ГЕРОТОРНЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2009 года по МПК E21B4/02 E21B7/08 

Изобретение относится к гидравлическим приводам для вращательного бурения, размещаемым в скважинах, и может быть использовано в героторных винтовых гидравлических двигателях для бурения наклонных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин.

Известен винтовой забойный двигатель, содержащий одну или несколько двигательных секций, включающих статор, состоящий из корпуса, закрепленную в корпусе обкладку из эластомера с внутренними винтовыми зубьями и размещенный внутри обкладки ротор с наружными винтовыми зубьями, находящимися в контакте с внутренними винтовыми зубьями обкладки, причем число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев обкладки, а также шпиндельную секцию, включающую корпусные элементы, вал, осевые и радиальные опоры, приводной вал, соединяющий ротор двигательной секции и вал шпиндельной секции, переводник, соединяющий статор двигательной секции и корпус шпиндельной секции (Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Винтовые забойные двигатели. - М.: Недра, 1999, с.33-43).

Недостатком известной конструкции является неполная возможность увеличения надежности и ресурса за счет обеспечения равнопрочных и герметичных резьбовых соединений статора с переводником и/или переходником в условиях интенсивного трения и вращения в стволе скважины, с использованием в колонне бурильных труб гидравлических ясов, с ударными нагрузками и ударными импульсами от ясов, а также при релаксации растягивающих напряжений в изогнутой колонне бурильных труб, в которой установлен статор для двигателя.

Недостатком известной конструкции является также неполная возможность повышения точности проходки наклонных и горизонтальных скважин, повышения темпа набора параметров кривизны скважин, а также улучшения проходимости, т.е. уменьшения сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны (героторного двигателя со шпинделем и долотом в изогнутой колонне бурильных труб) за счет уменьшения длины компоновки низа бурильной колонны, а также изгиба корпуса двигателя при прохождении через радиусные участки ствола скважины, имеющие участки малого и среднего радиуса 30…300 м, в условиях интенсивного трения по стволу скважины.

Известен винтовой забойный двигатель, содержащий одну или несколько двигательных секций, каждая из которых содержит трубчатый корпус, закрепленную в корпусе обкладку из эластомера с внутренними винтовыми зубьями и установленный внутри обкладки ротор с наружными винтовыми зубьями, а также шпиндельный узел, содержащий корпусные элементы и вал, элементы соединения, соединяющие ротор двигательной секции и вал шпиндельного узла и/или роторы двигательных секций, переводник, соединяющий корпус двигательной секции и корпус шпиндельного узла и/или корпуса двигательных секций (US 4858705, Aug. 22, 1989).

Недостатком известной конструкции является неполная возможность увеличения надежности и ресурса за счет обеспечения равнопрочных и герметичных резьбовых соединений статора с переводником и/или переходником в условиях интенсивного трения и вращения в стволе скважины, с использованием в колонне бурильных труб гидравлических ясов, с ударными нагрузками и ударными импульсами от ясов, а также при релаксации растягивающих напряжений в изогнутой колонне бурильных труб, в которой установлен статор для двигателя.

Недостатком известной конструкции является также неполная возможность повышения точности проходки наклонных и горизонтальных скважин, повышения темпа набора параметров кривизны скважин, а также улучшения проходимости, т.е. уменьшения сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны (героторного двигателя со шпинделем и долотом в изогнутой колонне бурильных труб) за счет уменьшения длины компоновки низа бурильной колонны, а также изгиба корпуса двигателя при прохождении через радиусные участки ствола скважины, имеющие участки малого и среднего радиуса 30…300 м, в условиях интенсивного трения по стволу скважины.

Недостатки известной конструкции объясняются повышенной жесткостью статора двигателя, наружная поверхность которой представляет собой винтовые ребра (центраторы) на длине корпуса, показано на фиг.2, что ухудшает проходимость винтового забойного двигателя, вызывает прихваты компоновки низа бурильной колонны при прохождении через радиусные участки ствола скважины при бурении горизонтальных участков скважин.

Наиболее близким к заявляемой конструкции является винтовой забойный двигатель, содержащий одну или несколько двигательных секций, каждая из которых содержит полый трубчатый корпус, закрепленную в корпусе обкладку из эластомера с внутренними винтовыми зубьями и установленный внутри обкладки ротор с наружными винтовыми зубьями, а также шпиндельный узел, содержащий корпусные элементы и выходной вал, элементы соединения, соединяющие ротор двигательной секции и выходной вал шпиндельного узла и/или роторы двигательных секций, переводник, соединяющий корпус двигательной секции и корпус шпиндельного узла и/или корпуса двигательных секций (RU 2241107, 2004.11.27 - прототип).

В известной конструкции двигателя переводник выполнен в виде полого металлического цилиндра и имеет две присоединительные зоны L1 и L2, которые находятся на концах переводника и обеспечивают соединение корпуса двигательной секции с корпусным элементом опорного узла и/или корпусов двигательных секций, и находящуюся между ними в средней части переводника зону пониженной жесткости на изгиб L, при этом толщина стенок переводника в зоне пониженной жесткости на изгиб L меньше, чем толщина стенок переводника в присоединительных зонах L1 и L2, которая определяется разностью наружных и внутренних диаметров переводника.

Недостатком известной конструкции является неполная возможность увеличения надежности и ресурса за счет обеспечения равнопрочных и герметичных резьбовых соединений полого корпуса с переводником и/или переходником в условиях интенсивного трения и вращения в стволе скважины, с использованием в колонне бурильных труб гидравлических ясов, с ударными нагрузками и ударными импульсами от ясов, а также при релаксации растягивающих напряжений в изогнутой колонне бурильных труб, в которой установлен статор для двигателя.

Недостаток известной конструкции объясняется большим значением коэффициента напряжения при изгибе (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению) в местах стыка резьбовых соединений корпуса с переводником и/или переходником, по существу, равным 6…8, а также большой вероятностью поломки резьбовых соединений корпуса при использовании двигателя в горизонтальных управляемых компоновках низа бурильной колонны, на участках изменения кривизны наклонной скважины, преимущественно в режиме максимальной мощности.

Недостатком известной конструкции является также неполная возможность повышения точности проходки наклонных и горизонтальных скважин, повышения темпа набора параметров кривизны скважин, а также улучшения проходимости, т.е. уменьшения сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны (героторного двигателя со шпинделем и долотом в изогнутой колонне бурильных труб) за счет уменьшения длины компоновки низа бурильной колонны, а также изгиба корпуса двигателя при прохождении через радиусные участки ствола скважины, имеющие участки малого и среднего радиуса 30…300 м, в условиях интенсивного трения по стволу скважины.

Это объясняется тем, что гибкий переводник, соединяющий трубчатый корпус двигательной секции, корпусной элемент и корпус опорного (шпиндельного) узла, увеличивает длину компоновки низа бурильной колонны для бурения горизонтальных скважин, что ухудшает проходимость, т.е. увеличивает сопротивление и напряжения в компоновке низа бурильной колонны героторного гидравлического двигателя со шпинделем и долотом в изогнутой колонне бурильных труб при прохождении через радиусные участки ствола скважины при горизонтальном бурении, а также не обеспечивает экономических преимуществ.

В компоновках низа бурильной колонны для бурения наклонных и горизонтальных скважин используют преимущественно регуляторы угла и реактивного момента героторного двигателя со шпинделем и долотом, которые обладают наибольшей жесткостью и предназначены для искривления траектории скважины (US 5343966, 06.09.1994; RU 2261318, 10.05.2005).

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение надежности и ресурса за счет обеспечения равнопрочных и герметичных резьбовых соединений полого корпуса с переводником и/или переходником в условиях интенсивного трения и вращения в стволе скважины, с использованием в колонне бурильных труб гидравлических ясов, с ударными нагрузками и ударными импульсами от ясов, а также при релаксации растягивающих напряжений в изогнутой колонне бурильных труб, в которой установлен полый корпус двигателя.

Другой технической задачей является повышение точности проходки наклонных и горизонтальных скважин, повышение темпа набора параметров кривизны скважин, а также улучшение проходимости, т.е. уменьшение сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны (героторного двигателя со шпинделем и долотом в изогнутой колонне бурильных труб) за счет уменьшения длины компоновки низа бурильной колонны, а также изгиба полого корпуса двигателя при прохождении через радиусные участки ствола скважины, имеющие участки малого и среднего радиуса 30…300 м, в условиях интенсивного трения по стволу скважины.

Сущность технического решения заключается в том, что в героторном гидравлическом двигателе, содержащем полый корпус, размещенный внутри него многозаходный винтовой героторный механизм, включающий закрепленную в корпусе обкладку из эластомера с внутренними винтовыми зубьями и установленный внутри обкладки ротор с наружными винтовыми зубьями, а также шпиндель, соединенный приводным валом с ротором, а на выходе - с долотом, при этом полый корпус скреплен с резьбовым переходником для соединения с колонной бурильных труб и резьбовым переводником с изогнутой центральной осью, соединяющим полый корпус со шпинделем, а элементы соединения полого корпуса с переходником и переводником выполнены с внутренней и/или наружной резьбой, например конической, согласно изобретению, полый корпус двигателя выполнен с поясом пониженной жесткости, характеризующимся выполнением стенки полого корпуса уменьшенной толщиной, расположенным между торцами винтовых зубьев в обкладке из эластомера, при этом отношение уменьшенной толщины стенки полого корпуса к наружному диаметру полого корпуса составляет 0,065…0,095, а момент инерции поперечного сечения пояса пониженной жесткости в полом корпусе составляет 0,945…1,055 от момента инерции поперечного кольцевого сечения в плоскостях наибольшего или наименьшего внутреннего или наружного диаметра полного витка наружной или внутренней резьбы резьбового переходника и/или переводника, находящегося в зацеплении с полным витком внутренней или наружной резьбы полого корпуса, и/или наименьшего или наибольшего наружного или внутреннего диаметра полного витка внутренней или наружной резьбы полого корпуса, находящегося в зацеплении с полным витком наружной или внутренней резьбы резьбового переходника и/или переводника.

Края пояса пониженной жесткости в полом корпусе расположены на расстоянии

L_1,2 от ближнего торца винтовых зубьев в обкладке из эластомера и определяются соотношением: L_1,2=(0,314…1,618) t, где t - осевой шаг винтовых зубьев в обкладке, при этом торцы полого корпуса и переходника и/или переводника контактируют с упором друг в друга.

В обкладке полого корпуса торцы винтовых зубьев, направленные к забою скважины, расположены на расстоянии L₁ от ближнего края пояса пониженной жесткости и определяются соотношением: L₁=(0,314…0,618)t, а торцы винтовых зубьев, направленные к устью скважины, расположены на расстоянии L₂ от ближнего края пояса пониженной жесткости и определяются соотношением: L₂=(1,314…1,618) t, где t - осевой шаг винтовых зубьев в обкладке.

В заявляемой конструкции за счет того, что полый корпус двигателя выполнен с поясом пониженной жесткости, характеризующимся выполнением стенки полого корпуса уменьшенной толщиной, расположенным между торцами винтовых зубьев в обкладке из эластомера, при этом отношение уменьшенной толщины стенки полого корпуса к наружному диаметру полого корпуса составляет 0,065…0,095, а момент инерции поперечного сечения пояса пониженной жесткости в полом корпусе составляет 0,945…1,055 от момента инерции поперечного кольцевого сечения в плоскостях наибольшего или наименьшего внутреннего или наружного диаметра полного витка наружной или внутренней резьбы резьбового переходника и/или переводника, находящегося в зацеплении с полным витком внутренней или наружной резьбы полого корпуса, и/или наименьшего или наибольшего наружного или внутреннего диаметра полного витка внутренней или наружной резьбы полого корпуса, находящегося в зацеплении с полным витком наружной или внутренней резьбы резьбового переходника и/или переводника, увеличивается надежность и ресурс за счет обеспечения равнопрочных и герметичных резьбовых соединений полого корпуса с переводником и/или переходником в условиях интенсивного трения и вращения в стволе скважины, с использованием в колонне бурильных труб гидравлических ясов, с ударными нагрузками и ударными импульсами от ясов, а также при релаксации растягивающих напряжений в изогнутой колонне бурильных труб, в которой установлен полый корпус двигателя.

При использовании заявляемой конструкции повышается также точность проходки наклонных и горизонтальных скважин, повышается темп набора параметров кривизны скважин, а также улучшается проходимость, т.е. уменьшаются сопротивления и напряжения в компоновке низа бурильной колонны (героторного двигателя со шпинделем и долотом в изогнутой колонне бурильных труб) за счет уменьшения длины компоновки низа бурильной колонны, а также изгиба полого корпуса двигателя при прохождении через радиусные участки ствола скважины, имеющие участки малого и среднего радиуса 30…300 м, в условиях интенсивного трения по стволу скважины.

В заявляемой конструкции за счет того, что края пояса пониженной жесткости в полом корпусе расположены на расстоянии L_1,2 от ближнего торца винтовых зубьев в обкладке из эластомера и определяются соотношением: L_1,2=(0,314…1,618) t, где t - осевой шаг винтовых зубьев в обкладке, при этом торцы полого корпуса и переходника и/или переводника контактируют с упором друг в друга, дополнительно обеспечиваются равнопрочные и герметичные резьбовые соединения статора с переводником и/или переходником в компоновке низа бурильной колонны, а также увеличивается точность проходки неоднородности забоя скважин за счет оптимальной осевой нагрузки на долото без потери устойчивости изогнутой колонны бурильных труб в горизонтальных участках скважины.

В заявляемой конструкции за счет того, что в обкладке полого корпуса торцы винтовых зубьев, направленные к забою скважины, расположены на расстоянии L₁ от ближнего края пояса пониженной жесткости и определяются соотношением: L₁=(0,314…0,618)t, а торцы винтовых зубьев, направленные к устью скважины, расположены на расстоянии L₂ от ближнего края пояса пониженной жесткости и определяются соотношением: L₂=(1,314…1,618)t, где t - осевой шаг винтовых зубьев в обкладке, повышается эффект демпфирования крутильных и поперечных колебаний обкладкой из эластомера в полом корпусе двигателя (в том числе в режиме резонансных поперечных колебаний), увеличивается точность проходки неоднородности забоя скважин за счет оптимальной осевой нагрузки на долото без потери устойчивости изогнутой колонны бурильных труб в горизонтальных участках скважины.

Ниже представлен лучший вариант конструкции героторного винтового гидравлического двигателя ДРУ-120РС с регулятором угла и реактивного момента для бурения наклонных и горизонтальных скважин.

На фиг.1 показан продольный разрез героторного винтового гидравлического двигателя.

На фиг.2 показан элемент I на фиг.1 соединения наибольшего внутреннего диаметра полного витка наружной конической резьбы резьбового переводника, находящегося в зацеплении с полным витком внутренней конической резьбы полого корпуса, а также наименьшего наружного диаметра полного витка внутренней конической резьбы полого корпуса, находящегося в зацеплении с полным витком наружной конической резьбы резьбового переводника.

На фиг.3 показан вариант элемента I на фиг.1 соединения наибольшего внутреннего диаметра полного витка наружной резьбы полого корпуса, находящегося в зацеплении с полным витком внутренней конической резьбы резьбового переводника, а также наименьшего наружного диаметра полного витка внутренней конической резьбы резьбового переводника, находящегося в зацеплении с полным витком наружной конической резьбы полого корпуса.

На фиг.4 показан поперечный разрез А-А на фиг.1 статора и ротора героторного винтового гидравлического двигателя, отношение чисел зубьев ротор-обкладка равно 6/7.

Героторный гидравлический двигатель содержит полый корпус 1, размещенный внутри него многозаходный винтовой героторный механизм 2, включающий эластомерную обкладку 3 и установленный внутри обкладки 3 ротор 4, а также вал шпинделя 5, размещенный в опорах вращения в корпусе шпинделя 6, соединенный приводным валом 7, имеющим два карданно-шариковых узла 8, один из которых соединен с ротором 4, а другой - с долотом, на чертеже не показанным, где поз.9 показан переходник с внутренней конической резьбой для соединения с долотом, при этом полый корпус 1 скреплен с резьбовым переходником 10 для соединения с колонной бурильных труб и резьбовыми кривыми переводниками 11, 12, 13 с изогнутой центральной осью 14, соединяющими полый корпус 1 с корпусом шпинделя 6, элементы соединения 15 полого корпуса 1 с переходником 10, а также элементы соединения 16 полого корпуса 1 с кривым переводником 11 выполнены с внутренней конической резьбой 17 в полом корпусе 1 и наружной конической резьбой 18 на краю кривого переводника 11, а также могут быть выполнены в виде варианта с наружной конической резьбой 19 в полом корпусе 1 и внутренней конической резьбой 20 на краю кривого переводника 11, показано на фиг.1, 2, 3.

Полый корпус 1 двигателя выполнен с поясом пониженной жесткости 21, характеризующимся выполнением стенки полого корпуса уменьшенной толщиной, а пояс пониженной жесткости 21 расположен между торцами 22 и 23 винтовых зубьев 24 в обкладке 3 из эластомера, при этом отношение уменьшенной толщины стенки 25 полого корпуса 1 к наружному диаметру 26 полого корпуса 1 составляет 0,065…0,095, показано на фиг.1, 4.

Момент инерции J_x, J_y (осевой) поперечного кольцевого сечения пояса пониженной жесткости 21 в полом корпусе 1 определяется по формуле: J_x=J_y=(πd⁴/64)(1-е⁴)≈0,005d⁴(1-c⁴), где π=3,14159…, c=d₀/d, при этом d₀ - внутренний диаметр 27 пояса пониженной жесткости 21, a d - наружный диаметр 28 пояса пониженной жесткости 21, показано на фиг.4.

Момент инерции J_x, J_y (осевой) поперечного сечения пояса пониженной жесткости 21 в полом корпусе 1 составляет 0,945…1,055 от момента инерции поперечного кольцевого сечения в плоскостях наибольшего внутреннего диаметра 29 полного витка наружной резьбы 18 резьбового переводника 11, находящегося в зацеплении с полным витком внутренней резьбы 17 полого корпуса 1, который обозначен J₁, а также наименьшего наружного диаметра 30 полного витка внутренней резьбы 17 полого корпуса 1, находящегося в зацеплении с полным витком наружной резьбы 18 резьбового переводника 11, который обозначен J₂, показано на фиг.2, и/или в плоскостях наибольшего внутреннего диаметра 31 полного витка наружной резьбы 19 полого корпуса 1, находящегося в зацеплении с полным витком внутренней резьбы 20 резьбового переводника 11, который обозначен J₃, а также наименьшего наружного диаметра 32 полного витка внутренней резьбы 20 резьбового переводника 11, находящегося в зацеплении с полным витком наружной резьбы 19 полого корпуса 1, который обозначен J₄, показано на фиг.3.

Края 33 и 34 пояса пониженной жесткости 21 в полом корпусе 1 расположены на расстоянии L_1,2, соответственно 35 и 36, от ближнего торца, соответственно 23 и 22, винтовых зубьев 24 в обкладке 3 из эластомера и определяются соотношением: L_1,2=(0,314…1,618)t, где t - осевой шаг винтовых зубьев 24 в обкладке 3 обозначен поз.37, при этом торец 38 полого корпуса 1 с внутренней конической резьбой 17 и торец 39 переводника 11 с наружной конической резьбой 18 контактируют с упором друг в друга, показано на фиг.2.

Торец 40 полого корпуса 1 с наружной конической резьбой 19 и торец 41 переводника 11 с внутренней конической резьбой 20 контактируют с упором друг в друга, показан вариант на фиг.3.

При этом моменты инерции поперечного кольцевого сечения в плоскостях, которые обозначены: J₁, J₂ и/или J₃, J₄, являются опасными и определяющими коэффициенты напряжения при изгибе (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению) в местах стыка 16 и 15 резьбовых соединений полого корпуса 1 с переходником 10 и переводником 11.

В обкладке 3 полого корпуса 1 торцы 23 винтовых зубьев 24, направленные к забою скважины (к долоту), расположены на расстоянии 35, L₁ от ближнего края 33 пояса пониженной жесткости 21 и определяются соотношением: L₁=(0,314…0,618)t, а торцы 22 винтовых зубьев 24, направленные к устью скважины, расположены на расстоянии 36, L₂ от ближнего края 34 пояса пониженной жесткости 21 и определяется соотношением: L₂=(1,314…1,618)t, где 37, t - осевой шаг винтовых зубьев 24 в обкладке 3, показано на фиг.1.

При этом 37, t (осевой шаг винтовых зубьев 24 в обкладке 3) - это расстояние между одноименными линиями соседних винтовых зубьев 24 по линии пересечения плоскости осевого сечения зубчатого колеса с его делительной, начальной или однотипной соосной поверхностью (ГОСТ 16530-83, с.17, черт.48).

Кроме того, на фиг.4 обозначено: поз.42 - центральная продольная ось обкладки 3 из эластомера, закрепленной в полом корпусе 1; поз.43 - центральная продольная ось ротора 4, поз.44 - величина эксцентриситета ротора 4, установленного в обкладке 3 из эластомера в корпусе 1, поз.45 - винтовые многозаходные многошаговые зубья ротора 4, число зубьев 45 ротора 4 на единицу меньше числа зубьев 24 в обкладке 3 из эластомера, закрепленной в полом корпусе 1.

На фиг.1, 4 показано: поз.46 - многозаходные винтовые (шлюзовые) камеры между зубьями 45 ротора 4 и зубьями 24 обкладки 3 из эластомера; поз.47 - направление потока рабочей жидкости (бурового раствора).

Конструкция героторного винтового гидравлического (забойного) двигателя работает следующим образом: поток бурового раствора 47 под давлением, например, 22…32 МПа в режиме максимальной мощности по колонне бурильных труб подается в многозаходные винтовые (шлюзовые) камеры 46 между зубьями 45 ротора 4 и зубьями 24 обкладки 3 из эластомера и образует область высокого давления и момент от гидравлических сил, который приводит в планетарно-роторное вращение ротор 4 внутри эластомерной обкладки 3, закрепленной в полом корпусе 1.

Винтовые зубья 24 эластомерной обкладки 3, закрепленной в полом корпусе 1, подвергаются сложной деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора 4 внутри полого корпуса 1.

Винтовые (шлюзовые) многозаходные многошаговые камеры 46 между зубьями 45 ротора 4 и зубьями 24 эластомерной обкладки 3 имеют переменный объем и периодически перемещаются по потоку 47 бурового раствора, который имеет плотность до 1500 кг/м³, содержит до 2% песка и до 5% нефтепродуктов.

Обкладка 3, выполненная из резины ИРП-1226-5, работает в напряженных условиях: при наличии в рабочей паре (ротор 4 - обкладка 3) необходимого натяга контактное давление составляет 4…6 МПа, скорость скольжения 0,5…4,0 м/с, частота нагружения до 30 Гц и гидростатическое давление до 50 МПа.

Одним из факторов, определяющих надежность и ресурс двигателя, является обеспечение равнопрочных и герметичных резьбовых соединений полого корпуса с переводником и/или переходником в условиях интенсивного трения и вращения в стволе скважины, с использованием в колонне бурильных труб гидравлических ясов, с ударными нагрузками и ударными импульсами от ясов, а также при релаксации растягивающих напряжений в изогнутой колонне бурильных труб, в которой установлен статор для двигателя.

Одним из факторов, определяющих нагрузки в резьбовых соединениях полого корпуса с переводником и/или переходником, являются интенсивные поперечные колебания, обусловленные отличиями конструкции винтовых забойных двигателей от других типов забойных двигателей, например турбобуров.

Ротор 4, расположенный в обкладке 3 полого корпуса 1 эксцентрично, с величиной эксцентриситета 44, при работе двигателя совершает планетарное движение - вращение вокруг своей оси 43 и обращение относительно оси 42 корпуса 1 с частотой в Z_p раз больше частоты вращения вала двигателя (приводного вала 7, вала шпинделя 5), где Z_p - число зубьев 45 ротора 4, показано на фиг.4.

Основными причинами поперечных колебаний винтового забойного двигателя, соединенного с валом шпинделя приводным (карданным) валом, являются инерционные силы вращающегося с высокой частотой и значительным эксцентриситетом массивного ротора 4 и действие больших по величине поперечных гидравлических сил (перекашивающего момента), изменяющих свое направление одновременно с вращением ротора 4.

Основная частота колебаний двигателя совпадает с частотой вращения ротора, по существу, всегда в Z_p раз больше частоты вращения вала (ротора) двигателя. Качественных отличий режимов работы для всех типоразмеров гидравлических забойных двигателей нет.

Собственные частоты колебаний винтовых забойных двигателей находятся в области рабочих частот двигателя, а резонансные режимы возникают периодически при изменении (увеличении или уменьшении) осевой нагрузки (на долото) на 50…150 кН.

В процессе бурения скважин с непрерывным контролем нагрузки на долото и механической скорости, например при плавном увеличении или снижении нагрузки от 50 до 250 кН и обратно, механическая скорость изменяется с резким чередованием экстремумов (максимумов и минимумов).

Амплитуда колебаний полого корпуса 1 винтового забойного двигателя в режиме поперечных резонансных колебаний ротора 4 винтового забойного двигателя увеличивается многократно, при этом многократно увеличиваются потери мощности двигателя на поперечные колебания, повышаются напряжения при изгибе в местах стыка 15, 16 резьбовых соединений полого корпуса 1 с резьбовым переходником 10 и резьбовым переводником 11 с изогнутой центральной осью 14.

При выполнении героторного винтового гидравлического двигателя таким образом, что полый корпус 1 двигателя снабжен поясом пониженной жесткости 21, характеризующимся выполнением стенки полого корпуса уменьшенной толщиной, а пояс пониженной жесткости 21 расположен между торцами 22 и 23 винтовых зубьев 24 в обкладке 3 из эластомера, при этом отношение уменьшенной толщины стенки 25 полого корпуса 1 к наружному диаметру 26 полого корпуса 1 составляет 0,065…0,095, при этом момент инерции J_x, J_y (осевой) поперечного сечения пояса пониженной жесткости 21 в полом корпусе 1 составляет 0,945…1,055 от момента инерции поперечного кольцевого сечения в плоскостях наибольшего внутреннего диаметра 29 полного витка наружной резьбы 18 резьбового переводника 11, находящегося в зацеплении с полным витком внутренней резьбы 17 полого корпуса 1, который обозначен J₁, а также наименьшего наружного диаметра 30 полного витка внутренней резьбы 17 полого корпуса 1, находящегося в зацеплении с полным витком наружной резьбы 18 резьбового переводника 11, который обозначен J₂, показано на фиг.2, и/или наибольшего внутреннего диаметра 31 полного витка наружной резьбы 19 полого корпуса 1, находящегося в зацеплении с полным витком внутренней резьбы 20 резьбового переводника 11, который обозначен J₃, а также наименьшего наружного диаметра 32 полного витка внутренней резьбы 20 резьбового переводника 11, находящегося в зацеплении с полным витком наружной резьбы 19 полого корпуса 1, который обозначен J₄, показано на фиг.3, значение коэффициента напряжения при изгибе (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению) в местах стыка резьбовых соединений корпуса с переводником и/или переходником существенно уменьшается и равно, по существу (3,5…4,5), что снижает вероятность поломки резьбовых соединений корпуса при использовании двигателя в горизонтальных управляемых компоновках низа бурильной колонны, на участках изменения кривизны наклонной скважины, преимущественно в режиме максимальной мощности.

В режиме максимальной мощности частота вращения вала шпинделя составляет (1,4…2) с^-1; момент силы на выходном валу составляет (14…18) кН·м; перепад давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности составляет 25…32 МПа; осевая нагрузка составляет 250 кН, а при достижении частоты колебаний ω=85 рад/с наступает режим резонанса, амплитуда колебаний составляет ≈0,77 мм, при этом до использования заявляемого героторного гидравлического двигателя амплитуда колебаний составляла ≈2,85 мм.

При этом снижаются гидромеханические потери за счет равномерного натяга во всех фазах контакта зубьев обкладки и ротора, улучшения уплотнения по контактным линиям в зоне полюсов зацепления и снижения контактных нагрузок в зоне максимальных скоростей скольжения.

При использовании заявляемой конструкции повышается надежность и ресурс за счет обеспечения равнопрочных и герметичных резьбовых соединений полого корпуса с переводником и/или переходником в условиях интенсивного трения и вращения в стволе скважины, с использованием в колонне бурильных труб гидравлических ясов, с ударными нагрузками и ударными импульсами от ясов, повышается точность проходки наклонных и горизонтальных скважин, темп набора параметров кривизны скважин, а также улучшается проходимость, т.е. уменьшаются сопротивления и напряжения в компоновке низа бурильной колонны.

Изобретение относится к гидравлическим приводам для вращательного бурения, размещаемым в скважинах, и может быть использовано в героторных винтовых гидравлических двигателях для бурения наклонных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин. Двигатель содержит полый корпус, размещенный внутри него многозаходный винтовой героторный механизм, а также шпиндель, соединенный приводным валом с ротором, а на выходе - с долотом. Полый корпус скреплен с резьбовым переходником для соединения с колонной бурильных труб и резьбовым переводником с изогнутой центральной осью, соединяющим полый корпус со шпинделем. Элементы соединения полого корпуса с переходником и переводником выполнены с внутренней и/или наружной резьбой, например конической. Полый корпус двигателя выполнен с поясом пониженной жесткости, характеризующимся выполнением стенки полого корпуса уменьшенной толщиной, расположенным между торцами винтовых зубьев в обкладке из эластомера. Отношение уменьшенной толщины стенки полого корпуса к наружному диаметру полого корпуса составляет 0,065…0,095. Момент инерции поперечного сечения пояса пониженной жесткости в полом корпусе составляет 0,945…1,055 от момента инерции поперечного кольцевого сечения в плоскостях наибольшего или наименьшего внутреннего или наружного диаметра полного витка наружной или внутренней резьбы резьбового переходника и/или переводника, находящегося в зацеплении с полным витком внутренней или наружной резьбы полого корпуса, и/или наименьшего или наибольшего наружного или внутреннего диаметра полного витка внутренней или наружной резьбы полого корпуса, находящегося в зацеплении с полным витком наружной или внутренней резьбы резьбового переходника и/или переводника. Повышается надежность и ресурс, точность проходки наклонных и горизонтальных скважин, темп набора параметров кривизны скважин, а также улучшается проходимость, т.е. уменьшаются сопротивления и напряжения в компоновке низа бурильной колонны. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Героторный гидравлический двигатель, содержащий полый корпус, размещенный внутри него многозаходный винтовой героторный механизм, включающий закрепленную в корпусе обкладку из эластомера с внутренними винтовыми зубьями и установленный внутри обкладки ротор с наружными винтовыми зубьями, а также шпиндель, соединенный приводным валом с ротором, а на выходе - с долотом, при этом полый корпус скреплен с резьбовым переходником для соединения с колонной бурильных труб, и резьбовым переводником с изогнутой центральной осью, соединяющим полый корпус со шпинделем, а элементы соединения полого корпуса с переходником и переводником выполнены с внутренней и/или наружной резьбой, например конической, отличающийся тем, что полый корпус двигателя выполнен с поясом пониженной жесткости, характеризующимся выполнением стенки полого корпуса уменьшенной толщиной, расположенным между торцами винтовых зубьев в обкладке из эластомера, при этом отношение уменьшенной толщины стенки полого корпуса к наружному диаметру полого корпуса составляет 0,065…0,095, а момент инерции поперечного сечения пояса пониженной жесткости в полом корпусе составляет 0,945…1,055 от момента инерции поперечного кольцевого сечения в плоскостях наибольшего или наименьшего внутреннего или наружного диаметра полного витка наружной или внутренней резьбы резьбового переходника и/или переводника, находящегося в зацеплении с полным витком внутренней или наружной резьбы полого корпуса, и/или наименьшего или наибольшего наружного или внутреннего диаметра полного витка внутренней или наружной резьбы полого корпуса, находящегося в зацеплении с полным витком наружной или внутренней резьбы резьбового переходника и/или переводника.

2. Героторный гидравлический двигатель п.1, отличающийся тем, что края пояса пониженной жесткости в полом корпусе расположены на расстоянии L_1,2 от ближнего торца винтовых зубьев в обкладке из эластомера и определяются соотношением
L_1,2=(0,314…1,618)t,
где t - осевой шаг зубьев в обкладке, при этом торцы полого корпуса и переходника и (или) переводника контактируют с упором друг в друга.

3. Героторный гидравлический двигатель по п.1, отличающийся тем, что в обкладке полого корпуса торцы винтовых зубьев, направленные к забою скважины, расположены на расстоянии L₁ от ближнего края пояса пониженной жесткости и определяются соотношением
L₁=(0,314…0,618)t,
а торцы винтовых зубьев, направленные к устью скважины, расположены на расстоянии L₂ от ближнего края пояса пониженной жесткости и определяются соотношением
L₂=(1,314…1,618)t,
где t - осевой шаг зубьев в обкладке.