Винтовой забойный двигатель Советский патент 1982 года по МПК E21B4/02 

(54) ВИНТОВОЕ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

I

Изобретение относится к технике бурения нефтяньк, газовых и геологоразве-. дочных скважин.

Известны винтовые забойные двигатели, состоящие из двигательной и шпиндельной секций. Двигательная секция, в свою очередь, включает рабочие органы - статор и ротор. Вращающий момент с планетарно движущегося ротора передается на вал шпинделя посредством шарнирного соeдш e IИЯ. Последнее одновременно служит и для передачи осевого гидравлического усилия flj .

В известных конструкци51х винтового двигателя шарнирные соединения отличаются многодетальностью, сложностью в сборке. Этим в большей степени обьяоняется недостаточная надежность описан ных выше конструкций шарнирных соединений, их низкая долговечность.

Наиболее близким решением из извест ных является винтовой двигатель, содержащий статор, эксцентрично расположенный внутри него ротор, образующие полоог

ти высокого и низкого Давления двигательной секции, вал шпиндельной секции и гибкий элемент, соединяющий детали двигателя, совершающие переносное движение относительно друг друга f 2j .

Такая схема имеет ряд недостатков: гибкая труба должна иметь большой диаметр, так как внутри нее размещается радиально-упорный подшипник и канал для протока жидкости, и, следовательно большую длину для снижения напряжений изгиба; износ корпуса вследствие колебательного движения статора. Кроме того, такой двигатель достаточно сложный.

Цель изобретения - упрощение конструкции винтового двигателя и повьшдение надежности его в работе при сохранении исходной энергетической характеристики.

Это достигается тем, что гибкий элемент связывает ротор с валом шпиндельной секции и двигательной секции, причем длина f- рабочей части гибкого элемента и ее диаметр cj связаны соотношением В/3 10-60. На фиг. 1 изображена конструкция винтового забойного двигателя; на фиг. 2 кривые изменения нагрузочных характеристик деталей двигателя в функции безразмерного параметра К, предсталяющего собой отношение длины рабочей части гибкого элемента 6 к ее диаметру с . На колонне бурильных или насоснокомпрессориых труб 1 подвешен винтовой двигатель, жестко связанный с колонной через статор 2. Планетарно движущийся ротор 3, вращающийся вокруг собственно оси и оси статора, связан с выходным валом 4 шпиндйльной секции 5 посредством гибкого элемента 6. Рабочий процесс винтового двигателя осуществляется следующим образом. Промывочная жидкость по внутренней полости колонны труб 1 поступает в полость высокого давления А двигательной секции. Проходя через рабочие органы 2 и 3, она вращает ротор 3 двигателя и далее поступает из полости низкого Давления Б двигательной секции через полый вал 4 шпинделя 5 на забой. Вращающий момент, создаваемый в двигательной секции, с ротора 3 передается на вал 4 шпинделя 5 через размещенный в полости низкого давления гибкий элемент 6, который одновременно обеспечивает полное совпадение скорости вращения этих узлов за счет высокой жест кости гибкого элемента. Гидравлическая нагрузка, возникшая на роторе 3 через гибкий элемент 6, вследствие высокой жесткости на сжатие, передается на вал шпинделя 5. В случае необходимости пропуска части жидкости, минуя рабочие органы, в роторе 3 и соединительном гибком элементе 6 может быть выполнено сквозное отверстие. Гибкий элемент являющийся узлом соединения ротора и выходного вала забойного винтового двигателя, испытывает совокупность нагрузо зависящих от эксплуатационных и констру тивньк параметров движения. Эксцентричное расположение ротора предопределяет возникновение напряжения изгиба nij- теле гибкого элемента. Величинаь этого напряжения при прочих идентичных условиях обратно пропорциональна квадрату длины рабочей части гиб кого элемента. При этом на гибком валу возникает поперечная радиальная сила fi действующая на эластичную обкладку ста тора, способствующая увеличению )ррмации зубьев и снижению энергетических 92 84 характеристик двигателя, В общем виде величина обратно пропорциональна длине рабочей части гибкого элемента. Как видно из,фиг. 2, эти кривые, полученные для реалы1ых винтовых двигатеей, имеют весьма большие относительые значения в облаете , а в области КЮ наблюдается их дальнейшее снижение и стабилизация. Расчеты покаьюают, что при , величина (з лежит а пределами допустимых напряжений, а ила R соразмерна с гидравлическими силами в рабочих органах и приводит к существенным дополнительным механическим потерям. Однако возможность увеличения рабочей длины гибкого элемента и, следовательно, область существования параметра К лимитируются запасом прочности гибкого элемента на продольный изгиб. Расчеты показьшают, что установленному исследованиями запасу прочности 1,8-2,0 соответствует значение параметра 7-6О. Кривая изменения запаса прочности И на продольный изгиб также приведена на фиг. 2.. Отношение рабочей длины гибкого элемента к его диаметру по изобретению не должно быть менее 10 и более 60 для обеспечения указанной вьшге цели. Это объясняется следующими причинами. При отношении указанных размеров менее Ю, как показали стендовые испытания, связь ротора 3 и вала 4 через элемент 6 становится жесткой; нарушается герметичность рабочих органов, одновременно возрастают механические потери в паре. Это обусловлено тем, что в данном случае под действием перекашивающих моментов ось ротора не движется параллелшо оси статора при вращении вокруг нее, а описывает конус с центром в месте соединепия гибкого элемента 6 с валом 4 шпинделя 5. Все это приводит к ухудшению энергетических характеристик винтового двигателя, снижению надежности работы статора, к быстрому износу его обкладки и т.п. При отношении рабочей длины к диаметру вала свьпие 60 теряется устойчивость гибкого элемента при передаче осевой сжимающей (в данном случае, гидравлическоШ нагрузки. изобретения Формула Винтовой забойньй двигатель, содержащий статор -и эксцентрично расположенный внутри него ротор, образующие попооти высокого и низкого давления двигательной секции, вал шпиндельлюй секции и гибкий элемент, соединяющий детали двигателя, совершающие паренсюное движение относительно друг друга, отличающийся тем, что, с целью , у(фощения конструкции двигателя и повыщения его надежности в работе, гибкий элемент связывает ротор с валом шоиндельной секции и размешен в полости

низкого давления двигательной секции, причем длина € рабочей чаете гибкого элемента и ее диаметр 3 связаны соотношением e/d 1О-6О.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

2.ГУсман М. Т. и Др. Винтовью забойные двигатели , М., ВНИИО-ЖГ, 972 с. 71-72, рис. 27.