ГЕРОТОРНАЯ МАШИНА Российский патент 2009 года по МПК E21B4/02 

Описание патента на изобретение RU2345208C1

Изобретение относится к героторным механизмам винтовых забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин и может быть использовано также в винтовых насосах для добычи нефти и перекачивания жидкости.

Известен героторный механизм винтового забойного двигателя, содержащий статор с внутренними винтовыми зубьями и ротор с наружными винтовыми зубьями, при этом ось ротора смещена относительно оси статора [RU 2165531 С1, 7 F01C 1/16, 7 F01C 5/04, E21B 4/02, опубл. 20.04.2001]. Толщина Ct зуба статора по среднему диаметру зубьев и окружной шаг St этих зубьев связаны соотношением Ct/St=0,45-0,65, толщина CN зуба статора по среднему диаметру Dcp зубьев в нормальном сечении N-N, перпендикулярном направлению винтовой линии М-М зуба статора, и радиальная высота h зуба CN/h≥1,75.

Известен героторный механизм винтовой забойной гидромашины [RU 2166603 С1, Е21В 4/02, опубл. 10.05.2001], снабженный статором и ротором, имеющими винтовые зубья, причем профиль зубьев ротора в торцевом сечении очерчен сопряженными дугами окружностей, а профиль полости выступа зуба ротора очерчен дугой радиуса RB, профиль впадины зуба ротора очерчен дугой радиуса:

где Dp - наружный диаметр ротора по выступам зубьев; z2 - число зубьев ротора; Е - эксцентриситет, а радиус RB дуги выступа зуба ротора выполнен больше радиуса эквидистанты RC1 рейки статора.

Известен героторный механизм [RU №2162926 С1, Е21В 4/02, опубл. 10.02.2001], снабженный парой ротор-статор, имеющих внутреннее гипоциклоидальное зацепление, причем знаки кривизны замкнутых сопряженных профилей ротора и статора одинаковы и не изменяются по всему контуру, при этом при числе зубьев ротора, равном двум, и коэффициенте внецентроидности С0=r/е, близком к единице (С0≅1,5), смещение исходного контура рейки выполняют положительным СΔ=Δх/е=0,8-1,4, а коэффициент формы зуба С0=rц/е выбирают в диапазоне Се=3-6, где е - эксцентриситет зацепления, м; r - радиус катящейся окружности, м; rц - радиус эквидистанты, м; Δx - смещение исходного контура рейки, м.

Известна героторная машина [SU №1384702 А1, Е21В 4/02, F04C 2/107, опубл. 10.02.2001], содержащая объединенные в модули героторные механизмы, причем роторы героторных механизмов связаны посредством направляющих узлов для смещения оси каждого последующего ротора в модуле относительно оси предыдущего на угол α=360°/N, где N - число героторных механизмов в модуле, равное 2 и более, и последовательного разворота модулей относительно друг друга на угол β=360°/М, где М - число модулей, равное 2 и более.

Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, в известных технических решениях является низкая износостойкость рабочих органов героторного механизма, приводящая к снижению энергетических характеристик и долговечности героторной машины.

При бурении скважины винтовым забойным двигателем (ВЗД) часто возникают проблемы, связанные с нестабильностью его работы - чередованием режимов от оптимального до тормозного, а также остановок двигателя, что обусловлено неоднородностью (твердостью) разбуриваемых горных пород. В процессе работы ВЗД в экстремальном - тормозном режиме возникают дополнительные гидравлические потери, которые складываются из потерь в рабочих органах (РО) винтовой пары героторного механизма. Гидравлические потери приводят к снижению энергетических характеристик героторной машины. Основные потери в РО складываются вследствие утечек бурового раствора из камер в направлении области низкого давления через образующийся на контактной линии односторонний зазор между ротором и статором [Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Винтовые забойные двигатели: Справочное пособие - М.: ОАО Издательство «Недра», 1999. - С.296]. Существенное влияние на работоспособность двигателя при этом оказывает натяг в паре ротор-статор. Распределение контактной линии на уплотнительную (где РО испытывают контактные напряжения) и проточную (через которую происходят утечки) части, обусловлено деформацией эластичной обкладки статора, перераспределением натяга в паре и смещением ротора в радиальном направлении под действием силовых факторов.

Увеличение потерь также связано с повышенным износом РО. По мере износа РО, особенно при использовании раствора с большим содержанием песка, натяг уменьшается, что приводит к разгерметизации РО и, как следствие, к снижению нагрузочной способности двигателя. Как показывает практика бурения скважин винтовыми забойными двигателями, средний ресурс его работы составляет от 40 до 130 часов. Конструктивные изменения профилей рабочих органов не позволяют увеличить срок службы ВЗД. Выход из строя упругоэластичной обкладки статора, невозможности ее ремонта (реставрации) приводят к невозможности ее дальнейшей эксплуатации и, как правило, утилизации героторной машины.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является улучшение энергетических характеристик героторной машины, продление срока ее службы с изношенной упругоэластичной обкладкой статора путем увеличения диаметрального натяга в паре ротор-статор.

При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в сохранении энергетических характеристик героторной машины с изношенной упругоэластичной обкладкой статора, продлении его срока службы за счет конструктивных изменений героторного механизма.

Указанный технический результат достигается тем, что в героторной машине, включающей героторный механизм, содержащий статор с внутренними винтовыми зубьями, ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа внутренних винтовых зубьев статора, причем внутренние винтовые зубья статора выполнены из упругоэластичного материала, например резины, привулканизованной к внутренней поверхности статора, особенностью является то, что ротор героторного механизма разделен по окончании шагов винтовых линий T2 на несколько частей (модулей). Модули соосно объединены посредством резьбового соединения, например, муфтой, при этом ось смещена на угол ϕ по окончании шага Т2 винтовой линий относительно неподвижного статора, а относительно оси модуля O1O2 развернута на угол ϕ1.

Угол ϕ и ϕ1 определяют выражением

где Z1, Z2 - число зубьев статора и ротора.

Причем максимальный угол смещения ϕ и ϕ1 разворота оси модуля соответствует предельному износу упругоэластичного материала зубьев статора.

Причинно-следственная связь между заявленным техническим результатом и существующими признаками изобретения следующая. Повышение энергетических характеристик и долговечности героторной машины осуществляется за счет возможности ее эксплуатации с изношенной упругоэластичной обкладкой статора путем модульного разделения ротора по окончании его шага T2, последующим их объединением посредством переводника (резьбового соединения, например, муфтой) и разворотом оси нижеследующего модуля на угол ϕ1.

На фиг.1-3 представлена героторная машина.

На фиг.1 представлена героторная машина, которая содержит героторный механизм, состоящий из статора 1 с внутренними винтовыми зубьями, и ротора 2 с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа внутренних винтовых зубьев статора. Внутренние винтовые зубья статора 1 выполнены из упругоэластичного материала, например резины, привулканизованной к внутренней поверхности статора 1. По мере увеличения износа рабочего органа героторного механизма, а именно упругоэластичного материала зубьев статора 1 и невозможности дальнейшей его эксплуатации, ротор 2 героторного механизма разделяют по окончании шага винтовой линии зубьев ротора Т2 на ряд модулей. На фиг.1 представлены в качестве примера два модуля 3 и нижеследующий 4. Разделенные модули 3 и 4 объединяют соосно посредством переводника 5, например муфтой 6.

На фиг.2-3 представлены торцевой разрез А-А и Б-Б соосно объединенных модулей 3 и 4 двигателя перпендикулярно оси О1О2 и Ось модуля 4 смещена на угол ϕ относительно неподвижного статора 1 и развернута на угол ϕ1 относительно оси O1O2 модуля 3.

На фиг.4 представлена муфта 6 для объединения модулей 3 и 4 посредством резьбового соединения переводника 5.

Бурение скважин посредством героторной машины, состоящей из статора 1 и объединенных модулей 3, 4, происходит следующим образом. Буровой раствор попадает в рабочие органы героторного механизма. В результате повышения давления в камерах 7 происходит вращение соосно соединенных посредством переводника модулей 3 и 4. За счет разворота на угол ϕ1 нижележащего модуля 4 по отношению к вышележащему модулю 3 увеличивается контактное напряжение (диаметральный натяг) между упругоэластичной обкладкой статора 1 и вышележащим модулем 3. Увеличение контактного напряжения связано с тем, что зубья нижележащего модуля 4 за счет опережения угла разворота ϕ1 нижележащего модуля 4 заходят на зубья упругоэластичной обкладки неподвижного статора 1. Благодаря этому ось нижележащего модуля смещается на некоторую величину h по отношению к неподвижному статору 1. За счет чего создается дополнительное контактное напряжение между упругоэластичной обкладкой неподвижного статора 1 и вышележащим модулем 3, что обеспечивает снижение утечек бурового раствора.

Таким образом, продление срока службы героторного механизма с изношенной упругоэластичной обкладкой статора с сохранением его энергетических характеристик обеспечивается путем увеличения диаметрального натяга в паре ротор-статор, влияющего на обеспечение герметичности РО за счет разделения ротора и соосного объединения их в модули посредством резьбового соединения, например муфтой, по окончании шагов Т2 винтовых линий, при этом оси модулей O1O2 и развернуты относительно друг друга на угол ϕ1.

Похожие патенты RU2345208C1

название год авторы номер документа
ВИНТОВОЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ 2012
  • Балденко Дмитрий Федорович
  • Балденко Федор Дмитриевич
  • Балетинских Денис Иванович
  • Воробьев Владимир Григорьевич
  • Лунев Александр Вячеславович
  • Селиванов Сергей Михайлович
  • Смирнов Алексей Сергеевич
RU2524238C2
ГЕРОТОРНЫЙ МЕХАНИЗМ ВИНТОВОГО ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ 2007
  • Суслов Виктор Федорович
RU2360129C2
ВИНТОВОЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННОГО И ГОРИЗОНТАЛЬНОГО БУРЕНИЯ 2007
  • Голдобин Владимир Борисович
  • Трапезников Сергей Германович
RU2324803C1
МНОГОЗАХОДНЫЙ ГЕРОТОРНЫЙ МЕХАНИЗМ ВИНТОВОЙ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ МАШИНЫ 2001
  • Коротаев Ю.А.
  • Цепков А.В.
  • Кочнев А.М.
  • Бобров М.Г.
  • Суслов В.Ф.
RU2194880C2
СТАТОР ВИНТОВОЙ ГЕРОТОРНОЙ ГИДРОМАШИНЫ 2005
  • Андоскин Владимир Николаевич
  • Кобелев Константин Анатольевич
  • Кириевский Юрий Евгеньевич
RU2283442C1
СТАТОР ВИНТОВОЙ ГЕРОТОРНОЙ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ МАШИНЫ 2006
  • Андоскин Владимир Николаевич
  • Кобелев Константин Анатольевич
  • Кириевский Юрий Евгеньевич
RU2327025C1
СТАТОР ВИНТОВОЙ ГЕРОТОРНОЙ ГИДРОМАШИНЫ 2005
  • Андоскин Владимир Николаевич
  • Кобелев Константин Анатольевич
  • Кириевский Юрий Евгеньевич
RU2300617C2
Героторная машина 1983
  • Балденко Дмитрий Федорович
  • Вадецкий Юрий Вячеславович
  • Гусман Моисей Тимофеевич
  • Семенец Валерий Игорьевич
  • Хабецкая Валентина Алексеевна
SU1384702A1
ГЕРОТОРНЫЙ МЕХАНИЗМ ВИНТОВОЙ ГИДРОМАШИНЫ 2003
  • Андоскин В.Н.
  • Астафьев С.П.
  • Пушкарёв М.А.
  • Глинкин А.С.
  • Фадеев М.В.
RU2228444C1
ГЕРОТОРНЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ 2006
  • Андоскин Владимир Николаевич
  • Астафьев Сергей Петрович
  • Кобелев Константин Анатольевич
RU2357063C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 345 208 C1

Реферат патента 2009 года ГЕРОТОРНАЯ МАШИНА

Изобретение относится к героторным механизмам винтовых забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин и может быть использовано также в винтовых насосах для добычи нефти и перекачивания жидкости. Героторная машина включает героторный механизм, содержащий статор (1) с внутренними винтовыми зубьями, ротор (2) с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа внутренних винтовых зубьев статора (1). Ротор (2) героторного механизма разделен по окончании шагов винтовых линий Т2 на несколько модулей. Модули (3) и (4) соосно объединены посредством переводника (5). Ось смещена на угол ϕ по окончании шага Т2 винтовой линии относительно неподвижного статора, а относительно оси модуля O1O2 развернута на угол ϕ1. Угол ϕ и ϕ1 определяют выражением:

,

где Z1, Z2 - число зубьев статора и ротора. Технический результат - продление срока службы героторной машины, сохранение ее энергетических характеристик с изношенными РО за счет конструктивных изменений героторного механизма. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула изобретения RU 2 345 208 C1

1. Героторная машина, включающая героторный механизм, содержащий статор с внутренними винтовыми зубьями, ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа внутренних винтовых зубьев статора, причем внутренние винтовые зубья статора выполнены из упругоэластичного материала, отличающаяся тем, что ротор героторного механизма разделен по окончанию шагов винтовой линии зубьев на ряд модулей, которые соосно объединены посредством переводника, при этом ось нижеследующего модуля смещена на угол ϕ по окончанию шага винтовой линий зубьев ротора относительно неподвижного статора, а относительно оси вышележащего модуля развернута на угол ϕ1, углы ϕ и ϕ1 определены по формулам:

где Z1, Z2 - число зубьев статора и ротора.

2. Героторная машина по п.1, отличающаяся тем, что максимальный угол смещения ϕ и угол разворота ϕ1 соответствуют предельному износу упругоэластичного материала зубьев статора.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2009 года RU2345208C1

Героторная машина 1983
  • Балденко Дмитрий Федорович
  • Вадецкий Юрий Вячеславович
  • Гусман Моисей Тимофеевич
  • Семенец Валерий Игорьевич
  • Хабецкая Валентина Алексеевна
SU1384702A1
ЗАБОЙНЫЙ ВИНТОВОЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ 0
  • О. О. Асан Нури, М. Т. Гусман, С. С. Никомаров, А. М. Кочнев
  • Ю. В. Захаров
  • Пермский Филиал Всесоюзного Научно Исследовательско
  • Института Буровой Техники
SU286502A1
ГЕРОТОРНЫЙ МЕХАНИЗМ 2000
  • Балденко Д.Ф.
  • Балденко Ф.Д.
  • Коротаев Ю.А.
  • Лузгин С.А.
  • Суслов В.Ф.
  • Цепков А.В.
RU2162926C1
ГЕРОТОРНЫЙ МЕХАНИЗМ ВИНТОВОГО ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ 2000
  • Кочнев А.М.
  • Коротаев Ю.А.
  • Бобров М.Г.
  • Цепков А.В.
  • Суслов В.Ф.
RU2165531C1
ГЕРОТОРНЫЙ МЕХАНИЗМ ВИНТОВОЙ ЗАБОЙНОЙ ГИДРОМАШИНЫ (ВАРИАНТЫ) 2000
  • Кочнев А.М.
  • Коротаев Ю.А.
  • Цепков А.В.
  • Суслов В.Ф.
  • Бобров М.Г.
RU2166603C1
US 3912426 A, 14.11.1975.

RU 2 345 208 C1

Авторы

Двойников Михаил Владимирович

Даты

2009-01-27Публикация

2007-06-13Подача