винтовой забойный двигатель

Формула изобретения

1. Винтовой забойный двигатель, содержащий переводник, статор с внутренними винтовыми зубьями, ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, а ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине радиальной высоты зубьев, опорный узел, включающий вал, осевую и радиальные опоры, и устройство для передачи вращения и осевой нагрузки от ротора на вал опорного узла, отличающийся тем, что переводник выполнен с отверстием, ось которого смещена в радиальном направлении относительно оси статора, а на верхнем торце ротора выполнен, по меньшей мере, один выступ, смещенный относительно оси ротора.

2. Винтовой забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что контуры каждого выступа ротора и контуры каждого промежутка между выступами в плоскости торцов выступов выполнены такими, что обеспечено вписывание в каждый из этих контуров окружности, диаметр D которой равен

D = d + 2E,

где d - диаметр отверстия переводника;

E - эксцентриситет ротора,

причем центр вписанной окружности смещен относительно оси ротора на величину, равную смещению оси отверстия переводника относительно оси статора.

3. Винтовой забойный двигатель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что осевая высота C выступов ротора выполнена, исходя из соотношения C > 0,5d.

4. Винтовой забойный двигатель по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что опорный узел выполнен с возможностью осевого перемещения вала и соединенного с ним ротора на величину S, которая выполнена, исходя из соотношения S > 0,5d.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике строительства скважин, а именно к забойным двигателям для бурения нефтяных и газовых скважин, и может быть использовано также в горной и строительной промышленности.

Известен винтовой забойный двигатель для бурения скважин, содержащий однозаходный металлический ротор и двухзаходный обрезиненный статор (см. патент США N 3112801 от 05.03.1959). Ротор двигателя имеет в поперечном сечении форму окружности, а поперечное сечение статора представляет собой фигуру, ограниченную двумя полуокружностями, соединенными отрезками прямых линий.

Недостатком известного винтового забойного двигателя является малый рабочий объем и, соответственно, низкий крутящий момент при повышенной частоте вращения, что делает неэффективным использование этого двигателя в сочетании с низкооборотными шарошечными долотами с герметизированной маслонаполненной опорой, а также долотами режуще-истирающего типа.

Известен также винтовой забойный двигатель с многозаходными рабочими органами, который является наиболее близким аналогом (прототипом) по отношению к заявляемому изобретению (см. патент РФ N 2011778 от 21.09.89 г., опубл. 30.04.94, Бюл. N 8).

Указанный двигатель имеет повышенный крутящий момент при низкой частоте вращения и содержит переводник, статор с внутренними винтовыми зубьями, ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, опорный узел, включающий вал, осевую и радиальную опоры, и устройство для передачи вращения и осевой нагрузки от ротора на вал опорного узла. Ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине радиальной высоты зубьев. В нижней части ротора установлено устройство для передачи вращения и осевой нагрузки от ротора на вал опорного узла, выполненное в виде крестово-кулисной муфты.

Недостатком известного винтового забойного двигателя является то, что при проходке пород повышенной твердости эффективность процесса углубления скважины снижается из-за уменьшения механической скорости бурения вследствие статического характера осевой силы, передаваемой от ротора двигателя на породоразрушающий инструмент.

Задачей настоящего изобретения является создание винтового забойного двигателя, в котором устранен указанный недостаток и который обеспечивает повышение эффективности бурения за счет создания динамической (пульсирующей) осевой нагрузки на роторе двигателя, передаваемой на вал опорного узла и на породоразрушающий инструмент.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном винтовом забойном двигателе, содержащем переводник, статор с внутренними винтовыми зубьями, ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, а ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине радиальной высоты зубьев, опорный узел, включающий вал, осевую и радиальные опоры, и устройство для передачи вращения и осевой нагрузки от ротора на вал опорного узла, согласно изобретению, переводник выполнен с отверстием, ось которого смещена в радиальном направлении относительно оси статора, а на верхнем торце ротора выполнен, по меньшей мере, один выступ, смещенный относительно оси ротора.

Выполнение переводника с отверстием, ось которого смещена в радиальном направлении относительно оси статора, а верхнего торца ротора - по меньшей мере, с одним выступом, обеспечивает при планетарном движении ротора периодическое изменение расстояния от кромки отверстия переводника до расположенного по оси отверстия участка торцовой поверхности ротора и создание за счет этого переменного гидравлического сопротивления движению потока жидкости, выходящей из отверстия переводника. Возникающее при этом пульсирующее изменение давления в верхней части двигателя вызывает появление переменной по величине осевой нагрузки на роторе двигателя, которая передается на вал опорного узла и присоединенный к нему породоразрушающий инструмент, приводя к более интенсивному внедрению зубьев породоразрушающего инструмента в горную породу и, тем самым, - к повышению механической скорости бурения.

Другим отличием винтового забойного двигателя является то, что контуры каждого выступа ротора в плоскости торцов выступов и контуры каждого промежутка между выступами в этой же плоскости выполнены такими, что обеспечено вписывание в каждый из этих контуров окружности, диаметр D которой равен

D=d+2E,

где d - диаметр отверстия переводника;

E - эксцентриситет ротора,

причем центр вписанной окружности диаметром D смещен относительно оси ротора на величину, равную смещению оси отверстия переводника от оси статора.

Такое выполнение контура каждого выступа ротора и контура каждого промежутка между выступами обеспечивает полное перекрытие сечения отверстия сечением каждого выступа ротора, независимо от фазового положения ротора, в момент прохождения выступа ротора под отверстием переводника, и полное открытие сечения отверстия в момент прохождения под отверстием переводника каждого промежутка между выступами, также независимо от фазового положения ротора. За счет этого обеспечивается максимально возможная амплитуда пульсаций давления, возникающих при пересечении потока жидкости, выходящей из отверстия переводника, выступом ротора и, следовательно, максимально возможная пульсация осевой силы на роторе.

Следующим отличием винтового забойного двигателя является то, что осевая высота C выступа на верхнем торце ротора выполнена, исходя из соотношения: C > 0,5 d. При выполнении осевой высоты выступа C меньше, чем 0,5 d, амплитуда импульсов давления уменьшается вследствие того, что в момент нахождения под отверстием переводника промежутков между выступами ротора, эти участки представляют собой местное гидравлическое сопротивление (стенку), на преодоление которого также затрачивается энергия потока жидкости, в результате чего уменьшается разница между максимальным давлением жидкости, соответствующим моменту прохождения выступов ротора под отверстием переводника, и минимальным давлением, соответствующим моменту прохождения под отверстием промежутков между выступами ротора. Уменьшение амплитуды импульсов давления приводит к соответствующему уменьшению амплитуды пульсаций осевой силы на роторе и на породоразрушающем инструменте, то есть, к снижению эффективности бурения. Если высота выступа C > 0,5 d, то амплитуда импульсов давления и импульсов осевой силы на роторе увеличивается за счет уменьшения потерь давления при прохождении под отверстием переводника промежутков между выступами ротора.

Еще одним отличием винтового забойного двигателя является то, что опорный узел выполнен с возможностью осевого перемещения вала опорного узла и соединенного с ним ротора на величину S, определяемую из соотношения: S > 0,5 d,

За счет осевого перемещения вала опорного узла на указанную величину обеспечивается работа винтового забойного двигателя в двух режимах:

а) вибрационный режим, когда вал опорного узла и ротор двигателя находятся в крайнем верхнем положении, а расстояние между торцом выступов ротора и нижним торцом переводника с отверстием имеет минимальную величину, равную зазору K; в этом случае обеспечивается создание максимального уровня пульсаций давления и осевой силы на роторе;

б) безвибрационный режим, когда вал опорного узла и ротор двигателя находятся в крайнем нижнем положении, а расстояние между торцом выступов ротора и нижним торцом переводника с отверстием имеет максимальную величину, равную сумме величины зазора K и величины осевого перемещения S; в этом случае уровень пульсаций давления и осевой силы на роторе резко снижается.

Возможность работы двигателя в одном из указанных режимов позволяет повысить надежность и долговечность двигателя вследствие исключения вибрационных нагрузок на осевую опору при работе на холостом ходу, когда отсутствует осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент.

На фиг. 1 показано устройство предлагаемого винтового забойного двигателя в продольном разрезе; на фиг. 2 - в увеличенном масштабе часть продольного разреза двигателя в области переводника и верхнего торца ротора; на фиг. 3 - поперечный разрез двигателя по линии А-А; на фиг. 4 - поперечный разрез по линии В-В; на фиг. 5 - в увеличенном масштабе продольный разрез опорного узла в месте расположения осевой опоры.

Винтовой забойный двигатель содержит переводник 1 с отверстием 2 для подачи промывочной жидкости из колонны бурильных труб в полость двигателя (на фиг. колонна бурильных труб не показана), статор 3 с внутренними винтовыми зубьями 4, ротор 5 с наружными винтовыми зубьями 6, число которых Z_p на единицу меньше числа зубьев статора Z_c, то есть, Z_p = Z_c - 1. Ось O₁O₁ ротора 5 смещена относительно оси O₂O₂ статора 3 на величину эксцентриситета E, равную половине радиальной высоты зубьев h. Диаметр отверстия 2 переводника 1 равен d, а его ось O₃O₃ смещена относительно оси O₂O₂ статора 3 на величину L. На верхнем торце ротора 5 выполнен, по меньшей мере, один выступ 7 с осевой высотой C (на фигурах двигатель показан с двумя выступами 7 на роторе 5, но их количество может быть и иным), а между торцом выступов 7 и нижним торцом переводника 1 выполнен осевой зазор K. Формы контуров выступов 7 и промежутков между выступами 7 в плоскости торцов выступов 7 могут быть произвольными, но сами контуры выполнены такими, что обеспечено вписывание в каждый из этих контуров окружности F диаметром D = d + 2E, причем центр O₄ вписанной окружности F смещен относительно оси O₁O₁ ротора 5 на величину L₁, равную смещению L оси O₃O₃ отверстия 2 переводника 1 относительно оси O₂O₂ статора 3.

К нижнему концу статора 3 присоединен опорный узел 8, включающий корпус 9 и вал 10, установленный в корпусе 9 при помощи осевой опоры 11 и радиальных опор 12. Нижний конец ротора 5 и верхний конец вала 10 соединены устройством 13 для передачи вращения и осевой нагрузки, выполненным, например, в виде двухшарнирного карданного вала.

Осевая опора 11 опорного узла выполнена в виде многоступенчатого шарового подшипника, каждая ступень которого содержит наружную обойму 14 с внутренними тороидальными дорожками качения 15, внутреннюю обойму 16 с наружными тороидальными дорожками качения 17 и тела качения (шарики) 18. Для обеспечения возможности осевого перемещения вала 10 опорного узла 8 осевая опора 11 имеет осевой люфт, обеспечиваемый проставочными кольцами 19, которые установлены между наружными обоймами 14. Величина осевого перемещения S вала 10 (осевого люфта опоры) выполнена, исходя из соотношения S/d > 0,5. К нижней резьбе вала 10 присоединен породоразрушающий инструмент (на фигурах не показан).

Винтовой забойный двигатель работает следующим образом. Подаваемая с поверхности по колонне бурильных труб рабочая жидкость поступает в переводник 1 и через его отверстие 2 попадает в верхнюю полость двигателя. Под действием неуравновешенного давления промывочной жидкости на боковую поверхность ротора 5 последний совершает планетарное движение, обкатываясь своими наружными зубьями 6 по внутренним зубьям 4 статора 3, при этом ось O₁O₁ ротора 5 совершает переносное вращение относительно оси O₂O₂ статора 3 по окружности радиуса E против часовой стрелки, если наблюдать со стороны входа жидкости в двигатель, а сам ротор 5 поворачивается относительно своей оси O₁O₁ по часовой стрелке с уменьшенной в Z_p раз угловой скоростью по сравнению с угловой скоростью переносного вращения. Планетарное движение ротора 5 преобразуется в соосное вращение вала 10 опорного узла 8 посредством устройства 13 для передачи вращения и осевой нагрузки, выполненного, например, в виде двухшарнирного карданного вала.

Вал 10 вращается внутри корпуса 9, при этом осевая нагрузка от веса колонны бурильных труб передается на породоразрушающий инструмент (долото) через переводник 1, статор 3, корпус 9 опорного узла 8, осевую опору 11, вал 10 опорного узла 8. Возникающая на роторе 5 гидравлическая осевая сила от действия перепада давления на торец ротора 5 добавляется к осевой нагрузке на долото, создаваемой весом бурильной колонны.

Когда винтовой забойный двигатель нагружен осевой нагрузкой от веса бурильных труб, то ротор 5 находится в крайнем верхнем положении, а расстояние K от торца выступа 7 до нижнего торца переводника 1 имеет минимальную величину. В моменты прохождения выступа 7 ротора 5 непосредственно под отверстием 2 сечение истекающего из отверстия 2 потока жидкости перекрывается выступом 7, при этом возникает значительное гидравлическое сопротивление движению потока жидкости, происходит резкое возрастание давления над ротором 5, которое приводит к увеличению осевой нагрузки на ротор 5 и связанный с ним через двухшарнирный карданный вал 13 вал 10 опорного узла 8 и на долото. Когда под отверстием 2 находится промежуток между выступами 7, расстояние от кромки отверстия 2 до противолежащего участка торцевой поверхности ротора 5 увеличивается до величины (K+C), где C - осевая высота выступа 7, в результате чего гидравлическое сопротивление движению потока жидкости резко уменьшается и соответственно уменьшается гидравлическая осевая сила, действующая на ротор 5. Таким образом, при каждом прохождении выступа 7 ротора 5 под отверстием 2 переводника 1 генерируется импульс давления над торцом ротора 5 и соответствующий импульс осевой силы на роторе, который передается через карданный вал 13 на вал 10 опорного узла 8 и связанное с ним долото, накладываясь на статическую осевую нагрузку от веса колонны бурильных труб. Количество импульсов осевой силы за 1 оборот ротора 5 определяется числом выступов 7 на торце ротора.

Поскольку контур каждого выступа 7 в плоскости его торца выполнен таким, что обеспечено вписывание в этот контур окружности F диаметром D = d + 2E, центр которой O₄ смещен относительно оси O₁O₁ ротора 5 на величину L₁, равную смещению L оси O₃O₃ отверстия 2 переводника 1 относительно оси O₂O₂ статора 3, то при планетарном движении ротора 5 обязательно наступает такой момент, когда сечение потока жидкости, выходящей из отверстия 2, оказывается полностью перекрытым контуром торца выступа 7, независимо от фазового положения оси O₁O₁ ротора 5 относительно оси O₂O₂ статора 3. Этому моменту соответствует максимальное гидравлическое сопротивление движению потока жидкости, максимальное давление над ротором и максимальная величина осевой силы на poтope 5.

Совершенно аналогично, при планетарном движении ротора 5 обязательно наступит такой момент, когда, независимо от фазового положения оси O₁O₁ ротора 5, сечение потока жидкости, выходящего из отверстия 2, полностью перекрыто контуром промежутка между выступами 7 ротора. При этом гидравлическое сопротивление движению потока жидкости, давление над ротором и осевая сила на нем имеют минимальные значения.

Вследствие циклического изменения давления на входе в рабочую пару винтового забойного двигателя, на роторе 5 двигателя создается переменный по величине крутящий момент: при повышении давления над ротором 5 одновременно с увеличением осевой силы, действующей на ротор и передаваемой на долото, увеличивается и крутящий момент на роторе 5, помогая преодолевать возросший из-за повышения осевой нагрузки момент сопротивления на долоте, а при снижении давления крутящий момент на роторе соответственно уменьшается. Такой характер синхронного изменения осевой силы на долоте и крутящего момента, передаваемого на долото от ротора 5 двигателя, позволяет повысить эффективность процесса разрушения горной породы при бурении скважин.

Возникающие при работе двигателя осевые вибрации способствуют преодолению сил трения колонны бурильных труб о стенки скважины, что имеет особую важность при бурении горизонтальных скважин.

Когда двигатель приподнят над забоем скважины и на него не действует осевая нагрузка от веса бурильной колонны, то есть, когда двигатель работает в холостом режиме, то под действием потока жидкости ротор 5 вместе с валом 10 опускается в крайнее нижнее положение (в пределах осевого люфта S осевой опоры 12), в результате чего зазор между торцом выступа 7 ротора 5 и нижним торцом переводника 1 возрастает до величины (K+S). При увеличенном зазоре прохождение выступа 7 ротора 5 под отверстием 2 не вызывает заметного повышения давления, следовательно, вибрационный режим работы двигателя отсутствует. Это позволяет исключить в режиме холостого хода двигателя непроизводительное динамическое нагружение осевой опоры.

Предложенный винтовой забойный двигатель может работать на сжатом воздухе или на аэрированной жидкости, например, в горной промышленности при бурении шпуров или в строительной промышленности при сверлении бетона, как перфоратор с вращающимся валом.