Забойный винтовой двигатель /его варианты/ Советский патент 1988 года по МПК E21B4/02 

элементах насадка сопряжены по линии излома, при этом площадь сечения приемной камеры на выходе меньше площади ее сечения на входе, а поверхности указанных элементов, формирующие ее,

образованы вращением кривых, каждая из которых выпукла относительно цилиндрической поверхности, радиус которой равен расстоянию от оси насадка до любой из линий излома.

1. Забойный винтовой двигатель, включающий двигательную секцию, содержащую рабочие органы, статор и полый ротор, в осевом канале которого установлен насадок, шпиндельную секцию, содержащую вал с осевой и радиальными опорами, отличающий- с я тем, что, с целью повышения нагрузочной способности двигателя за счет расширения зоны его устойчивой работы, внутренняя полость насадка вьшолнена из последовательно расположенных в осевом направлении прием- . ной и отдающей камер, поверхности которых сопряжены по линии излома, при этом площадь сечения приемной камеры на выходе меньше площади ее сечения на входе, а поверхность ее образована вращением кривой, выпуклой относительно оси насадка. 2. Забойный винтовой двигатель, включающий двигательную секцию, содер - дащую рабочие органы, статор и полый ротор, в осевом каналье которого установлен насадок, шпиндельную секцию. содержащую вал с осевой и радиальными опорами, отличающийся тем, что, с целью повьшения нагрузочной способности двигателя за счет расширения зоны его устойчивой работы, насадок выполнен из двух элементов, один из которых выполнен в виде втулки, а другой - в виде расположенного внутри нее стержня, и образую- 1щх последовательно расположенные в осевом направлении приемную и отдающую камеры, омываемые жидкостью поверхности которых на одном из элементов сопряжены по линии излома, при этом площадь сечения приемной камеры на выходе меньше площади ее сечения на входе, а поверхность указанного .элемента, формирующего ее, образована вращением кривой, выпуклой относительно цилиндрической поверхности, радиус которой равен расстоянию от оси насадка до линии излома. 3. Забойный винтовой двигатель, включающий двигательную секцию, содержащую рабочие органы, статор и полый ротор, в осевом канале которого установлен насадок, шпиндельную секцию, содержащую вал с осевой и радиальными опорами, отличающийся тем, что, с целью повышения нагрузочной способности двигателя за счет расширения зоны его устойчивой работы, насадок выполнен в виде двух элементов, один из которых выполнен в виде втулки, а другой - в виде расположенного вйутри нее стержня, образующих последовательно расположенные в осевом направлении приемную и от.дающую камеры, омываемые жидкостью поверхности которых на обоих § (Л 1 00 2 СО

10

15

20

1

Изобретение относится к забойным объемным гидродвигателям и может быть использовано для бурения нефтяных и газовых скважия,

.Известны забойные винтовые двигатели, спроектированные на базе винтовых героторных механизмов, В этих винтовых двигателях весь расход промывочной жидкости проходит через абочие органы, образованные статоом и вращаюпр мся внутри него ротоом (1) ,

Однако в ряде случаев подобное конструктивное исполнение двигателя является недостатком, поскольку воз- никает несоответствие между технологически необходимым расходом жидкости для породоразрушагощего инструмена и пропускной способностью рабочих органов. В. этом случае появляются повьшенпые гидравлические сопротивения в рабочих органах, а двигатель работает на увеличенных частотах вра щения.

Известен также винтовой забойный двигатель, вклгочаюц ий двигательную секцию, содержа1цую рабочие органы, статор и полый ротор, в осевом ка- нале которого установлен насадок, шпиндельную секцию, содержащую вал с осевой и радиальными опорами (2).

В этой гидромащине в процессе бурения по мере загрузки долота возрастает срабатываемый на рабочих органах перепад давления и Р, одновременно действующий и на насадок. , При этом пропорционально лГ&Р увеличивается количество жидкости, перетекающее через насадок, и соответственно уменьшается количество жидкости, протекающее черЬз рабочие органы. Это в свою очередь приводит к смягчению энергетической характеристики двигателя, т.е. к более интенсивному снижению частоты вращения выходного 45 вала по мере нарастания перепада дав25

30

35

40

0

5

0

5

5

0

5

0

ления и к снижению его нагрузочной способности.

Целью изобретения является повышение нагрузочной способности двигателя за счет расширения зоны его устойчивой работы.

Указанная цель достигается тем, что в забойном винтовом двигателе, включающем двигательную секцию, содержащую рабочие органы, статор и полый ротор, в осевом канале которого установлен насадок, шпиндельную секцию, содержащую вал с осевой и радиальными опорами, внутренняя полость насадка выполнена из последовательно распол оженных в осевом направлении приемной и отдающей камер, поверхности которых сопряжены по линии излома, при этом площадь сечения приемной камеры на выходе меньше площади ее сечения на входе, а поверхность ее образована вращением кривой, выпуклой относительно оси насадка.

Возможно и другое конструктивное исполнение, с помощью которого достигается указанная -цель.

По данному варианту насадок выполнен в виде двух элементов, один из которых выполнен в виде втулки, а другой - в виде расположенного внутри нее стержня, и образуюш их после- довательно расположенные в осевом направлении приемную и отдающую камеры, омываемые жидкостью поверхности которых на одном из элементов сопряжены по линии излома, при этом площадь сечения приемной камеры на выходе меньше плогцади ее сечения на входе, а поверхность указанного элемента, формирующего ее, образована вращением кривой, вьтуклой относительно цилиндрической поверхности, радиус которой равен расстоянию от оси насадка до линии излома.

3-1430491

По TperbeNty варианту насадок вы- Регулятор 6 потока (фиг.2) пред- полнен в виде двух элементов, один ставляет собой съемный корпус 15, из которых вьшолнен в виде втулки, внутри которого установлен насадок а другой - в виде расположенного 16. Между корпусом 15 и ротором 4, в.нутри нее стержня, образующих после- а также между насадком 16 и корпусом довательно расположенные в осевом на- 15 размещены уплотнительные кольца правлении приемную и отдаюпдую камеры, омываемые жидкостью поверхности

10

20

которых на обоих элементах насадка сопряжены по линии излома, при эт.ом пдощадь сечения приемной камеры на выходе меньше площади ее сечения на входе,.а поверхности указанных элементов, формирующие ее, образованы вращением кривых, каждая из которых вьшукла относительно цилиндрической поверхности, радиус которой равен расстоянию от оси насадка до любой из линий излома.

На фиг. 1 изображен забойный винтовой двигатель с одним из вариантов насадка, установленного в. центральном отверстии ротора, продольный разрез; на фиг. 2 - насадок в увеличенном масштабе, продольное сечение; на фиг. 3 и 4 - различные исполнения насадка по второму конструктивному варианту; на фиг. 5 - насадок по третьему конструктивному варианту; на -., фиг. 6 - схема потоков жидкости, проходящих через насадок регулятора потока; на фиг. 7 и 8 - экспериментальные характеристики соответственно винтового двигателя, взятого за прототип, и винтового двигателя с использованием одного из вариантов насадка по данному изобретению.

17 и 18.

Внутренняя полость насадка 16 выполнена из двух последовательно расположенных в осевом направлении камер: приемной А и отдающей Б. Поверхность 19 приемной камеры А образована вращением вокруг оси 0-0 кривой,

15 выпуклой относительно этой оси. Причем диаметр D входного сечений камеры А больще диаметра d выходного сечения этой камеры, т.е. площадь сечения приемной камеры А на входе в нее больше площади сечения на выходе из этой камеры.Поверхность 20 отдающей камеры Б вьшолняется произвольной формы. Однако целесообразно придать форму

25 этой камере такую, которая дает наибольшее сопротивление ПОТОКУ, протекающему через насадок 16. При этом поверхность 20 камеры Б образована так же, как и поверхность 19 камеры А, вращением вокруг оси 0-0 кривой, но отмечалось, произвольной формы.

Б продольном сечении насадка обе .указан ные кривые, oбpaзyюш e камеры

э А и Б, пересекаются в точке, эквивалентной точке излома. Б пространстве эти точки образуют линию 21 пересечения, эквивалентную линии излома.

Насадок, устанавливаемый в корпуЗабойный винтов-ой двигатель (фиг. 1) 40 регулятора 6 потока, может состоит из двигательной 1 и шпиндель- в ьшолняться из двух элементов Сфиг.З). ной 2 секций. Двигательная секция Б данном конструктивном исполнении

насадо к 22 состоит из втулки 23 и цилиндрического стержня 24, соединенных

включает статор 3, внутри которого размещен польй ротор 4. Б центральном сквозном канале 5 ротора 4 уста- 45 меяоду собой перемычками 25. Так же.

новлен регулятор 6 потока. Б нижней части ротор 4 соединен с карданным валом 7, который соединяется с выходным валом 8 шпиндельной секции 2. Радиальные 9 и осевая 10 опоры, закрепленные на валу 8, размещены в корпусе 11 шпиндельной секции 2 меящу ниппелем 12 и соединительным

как и в предьщущей конструкции, в насадке имеются две последовательно расположенные в осевом, направлении камеры, поверхности которых омывают- сл ся жидкостью: камера В и камера Е, ,Цля достижения эффекта поверхность 26 камеры Б, выполняемая на одном из элементов насадка 22 (в данном случае, на втулке 23), образована вра-

как и в предьщущей конструкции, в насадке имеются две последовательно расположенные в осевом, направлении камеры, поверхности которых омывают- сл ся жидкостью: камера В и камера Е, ,Цля достижения эффекта поверхность 26 камеры Б, выполняемая на одном из элементов насадка 22 (в данном случае, на втулке 23), образована вра-

переводником 13. Б верхн-ей части двигателя для подсоединения его к колон-щением в округ оси 0-0 кривой, выпуклой не бурильных труб имеется проводникотносительно образующей цилиндра с 14, к нижней части выходного вала 8радиусом R,где R - минимальное рас- подсоединяется породообразующий инст-стояние от оси 0-0 насадка 22 до румент (не показан).линии 27, эквивалентной линии излома.

Регулятор 6 потока (фиг.2) пред- ставляет собой съемный корпус 15, внутри которого установлен насадок 16. Между корпусом 15 и ротором 4, а также между насадком 16 и корпусом 15 размещены уплотнительные кольца

0

0

.,

17 и 18.

Внутренняя полость насадка 16 выполнена из двух последовательно расположенных в осевом направлении камер: приемной А и отдающей Б. Поверхность 19 приемной камеры А образована вращением вокруг оси 0-0 кривой,

5 выпуклой относительно этой оси. Причем диаметр D входного сечений камеры А больще диаметра d выходного сечения этой камеры, т.е. площадь сечения приемной камеры А на входе в нее больше площади сечения на выходе из этой камеры.Поверхность 20 отдающей камеры Б вьшолняется произвольной формы. Однако целесообразно придать форму

5 этой камере такую, которая дает наибольшее сопротивление ПОТОКУ, протекающему через насадок 16. При этом поверхность 20 камеры Б образована так же, как и поверхность 19 камеры А, вращением вокруг оси 0-0 кривой, но отмечалось, произвольной формы.

Б продольном сечении насадка обе .указан ные кривые, oбpaзyюш e камеры

э А и Б, пересекаются в точке, эквивалентной точке излома. Б пространстве эти точки образуют линию 21 пересечения, эквивалентную линии излома.

как и в предьщущей конструкции, в насадке имеются две последовательно расположенные в осевом, направлении камеры, поверхности которых омывают- л ся жидкостью: камера В и камера Е, ,Цля достижения эффекта поверхность 26 камеры Б, выполняемая на одном из элементов насадка 22 (в данном случае, на втулке 23), образована вра-

щением в округ оси 0-0 кривой, выпуклой относительно образующей цилиндра с радиусом R,где R - минимальное рас- стояние от оси 0-0 насадка 22 до линии 27, эквивалентной линии излома.

514

которую образуют при пересечении между собой поверхность 26 камеры В и поверхность 28 камеры Е. В данном случае, как и ранее, поверхность 28 камеры Е образована вращением вокруг оси 0-0 кривой произвольной формы.

На фиг. 4 изображен насадок 29, содержаи1ий втулку 30 и стержень 31 и имеющий две соответствующие каме- ры Ж и И, Однако в этой конструкции насадка омываемая жидкостью поверхность 32 втулки 30 выполнена цилинд- :рической, а поверхность 33 стержня :31 в камере Ж образована вращением вокруг оси 0-0 кривой, выпуклой относительно образующей цилиндра с радиусом R, где R - минимальное расстояние от оси 0-0 насадка 29 до линии 34, Эквивалентной линии излома, ко- торую образовывают при пересечении между собой поверхности 33 стержня 31 (в камере Ж) и поверхность 35 стержня 31 (в камере И).

Насадок 36, изображенный на фиг. 5, так же как и конструкции двух предьщущих, имеет два элемента: втулку 37 и стержень 38, В насадке 36 также имеются две последовательно расположенные в осевом направлении камеры: приемная К и отдающая Л, поверхности которых омываются , жидкостью. Соответствуюпще поверхности 39 и 40 втулки 37 и стержня 38, рас- положенные в камере К, образовывают- ;ся вращением вокруг оси 0-0 соответ- :бтвующих Кривых, каждая из которых выпукла по отношению к образующей цилиндра радиуса R, где R - минимальное расстояние от оси 0-0 насад- ка 36 до соответствующей линии, эквивалентной линии излома. При этом лиНИИ 41 и 42, эквивалентные линиям излома, образованы пересечением поверхностей 39 и 40 (в камере К) соответственно с поверхностями 43 и 44 (в KaiMepe Л) . Сами же поверхности 43 и 44 выполняются вращением вокруг оси 0-0 кривых произвольной формы.

Все описанные конструктивные варианты насадок приводят к созданию потока сопротивления, препятствующего основному потоку, протекающему через выходное сечение приемных каме в .камеры отдаюпще. Суть этого эффекта может быть пояснена следую- щим образом.

Насадок (фиг.6) выполнен так, что поток жидкости, попадая в приемную

5 о - ,.

0 5

5

камеру Л, движется как бы двумя потоками: основной, направленный вдоль оси 0-0 насадка, проходит из камеры А через выходное ее сечение диаметром d, образованное линией 21, эквивалентной линии излома; другая, периферийная часть потока, омьшая поверхность 19, движется вдоль кривой, образующей эту поверхность. На линии 21 происходит отрыв этого периферийного потока и интенсивное пере- 1ешивание с основньгм центральным потоком. В дальнейшем поименованный в данной конструкции насадка периферийный поток будем именовать потоком сопротивления.

Таким образом, интенсивное перемешивание основного потока и потока сопротивления Приводит к снижению энер гии потока, попадающего в камеру Б. Чем вьше перепад давлений на рабочих органах - статоре 3 и роторе А, а соответственно и на насадке, тем сильнее происходит перемешивание потоков жидкости, тем меньшее количество жидкости поступает из камеры А в камеру Б и тем, естественно, большее коли чество жидкйсти поступает в рабочие органы.

Аналогичньш эффект достигается в конструкции насадка 36 (фиг.5), с той лишь разницей, что данная конструкция предопределяет создание двух потоков сопротивления, расположенных по обе стороны от основного, проте- каюШ|его через выходное сечение камеры К, лежап ее между двумя линиями 4 и 42, эквивалентными линиям:, излома,

Этот же эффект наблюдается и в насадках 22 и 29, изображенных на фиг. 3 и 4. В данных конструкциях насадков эффект воздействия потока сопротивления на основной поток усиливается тем, что он, ударяясь о цилиндрические поверхности стержня 24 или втулки 30, вторично, но уже с меньшей энергией, участвует в перемешивании с основным потоком.

Забойный винтовой двигатель работает следуюпщм образом.

При включении наземных буровых насосов промьшочная жидкость по колонне бурильных труб подается к рабочим органам двигательной секции 1.Непосредственно перед рабочими органами поток разделяется: основная часть его идет между статором 3 и ротором 4, приводя последний в движение; другая (меньшая) часть потока идет через регулятор 6 потока. После прохождения рабочих органов обе части вновь соединяются в еднньй поток, который по внутреннему отверстию вала 8 шпинделной 2 попадает на забой.

Крутящий момент, создаваемый в

двигательной секции 1, с ротора через карданный вал 7 передается на вал 8 и далее на породоразрушающий инструмент (долото).

Взаимодействием долота с разруша емой породой обуславливается величина момента сопротивления, преодолеваемая двигателем, В процессе работы крутяшлй момент двигателя.

двигателя равно как няется.

и момент сопротивления, ме

Известно, что в двигателях подобн о- го типа крутящий момент пропорционален перепаду давлений на рабочих ор- 5 ганах (в рабочей зоне характеристики) при постоянном расходе. В двигателе- прототипе по мере загрузки внешним моментом сопротивления, пропорционально

4,

уменьшается количество жид30

ности, проходящее через рабочие органы. Тем самым довольно значительно смягчается характеристика двигателя, резко снижается частота вращения .выходного вала, падает и нагрузочная .характеристика двигателя.

В предлагаемом двигателе при наличии двух параллельных потоков, один из которых имеет свой дополнительный поток сопротивления, энергия последнего возрастает с увеличением перепада давлений, т.е. по мере загрузки двигателя внешним моментом зависимость количества жидкости, проходящего через рабочие органы, а также через

Q

5

о

5

0

5

0

5

насадок, от режима загрузки двигате- ля носит более сложный характер.

Однако можно показать, что использование в -регуляторе потока описанных насадков в большой степени делает энергетическую характеристику двигателя более жесткой, что естественно приводит к увеличению его нагрузочной способности; падение частоты вращения незначительное.

На фиг. 7 и 8 представлены энергетические характеристики соответственно винтового двигателя-прототипа, и предлагаемого винтового двигателя.

Анализ приведенных характеристик показывает, что зона устойчивой работы двигателя (А) на фиг. 8 на 18% превышает зону устойчивой работы двигателя (Б) на фиг. 7 по величине крутящего момента. Для-этой же точки падение оборотов на двигателе-прототипе составляет 57%, а на двигателе с регулятором потока - 50%. Если рассматривать падение оборотов на двигателях при приложении одинаковых по величине внешних моментов сопротивления, то эта разница станет еще более очевидной и существенной. Это происходит потому, что двигатель снабженный регулятором потока, при повышении давления на рабочих органах получает каждый раз увеличенное (по сравнению с двигателем-прототипом) количество жидкости, благодаря чему возрастает не только жесткость характеристики, но и его нагрузочная способность.

Указанные преимущества двигателя приведут к эффективной отработке долот за счет более.стабильной частоты вращения выходного вала двигателя а также к некоторому повьш1ению механической скорости бурения за счет большей частоты вращения выходного вала и лучшей нагрузочной характеристики двигателя.

(fJuP.i

О

фиг. г

г2

в

фиг.:5

раг

д}иг.5

/7

to;

li

;i:

0,51,07.S М

Относи те/7АН /и ffpt/m ufc/i/

Фие. 7

(риг. 6

0.57.07,5

Omf ffCi/fTfe/rdf S /i/

Фиг В

М