Забойные двигатели и насосы с асимметричными винтовыми зубьями

Забойные двигатели и насосы с асимметричными винтовыми зубьями

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Ссылки на родственные заявки

Настоящая заявка притязает на приоритет заявки US 13/227954, зарегистрированной 8 сентября 2011 г. и целиком включенной в настоящую заявку посредством ссылки.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в целом относится к буровым двигателям и винтовым насосам для использования в скважинных операциях.

Уровень техники

Для добычи углеводородов, таких как нефть и газ, бурят скважины путем вращения бурового долота, прикрепленного к концу бурильной колонны. Значительную часть буровых операций в настоящее время составляет бурение наклонных и горизонтальных скважин, обеспечивающее увеличение добычи углеводородов и/или извлечение дополнительного их количества из продуктивных пластов. В современных системах наклонно-направленного бурения обычно используется бурильная колонна, содержащая расположенное на забое буровое долото, которое вращается объемным двигателем (обычно именуемым забойным или буровым). Типичный забойный двигатель включает силовую секцию, содержащую статор и ротор, размещенный в этом статоре. Статор обычно включает металлический корпус, содержащий внутри обкладку из эластомерного материала, имеющую спиральный, или винтовой, профиль. Ротор имеет спиральный профиль с винтовыми зубьями, выполненными из металла, такого как сталь. Буровая жидкость (обычно именуемая промывочной жидкостью или буровым раствором) закачивается под давлением в перемещающуюся полость, образованную между винтовыми зубьями ротора и статора. Усилие, оказываемое жидкостью, закачиваемой под давлением в эту полость, вынуждает ротор вращаться, совершая движение планетарного типа. Эластомерная обкладка статора обеспечивает уплотнение между винтовыми зубьями статора и ротора. Кроме того, эластомерная обкладка обеспечивает опору для ротора и, следовательно, находится под высокой нагрузкой во время работы забойного двигателя или насоса. Каждый винтовой зуб включает сторону нагрузки и сторону уплотнения. Сторона нагрузки обычно подвергается значительно большим напряжениям и деформациям, чем сторона уплотнения. Существующие в настоящее время буровые двигатели характеризуются симметричной геометрией винтовых зубьев ротора и внутреннего профиля статора. В подобных симметричных конструкциях не учитывается влияние режима нагрузки на винтовые зубья статора и ротора.

Существующие технические решения представляют собой компромисс между уменьшением механических напряжений и деформаций на равномерно распределенной обкладке и сохранением объемного коэффициента полезного действия и выходной мощности бурового двигателя.

В настоящем изобретении предлагаются буровые двигатели и винтовые насосы с асимметричной геометрией винтовых зубьев ротора и/или статора, позволяющей устранить ряд недостатков, присущих устройствам с симметричной геометрией винтовых зубьев.

Раскрытие изобретения

В одном аспекте настоящего изобретения предлагается устройство для использования в скважинах. В одном варианте осуществления это устройство включает ротор с винтовыми зубьями, размещенный в статоре с винтовыми зубьями, причем профиль винтового зуба ротора выполнен асимметричным и винтовой зуб ротора включает первую сторону и вторую сторону, так что геометрия первой стороны образует поверхность нагружения, а геометрия второй стороны образует поверхность уплотнения.

В другом аспекте предлагается способ изготовления соответствующего устройства, включающий шаги обеспечения статора, содержащего винтовой зуб, включающий профиль, сформированный вдоль внутренней поверхности статора, и обеспечение и размещение в статоре ротора, содержащего винтовой зуб, имеющий описанный выше асимметричный профиль.

В еще одном аспекте предлагается буровой снаряд, содержащий буровой двигатель, использующий описанные выше статор и ротор.

Для лучшего понимания настоящего изобретения ниже приведено подробное описание, в котором широко представлены примеры конкретных отличительных признаков устройства и способа, предлагаемых в изобретении. Имеются, конечно, и другие отличительные признаки устройства и способа, предлагаемых в изобретении, составляющие предмет изобретения, определяемый формулой изобретения, приложенной к настоящему описанию.

Краткое описание чертежей

Для детального понимания настоящего изобретения ниже приведено его подробное описание, к которому приложены чертежи, на которых схожим элементам в большинстве случаев присвоены схожие численные ссылочные обозначения и на которых показано:

фиг. 1 - вид в продольном разрезе бурового двигателя, содержащего статор и ротор, выполненные согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения,

фиг. 2 - одномерное схематическое изображение в поперечном разрезе ротора, содержащего винтовые зубья, имеющие асимметричные профили, наложенные на симметричные профили,

фиг. 3 - одномерное схематическое изображение в поперечном разрезе статора, содержащего винтовые зубья, имеющие асимметричные профили, наложенные на симметричные профили,

фиг. 4 - одномерное схематическое изображение в поперечном разрезе силовой секции устройства с перемещающейся полостью, содержащего статор, облицованный эластомерной обкладкой с асимметричными профилями винтовых зубьев, и ротор, размещенный в статоре и тоже включающий винтовые зубья с асимметричными профилями,

фиг. 5 - одномерное схематическое изображение в поперечном разрезе силовой секции устройства с перемещающейся полостью, содержащего металлический статор, включающий винтовые зубья с асимметричными профилями, и ротор, размещенный в статоре и включающий асимметричные винтовые зубья.

Описание вариантов осуществления изобретения

На фиг. 1 показан пример бурового двигателя 100, представленного в разрезе и выполненного в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. Буровой двигатель 100 включает силовую секцию 110 и подшипниковый узел 150. Силовая секция 110 содержит статор 111 и ротор 120, размещенный внутри статора 111. Статор 111 включает продолговатый металлический корпус 112, содержащий ряд винтовых зубьев 115, определяющих внутренний металлический контур, или профиль, 113. Корпус 112 статора может быть выполнен с предварительно сформированным внутренним металлическим профилем 113. Внутренний профиль 113 корпуса статора облицован эластомерной обкладкой 114, включающей внутренний профиль 118 с винтовыми зубьями. Обкладка 114 крепится внутри корпуса 112 с помощью подходящего процесса, например литья под давлением, вулканизации и т.д. Ротор 120 обычно бывает выполнен из подходящего металла или сплава и включает винтовые зубья 122. Число винтовых зубьев статора 111 превышает число винтовых зубьев ротора на единицу. Ротор 120 расположен внутри статора 111 с возможностью вращения. В различных вариантах осуществления ротор 120 содержит отверстие 124, оканчивающееся в точке 127, расположенной ниже верхнего конца 128 ротора 120 (фиг. 1). Промывочная жидкость 140, находящаяся под ротором 120, может поступать в отверстие 124 через канал 138.

Как показано на фиг. 1, винтовые зубья 122 ротора и винтовые зубья 115 статора выполнены с такими углами спирали, что между зубьями 122 и 115 имеет место уплотнение, реализуемое через дискретные интервалы и имеющее следствием образование осевых жидкостных камер, или полостей, 126. Поток промывочной жидкости 140, подаваемой под давлением в забойный двигатель 100, проходит через полости 126, как показано стрелкой 134, вынуждая ротор 120 совершать вращение планетарного типа внутри статора 110. Конструктивное исполнение и число винтовых зубьев 115 статора и винтовых зубьев 122 ротора определяют выходные характеристики бурового двигателя 100. В одном варианте осуществления ротор 120 соединен с гибким валом 142, соединенным с вращаемым приводным валом 152 в подшипниковом узле 150. Буровое долото (не показано) соединено с нижним концом подшипникового узла 150 посредством соответствующего долотного переводника 154. В ходе буровой операции подаваемая под давлением жидкость 140 вращает ротор 120, который, в свою очередь, вращает гибкий вал 142. Гибкий вал 142 вращает приводной вал 152, который, в свою очередь, вращает долотный переводник 154 и, следовательно, буровое долото. В других вариантах осуществления корпус статора может быть изготовлен из неэластомерного материала, включая, но не ограничиваясь этим, керамический материал или материал на керамической основе, армированные углеродные волокна и комбинацию металлического и неметаллического материалов. Ротор также изготавливается из соответствующего материала, включая, но не ограничиваясь этим, керамический материал, материал на керамической основе, углеродные волокна, металл, металлический сплав и комбинацию металлического и неметаллического материалов. Примеры роторов и статоров с асимметричными профилями винтовых зубьев описаны со ссылками на фиг. 2-5.

На фиг. 2 представлено одномерное схематическое изображение в поперечном разрезе ротора 200, содержащего винтовые зубья, имеющие асимметричные профили 250. На фиг. 2 также показаны симметричные профили 260 для сравнения с асимметричными профилями 250. Показанный здесь ротор 200 включает винтовые зубья 210а-210е, каждый из которых имеет асимметричный профиль. Например, винтовой зуб 210е имеет асимметричный профиль 250е. Симметричный профиль для винтового зуба 210е представлен профилем 260е. Профиль 260е является симметричным относительно оси 205, проходящей от центра 202 ротора через центр 207 винтового зуба 210е. Симметричный профиль обычно бывает полукруглым относительно центральной линии 205. Как правило, ротор вращается в направлении по часовой стрелке, как показано стрелкой 201.

Во время вращения ротора, показанного на фиг. 2, левая сторона (в контексте настоящего описания также именуемая задней стороной) его винтового зуба, например зуба 210b, входит в контакт с левой стороной статора, а правая сторона (в контексте настоящего описания также именуемая передней стороной) винтового зуба ротора входит в контакт с правой стороной статора. Например, на фиг. 2, левая сторона винтового зуба 210b ротора обозначена через 212а, а правая сторона - через 212b. Левая сторона каждого винтового зуба ротора подвергается большим нагрузкам, тогда как правая сторона каждого винтового зуба ротора подвергается сравнительно небольшим нагрузкам. Правые стороны винтовых зубьев обеспечивают уплотнение между перемещающимися полостями, или камерами. Поскольку одна сторона винтового зуба находится под большей нагрузкой, чем другая сторона, то профили этих сторон можно корректировать независимым образом с целью улучшения эксплуатационных характеристик двигателя. Эта цель достигается с помощью настоящего изобретения, в одном аспекте которого предусмотрены асимметричные профили винтовых зубьев ротора. Поскольку функции, выполняемые каждой из сторон винтовых зубьев ротора, отличаются друг от друга (нагрузка против уплотнения), то обе эти стороны винтовых зубьев ротора можно корректировать независимым образом с целью получения асимметричных профилей. Левая и правая стороны винтового зуба могут быть выполнены в форме трохоид или производных трохоид разных типов либо одной и той же трохоиды, но с разными параметрами. Этим достигается получение неправильной геометрии винтовых зубьев или различий в профилях их сторон. Тем не менее в настоящем изобретении диаметры и эксцентриситеты огибающих принимаются равными друг другу во избежание образования геометрического разрыва в области перехода между обоими профилями. В этой конструкции исполнение профилей сопрягающихся рабочих поверхностей ротора и статора основано на трохоиде одного и того же типа и соответствующих параметрах. Одно из преимуществ асимметричных винтовых зубьев состоит в том, что профили можно корректировать исходя из основной функции стороны зуба, то есть функций нагрузки или уплотнения. Кроме того, с помощью независимой корректировки профилей винтовых зубьев можно учесть различные эксплуатационные параметры, такие как давление в зоне контакта, скорости скольжения, геометрия уплотнения, деформация и т.д. Учет этих и других параметров при проектировании асимметричных профилей винтовых зубьев может способствовать улучшению эксплуатационных характеристик обычных (с трубчатым корпусом, облицованным эластомером), предварительно профилированных статоров (статоров, содержащих эквидистантные обкладки) и двигателей типа "металл-металл" (с металлическим ротором и металлическим статором). Для конкретной конфигурации ротора 200, показанной на фиг. 2, левая (задняя) сторона каждого винтового зуба ротора может быть независимым образом скорректирована сравнительно с симметричным винтовым зубом. Например, левая сторона 252bl винтового зуба 210b корректируется областью 254bl, тогда как правая (передняя) сторона 252br корректируется областью 254br, что дает разные профили для левой и правой сторон. Таким образом, в одном аспекте углы наклона обеих сторон винтового зуба относительно центральной линии, например линии 205, могут отличаться друг от друга. Степень корректировки может зависеть от проектных критериев, которые могут включать следующие параметры: ожидаемую максимальную нагрузку на сторону, давление в зоне контакта, скорости скольжения, геометрию уплотнения, деформацию, скважинные условия, такие как давление и температура, и т.д. Асимметричный профиль можно рассчитать, используя любой известный метод, например метод конечно-элементного анализа, метод генерирования тестовых данных и т.д.

На фиг. 3 представлено одномерное схематическое изображение в поперечном разрезе статора 300, содержащего винтовые зубья, имеющие асимметричные профили 350. Здесь также показан, сравнительно с асимметричным профилем 350, симметричный профиль 360. Статор 300 содержит винтовые зубья З10а-310f (число которых на единицу превышает число винтовых зубьев ротора). Во время работы статор 300 остается неподвижным, тогда как ротор (фиг. 2) вращается внутри статора 300. Ротор вращается в направлении по часовой стрелке, что показано стрелкой 301. Во время вращения ротора левая сторона винтового зуба ротора входит в контакт с левой стороной винтового зуба статора и наоборот. Следовательно, левые стороны винтовых зубьев статора подвергаются большим нагрузкам, тогда как правые стороны винтовых зубьев статора подвергаются сравнительно небольшим нагрузкам. Тем не менее правая сторона винтового зуба статора обеспечивает уплотнение между перемещающимися полостями, или камерами. Поскольку одна сторона винтового зуба статора находится под более высокой нагрузкой, чем другая сторона, конфигурацию этой стороны можно скорректировать для улучшения эксплуатационных характеристик двигателя. Эта цель достигается с помощью настоящего изобретения, в одном аспекте которого предусмотрены асимметричные профили винтовых зубьев статора. Поскольку функции, выполняемые каждой из сторон винтовых зубьев статора, отличаются друг от друга (нагрузка против уплотнения), то обе эти стороны винтовых зубьев статора можно корректировать независимым образом с целью получения асимметричных профилей. Две стороны винтовых зубьев статора могут иметь разные профили. Например, левая сторона 330bl винтового зуба 310b статора имеет профиль 352bl, тогда как правая сторона 330br винтового зуба 310b статора имеет профиль 352br. Профили 352bl и 352br являются асимметричными относительно центральной линии 305, проходящей от центра 302 статора через центр 310bc винтового зуба 310b статора. Разница в площади между асимметричным профилем 352b и симметричным профилем 354bl показана заштрихованной областью 356bl, тогда как разница в площади на правой стороне показана заштрихованной областью 356br. В конкретной конфигурации статора 300 профили его винтовых зубьев соответствуют профилям винтовых зубьев ротора 200, показанного на фиг. 2. Для других комбинаций ротора и статора асимметричные профили могут быть разными в зависимости от различных используемых проектных критериев, как описано применительно к фиг. 2.

На фиг. 4 представлено одномерное схематическое изображение в поперечном разрезе силовой секции скважинного устройства 400 с перемещающейся полостью, такого как двигатель или насос. Устройство 400 содержит ротор 420, размещенный в статоре 410. Ротор 420 включает винтовые зубья с наружным асимметричным профилем 420, выполненным в соответствии со способами, описанными применительно к фиг. 2. Показанный ротор 420 вращается по часовой стрелке (стрелка 402). Статор 410 включает корпус 415 с предварительно сформированным симметричным или асимметричным профилем 450 винтовых зубьев. В конкретной конфигурации корпуса 415 статора, показанной на фиг. 4, профиль 450 облицован обкладкой 455, имеющей внутренний асимметричный профиль 460, выполненный в соответствии со способами, описанными применительно к фиг. 2 и 3. В другой конфигурации корпус 415 статора может иметь предварительно сформированный асимметричный внутренний профиль с винтовыми зубьями, облицованный обкладкой, имеющей одну и ту же толщину, вследствие чего зубья статора имеют асимметричные профили. Обкладка может быть также неэквидистантной по толщине.

На фиг. 5 представлено одномерное схематическое изображение в поперечном разрезе силовой секции устройства 500 с перемещающейся полостью, такого как двигатель или насос. Устройство 500 включает ротор 520, размещенный в статоре 510. Ротор 520 включает винтовые зубья с наружным асимметричным профилем 550, выполненным в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. Статор 510 включает корпус 515 с предварительно сформированным асимметричным профилем 560 с винтовыми зубьями, выполненным в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. В одном аспекте изобретения статор 510 и ротор 520 выполнены из неэластомерного материала, такого как сталь. В этом случае устройство 500 именуется устройством (например, двигателем или насосом) типа "металл-металл" с перемещающейся полостью. В настоящем описании представлены примеры осуществления устройства с перемещающейся полостью. Настоящее изобретение, однако, применимо и к другим устройствам, включающим винтовые зубья с асимметричными профилями.

Приведенное выше описание посвящено конкретным вариантам осуществления настоящего изобретения, представленным в целях иллюстрации и пояснения. Специалистам в данной области будет тем не менее ясно, что в этих вариантах осуществления возможны различные модификации и изменения, реализуемые в пределах объема и сущности настоящего изобретения. Подразумевается, что приведенная ниже формула изобретения охватывает все подобные модификации и изменения.

1. Устройство для использования в скважине, содержащее:

статор, включающий винтовой зуб, имеющий профиль, сформированный вдоль внутренней поверхности статора; и

ротор, размещенный в статоре и включающий винтовой зуб, имеющий профиль, сформированный на наружной поверхности ротора,

причем профиль винтового зуба ротора выполнен асимметричным и винтовой зуб ротора включает первую сторону и вторую сторону, так что геометрия первой стороны образует поверхность нагружения, а геометрия второй стороны образует поверхность уплотнения.

2. Устройство по п. 1, в котором винтовой зуб статора включает первую сторону и вторую сторону, причем геометрия первой стороны отличается от геометрии второй стороны.

3. Устройство по п. 1, в котором статор включает асимметричный, предварительно сформированный профиль.

4. Устройство по п. 1, в котором винтовой зуб статора включает первую сторону и вторую сторону, причем угол наклона первой стороны относительно центральной линии, проходящей через центр статора, отличается от угла наклона второй стороны относительно этой центральной линии.

5. Устройство по п. 1, в котором угол наклона первой стороны винтового зуба ротора относительно оси ротора превышает угол наклона второй стороны относительно этой оси.

6. Устройство по п. 1, в котором профиль винтового зуба ротора является совместимым с профилем винтового зуба статора.

7. Устройство по п. 1, в котором профиль ротора или статора выполнен на основе формы трохоиды или производной трохоиды.

8. Устройство по п. 1, в котором винтовой зуб ротора выполнен из металлического материала, а винтовой зуб статора выполнен из металлического материала или эластомерного материала.

9. Способ изготовления устройства, включающий:

обеспечение статора, содержащего винтовой зуб, имеющий профиль, сформированный вдоль внутренней поверхности статора; и

обеспечение и размещение в статоре ротора, содержащего винтовой зуб, имеющий профиль, сформированный на наружной поверхности ротора;

причем винтовой зуб ротора имеет асимметричный профиль и включает первую сторону и вторую сторону, так что геометрия первой стороны образует поверхность нагружения, а геометрия второй стороны образует поверхность уплотнения.

10. Способ по п. 9, в котором винтовой зуб статора включает первую сторону и вторую сторону, причем геометрия первой стороны отличается от геометрии второй стороны.

11. Способ по п. 9, в котором статор включает асимметричный, предварительно сформированный профиль.

12. Способ по п. 9, в котором винтовой зуб статора включает первую сторону и вторую сторону, причем угол наклона первой стороны относительно оси статора отличается от угла наклона второй стороны относительно этой оси.

13. Способ по п. 9, в котором первая сторона винтового зуба ротора выполнена с возможностью выдерживать большую нагрузку, чем вторая сторона.

14. Способ по п. 9, в котором угол наклона первой стороны винтового зуба ротора относительно оси ротора отличается от угла наклона второй стороны относительно этой оси.

15. Способ по п. 9, в котором профиль винтового зуба ротора выполнен совместимым с профилем винтового зуба статора.

16. Буровой снаряд, содержащий:

буровой двигатель, имеющий статор, включающий винтовой зуб, имеющий профиль, сформированный вдоль внутренней поверхности статора; и

ротор, размещенный в статоре и включающий винтовой зуб, имеющий профиль, сформированный на наружной поверхности ротора,

причем профиль винтового зуба ротора выполнен асимметричным и винтовой зуб ротора включает первую сторону и вторую сторону, так что геометрия первой стороны образует поверхность нагружения, а геометрия второй стороны образует поверхность уплотнения.

17. Буровой снаряд по п. 16, в котором винтовой зуб статора включает первую сторону и вторую сторону, причем геометрия первой стороны отличается от геометрии второй стороны.

18. Буровой снаряд по п. 16, в котором профиль винтового зуба ротора соответствует трохоиде или производной трохоиды.