Винтовой забойный двигатель

Винтовой забойный двигатель

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к буровой технике, а именно к винтовым забойным двигателям, предназначенным для бурения и ремонта нефтяных и газовых скважин.

Известен винтовой забойный двигатель, содержащий статор с внутренними винтовыми зубьями и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, профили наружных зубьев ротора и внутренних зубьев статора в торцевом сечении выполнены взаимно огибаемыми, а ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев. Ротор данных винтовых забойных двигателей является жестким и выполняется из коррозионно-стойкой стали или из конструкционной стали с хромированием зубьев (Гусман М.Т. Забойные винтовые двигатели для бурения скважин. - М.: Недра, 1981, стр.10-19) Для нормальной работы подобного двигателя требуется выполнение с высокой точностью прямолинейности ротора и канала статора. Для ротора допустимое отклонение от прямолинейности обычно составляет 0,05-0,1 мм на 1000 мм длины ротора, для статора 0,1 -0,2 мм на 1000 мм длины статора. При этом кпд двигателя обычно не превышает 50% и резко уменьшается при искривлении оси ротора или оси канала статора более упомянутых величин. При искривлении оси ротора более 0,5 мм на 1000 мм длины двигатель вообще обычно не запускается или работает неэффективно. Помимо этого при работе двигателя прототипа часто возникают изгибающие нагрузки, действующие на статор со стороны скважины, которые изгибают статор, и при жестком роторе происходит остановка двигателя или понижение эффективности его работы. Особенно это проявляется при бурении искривленных участков стволов скважин.

Целью изобретения является увеличение кпд винтового забойного двигателя, повышение его надежности при эксплуатации и упрощение технологии его изготовления.

Указанная цель достигается тем, что в винтовом забойном двигателе, содержащем статор с внутренними винтовыми зубьями и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, профили наружных зубьев ротора и внутренних зубьев статора в торцевом сечении выполнены взаимно огибаемыми, а ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев, ротор выполнен из имеющего слоистую структуру профилированного троса, облицованного оболочкой. При этом указанная цель достигается также, когда оболочка выполнена металлической, например стальной, и когда металлическая оболочка соединяется с профилированным тросом посредством промежуточного материала, введенного между профилированным тросом и оболочкой, например в виде термореактивной пластмассы или клея, также в случае, когда оболочка ротора выполнена из материала, выбранного из группы антифрикционных, например полиамида или резины, при выполнении статора с металлическими зубьями, при выполнении профилированного троса из металлической проволоки, при выполнении профилированного троса с содержанием сердечника и когда статор двигателя выполнен изогнутым для возможности бурения искривленного участка скважины при работе двигателя.

Отличительными признаками предлагаемого винтового забойного двигателя от указанного выше наиболее близкого к нему являются следующие:

Во-первых, в винтовом забойном двигателе, содержащем статор с внутренними винтовыми зубьями и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, профили наружных зубьев ротора и внутренних зубьев статора в торцевом сечении выполнены взаимно огибаемыми, а ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев, ротор выполнен из имеющего слоистую структуру профилированного троса, облицованного оболочкой.

Во-вторых, при этом оболочка выполнена металлической, например стальной, что сохраняет повышенную гибкость ротора в поперечном направлении и удешевляет технологию изготовления ротора, это также соблюдается, когда металлическая оболочка соединяется с профилированным тросом посредством промежуточного материала, введенного между профилированным тросом и оболочкой, например, в виде термореактивной пластмассы или клея.

В-третьих, когда ротор выполнен из имеющего слоистую структуру профилированного троса, облицованного оболочкой, и при этом оболочка выполнена из материала, выбранного из группы антифрикционных, например полиамида или резины, и также когда статор при этом выполнен с металлическими зубьями, появляется возможность использовать недорогие существующие технологии получения внутренних металлических зубьев статора, обладающие недостатком погрешности хода зубьев, составляющей 1-2 мм на 1000 мм длины зубьев. Обычный, жесткий цельностальной ротор, не работает при данной погрешности или работает крайне неэффективно, а более гибкий в поперечном направлении ротор при данном исполнении компенсирует погрешности хода зубьев статора, изгибаясь и самоустанавливаясь по профилю статора и повышая при этом кпд двигателя.

В-четвертых, когда ротор выполнен из имеющего слоистую структуру профилированного троса, облицованного оболочкой, и при этом профилированный трос выполнен из металлической проволоки и также когда при этом профилированный трос содержит сердечник, более надежно обеспечивается передача вращающего момента двигателя через тело ротора к долоту при сохранении повышенной гибкости ротора в поперечном направлении.

В-пятых, когда ротор выполнен из имеющего слоистую структуру профилированного троса, облицованного оболочкой, и статор двигателя выполнен изогнутым, появляется возможность бурения искривленного участка скважины при работе двигателя без применения различного вида искривленных переводников в конструкции двигателя.

Винтовой забойный двигатель иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-5.

На фиг.1 показан общий вид винтового забойного двигателя.

На фиг.2 - аксонометрия ротора и статора, при этом ротор выполнен из металлического профилированного троса и имеет сердечник и металлическую оболочку, а статор выполнен с внутренними зубьями из резины.

На фиг.3 - аксонометрия ротора и статора, при этом ротор выполнен из металлического профилированного троса и имеет сердечник и резиновую оболочку, а статор выполнен с внутренними металлическими зубьями.

На фиг.4 - схема изгиба оси ротора вокруг оси статора при несовпадении шага зубьев ротора и статора.

На фиг.5 - схема изгиба оси ротора и оси статора при искривленном статоре.

Винтовой забойный двигатель (фиг.1) содержит статор 1 с внутренними винтовыми зубьями 2 и ротор 3 с наружными винтовыми зубьями 4, число которых на единицу меньше числа зубьев статора. Профили наружных зубьев 4 ротора 3 и внутренних зубьев 2 статора 1 в торцевом сечении выполнены взаимно огибаемыми, а ходы винтовых зубьев ротора 3 и статора 1 пропорциональны их числам зубьев, при этом между ротором 3 и статором 1 образуются рабочие камеры 18. Ротор 3 выполнен из имеющего слоистую структуру профилированного троса 5, облицованного оболочкой 6 (фиг.2). Оболочка 6 ротора 3 выполнена металлической, например стальной, при этом зубья 2 статора 1 выполнены из резины. Металлическая оболочка 6 соединяется с профилированным тросом 5 посредством промежуточного материала (не показан), введенного между профилированным тросом 5 и оболочкой 6, например, в виде термореактивной пластмассы или клея. В другом исполнении (фиг.3) оболочка ротора 3 выполнена из материала 17, выбранного из группы антифрикционных, например полиамида или резины, при этом статор 1 выполнен с металлическими зубьями 2. Профилированный трос 5 выполнен из металлической проволоки и содержит сердечник 7. Статор 1 двигателя выполнен изогнутым (фиг.5) для возможности бурения искривленного участка скважины при работе двигателя. Винтовой забойный двигатель (фиг.1) также содержит верхний переводник 8 для соединения двигателя с колонной бурильных труб и опорный узел 9, включающий полый выходной вал 10, соединенный с долотом 11 и установленный относительно корпуса 12 в радиальных опорах 13 и осевой опоре 14. Полый выходной вал 10 соединен с ротором 3 двигателя, в данном случае посредством гибкого вала 15 для передачи вращающего момента на долото 11 или другой буровой инструмент при работе двигателя. Статор 1 винтового забойного двигателя одновременно служит корпусом верхней части двигателя и соединяется в данном случае с корпусом 12 опорного узла соединительным переводником 16. Винтовой забойный двигатель может также содержать дополнительную осевую опору (на чертеже не показана), установленную выше ротора 3, для дополнительной фиксации ротора в осевом направлении двигателя.

Работа винтового забойного двигателя осуществляется следующим образом.

Поток бурового раствора под давлением от бурового насоса двигается по колонне бурильных труб в верхнюю часть двигателя. Далее поток поступает в винтовые рабочие камеры 18 между ротором 3 и статором 1, создавая неуравновешенный вращающий момент, действующий на ротор 3 и вызывающий его вращение относительно статора 1. При вращении ротора камеры 18 с буровым раствором перемещаются в нижнюю часть двигателя, и далее буровой раствор выходит через полый выходной вал 10 к долоту 11. Ротор 3 более гибок в поперечном направлении при выполнении ротора 3 из профилированного троса 5, имеющего слоистую структуру. Выполнение ротора 3 подобным образом позволяет зубьям 4 ротора 3 самоустанавливаться по зубьям 2 статора 1 и исключить влияние погрешностей изготовления по кривизне ротора 3 и статора 1 на кпд двигателя. При несовпадении шага зубьев ротора 3 и статора 1, например, при использовании статоров с металлическими внутренними зубьями 2, полученных технологией, обладающей погрешностью выполнения шага зубьев, профиль зубьев ротора 3 самоустанавливается по профилю зубьев статора 1, компенсируя погрешность шагов ротора 3 и статора 1. При этом ось 19 ротора 3 принимает вид винтовой линии (фиг.4), которая изгибается вокруг оси 20 статора 1 (фиг.4). В данном случае происходит изменение длины рабочих камер 18 между ротором и статором в сторону знака накопленной погрешности хода зубьев 4 ротора 3 относительно хода зубьев 2 статора 1. Ротор 3 при работе испытывает постоянные циклические изгибы. Однако периодический изгиб ротора 3, обладающего повышенной гибкостью в поперечном направлении, в этом случае в меньшей степени оказывает влияние на уменьшение кпд двигателя, чем изгиб обычного жесткого ротора. Работа обычного ротора при накопленной погрешности хода зубьев более чем 1 мм на 1000 мм длины статора или ротора неэффективна и часто бывает невозможной при его повышенном сопротивлении изгибу.

Данный случай изгиба оси 19 ротора 3 вокруг оси 20 статора 1 при работе двигателя создает положительный дополнительный эффект динамической балансировки двигателя, уменьшая при этом поперечную вибрацию двигателя, что особенно ощутимо при высоких оборотах вращения ротора 3. При намеренном искривлении оси 20 статора 1 (фиг.5) для использования двигателя, например, при бурении искривленного участка скважины, при работе двигателя также возникают постоянные циклические поперечные изгибы ротора 3. Ротор 3 является более гибким в поперечном направлении с минимальным сопротивлением изгибу при выполнении ротора 3 из профилированного троса 5, имеющего слоистую структуру и облицованного оболочкой 6. При этом периодический изгиб ротора 3, обладающего повышенной гибкостью в поперечном направлении, в меньшей степени оказывает влияние на уменьшение кпд двигателя, чем изгиб обычного жесткого ротора, и делает возможной эффективную работу винтового забойного двигателя с искривленным для технологических целей бурения статором.

1. Винтовой забойный двигатель, содержащий статор с внутренними винтовыми зубьями и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, профили наружных зубьев ротора и внутренних зубьев статора в торцевом сечении выполнены взаимно огибаемыми, а ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев, отличающийся тем, что ротор выполнен из имеющего слоистую структуру профилированного троса, облицованного оболочкой.

2. Винтовой забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что оболочка выполнена металлической, например, стальной.

3. Винтовой забойный двигатель по п.2, отличающийся тем, что металлическая оболочка соединяется с профилированным тросом посредством промежуточного материала, введенного между профилированным тросом и оболочкой, например, в виде термореактивной пластмассы или клея.

4. Винтовой забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что оболочка ротора выполнена из материала, выбранного из группы антифрикционных, например, полиамида или резины.

5. Винтовой забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что статор выполнен с металлическими зубьями.

6. Винтовой забойный двигатель по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что профилированный трос выполнен из металлической проволоки.

7. Винтовой забойный двигатель по п.6, отличающийся тем, что профилированный трос содержит сердечник.

8. Винтовой забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что статор двигателя выполнен изогнутым для возможности бурения искривленного участка скважины при работе двигателя.