ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК E21B4/02 

Изобретение относится к технике бурения скважин.

Известны винтовые забойные двигатели, состоящие из двигательной и шпиндельной секций с промежуточным элементом между ними в виде карданного или торсионного соединения. В двигательную секцию входят рабочие органы - статор и ротор, представляющие винтовой героторный механизм. Статор, жестко соединенный с колонной бурильных труб, выполнен в виде стального корпуса и вулканизирован резиной с несколькими специально профилированными винтовыми зубьями, число которых на единицу больше числа зубьев ротора. Шпиндельная секция состоит из корпуса и вала с набором осевых и радиальных опорных узлов. Вращающий момент передается с ротора двигателя на вал шпиндельной секции посредством карданного или торсионного соединения и конусно-шлицевых муфт.

Для создания герметичных рабочих полостей и достаточной износостойкости в абразивной среде, обкладка статора должна быть эластичной и обеспечивать прочность при рабочем перепаде давления промывочной жидкости из области высокого давления в область низкого давления, оказывая существенное влияние на рабочий процесс двигателя. За счет эластичности обкладки статора, зависимость вращающего момента на валу двигателя от расхода промывочной жидкости становится более близкой к аналогичной зависимости для турбобуров, на характерной для машин объемного типа. Несмотря на наличие эластичного статора ротор двигателя подвержен сильному абразивному износу. Жесткая конструкция карданного (торсионного) узлов приводит к сильным вибрациям, отслаиванию резиновой обкладки статора и к интенсивному разрушению опорных узлов шпиндельной секции двигателя.

Наиболее близким к предлагаемому, из известных решений, является гидробур. Гидробур для бурения скважины, состоящий из маслонаполненного корпуса, подшипникового узла, узла уплотнения и рабочего органа, выполненного в виде вала с винтовой нарезкой и статора, снабженного полыми многослойными гибкими трубками, имеющими переменную по слоям прочность и гибкость и расположенными по периферии его внутренней полости.

Данная конструкция также обладает рядом существенных недостатков:
- конструктивная сложность гибких многослойных трубок;
- большой объем занимаемого диаметрального сечения, уменьшающий удельный рабочий объем двигателя и, как следствие, его объемный КПД;
- крутящий момент на валу двигателя представляет сумму отклоняющих радиальных моментов, возникающих на весьма малых наклонных площадках контакта винта ротора и гибкой трубки и, как следствие, малый механический КПД двигателя.

Цель изобретения - повышение энергетических характеристик гидравлического забойного двигателя за счет увеличения его удельного рабочего объема и рациональной схемы работы рабочего органа.

Данная цель достигается тем, что в предлагаемой конструкции двигателя рабочие камеры образованы поверхностью винтового многогранника-ротора, цилиндрической поверхностью статора и промежуточной эластичной оболочкой, расположенной между ними, которая закреплена на внутренней поверхности статора. Под действием гидравлического давления эластичная оболочка взаимодействует с поверхностями винтового многогранника-ротора, создавая на нем отклоняющий момент. Ротор вставляется в статор с минимальным зазором, равным толщине эластичной оболочки, а для снижения потерь на трение свободные объемы между ротором и оболочкой заполняются жидкой или консистентной смазкой.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый гидравлический забойный двигатель отличается тем, что рабочие камеры образованы поверхностью винтового многогранника-ротора и цилиндрической поверхностью статора с промежуточной эластичной оболочкой, расположенной между ними. Таким образом, предлагаемый гидравлический забойный двигатель соответствует критерию изобретения "Новизна".

В результате проведения патентно-информационных исследований не обнаружены технические решения со сходными существенными отличительными признаками в предлагаемом гидравлическом забойном двигателе, поэтому предлагаемое изобретение соответствует критерию "Существенные отличия".

Конструкция гидравлического забойного двигателя позволяет увеличить удельный рабочий объем двигателя, уменьшить износ рабочего органа - ротора, за счет эластичной оболочки, отделяющей от промывочной жидкости, содержащей частицы, увеличить долговечность трущихся пар, исключить вибрационные динамические нагрузки за счет соосного расположения рабочих органов статора-ротора - это позволяет достичь цель изобретения - повышение энергетических характеристик гидравлического забойного двигателя. Следовательно, предлагаемый гидравлический забойный двигатель соответствует критерию "положительный эффект".

На фиг. 1 изображен предлагаемый двигатель, продольный разрез; на фиг. 2,3 - сечения А-А и Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - развертка рабочих поверхностей статора и ротора.

Двигатель содержит корпус 1, статор 2 с закрепленной в статоре стержневыми фиксаторами эластичной оболочкой 3, образующей рабочие камеры, ротор 4, установленный в радиальные опоры 5, расположенные в торцевых крышках, и связанный конусно-шлицевой муфтой 6 с полым валом 7, установленным в радиальных опорах 8 шпиндельной секции 9. Для восприятия осевых усилий в корпусе шпинделя установлен упорный подшипник 10.

Двигатель работает следующим образом. Промывочная жидкость по внутренней поверхности бурильных труб (не показаны) заполняет полость А высокого давления двигательной секции и через продольные каналы 11, 12 и радиальные 13 поступает в продольные, изолированные друг от друга, рабочие камеры 14 и, отжимая эластичную оболочку от поверхности статора, передает давление на контактирующие с ней поверхности ротора, выполненного в виде винтового многогранника. Промывочная жидкость, проходя через рабочие камеры 14, вращает ротор 4 и поступает в полость низкого давления Б и далее через полый вал 7 шпиндельной секции 9 на забой. На фиг. 4 представлена развертка рабочей поверхности статора с рабочими камерами (заштрихованы) и развертка рабочей поверхности винтового многогранника (штрих-пунктирные линии). Угол подъема винтовой линии β зависит от торцевого шага P_в, длины рабочих камер L и коэффициента осевого перекрытия ε_β:
tgβ=
При ε_β > 1 каждая рабочая камера перекрывается гранью винтового многогранника и исключается прямой переток промывочной жидкости из области высокого давления А в область низкого давления Б. Удельное давление, возникающее в каждой рабочей камере, действуя на поверхность винтового многогранника, создает нормальное давление N, которое раскладывается на составляющие F_a, F_t и F_r (F_r не показано). Радиальные усилия F_r направлены к центру ротора и взаимно уравновешиваются, осевое усилие F_a воспринимается опорой ротора, а окружное усилие F_t создает крутящий момент T=F , вращающий ротор в направлении стрелки, как показано на фиг. 2 и 3.

Использование: техника для бурения скважин. Сущность: в гидравлическом забойном двигателе имеется оболочка 3 из эластичного материала. Оболочка 3 расположена между ротором 4 и статором 2 и закреплена в пазах статора 2 фиксаторами. Между оболочкой 3 и статором 2 расположены камеры. Ротор 4 выполнен в виде винтового многогранника с n - 1 гранями, камер n. Количество и длина камер связаны зависимостью, приведенной в описании. 4 ил.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий корпус, расположенные в корпусе рабочие органы в виде статора и закрепленного в статоре посредством подшипникового узла ротора, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности двигателя, он снабжен оболочкой из эластичного материала, статор выполнен в виде полого цилиндра с параллельными его оси пазами на внутренней поверхности и сквозными радиальными отверстиями, сообщенными с полостью корпуса, а ротор выполнен в виде винтового многогранника с n - 1 гранями, причем оболочка расположена между ротором и статором и закреплена в пазах статора посредством фиксаторов с возможностью образования n камер с внутренней поверхностью статора, количество n и длина L которых связана следующей зависимостью:
tg β = ε_β(P_в / L) ,
где β - угол подъема винтовой линии;
ε_β - коэффициент осевого перекрытия;
P_в - торцевой шаг, P_в = πd_м / n-1 ;
d_м - наружный диаметр многогранника.