RU2186188C1

RU2186188C1 - Screw downhole motor

Info

Publication number: RU2186188C1
Application number: RU2001107299/03A
Authority: RU
Inventors: хирев В.И. В; В.И. Вяхирев; В.В. Ипполитов; В.А. Бондарь
Original assignee: Дочернее общество с ограниченной ответственностью Буровая компания ОАО "Газпром"
Priority date: 2001-03-21
Filing date: 2001-03-21
Publication date: 2002-07-27

Abstract

FIELD: mining, particularly, screw downhole motors applicable in drilling of inclined and horizontal sections of holes. SUBSTANCE: essence of the invention consists in that bodies of motor and bit shaft sections of screw downhole motor are connected by hinged joint. It is made in the form of three successively located tubular members. Extreme members are connected with motor and bit shaft sections, respectively. Middle member is connected with each extreme member by means of pair of axles and is installed with clearances ensuring misalignment of axles of each pair of adjacent members up to 2^°30′. Rotor and shaft are interconnected by hinged joint. It is made in the form of two splined shafts and splined coupling. One splined shaft is connected by means of torsion bar with rotor, while the other, with shaft of bit shaft section. Splined coupling is installed with respect to splined shafts with clearance ensuring misalignment of axes of motor and bit shaft sections equaling up to 5 deg. EFFECT: prolonged storage life of hinged joints of screw downhole motor. 4 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к горному делу, а именно к винтовым забойным двигателям, применяемым при бурении наклонных и горизонтальных участков скважины. The invention relates to mining, and in particular to downhole screw motors used in drilling inclined and horizontal sections of a well.

Известен винтовой забойный двигатель для наклонно направленного бурения, включающий двигательную секцию, ротор которой связан через торсион и шарнирный узел с валом шпиндельной секции (патент РФ 2081986, кл. Е 21 В 4/02). Known downhole motor for directional drilling, including a motor section, the rotor of which is connected through a torsion bar and a swivel assembly to the shaft of the spindle section (RF patent 2081986, class E 21 B 4/02).

Недостатком известного двигателя является ненадежность работы шарнирного узла, обусловленная частым срезом пальца вследствие неравномерности угловой скорости ротора. A disadvantage of the known engine is the unreliability of the hinge assembly, due to the frequent cut of the finger due to the uneven angular velocity of the rotor.

Известен двигатель-отклонитель, содержащий последовательно соединенные между собой с перекосом секции из эксцентричной рабочей пары и опоры, валы которых взаимодействуют через подвижный промежуточный вал посредством торцевых гребенчатых зацеплений (патент РФ 2062860, Е 21 В 4/02). A known engine-diverter, containing sequentially interconnected skew sections of an eccentric working pair and bearings, the shafts of which interact through a movable intermediate shaft by end comb gears (RF patent 2062860, E 21 4/02).

Недостатком известного двигателя является также низкая надежность работы узла, передающего вращение от вала рабочей пары к валу опоры, поскольку торцевые гребенчатые зацепления вследствие сложной кинематики движения промежуточного вала испытывают значительные знакопеременные нагрузки. Кроме того, наличие жесткого кривого переводника в компоновке не позволяет использовать двигатель в скважинах с маленьким радиусом кривизны профиля. A disadvantage of the known engine is also the low reliability of the unit transmitting rotation from the shaft of the working pair to the shaft of the support, since end comb gears due to the complex kinematics of the movement of the intermediate shaft experience significant alternating loads. In addition, the presence of a hard sub curve in the layout does not allow the use of the engine in wells with a small radius of curvature of the profile.

Известен также винтовой забойный двигатель, содержащий двигательную секцию, включающую корпус со статором и размещенный внутри статора ротор, шпиндельную секцию, включающую корпус и установленный в нем посредством подшипникового узла вал, и шарнирные узлы, соединяющие корпус и ротор двигательной секции соответственно с корпусом и валом шпиндельной секции (патент РФ 2007534, кл. Е 21 В 4/02). Also known is a downhole screw motor comprising a motor section including a housing with a stator and a rotor located inside the stator, a spindle section comprising a housing and a shaft installed therein by a bearing assembly, and hinge assemblies connecting the housing and rotor of the motor section to the housing and the spindle shaft, respectively sections (RF patent 2007534, class E 21 B 4/02).

Недостатками известного двигателя является то, что шарнирный узел в виде резинометаллического рукава, соединяющего корпуса двигательной и шпиндельной секций, в процессе бурения не обеспечит поддержания заданного направления по азимуту. Для этого с данным двигателем необходимо использовать дополнительные технические средства. Кроме того, существующие конструкции шарнирных узлов, соединяющих ротор двигательной секции и вал шпиндельной секции, при больших углах перекоса их осей и значительных знакопеременных нагрузках имеют низкую долговечность. The disadvantages of the known engine is that the hinge unit in the form of a rubber-metal sleeve connecting the housing of the motor and spindle sections during drilling does not ensure the maintenance of a given direction in azimuth. For this, it is necessary to use additional technical means with this engine. In addition, the existing design of the hinge assemblies connecting the rotor of the motor section and the shaft of the spindle section, at large angles of distortion of their axes and significant alternating loads have low durability.

Решаемая изобретением задача заключается в повышении долговечности шарнирных узлов винтового забойного двигателя и обеспечении поддержания заданного направления по азимуту без применения дополнительных технических средств. The problem solved by the invention is to increase the durability of the hinge assemblies of a downhole screw motor and ensure the maintenance of a given direction in azimuth without the use of additional technical means.

При этом обеспечивается получение следующего технического результата: обеспечение шарнирному узлу, соединяющему корпуса двигательной и шпиндельной секций, одной степени свободы и уменьшение контактных напряжений в элементах зацепления шарнирного узла, соединяющего ротор двигательной секции и вал шпиндельной секции. This ensures the following technical result: providing the hinge unit connecting the body of the motor and spindle sections with one degree of freedom and reducing contact stresses in the engagement elements of the hinge unit connecting the rotor of the motor section and the shaft of the spindle section.

Для этого в винтовом забойном двигателе, содержащем двигательную секцию, включающую корпус со статором и размещенный внутри статора ротор, шпиндельную секцию, включающую корпус и установленный в нем посредством подшипникового узла вал, и шарнирные узлы, соединяющие корпус и ротор двигательной секции соответственно с корпусом и валом шпиндельной секции, шарнирный узел, соединяющий корпуса двигательной и шпиндельной секций, выполнен в виде трех последовательно расположенных трубчатых элементов, причем крайние элементы соединены соответственно с корпусами двигательной и шпиндельной секций, а средний соединен с каждым крайним элементом посредством пары осей и установлен с зазорами, обеспечивающими перекос осей каждой пары соседних элементов до 2^o30', а шарнирный узел, соединяющий ротор и вал соответственно двигательной и шпиндельной секций, выполнен в виде двух шлицевых валов, один из которых соединен посредством торсиона с ротором двигательной секции, а другой - с валом шпиндельной секции, и шлицевой муфты, установленной по отношению к шлицевым валам с зазорами, обеспечивающими перекос осей двигательной и шпиндельной секций до 5^o.For this, in a downhole screw motor comprising a motor section including a housing with a stator and a rotor located inside the stator, a spindle section comprising a housing and a shaft installed therein by a bearing assembly, and hinge assemblies connecting the housing and rotor of the motor section to the housing and shaft, respectively spindle section, the hinge unit connecting the housing of the motor and spindle sections is made in the form of three consecutive tubular elements, and the extreme elements are connected respectively only with the housings of the motor and spindle sections, and the middle one is connected to each extreme element by means of a pair of axes and is installed with gaps that ensure the axes of each pair of adjacent elements to skew up to 2 ^° 30 ', and the hinge assembly connecting the rotor and shaft of the motor and spindle sections, respectively made in the form of two spline shafts, one of which is connected by means of a torsion bar to the rotor of the motor section, and the other to the shaft of the spindle section, and a spline coupling mounted in relation to the spline shaft with gaps, providing which deviate the axes of the motor and spindle sections to 5 ^o .

Целесообразно также
- зазоры между трубчатыми элементами уплотнить;
- шлицевую муфту зафиксировать относительно шлицевых валов уплотняющими упругими элементами;
- на валу шпиндельной секции установить с возможностью вращения стабилизатор.It is also advisable
- seal the gaps between the tubular elements;
- fix the spline coupling relative to the spline shafts with sealing elastic elements;
- install a stabilizer on the shaft of the spindle section with the possibility of rotation.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена двигательная секция винтового забойного двигателя; на фиг.2 - шарнирные узлы; на фиг.3 - шпиндельная секция; на фиг.4 - разрез А-А на фиг.2; на фиг.5 - разрез Б-Б на фиг.2. The invention is illustrated in the drawing, where Fig.1 shows a motor section of a downhole screw motor; figure 2 - hinge nodes; figure 3 - spindle section; figure 4 is a section aa in figure 2; figure 5 is a section bB in figure 2.

Винтовой забойный двигатель содержит двигательную секцию, включающую корпус 1 со статором 2 и размещенным внутри него ротором 3, и шпиндельную секцию, включающую корпус 4 с установленным в нем посредством подшипникового узла валом 5. Корпус 1 двигательной секции соединен с корпусом 4 шпиндельной секции шарнирным узлом. Он выполнен в виде последовательно расположенных трубчатых элементов 6, 7 и 8. Крайние трубчатые элементы 6 и 8 соединены соответственно с корпусом 1 двигательной секции и с корпусом 4 шпиндельной секции. Средний трубчатый элемент 7 соединен с каждым крайним трубчатым элементом 6 и 8 посредством пары осей 9 и установлен по отношению к ним с зазорами, обеспечивающими перекос осей каждой пары трубчатых элементов 6 и 7, 7 и 8 до 2^o30'. Зазоры между трубчатыми элементами 6, 7 и 8 уплотнены упругими кольцами 10. Ротор 3 двигательной секции соединен с валом 5 шпиндельной секции шарнирным узлом. Он выполнен в виде шлицевых валов 11 и 12, находящихся в зацеплении с шлицевой муфтой 13. Шлицевой вал 11 соединен с ротором 3 посредством торсиона (гибкого вала) 14, шлицевой вал 12 соединен с валом 5 шпиндельной секции. Шлицевая муфта 13 установлена по отношению к шлицевым валам 11 и 12 с зазорами, обеспечивающими перекос осей двигательной и шпиндельной секций до 5^o. Уплотняющие упругие элементы 15 фиксируют шлицевую муфту 13 относительно шлицевых валов 11 и 12. Для уменьшения длины шпиндельной секции подшипниковый узел выполнен четырехрядным. Для снижения контактного напряжения на беговых дорожках 16 установлены тела 17 качения увеличенного диаметра. Для стабилизации вращения вала 5 шпиндельной секции на нем установлен с возможностью вращения стабилизатор 18.The downhole screw motor comprises a motor section including a housing 1 with a stator 2 and a rotor 3 located inside it, and a spindle section including a housing 4 with a shaft 5 installed therein by a bearing assembly. The housing 1 of the motor section is connected to the housing 4 of the spindle section by a hinge assembly. It is made in the form of successive tubular elements 6, 7 and 8. The extreme tubular elements 6 and 8 are connected respectively to the housing 1 of the motor section and to the housing 4 of the spindle section. The middle tubular element 7 is connected to each extreme tubular element 6 and 8 by means of a pair of axles 9 and is installed in relation to them with gaps that ensure the axis misalignment of each pair of tubular elements 6 and 7, 7 and 8 to 2 ^o 30 '. The gaps between the tubular elements 6, 7 and 8 are sealed with elastic rings 10. The rotor 3 of the motor section is connected to the shaft 5 of the spindle section by a hinge assembly. It is made in the form of splined shafts 11 and 12, which are meshed with a splined coupling 13. The splined shaft 11 is connected to the rotor 3 by a torsion bar (flexible shaft) 14, the splined shaft 12 is connected to the shaft 5 of the spindle section. The splined clutch 13 is installed in relation to the splined shafts 11 and 12 with gaps that ensure the skew axis of the motor and spindle sections up to 5 ^o . The sealing elastic elements 15 fix the spline coupling 13 relative to the spline shafts 11 and 12. To reduce the length of the spindle section, the bearing assembly is made four-row. To reduce contact stress on the treadmills 16 installed rolling body 17 increased diameter. To stabilize the rotation of the shaft 5 of the spindle section on it is installed with the possibility of rotation of the stabilizer 18.

Винтовой забойный двигатель работает следующим образом. Двигатель спускают в наклонный ствол скважины, ориентируют при помощи телеметрической аппаратуры по заданному азимуту и осуществляют бурение ствола с большой интенсивностью набора зенитного угла. При спуско-подъемных операциях при прохождении искривленных участков с малым радиусом кривизны шарнирные узлы обеспечивают двигателю возможность самопроизвольно изгибаться, что позволяет доходить до забоя горизонтальной скважины без посадок и при подъеме без затяжек. В процессе бурения шарнирный узел, соединяющий корпус 1 двигательной секции с корпусом 4 шпиндельной секции, имеет одну степень свободы, что обеспечивает поддержание заданного азимута. Вследствие использования с торсионом 14 шлицевого зацепления муфты 13 с валами 11 и 12 в шарнирном узле, соединяющем ротор 3 и вал 6 обеспечивается долговечность данного шарнирного узла при больших знакопеременных нагрузках. Screw downhole motor operates as follows. The engine is lowered into an inclined wellbore, oriented using telemetry equipment according to a given azimuth, and the well is drilled with high intensity zenith angle. During tripping during the passage of curved sections with a small radius of curvature, the hinge assemblies provide the engine with the ability to bend spontaneously, which allows it to reach the bottom of a horizontal well without landing and when lifting without delay. During drilling, the hinge assembly connecting the housing 1 of the motor section to the housing 4 of the spindle section has one degree of freedom, which ensures the maintenance of a given azimuth. Due to the use of torsion 14 splined engagement of the clutch 13 with the shafts 11 and 12 in the hinge unit connecting the rotor 3 and the shaft 6, the durability of this hinge unit is ensured under high alternating loads.

Claims

1. A downhole screw motor comprising a motor section including a housing with a stator and a rotor located inside the stator, a spindle section comprising a housing and a shaft installed therein by a bearing assembly, and hinge assemblies connecting the housing and the rotor of the motor section to the housing and the spindle shaft, respectively sections, characterized in that the hinge unit connecting the housing of the motor and spindle sections is made in the form of three consecutive tubular elements, and the extreme elements are connected Nena respectively housings motor and spindle sections, and the average is connected to each extreme element via a pair of axes and mounted with gaps providing skew axes of each pair of neighboring elements 2 ^o 30 'and a hinge assembly connecting the rotor and the shaft, respectively, motor and spindle sections , made in the form of two spline shafts, one of which is connected by means of a torsion bar to the rotor of the motor section, and the other to the shaft of the spindle section, and a spline coupling mounted with respect to the spline shafts ami, providing a skew axis of the motor and spindle sections up to 5 ^o .

2. A downhole screw motor according to claim 1, characterized in that the gaps between the tubular elements are sealed.

3. A downhole screw motor according to claim 1, characterized in that the spline coupling is fixed relative to the spline shafts by sealing elastic elements.

4. A downhole screw motor according to claim 1, characterized in that a stabilizer is mounted rotatably on the shaft of the spindle section.