ВИНТОВОЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК E21B4/02 F01C1/16 F01C5/04 

Изобретение относится к буровой технике, а именно к винтовым забойным двигателям, предназначенным для бурения и ремонта нефтяных и газовых скважин, и может быть использовано также в винтовых насосах для добычи нефти и перекачивания жидкости.

Известен винтовой забойный двигатель (см. книгу "Винтовые забойные двигатели" М.: Недра, стр.16-28, 1999 г., авторы Д.Ф.Балденко, Ф.Д.Балденко, А.Н.Гноевых), содержащий статор с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упругоэластичного материала, например из резины, и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, причем ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине радиальной высоты зубьев, профили наружных зубьев ротора и внутренних зубьев статора в торцевом сечении выполнены взаимно огибаемыми, а ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев.

Недостатком данного забойного двигателя является неравномерная толщина резины с увеличением толщины резины в выступах зубьев статора по отношению к впадинам статора, что приводит при работе двигателя к неравномерному тепловому расширению зуба статора по отношению к впадине статора и повышенному разогреву глубинных слоев резины в выступах статора за счет низкого коэффициента теплопроводности резины. В нагретых внутренних слоях зубьев продолжается процесс вулканизации резины, изменяющий ее физические свойства, упругость переходит в хрупкость. В конце концов, различие в свойствах вызывает появление трещин, и последующее разрушение резины, что значительно уменьшает ресурс работы двигателя.

В современных конструкциях статоров внутренняя сторона стального корпуса статора облицовывается неравномерным по толщине слоем резины. Эта неравномерность толщины резины затрудняет отвод тепла, приводит к неравномерному расширению резины в статоре, кроме этого рабочая нагрузка на зубья статора приводит к изгибу резиновых зубьев и нарушению профиля зубьев при работе двигателя, заклиниванию зубьев ротора относительно резиновых зубьев статора при повышении рабочего момента, значительно уменьшается КПД двигателя.

Наиболее близким прототипом изобретения является конструкция винтовых забойных двигателей, содержащих так называемые "металлические" статора с постоянной толщиной резиновой обкладки (см. книгу "Винтовые забойные двигатели" М.: Недра, стр.200, 1999 г., авторы Д.Ф.Балденко, Ф.Д.Балденко, А.Н.Гноевых), где внутренняя поверхность корпуса статора спрофилирована механической обработкой, а приклеенная резиновая обкладка равномерна по толщине. Однако распространения эти винтовые забойные двигатели не получили в связи с высокой технологической стоимостью изготовления внутренних металлических зубьев статора. Помимо этого у обоих прототипов резиновая обкладка приклеивается непосредственно к стальной внутренней поверхности статора, при относительно низком коэффициенте теплопроводности стали, что при продолжительной работе двигателя при максимальной нагрузке на долото часто вызывает усталостное температурное разрушение клеевого соединения резины со сталью статора и отслоение резины.

Целью изобретения является повышение ресурса и надежности винтового забойного двигателя при эксплуатации, упрощение технологии изготовления двигателя, увеличение рабочего момента и КПД двигателя.

Указанная цель достигается тем, что в винтовом забойном двигателе, содержащем статор с внутренними винтовыми зубьями, облицованными упругоэластичным материалом, например резиной, и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, причем ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине радиальной высоты зубьев, профили наружных зубьев ротора и внутренних зубьев статора в торцевом сечении выполнены взаимно огибаемыми, а ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев, статор выполнен из двух неподвижных относительно друг друга металлических, но различных по температуре плавления наружного и внутреннего концентрично расположенных слоев, причем наружный слой статора выполнен из стали или титанового сплава, а внутренний слой статора с внутренней поверхностью, оформляющей зубья статора, выполнен из сплава с температурой плавления, составляющей 0,1-0,8 температуры плавления наружного слоя статора, и с коэффициентом теплопроводности, составляющим 1,2-8.5 коэффициента теплопроводности наружного слоя статора, например, из сплава на основе цинка, алюминия или меди. Внутренний слой статора с внутренней поверхностью, оформляющей зубья статора, может быть зафиксирован относительно наружного слоя статора непосредственной заливкой расплава материала внутреннего слоя статора в наружный слой статора. Внутренний слой статора с внутренней поверхностью, оформляющей зубья статора, может быть дополнительно зафиксирован относительно наружного слоя механически, например штифтами, или наличием эксцентричных поверхностей на внутренней поверхности наружного слоя статора, или объемным заполнением материалом внутреннего слоя статора углублений шероховатой внутренней поверхности наружного слоя статора, причем шероховатость внутренней поверхности наружного слоя статора при этом выполнена в виде выступов и углублений треугольной или иной формы или в виде винтовых канавок, например, встречного направления. Статор может содержать дополнительный средний слой для скрепления наружного и внутреннего слоев статора.

Отличительными признаками предлагаемого винтового забойного двигателя от указанного выше, наиболее близкого к нему, прототипа является следующее.

Во-первых, в винтовом забойном двигателе, содержащем опорный узел, статор с внутренними винтовыми зубьями, облицованными упругоэластичным материалом, например резиной, и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, причем ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине радиальной высоты зубьев, профили наружных зубьев ротора и внутренних зубьев статора в торцевом сечении выполнены взаимно огибаемыми, а ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев, статор двигателя выполнен из двух неподвижных относительно друг друга металлических, но различных по температуре плавления наружного и внутреннего концентрично расположенных слоев, причем наружный слой статора выполнен из стали или титанового сплава, а внутренний слой статора с внутренней поверхностью, оформляющей зубья статора, выполнен из сплава с температурой плавления, составляющей 0,1-0,8 температуры плавления наружного слоя статора. Это позволяет упростить технологию изготовления двигателя с равномерной толщиной резиновой обкладки.

Во-вторых, внутренний слой статора с внутренней поверхностью, оформляющей зубья статора, выполнен из сплава с коэффициентом теплопроводности, составляющим 1,2-8.5 коэффициента теплопроводности наружного слоя статора, например, из сплава на основе цинка, алюминия или меди. Это позволяет повысить ресурс и надежность двигателя при его эксплуатации с улучшением отвода тепла от резиновой облицовки статора и уменьшении тепловой нагрузки на клеевое соединение резиновой облицовки статора при повышенном коэффициенте теплопроводности внутреннего слоя статора.

В-третьих, внутренний слой статора с внутренней поверхностью, оформляющей зубья статора, винтового забойного двигателя, выполненного в соответствии с вышеназванными признаками, может быть зафиксирован относительно наружного слоя статора непосредственной заливкой расплава материала внутреннего слоя статора в наружный слой статора, что также упрощает технологию изготовления двигателя.

В-четвертых, внутренний слой статора с внутренней поверхностью, оформляющей зубья статора винтового забойного двигателя, выполненного в соответствии с вышеназванными признаками, может быть дополнительно зафиксирован относительно наружного слоя механически, например штифтами, или наличием эксцентричных поверхностей на внутренней поверхности наружного слоя статора, или объемным заполнением материалом внутреннего слоя статора углублений шероховатой внутренней поверхности наружного слоя статора, причем шероховатость внутренней поверхности наружного слоя статора при этом выполнена в виде выступов и углублений треугольной или иной формы или в виде винтовых канавок, например, встречного направления. Статор винтового забойного двигателя может также содержать дополнительный средний слой для скрепления наружного и внутреннего слоев статора.

Винтовой забойный двигатель иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-3.

На фиг.1 показан общий вид винтового забойного двигателя.

На фиг.2 - разрез А-А статора и ротора на фиг.1.

На фиг.3 - аксонометрия статора и ротора.

Винтовой забойный двигатель содержит опорный узел 1, статор 2 с внутренними винтовыми зубьями 3, облицованными упругоэластичным материалом, например резиной 4, и ротор 5 с наружными винтовыми зубьями 6, число которых на единицу меньше числа зубьев 3 статора 2, причем ось ротора O₁ смещена относительно оси статора O₂ на величину эксцентриситета Е, равную половине радиальной высоты зубьев h, профили наружных зубьев 6 ротора 5 и внутренних зубьев 3 статора 2 в торцевом сечении выполнены взаимно огибаемыми, а ходы Тст и Тр винтовых зубьев ротора 5 и статора 2 пропорциональны их числам зубьев, статор 2 выполнен из двух неподвижных относительно друг друга металлических, но различных по температуре плавления наружного и внутреннего концентрично расположенных слоев 7 и 8, причем наружный слой 7 статора 2 выполнен из стали или титанового сплава, а внутренний слой 8 статора 2 с внутренней поверхностью, оформляющей зубья 3 статора 2, выполнен из сплава с температурой плавления, составляющей 0,1-0,8 температуры плавления наружного слоя 7 статора 2, и с повышенным коэффициентом теплопроводности, составляющим 1,2-8.5 коэффициента теплопроводности наружного слоя 7 статора 2, например, из сплава на основе цинка, алюминия или меди. Внутренний слой 8 статора 2 с внутренней поверхностью, оформляющей зубья 3 статора 2, зафиксирован относительно наружного слоя 7 статора 2 непосредственной заливкой расплава материала внутреннего слоя 8 статора 2 в наружный слой 7 статора 2. Внутренний слой 8 статора 2 с внутренней поверхностью оформляющей зубья 3 статора 2 дополнительно зафиксирован относительно наружного слоя механически, например штифтами (не показаны), или наличием эксцентричных поверхностей (не показаны) на внутренней поверхности наружного слоя статора 2, или объемным заполнением материалом внутреннего слоя 8 статора 2 углублений 9 шероховатой внутренней поверхности наружного слоя 7 статора 2, причем шероховатость внутренней поверхности наружного слоя статора при этом выполнена в виде выступов и углублений 9 треугольной или иной формы или в виде винтовых канавок (не показаны), например, встречного направления. Статор 2 может содержать дополнительный средний слой (не показан) для скрепления наружного и внутреннего слоев 7-8 статора 2.

Винтовой забойный двигатель работает следующим образом. Промывочная жидкость, подаваемая с поверхности по колонне бурильных труб, поступает в верхнюю часть винтового забойного двигателя, и в результате винтового направления зубьев 3 и 6 статора 2 и ротора 5 под действием неуравновешенных гидравлических сил, ротор 5 приводится во вращение, при этом его ось O₁-O₁ вращается вокруг оси О₂-О₂ статора 2 против часовой стрелки по окружности радиуса Е, а сам ротор 5 поворачивается относительно своей оси O₁-O₁ по часовой стрелке. Опорный узел 1 воспринимает нагрузки от реакции забоя и от гидравлической выталкивающей силы, действующей на ротор 5. Изгибающие нагрузки от стенок скважины, а также нагрузки сжатия и растяжения от колонны бурильных труб и забоя воспринимает наружный слой 7 статора 2, выполненный из стали или титанового сплава. Окружная сила, пропорциональная развиваемому крутящему моменту, воспринимается металлическими зубьями 3 статора 2, имеющими облицовку резиной 4. Резина 4 в процессе работы двигателя испытывает циклические деформации с выделением значительного количества тепла за счет внутреннего трения в резине 4. Поверхность резины, контактирующая с ротором, охлаждается промывочной жидкостью, а противоположная поверхность резины 4, приклеенная к зубьям 3 статора 2, охлаждается за счет теплопроводности внутреннего слоя 8 статора 2. При коэффициенте теплопроводности внутреннего слоя 8 статора 2, составляющем от 1,2 до 8.5 коэффициента теплопроводности наружного слоя 7 статора 2, например, при выполнении внутреннего слоя 8 статора 2 из сплава на основе цинка, алюминия или меди, а наружного слоя 7 статора 2 из стали или титанового сплава, значительно усиливается отвод тепла от резины 4 со стороны клеевого соединения резины 4 с зубьями статора 2, и значительно понижаются величины мгновенных температурных всплесков и среднее значение температуры в зоне клеевого соединения и материала резины. Понижение температуры резины при работе винтового забойного двигателя значительно увеличивает ресурс работы двигателя. При тонком резиновом покрытии зубьев статора увеличивается рабочий момент двигателя в среднем на 60%, что позволяет улучшить эффективность бурения.

Изобретение относится к буровой технике, а именно к винтовым забойным двигателям, предназначенным для бурения и ремонта нефтяных и газовых скважин, и может быть использовано также в винтовых насосах для добычи нефти и перекачивания жидкости. Технической задачей изобретения является повышение ресурса и надежности винтового забойного двигателя при эксплуатации, упрощение технологии изготовления двигателя, увеличение рабочего момента и КПД двигателя. Указанная задача достигается тем, что в винтовом забойном двигателе, содержащем статор с внутренними винтовыми зубьями, облицованными упруго-эластичным материалом, например резиной, и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, причем ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине радиальной высоты зубьев, профили наружных зубьев ротора и внутренних зубьев статора в торцевом сечении выполнены взаимно огибаемыми, а ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев, статор выполнен из двух неподвижных относительно друг друга металлических, но различных по температуре плавления наружного и внутреннего концентрично расположенных слоев, причем наружный слой статора выполнен из стали или титанового сплава, а внутренний слой статора с внутренней поверхностью, оформляющей зубья статора, выполнен из сплава с температурой плавления, составляющей 0,1-0,8 температуры плавления наружного слоя статора, и с коэффициентом теплопроводности, составляющим 1,2-8,5 коэффициента теплопроводности наружного слоя статора, например, из сплава на основе цинка, алюминия или меди. Внутренний слой статора с внутренней поверхностью, оформляющей зубья статора, зафиксирован относительно наружного слоя статора непосредственной заливкой расплава материала внутреннего слоя статора в наружный слой статора. Внутренний слой статора с внутренней поверхностью, оформляющей зубья статора, дополнительно зафиксирован относительно наружного слоя механически, например штифтами, или наличием эксцентричных поверхностей на внутренней поверхности наружного слоя статора, или объемным заполнением материалом внутреннего слоя статора углублений шероховатой внутренней поверхности наружного слоя статора, причем шероховатость внутренней поверхности наружного слоя статора при этом выполнена в виде выступов и углублений треугольной или иной формы или в виде винтовых канавок, например, встречного направления. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Винтовой забойный двигатель, содержащий опорный узел, статор с внутренними винтовыми зубьями, облицованными упруго-эластичным материалом, например резиной, и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, причем ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине радиальной высоты зубьев, профили наружных зубьев ротора и внутренних зубьев статора в торцевом сечении выполнены взаимно огибаемыми, а ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев, отличающийся тем, что статор выполнен из двух неподвижных относительно друг друга металлических, но различных по температуре плавления наружного и внутреннего концентрично расположенных слоев, причем наружный слой статора выполнен из стали или титанового сплава, а внутренний слой статора с внутренней поверхностью, оформляющей зубья статора, выполнен из сплава с температурой плавления, составляющей 0,1-0,8 температуры плавления наружного слоя статора и с коэффициентом теплопроводности, составляющим 1,2-8,5 коэффициента теплопроводности наружного слоя статора, например, из сплава на основе цинка, алюминия или меди.2. Винтовой забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что внутренний слой статора с внутренней поверхностью, оформляющей зубья статора, зафиксирован относительно наружного слоя статора непосредственной заливкой расплава материала внутреннего слоя статора в наружный слой статора.3. Винтовой забойный двигатель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что внутренний слой статора с внутренней поверхностью, оформляющей зубья статора, дополнительно зафиксирован относительно наружного слоя механически, например штифтами или наличием эксцентричных поверхностей на внутренней поверхности наружного слоя статора или объемным заполнением материалом внутреннего слоя статора углублений шероховатой внутренней поверхности наружного слоя статора, причем шероховатость внутренней поверхности наружного слоя статора при этом выполнена в виде выступов и углублений треугольной или иной формы или в виде винтовых канавок, например, встречного направления.