Осевая опора скольжения забойного двигателя

 

Изобретение относится к буровой технике, а именно к конструкциям осевых опор скольжения забойных двигателей, приводящих во вращение буровые долота при бурении скважин. Сущность изобретения заключается в том, что в осевой опоре скольжения забойного двигателя, включающей закрепленные на валу шпинделя вращающиеся диски пяты и закрепленные в корпусе шпинделя невращающиеся подпятники, на верхней и нижней торцовых поверхностях которых выполнены кольцевые канавки, заполненные эластичным материалом заподлицо с торцовыми поверхностями, согласно изобретению внутренние поверхности кольцевых канавок невращающихся подпятников выполнены шероховатыми, а в качестве эластичного материала кольцевые канавки заполнены полиуретаном. При этом шероховатость внутренних поверхностей кольцевых канавок выполнена в виде выступов и углублений треугольной или прямоугольной формы с величиной углублений от 0,1 до 5,0 мм, а также может быть выполнена взаимосогласованная резьба с обеих боковых внутренних поверхностей кольцевых канавок. На верхней и нижней торцовых рабочих поверхностях вращающихся дисков пяты выполнены радиальные канавки спирального направлениях. Использование изобретения обеспечивает снижение трудоемкости изготовления опоры в 3 - 4 раза при нормальных условиях труда при ее изготовлении и надежный срок работы в эксплуатационных условиях бурения скважин до 400 - 500 часов непрерывной работы. 5 з.п.ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к буровой технике, а именно к конструкциям осевых опор скольжения забойных двигателей, приводящих во вращение буровые долота при бурении скважин.

Известна осевая многоступенчатая опора скольжения турбобура, выполненная как многоступенчатый подшипник. Каждая ступень такого подшипника состоит из вращающегося диска пяты, закрепленного на валу шпинделя внутренними распорными втулками, и невращающегося подпятника, закрепленного в корпусе шпинделя наружными распорными втулками. На верхней и нижней торцовых поверхностях невращающихся подпятников выполнены кольцевые канавки, в которых закреплены резиновые обкладки, выступающие над торцовыми поверхностями невращающихся подпятников. Указанную выше известную осевую опору скольжения турбобура представили авторы Гусман М.Т., Любимов Б.Г., Никитин Г.М. и другие в книге "Расчет, конструирование и эксплуатация турбобуров", М., "Недра", 1976 г., стр. 205, которую принимаем за аналог.

Недостатком опоры по аналогу является ее невысокая стойкость при работе в среде абразивного глинистого раствора при деформациях, возникающих под воздействием динамических осевых нагрузок, так как часто происходит выдавливание резины и схватывание ею торцов вращающихся дисков пяты.

Наиболее близким (прототипом) к заявляемому изобретению по совокупности сходных существенных признаков из числа известных технических решений того же назначения является осевая опора скольжения забойного двигателя, конструкцию которой привели авторы Гусман М. Т., Любимов Б. Г., Никитин Г.М. и другие в книге "Расчет, конструирование и эксплуатация турбобуров", М., "Недра", 1976 г., стр. 247.

Осевая опора скольжения забойного двигателя по прототипу включает в себя закрепленные на валу шпинделя внутренними распорными втулками вращающиеся диски пяты и закрепленные в корпусе шпинделя наружными распорными втулками невращающиеся подпятники, на верхней и нижней торцовых поверхностях которых выполнены кольцевые канавки, заполненные эластичным материалом. В качестве эластичного материала в кольцевых канавках в прототипе закреплены резиновые обкладки, которые по высоте выполнены заподлицо с торцовыми поверхностями невращающихся подпятников, что исключает случаи выдавливания резины и схватывания ею торцов вращающихся дисков пяты.

Недостатками известной по прототипу опоры является трудоемкость с вредными условиями труда при ее изготовлении, связанные с заполнением резиновыми обкладками кольцевых канавок на верхней и нижней торцовых поверхностях невращающихся подпятников опоры. Указанное обусловлено тем, что вначале под размеры невращающихся подпятников необходимо изготовить специальную пресс-форму сложной конструкции. Затем в пресс-форму вместе с подпятниками закладывают сырую резину, производят нагрев пресс-формы с изделиями до 500^oС и при высоком давлении выдерживают изделия в пресс-форме для обеспечения вулканизации резины со внутренними поверхностями кольцевых канавок металлических невращающихся подпятников. При нагреве сырой резины в условиях высокого давления происходит выделение вредных химических веществ в окружающую среду.

Кроме того, осевая опора по прототипу в эксплуатации имеет недостаточный срок надежной работы - всего лишь до 80-100 часов работы, что значительно ниже по сравнению с продолжительностью работы основных элементов забойного двигателя и породоразрушающих элементов (долот), составляющей 300 часов работы и более.

Целями предлагаемого изобретения являются снижение трудоемкости изготовления заявляемой опоры, исключение при ее изготовлении вредных условий труда, повышение срока надежной работы опоры в эксплуатационных условиях и облегчение ее ремонтно-восстановительных работ.

Указанные цели заявляемого изобретения достигаются тем, что в известной но прототипу осевой опоре скольжения забойного двигателя, включающей закрепленные на валу шпинделя внутренними распорными втулками вращающиеся диски пяты и закрепленные в корпусе шпинделя наружными распорными втулками невращающиеся подпятники, на верхней и нижней торцовых поверхностях которых выполнены кольцевые канавки, заполненные эластичным материалом заподлицо с торцовыми поверхностями, нами впервые предложена особая форма выполнения внутренних поверхностей кольцевых канавок невращающихся подпятников и предложено использовать иной материал в качестве эластичного материала, чем в прототипе, а именно: внутренние поверхности кольцевых канавок невращающихся подпятников предложено выполнить шероховатыми, а в качестве эластичного материала кольцевые канавки предложено заполнить полиуретаном.

При этом шероховатость внутренних поверхностей кольцевых канавок предложено выполнить в виде выступов и углублений треугольной или прямоугольной формы, а величину углублений шероховатости внутренних поверхностей кольцевых канавок выполнить от 0,1 до 5,0 мм. Кроме того, на обеих боковых внутренних поверхностях кольцевых канавок может быть выполнена взаимосогласованная резьба, а на верхней и нижней торцовых рабочих поверхностях вращающихся дисков пяты предложено выполнить радиальные канавки спирального направления.

Указанные выше новые существенные конструктивные признаки заявляемой опоры являются отличительными признаками предлагаемого изобретения по отношению к известной по прототипу опоре.

Из общедоступных источников патентной и научно-технической информации нам не известны осевые опоры скольжения забойного двигателя, которые вместе с известными существенными признаками включали бы в себя указанные выше новые отличительные существенные признаки, предложенные нами в заявляемой опоре.

В совокупности известные и новые отличительные существенные признаки обеспечивают заявляемому изобретению достижение нового технического результата, изложенного в целях изобретения.

Так, благодаря тому, что в качестве эластичного материала предложено использовать полиуретан, снижается трудоемкость изготовления заявляемой опоры. Это достигается тем, что операция заливки кольцевых канавок полиуретаном проще, чем вулканизация резины, так как в полиуретан, представляющий собой в исходном состоянии состав в жидком виде, добавляют отвердитель, перемешивают и смесь заливают в кольцевые канавки. При этом отпадает необходимость изготавливать и использовать специальную пресс-форму, представляющую собой конструкцию сложной формы.

Вместе с этим при заливке полиуретана в кольцевые канавки нет выделения в окружающую среду вредных химических веществ.

Благодаря выполнению внутренних поверхностей кольцевых канавок у невращающихся подпятников шероховатыми, в том числе когда шероховатость выполнена в виде выступов и углублений любой треугольной либо прямоугольной формы при величине углубления шероховатости от 0,1 до 5,0 мм, после заливки в кольцевые канавки полиуретана при его отверждении обеспечивается надежное сцепление полиуретана со внутренними поверхностями кольцевых канавок металлических невращающихся подпятников осевой опоры.

Кроме того, установлено и подтверждено фактически, что при работе двигателя обеспечивается скольжение рабочих поверхностей вращающихся дисков пяты по наружным поверхностям полиуретановых колец с меньшим, чем у резины, коэффициентом трения.

Надежное сцепление полиуретана со внутренними поверхностями кольцевых канавок невращающихся подпятников вместе с тем, что скольжение рабочих поверхностей вращающихся дисков пяты по поверхности полиуретановых колец происходит с меньшим, чем у резины, коэффициентом трения, в совокупности обеспечивают повышение срока надежной работы опоры в эксплуатационных условиях.

Благодаря выполнению на верхней и нижней торцовых рабочих поверхностях вращающихся дисков пяты радиальных канавок спирального направления при работе осевой опоры обеспечивается удаление (сброс) абразивных механических частиц и примесей с рабочих поверхностей соприкасающихся элементов осевой опоры, что также повышает срок надежной работы опоры в эксплуатационных условиях.

Выполнение у невращающихся подпятников на обеих боковых внутренних поверхностях кольцевых канавок взаимосогласованной резьбы позволяет при ремонтно-восстановительных работах осевой опоры облегчить извлечение эластичного материала - полиуретана - при его замене, так как извлечение из кольцевой канавки полиуретанового кольца можно осуществлять путем вывертывания последнего по канавкам резьбы.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где представлены некоторые варианты реализации заявляемого изобретения, а именно: на фиг.1 дан продольный разрез осевой опоры скольжения забойного двигателя; на фиг.2, 3 и 4 даны варианты выполнения форм шероховатости внутренних поверхностей кольцевых канавок невращающихся подпятников; на фиг.5 дан вид по А-А фиг.1 на торцовую рабочую поверхность вращающегося диска пяты; на фиг.6 дан вид по Б-Б фиг.5.

Осевая опора скольжения забойного двигателя включает в себя вращающиеся диски 1 пяты, которые закреплены на валу 2 шпинделя внутренними распорными втулками 3. С помощью наружных распорных втулок 4 в корпусе 5 шпинделя закреплены невращающиеся подпятники 6, на верхней 7 и нижней 8 торцовых поверхностях которых выполнены кольцевые канавки 9, заполненные эластичным материалом - полиуретаном 10 - заподлицо с торцовыми поверхностями 7 и 8. Внутренние поверхности 11 кольцевых канавок 9 выполнены шероховатыми. Профиль и конфигурация шероховатости могут быть выполнены разной формы, например в виде выступов и углублений треугольной формы - фиг.2, в виде выступов и углублений прямоугольной формы - фиг.3. Выступы и углубления могут быть выполнены как на одной, так и на обеих боковых внутренних поверхностях кольцевых канавок 9, на обеих боковых внутренних поверхностях они могут быть выполнены также в виде взаимосогласованной резьбы. Выступы могут быть выполнены по длине кольцевых окружностей как сплошными по всей их длине, так и прерывистыми. Величина углублений шероховатости внутренних поверхностей 11 кольцевых канавок 9 может быть выполнена от 0,1 до 5,0 мм. На верхней 12 и нижней 13 торцовых рабочих поверхностях вращающихся дисков 1 пяты могут быть выполнены радиальные канавки 14, направление которых выполнено по спирали.

После изготовления новых невращающихся подпятников 6 или после удаления из кольцевых канавок 9 подлежащего замене эластичного материала 10 при ремонтах опоры производят заливку кольцевых канавок 9 полиуретаном. Для этого в полиуретан, представляющий собой в исходном виде жидкую массу, добавляют отвердитель, перемешивают смесь, заливают ее в кольцевые канавки 9 и оставляют на отверждение. При необходимости наружные плоскости отвержденных в кольцевых канавках 9 колец полиуретана 10 шлифуют, чтобы они были заподлицо с торцовыми поверхностями 7 и 8 невращающихся подпятников 6.

Работает заявляемая опора следующим образом.

Когда на опору действует осевая нагрузка сверху вниз, например, при подаче через продольный канал 15 вала 2 шпинделя рабочей жидкости на породоразрушающий инструмент, нижние 13 торцовые рабочие поверхности вращающихся дисков 1 пяты скользят по наружным поверхностям полиуретановых колец 10, залитых в кольцевые канавки 9 на верхних поверхностях невращающихся подпятников 6.

При воздействии осевой нагрузки снизу вверх (при работе породоразрушающего инструмента) верхние 12 торцовые рабочие поверхности вращающихся дисков 1 пяты скользят по наружным поверхностям полиуретановых колец 10, залитых в кольцевые канавки 9 на нижних поверхностях невращающихся подпятников 6.

Протекающая через осевую опору при работе забойного двигателя рабочая жидкость неизбежно содержит абразивные механические частицы и примеси, которые удаляются с рабочих поверхностей соприкасающихся элементов осевой опоры с помощью радиальных канавок 14, выполненных на верхней 12 и нижней 13 торцовых рабочих поверхностях вращающихся дисков 1 пяты заявляемой опоры.

Пять комплектов заявляемой опоры были изготовлены и испытаны в промысловых условиях при бурении скважин винтовыми забойными двигателями Д5-172.

Все комплекты опор показали нормальную работоспособность и полное достижение указанных целей.

Трудоемкость изготовления опор снизилась в 3-4 раза при нормальных условиях труда.

Срок надежной работы заявляемой опоры в эксплуатационных условиях бурения скважин у каждого испытуемого комплекта достиг 400-500 часов непрерывной работы вместо 80-100 часов известной опоры.

Формула изобретения

1. Осевая опора скольжения забойного двигателя, включающая закрепленные на валу шпинделя внутренними распорными втулками вращающиеся диски пяты и закрепленные в корпусе шпинделя наружными распорными втулками невращающиеся подпятники, на верхней и нижней торцовых поверхностях которых выполнены кольцевые канавки, заполненные эластичным материалом заподлицо с торцовыми поверхностями, отличающаяся тем, что внутренние поверхности кольцевых канавок невращающихся подпятников выполнены шероховатыми, а в качестве эластичного материала кольцевые канавки заполнены полиуретаном.

2. Осевая опора скольжения забойного двигателя по п. 1, отличающаяся тем, что шероховатость внутренних поверхностей кольцевых канавок выполнена в виде выступов и углублений треугольной формы.

3. Осевая опора скольжения забойного двигателя по п. 1, отличающаяся тем, что шероховатость внутренних поверхностей кольцевых канавок выполнена в виде выступов и углублений прямоугольной формы.

4. Осевая опора скольжения забойного двигателя по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что величина углублений шероховатости внутренних поверхностей кольцевых канавок выполнена от 0,1 до 5,0 мм.

5. Осевая опора скольжения забойного двигателя по любому из пп. 2-4, отличающаяся тем, что на обеих боковых внутренних поверхностях кольцевых канавок выполнена взаимосогласованная резьба.

6. Осевая опора скольжения забойного двигателя по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что на верхней и нижней торцовых рабочих поверхностях вращающихся дисков пяты выполнены радиальные канавки спирального направления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6