ГЕРОТОРНАЯ МАШИНА Российский патент 2009 года по МПК E21B4/02 

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 C_t зуба статора по среднему диаметру зубьев и окружной шаг S_t этих зубьев связаны соотношением C_t/S_t=0,45-0,65, толщина C_N зуба статора по среднему диаметру D_cp зубьев в нормальном сечении N-N, перпендикулярном направлению винтовой линии М-М зуба статора, и радиальная высота h зуба C_N/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 R_B, профиль впадины зуба ротора очерчен дугой радиуса:

где D_p - наружный диаметр ротора по выступам зубьев; z₂ - число зубьев ротора; Е - эксцентриситет, а радиус R_B дуги выступа зуба ротора выполнен больше радиуса эквидистанты R_C1 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 С_Δ=_Δх/е=0,8-1,4, а коэффициент формы зуба С₀=r_ц/е выбирают в диапазоне С_е=3-6, где е - эксцентриситет зацепления, м; r - радиус катящейся окружности, м; r_ц - 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.

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.

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.