ВИНТОВОЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2007 года по МПК E21B4/02 F01C1/107 F04C2/107 

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" стр.16-28. М.: Недра, 1999 г., авторы Д.Ф.Балденко, Ф.Д.Балденко, А.Н.Гноевых), содержащий статор с внутренними винтовыми зубьями, выполненными 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 в некоторых случаях бурения является слишком малый расход рабочей текучей среды для обеспечения возможности промывки скважины.

Известен винтовой забойный двигатель с разделенным потоком рабочей текучей среды (см. книгу "Винтовые забойные двигатели" стр.45-46, М.: Недра 1999 г, авторы Д.Ф.Балденко, Ф.Д.Балденко, А.Н.Гноевых). В данном двигателе часть рабочей текучей среды дополнительно проходит через внутренний канал полого ротора с установленной в канале насадкой с расчетным гидравлическим сопротивлением, не участвуя в рабочем процессе двигателя, и обеспечивает лишь дополнительную промывку скважины.

Недостатком данного забойного двигателя является необходимость установки во внутренний канал полого ротора насадки сложной конфигурации и также в связи с этим возникающее ограничение возможности использования внутреннего пространства ротора для размещения гибкого вала, что увеличивает длину двигателя. Недостатком данного забойного двигателя также является то, что при проходке пород повышенной твердости эффективность процесса углубления скважины снижается при уменьшении механической скорости бурения вследствие статического характера осевой силы, передаваемой от ротора двигателя на долото.

Целью настоящего изобретения является создание винтового забойного двигателя, в котором устранен указанный недостаток и который обеспечивает повышение эффективности бурения за счет создания динамической (пульсирующей) осевой нагрузки на роторе двигателя, передаваемой на долото при одновременном повышении расхода и возникновении пульсации давления рабочей текучей среды для улучшения промывки забоя.

Указанная цель достигается за счет того, что в известном винтовом забойном двигателе, содержащем опорный узел, статор с внутренними винтовыми зубьями, облицованными 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, по меньшей мере, один винтовой зуб ротора или статора имеет один или несколько поперечных каналов, служащих для периодического протока рабочей текучей среды между соседними впадинами винтового зуба при работе двигателя, причем поперечные каналы выполнены с одной стороны ротора или статора и расположены вдоль оси двигателя. При этом указанная цель достигается также, когда кромки поперечного канала выполнены скругленными, и также в случае, когда опорный узел выполнен с возможностью ограниченного осевого перемещения ротора и опорный узел подпружинен в осевом направлении двигателя.

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

Во-первых, в винтовом забойном двигателе, содержащем опорный узел, статор с внутренними винтовыми зубьями, облицованными 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, при этом, по меньшей мере, один винтовой зуб ротора или статора имеет один или несколько поперечных каналов, служащих для периодического протока рабочей текучей среды между соседними впадинами винтового зуба при работе двигателя, причем поперечные каналы выполнены с одной стороны ротора или статора и расположены вдоль оси двигателя. Такое выполнение двигателя позволяет повысить эффективность бурения при создании динамической (пульсирующей) осевой нагрузки на роторе двигателя, передаваемой на долото при одновременном повышении расхода и возникновении пульсации давления рабочей текучей среды для улучшения промывки забоя, за счет периодического перекрытия протока рабочей текучей среды через все поперечные каналы ротора или статора при работе двигателя.

Во-вторых, при этом, когда кромки каждого поперечного канала на зубе ротора или статора выполняются скругленными, увеличивается ресурс двигателя в данном исполнении.

В-третьих, при этом, когда опорный узел выполнен с возможностью ограниченного осевого перемещения ротора, увеличивается амплитуда осевых колебаний ротора и соответственно долота и повышается эффективность бурения.

В-четвертых, при этом, когда опорный узел двигателя подпружинен в осевом направлении, увеличивается ресурс двигателя в данном исполнении при уменьшении величины осевой вибрационной нагрузки, воспринимаемой корпусом двигателя.

Винтовой забойный двигатель иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 показан общий вид винтового забойного двигателя.

На фиг.2 - аксонометрия ротора и статора, при этом винтовые зубья ротора имеют несколько поперечных каналов, выполненных на одной стороне ротора и расположенных вдоль оси двигателя.

На фиг.3 - аксонометрия ротора и статора, при этом винтовые зубья статора имеют несколько поперечных каналов, выполненных на одной стороне статора и расположенных вдоль оси двигателя.

На фиг.4 и 4а - положение ротора относительно статора, когда проток рабочей текучей среды через поперечные каналы зубьев ротора максимально открыт.

На фиг.5 и 5а - положение ротора относительно статора, когда проток рабочей текучей среды через поперечные каналы зубьев ротора перекрыт полностью боковыми сторонами зубьев статора.

На фиг.6 и 6а - положение ротора относительно статора, когда проток рабочей текучей среды через поперечные каналы зубьев статора максимально открыт.

На фиг.7 и 7а - положение ротора относительно статора, когда проток рабочей текучей среды через поперечные каналы зубьев статора перекрыт полностью боковыми сторонами зубьев ротора.

Винтовой забойный двигатель (фиг.1) содержит опорный узел 1, статор 2 с внутренними винтовыми зубьями 3, облицованными резиной 8, и ротор 4 с наружными винтовыми зубьями 5, число которых на единицу меньше числа зубьев 3 статора 2, причем ось O₁-O₁ ротора 4 смещена относительно оси О₂-О₂ статора 2 на величину эксцентриситета Е, равную половине радиальной высоты Н зубьев 3 или 5, профили наружных зубьев 5 ротора 4 и внутренних зубьев 3 статора 2 в торцевом сечении выполнены взаимно огибаемыми, а ходы Т_р и Т_ст винтовых зубьев ротора 4 и статора 2 пропорциональны их числам зубьев, по меньшей мере, один винтовой зуб 5 ротора 4 или зуб 3 статора 2 имеет один или несколько поперечных каналов 6 (фиг.2 и 3), служащих для периодического протока рабочей текучей среды между соседними впадинами 7 винтового зуба 3 или 5 при работе двигателя, причем поперечные каналы 6 выполнены с одной стороны ротора 4 (фиг.2) или статора 2 (фиг.3) и расположены вдоль оси двигателя.

Опорный узел 1 выполнен с возможностью ограниченного осевого перемещения ротора 4 (не показано). Опорный узел 1 двигателя также подпружинен в осевом направлении двигателя (не показано).

Винтовой забойный двигатель работает следующим образом. Подаваемая с поверхности по колонне бурильных труб (не показаны) рабочая текучая среда поступает в верхнюю полость двигателя. Под действием неуравновешенного давления рабочей текучей среды на боковую поверхность ротора 4 ротор совершает планетарное движение, обкатываясь своими наружными зубьями 5 по внутренним зубьям 3 статора 2, при этом ось O₁-O₁ ротора 4 совершает переносное вращение относительно оси О₂-О₂ статора 2 по окружности радиуса Е против часовой стрелки, если наблюдать со стороны входа рабочей текучей среды в двигатель, а сам ротор 4 поворачивается относительно своей оси O₁-O₁ по часовой стрелке с уменьшенной в число количества зубьев ротора раз угловой скоростью по сравнению с угловой скоростью переносного движения. Вращение ротора вызывает вращение долота или другого породоразрушающего инструмента. При обкатке зубьев 5 ротора 4 по зубьям 3 статора 2 поперечный канал 6 зуба ротора 4 или статора 2 периодически перекрывается поверхностью впадин зубьев 7 (фиг.5 и 7), прекращая проток рабочей текучей среды по поперечному каналу 6. В положении ротора 4 относительно статора 2, соответствующем положению на фиг.4 или 6, проток рабочей текучей среды через поперечный канал 6 зуба ротора 4 или статора 2 максимально открыт для прохождения дополнительного объема рабочей текучей среды к долоту с целью лучшей промывки скважины, при этом гидравлическое сопротивление движению потока рабочей текучей среды резко уменьшается и соответственно уменьшается гидравлическая осевая сила, действующая на ротор 4, при этом рабочий крутящий момент двигателя достигает минимального значения. При полном перекрытии протока рабочей текучей среды по поперечному каналу 6 зуба ротора 4 или статора 2 поверхностью впадин 7 в положении ротора относительно статора в соответствии с фиг.5 или 7 присутствует максимальное гидравлическое сопротивление движению потока рабочей текучей среды, максимальное давление над ротором и максимальная величина осевой силы на роторе 4, при этом рабочий крутящий момент двигателя максимален. Причем рост давления над ротором, увеличение осевой силы на роторе и повышение крутящего момента двигателя в большей степени вызываются гидравлическим ударом (вследствие инерции) рабочей текучей среды в двигателе при резком перекрытии протока рабочей текучей среды по поперечному каналу 6.

В результате циклического изменения давления на входе рабочей текучей среды в винтовой забойный двигатель на роторе 4 двигателя создается переменный по величине крутящий момент: при повышении давления над ротором 4 одновременно с увеличением осевой силы, действующей на ротор и передаваемой на долото, увеличивается и крутящий момент на роторе 4, помогая преодолевать возросший из-за повышения осевой нагрузки момент сопротивления на долоте, а при снижении давления крутящий момент на роторе соответственно уменьшается. Такой характер согласованного изменения осевой силы на долоте и крутящего момента, передаваемого на долото от ротора 4 двигателя, повышает эффективность процесса разрушения горной породы при бурении скважины, при этом повышается расход и возникают пульсации давления рабочей текучей среды для улучшения промывки забоя. Опорный узел 1 двигателя выполнен с возможностью ограниченного осевого перемещения ротора 4 (не показано), что позволяет увеличить амплитуду осевых колебаний ротора и соответственно долота и повысить эффективность бурения, при этом опорный узел 1 двигателя подпружинен (не показано) в осевом направлении, что позволяет увеличить ресурс двигателя в данном исполнении при уменьшении величины осевой вибрационной нагрузки, воспринимаемой корпусом двигателя. Выполнение двигателя, когда все поперечные каналы 6 выполнены с одной стороны ротора 4 или статора 2 и расположены вдоль оси двигателя, позволяет увеличить значение перепада динамической (пульсирующей) осевой нагрузки на роторе двигателя, передаваемой на долото при одновременном повышении расхода рабочей текучей среды и ее пульсации для улучшения промывки забоя, за счет периодического перекрытия протока рабочей текучей среды через все поперечные каналы 6 ротора 4 или статора 2 при работе двигателя.

Изобретение относится к буровой технике, а именно к винтовым забойным двигателям. Технической задачей является повышение эффективности бурения за счет создания динамической (пульсирующей) осевой нагрузки на роторе двигателя, передаваемой на долото при одновременном повышении расхода и возникновении пульсации давления рабочей текучей среды для улучшения промывки забоя. Достигается тем, что винтовой забойный двигатель содержит опорный узел, статор с внутренними винтовыми зубьями, облицованными 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, по меньшей мере, один винтовой зуб ротора или статора имеет один или несколько поперечных каналов, служащих для периодического протока рабочей текучей среды между соседними впадинами винтового зуба при работе двигателя, причем поперечные каналы выполнены с одной стороны ротора или статора и расположены вдоль оси двигателя. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Винтовой забойный двигатель, содержащий опорный узел, статор с внутренними винтовыми зубьями, облицованными 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, по меньшей мере, один винтовой зуб ротора или статора имеет один или несколько поперечных каналов, служащих для периодического протока рабочей текучей среды между соседними впадинами винтового зуба при работе двигателя, причем поперечные каналы выполнены с одной стороны ротора или статора и расположены вдоль оси двигателя.2. Винтовой забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что кромки поперечного канала выполнены скругленными.3. Винтовой забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что опорный узел выполнен с возможностью ограниченного осевого перемещения ротора.4. Винтовой забойный двигатель по п.3, отличающийся тем, что опорный узел подпружинен в осевом направлении двигателя.