, толщина пластин составляет (2,5 ±0,5) мм, расплавленный порошок связки-припоя для крепления пластин 39, 40 из твердого сплава содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: Ni 32÷47, Fe 2, Cr 7÷14, Si 2, WC остальное, твердость материала, образованного пропиткой твердого сплава компонентами связки-припоя, составляет (52÷65) HRCэ, показано на фиг.1, 2.

Вал 7 шпиндельной секции 6 и ловильная втулка 31 с ловильным буртом 32 нижнего ловильного устройства 30 жестко скреплены между собой с помощью общей резьбы 41 с возможностью обеспечения натяга 0,13÷0,33 мм по торцам 42, 43 упорного кольца 33, расположенного между торцом 44 ловильной втулки 31 и торцом 45 внутренней втулки 15 нижней радиальной опоры 11 скольжения, при этом направление свинчивания резьбы 41 вала 7 шпиндельной секции 6 и ловильной втулки 31 нижнего ловильного устройства 30 совпадает с направлением вращения бурильной колонны (на фиг.1 не показанной) при подъеме из скважины, показано на фиг.1, 2.

Упорное кольцо 33 выполнено с наружным буртом 46, контактирующим при помощи торца 42 наружного бурта 46 с торцом 45 внутренней втулки 15 нижней радиальной опоры 11 скольжения, при этом максимальный диаметр 47 наружного бурта 46 упорного кольца 33 равен наружному диаметру 48 внутренней втулки 15 нижней радиальной опоры 11 скольжения, показано на фиг.2.

Диаметр 49, Д внутреннего ловильного пояса, закрепленного в корпусе 5 шпиндельной секции 6 нижнего резьбового переводника 14, и наружный диаметр 50, Д₁ ловильного бурта 32 ловильной втулки 31 нижнего ловильного устройства 30 связаны соотношением: Д=Д₁-(0,03÷0,05)Д, показано на фиг.2.

Кроме того, поз.51 - регулятор угла перекоса героторного винтового гидравлического двигателя, содержащий полый кривой вал 52 с наружными шлицами и резьбами на его краях, зубчатую муфту 53 с внутренними продольными шлицевыми пазами и внутренними прямоугольными зубьями на торце, установленную на наружных продольных шлицах полого кривого вала 52, прямой переводник 54 и кривой переводник 55, несоосно расположенные между собой (под углом перекоса до 3°), показано на фиг.1.

Гидравлический забойный двигатель работает следующим образом: поток бурового раствора 4 под давлением по колонне бурильных труб подают насосом буровой установки в многозаходные винтовые (шлюзовые) камеры между зубьями винтового многозаходного ротора 3 и винтовыми зубьями обкладки 2 из эластомера (поперечное сечение зубьев и обкладки не показано), при этом поток бурового раствора 4 образует область высокого давления и момент от гидравлических сил, который приводит в планетарно-роторное вращение ротор 3 внутри эластомерной обкладки 2, закрепленной в корпусе 1.

Винтовые многозаходные камеры между винтовыми зубьями ротора 3 и винтовыми зубьями эластомерной обкладки 2 имеют переменный объем и периодически перемещаются по потоку бурового раствора 4, который имеет плотность до 1500 кг/м³, содержит до 1% песка и до 10% нефтепродуктов.

Планетарно-роторное вращение винтового ротора 3 внутри обкладки 2, закрепленной в корпусе 1, передает крутящий момент (в противоположном направлении) через карданный вал 17, вал 7 шпиндельной секции 6 на долото 24, осуществляя бурение скважины, при этом для предотвращения прихватов одновременно осуществляют вращение бурильной колонны в скважине ротором бурового станка, например, 5000ЭУ вправо, частота вращения бурильной колонны 10÷20 об/мин.

В режиме максимальной мощности частота вращения вала 7 шпиндельной секции 6 и долота 24 составляет 110÷310 об/мин, момент силы на валу 7 шпиндельной секции 6 составляет 65 кгс·м, перепад давления (межвиткового, на зубьях эластомерной обкладки 2) в режиме максимальной мощности составляет 64 кгс/см² , максимально допустимая осевая нагрузка на долото 24 составляет 5000 кгс.

На месторождениях Западной и Восточной Сибири при помощи героторных винтовых гидравлических двигателей ДРУ1-73РС, ДРУ2-172РС, ДРУ2-172РС, ДРУ2-195РС, ДРУ2-195РС и бурового станка 5000ЭУ были пробурены десятки сложных скважин глубиной 3500÷4500 метров, затем вырезаны окна в обсадных колоннах при помощи фрезеров-райберов и пробурены боковые горизонтальные стволы длиной 350÷450 метров через окна в обсадных колоннах для добычи нефти.

Значение коэффициента напряжения при изгибе (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению) при прохождении участков изменения кривизны при роторном бурении бокового горизонтального ствола нефтяной скважины винтовым героторным гидравлическим двигателем, в котором вал 7 шпиндельной секции 6 и ловильная втулка 31 с ловильным буртом 32 нижнего ловильного устройства 30 жестко скреплены между собой с помощью общей резьбы 41 с возможностью обеспечения натяга по торцам 42, 43 упорного кольца 33, расположенного между торцом 44 ловильной втулки 31 и торцом 45 внутренней втулки 15 нижней радиальной опоры 11 скольжения, а направление свинчивания резьбы 41 вала 7 шпиндельной секции 6 и ловильной втулки 31 нижнего ловильного устройства 30 совпадает с направлением вращения бурильной колонны при подъеме из скважины, уменьшается и равно, по существу (2,2÷3,5), при этом повышается жесткость нижней радиальной опоры, максимально приближенной к долоту, упрощается сборка и ремонт шпиндельной секции при выработке ресурса подшипников.

Выполнение шпиндельной секции 6 с размещенным внутри него валом 7, установленным на осевой опоре 8, выполненной в виде упорно-радиального многорядного шарикового подшипника 9, а также на верхней 10 и нижней 11 радиальных опорах скольжения таким образом, что упорное кольцо 33 выполнено с наружным буртом 46, контактирующим при помощи торца 42 наружного бурта 46 с торцом 45 внутренней втулки 15 нижней радиальной опоры 11 скольжения, при этом максимальный диаметр 47 наружного бурта 46 упорного кольца 33 равен наружному диаметру 48 внутренней втулки 15 нижней радиальной опоры 11 скольжения, а диаметр 49, Д внутреннего ловильного пояса, закрепленного в корпусе 5 шпиндельной секции 6 нижнего резьбового переводника 14, и наружный диаметр 50, Д₁ ловильного бурта 32 ловильной втулки 31 нижнего ловильного устройства 30 связаны соотношением: Д=Д₁-(0,03÷0,05)Д, наружная втулка нижней радиальной опоры скольжения и нижний резьбовой переводник 14 выполнены в виде единой конструкции с пластинами 39 из твердого сплава, скрепленными пропиткой твердого сплава компонентами связки-припоя в нижнем резьбовом переводнике 14, а твердость пластин 39 из твердого сплава, например, карбид вольфрама-кобальта, составляет (89÷92) HRA, обеспечивает снижение аварийности при использовании гидравлического забойного двигателя при подъеме с вращением бурильной колонны с долотом из бокового ствола скважины при разрушении вала шпинделя, повышает ресурс и надежность двигателя, точность проходки скважин и темп набора параметров кривизны скважин, а также обеспечивает повышение проходимости, т.е. уменьшает сопротивления и напряжения в компоновке низа бурильной колонны.