ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК E21B4/02 

Изобретение относится к буровой технике, а именно к забойным двигателям, применяемым при бурении скважин.

Известен забойный двигатель, содержащий узел осевой опоры, турбинные секции, героторный механизм со статором и эксцентричным ротором с торсионами, причем героторный механизм располагается или под турбинными секциями или над ними.

Недостатком является то, что при установке героторного механизма под турбинными секциями на торсионы действуют избыточные осевые усилия, обусловленные перепадом давления на турбинных секциях и весом вращающихся деталей, что отрицательно влияет на работоспособность торсионов, испытывающих значительные знакопеременные нагрузки.

При расположении героторного механизма над турбинными секциями в период его работы в насосном режиме (частота вращения вала турбинных секций выше, чем у вала героторного механизма) на эксцентричном роторе возникают осевые усилия, которые приводят к его всплытию и отсоединению от турбинных секций и нарушению работы двигателя в целом.

Известен также забойный двигатель, содержащий турбинные секции и героторный механизм со статором, закрепленным в корпусе и эксцентрично расположенным ротором, причем валы турбинных секций и героторного механизма связаны разъемным торсионом, в верхней части героторный механизм оснащен упорным элементом, а разъемное соединение торсиона размещено в нижнем его окончании в месте соединения с валом турбинных секций.

К недостаткам такого двигателя следует отнести то, что во время его работы в разъемном соединении возникают высокие знакопеременные радиальные и осевые нагрузки, обусловленные планетарным движением винтового ротора относительно валов турбинных секций и режимом работы двигателя, вызывающие всесторонние перемещения валов в разъемном соединении, в результате чего будет нарушаться целостность эластичной манжеты и герметичность полости.

Задача, стоящая при создании забойного двигателя, состоит в разработке устройства, обеспечивающего надежность работы и взаимозаменяемость героторного механизма на турбинные секции или другие необходимые механизмы непосредственно на объекте работ.

Техническим результатом настоящего изобретения является: снижение осевого усилия на гибкие валы (торсионы), исключается рассоединение героторного механизма с турбинными секциями, обеспечивается взаимозаменяемость.

Изобретение позволяет достичь результата, удовлетворяющего давно существующей проблеме на промыслах, попытки решить которую долгое время не удавалось специалистам.

На основании изложенного можно сделать вывод о соответствии изобретения критерию "изобретательский уровень".

Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что в гидравлическом забойном двигателе, содержащем турбинные секции, героторный винтовой механизм со статором, закрепленным в корпусе, и эксцентрично расположенным ротором с разъемным торсионом, в верхней части героторный механизм оснащен упорным элементом, а разъемное соединение торсиона размещено в нижнем его окончании в месте соединения с валом турбинных секций, согласно изобретению упорный элемент выполнен в виде дискообразной пластины с отверстиями в периферийной части и стаканом в центре, в котором размещен шар для периодического взаимодействия с пятой, неподвижно закрепленной в верхней части эксцентричного ротора, причем внутренний диаметр стакана, наружный диаметр пяты и диаметр шара связаны соотношениями
D_ст≥D_ш + δ,
D_п≤ - 2 δ,
D_ш≥4 δ,
где
D_ст - внутренний диаметр стакана;
D_п - наружный диаметр пяты;
D_ш - диаметр шара;
δ - величина эксцентриситета ротора относительно статора,
а зазор между шаром и дном стакана равен максимально допустимому люфту в узле осевой опоры.

Таким образом, можно сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна".

На фиг. 1 показана схема гидравлического забойного двигателя.

Устройство содержит узел осевой опоры 1, турбинные секции 2, героторный винтовой механизм 3 со статором 4, эксцентрично расположенный ротор 5 и торсион 6 с разъемом в нижнем окончании, упорный элемент в виде дискообразной пластины 7 с отверстиями 8, стаканом 9, шаром 10 и пятой 11. Между шаром и пластиной установлен технологический зазор 12. Внутренний диаметр стакана больше или равен сумме диаметра шара и величины эксцентриситета ротора относительно статора героторного механизма, а наружный диаметр пяты меньше или равен разности между диаметром шара и удвоенной величиной эксцентриситета. Чтобы шар не заклинивался в зазоре между стенками стакана и пятой, его диаметр должен превышать четырехкратную величину эксцентриситета. Между шаром и дном стакана устанавливается первоначальный технологический зазор 12, равный максимально допустимому люфту в узле осевой опоры.

Двигатель работает следующим образом. Буровой раствор проходит сквозь отверстия 8 в дискообразной пластине 7 и попадает в рабочие органы героторного механизма 3 и турбинных секций 2. В период, когда частота вращения турбинных секций 2 превышает частоту вращения героторного механизма на холостом режиме, последний работает в насосном режиме и на роторе 5 возникает осевое усилие, направленное вверх и способствующее рассоединению торсиона 6 по разъемному соединению от вала турбинных секций. Однако через пяту 11 и шар 10 эти усилия воспринимаются пластиной 7, закрепленной в корпусе 3, неподвижной относительно статора 4. Величина подъема ограничена первоначально установленным зазором 12 между шаром 10 и дном стакана 9. Подвижное соединение торсиона 6, в зависимости от используемого типа турбинных секций, может быть конусно-шлицевым или квадратным. И так как подъем торсиона 6 ограничен, то сохраняется передача крутильных усилий и работоспособность двигателя. Для снижения момента трения в упорном элементе при вращении усилие передается через шар 10, имеющий наименьшую площадь контакта как с пятой 11, так и пластиной 7. Чтобы трение носило характер качения между шаром 10 и стенками стакана 9, имеется зазор, равный величине радиального перемещения винтового ротора 5 (эксцентриситета). Во избежании касания боковой поверхностью пяты 11 внутренних стенок стакана 9 при ее планетарном движении между ними установлен зазор, равный величине эксцентриситета, для чего наружный диаметр пяты 11 должен быть меньше разности между диаметром шара 10 и удвоенной величиной эксцентриситета. Начальный эксцентриситет составляет половину высоты зубьев ротора 5 героторного механизма. По мере их износа величина эксцентриситета возрастает, но не больше их полной высоты, что исключает касание пяты 11 со стенками стакана 9 даже при полном износе зубьев. По мере загрузки двигателя частоты вращения турбинных секций 2 и героторного механизма 3 совпадают и осевые усилия, обусловленные насосным режимом, уменьшаются до нулевых значений. Винтовой ротор 5 смещается вниз и тем самым разгружается упорный элемент. Периодичность работы упорного элемента способствует увеличению срока его деталей (7, 9, 10, 11). По мере работы в осевом узле 1 образуется люфт, величина которого ограничена. Поэтому возможен подъем вверх вала турбинных секций 2 и, следовательно, торсиона 6, ротора 5, пяты 11 и шара 10. Первоначально установленный зазор 12 между шаром 10 и дном стакана 9 исключает передачу осевых усилий, обусловленных технологией эксплуатации двигателя, на пластину 7. Кроме того, выполнение разъемного соединения в нижнем окончании торсиона 6 по стандартным изделиям и возможность отсоединения героторного механизма 3 обеспечивает взаимозаменяемость его на дополнительные турбинные секции или другие устройства, необходимые для конкретных условий, что уменьшает эксплуатационные затраты на содержание турбинных секций.

Гидравлический забойный двигатель предназначен для использования при бурении скважин. Двигатель содержит турбинные секции, героторный винтовой механизм со статором, закрепленным в корпусе и эксцентрично расположенным ротором с разъемным торсионом. В верхней части героторного механизма размещен упорный элемент, который выполнен в виде дискообразной пластины с отверстиями в периферийной части и стаканом в центре, в котором размещен шар для периодического взаимодействия с пятой. Внутренний диаметр стакана, наружный диаметр пяты и диаметр шара связаны определенными соотношениями. Зазор между шаром и дном стакана равен максимально допустимому люфту в узле осевой опоры. Изобретение позволяет повысить надежность работы и взаимозаменяемость механизмов. 1 ил.

Гидравлический забойный двигатель, содержащий турбинные секции, героторный винтовой механизм со статором, закрепленным в корпусе, и эксцентрично расположенным ротором с разъемным торсионом, в верхней части героторный механизм оснащен упорным элементом, а разъемное соединение торсиона размещено в нижнем его окончании в месте соединения с валом турбинных секций, отличающийся тем, что упорный элемент выполнен в виде дискообразной пластины с отверстиями в периферийной части и стаканом в центре, в котором размещен шар для периодического взаимодействия с пятой, неподвижно закрепленной в верхней части эксцентричного ротора, причем внутренний диаметр стакана, наружный диаметр пяты и шара связаны соотношениями
D_ст ≥ D_ш + δ;
D_п ≤ D_ш - 2δ,
где D_ст - внутренний диаметр стакана;
D_п - наружный диаметр пяты;
D_ш - диаметр шара, D_ш ≥ ′4δ,
δ - величина эксцентриситета ротора относительно статора,
а зазор между шаром и дном стакана равен максимально допустимому люфту в узле осевой опоры.