RU156925U1 - Амортизатор шпинделя забойного двигателя - Google Patents

Abstract

1. Амортизатор шпинделя забойного двигателя, включающий кожух с осевой и радиальными опорами, полый вал с наружной винтовой поверхностью, корпус с внутренней винтовой поверхностью, переводник, замкнутую камеру, упругодемпфирующий элемент и дроссель, отличающийся тем, что переводник жестко связан с корпусом и снабжен полым штоком, расположенным по оси амортизатора и взаимодействующим с возможностью осевого перемещения с полым валом, замкнутая камера образована полым штоком, корпусом, переводником и полым валом, причем дроссель гидравлически связывает замкнутую камеру с внутренней полостью полого вала, а винтовые поверхности корпуса и полого вала выполнены в виде несамотормозящейся винтовой шлицевой пары корпуса и полого вала.2. Амортизатор шпинделя забойного двигателя по п. 1, отличающийся тем, что упругодемпфирующий элемент выполнен в виде пружин сжатия, размещенных в замкнутой камере.

Description

Полезная модель относится к нефтегазовой промышленности и может быть использована при бурении с забойными двигателями.

Известен шпиндель забойного двигателя, позволяющий демпфировать осевые вибрации, возникающие при работе долота, и тем самым повысить надежность и долговечность работы устройства (патент №2231606, E21B 4/02, оп. 27.06.2004 г.).

Недостатком аналога является то, что устройство не позволяет демпфировать наряду с осевыми и крутильные колебания, возникающие при работе долота.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является амортизатор шпинделя, позволяющий демпфировать осевые и крутильные колебания, включающий корпус и полый вал с винтовыми поверхностями с разными шагами навивки, и размещенный между ними упругодемпфирующий элемент в виде замкнутых эластичных оболочек, заполненных вязкой жидкостью и сообщающихся между собой с помощью дроссельного узла (патент №1721206, E21B 4/02, оп. 23.03.1992, БИ№11).

Данное техническое решение обладает следующими недостатками.

Недостаточная надежность устройства, т.к. осевые нагрузки и крутящий момент воспринимаются демпфирующим элементом в виде резиновой армированной оболочки. Очевидно, что при работе в скважинных условиях условия работы оболочки будут крайне жесткими, что не позволит обеспечить высокую долговечность устройства.

Другим недостатком устройства являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем, что устройство не обеспечивает в явной форме обратную связь между величиной осевой нагрузки на долото и крутящим моментом, что не позволяет организовать автоматическое регулирование осевой нагрузки на долото в зависимости от крутящего момента на нем и тем самым значительно уменьшить осевые и крутильные колебания, возникающие на долоте.

Задачей предлагаемой полезной модели является повышение надежности и расширение функциональных возможностей устройства.

Поставленная задача решается тем, что в амортизаторе шпинделя забойного двигателя, включающем кожух с осевой и радиальными опорами, полый вал с наружной винтовой поверхностью, корпус с внутренней винтовой поверхностью, переводник амортизатора, замкнутую камеру, упругодемпфирующий элемент и дроссель, согласно полезной модели, переводник жестко связан с корпусом и снабжен полым штоком, расположенным по оси амортизатора и взаимодействующим с возможностью осевого перемещения с полым валом, замкнутая камера образована полым штоком, корпусом, переводником и полым валом, причем дроссель гидравлически связывает замкнутую камеру с внутренней полостью полого вала, а винтовые поверхности корпуса и полого вала выполнены в виде несамотормозящейся винтовой шлицевой пары корпуса и полого вала. Упругодемпфирующий элемент устройства выполнен в виде пружин сжатия, размещенных в замкнутой камере.

По вопросу соответствия отличий предлагаемого технического решения критерию «новизна» сообщаем следующее.

Известно техническое решение, раскрытое в патенте №2439282, Евразийский Патент №019323, которое позволяет организовать обратную связь между величиной осевой нагрузки на долото и крутящим моментом и обеспечить автоматическое регулирование осевой нагрузки на долото в зависимости от крутящего момента на нем. Вместе с тем, устройство позволяет осуществить гашение продольных и крутильных колебаний, возникающих в компоновке низа бурильной колонны (КНБК) в процессе бурения скважины.

Однако данное устройство устанавливается над всей КНБК, включающей забойный двигатель. Таким образом, в процессе бурения продольные и крутильные колебания, возникающие на долоте, воздействуют на элементы КНБК, например, на забойный двигатель, расположенные ниже устройства. Очевидно, что при этом динамические нагрузки испытывают и опорные узлы забойного двигателя, и его рабочие органы, в частности, для винтового забойного двигателя - его статор и ротор.

Известно, что для эффективного гашения крутильных и продольных колебаний подрессоренная масса должна быть минимальной, т.е. устройство должно располагаться как можно ближе к источнику осевых и крутильных колебаний (к долоту). Имеющийся промысловый опыт установки данного устройства над долотом и под забойным двигателем показал, что при этом в результате удлинения расстояния от долота до нижней опоры шпинделя двигателя и увеличения массы вращающихся деталей, размещенных ниже опоры шпинделя двигателя, динамические нагрузки на радиальные опорные узлы шпинделя существенно возрастают, что приводит к трудностям удержания направления бурения вследствие износа радиальных опор (Ишбаев Г.Г., Вагапов С.Ю. Современные элементы КНБК от компании «БУРИНТЕХ», «Бурение и нефть», №6, 2012 г.; Ишмуратов И.Р., Гиниятов Д.С. Корректор подачи - демпфер производства ООО НПП «БУРИНТЕХ» «Бурение и нефть», №12, 2014.).

Размещение корпуса, полого вала, корпуса с замкнутой камерой, дросселя и демпфирующих элементов во внутренней полости кожуха между радиальными опорами и осевой опорой, и в то же время в непосредственной близости от долота, позволит не только организовать обратную связь между величиной осевой нагрузки на долото и крутящим моментом и осуществить гашение продольных и крутильных колебаний, но и существенно снизить влияние динамических нагрузок на опорные узлы шпинделя в процессе бурения.

Вместе с тем, выполнение винтовых поверхностей корпуса и полого вала в виде несамотормозящейся винтовой шлицевой пары и организация обратной связи между осевой нагрузкой на долото и крутящим моментом позволит также существенно снизить пиковые значения крутящего момента, действующего на рабочие органы забойного двигателя, в частности, на винтовую пару винтового забойного двигателя, что обеспечит работу винтовой пары в более щадящем режиме и тем самым позволит увеличить ее ресурс. Вместе с тем, подобная конструктивная особенность амортизатора позволяет не только демпфировать осевые и крутильные колебания, но и активно влиять на сам источник колебаний - на долото, снижая его виброактивность и улучшая условия его работы.

Таким образом, совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения позволяет получить новые свойства шпинделя, повышающие его надежность и расширяющие его функциональные возможности. Следовательно, заявленное техническое средство соответствует критерию «новизна».

На фиг. 1 изображен амортизатор шпинделя забойного двигателя, продольный разрез, расположение элементов соответствует установившемуся режиму бурения; на фиг. 2 - узел дросселя в масштабе 4:1 фиг. 1.

Устройство содержит кожух 1 с осевой 2, верхней 3 и нижней 4 радиальными опорами. Внутри кожуха 1 расположены по оси устройства переводник 5 и корпус 6 с внутренней винтовой поверхностью, жестко связанные между собой. В нижней части кожуха 1 расположен полый вал 7 с наружной винтовой поверхностью, взаимодействующий с корпусом 6 посредством несамотормозящейся винтовой шлицевой пары 8. Угол подъема винтовой линии выполнен таким, чтобы обеспечить несамотормозящую подвижность, т.е. реверсивность, в результате чего полый вал 7 имеет возможность перемещаться относительно корпуса 6 под действием как крутящего момента, так и осевой силы. Переводник 5 снабжен полым штоком 9, который взаимодействует с возможностью осевого перемещения относительно полого вала 7. Переводник 5, корпус 6, полый вал 7 и полый шток 9 образуют замкнутую камеру, гидравлически связанную с внутренней полостью полого вала 7 посредством дросселя 10. В замкнутой камере размещены пружины сжатия 11. В верхней части полого вала 7 установлено уплотнительное кольцо 12.

Устройство работает следующим образом.

Устройство устанавливается над долотом. В процессе бурения крутящий момент от рабочего органа забойного двигателя, в частности, от ротора винтового забойного двигателя передается через переводник 5, корпус 6 и через несамотормозящуюся винтовую шлицевую пару 8 к полому валу 7 и далее к долоту. Осевые нагрузки, действующие на данные элементы устройства, воспринимаются при этом осевой опорой 2, радиальные нагрузки воспринимаются радиальными опорами 3 и 4. Рабочая жидкость в процессе бурения поступает к долоту по промывочному каналу, расположенному по оси устройства, часть рабочей жидкости при этом поступает к трущимся элементам осевой опоры 2 и радиальных опор 3 и 4, обеспечивая их смазку и охлаждение, проходя при этом через кольцевой зазор между вращающимся корпусом 6 и неподвижным кожухом 1.

В случае, когда в процессе бурения происходит резкое, скачкообразное изменение момента, действующего на долото, под действием данного ударного момента полый вал 7 резко ввинчивается в корпус 6, сжимая пружины 11. При этом происходит резкое скачкообразное изменение объема замкнутой камеры, что вызывает резкий переток рабочей демпфирующей жидкости (буровой раствор) по концентрическому каналу между полым штоком 9 и полым валом 7 (фиг. 2) дросселя 10 во внутреннюю полость устройства. Вследствие трения жидкости в дросселе 10 происходит поглощение и рассеивание энергии крутильного удара. Таким образом, при резком увеличении крутящего момента, действующего на долото, происходит автоматическое уменьшение осевой сжимающей нагрузки, приложенной к долоту, что приводит к прерыванию процесса дальнейшего роста момента. Подобная обратная связь между нагрузкой на долото и крутящим моментом позволяет организовать автоматическое регулирование осевой нагрузки на долото в зависимости от крутящего момента на нем, а следовательно, устройство позволяет не только гасить крутильные и осевые колебания, генерируемые долотом, но так же и активно влиять на источник колебаний - долото, уменьшая его виброактивность.

Ввиду того, что угол подъема винтовой линии обеспечивает подвижность несамотормозящейся винтовой шлицевой пары 8, полый вал 7 после уменьшения крутящего момента на долото начинает плавно выдвигаться из корпуса 6 и кожуха 1 устройства под действием выталкивающей силы, создаваемой пружинами сжатия 11, тем самым предотвращая удар долота об забой. Плавное выдвижение полого вала 7 обеспечивается дросселированием демпфирующей рабочей жидкости при ее перетоке через концентрический канал дросселя 10 в обратном направлении.

Совершенно аналогичная картина будет наблюдаться и при воздействии на долото чисто осевых ударов, т.к. выполнение соединения полого вала 7 и корпуса 6 в виде несамотормозящейся винтовой шлицевой пары 8 допускает перемещение полого вала 7 по оси устройства и под действием лишь только осевой силы.

Таким образом, за счет подбора оптимальных соотношений параметров несамотормозящейся винтовой шлицевой пары и дросселя для конкретных скважинных условий становится возможным обеспечить гашение продольных и крутильных колебаний, возникающих на долоте в процессе разрушения горной породы. Соответственно, снижение пиковых значений моментов и осевых ударов, действующих на забойный двигатель, позволит увеличить надежность работы опорных узлов его шпинделя и избежать его работы в тормозном режиме, что позволит увеличить ресурс рабочей пары двигателя. Вместе с тем, гашение продольных и крутильных колебаний, действующих на долото, позволит также существенно увеличить ресурс породоразрушающего инструмента, а размещение устройства внутри кожуха между радиальными опорными узлами позволит так же существенно снизить динамические нагрузки, действующие на радиальные опоры.

Claims (2)

1. Амортизатор шпинделя забойного двигателя, включающий кожух с осевой и радиальными опорами, полый вал с наружной винтовой поверхностью, корпус с внутренней винтовой поверхностью, переводник, замкнутую камеру, упругодемпфирующий элемент и дроссель, отличающийся тем, что переводник жестко связан с корпусом и снабжен полым штоком, расположенным по оси амортизатора и взаимодействующим с возможностью осевого перемещения с полым валом, замкнутая камера образована полым штоком, корпусом, переводником и полым валом, причем дроссель гидравлически связывает замкнутую камеру с внутренней полостью полого вала, а винтовые поверхности корпуса и полого вала выполнены в виде несамотормозящейся винтовой шлицевой пары корпуса и полого вала.

2. Амортизатор шпинделя забойного двигателя по п. 1, отличающийся тем, что упругодемпфирующий элемент выполнен в виде пружин сжатия, размещенных в замкнутой камере.

Images