ВИНТОВОЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК E21B4/02 

Винтовой забойный двигатель относится к буровой технике и может быть использован при бурении нефтяных и газовых скважин в качестве привода долота.

Известен винтовой забойный двигатель фирмы "Шлюмберже", содержащий корпус, рабочие органы, образующие полости высокого и низкого давления, включающие полый ротор и статор, установленный в корпусе с возможностью вращения, опорный узел статора, включающий радиально-упорный шарикоподшипник, установленный в корпусе выше рабочих органов, и радиальную опору статора, узел соединения ротора с неподвижным корпусом и предохранительный клапан (см. , например, книгу "Забойные винтовые двигатели для бурения скважин" Москва, "Недра", 1981 г., с. 205, рис.80, авторы: Гусман М.Т. и др.). Недостатком известного винтового забойного двигателя является то, что статор, установленный в корпусе с возможностью вращения, непосредственно связан с долотом, являющимся источником ударной забойной нагрузки. При работе винтового забойного двигателя ударная забойная нагрузка воспринимается и передается резиновыми зубьями вращающегося статора, которые, взаимодействуя со стальными (металлическими) зубьями невращающегося ротора, упруго деформируются с высокой частотой, растрескиваются, выкрашиваются и быстро разрушаются.

Это подтверждается практикой испытаний, проведенных фирмой "Шлюмберже" на Ближнем Востоке: "Статоры приходили в негодность через 20-50 часов работы из-за разрушения зубчатой резиновой обкладки".

Другим недостатком известного винтового забойного двигателя является то, что в двигателе ограничена длина рабочих органов из-за значительного сопротивления вращению статора со стороны корпуса, его заедания и заклинивания при попадании мелких абразивных частиц в зазор между статором и корпусом. В связи с этим в известном двигателе появляется острая необходимость обеспечивать высокую герметичность уплотнений вращающегося статора. А это проблематично.

Недостатком известного винтового забойного двигателя является то, что при спускоподъемных операциях в двигатель беспрепятственно попадает шлам из скважины через промывочные отверстия в долоте, через полый ротор, через рабочие органы. При запуске двигателя в работу шлам оседает и остается в рабочих органах, нарушая контакт ротора и статора, интенсивно их изнашивает, нередко в рабочих органах цементируется, снижая вероятность дальнейшего использования двигателя.

Также недостатком известного винтового забойного двигателя является сложность изготовления статора совместно с опорным узлом и значительная трудоемкость достижения необходимой в этих условиях герметичности опорного узла. Сложность изготовления в сочетании с недостаточной его (статора) надежностью и низкой долговечностью использование известного винтового забойного двигателя делают малоэффективным и нецелесообразным.

Эти и другие недостатки не позволяют достичь необходимой надежности и долговечности статора и винтового забойного двигателя в целом и являются значительным препятствием к их использованию для бурения нефтяных и газовых скважин.

Известен винтовой забойный двигатель, частично лишенный недостатков, присущих двигателю фирмы "Шлюмберже". Известный винтовой забойный двигатель содержит рабочие органы, включающие статор и размещенный внутри статора с возможностью вращения ротор, образующие совместно полости высокого и низкого давления, шпиндель, полый выходной вал которого кинематически связан с ротором при помощи гибкого элемента (см., например, а.с. 926208 от 16.03.79 г. МКИ³ Е 21 В 4/02, опубл. 07.05.82, Бюл. 17).

Недостатком известного винтового забойного двигателя является то, что он лишен возможности регулирования своей энергетической характеристики без изменения производительности буровых насосов, то есть не может активно влиять на силовую нагрузку и пиковые перегрузки рабочих органов. Изменение производительности буровых насосов связано с затратами дополнительного труда, времени и средств и поэтому часто упускается. При этом не реализуется возможность повышения производительности бурения, не используются в полной мере технические и технологические возможности винтового забойного двигателя.

Другим недостатком известного винтового забойного двигателя является его реальная возможность шламования при выполнении спускоподъемных операций. При опускании двигателя в скважину под двигателем создается избыточное давление, понуждающее ротор вращаться в обратном направлении, и жидкость из скважины, содержащая шлам (куски выбуренной породы), поступает через промывочные отверстия в долоте в двигатель, заполняет рабочие органы и бурильные трубы. При остановке спуска двигателя шлам оседает в рабочих органах, цементируется (затвердевает), нарушает рабочий контакт ротора и статора и нередко приводит их в негодность.

Также недостатком известного винтового забойного двигателя является излишняя масса ротора и гибкого элемента, используемого для кинематического соединения ротора с полым выходным валом шпинделя. Эксцентрично вращающийся и планетарно обращающийся с высокой скоростью вокруг оси статора ротор и гибкий элемент (торсион) создают дополнительную нагрузку на рабочие органы (на ротор и статор) и на опорные узлы шпинделя. В результате рабочие органы и опорные узлы шпинделя дополнительно истираются, изнашиваются и преждевременно приходят в негодность. Эти и другие недостатки значительно снижают экономическую эффективность использования известного винтового забойного двигателя.

Известен винтовой забойный двигатель, содержащий рабочие органы, включающие статор и размещенный внутри статора с возможностью вращения полый ротор, образующие совместно полости высокого и низкого давления, шпиндель, включающий корпус, полый выходной вал, подшипник, и гибкий элемент для кинематического соединения полого ротора с полым выходным валом шпинделя, выполненный в виде торсиона (см., например, патент СССР 784397 от 19.10.78 г., МКИ⁶ Е 21 В 4/02).

Известный винтовой забойный двигатель имеет полый ротор и, следовательно, меньшую массу, создающую дополнительную нагрузку на рабочие органы и на опорные узлы (на подшипник) шпинделя, то есть устранен недостаток, присущий ранее указанному винтовому забойному двигателю. Недостатком известного винтового забойного двигателя является то, что для изменения частоты вращения выходного вала шпинделя, мощности и момента силы, то есть для изменения энергетической характеристики двигателя, необходимо периодически изменять производительность буровых насосов, подающих промывочную жидкость к винтовому забойному двигателю. Это требует определенных затрат времени, труда и средств.

Другим недостатком известного винтового забойного двигателя является то, что энергетическая характеристика его довольно жесткая и слабо изменяется при изменении забойной ударной нагрузки на долоте. В случае внезапного резкого возрастания забойной нагрузки (например, при переходе долота из одного пласта породы в другой, более или менее вязкий, это возникает систематически, т.к. составы буримых пород крайне неоднородны) винтовой забойный двигатель стремится преодолеть возникшее сопротивление и значительно перегружает свои рабочие органы и опорные узлы шпинделя. В результате такой перегрузки происходит катастрофический износ ротора и статора. Нередки случаи заклинивания рабочих органов и аварийной остановки винтового забойного двигателя, которые приводят к необходимости экстренной остановки буровых насосов и проведению внеплановых ремонтно-восстановительных работ.

Также недостатком известного винтового забойного двигателя является то, что в нем не исключена возможность шламования рабочих органов через промывочные отверстия в долоте при выполнении спускоподъемных операций. Шламование двигателя нередко приводит к необходимости преждевременной отправки его в ремонт для разборки и досрочной замены в нем рабочих органов, не отработавших своего назначенного ресурса.

Эти и другие недостатки известного винтового забойного двигателя не позволяют оперативно изменять его энергетическую характеристику применительно к изменяющимся условиям бурения скважин, для того чтобы максимально использовать технические возможности, заложенные в конструкции двигателя, и повышать его надежность и долговечность.

Известен винтовой забойный двигатель, содержащий корпус, в котором размещены рабочие органы, включающие статор и установленный внутри статора с возможностью эксцентричного вращения ротор с проточным каналом, образующие совместно полости высокого и низкого давления, шпиндель, полый выходной вал которого кинематически связан с ротором при помощи карданного вала, и верхний переводник, установленный на корпусе, внутри ротора установлена насадка (см. , например, книгу "Винтовые забойные двигатели" авторы: Д.Ф. Балденко и др., Москва, "Недра", 1999 г., с. 48, рис. 2.6 и с. 291, рис. 8.12).

В известном винтовом забойном двигателе выполнен дополнительный канал для пропуска части потока промывочной жидкости в обход рабочих органов. Насадка, установленная внутри ротора, пропускает мимо рабочих органов некоторое количество промывочной жидкости и снижает частоту вращения ротора. Энергетическая характеристика двигателя становится менее жесткая. Недостатком известного винтового забойного двигателя является то, что насадка не может обеспечить регулирование энергетической характеристики двигателя без изменения производительности буровых насосов, подающих промывочную жидкость к двигателю.

Периодическое изменение производительности буровых насосов требует дополнительных значительных затрат времени, средств и труда.

Другим недостатком известного винтового забойного двигателя является то, что двигатель не защищен от попадания в него шлама (мелких твердых частиц выбуренной породы) через промывочные отверстия в долоте при спускоподъемных операциях. При спуске винтового забойного двигателя в скважину под двигателем и под рабочими органами создается избыточное давление, которое понуждает ротор вращаться в обратном направлении, и жидкость, содержащая шлам, из скважины поступает в двигатель, заполняет рабочие органы, бурильные трубы. И ничто этому не препятствует.

При прекращении спуска двигателя и некоторой задержке промывки (даже на короткое время) шлам в рабочих органах оседает, цементируется и приводит двигатель в негодность (двигатель неминуемо направляется в ремонт).

При ремонте зашламованного винтового забойного двигателя спасти статор от разрушения часто не представляется возможным.

Недостатком известного винтового забойного двигателя также является то, что статор установлен в корпусе и закрепление его осуществляется осевым сжатием по торцам с усилием, способным изменить величину шага винтовой линии и исказить форму зуба статора. Это нарушает геометрию зацепления ротора и статора и приводит к преждевременному истиранию, износу и досрочному разрушению рабочих органов.

Кроме того, в известном винтовом забойном двигателе неоправданно занижен поперечный размер рабочих органов, следовательно, уменьшены силовые возможности рабочих органов и двигателя в целом.

Также недостатком известного винтового забойного двигателя является то, что полый ротор кинематически связан с полым выходным валом шпинделя непроточным карданным валом. Поток промывочной жидкости, пройдя через насадку со значительной скоростью, меняет направление и через радиальные отверстия в карданном вале направляется поперек потока промывочной жидкости, прошедшей рабочие органы. В результате корпусные детали подвергаются размыву струей, со значительной скоростью бьющей в радиальном направлении, и не исключены случаи образования сквозного размытого отверстия в корпусе двигателя.

Эти и другие недостатки не позволяют эффективно использовать известный винтовой забойный двигатель для бурения скважин и являются препятствием к широкому их применению для бурения нефтяных и газовых скважин.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является винтовой забойный двигатель, содержащий рабочие органы, включающие статор и размещенный внутри статора с возможностью эксцентричного вращения полый ротор со сквозным осевым каналом, образующие совместно полости высокого и низкого давления, шпиндель, полый выходной вал которого кинематически связан с полым ротором при помощи полого гибкого элемента с проточным каналом, и верхний переводник, установленный на статоре (см. патент US 5174392 от 29.12.92 г., кл.⁵ Е 21 В 4/02).

Данное изобретение принято за прототип, т.к. в нем устранены некоторые существенные недостатки, присущие известным винтовым забойным двигателям: уменьшена масса эксцентрично вращающихся деталей и в связи с этим снижена силовая нагрузка на рабочие органы и на опорные узлы шпинделя от инерционных сил; обеспечена прямоточность канала истечения промывочной жидкости, прошедшей мимо рабочих органов, и ликвидирована угроза размыва корпусных деталей направленной струей.

Недостатком известного винтового забойного двигателя является то, что он не защищен от попадания шлама и мелких абразивных частиц в рабочие органы (при спускоподъемных операциях) через промывочные отверстия в долоте. Ничто не препятствует обратному вращению ротора при спуске двигателя в скважину, и шлам, находящийся в скважине, вместе с жидкостью под избыточным давлением поступает через полый вал в рабочие органы, понуждая их вращаться в обратном направлении, заполняет двигатель и нижнюю часть бурильной колонны. При последующем запуске двигателя необходимо тщательно промыть его, в противном случае шламования и аварийного подъема для ремонта винтового забойного двигателя не избежать. Другим существенным недостатком известного винтового забойного двигателя является то, что он обладает излишне жесткой энергетической характеристикой, которая в большинстве своем является причиной интенсивного истирания, ускоренного износа и преждевременного разрушения рабочих органов из-за перегрузок. В связи с резким повышением забойной нагрузки давление в рабочих органах возрастает до тех пор, пока сопротивление вращению долота не будет преодолено. Это может продолжаться до полной остановки двигателя. При этом промывочная жидкость под предельным давлением деформирует резиновые зубья статора и беспрепятственно протекает через рабочие органы, непроизводительно изнашивая и преждевременно разрушая их.

Также недостатком известного винтового забойного двигателя является то, что он имеет достаточно высокий удельный перепад давления на единицу момента силы, и с увеличением расхода промывочной жидкости он возрастает.

Больший удельный перепад давления на единицу момента силы предопределяет большую удельную нагрузку на рабочие органы и на опорные узлы, большую потерю мощности, следовательно, более интенсивный износ ротора, статора, опорных узлов шпинделя, меньшую надежность и долговечность винтового забойного двигателя.

Эти и другие недостатки известного винтового забойного двигателя не позволяют в полной мере обеспечить его длительную безаварийную работу и не дают возможности повышать технологические качества, его экономическую эффективность, надежность и долговечность.

Задачами предлагаемого изобретения являются устранение имеющихся недостатков известного винтового забойного двигателя и смягчение его энергетической характеристики, снижение удельного перепада давления на единицу момента силы, создание возможности изменения и регулирования энергетической характеристики в широких пределах на буровой без изменения производительности буровых насосов, предотвращение возможности аварийного разрушения статора при перегрузках рабочих органов забойными нагрузками и шламованием их, уменьшение инерционных нагрузок на рабочие органы и на опорные узлы шпинделя, исключение возможности попадания шлама в рабочие органы через промывочные отверстия в долоте при спускоподъемных операциях и нарушения контакта ротора и статора из-за этого, и в конечном счете повышение надежности и долговечности винтового забойного двигателя, повышение его экономической эффективности.

Поставленные задачи решаются за счет того, что в известном винтовом забойном двигателе, содержащем рабочие органы, включающие статор и размещенный внутри статора с возможностью эксцентричного вращения полый ротор со сквозным осевым каналом, образующие совместно полости высокого и низкого давления, шпиндель, полый выходной вал которого кинематически связан с полым ротором при помощи полого гибкого элемента с проточным каналом, и верхний переводник, установленный на статоре, согласно изобретению он содержит узел регулирования силовой нагрузки на рабочие органы, установленный на полый ротор в полости высокого давления для перекрытия сквозного осевого канала, и обратный клапан, установленный в верхнем переводнике для гидравлического взаимодействия с рабочими органами и с узлом регулирования силовой нагрузки на рабочие органы;
- узел регулирования силовой нагрузки на рабочие органы выполнен в виде полумуфты с выполненным в ней проточным осевым отверстием и снабжен набором быстросменяемых гидромониторных насадок, каждая с различной величиной площади поперечного сечения проточного канала, причем одна гидромониторная насадка из набора установлена в полумуфту для перекрытия проточного осевого отверстия и для гидравлического взаимодействия с рабочими органами двигателя и с обратным клапаном;
- узел регулирования силовой нагрузки на рабочие органы выполнен в виде дорна переменного поперечного сечения, размещенного в проточном канале установленной в полумуфту гидромониторной насадки с возможностью взаимного осевого перемещения;
- установленная в полумуфту гидромониторная насадка в осевом направлении подпружинена;
- площадь поперечного сечения сквозного осевого канала полого ротора, проточного осевого отверстия полумуфты и проточного канала полого гибкого элемента выполнены каждая больше, чем площадь поперечного сечения проточного канала, выполненного в каждой из набора гидромониторной насадке.

В предлагаемом винтовом забойном двигателе узел регулирования силовой нагрузки на рабочие органы обеспечивает возможность изменения величины площади поперечного сечения проточного канала (зазора) и задает определенную степень зависимости забойной нагрузки от расхода промывочной жидкости, направляемой мимо рабочих органов. Силовая нагрузка на рабочие органы представляет собой крутящий момент силы, развиваемый рабочими органами винтового забойного двигателя для преодоления момента сопротивления вращению долота, т.е. для преодоления забойной нагрузки.

В результате того, что предлагаемый винтовой забойный двигатель содержит узел регулирования силовой нагрузки на рабочие органы, установленный на полый ротор в полости высокого давления для перекрытия сквозного осевого канала, и обратный клапан, установленный в верхнем переводнике для гидравлического взаимодействия с рабочими органами и с узлом регулирования силовой нагрузки на рабочие органы, создается возможность для уменьшения (изменения) силовой нагрузки на рабочие органы путем регулирования частоты вращения ротора и долота и связанного с этим изменения количества отбиваемой долотом породы и своевременного удаления ее с забоя путем улучшения (соответствующего изменения) качества промывки и очистки забоя от выбуренной породы.

Это позволяет исключить дополнительное непроизводительное перемалывание шлама на забое, уменьшить момент сопротивления вращению долота, следовательно, уменьшить силовые нагрузки на рабочие органы, существенно сократить дополнительное истирание и износ ротора и статора. В результате использования узла регулирования силовой нагрузки на рабочие органы в предлагаемом винтовом забойном двигателе создается возможность снижения силовой нагрузки на рабочие органы вплоть до полного снятия ее непосредственно на буровой без изменения производительности буровых насосов.

При спуске винтового забойного двигателя в скважину жидкость из скважины под действием избыточного давления, возникающего под двигателем, через промывочные отверстия в долоте поступает в двигатель.

Узел регулирования силовой нагрузки на рабочие органы свободно пропускает жидкость под обратный клапан, гидравлически взаимодействует с ним, выравнивает давление над рабочими органами и под ними, тем самым предотвращает обратное вращение ротора и устраняет возможность ухудшения контакта ротора и статора из-за шламования, исключает непроизводительную дополнительную силовую нагрузку на рабочие органы, предотвращает излишнее истирание и износ рабочих органов.

Узел регулирования силовой нагрузки на рабочие органы во взаимодействии с обратным клапаном значительно разгружает рабочие органы двигателя при резком повышении забойной нагрузки (например, при аварийной остановке и заклинивании долота).

При резкой остановке вращения ротора (долота) в полости высокого давления под обратным клапаном скачкообразно повышается давление и обратный клапан закрывается, принимая на себя гидравлический удар от движения промывочной жидкости по бурильным трубам и снимая перегрузку с рабочих органов. В связи с этим на какое-то (весьма малое) время прекращается подача промывочной жидкости в рабочие органы. Промывочная жидкость под повышенным давлением и в увеличенном объеме протекает через узел регулирования силовой нагрузки на рабочие органы, сбрасывает повышенное давление, а в незначительном объеме просачивается через рабочие органы, не причиняя им существенного вреда.

Таким образом, при реализации изобретения решаются задачи расширения арсенала технических средств для бурения нефтяных и газовых скважин и может быть получен следующий технический результат:
- создан винтовой забойный двигатель с новыми качествами, обеспечивающими смягчение энергетической характеристики двигателя и снижение удельного перепада давления на рабочих органах на единицу момента силы, и благодаря этому может быть ликвидировано жесткое взаимодействие ротора и статора, предотвращено преждевременное разрушение рабочих органов;
- создана возможность изменения и регулирования энергетической характеристики двигателя в широких пределах непосредственно на буровой без изменения производительности буровых насосов и в связи с этим устранена возможность забойной перегрузки рабочих органов, повышенного истирания их, чрезмерного износа и аварийного разрушения;
- исключена возможность попадания шлама в рабочие органы двигателя через промывочные отверстия в долоте при спускоподъемных операциях и в результате устраняется вероятность ухудшения контакта ротора и статора, уменьшено истирание, снижен износ рабочих органов и опорных узлов шпинделя, снижена вероятность дополнительного и аварийного отправления в ремонт винтового забойного двигателя из-за шламования его рабочих органов.

В результате того что в предлагаемом винтовом забойном двигателе узел регулирования силовой нагрузки на рабочие органы выполнен в виде полумуфты с выполненным в ней проточным осевым отверстием и снабжен набором быстросменяемых гидромониторных насадок, каждая с различной величиной площади поперечного сечения проточного канала, причем одна гидромониторная насадка из набора установлена в полумуфту для перекрытия проточного осевого отверстия и для гидравлического взаимодействия с рабочими органами двигателя и с обратным клапаном, создается возможность периодически по мере надобности менять гидромониторную насадку, устанавливаемую в полумуфте, на другую, с необходимой площадью поперечного сечения проточного канала, и тем самым оперативно освобождать рабочие органы винтового забойного двигателя от ожидаемых перегрузок или также оперативно повышать нагрузочную способность рабочих органов для преодоления повышенной силовой нагрузки.

Таким образом, создается возможность оперативной заменой гидромониторной насадки осуществить первую ступень регулирования силовой нагрузки на рабочие органы и обеспечить периодическое ступенчатое регулирование (изменение) энергетической характеристики двигателя.

В результате того что в предлагаемом винтовом забойном двигателе узел регулирования силовой нагрузки на рабочие органы выполнен в виде дорна переменного поперечного сечения, размещенного в проточном канале установленной в полумуфту гидромониторной насадки с возможностью взаимного осевого перемещения, создается возможность оперативно, на буровой, бесступенчато и точно регулировать и устанавливать определенную силовую нагрузку на рабочие органы, т.е. задавать рабочим органам двигателя наиболее благоприятный режим работы. Это достигается путем изменения величины зазора и площади поперечного сечения проточного канала в узле регулирования силовой нагрузки на рабочие органы, образованного наружным профилем дорна переменного сечения и внутренним профилем проточного канала гидромониторной насадки за счет осевого перемещения дорна.

Таким образом, в предлагаемом винтовом забойном двигателе решается задача периодического бесступенчатого регулирования силовой нагрузки на рабочие органы, т. е. реализуется вторая ступень регулирования энергетической характеристики двигателя.

В результате того что в предлагаемом винтовом забойном двигателе в узле регулирования силовой нагрузки на рабочие органы установленная в полумуфту гидромониторная насадка в осевом направлении подпружинена, создается возможность под действием изменяющегося перепада давления, сопровождающего процесс бурения скважин, изменять величину площади поперечного сечения проточного канала (зазора) путем осевого смещения гидромониторной насадки относительно дорна переменного поперечного сечения и тем самым изменять расход промывочной жидкости мимо рабочих органов и через рабочие органы и автоматически регулировать силовую нагрузку на рабочие органы.

При повышении забойной нагрузки и связанного с этим возрастания перепада давления на рабочих органах повышается силовая нагрузка на рабочие органы. В связи с возрастанием перепада давления на рабочих органах гидромониторная насадка, преодолевая сопротивление пружины, смещается вниз и увеличивает площадь поперечного сечения проточного канала (зазора). Промывочная жидкость под возросшим давлением через увеличенную площадь поперечного сечения проточного канала в большем объеме протекает к долоту и лучше промывает и качественнее очищает забой от выбуренной породы. В связи с тем что общий объем промывочной жидкости, поступающей в двигатель, остается неизменным, количество промывочной жидкости, проходящее через рабочие органы двигателя, уменьшается, поэтому снижается частота вращения ротора и долота, и количество выбуренной породы уменьшается.

Таким образом, уменьшение количества выбуренной долотом породы на забое и улучшение промывки и очистки забоя от выбуренной породы приводит к тому, что забойная нагрузка снижается, перепад давления и силовая нагрузка на рабочие органы уменьшается. В связи с уменьшением перепада давления на рабочих органах гидромониторная насадка под действием пружины перемещается вверх и уменьшает площадь поперечного сечения проточного канала (зазора). Промывочная жидкость под пониженным давлением через уменьшенную площадь поперечного сечения проточного канала и в меньшем объеме протекает к долоту, а в большем объеме проходит через рабочие органы, повышая частоту вращения ротора и долота.

Таким образом реализуется третья ступень регулирования силовой нагрузки на рабочие органы - автоматического бесступенчатого регулирования энергетической характеристики винтового забойного двигателя.

В результате того что в предлагаемом винтовом забойном двигателе площади поперечного сечения сквозного осевого канала полого ротора, проточного осевого отверстия полумуфты и проточного канала полого гибкого элемента выполнены каждая больше, чем площадь поперечного сечения проточного канала, выполненного в каждой из набора гидромониторной насадке, создается возможность уменьшения инерционных силовых нагрузок на рабочие органы и на опорные узлы шпинделя путем уменьшения массы эксцентрично вращающихся деталей и сохранения определенной индивидуальной степени зависимости силовой нагрузки на рабочие органы от каждого по величине размера площади поперечного сечения проточного канала (зазора) гидромониторной насадки в узле регулирования силовой нагрузки на рабочие органы.

Таким образом, реализация отличительных признаков в совокупности с известными в предлагаемом винтовом забойном двигателе создает возможность ликвидировать недостатки, присущие известному винтовому забойному двигателю, и обеспечивает смягчение энергетической характеристики и снижение удельного перепада давления на единицу момента силы, обеспечивает изменение и регулирование энергетической характеристики двигателя без изменения производительности буровых насосов, предотвращает возможность ухудшения контакта ротора и статора и также аварийного разрушения статора при перегрузках рабочих органов забойными нагрузками и при шламовании их, уменьшает инерционные нагрузки на рабочие органы и на опорные узлы шпинделя, исключает возможность попадания шлама в рабочие органы через промывочные отверстия в долоте при спускоподъемных операциях, и в конечном счете повышает надежность и долговечность винтового забойного двигателя, повышает его экономическую эффективность.

Для пояснения сущности предлагаемого изобретения представлены чертежи.

На фиг. 1 показан общий вид винтового забойного двигателя, его верхняя часть (рабочие органы), продольный разрез.

На фиг. 2 изображен общий вид винтового забойного двигателя, его нижняя часть (шпиндель), продольный разрез.

На фиг.3 показан вид "А" на фиг.1, увеличен.

Тонкими штрихпунктирными линиями показаны крайние положения дорна и гидромониторной насадки.

Винтовой забойный двигатель содержит рабочие органы 1, включающие статор 2 и размещенный внутри статора 2 с возможностью эксцентричного вращения вокруг оси O₁-O₁ полый ротор 3 со сквозным осевым каналом 4. Статор 2 и полый ротор 3 образуют совместно полость 5 высокого давления и полость 6 низкого давления.

Рабочие органы 1 винтового забойного двигателя представляют собой зубчатую пару с внутренним зацеплением, содержащую металлический полый ротор 3 с винтовыми наружными зубьями и статор 2, выполненный из металлической трубы с прикрепленной внутренней резиновой зубчатой обкладкой.

Статор 2 имеет на один зуб больше, чем полый ротор 3.

При взаимодействии полого ротора 3 и статора 2 зубья их образуют замкнутые рабочие камеры, которые, заполняясь промывочной жидкостью под избыточным давлением, могут пропустить ее или при вращении полого ротора 3 в статоре 2, или без вращения полого ротора 3 в статоре 2 при значительной перегрузке рабочих органов путем чрезмерной деформации резиновых зубьев статора 2.

Двигатель также содержит шпиндель 7, полый выходной вал 8 которого кинематически связан с полым ротором 3 при помощи полого гибкого элемента 9 с проточным осевым каналом 10, и верхний переводник 11, установленный на статоре 2.

Кроме того, винтовой забойный двигатель содержит узел 12 регулирования силовой нагрузки на рабочие органы 1, установленный на полый ротор 3 в полости 5 высокого давления для перекрытия сквозного осевого канала 4, и обратный клапан 13, установленный в верхнем переводнике 11 для гидравлического взаимодействия с рабочими органами 1 и с узлом 12 регулирования силовой нагрузки на рабочие органы.

Узел 12 регулирования силовой нагрузки на рабочие органы 1 выполнен в виде полумуфты 14 с выполненным в ней проточным осевым отверстием 15 и снабжен набором быстросменяемых гидромониторных насадок, каждая с различной величиной площади поперечного сечения проточного канала 16, причем одна гидромониторная насадка 17 из набора установлена в полумуфту 14 для перекрытия проточного осевого отверстия 15 полумуфты 14 и для гидравлического взаимодействия с рабочими органами 1 двигателя и с обратным клапаном 13.

Кроме того, узел 12 регулирования силовой нагрузки на рабочие органы 1 выполнен в виде дорна 18 переменного поперечного сечения, размещенного в проточном канале 16 гидромониторной насадки 17, установленной в полумуфту 14 с возможностью взаимного осевого перемещения.

Установленная в полумуфту 14 гидромониторная насадка 17 в осевом направлении подпружинена тарельчатыми пружинами 19. Дорн 18 имеет возможность перемещаться относительно полумуфты 14 и относительно гидромониторной насадки 17 с помощью винта 20.

В винтовом забойном двигателе площади поперечного сечения сквозного осевого канала 4 полого ротора 3, проточного осевого отверстия 15 полумуфты 14 и проточного осевого канала 10 полого гибкого элемента 9 выполнены каждая больше, чем площадь поперечного сечения проточного канала 16 гидромониторной насадки 17, и больше, чем площадь поперечного сечения проточного канала каждой из набора гидромониторной насадки, которыми снабжен винтовой забойный двигатель.

В предлагаемом винтовом забойном двигателе возможны другие варианты исполнения узлов и деталей.

Полый гибкий элемент 9 выполнен в виде трубы, в стенке которой выполнен сквозной винтовой паз в направлении, противоположном вращению полого выходного вала 8. Внутри трубы установлен блок, набранный из тарельчатых пружин и цилиндрических роликов, закрепленных на трубе меньшего диаметра с проточным осевым каналом 10. Полый гибкий элемент 9 заканчивается муфтой для соединения его с полым выходным валом 8. В муфте выполнены осевое и радиальные отверстия для протока промывочной жидкости в полый выходной вал 8.

Полый гибкий элемент 9 может быть выполнен в виде полого торсиона с центральным проточным осевым каналом и может подсоединяться к полому ротору 3 или через полумуфту 14, или непосредственно снизу полого ротора 3.

Быстросменяемые гидромониторные насадки из набора выполняются из минералокерамики, имеют каждая одинаковый наружный диаметр и равную высоту. Они также могут быть изготовлены из металлокерамики, из металла с износоустойчивым покрытием и т.п.

Гидромониторная насадка 17 подпружинена тарельчатыми пружинами 19. Она также может быть подпружинена витыми, разрезными пружинами или резиновыми (упругими) кольцами.

Шпиндель 7 выполнен с радиальными металлическими опорами скольжения и с шаровой осевой опорой качения. Он также может быть выполнен с резинометаллическими осевыми и радиальными опорами.

Возможны другие конструктивные варианты выполнения узлов, деталей и всего винтового забойного двигателя.

Верхним переводником 11 винтовой забойный двигатель подсоединяется к бурильным трубам (на чертеже не показаны). Снизу к полому выходному валу 8 шпинделя 7 подсоединяется долото (на чертеже не показано).

Работает винтовой забойный двигатель следующим образом.

Промывочная жидкость через бурильные трубы под давлением поступает в верхний переводник 11, через обратный клапан 13 в полость 5 высокого давления и в рабочие органы 1. Проходя рабочие камеры, образованные зубьями полого ротора 3 и статора 2, промывочная жидкость под действием избыточного давления поворачивает полый ротор 3 вокруг собственной оси и планетарно обращает полый ротор 3 вокруг оси O₁-O₁ статора 2. Вращение полого ротора 3 передается полому гибкому элементу 9, полому выходному валу 8 шпинделя 7 и долоту, которое, вращаясь, разрушает породу.

Промывочная жидкость после отработки в рабочих органах 1 поступает в полость 6 низкого давления, через радиальные отверстия полого гибкого элемента 9 в полый выходной вал 8 шпинделя 7 к долоту для промывки и очистки забоя от выбуренной породы.

Одновременно часть промывочной жидкости в полости 5 высокого давления под тем же избыточным давлением протекает через узел 12 регулирования силовой нагрузки на рабочие органы 1, минуя рабочие камеры. Эта часть промывочной жидкости протекает по зазору, образованному дорном 18 в проточном канале 16 гидромониторной насадки 17, величина которого (зазора или что то же: площади поперечного сечения проточного канала 16) регулируется винтом 20 и автоматически осевым смещением гидромониторной насадки 17 в результате изменения перепада давления на рабочих органах 1. Перепад давления на рабочих органах 1 определяет силовую нагрузку на рабочие органы 1 и изменяется в зависимости от забойной нагрузки на долото. Далее промывочная жидкость поступает в проточное осевое отверстие 15 полумуфты 14, сквозной осевой канал 4 полого ротора 3, проточный осевой канал 10 полого гибкого элемента 9, которые, благодаря своей значительной площади поперечного сечения проточного канала, не оказывают существенного гидравлического сопротивления продвижению ее в полый выходной вал 8 шпинделя 7 к долоту для промывки и очистки забоя от выбуренной породы.

Осевая и радиальная нагрузка с забоя передается на полый выходной вал 8 шпинделя 7 и через осевые и радиальные опоры шпинделя 7 гасится всей массой винтового забойного двигателя.

Крутящий момент двигателя, определяющий силовую нагрузку на рабочие органы 1, зависит в основном от забойной нагрузки и расходуется частично на преодоление момента сопротивления вращению в рабочих органах 1, в шпинделе 7 и в значительной степени на преодоление сопротивления вращению долота. Сопротивление вращению долота включает в себя и непроизводительное излишнее перемалывание выбуренной и не удаленной с забоя породы. Силовая нагрузка на рабочие органы 1 и забойная нагрузка на долото контролируются перепадом давления на рабочих органах 1.

Перед началом бурения с помощью винта 20 в узле 12 регулирования силовой нагрузки на рабочие органы 1 устанавливают необходимую величину зазора между дорном 18 и гидромониторной насадкой 17 (необходимую величину площади поперечного сечения проточного канала 16) для протока промывочной жидкости мимо рабочих органов 1, предварительно отвернув верхний переводник 11. Это делают в зависимости от необходимости бурения переходного интервала скважины из одного пласта породы в другой, с другими механическими и физическими свойствами, и каждый раз, когда существенно возрастает или значительно снижается перепад давления на рабочих органах 1 в зависимости от изменения забойной нагрузки. При изменении перепада давления на рабочих органах 1 в процессе бурения регулирование силовой нагрузки на рабочих органах 1 осуществляется автоматически. Под действием увеличивающегося перепада давления на рабочих органах 1, связанного с повышением забойной нагрузки, гидромониторная насадка 17 смещается вниз и сжимает тарельчатые пружины 19. При этом величина зазора между дорном 18 и гидромониторной насадкой 17 возрастает и увеличивается площадь поперечного сечения проточного канала 16. В результате расход промывочной жидкости через узел 12 регулирования силовой нагрузки на рабочие органы 1 возрастает, а через рабочие органы 1 снижается, от этого снижается частота вращения долота и уменьшается количество выбуренной породы, улучшается промывка и очистка забоя от выбуренной породы и снижается забойная нагрузка. И как результат снижается перепад давления и уменьшается силовая нагрузка на рабочие органы 1.

В связи с уменьшением перепада давления на рабочих органах 1, вызванным снижением забойной нагрузки, гидромониторная насадка 17 под действием тарельчатых пружин 19 поднимается вверх, и величина площади поперечного сечения проточного канала 16 уменьшается.

В результате расход промывочной жидкости через узел 12 регулирования силовой нагрузки на рабочие органы 1 уменьшается, вызывая увеличение расхода промывочной жидкости через рабочие органы 1. При этом частота вращения полого ротора 3 и долота увеличивается, повышается количество выбуренной породы и восстанавливается заданный узлом 12 регулирования силовой нагрузки на рабочие органы 1 режим работы винтового забойного двигателя.

При спуске винтового забойного двигателя в скважину под двигателем создается повышенное давление, которое передается посредством промывочной жидкости, находящейся в двигателе, обратному клапану 13, минуя рабочие органы 1. В результате обратный клапан 13 запирается и давление в полости 5 высокого давления и в полости 6 низкого давления выравнивается. Полый ротор 3 в статоре 2 не вращается, вместе с этим устраняется их излишнее истирание и износ. Таким образом, в результате взаимодействия обратного клапана 13, узла 12 регулирования силовой нагрузки на рабочие органы 1 и рабочих органов 1 исключается возможность попадания шлама и ухудшения контакта полого ротора 3 и статора 2, предотвращается дополнительный непроизводительный износ полого ротора 3 и статора 2 (т.е. рабочих органов 1) при выполнении спускоподъемных операций.

В связи с тем, что предлагаемый винтовой забойный двигатель содержит узел 12 регулирования силовой нагрузки на рабочие органы 1 в совокупности и во взаимодействии с обратным клапаном 13, реализуется возможность изменения частоты вращения полого выходного вала 8 в широких пределах (вплоть до полной остановки вращения), изменения удельного перепада давления на единицу момента силы, изменения вращающего момента, мощности, КПД двигателя, и таким образом решается задача смягчения, изменения и регулирования энергетической характеристики винтового забойного двигателя непосредственно на буровой, в широких пределах, без изменения производительности буровых насосов, предотвращения возможности преждевременного износа и аварийного разрушения полого ротора 3 и статора 2 при перегрузках рабочих органов шламованием их, забойными и дополнительными непроизводительными нагрузками.

Таким образом, реализация отличительных признаков предлагаемого винтового забойного двигателя в сочетании и в совокупности с известными создает возможность ликвидировать недостатки, присущие известному винтовому забойному двигателю, и обеспечить достижение положительного технического результата:
- уменьшение силовой нагрузки на рабочие органы, предотвращение излишнего непроизводительного истирания, износа и преждевременного разрушения рабочих органов и сохранение винтового забойного двигателя в работоспособном состоянии на более длительный период;
- ликвидация жесткого взаимодействия ротора и статора, предотвращение ухудшения их контакта и исключение необходимости досрочного и аварийного направления в ремонт винтового забойного двигателя по причине шламования;
- реализация возможности использования оперативного изменения энергетической характеристики винтового забойного двигателя непосредственно на буровой и расширение его (двигателя) технических и технологических возможностей.

Все это позволяет повысить надежность, долговечность и привлекательность винтового забойного двигателя, предназначенного для бурения нефтяных и газовых скважин, повысить его экономическую эффективность, то есть позволяет решить поставленные в изобретении задачи.

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано при бурении нефтяных и газовых скважин. Сущность изобретения: винтовой забойный двигатель содержит узел регулирования силовой нагрузки на рабочие органы, установленный на полый ротор в полости высокого давления для перекрытия сквозного осевого канала, и обратный клапан, установленный в верхнем переводнике, который расположен на статоре, для гидравлического взаимодействия с рабочими органами и с узлом регулирования силовой нагрузки на рабочие органы. Использование изобретения позволяет расширить технические возможности винтового забойного двигателя непосредственно на буровой и повысить его надежность и долговечность. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Винтовой забойный двигатель, содержащий рабочие органы, включающие статор и размещенный внутри статора с возможностью эксцентричного вращения полый ротор со сквозным осевым каналом, образующие совместно полости высокого и низкого давления, шпиндель, полый выходной вал которого кинематически связан с полым ротором при помощи полого гибкого элемента с проточным каналом, и верхний переводник, установленный на статоре, отличающийся тем, что он содержит узел регулирования силовой нагрузки на рабочие органы, установленный на полый ротор в полости высокого давления для перекрытия сквозного осевого канала, и обратный клапан, установленный в верхнем переводнике для гидравлического взаимодействия с рабочими органами и с узлом регулирования силовой нагрузки на рабочие органы. 2. Винтовой забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что узел регулирования силовой нагрузки на рабочие органы выполнен в виде полумуфты с выполненным в ней проточным осевым отверстием и снабжен набором быстросменяемых гидромониторных насадок, каждая с различной величиной площади поперечного сечения проточного канала, причем одна гидромониторная насадка из набора установлена в полумуфту для перекрытия проточного осевого отверстия и для гидравлического взаимодействия с рабочими органами двигателя и с обратным клапаном. 3. Винтовой забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что узел регулирования силовой нагрузки на рабочие органы выполнен в виде дорна переменного поперечного сечения, размещенного в проточном канале установленной в полумуфту гидромониторной насадки с возможностью взаимного осевого перемещения. 4. Винтовой забойный двигатель по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что установленная в полумуфту гидромониторная насадка в осевом направлении подпружинена. 5. Винтовой забойный двигатель по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что площади поперечного сечения сквозного осевого канала полого ротора, проточного осевого отверстия полумуфты и проточного канала полого гибкого элемента выполнены каждая больше, чем площадь поперечного сечения проточного канала, выполненного в каждой из набора гидромониторной насадке.