Забойный двигатель с концентрической роторной приводной системой

Забойный двигатель с концентрической роторной приводной системой

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ РАСКРЫТИЕ

Настоящее раскрытие относится, в общем, к подшипниковым опорам для забойных двигателей, используемых при бурении нефтяных, газовых и водяных скважин. Настоящее раскрытие также относится к приводным системам, содержащимся в таких забойных двигателях.

ПРЕДПОСЫЛКИ

При бурении в земле ствола скважины, такого как для добычи углеводородов или минералов из толщины пород, буровое долото принято присоединять к нижнему концу установки соединенных концами секций бурильных труб (обычно называемой "бурильной колонной"), а затем приводить во вращение бурильную колонну, в результате чего буровое долото продвигается в земле вперед в направлении вниз, образуя необходимый ствол скважины. В традиционных операциях бурения вертикальных стволов скважин бурильная колонна и буровое долото вращаются с помощью или "стола бурового ротора", или "верхнего привода", связанных с буровой установкой, установленной на поверхности земли над стволом скважины (или, при морском бурении, на опирающейся на морское дно буровой платформе или соответствующим образом приспособленном плавучем основании).

В процессе бурения буровая текучая среда (также обычно называемая "буровым раствором" или просто "раствором") подается насосом под давлением в направлении вниз с поверхности через бурильную колонну и из бурового долота в ствол скважины, и затем обратно в направлении вверх к поверхности через кольцевое пространство между бурильной колонной и стволом скважины. Буровая текучая среда, которая может быть на водной основе или на нефтяной основе, как правило, является вязкой для усиления ее способности переносить буровой шлам, образующийся в стволе скважины, к поверхности. Буровая текучая среда может выполнять различные другие полезные функции, включая улучшение показателей работы бурового долота (например, за счет подачи текучей среды под давлением через каналы в буровом долоте, создания струй бурового раствора, которые резко внедряются в нижележащий пласт впереди бурового долота и ослабляют его), охлаждение бурового долота и образование защитной корки на стенке ствола скважины (для обеспечения устойчивости и герметизации стенки ствола скважины).

В частности, с середины 1980-х годов все большее распространение получило и стало желательным в нефтегазовой промышленности использование методов "направленного бурения" для бурения горизонтальных и других невертикальных стволов скважин для обеспечения более эффективного доступа к более значительным по размерам нефтегазоносным толщинам пород и более эффективную добычу из них, чем это возможно при использовании только вертикальных стволов скважин. При направленном бурении для того, чтобы вызывать отклонения траектории движения бурового долота, осуществлять их текущий контроль и управлять ими в целях получения ствола скважины необходимой невертикальной конфигурации, используются специализированные компоненты бурильной колонны и "оборудование низа бурильной колонны" (ВНА).

Направленное бурение обычно осуществляется с использованием забойного двигателя (который принято называть "гидравлический забойный двигатель"), встроенного в бурильную колонну непосредственно над буровым долотом. Типичный известный гидравлический забойный двигатель содержит несколько следующих основных компонентов (в порядке перечисления начиная сверху двигательного агрегата):

- верхний переводник для обеспечения возможности соединения с нижним концом бурильной колонны (термин "переводник" является общепринятым термином в нефтегазовой промышленности для обозначения любого небольшого или вспомогательного компонента бурильной колонны);

- силовую секцию, содержащую двигатель объемного вытеснения известного типа, снабженный ротором со спиральными лопастями, имеющим возможность эксцентричного вращения внутри статорной секции;

- кожух приводного вала, выполненный прямым, изогнутым или ступенчато регулируемым в интервале между нулевыми углами и максимальным углом;

- приводной вал, заключенный внутри кожуха приводного вала, причем верхний конец приводного вала функционально связан с ротором силовой секции; и

- шпиндельную секцию, содержащую цилиндрический шпиндель, расположенный коаксиально и с возможностью вращения внутри цилиндрического кожуха, причем верхний конец связан с нижним концом приводного вала, и нижний конец приспособлен для присоединения к буровому долоту.

Шпиндель вращается приводным валом, который вращается под действием потока буровой текучей среды, находящейся под давлением, через силовую секцию. Шпиндель вращается относительного цилиндрического кожуха, который соединен с бурильной колонной.

Известные гидравлические забойные двигатели содержат силовые секции, в которых используется или приводная система Муано, или приводная система турбинного типа. Силовые секции этих типов относительно длинные, как правило, длиной 15-20 футов для силовых секций типа Муано и 20-30 футов для турбин для размеров двигателей с диаметром от 5'' дюймов до 8'' дюймов. Для направленного бурения с помощью двигательной установки с кривым переводником оптимальным решением является размещение кривого переводника в нескольких футах от долота для обеспечения оптимальной степени кривизны отверстия и достаточную управляемость установки. При расположении кривого переводника выше силовой секции или турбины его удаление от долота было бы слишком большим для обеспечения эффективности, и поэтому кривой переводник необходимо располагать ниже силовой секции или турбины. Кривой переводник обычно вмонтирован внутри кожуха приводного вала. Приводной вал, как правило, снабжен универсальными шарнирами для приспосабливания к угловой несоосности между силовой секцией и подшипниковой опорой, а также для эксцентричной работы в случае силовой секции Муано. Универсальные шарниры и резьбовые соединения приводных валов, как правило, являются самыми слабыми частями двигательной установки и местами наиболее вероятного возникновения механических разрушений.

Аналогичные типы гидроприводных механизмов вращательного действия описаны в патентах США №6280169, №6468061, №6939117 и №6976832 (все из которых включены в данный документ полностью посредством ссылки). Величины скорости вращения и крутящего момента, которые могут быть получены на выходе этих механизмов, сопоставимы с величинами скорости вращения и крутящего момента, характерными для силовых секций Муано и турбинного типа, но в лишь в коротких силовых секциях длиной не более один-три футов. Эти механизмы содержат систему продольных лопастей и затворов, выполненных с впускными и выпускными каналами для направления текучей среды для создания давления между лопастями и затворами для приведения двигателя во вращение. Механизмы работают с концентрическим вращением относительно друг друга внутреннего вала и наружного кожуха. Меньшая длина и концентричная работа позволяют непосредственно встраивать любые из этих приводных систем внутри подшипниковой опоры гидравлического забойного двигателя или присоединять к ней, и при этом отпадает необходимость в узле приводного вала с универсальными шарнирами. Механизм искривления с постоянным или регулируемым углом перекоса может быть присоединен выше приводной секции при сохранении при этом расстояния между долотом и кривым переводником столь же малым, как и в типичных забойных двигателях, или еще меньше. В результате общая длина двигателя значительно меньше, чем в типичных установках.

Для этих приводных механизмов не требуются никакие эластомерные элементы, в отличие от приводных систем типа Муано, которые содержат эластомерные статорные элементы, ограничивающие рабочую температуру системы типа Муано на уровне не выше приблизительно 325-350°F [градусов Фаренгейта]. Кроме того, при температуре выше 140°F работоспособность приводных систем типа Муано резко снижается. По этой причине эти концентрично работающие приводные системы подходят для использования в областях применения с крайне высокими температурами и геотермальными температурами (+500 градусов Фаренгейта), которые выше предельно допустимых температур для систем типа Муано, и при этом их эксплуатационные качества лишь немного ухудшаются или вовсе не ухудшаются.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с настоящим раскрытием предлагается забойный двигатель, содержащий приводную систему, выполненную в виде системы из продольных лопастей и затворов, с впускными и выпускными каналами для направления текучей среды для создания давления между лопастями и затворами для приведения двигателя во вращение. Предпочтительно приводная система концентрично соединена с подшипниковой опорой при сохранении достаточно короткого расстояния, позволяющего располагать механизм искривления выше приводной секцией, и при исключении необходимости в соединении приводной секции со шпиндельной секцией с помощью приводного вала, как это имеет место в известных гидравлических забойных двигателях. В качестве альтернативы, кривой переводник может быть расположен ниже приводной секции в сочетании с использованием узла приводного вала для соединения приводной секции со шпиндельной секцией для размещения кривого переводника как можно ближе к долоту.

В первом аспекте в настоящем раскрытии предлагается роторная приводная система для текучей среды, содержащая:

первый корпус и второй корпус, причем выбранный один из корпусов расположен коаксиально внутри другого корпуса с образованием между ними промежутка для рабочей текучей среды, и при этом второй корпус выполнен с возможностью вращения относительно первого корпуса вокруг оси вращения;

по меньшей мере один затвор, поддерживаемый выбранным одним из первого и второго корпусов так, что каждый затвор выполнен с возможностью качения или поворота на осевом шарнире вокруг оси, параллельной оси вращения;

по меньшей мере одну лопасть, имеющуюся на корпусе, не поддерживающем по меньшей мере один затвор;

один или несколько впускных каналов для текучей среды, направляющих поток текучей среды в промежуток для рабочей текучей среды; и

один или несколько выпускных каналов для текучей среды, расположенных с интервалом в осевом направлении относительно впускных каналов для текучей среды и направляющих поток текучей среды за пределы промежутка для рабочей текучей среды; причем:

корпус, поддерживающий по меньшей мере один затвор, образует для каждого затвора карман для затвора, в который связанный с ним затвор может смещаться поворотом на осевом шарнире при контакте с лопастью;

каждый карман для затвора и связанный с ним затвор взаимно сконфигурированы с образованием между ними полости для инородных частиц, способной вмещать инородные частицы, когда в ней расположен связанный с ней затвор; и

роторная приводная система для текучей среды образует путь для текучей среды, через который рабочая текучая среда может поступать в приводную систему и выходить из нее, причем путь для текучей среды включает один или несколько впускных каналов для текучей среды, промежуток для рабочей текучей среды и один или несколько выпускных каналов для текучей среды, так что поток рабочей текучей среды, проходящий вдоль пути для текучей среды, будет вызывать вращение второго корпуса относительно первого корпуса.

В некоторых вариантах осуществления каждый затвор и связанный с ним карман для затвора взаимно сконфигурированы с образованием по меньшей мере одного пути потока в кармане для затвора, через который текучая среда может поступать из пространства между карманом для затвора и затвором в промежуток для рабочей текучей среды, когда затвор смещается в максимальной степени в карман для затвора поворотом на осевом шарнире. В таких вариантах осуществления каждый затвор (который будет иметь свободную продольную кромку) и связанный с ним карман для затвора могут быть взаимно сконфигурированы так, что, когда затвор смещается в максимальной степени в связанный с ним карман для затвора поворотом на осевом шарнире, продольная кромка будет обращена к стенке кармана для затвора и расположена на расстоянии от нее, с образованием нижней по потоку части пути потока в кармане для затвора.

В некоторых вариантах осуществления на поверхности каждого затвора, обращенной к связанному с ним карману для затвора, может быть образован ряд отстоящих друг от друга выступов, причем промежуток или зазор между соседними выступами образует связанную с ними верхнюю по потоку часть пути потока в кармане. В таких вариантах осуществления выступы и карманы для затворов могут быть взаимно сконфигурированы так, что выступы могут примыкать к поверхности кармана для затвора, когда затвор смещается в максимальной степени в связанный с ним карман для затвора поворотом на осевом шарнире. Предпочтительно, хотя это и не является обязательно необходимым, выступы будут расположены с равными интервалами относительно друг друга вдоль длины соответствующего затвора. Размеры зазоров между выступами могут быть установлены так, что суммарная длина зазоров на каждом затворе будет составлять по меньшей мере 10% длины затвора. В альтернативных вариантах осуществления суммарная длина зазоров может составлять по меньшей мере 30% длины затвора, и в других вариантах осуществления она может составлять до 90% длины затвора.

Предпочтительно, хотя это и не является обязательно необходимым, каждый затвор может иметь связанные с ним смещающие средства (такие как, пружина в качестве неограничивающего примера) для смещения затвора так, чтобы он смещался поворотом на осевом шарнире в направлении удаления от связанного с ним кармана для затвора и по направлению к корпусу, снабженному по меньшей мере одной лопастью. В вариантах осуществления, снабженных смещающими средствами, содержащими пружину, пружина может простираться вдоль и внутри продольного расточенного отверстия, образованного в связанном с ней затворе. В таких вариантах осуществления один конец каждой пружины может удерживаться с фиксацией от вращения относительно связанного с ней затвора; необязательно этот конец каждой пружины может быть закреплен шпонкой в части корпуса, снабженного карманами для затворов.

Впускные каналы могут быть расположены выше по потоку по отношению к выпускным каналам, относительно направления потока рабочей текучей среды вдоль пути для текучей среды.

Роторный привод для текучей среды может содержать механизм управления потоком, расположенный внутри второго корпуса в выбранном месте между одним или несколькими впускными каналами для текучей среды и одним или несколькими выпускными каналами для текучей среды.

В некоторых вариантах осуществления роторного привода для текучей среды первый корпус расположен внутри второго корпуса. В альтернативных вариантах осуществления второй корпус расположен внутри первого корпуса.

Во втором аспекте в настоящем раскрытии предлагается роторная приводная система для текучей среды, содержащая:

первый корпус и второй корпус, причем выбранный один из корпусов расположен коаксиально внутри другого корпуса с образованием между ними промежутка для рабочей текучей среды, и при этом второй корпус выполнен с возможностью вращения относительно первого корпуса вокруг оси вращения;

по меньшей мере одни затвор, поддерживаемый выбранным одним из первого и второго корпусов так, что каждый затвор выполнен с возможностью качения или поворота на осевом шарнире вокруг оси, параллельной оси вращения;

по меньшей мере одну лопасть, имеющуюся на корпусе, не поддерживающем по меньшей мере один затвор;

один или несколько впускных каналов для текучей среды, направляющих поток текучей среды в промежуток для рабочей текучей среды; и

один или несколько выпускных каналов для текучей среды, отстоящих в осевом направлении от впускных каналов для текучей среды и направляющих поток текучей среды за пределы промежутка для рабочей текучей среды; причем:

корпус, поддерживающий по меньшей мере один затвор, образует для каждого затвора карман для затвора, в который может смещаться поворотом на осевом шарнире связанный с ним затвор при контакте с лопастью;

каждый затвор имеет поверхность, обращенную к связанному с ним карману для затвора и имеющую ряд выступов, причем зазоры между соседними выступами образуют путь потока кармана для затвора;

роторная приводная система для текучей среды образует путь для текучей среды, через который рабочая текучая среда может поступать в приводную систему и выходить из нее, причем путь для текучей среды включает один или несколько впускных каналов для текучей среды, промежуток для рабочей текучей среды и один или несколько выпускных каналов для текучей среды, так что прохождение потока рабочей текучей среды вдоль пути для текучей среды будет вызывать вращение второго корпуса относительно первого корпуса; и

рабочая текучая среда может проходить через каждый путь потока кармана для затвора из связанного с ним кармана для затвора в промежуток для рабочей текучей среды, когда связанный с ним затвор в максимальной степени смещен в связанный с ним карман для затвора.

В некоторых вариантах осуществления каждый затвор (который будет иметь свободную продольную кромку) и связанный с ним карман для затвора могут быть взаимно сконфигурированы так, что, когда затвор смещается в максимальной степени поворотом на осевом шарнире в связанный с ним карман для затвора, продольная кромка будет обращена к стенке кармана для затвора и расположена на расстоянии от нее, с образованием нижней по потоку части пути потока кармана для затвора.

Предпочтительно, хотя это и не является обязательно необходимым, выступы будут расположены с равными интервалами относительно друг друга вдоль длины соответствующего затвора. Размеры зазоров между выступами могут быть установлены так, что суммарная длина зазоров на каждом затворе будет составлять по меньшей мере 10% длины затвора. В альтернативных вариантах осуществления суммарная длина зазоров может составлять по меньшей мере 30% длины затвора и в других вариантах осуществления она может составлять до 90% длины затвора.

Предпочтительно, хотя это и не является обязательно необходимым, каждый затвор может иметь связанные с ним смещающие средства (такие как, пружина в качестве неограничивающего примера) для смещения затвора так, что он поворачивается на осевом шарнире в направлении удаления от связанного с ним кармана для затвора и по направлению к корпусу, снабженному по меньшей мере одной лопастью. В вариантах осуществления, снабженных смещающими средствами, содержащими пружину, пружина может простираться вдоль и внутри продольного расточенного отверстия, образованного в связанном с ней затворе. В таких вариантах осуществления один конец каждой пружины может удерживаться фиксацией от вращения относительно связанного с ней затвора; необязательно этот конец каждой пружины может быть закреплен шпонкой в части корпуса, в котором образованы карманы для затворов.

Впускные каналы могут быть расположены выше по потоку по отношению к выпускным каналам, относительно направления потока рабочей текучей среды вдоль пути для текучей среды.

Роторный привод для текучей среды может содержать механизм управления потоком, расположенный внутри второго корпуса в выбранном месте между одним или несколькими впускными каналами для текучей среды и одним или несколькими выпускными каналами для текучей среды.

В третьем аспекте в настоящем раскрытии предлагается буровой двигатель, содержащий:

подшипниковую опору, содержащую обычно цилиндрический кожух, имеющий верхний конец и нижний конец; обычно цилиндрический шпиндель, имеющий верхний конец, нижний конец и продольное расточенное отверстие, причем шпиндель расположен коаксиально внутри кожуха с возможностью вращения относительно него вокруг оси вращения; радиальные опорные средства, расположенные в кольцевом промежутке между кожухом и шпинделем, и упорные опорные средства, расположенные в кольцевом промежутке между кожухом и шпинделем;

обычно цилиндрический ротор, имеющий верхний конец, нижний конец и продольное расточенное отверстие, причем ротор коаксиально расположен внутри кожуха с образованием между ними обычно кольцевого промежутка для рабочей текучей среды, и при этом ротор функционально сцеплен со шпинделем с возможностью вращения вместе с ним;

ряд продолговатых затворов;

по меньшей мере одну ориентированную в осевом направлении лопасть, входящую в контакт с затворами во время вращения относительно друг друга ротора и кожуха;

один или несколько впускных каналов для текучей среды, обеспечивающих возможность прохождения текучей среды из верхней области расточенного отверстия ротора в промежуток для рабочей текучей среды; и

один или несколько выпускных каналов для текучей среды, обеспечивающих возможность поступления текучей среды из промежутка для рабочей текучей среды в нижнюю область расточенного отверстия ротора;

причем буровой двигатель образует путь для текучей среды, включающий впускные каналы для текучей среды, промежуток для рабочей текучей среды и выпускные каналы для текучей среды, так что поток рабочей текучей среды, проходящий вдоль пути для текучей среды, будет приводить к вращению относительно друг друга ротора и кожуха, тем самым вызывая смещение каждого затвора одного за другим под действием каждой лопасти.

В некоторых вариантах осуществления затворы могут поддерживаться кожухом и иметь возможность поворота на осевом шарнире вокруг оси, параллельной оси вращения. В других вариантах осуществления затворы могут поддерживаться ротором и иметь возможность поворота на осевом шарнире вокруг оси, параллельной оси вращения. Еще в других вариантах осуществления затворы могут быть радиально действующими и поддерживаемыми кожухом или, альтернативно, радиально действующими и поддерживаемыми ротором.

Буровой двигатель может содержать смещающие средства, связанные с затворами, предназначенные для смещения затворов в сторону удаления от компонента, поддерживающего затворы.

Буровой двигатель может быть отконфигурирован так, что шпиндель сцепляется с ротором с возможностью коаксиального вращения вместе с ним. Такое сцепление шпинделя и ротора с возможностью коаксиального вращательного движения может быть осуществлено любыми функционально эффективными средствами, такими как без ограничения:

- посредством шлицевого соединения, при этом верхняя часть шпинделя располагается коаксиально внутри расточенного отверстия ротора;

- посредством взаимно сопрягающихся утолщений, имеющихся на верхнем конце шпинделя и нижнем конце ротора;

- посредством механизма сцепления, расположенного между верхним концом шпинделя и нижним концом ротора;

- посредством коробки передач, расположенной между верхним концом шпинделя и нижним концом ротора;

- посредством обычно цилиндрической соединительной муфты, имеющей нижнюю часть с внутренней резьбой, имеющей возможность сцепления взаимным сопряжением с наружной резьбой, имеющейся на верхнем конце шпинделя, и имеющей верхнюю часть с внутренними шлицами, имеющими возможность сцепления взаимным сопряжением с наружными шлицами, имеющимися на нижнем конце ротора;

- посредством приводного вала, имеющего верхний конец, жестко и коаксиально сцепляющийся с нижним концом ротора, и нижний конец, в который встроен универсальный шарнир, который сцепляется с кожухом приводного вала, спаренным с верхним концом шпинделя; или

- посредством приводного вала, имеющего верхний конец, в который встроен верхний универсальный шарнир, сцепляющийся с кожухом верхнего конца приводного вала, спаренным с нижним концом ротора, и нижний конец, в который встроен нижний универсальный шарнир, который сцепляется с кожухом приводного вала, спаренным с верхним концом шпинделя.

Кожух бурового двигателя может вмещать кривой переводник, который может представлять собой необязательно кривой переводник с постоянным или регулируемым углом перекоса. В конкретных вариантах осуществления кривой переводник будет располагаться выше ротора; в общем говоря, однако, определение местонахождения кривого переводника, когда он вводится, будет зависеть от выбора конструктивного решения с учетом рабочих параметров. Например, в некоторых вариантах осуществления кривой переводник может быть установлен ниже ротора. В вариантах осуществления, включающих приводной вал, коаксиально сцепленный с ротором и сцепленный со шпинделем с помощью универсального шарнира, кривой переводник может быть установлен вблизи универсального шарнира. В вариантах осуществления, включающих приводной вал, имеющий верхний и нижний универсальные шарниры, кривой переводник может быть установлен между универсальными шарнирами.

В некоторых вариантах осуществления радиальные опорные средства могут быть приспособлены для передачи радиальных нагрузок от шпинделя к кожуху через ротор, например, посредством неограничивающего примера, приспосабливания ротора для того, чтобы он служил радиальным подшипником.

Необязательно буровой двигатель может содержать средство управления потоком, предназначенное для изменения характеристик потока текучей среды, проходящего через двигатель, чтобы регулировать скорость вращения двигателя. В некоторых вариантах осуществления средство управления потоком может быть отконфигурировано так, чтобы обеспечить возможность обхода текучей среды промежутка для рабочей текучей среды, когда перепад давления на промежутке для рабочей текучей среды превышает заранее заданную величину. В других вариантах осуществления средство управления потоком может содержать в качестве неограничивающего примера:

- предохранительный клапан, коаксиально расположенный внутри ротора;

- пластину, выполненную как одно целое по выбору либо со шпинделем, либо с ротором и размещенную так, чтобы разделять поток между впускными каналами для текучей среды и выпускными каналами для текучей среды;

- сопло для непрерывного перепуска части потока текучей среды через ротор;

- разрывной диск, установленный для разделения потока между впускными каналами для текучей среды и выпускными каналами для текучей среды; или

- средство для смещения потока текучей среды к наружной стороне кожуха.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Ниже приведено описание вариантов осуществления в соответствии с настоящим раскрытием со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых схожие детали обозначены аналогичными позициями и на которых:

на фиг. 1 изображен продольный разрез подшипниковой опоры, включающей вариант осуществления роторной приводной системы в соответствии с настоящим раскрытием;

на фиг. 2 изображен продольный разрез в увеличенном масштабе подшипниковой опоры и роторной приводной системы, показанных на фиг. 1;

на фиг. 3 изображен поперечный разрез роторной приводной системы, показанной на фиг. 1 и 2;

на фиг. 4 изображен изометрический вид одного варианта осуществления одного из затворов, используемых в роторной приводной системе, показанной на фиг. 3;

на фиг. 4А изображен изометрический вид торсиона, предназначенного для использования совместно с затвором, показанным на фиг. 4;

на фиг. 4В изображен изометрический вид кольца предварительного натяга затвора, предназначенного для использования совместно с торсионами, показанными на фиг. 4А;

на фиг. 5 изображен изометрический вид в разрезе кожуха роторной приводной системы, показанной на фиг. 1-3;

на фиг. 6 изображен изометрический вид в разрезе роторной приводной системы, показанной на фиг. 1-3, но с непоказанными шпинделем и ротором;

на фиг. 7 и 8 изображены разрезы роторной приводной системы по фиг. 3, показывающие лопастной вал в различных угловых положениях относительно кожуха;

на фиг. 9 изображен продольный разрез подшипниковой опоры, включающей альтернативный вариант осуществления, в котором ротор роторной приводной системы сцепляется со шпинделем шпиндельной секции соединением торец в торец;

на фиг. 9А изображен продольный разрез варианта подшипниковой опоры по фиг. 9;

на фиг. 10 изображен детальный вид в разрезе в увеличенном масштабе одного варианта осуществления установки предохранительного клапана, предназначенной для использования совместно с роторными приводными системами в соответствии с настоящим раскрытием;

на фиг. 11 изображен детальный вид в разрезе в увеличенном масштабе варианта предохранительного клапана, показанного на фиг. 10;

на фиг. 12 изображен детальный вид в разрезе соединения торец в торец ротора и шпинделя в альтернативном варианте осуществления роторной приводной системы в соответствии с настоящим раскрытием с использованием резьбового и шлицевого соединителя;

на фиг. 12А и 12В изображены изометрический вид и вид в разрезе соответственно резьбового соединителя и шлицевого соединителя по фиг. 12;

на фиг. 13 изображен продольный разрез альтернативного варианта осуществления забойного двигателя, содержащего концентричную роторную приводную систему в соответствии с настоящим раскрытием, в которой механизм искривления расположен ниже роторной приводной системы и роторная приводная система функционально связана со шпиндельной секцией двигателя посредством приводного вала, имеющего один универсальный шарнир;

на фиг. 13А изображен вид в разрезе в увеличенном масштабе механизма искривления и приводного вала забойного двигателя по фиг. 13;

на фиг. 14 изображен продольный разрез дополнительного варианта осуществления забойного двигателя, содержащего концентричную роторную приводную систему в соответствии с настоящим раскрытием, в котором роторная приводная система соединена с известной шпиндельной секцией посредством известного приводного вала, имеющего два универсальных шарнира.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фигурах показаны различные варианты осуществления забойных двигателей в соответствии с настоящим раскрытием. На фиг. 1 показана подшипниковая опора 100, содержащая концентрическую роторную приводную систему в первом варианте ее осуществления, обозначенную позицией 110, соединенную своим верхним концом с нижним концом механизма искривления 200, который содержит кривой переводник 210 с постоянным или регулируемым углом перекоса. Хотя показанная подшипниковая опора содержит механизм искривления, следует понимать, что его наличие не является обязательным, так как подшипниковая опора и роторные приводные системы в соответствии с настоящим изобретением могут альтернативно работать при отсутствии механизма искривления (то есть в случае бурения прямого или не имеющего отклонения участка скважины).

Подшипниковая опора 100 содержит продолговатый шпиндель 10, расположенный коаксиально внутри обычно цилиндрического кожуха 20 с возможностью вращения относительно него, причем нижний конец 12 шпинделя 10 выступает из нижнего конца 22 кожуха 20 и приспособлен для соединения с буровым долотом или другими компонентами ВНА, находящимися ниже двигателя. Шпиндель 10 имеет центральное расточенное отверстие 14 для прохождения рабочей текучей среды, такой как буровая текучая среда. Верхний конец 205 механизма искривления 200 приспособлен для соединения с бурильной колонной или с другими компонентами ВНА, находящимися выше двигателя.

Основные особенности подшипниковой опоры 100 и роторной приводной системы 110 по фиг. 1 более детально показаны на фиг. 2 и 3. Роторная приводная система 110 содержит обычно цилиндрический центральный вал 120 (иначе называемый ротором 120), концентрически связанный со шпинделем 10 с возможностью вращения вместе с ним внутри кожуха 20. Соответственно между ротором 120 и кожухом 20 образован обычно кольцевой промежуток 40. Кольцевой промежуток 40 иначе упоминается здесь как промежуток 40 для рабочей текучей среды. Внутри кожуха 20 неподвижно закреплены торцовые шайбы 42U и 42L, определяющие собой верхнюю и нижнюю границы промежутка 40 для рабочей текучей среды. Торцовые шайбы 42U и 42L служат также для ограничения осевого положения ротора 120 относительно кожуха 20.

В показанном варианте осуществления ротор 120 концентрически связан со шпинделем 10 посредством шлицевого соединения так, как показано на фиг. 3, при этом шлицы 16 выступают из наружной поверхности шпинделя 10, причем они сцепляются с сопрягающимися с ними пазами 122 на внутренней поверхности расточенного отверстия ротора 120. Однако, ротор 120 может быть связан со шпинделем 10 с возможностью вращения вместе с ним другим способом. В качестве неограничивающего примера, шпиндель 10 и ротор 120 могут примыкать друг к другу, соединяясь друг с другом концами, и при этом они связаны друг с другом с возможностью вращения с помощью механизма, содержащего сопрягающиеся друг с другом соосно-упорядоченные утолщения на каждом компоненте, как это выполнено в альтернативном варианте осуществления, показанном на фиг. 9 (где сопряженные утолщения на шпинделе 10 и роторе 120 обозначены позициями соответственно 19 и 129). Другими примерами средств для соединения друг с другом концами с возможностью вращения шпинделя 10 и ротора 120 могут служить резьбовые соединения, шлицевые соединения, коробки передач и муфты сцепления в соответствии с известными технологиями.

В качестве неограничивающего примера, на фиг. 12 показан альтернативный вариант осуществления, обозначенный позицией 400, шпиндельной секции, содержащей роторную приводную систему в соответствии с настоящим изобретением, в котором для передачи крутящего момента от ротора 120 к шпинделю 10 используется резьбовое и шлицевое соединение 410. В этом варианте осуществления ротор 120 поддерживается на обоих концах ротора своей собственной группой радиальных подшипников 440 (на фиг. 12 показаны только нижние радиальные подшипники 440).

Как показано на фиг. 12, 12А и 12В, соединение 410 содержит нижнюю цилиндрическую часть 420, имеющую внутреннюю резьбу 425, и верхнюю обычно цилиндрическую часть 430, расточенное отверстие которой образует продольные шлицы 432 и пазы 435. Верхняя 430 и нижняя 420 части коаксиально примыкают друг к другу, причем в переходной части между верхней 430 и нижней 420 частями имеется центральное расточенное отверстие 415. Верхний конец 10U шпинделя 10 в этом варианте осуществления снабжен наружной резьбой 15, сцепляющейся с внутренней резьбой 425 в нижней части 420 соединения 410. Нижний конец 120L ротора 120 выполнен со шлицами 115, сцепляющимися с пазами 435 на верхней части 430 соединения 410.

Как показано на фиг. 1, 2, 5, 7 и 8, в области ротора 120, находящейся выше по потоку, выполнены впускные каналы 116 для текучей среды, проходящие сквозь шпиндель 10 и ротор 120, для обеспечения возможности прохождения текучей среды из расточенного отверстия 14 шпинделя в промежуток 40 для рабочей текучей среды, и в области ротора 120, находящейся ниже по потоку, выполнены выпускные каналы 117 для текучей среды, проходящие сквозь ротор 120 и шпиндель 10, для обеспечения возможности прохождения текучей среды из промежутка 40 для рабочей текучей среды обратно в расточенное отверстие 14 шпинделя. Таким образом, роторную приводную систему 110 можно рассматривать как образующую путь для текучей среды через роторную приводную систему, простирающийся от зоны входа текучей среды в находящейся выше по потоку области 14U расточенного отверстия 14 шпинделя, через впускные каналы 116 в промежуток 40 для рабочей текучей среды и из промежутка 40 для рабочей текучей среды через выпускные каналы 117 в зону выхода текучей среды в находящейся ниже по потоку области 14D расточенного отверстия 14 шпинделя, расположенной вблизи нижнего конца 120L ротора 120, и от этой зоны поток текучей среды может проходить дальше внутри расточенного отверстия 14 шпинделя по направлению к долоту.

Как лучше всего видно из фиг. 3, 5, 7 и 8, наружную поверхность периметра ротора 120 образует ряд расположенных с равными интервалами относительно друг друга продольных лопастей 124 ротора. Как лучше всего видно из фиг. 3, 5, 6, 7 и 8, во внутренней поверхнос