Статор винтового забойного двигателя

Статор винтового забойного двигателя

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технике бурения нефтяных и газовых скважин, а более конкретно - к винтовым забойным двигателям, применяемым в процессе строительства скважин. Эти двигатели содержат статор с внутренними винтовыми зубьями и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора.

Широко распространена традиционная конструкция статора винтового забойного двигателя, содержащего металлический корпус с цилиндрической расточкой, к которой прикреплена обкладка из упругоэластичного материала, чаще всего из резины (Гусман М.Т., Балденко Д.Ф., Кочнев A.M., Никомаров С.С. Забойные винтовые двигатели для бурения скважин. М.: Недра, 1981). На обкладке выполнены внутренние винтовые зубья статора, взаимодействующие с зубьями ротора. Эластомерная обкладка статора имеет переменную толщину, принимающую максимальное значение на выступе зуба статора и минимальное - во впадине зуба.

Недостатком известного статора является малая изгибная жесткость зубьев статора, в результате чего под действием крутящего момента происходит их значительная деформация, приводящая к искажениям расчетной геометрии зацепления, увеличению утечек жидкости, повышению механических потерь на трение в паре «ротор-статор» винтового двигателя и, в конечном счете, к уменьшению долговечности статора. Кроме того, циклическое нагружение зубьев обкладки статора с высокой частотой приводит к интенсивному саморазогреву резины вследствие ее низкой теплопроводности, что также ведет к снижению долговечности статора.

Недостаток известного статора устранен в техническом решении, описанном в статье M.McGurk New PDM motor improves performance, Operating range // Oil & Gas Journal, 01.04.2002. - C.48-49. Статор винтового забойного двигателя содержит стальной толстостенный корпус, на внутренней поверхности которого выполнены винтовые зубья, покрытые слоем эластомера постоянной толщины. За счет уменьшения толщины резины значительно снижается уровень деформации обкладки, повышаются энергетические параметры винтового двигателя (крутящий момент, мощность, КПД), уменьшается саморазогрев резины статора, повышается надежность и долговечность двигателя.

Недостатком этой конструкции статора является сложность выполнения внутренних винтовых зубьев на корпусе статора, требующего дорогостоящего металлообрабатывающего или прокатного оборудования. Другой недостаток - сложность повторного использования корпуса после износа статора.

Эти недостатки устранены в статоре винтового забойного двигателя (Патент RU 2283442 С1, МКИ F04C, F01C, Е21В), который является наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения.

Статор выполнен составным и содержит металлический толстостенный корпус с цилиндрической расточкой, внутри которого установлена тонкостенная металлическая оболочка, имеющая профильную часть, на которой выполнены винтовые зубья. К внутренней винтовой поверхности оболочки прикреплена эластомерная обкладка.

Известное техническое решение не обеспечивает предохранения деталей двигателя от поломки в случае возникновения чрезмерного повышения вращающего момента, например, при заклинивании долота в скважине.

Задачей настоящего изобретения является создание статора винтового забойного двигателя, который повышает надежность двигателя, предохраняя детали двигателя от поломки в случае чрезмерного повышения вращающего момента.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном статоре винтового забойного двигателя, содержащем полый корпус, установленную внутри полого корпуса тонкостенную профилированную оболочку, профиль которой выполнен в виде винтовых зубьев, а к внутренней поверхности оболочки прикреплена эластомерная обкладка, согласно изобретению профилированная оболочка установлена с зазором к внутренней поверхности полого корпуса статора, а во впадинах профилированной оболочки закреплен жесткий элемент.

Кроме того, согласно изобретению закрепленный во впадинах профилированной оболочки жесткий элемент выполнен в виде цилиндрических прутков, диаметр которых равен высоте винтовых зубьев.

Такое выполнение статора позволяет предохранить детали винтового забойного двигателя от поломок в случае чрезмерного возникновения крутящего момента, так как при повышении крутящего момента увеличивается давление в статоре, что приводит к диаметральному расширению тонкостенной оболочки. При этом между зубьями ротора и статора появляется зазор, через который происходит сброс избыточного давления, благодаря чему крутящий момент снижается, позволяя предохранить детали двигателя от поломки.

За счет выполнения жесткого элемента в виде цилиндрических прутков с диаметром, равным высоте винтовых зубьев, обеспечивается определенная величина расширения тонкостенной оболочки в зоне впадин профильной части.

На прилагаемых чертежах иллюстрируется сущность изобретения.

На фиг.1 показано устройство статора винтового забойного двигателя в продольном разрезе с установленным ротором.

На фиг.2 приведено поперечное сечение статора по линии А-А.

На фиг.3 показано поперечное сечение статора по линии А-А в момент чрезмерного повышения давления в статоре.

Статор винтового забойного двигателя (фиг.1 и 2) содержит полый корпус 1, внутри которого размещена тонкостенная профилированная оболочка 2, с профильной частью 3, выполненной в виде винтовых зубьев. К внутренней поверхности оболочки 2 прикреплена обкладка 4 из упругоэластичного материала, например из резины. К наружной поверхности оболочки 2 прикреплен жесткий элемент 5, выполненный в виде цилиндрических прутков. Элемент 5 может крепиться к оболочке 2 любым способом, например сваркой. Оболочка 2 крепится внутри корпуса 1 тоже любым способом, например сваркой. Профилированная оболочка 2 установлена с зазором Z₁ к внутренней поверхности 6 полого корпуса 1 статора.

Статор работает следующим образом. Внутри статора установлен ротор 7 с винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, а профили зубьев статора и ротора 7 выполнены взаимоогибаемыми. Своим верхним концом статор присоединен к колонне бурильных труб (не показаны), а нижним концом - к корпусу опорного узла (не показан). Ротор 7 связан с валом опорного узла посредством, например, универсального шарнирного соединения. К нижнему концу вала опорного узла присоединен породоразрушающий инструмент - долото.

При подаче рабочей жидкости с поверхности по колонне бурильных труб ротор 7 приводится во вращение, обкатываясь по зубьям статора, и приводит во вращение долото.

При чрезмерном повышении вращающего момента на долоте, а следовательно, и на роторе 7 давление промывочной жидкости в статоре повышается, тонкостенная оболочка 2 вместе с обкладкой 4 раздуваются, выбирая зазор Z₁, и между зубьями ротора 7 и эластомерной обкладкой 4 устанавливается зазор Z₂ (см. фиг.3). При этом часть промывочной жидкости сбрасывается в зазор Z₂. Давление падает, вращающий момент на роторе 7 уменьшается, благодаря чему детали винтового забойного двигателя предохраняются от поломки. После снижения вращающего момента на роторе 7 и падения давления в полости Р тонкостенная оболочка 2 за счет своих упругих свойств возвращается в исходное положение (см. фиг.2).

Жесткий элемент 5, выполненный в виде цилиндрических прутков, установленных во впадинах оболочки 2, ограничивает раздутие впадин оболочки 2 во время повышения давления. Благодаря тому, что диаметр прутков 5 равен высоте винтовых зубьев, при чрезмерном повышении давления промывочной жидкости обеспечивается определенная величина расширения тонкостенной оболочки 2 в зоне впадин профильной части 3, не превышающая величины упругой деформации оболочки 2 для обеспечения ее возвращения в исходное состояние после снижения давления.

В отличие от прототипа в предлагаемом техническом решении благодаря зазору Z₁ между внутренней поверхностью полого корпуса 1 статора и профилированной тонкостенной оболочки 2 детали винтового забойного двигателя предохраняются от поломки вследствие стравливания избыточного давления в зазор Z₂, что повышает надежность винтового забойного двигателя.

1. Статор винтового забойного двигателя, содержащий полый корпус, установленную внутри корпуса тонкостенную профилированную оболочку, профиль которой выполнен в виде винтовых зубьев, а к внутренней поверхности профилированной оболочки прикреплена эластомерная обкладка, отличающийся тем, что профилированная оболочка установлена с зазором к внутренней поверхности полого корпуса статора, а во впадинах профилированной оболочки закреплен жесткий элемент.

2. Статор по п.1, отличающийся тем, что закрепленный во впадинах профилированной оболочки жесткий элемент выполнен в виде цилиндрических прутков, диаметр которых равен высоте винтовых зубьев.