RU2340757C1

RU2340757C1 - Hydraulic downhole motor with diamond plain bearing

Info

Publication number: RU2340757C1
Application number: RU2007110458/03A
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Андоскин (RU); Владимир Николаевич Андоскин; Сергей Петрович Астафьев (RU); Сергей Петрович Астафьев; Константин Анатольевич Кобелев (RU); Константин Анатольевич Кобелев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Фирма "Радиус-Сервис"
Priority date: 2007-03-21
Filing date: 2007-03-21
Publication date: 2008-12-10
Also published as: RU2007110458A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention relates to drives of rotation arranged in the holes and can be used in hydraulic multi-lobe Starrotor screw engines and turbo-drills. The downhole diamond plain bearing engine incorporates a housing accommodating a rotor driven from fluid medium pumped there through and a spindle casing with the shaft fitted therein in radial and axial plain bearings, the spindle shaft being coupled, via drive shaft, with the engine and the bit, a portion of fluid medium being pumped through the aforesaid radial and axial plain bearings. The spindle axial bearing represents two pairs of the rotor and stator rings furnished with a circular row of thrust modules each comprising a layer of polycrystalline diamonds of the module end face arranged opposite the end faces of adjacent modules and getting in contact with one or two end faces in turn, the stator rings being fastened to the spindle casing and the rotor rings being coupled with the spindle shaft. Every pair of the rotor and stator rings features the number of thrust modules of rotor ring smaller than that of the stator rings by unity, while the fluid medium clear area between every two thrust nodules of the rotor ring in contact with every thrust module of the stator ring makes 1.154÷1.618 of the fluid medium clear area between every two thrust modules of the stator ring in contact with every thrust module of the rotor ring. Note here that height H of every thrust module with height Z of the rotor and stator rings are related by the following ratio, i.e. H = (0.255÷0.355)Z.

EFFECT: longer life and higher reliability of spindle axial plain bearing, higher accuracy of borehole curvature parameters and improved performances of drilling.

4 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам приводов вращения, размещаемых в скважине, и может быть использовано в гидравлических многозаходных 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.The invention relates to rotary drive devices located in a well, and can be used in multi-start hydraulic rotor screw motors and turbodrills for rotating a rotor from a pump feed of a fluid abrasive medium, in particular, with a diamond axial sliding support for a spindle equipped with a bit for drilling directionally and horizontal oil and gas wells.

Известна конструкция вставок (зубков) с поликристаллическими алмазами для долота, при этом слой алмазов PDC (Polycrystalline Diamond Compakt) во вставках долота имеет толщину Z и расположен на определенном расстоянии Е относительно лобовой поверхности корпусных зубчатых лопастей долота, а также на определенном расстоянии Х относительно поверхности корпусной лопасти долота, воспринимающей давление породы на боковую поверхность вставки, при этом параметры связаны соотношением Z/(X-E)≥0,40 (US 7159487 В2, Jan. 9, 2007).A known design of inserts (teeth) with polycrystalline diamonds for a bit, while the layer of PDC (Polycrystalline Diamond Compakt) diamonds in the bit inserts has a thickness Z and is located at a certain distance E relative to the frontal surface of the cogged tooth blades of the bit, and also at a certain distance X relative to the surface body blade of the bit, perceiving rock pressure on the side surface of the insert, the parameters are related by the ratio Z / (XE) ≥0.40 (US 7159487 B2, Jan. 9, 2007).

Недостатком известной конструкции является неполная возможность использования вставок с поликристаллическими алмазами в прокачиваемых буровым раствором осевых опорах скольжения шпинделей гидравлических забойных двигателей для обеспечения ресурса, по меньше мере, равного ресурсу долота с этими алмазами, что объясняется возможностью скопления абразивных частиц в осевой опоре скольжения, попадания абразивных частиц в поверхности трения между торцами во вставках, разрушения поликристаллических алмазов на поверхностях трения, возникновения вибраций, "прихвата" и разрушения осевой опоры скольжения от воздействия абразивных частиц, 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.A disadvantage of the known design is the incomplete possibility of using inserts with polycrystalline diamonds in the axial sliding bearings of the spindles of hydraulic downhole motors pumped by the drilling fluid to provide a resource that is at least equal to the resource of the bit with these diamonds, which is explained by the possibility of accumulation of abrasive particles in the axial sliding support and the ingress of abrasive particles in the friction surface between the ends in the inserts, the destruction of polycrystalline diamonds on the friction surfaces, arose vibration, “sticking” and destruction of the axial sliding support due to the influence of abrasive particles, for example, up to 2% of sand with dimensions of 0.15 ÷ 0.95 mm and up to 5% of oil products contained in polymer-clay drilling mud with a density of 1.16 ÷ 1 , 26 g / cm ³ .

Известен модуль забойного двигателя 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, Nov. 4, 1986).A well-known downhole motor module with a diamond thrust sliding bearing, comprising a spindle housing, a shaft located inside it, mounted on a radial and axial sliding support, a bit mounted on the shaft, while a part of the fluid is pumped through the radial and axial sliding bearings, and the axial bearing is made in in the form of two pairs of rotor and stator rings with a row of thrust modules fixed in each of them, in each pair of rotor and stator rings the stator ring is fixed in the spindle housing, the rotor ring is fastened of the spindle shaft and each module comprises a resistant layer of polycrystalline diamond on the end face facing the adjacent ends of the thrust module and alternately into contact with one or two faces of the aforementioned thrust modules (US 4,620,601, Nov. 4, 1986).

Недостатком известной конструкции с упорными модулями, содержащими слои поликристаллических алмазов, является неполная возможность повышения ресурса и надежности в прокачиваемой буровым раствором осевой опоре скольжения шпинделя гидравлического забойного двигателя, 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 скопления абразивных частиц в осевой опоре скольжения, возникновения вибраций, "прихвата" осевой опоры скольжения и разрушения колец 116с, 117с при попадании 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, на поверхности колец 116с, 117с.A disadvantage of the known design with thrust modules containing layers of polycrystalline diamonds is the incomplete possibility of increasing the resource and reliability in the axial sliding support of the spindle of the hydraulic downhole motor pumped by the drilling fluid, which is explained by the insufficient strength of the support rings and pins (pos. 116, 117, 118, 119, 116c, 117c), which are destroyed at the maximum axial load from the bit directed from the bottom to the wellhead, when the sign of the axial load acting on the axial sliding bearings changes, due to the accumulation of abrasive particles in the axial sliding support, the occurrence of vibrations, the “sticking” of the axial sliding bearing and destruction of the rings 116s, 117s when abrasive particles get in: up to 2% sand with dimensions of 0.15 ÷ 0.95 mm and up to 5% of oil products, for example , in a polymer-clay drilling mud with a density of 1.16 ÷ 1.26 g / cm ³ , on the surface of the rings 116s, 117s.

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 соединен приводным валом с ротором двигателя и скреплен с 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, Dec. 24, 1985 - прототип).Closest to the claimed design is a downhole motor with a diamond sliding bearing, comprising a motor housing with a rotor located inside it, the rotation of which is carried out by pumping fluid, and a spindle housing with a shaft located inside it mounted on a radial and axial sliding bearing, shaft the spindle is connected by a drive shaft to the rotor of the engine and fastened to the bit, while part of the fluid is pumped through radial and axial sliding bearings, and the axial bearing The index is made in the form of two pairs of rotor and stator rings with an annular row of thrust modules fixed in each of them, stator rings are fastened to the spindle body, rotor rings are fastened to the spindle shaft, and each thrust module contains a layer of polycrystalline diamonds at the end facing the ends of adjacent modules, and alternately in contact with one or two ends of adjacent modules (US 4560014, Dec. 24, 1985 - prototype).

Недостатком известной конструкции с использованием упорных модулей со слоями поликристаллических алмазов является неполная возможность повышения ресурса и надежности в прокачиваемой буровым раствором осевой опоре скольжения шпинделя гидравлического забойного двигателя, что объясняется недостаточной прочностью опорных колец (поз.64, 68, 28, 38), которые разрушаются при максимальных осевых нагрузках от долота, направленных от забоя к устью скважины, а также вследствие скопления абразивных частиц в осевой опоре скольжения, "прихвата" и разрушения поликристаллических алмазных кристаллов в осевой опоре скольжения, подпружиненной пакетом тарельчатых пружин 76 колец (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.A disadvantage of the known design using thrust modules with layers of polycrystalline diamonds is the incomplete possibility of increasing the resource and reliability in the axial sliding support of the spindle of the hydraulic downhole motor pumped by the drilling fluid, which is explained by the insufficient strength of the support rings (pos. 64, 68, 28, 38), which are destroyed at maximum axial loads from the bit directed from the bottom to the wellhead, as well as due to the accumulation of abrasive particles in the axial sliding support, “sticking” and fracturing polycrystalline diamond crystals in the axial sliding support, spring-loaded with a disk-shaped spring package of 76 rings (keys 64, 68, 28, 38, 29, 33) when abrasive particles enter: up to 2% sand with dimensions of 0.15 ÷ 0.95 mm and up to 5% of petroleum products contained, for example, in polymer-clay drilling mud with a density of 1.16 ÷ 1.26 g / cm ³ on the surface 79, 83, 84 of polycrystalline diamonds in inserts 77, 78, essentially, when the sign of action changes axial load on the bit while drilling the well.

Недостаток известной конструкции объясняется также 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 наклонной скважины преимущественно в режиме максимальной мощности.The disadvantage of the known construction is also explained by the large value of the stress coefficient of the axial sliding support in the spindle housing (Stress ratio, the ratio of the changing voltage amplitude to the average voltage), essentially equal to 9 ÷ 11, as well as the high probability of vibrations, "sticking" and destruction of polycrystalline diamond crystals in the axial sliding support when using the engine in horizontal controlled layout of the bottom of the drill string, in areas where the curvature of an inclined well changes, at maximum power.

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 при бурении наклонно направленных и горизонтальных скважин.This does not allow to compensate for the positive and negative outbursts of dynamic fluctuations in the axial load on the bit and to maintain the optimal axial load on the bit by maintaining the current values of the axial load without losing stability of the directionally curved drill pipe string and providing the borehole curvature parameters when drilling directional and horizontal wells.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении ресурса и надежности в прокачиваемой буровым раствором осевой опоре скольжения шпинделя гидравлического забойного двигателя с упорными модулями, содержащими слои поликристаллических алмазов, за счет предотвращения скопления абразивных частиц в осевой опоре скольжения, синхронизации движения абразивных частиц и предотвращения попадания их между торцами алмазных слоев упорных модулей, снижения износа и люфтов вала шпинделя с долотом в осевой опоре скольжения шпинделя, предотвращения "прихвата" и разрушения поликристаллических алмазных кристаллов в осевой опоре скольжения, а также в обеспечении параметров кривизны ствола скважины, повышении технико-экономических показателей бурения: увеличения проходки скважины на рейс долота, уменьшения времени простоя буровой установки.The technical problem to which the claimed invention is directed is to increase the resource and reliability of the axial sliding support of the spindle of the hydraulic downhole motor with thrust modules containing layers of polycrystalline diamonds pumped by the drilling fluid by preventing the accumulation of abrasive particles in the axial sliding support, synchronizing the movement of abrasive particles and preventing them from getting between the ends of the diamond layers of the thrust modules, reducing wear and backlash of the spindle shaft with a bit in Seva support spindle sliding prevent "sticking" and fracture the polycrystalline diamond crystals in an axial sliding bearing as well as to provide the curvature of the borehole parameters, enhancing feasibility of drilling parameters: increase of penetration wells flight bit, reduce downtime rig.

Другая техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в уменьшении амплитуды резонансных колебаний вала шпинделя за счет демпфирования резонансных колебаний ротора двигателя, приводного вала и вала шпинделя, предотвращении "прихвата" и контактного разрушения поликристаллических алмазных слоев упорных модулей.Another technical problem to be solved by the claimed invention is directed, is to reduce the amplitude of the resonant vibrations of the spindle shaft by damping the resonant vibrations of the motor rotor, the drive shaft and the spindle shaft, preventing “sticking” and contact destruction of polycrystalline diamond layers of the thrust modules.

Сущность технического решения заключается в том, что в гидравлическом забойном двигателе с алмазной опорой скольжения, содержащем 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 соединен приводным валом с ротором двигателя и скреплен с 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, согласно изобретению в каждой паре роторных и статорных колец число упорных модулей роторного кольца на единицу меньше числа упорных модулей статорного кольца, а 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, при этом высота Н каждого упорного модуля с высотой Z роторного и статорного колец связана соотношением Н=(0,255÷0,355)Z.The essence of the technical solution lies in the fact that in a hydraulic downhole motor with a diamond sliding support, comprising a motor housing with a rotor located inside it, the rotation of which is carried out by pumping fluid supply, as well as a spindle housing with a shaft placed inside it mounted on radial and axial bearings sliding, the spindle shaft is connected by the drive shaft to the rotor of the engine and fastened to the bit, while part of the fluid is pumped through the radial and axial bearings of the slide, and the axial support and the spindle is made in the form of two pairs of rotor and stator rings with an annular row of thrust modules fixed in each of them, stator rings are fastened to the spindle body, rotor rings are fastened to the spindle shaft, and each thrust module contains a layer of polycrystalline diamonds at the end facing the ends adjacent modules, and alternately contacts one or two ends of adjacent modules, according to the invention, in each pair of rotor and stator rings, the number of thrust modules of the rotor ring is one less than the number of thrust modules the stator ring, and the cross-sectional area for the fluid between each two thrust ring rotor modules in contact with each thrust ring stator module is 1.154 ÷ 1.618 of the cross-sectional area for the fluid between each two thrust ring stator modules in contact with each thrust ring module rings, while the height H of each thrust module with the height Z of the rotor and stator rings is related by the ratio H = (0.255 ÷ 0.355) Z.

Толщина Т слоя поликристаллических алмазов на торце каждого упорного модуля с высотой Н каждого упорного модуля связана соотношением Т=(0,255÷0,355)Н.The thickness T of the layer of polycrystalline diamonds at the end of each thrust module with a height H of each thrust module is related by the relation T = (0.255 ÷ 0.355) N.

Максимальный осевой люфт вала шпинделя равен минимальной толщине слоя поликристаллических алмазов на торце упорных модулей.The maximum axial play of the spindle shaft is equal to the minimum thickness of the layer of polycrystalline diamonds at the end of the thrust modules.

Суммарная площадь проходных сечений для текучей среды между кольцевым рядом упорных модулей роторного кольца при контакте с кольцевым рядом упорных модулей статорного кольца, равна в пределах ±5% площади проходного сечения для текучей среды в радиальной опоре скольжения, расположенной выше по потоку.The total area of the flow cross sections for the fluid between the annular row of the thrust modules of the rotor ring in contact with the ring row of the thrust modules of the stator ring is equal to ± 5% of the flow cross section area for the fluid in the radial sliding support located upstream.

Выполнение гидравлического забойного двигателя с алмазной опорой скольжения, содержащего 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 соединен приводным валом с ротором двигателя и скреплен с 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 таким образом, что в каждой паре роторных и статорных колец число упорных модулей роторного кольца на единицу меньше числа упорных модулей статорного кольца, а 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, при этом высота Н каждого упорного модуля с высотой Z роторного и статорного колец связана соотношением Н=(0,255÷0,355)Z, повышает ресурс и надежность в прокачиваемой буровым раствором осевой опоре скольжения шпинделя гидравлического забойного двигателя с упорными модулями, содержащими слои поликристаллических алмазов, за счет предотвращения скопления абразивных частиц в осевой опоре скольжения, синхронизации движения абразивных частиц и предотвращения попадания их между торцами алмазных слоев упорных модулей, снижения износа и люфтов вала шпинделя с долотом в осевой опоре скольжения, предотвращения "прихвата" и разрушения поликристаллических алмазных кристаллов в осевой опоре скольжения.The implementation of a hydraulic downhole motor with a diamond sliding bearing, comprising a motor housing with a rotor located inside it, the rotation of which is carried out by pumping fluid, and a spindle housing with a shaft located inside it mounted on a radial and axial sliding bearing, the spindle shaft is connected to the drive shaft with the rotor of the engine and fastened with a bit, while part of the fluid is pumped through the radial and axial bearings of the slide, and the axial support of the spindle is made in the form of two pairs of roto and stator rings with an annular row of thrust modules fixed in each of them, stator rings are fastened to the spindle housing, rotor rings are fastened to the spindle shaft, and each thrust module contains a layer of polycrystalline diamonds at the end facing the ends of adjacent modules and alternately contacts one or two ends of adjacent modules in such a way that in each pair of rotor and stator rings the number of thrust modules of the rotor ring is one less than the number of thrust modules of the stator ring and the passage area is the fluid between each of the two stop modules of the rotor ring in contact with each stop module of the stator ring is 1.154 ÷ 1.618 of the flow area between each two stop modules of the stator ring in contact with each stop module of the rotor ring, the height H each thrust module with a height Z of the rotor and stator rings is connected by the ratio H = (0.255 ÷ 0.355) Z, increases the service life and reliability in the axial support of hydraulic spindle sliding pumped by the drilling fluid a downhole motor with thrust modules containing layers of polycrystalline diamonds by preventing the accumulation of abrasive particles in the axial sliding support, synchronizing the movement of abrasive particles and preventing them from getting between the ends of the diamond layers of the thrust modules, reducing wear and backlash of the spindle shaft with a bit in the axial sliding bearing, prevent "sticking" and destruction of polycrystalline diamond crystals in the axial sliding support.

Такое выполнение героторного винтового двигателя с алмазной опорой скольжения шпинделя повышает также точность параметров кривизны ствола скважины и технико-экономические показатели бурения: увеличивает проходку скважины на рейс долота, уменьшает время простоя буровой установки.This embodiment of a gerotor screw engine with a diamond spindle sliding support also increases the accuracy of the parameters of the curvature of the wellbore and the technical and economic performance of drilling: increases the penetration of the well on the bit flight, reduces the downtime of the drilling rig.

Выполнение гидравлического забойного двигателя с алмазной опорой скольжения шпинделя таким образом, что толщина Т слоя поликристаллических алмазов на торце каждого упорного модуля с высотой Н каждого упорного модуля связана соотношением Т=(0,255÷0,355)Н, при этом максимальный осевой люфт вала шпинделя равен минимальной толщине слоя поликристаллических алмазов на торце упорных модулей, повышает прочность упорных модулей, предотвращает скопление абразивных частиц в осевой опоре скольжения, уменьшает уровень вибраций и амплитуду резонансных колебаний шпинделя за счет демпфирования буровым раствором резонансных колебаний ротора двигателя, приводного вала и вала шпинделя, предотвращает попадание абразивных частиц между поочередно контактирующими торцами упорных модулей, "прихват" осевой опоры скольжения, а также повышает ресурс шпиндельной опоры, по меньшей мере, до ресурса долота с зубками из поликристаллических алмазов.The performance of a hydraulic downhole motor with a diamond spindle sliding support in such a way that the thickness T of the polycrystalline diamond layer at the end of each thrust module with a height H of each thrust module is related by the ratio T = (0.255 ÷ 0.355) N, while the maximum axial play of the spindle shaft is equal to the minimum thickness layer of polycrystalline diamonds at the end face of the thrust modules, increases the strength of the thrust modules, prevents the accumulation of abrasive particles in the axial sliding support, reduces the level of vibration and the amplitude of the resonance x oscillations of the spindle due to the damping of the resonant vibrations of the motor rotor, drive shaft and spindle shaft by the drilling fluid, prevents the abrasive particles from getting between the alternately contacting ends of the thrust modules, "grabbing" the axial sliding bearing, and also increases the resource of the spindle bearing, at least up to the resource chisels with teeth made of polycrystalline diamonds.

Выполнение гидравлического забойного двигателя с алмазной опорой скольжения шпинделя таким образом, что суммарная площадь проходных сечений для текучей среды между кольцевым рядом упорных модулей роторного кольца при контакте с кольцевым рядом упорных модулей статорного кольца равна в пределах ±5% площади проходного сечения для текучей среды в радиальной опоре скольжения, расположенной выше по потоку, обеспечивает динамический напор для твердой фазы (абразивных частиц) буровой жидкости между каждой парой упорных модулей роторного кольца при контакте с каждым из упорных модулей статорного кольца, предотвращает скопление абразивных частиц в осевой опоре скольжения, а также обеспечивает контактную прочность, смазку и охлаждение упорных модулей, уменьшает уровень вибраций и амплитуды резонансных колебаний вала шпинделя за счет демпфирования резонансных поперечных колебаний вращающегося приводного вала, что также повышает ресурс шпиндельной опоры, по меньшей мере, до ресурса долота с зубками из поликристаллических алмазов.The execution of a hydraulic downhole motor with a diamond spindle sliding support in such a way that the total area of the flow cross sections for the fluid between the annular row of the thrust modules of the rotor ring when in contact with the ring row of the thrust modules of the stator ring is equal to ± 5% of the flow cross section for the fluid in the radial the sliding support located upstream provides a dynamic head for the solid phase (abrasive particles) of the drilling fluid between each pair of thrust modules of the rotary contact with each of the thrust modules of the stator ring, prevents the accumulation of abrasive particles in the axial sliding support, and also provides contact strength, lubrication and cooling of the thrust modules, reduces the level of vibration and the amplitude of the resonant vibrations of the spindle shaft by damping the resonant transverse vibrations of the rotating drive shaft , which also increases the resource of the spindle bearings, at least to the resource of the bit with teeth made of polycrystalline diamonds.

Ниже представлен гидравлический героторный винтовой двигатель ДРУ4-172РС с регулятором угла и алмазной осевой опорой скольжения шпинделя.Below is a hydraulic gerotor screw motor DRU4-172RS with an angle adjuster and a diamond axial spindle sliding support.

На фиг.1 изображен героторный винтовой двигатель со шпинделем и долотным переводником, долото условно не показано.Figure 1 shows a gerotor screw motor with a spindle and a chisel sub, the bit is not conventionally shown.

На фиг.2 изображен элемент I на фиг.1 шпинделя с валом, установленным на радиальных (твердосплавных) и алмазной осевой опоре скольжения.Figure 2 shows the element I in figure 1 of the spindle with a shaft mounted on a radial (carbide) and diamond axial sliding bearing.

На фиг.3 изображен разрез А-А на фиг.1 поперек героторного винтового двигателя.Figure 3 shows a section aa in figure 1 across the gerotor screw engine.

На фиг.4 изображено первое по потоку текучей среды роторное кольцо с рядом упорных модулей с алмазными торцами.Figure 4 shows the first fluid flow rotor ring with a series of thrust modules with diamond ends.

На фиг.5 изображен разрез Б-Б на фиг.4 поперек первого по потоку текучей среды роторного кольца с рядом упорных модулей с алмазными торцами.Figure 5 shows a section bB in figure 4 across the first fluid stream of the rotor ring with a number of thrust modules with diamond ends.

На фиг.6 изображено первое по потоку текучей среды статорное кольцо с рядом упорных модулей с алмазными торцами.Figure 6 shows the first stator ring with a number of thrust modules with diamond ends in the fluid flow.

На фиг.7 изображен разрез В-В на фиг.6 поперек первого по потоку текучей среды статорного кольца с рядом упорных модулей с алмазными торцами.Fig. 7 shows a section BB in Fig. 6 across the first stator ring downstream of the fluid with a series of thrust modules with diamond ends.

На фиг.8 изображен элемент II на фиг.5 упорного модуля с алмазными торцами в первом по потоку текучей среды роторном кольце.On Fig shows element II in figure 5 of the thrust module with diamond ends in the first fluid flow rotor ring.

На фиг.9 изображен элемент III на фиг.6 упорного модуля с алмазными торцами в первом по потоку текучей среды статорном кольце.Fig. 9 shows element III in Fig. 6 of a thrust module with diamond ends in the first stator ring of the fluid flow.

Гидравлический забойный двигатель с открытой осевой алмазной опорой скольжения в шпинделе, например героторный винтовой двигатель, содержит корпус двигателя 1 с размещенным внутри него ротором 2, вращение которого осуществляется насосной подачей текучей абразивной среды (бурового раствора) 3, а также корпус шпинделя 4 с размещенным внутри него валом 5, установленным на радиальных 6, 7 и осевой 8 опорах скольжения, при этом вал шпинделя 5 соединен приводным валом 9 с ротором 2 двигателя и скреплен резьбой с долотным переводником 10 и долотом (не показано), а часть 11 текучей абразивной среды 3 прокачивается через радиальные 6, 7 и осевую 8 опоры скольжения, показано на фиг.1, 2.A downhole hydraulic motor with an open axial diamond sliding support in the spindle, for example a rotor screw motor, comprises a motor housing 1 with a rotor 2 located inside it, the rotation of which is carried out by pumping a fluid abrasive medium (drilling fluid) 3, and also a spindle housing 4 with an inside it with a shaft 5 mounted on radial 6, 7 and axial 8 sliding bearings, while the spindle shaft 5 is connected by a drive shaft 9 to the rotor 2 of the engine and fastened by a thread with a bit sub 10 and a bit (not rendered), and part 11 fluid abrasive medium 3 is pumped through the groove 6, 7, 8 and an axial sliding bearing, shown in Figures 1, 2.

В буровом растворе 3, радиальных опорах 6, 7 и открытой осевой алмазной опоре скольжения 8 в корпусе шпинделя 4 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.Drilling fluid 3, radial bearings 6, 7 and an open axial diamond sliding support 8 in the spindle housing 4 contain abrasive particles that have passed through the drill string filters: up to 2% sand with dimensions of 0.15 ÷ 0.95 mm and up to 5% of oil products , for example, in polymer-clay drilling mud with a density of 1.16 ÷ 1.26 g / cm ³ .

Корпус двигателя 1 скреплен переводником 12 для соединения с колонной бурильных труб, показано на фиг.1.The motor housing 1 is fastened by a sub 12 for connection with a drill pipe string, shown in FIG.

Осевая опора 8 для вала 5 шпинделя в корпусе 4 выполнена в виде двух пар роторных и статорных колец: роторных колец 13, 14 и статорных колец 15, 16 с закрепленным в каждом из роторных колец 13, 14 кольцевым рядом упорных модулей 17, при этом статорные кольца 15, 16 скреплены с корпусом 4 шпинделя, роторные кольца 13, 14 скреплены с валом 5 шпинделя, а каждый упорный модуль 17 содержит слой поликристаллических алмазов 18 на торце 19, обращенном к торцам 20 аналогичных смежных модулей, которые обозначены поз.21, и поочередно контактирует с одним или двумя торцами 20 двух смежных модулей 21, показано на фиг.2, 4, 5, 6, 7, 8, 9.The axial support 8 for the spindle shaft 5 in the housing 4 is made in the form of two pairs of rotor and stator rings: rotor rings 13, 14 and stator rings 15, 16 with an annular row of thrust modules 17 fixed in each of the rotor rings 13, 14, while the stator the rings 15, 16 are fastened to the spindle body 4, the rotor rings 13, 14 are fastened to the spindle shaft 5, and each thrust module 17 contains a layer of polycrystalline diamonds 18 at the end 19 facing the ends 20 of similar adjacent modules, which are indicated by pos. 21, and alternately in contact with one or two ends of 20 doors adjacent modules 21, shown in figure 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9.

Радиальные опоры 6, 7 выполнены в виде пар роторных и статорных колец: роторных колец 22, 23 и статорных колец 24, 25, армированных твердым сплавом, например, ТТ7К15, при этом статорные кольца 25, 15, 16 и кольцо 26 закреплены конической резьбой 27 между корпусом 4 шпинделя и средней частью 28 корпуса шпинделя, а роторные кольца 13, 14, 22, 23, а также кольца, например, 24, 25, 26, 27, 28 закреплены на валу шпинделя 5 конической резьбой 29 приводного вала 9, показано на фиг.2.Radial bearings 6, 7 are made in the form of pairs of rotor and stator rings: rotor rings 22, 23 and stator rings 24, 25 reinforced with a hard alloy, for example, TT7K15, while the stator rings 25, 15, 16 and ring 26 are fixed with a tapered thread 27 between the spindle housing 4 and the middle part 28 of the spindle housing, and the rotor rings 13, 14, 22, 23, as well as rings, for example, 24, 25, 26, 27, 28 are fixed to the spindle shaft 5 by the tapered thread 29 of the drive shaft 9, shown figure 2.

В каждой паре роторных и статорных колец: роторного кольца 13 и статорного кольца 15, а также роторного кольца 14 и статорного кольца 16 число (24) упорных модулей 17, скрепленных с роторным кольцом 13 (14), на единицу меньше числа (25) упорных модулей 21, скрепленных со статорным кольцом 15 (16), а площадь проходного сечения 30 для текучей среды 11 между каждыми двумя упорными модулями 17, скрепленными с роторным кольцом 13 (14), при контакте с каждым упорным модулем 21, скрепленным со статорным кольцом 15 (16), составляет 1,154÷1,618 от площади проходного сечения 31 для текучей среды 11 между каждыми двумя упорными модулями 21, скрепленными со статорным кольцом 15 (16), при контакте с каждым упорным модулем 17, скрепленным с роторным кольцом 13 (14), при этом высота 32, Н каждого упорного модуля 17 (21) с высотой 33, Z роторного 13 (14) и статорного 15 (16) колец связана соотношением Н=(0,255÷0,355)Z, показано на фиг.2, 5, 7, 8, 9.In each pair of rotor and stator rings: rotor ring 13 and stator ring 15, as well as rotor ring 14 and stator ring 16, the number (24) of thrust modules 17 fastened to the rotor ring 13 (14) is one less than the number (25) of thrust modules 21 fastened to the stator ring 15 (16), and a flow area 30 for fluid 11 between each two thrust modules 17 fastened to the rotor ring 13 (14) in contact with each stop module 21 fastened to the stator ring 15 (16), makes 1,154 ÷ 1,618 from the area of the section through passage 31 for tech learning environment 11 between each two thrust modules 21, fastened to the stator ring 15 (16), in contact with each thrust module 17, fastened to the rotor ring 13 (14), while the height 32, N of each thrust module 17 (21) with height 33, Z of rotor 13 (14) and stator 15 (16) rings is connected by the ratio H = (0.255 ÷ 0.355) Z, shown in Figs. 2, 5, 7, 8, 9.

Толщина 34, Т слоя поликристаллических алмазов на торце каждого упорного модуля 17, 21 с высотой 32, Н каждого упорного модуля 17, 21 связана соотношением Т=(0,255÷0,355)Н, показано на фиг.8, 9.The thickness 34, T of the layer of polycrystalline diamonds at the end of each thrust module 17, 21 with a height of 32, N of each thrust module 17, 21 is connected by the ratio T = (0.255 ÷ 0.355) N, shown in Fig. 8, 9.

Слой 34, Т на торце упорных модулей 17, 21 оснащен синтетическими поликристаллическими алмазами, например, АРСЗ (4) (RU) зернистостью 2000/1600 мкм, образующими пленочный композит толщиной 2,25 мм или поликристаллическими алмазами PDC (Polycrystalline Diamond Compakt), например, фирмы US Synthetic (US), используемыми во вставках (зубках) буровых долот вращательно-ударного бурения, показано на фиг.8, 9.Layer 34, T at the end of the abutment modules 17, 21 is equipped with synthetic polycrystalline diamonds, for example, ARSZ (4) (RU) with a grain size of 2000/1600 μm, forming a film composite 2.25 mm thick or polycrystalline PDC diamonds (Polycrystalline Diamond Compakt), for example , company US Synthetic (US), used in the inserts (teeth) of the drill bits of rotary hammer drilling, shown in Fig.8, 9.

Максимальный осевой люфт 35 вала 5 шпинделя в корпусе шпинделя 4 равен минимальной толщине слоя поликристаллических алмазов 34, Т на торце упорных модулей 17, 21, показано на фиг.2.The maximum axial play 35 of the spindle shaft 5 in the spindle housing 4 is equal to the minimum thickness of the layer of polycrystalline diamonds 34, T at the end face of the thrust modules 17, 21, shown in Fig.2.

Суммарная площадь проходных сечений 30 для текучей среды 11 между каждыми двумя упорными модулями 17, скрепленными с роторным кольцом 13 (14), при контакте с каждым упорным модулем 21, скрепленным со статорным кольцом 15 (16), равна в пределах ±5% площади проходного сечения 36 для текучей среды 11 в радиальной опоре скольжения 6, расположенной выше по потоку 11, показано на фиг.2.The total area of the flow cross sections 30 for the fluid 11 between each two thrust modules 17, fastened to the rotor ring 13 (14), in contact with each thrust module 21, fastened to the stator ring 15 (16), is equal to ± 5% of the passage area section 36 for the fluid 11 in the radial sliding support 6 located upstream 11, shown in figure 2.

Кроме того, на фиг.3 обозначено: поз.37 - центральная продольная ось обкладки 38 из эластомера, закрепленной в корпусе 1; поз.39 - центральная продольная ось ротора 2; поз.40 - величина эксцентриситета ротора 2, установленного в обкладке 38 из эластомера; поз.41 - винтовые многозаходные многошаговые зубья ротора 2, число (6) зубьев 41 ротора 2 на единицу меньше числа (7) зубьев 42 в обкладке 38 из эластомера, закрепленной в корпусе 1; поз.43 - многозаходные винтовые (шлюзовые) камеры между зубьями 41 ротора 2 и зубьями 42 обкладки 38 из эластомера.In addition, figure 3 is indicated: pos.37 - the Central longitudinal axis of the lining 38 of elastomer, fixed in the housing 1; Pos. 39 - the Central longitudinal axis of the rotor 2; pos.40 - the magnitude of the eccentricity of the rotor 2 installed in the lining 38 of the elastomer; 41 - multistage helical multistage teeth of the rotor 2, the number (6) of teeth 41 of the rotor 2 is one less than the number (7) of teeth 42 in the plate 38 of elastomer fixed in the housing 1; Pos. 43 - multi-screw (lock) chambers between the teeth 41 of the rotor 2 and the teeth 42 of the lining 38 of elastomer.

Гидравлический забойный двигатель с открытой осевой алмазной опорой скольжения шпинделя, например героторный винтовой двигатель, работает следующим образом: поток бурового раствора 3, 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 25÷35 МПа по колонне бурильных труб подается в многозаходные винтовые (шлюзовые) камеры 43 между зубьями 41 ротора 2 и зубьями 42 обкладки 38 из эластомера, образует область высокого давления и момент от гидравлических сил, который приводит в планетарно-роторное вращение ротор 2 внутри эластомерной обкладки 38, закрепленной в корпусе 1, а также приводит во вращение приводной вал 9, вал шпинделя 5 и долото, осуществляя бурение скважины.A hydraulic downhole motor with an open axial diamond spindle sliding support, for example a rotor screw motor, operates as follows: a mud stream 3 containing abrasive particles, for example up to 2% sand with dimensions of 0.15 ÷ 0.95 mm and up to 5% of oil products, contained in a polymer-clay drilling mud with a density of 1.16 ÷ 1.26 g / cm ³ , at a pressure of 25 ÷ 35 MPa, it is fed through a string of drill pipes into multi-helical (sluice) chambers 43 between the teeth 41 of the rotor 2 and the teeth 42 of the lining 38 of elastomer, forms a region of high pressure and torque from hydraulic forces, which leads to planetary rotary rotation of the rotor 2 inside the elastomeric plate 38, mounted in the housing 1, and also drives the drive shaft 9, the spindle shaft 5 and the bit, while drilling the well.

Винтовые зубья 42 эластомерной обкладки 38, закрепленной в корпусе 1, подвергаются сложной деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора 2 внутри корпуса 1. Винтовые (шлюзовые) многозаходные многошаговые камеры 43 между зубьями 41 ротора 2 и зубьями 42 эластомерной обкладки 38 имеют переменный объем и периодически перемещаются по потоку 3 бурового раствора. Обкладка 38, выполненная из резины ИРП-1226-5, работает в напряженных условиях: при наличии в рабочей паре (ротор 2 - обкладка 38) необходимого натяга контактное давление составляет 4÷6 МПа, скорость скольжения 0,5÷4,0 м/с, частота нагружения до 30 Гц и гидростатическое давление до 50 МПа.The helical teeth 42 of the elastomeric plate 38, mounted in the housing 1, undergo complex deformation and bending during planetary-rotor rotation of the rotor 2 inside the housing 1. The helical (lock) multi-start multi-step chambers 43 between the teeth 41 of the rotor 2 and the teeth 42 of the elastomeric plate 38 have a variable volume and periodically move along the stream 3 of the drilling fluid. The lining 38 made of IRP-1226-5 rubber works under stressful conditions: if there is a necessary interference fit in the working pair (rotor 2 - lining 38), the contact pressure is 4–6 MPa, the sliding speed is 0.5–4.0 m / s, loading frequency up to 30 Hz and hydrostatic pressure up to 50 MPa.

Ротор 2, расположенный в обкладке 38 корпуса 1 эксцентрично, с величиной эксцентриситета 40, при работе двигателя совершает планетарное движение - вращение вокруг своей оси 39 и обращение относительно оси 37 корпуса 1 с частотой в Z_p раз больше частоты вращения вала двигателя (приводного вала 9, вала шпинделя 5), где Z_p - число зубьев 41 ротора 2, показано на фиг.3.The rotor 2 located in the lining 38 of the housing 1 is eccentric, with an eccentricity value of 40, when the engine is running, it makes a planetary motion - rotation around its axis 39 and rotation about the axis 37 of the housing 1 with a frequency of Z _p times the speed of the motor shaft (drive shaft 9 , spindle shaft 5), where Z _p is the number of teeth 41 of the rotor 2, shown in Fig.3.

При работе героторного винтового двигателя, соединенного с валом 5 в корпусе 4 шпинделя приводным (карданным) валом 9, возникают поперечные колебания от действия инерционных сил вращающегося с высокой частотой и эксцентриситетом массивного ротора 2 и больших по величине поперечных гидравлических сил (перекашивающего момента), изменяющих свое направление одновременно с вращением ротора 2.When the gerotor screw motor is connected to the shaft 5 in the spindle housing 4 by a drive (cardan) shaft 9, transverse vibrations occur due to the inertial forces of the massive rotor 2 rotating with high frequency and eccentricity and large transverse hydraulic forces (skew moment) that change its direction simultaneously with the rotation of the rotor 2.

Основная частота колебаний двигателя совпадает с частотой вращения ротора 2, по существу, в Z_p раз больше частоты вращения вала 2 (ротора) двигателя. Собственные частоты колебаний винтового забойного двигателя находятся в области рабочих частот двигателя, а резонансные режимы возникают периодически при изменении (увеличении или уменьшении) осевой нагрузки (на долото) на 55÷155 кН.The main oscillation frequency of the engine coincides with the rotational speed of the rotor 2, essentially Z _p times greater than the frequency of rotation of the shaft 2 (rotor) of the engine. The natural oscillation frequencies of a downhole screw motor are in the region of the operating frequencies of the engine, and resonance modes occur periodically when the axial load (bit) changes (increases or decreases) by 55 ÷ 155 kN.

В процессе бурения скважин с непрерывным контролем нагрузки на долото и механической скорости, при плавном увеличении или снижении нагрузки от 50 до 250 кН и обратно механическая скорость изменяется с резким чередованием экстремумов (максимумов и минимумов).In the process of drilling wells with continuous monitoring of the load on the bit and mechanical speed, with a smooth increase or decrease in the load from 50 to 250 kN and vice versa, the mechanical speed changes with a sharp alternation of extrema (maximums and minimums).

Амплитуда колебаний корпуса 1 винтового забойного двигателя в режиме поперечных резонансных колебаний ротора 2 увеличивается многократно, при этом многократно увеличиваются потери мощности двигателя на поперечные колебания, а также возникают осевые резонансные колебания вала шпинделя 5, повышаются динамические нагрузки на осевую опору шпинделя 8 при максимальных осевых нагрузках от долота, направленных от забоя к устью скважины, а также при изменении знака осевой нагрузки, действующей на осевую опору скольжения 8.The oscillation amplitude of the casing 1 of a downhole motor in the mode of transverse resonant vibrations of the rotor 2 increases many times, while the motor power losses for transverse vibrations increase many times, as well as axial resonant vibrations of the spindle shaft 5, dynamic loads on the axial support of the spindle 8 increase at maximum axial loads from the bit directed from the bottom to the wellhead, as well as when the sign of the axial load acting on the axial sliding support 8.

Выполнение героторного винтового двигателя таким образом, что в каждой паре роторных и статорных колец: роторного кольца 13 и статорного кольца 15, а также роторного кольца 14 и статорного кольца 16 число (24) упорных модулей 17, скрепленных с роторным кольцом 13 (14), на единицу меньше числа (25) упорных модулей 21, скрепленных со статорным кольцом 15 (16), а площадь проходного сечения 30 для текучей среды 11 между каждыми двумя упорными модулями 17, скрепленными с роторным кольцом 13 (14), при контакте с каждым упорным модулем 21, скрепленным со статорным кольцом 15 (16), составляет 1,154÷1,618 от площади проходного сечения 31 для текучей среды 11 между каждыми двумя упорными модулями 21, скрепленными со статорным кольцом 15 (16), при контакте с каждым упорным модулем 17, скрепленным с роторным кольцом 13 (14), при этом высота 32, Н каждого упорного модуля 17 (21) с высотой 33, Z роторного 13 (14) и статорного 15 (16) колец, связана соотношением Н=(0,255÷0,355) Z, повышает ресурс и надежность в прокачиваемой буровым раствором осевой опоре скольжения 8 шпинделя гидравлического забойного двигателя с упорными модулями 17, 21, содержащими слои 18 поликристаллических алмазов, за счет предотвращения скопления абразивных частиц в осевой опоре скольжения 8, синхронизации движения абразивных частиц и предотвращения попадания их между торцами 19, 20 алмазных слоев 18 упорных модулей 17, 21, предотвращает "прихват" и контактное разрушение поликристаллических алмазных слоев 18 упорных модулей 17, 21 в осевой опоре скольжения 8 шпинделя.The implementation of the rotor screw motor in such a way that in each pair of rotor and stator rings: the rotor ring 13 and the stator ring 15, as well as the rotor ring 14 and the stator ring 16, the number (24) of thrust modules 17 fastened to the rotor ring 13 (14), one less than the number (25) of thrust modules 21 fastened to the stator ring 15 (16), and the flow area 30 for fluid 11 between each two thrust modules 17 fastened to the rotor ring 13 (14) in contact with each thrust ring module 21 fastened to the stator ring 15 (16), is 1.154 ÷ 1.618 of the flow area 31 for the fluid 11 between each two thrust modules 21 fastened to the stator ring 15 (16) when in contact with each thrust module 17 fastened to the rotor ring 13 (14) at the same time, the height 32, N of each thrust module 17 (21) with a height of 33, Z of the rotor 13 (14) and stator 15 (16) rings, is related by the ratio H = (0.255 ÷ 0.355) Z, increases the resource and reliability in the pumped drilling solution axial sliding support 8 of the spindle of the hydraulic downhole motor with thrust modules 17, 21 containing layers 18 polycrystalline diamonds, by preventing the accumulation of abrasive particles in the axial sliding support 8, synchronizing the movement of abrasive particles and preventing them from falling between the ends 19, 20 of the diamond layers 18 of the thrust modules 17, 21, prevents the "sticking" and contact destruction of polycrystalline diamond layers of 18 thrust modules 17, 21 in the axial support of the sliding 8 of the spindle.

При толщине 34, Т слоя поликристаллических алмазов на торце 19, 20 каждого упорного модуля 17, 21 с высотой 32, Н каждого упорного модуля 17, 21, связанном соотношением Т=(0,255÷0,355) Н, а также при оснащении слоя 34, Т на торце 19, 20 упорных модулей 17, 21 поликристаллическими алмазами, например, АРСЗ (4) (RU) зернистостью 2000÷1600 мкм, образующими пленочный композит 18 толщиной 2,25 мм, обеспечивается максимальный осевой люфт 35 вала 5 шпинделя в корпусе шпинделя 4, равный минимальной толщине слоя поликристаллических алмазов 34, Т на торце 19, 20 упорных модулей 17, 21, что повышает контактную прочность упорных модулей 17, 21, предотвращает скопление абразивных частиц в осевой опоре скольжения 8, уменьшает уровень вибраций и амплитуды резонансных колебаний шпинделя 5 за счет демпфирования буровым раствором 11 резонансных колебаний ротора 2 двигателя, приводного вала 9 и вала шпинделя 5, предотвращает попадание абразивных частиц между поочередно контактирующими торцами 19, 20 упорных модулей 17 21, а также повышает ресурс шпиндельной опоры 8, по меньшей мере, до ресурса долота с зубками из поликристаллических алмазов.With a thickness of 34, T of a layer of polycrystalline diamonds at the end face 19, 20 of each thrust module 17, 21 with a height of 32, N of each thrust module 17, 21, connected by the relation T = (0.255 ÷ 0.355) N, as well as when equipping the layer 34, T at the end 19, 20 of the thrust modules 17, 21 with polycrystalline diamonds, for example, ARSZ (4) (RU) with a grain size of 2000 ÷ 1600 μm, forming a film composite 18 with a thickness of 2.25 mm, a maximum axial play of 35 shaft 5 of the spindle in the spindle housing 4 is provided equal to the minimum thickness of the layer of polycrystalline diamonds 34, T at the end face 19, 20 of the thrust modules 17, 21, which increases It has the contact strength of the thrust modules 17, 21, prevents the accumulation of abrasive particles in the axial sliding support 8, reduces the level of vibration and the amplitude of the resonant vibrations of the spindle 5 due to the damping of the resonant vibrations of the rotor 2 of the motor, drive shaft 9 and spindle shaft 5 by the drilling fluid 11, and prevents hit abrasive particles between alternately contacting ends 19, 20 of thrust modules 17 21, and also increases the resource of the spindle bearing 8, at least to the resource of the bit with teeth made of polycrystalline diamonds.

При суммарной площади проходных сечений 30 для текучей среды 11 между каждыми двумя упорными модулями 17, скрепленными с роторным кольцом 13 (14), при контакте с каждым упорным модулем 21, скрепленным со статорным кольцом 15 (16), равной в пределах ±5% площади проходного сечения 36 для текучей среды 11 в радиальной опоре скольжения 6, расположенной выше по потоку 11, предотвращается скопление абразивных частиц в осевой опоре скольжения 8, а также повышается прочность упорных модулей 17, 21, улучшается смазка и охлаждение упорных модулей 17, 21, уменьшается уровень вибраций и амплитуды резонансных колебаний вала шпинделя 5 за счет демпфирования буровым раствором 11 резонансных поперечных колебаний вращающегося приводного вала 9, что также повышает ресурс шпиндельной опоры 8, по меньшей мере, до ресурса долота с зубками из поликристаллических алмазов.With a total flow area 30 for fluid 11 between each two thrust modules 17 fastened to the rotor ring 13 (14), in contact with each thrust module 21 fastened to the stator ring 15 (16), equal to ± 5% of the area the bore 36 for fluid 11 in the radial slide support 6 located upstream 11 prevents the accumulation of abrasive particles in the axial slide support 8, and also increases the strength of the thrust modules 17, 21, improves the lubrication and cooling of the thrust modules 17, 21, decreases at Ram vibration amplitude and resonant vibrations of the spindle shaft 5 due to damping drilling fluid 11 transverse resonant vibrations of rotating the drive shaft 9, which also increases the life of the spindle support 8, at least until the bit resource with teeth of polycrystalline diamond.

Выполнение героторного винтового двигателя с алмазной опорой скольжения шпинделя повышает также точность параметров кривизны ствола скважины и технико-экономические показатели бурения: увеличивает проходку скважины на рейс долота, уменьшает время простоя буровой установки.The implementation of a gerotor screw motor with a diamond spindle sliding support also improves the accuracy of the parameters of the borehole curvature and the technical and economic performance of drilling: increases the penetration of the well on the bit flight, reduces the downtime of the drilling rig.

Значение коэффициента напряжения осевой опоры скольжения в корпусе шпинделя (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению) уменьшается и равно по существу 3,14÷4,14, что снижает вероятность "прихвата" и разрушения слоев 34, Т на торце упорных модулей 17, 21, оснащенных поликристаллическими алмазами в осевой опоре скольжения 8 шпинделя при использовании двигателя в горизонтальных управляемых компоновках низа бурильной колонны, на участках изменения кривизны наклонной скважины, преимущественно в режиме максимальной мощности.The value of the stress coefficient of the axial sliding support in the spindle housing (Stress ratio, the ratio of the varying voltage amplitude to the average voltage) decreases and is essentially 3.14 ÷ 4.14, which reduces the likelihood of “sticking” and destruction of the layers 34, T at the end of the thrust modules 17, 21, equipped with polycrystalline diamonds in the axial sliding support 8 of the spindle when using the engine in horizontal controlled layout of the bottom of the drill string, in areas where the curvature of the deviated well changes, mainly in the maximum mode th power.

В режиме максимальной мощности частота вращения вала 5 шпинделя составляет 1,4÷2,2 с^-1; момент силы на выходном валу 5 шпинделя составляет 16÷19 кН·м; перепад давления (межвиткового, на зубьях обкладки 38 корпуса 1) в режиме максимальной мощности составляет 25÷33 МПа; осевая нагрузка составляет 273 кН, а при достижении частоты колебаний ω=92 рад/с наступает режим резонанса, при этом амплитуда поперечных колебаний вала 5 шпинделя составляет ≈0,55 мм, а амплитуда продольных колебаний вала 5 шпинделя составляет ≈0,15 мм, что на порядок меньше, чем в известной конструкции.In maximum power mode, the spindle shaft 5 rotational speed is 1.4 ÷ 2.2 s ^-1 ; the moment of force on the output shaft 5 of the spindle is 16 ÷ 19 kN · m; the pressure drop (inter-turn, on the teeth of the lining 38 of the housing 1) in the maximum power mode is 25 ÷ 33 MPa; the axial load is 273 kN, and when the vibration frequency reaches ω = 92 rad / s, the resonance mode occurs, while the amplitude of the transverse vibrations of the spindle shaft 5 is ≈0.55 mm, and the amplitude of the longitudinal vibrations of the spindle shaft 5 is ≈0.15 mm, which is an order of magnitude smaller than in the known design.

При использовании заявляемой конструкции повышается ресурс и надежность в прокачиваемой буровым раствором осевой опоре скольжения шпинделя гидравлического забойного двигателя с упорными модулями, содержащими слои поликристаллических алмазов, повышается точность параметров кривизны ствола скважины и технико-экономические показатели бурения: увеличивается проходка скважины на рейс долота в условиях интенсивного трения и вращения в стволе скважины, с использованием в колонне бурильных труб гидравлических ясов, с ударными нагрузками и ударными импульсами от ясов, повышается темп набора параметров кривизны скважин, уменьшаются сопротивления и напряжения в компоновке низа бурильной колонны, уменьшается время простоя буровой установки.When using the inventive design, the resource and reliability are increased in the axial sliding support of the spindle of the hydraulic downhole motor with the thrust modules containing layers of polycrystalline diamonds pumped by the drilling fluid, the accuracy of the parameters of the curvature of the wellbore and technical and economic performance of the well are increased: the penetration of the well on a bit flight under intensive friction and rotation in the wellbore, using hydraulic jars in the drill pipe string, with impact loads and shock pulses from jars, increases the rate of collection wells curvature parameters resistance and reduced stress in the bottom hole assembly, reduced downtime rig.

Claims

1. Hydraulic downhole motor with a diamond sliding support, comprising a motor housing with a rotor located inside it, the rotation of which is carried out by pumping fluid, as well as a spindle housing with a shaft located inside it mounted on radial and axial sliding bearings, the spindle shaft is connected by a drive shaft with the rotor of the engine and fastened with a chisel, while part of the fluid is pumped through the radial and axial bearings of the slide, and the axial support of the spindle is made in the form of two pairs of rotor and stator rings with the annular row of thrust modules fixed in each of them, the stator rings are fastened to the spindle housing, the rotor rings are fastened to the spindle shaft, and each thrust module contains a layer of polycrystalline diamonds at the end facing the ends of adjacent modules and alternately contacts one or two ends of adjacent modules, characterized in that in each pair of rotor and stator rings, the number of thrust modules of the rotor ring is one less than the number of thrust modules of the stator ring, and the passage area for t fluid between each two thrust modules of the rotor ring in contact with each thrust module of the stator ring is 1.154 ÷ 1.618 of the passage area for fluid between each two thrust modules of the stator ring in contact with each thrust module of the rotor ring, while the height H of each thrust ring module with a height Z of the rotor and stator rings is related by the ratio H = (0.255 ÷ 0.355) Z.

2. The downhole hydraulic motor according to claim 1, characterized in that the thickness T of the polycrystalline diamond layer at the end of each thrust module with a height H of each thrust module is related by the ratio T = (0.255 ÷ 0.355) N.

3. The hydraulic downhole motor according to claim 1, characterized in that the maximum axial play of the spindle shaft is equal to the minimum thickness of the polycrystalline diamond layer at the end of the thrust modules.

4. The downhole hydraulic motor according to claim 1, characterized in that the total flow area for the fluid between the annular row of the thrust modules of the rotor ring in contact with the annular row of thrust modules of the stator ring is within ± 5% of the flow area for the fluid in radial sliding support located upstream.