Винтовой забойный двигатель Советский патент 1981 года по МПК F04C5/00 E21B4/02 

(54) ВИНТОВОЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

I

Изобретение относите к гидромашиностроению, в частности к объемным гидромашинам винтового типа и может быть использовано в качестве винтового забойного двигателя при бурении нефтяных игазовых скважин.

Известен винтовой забойный двигатель для привода бурильного инструмента, содержаш.ий обрезиненный статор и роторную группу, выполненную в виде ротора, выходного вала и узла их соединения, в проходном канале которой установлен редуцируюш,ий давление подпружиненный клапан 1.

Недостаток известного винтового забойного двигателя состоит в том, что он не обеспечивает жесткости механической характеристики в области малых оборотов, т. е. регулирования расхода жидкости через двигатель. Таким образом, перепад давления срабатывается по суш,еству на щелевых зазорах, находящихся между щлюзами, образованными винтовыми зубьями обрезиненного статора и ротора, а расход жидкости через двигатель устанавливается, исходя из условий достижения требуемых максимального момента и частоты вращения выходного вала с учетом повышения объемных потерь при возрастании нагрузки на валу. В связи с этим при уменьшении нагрузки скорость вращения ротора возрастает, что является причиной неоптимальной работы долота как неотъемлемой части бурильного инструмента на забое скважины и быстрого износа трущихся поверхностей двигателя, т. е. уменьшения ресурса работы двигателя.

Цель изобретения - улучшение энерге10тических характеристик двигателя в облас ти малых оборотов путем автоматического регулирования расхода жидкости через двигатель.

Это достигается тем, что клапан выполнен нормально открытым.

15

Кроме того, для повышения долговечности клапана, последний может быть выполнен многоступенчатым.

На фиг. 1 схематично представлен разрез винтового забойного двигателя без вы20ходного вала с нормально открытым клапаном; на фиг. 2 - двигатель с многоступенчатым выполнением нормально открытого клапана. Винтовой забойный двигатель содержит обрезиненный статор 1, внутри которого расположен стальной ротор 2, передающий через карданный вал 3 вращающий момент шпинделю 4. В осевом отверстии 5 ротора 2 установлен нормально открытый клапан 6 в виде подпружиненного цилиндрической пружиной 7 затвора 8 клапана 6. Нормально открытый клапан 6 может быть выполнен и многоступенчатым для повыщения долговечности работы клапана. В этом случае он выполняется (фиг. 2) в виде размещенного в осевом отверстии 5 ротора 2 корпуса 9, имеющего внутренние цилиндрические выступы 10, расположенные на определенном расстоянии друг от друга и установленного в нем затвора 11 клапана в виде стержня с наружными цилиндрическими выступами 12, шаг которых совпадает с шагом внутренних цилиндрических выступов 10 корпуса 9. Стержень 11 в описанном выше варианте исполнения перемещается в направляющих 13 и 14 корпуса 9 под действием равнодействующей силы, являющейся разностью между усилием от перепада давления, срабатываемого на многоступенчатом клапане (дросселе), и пружины 15 - в тарельчатом исполнении. Для закрепления корпуса 9 Дросселя в осевом отверстии 5 ротора 2 служат шайба 16 и гайка 17. Шпиндель 4 установлен в подшипниках, расположенных в корпусе (не показаны) и соединяется со статором посредством муфты 18. Предлагаемый двигатель работает следующим образом. После включения поверхностного насоса рабочая жидкость (буровой промывочный раствор) по трубам подводится к входу гидродвигателя и здесь разделяется на два потока, один из которых проходит по шлюзам, образованным винтовыми поверхностями зубьев обрезиненного статора 1 и ротора 2 двигателя, а другой - через нормально открытый клапан. При повышении нагрузки сопротивление вращению вала двигателя возрастает, что вызывает увеличение расхода, а следовательно, и перепада давления на клапане, выполняющем функцию дросселя. Рост перепада давления приводит к увеличению усилия на пружину 7 (фиг. 1) или 15 (фиг. 2), которая определенным образом сжимается, а ее длина уменьшается на заранее рассчитанную величину. Затвор 8 (фиг. 1) или 11 (фиг. 2) клапана 6 при этом втягивается Б отверстие 5 ротора 2 (фиг. 1) для одноступенчатого выполнения клапана или В отверстие корпуса 9 (фиг. 2) для многоступенчатого выполнения клапана, уменьшая в обоих случаях проходное сечение, образуемой между затвором 8 или 11 клапана 6 отверстием 5 ротора 2 или отверстием корпуса 9 кольцевой щели. При максимально допустимом перепаде давления затвор 8 клапана 6 садится на упоры либо непосредственно в отверстии 5 ротора 2 (фиг. 1), либо в отверстие (не обозначено) корпуса 9 (фиг. 2), а упомянутые отверстия практически полностью пёрекрываются. Выбрав определенным образом характеристику пружины 7 или 15, можно добиться того, что в гидродвигатель с увеличением нагрузки будет поступать дополнительно такое количество жидкости, которое необходимо для поддержания постоянной, достаточно малой частоты вращения вала, не зависящей от нагрузки. При этом объемный КПД гидродвигателя на расчетном режиме может быть таким же, как в винтовом двигателе, не имеющем описанного клапана. Так, например, теоретические расчеты двигателя с наружным диаметром 170 мм показали, что может быть получена устойчивая частота вращения п 90 об/мин при объемном КПД h 0,65 и перепаде давления 40 кг/см . Такое уменьшение скорости вращения позволит увеличить проходку на долото, а также обеспечить увеличение ресурса работы двигателя. Формула изобретения 1.Винтовой забойный двигатель, содержащий обрезиненный статор и роторную группу, выполненную в виде ротора, выходного вала и узла их соединения, в проходном канале которой установлен редуцирующий давление подпружиненный клапан, отличающийся тем, что, с целью улучшения его энергетических характеристик в области малых оборотов путем автоматического регулирования расхода жидкости через двигатель, клапан выполнен нормально открытым. 2.Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения долговечности клапана, последний выполнен многоступенчатым. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Патент США № 4011917, кл. 175-107, 1977.