Героторный забойный двигатель Советский патент 1993 года по МПК E21B4/02 

Изобретение относится к бурению нефтяных, газовых и геологоразведочных скважин, а именно - к забойным двигателям.

Известен забойный двигатель, включающий объемный двигатель и турбобур, который, с целью увеличения рабочего вращающего момента, снабжен патрубком, гидравлически связывающим корпуса объемного двигателя и турбобура, валы которых кинематически связаны между собой.

Недостатком данной конструкции является увеличение длины двигателя, что отрицательно сказывается на бурении наклонных и горизонтальных скважин.

Известен также винтовой забойный двигатель, который, с целью повышения эффективности его работы за счет увеличения

вращающего момента, содержит по меньшей мере два героторных механизма, каждый из которых содержит статор и ротор С наружной винтовой поверхностью, взаимодействующих между собой посредством винтовых поверхностей.

Недостатком данной конструкции явля ется незначительное повышение момента, возникающее от суммирования героторных механизмов двигателей. Например, по условию максимального совмещения, геротор- ные механизмы двигателей Д-240, Д1-127 и Д1-54 дают увеличение момента на 25,5% (1200 + 300 + 6 кгм 1506 кгм, или 25,5% по сравнению с двигателем Д-240).

Известен также опытный образец винтового забойного двигателя ДЗ-195 проиэVI о

сь

W

водства Пермского филиала ВНИИБТ, содержащий ротор, статор, торсион, опорный узел, в котором (по сравнению с Д2-195), для повышения рабочего момента была увеличена длина пары ротор-статор примерно на 1 шаг. В результате момент вырос в среднем в 1,6 раза, но и длина двигателя увеличилась на 1200 мм, или почти на 20%, а перепад рабочего давления увеличился в 1,65 раза при том же расходе бурового раствора.

Таким образом, к недостаткам серийных винтовых двигателей относится невозможность значительного повышения вращающего момента и снижения скорости вращения оборотов при сохранении радиальных и линейных размеров рабочих пар.

Цель изобретения - повышение эффективности работы героторного забойного двигателя за счет увеличения вращающего момента и снижения скорости вращения без увеличения радиальных и линейных размеров его рабочей пары.

Указанная цель достигается тем, что центральные части ротора и статора выполнены в виде прямозубого героторного механизма, а каждая концевая часть ротора и статора выполнены в виде винтового героторного механизма с длиной, равной полушагу винтовой линии статора, причем числа зубьев и профили прямозубого и винтовых участков ротора и статора соответственно одинаковы.

Увеличение крутящего момента предлагаемого двигателя по сравнению с винтовым объясняется тем, что в прямозубом героторном механизме количество камер высокого давления равно количеству камер низкого давления по всей длине прямозубого участка, что и обеспечивает удвоение вращающего момента по сравнению с винтовой парой той же длины. В винтовом двигателе количество камер высокого давления в пределах шага винтовой линии статора изменяется от максимума (равного числу зубьев статора Z2) до нуля, а количество камер низ1 кого давления изменяется от нуля до максимума (равного Za). Равное же количество камер высокого и низкого давлений наблюдается только в сечении пары ротор-статор, расположенном на расстоянии Т/2 (полушага винтовой линии статора) от торца статора. Данное свойство винтового двигателя и позволило использовать две его рабочие пары длиной по Т/2 в качестве распределительных устройств для подвода и отвода рабочей жидкости в прямозубом гёротор- ном механизме.

Фактически данная конструкция представляет собой прямозубый героторный ме- ханизм, у которого распределителем,

подводящим поток бурового раствора к камерам высокого давления и отводящим раствор от камер низкого давления, являются концевые части ротора и статора, выполненные с винтовым профилем, причем эти концевые части создают добавочный момент вращения, т.е. они фактически представляют собой в сумме обычной одношаговый винтовой двигатель.

Сопоставление с прототипом показывает, что данный героторный забойный двигатель отличается тем, что центральные части ротора и статора выполнены в виде прямозубого героторного механизма, а каждая

5 концевая часть ротора и статора выполнена в виде винтового героторного механизма с длиной, равной полушагу винтовой линии статора, причем числа зубьев и профили прямозубого и винтовых участков ротора и

0 статора соответственно одинаковы.

Таким образом, предлагаемый героторный забойный двигатель соответствует критерию новизна.

Сравнение данного решения не только

5

с прототипом, но и с другими техническими

решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие это решение от прототипа, что позволяет сделать вывод в соответствии

0 критерию существенные отличия.

На фиг. 1 представлены продольное и поперечное сечения двигателя; на фиг, 2 представлены эпюры мгновенных вращающих моментов винтового трехшагового дви5 гателя и двигателя с комбинированным винтом той же длины.

Двигатель (фиг. 1) представляет собой героторный механизм и состоит из статора 1с внутренней обрезиненной поверхно0 стью и стального ротора 2. Сопрягаемые поверхности ротора и статора выполнены комбинированными, т.е. концевые части ротора и статора выполнены с винтовым профилем и имеют длины по 0,5 Т, а

5 центральные части ротора и статора выполнены с прямозубым профилем. Ротор 2 кинематически связан торсионом 3 с опорным узлом 4.

Двигатель работает следующим обра0 зом. Буровой раствор, поступая в винтовую часть двигателя, по камерам высокого давления направляется в прямозубую часть героторного механизма, где гидравлическая энергия преобразуется во вращение рото5 ра. Затем буровой раствор поступает во вторую винтовую часть двигателя и выбрасывается через отверстие в торсионе 3 в полость опорного узла 4, При движении раствора часть гидравлической энергии ис- ользуется в винтовой части двигателя.

На фиг. 2 представлены эпюры вращающих моментов обоих двигателей, причем площади эпюр указывают на суммарный крутящий момент, развиваемый двигателя- ми.

Использование предлагаемого двигателя позволит значительно увеличить вращающий момент, снизить обороты двигателя и перепад рабочего давления бурового раствора или уменьшить линейные размеры двигателя при том же вращающем моменте. Например, серийный двигатель Д1-88 с комбинированной парой ротор-статор приобретает следующие показатели:

В связи с увеличением расхода рабочей жидкости в двигателе Д1-88К (одношаго- вым) по сравнению с серийным Д1-88 в 2 раза возможно применение комбинированных двухшаговых двигателей, в которых расход снижается до уровня серийного двигателя, без увеличения линейных и радиальных размеров.

Использование предлагаемого двигателя позволит увеличить, при сохранении радиальных и линейных размеров рабочей пары и некоторого усложнения технологии

изготовления, вращающий момент в 1,5...1,8 раза при уменьшении скорости вращения в 1,2...2.6 раза и перепада давления в 1,5..Ј,5 раза. Это позволит использовать предложенные двигатели в сочетании с низкооборотными долотами, что повысит технико-экономические показатели бурения скважин за счет улучшения режима работы долот.

Использование: бурение скважин на нефть и газ. Сущность изобретения: двигатель включает ротор, статор, торсион и опорный узел. Центральные части ротора и статора выполнены в виде прямозубого ге- роторного механизма. Каждая концевая часть ротора и статора выполнена в виде винтового героторного механизма с длиной, равной полушагу винтовой линии статора,. Число зубьев и профили прямозубого и винтовых участков ротора и статора соответственно одинаковы. 2 ил. -S Ё

Формула изобретения Героторный забойный двигатель, включающий ротор, статор, торсион и опорный узел, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности работы геротор- ного забойного двигателя за счет увеличения вращающегося момента и снижения оборотов без увеличения радиальных и линейных размеров его рабочей пары, цент

ральные части ротора и статора выполнены в виде прямозубого героторного механизма, а каждая концевая часть ротора и статора выполнены в виде винтового героторного механизма с длиной, равной полушагу винтовой линии статора, причем числа зубьев и профиля .прямозубого и винтовых участков ротора и статора соответственно одинаковы.

Фиг. 2