винтовой забойный двигатель

Формула изобретения

1. Винтовой забойный двигатель, содержащий статор с внутренними винтовыми зубьями, размещенный эксцентрично внутри статора полый ротор со стенкой постоянной толщины, имеющий наружные и внутренние винтовые зубья, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, опорный узел, включающий корпус, вал и подшипники, и устройство для соединения ротора с валом опорного узла, отличающийся тем, что устройство для соединения ротора с валом опорного узла содержит промежуточный вал с наружными винтовыми зубьями для взаимодействия с внутренними винтовыми зубьями ротора, а поверхности вращения, описанные относительно вершин выступов и впадин наружных винтовых зубьев промежуточного вала, выполнены бочкообразными.

2. Винтовой забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что в верхней части ротора установлена заглушка, в нижней части ротора размещена манжета из упругоэластичного материала, закрепленная в роторе и на наружной поверхности промежуточного вала, а внутренняя полость ротора заполнена смазкой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области буровой техники, в частности к винтовым забойным двигателям для бурения нефтяных и газовых скважин, в особенности для бурения наклонно направленных скважин.

Известен винтовой забойный двигатель (см. кн. Гусман М.Т., Балденко Д.Ф. , Кочнев A. M. , Никомаров С. С. Забойные винтовые двигатели для бурения скважин. - М.: Недра, 1981 г., с.18, рис.5), содержащий статор с внутренними винтовыми зубьями, цельный многозаходный ротор с наружными винтовыми зубьями, опорный узел, включающий корпус, вал и подшипники, и устройство для соединения ротора с валом опорного узла. Устройство для соединения ротора с валом опорного узла выполнено в виде двухшарнирного карданного вала с зубчатыми муфтами. Как показала практика, при высоких нагрузках от крутящего момента долговечность зубчатых муфт неудовлетворительна. Кроме того, цельный ротор имеет большую массу, что приводит к появлению больших центробежных сил и интенсивных поперечных вибраций при работе двигателя.

Указанные недостатки частично устранены в известном винтовом забойном двигателе (патент США 4909337, МКИ Е 21 В 4/02, опубл. 20.03.90 г.), который содержит статор с внутренними винтовыми зубьями, размещенный эксцентрично внутри статора полый многозаходный ротор со стенкой постоянной толщины, имеющий наружные и внутренние винтовые зубья, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, опорный узел, включающий корпус, вал и подшипники, и устройство для соединения ротора с валом опорного узла, выполненное в виде торсиона (гибкого вала), размещенного в полости ротора. Верхний конец торсиона связан с верхней частью ротора, а нижний - соединен с валом опорного узла. Долговечность торсиона в этом двигателе существенно выше по сравнению с долговечностью двухшарнирного карданного вала с муфтами, а масса полого ротора и интенсивность поперечных вибраций в этом двигателе значительно уменьшены.

Известный двигатель удовлетворительно работает при бурении вертикальных скважин, когда двигатель выполнен в прямом исполнении (статор и корпус опорного узла соосны). Когда возникает необходимость бурения наклонно направленных скважин и двигатель выполняется искривленным (между статором и корпусом опорного узла устанавливается искривленный переводник), устройство для соединения ротора с валом опорного узла, выполненное в виде торсиона, работает неудовлетворительно, поскольку при увеличенном угле изгиба торсиона (более 1,5^o ) он теряет свою продольную устойчивость, что приводит к поломкам торсиона.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, повышение надежности работы двигателя при использовании его для бурения как вертикальных, так и наклонно направленных и горизонтальных скважин.

Поставленная задача решается тем, что в известном винтовом забойном двигателе, содержащем статор с внутренними винтовыми зубьями, размещенный эксцентрично внутри статора полый ротор со стенкой постоянной толщины, имеющий наружные и внутренние винтовые зубья, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, опорный узел, включающий корпус, вал и подшипники, и устройство для соединения ротора с валом опорного узла, согласно изобретению устройство для соединения ротора с валом опорного узла содержит промежуточный вал с наружными винтовыми зубьями для взаимодействия с внутренними винтовыми зубьями ротора, а поверхности, описанные относительно вершин выступов и впадин наружных винтовых зубьев промежуточного вала, выполнены бочкообразными.

Другим отличием является то, что в верхней части ротора установлена заглушка, в нижней части ротора размещена манжета из упругоэластичного материала, закрепленная в роторе и на наружной поверхности промежуточного вала, а внутренняя полость ротора заполнена смазкой.

Выполнение устройства для соединения ротора с валом опорного узла, содержащего промежуточный вал с наружными винтовыми зубьями бочкообразной формы для взаимодействия с внутренними винтовыми зубьями ротора, позволяет улучшить условия передачи крутящего момента в двигателе за счет максимально возможного увеличения диаметра зубчатой части промежуточного вала (в условиях ограниченного диаметрального размера двигателя) и приближения его к диаметру ротора. При этом зубья промежуточного вала имеют увеличенную высоту, прочность на изгиб и запас на износ.

Кроме того, размещение зубчатой части промежуточного вала внутри тонкостенного ротора позволяет улучшить условия передачи центробежной силы от массы прецессионно-движущегося промежуточного вала и радиальной составляющей гидравлической силы, передаваемой от ротора на промежуточный вал, вследствии того, что эти силы передаются через стенку ротора непосредственно на обкладку статора, которая выполняет функцию радиальной опоры для ротора.

Выполнение поверхностей, описанных относительно вершин выступов и впадин винтовых зубьев промежуточного вала, бочкообразными позволяет обеспечить необходимый угол искривления двигателя за счет придания угловой подвижности промежуточному валу относительно ротора и устранения кромочного контакта наружных зубьев промежуточного вала с внутренними зубьями ротора.

Размещение в верхней части ротора заглушки, а в нижней части ротора манжеты из упругоэластичного материала позволяет уплотнить полость, в которой размещены винтовые зубья ротора и промежуточного вала, а заполнение этой полости смазкой повышает долговечность устройства для соединения ротора с валом опорного узла и двигателя в целом.

На фиг. 1 показан общий вид винтового забойного двигателя в продольном разрезе;

на фиг. 2 приведен в увеличенном масштабе узел ротора и статора с размещением внутри ротора промежуточного вала;

на фиг.3 показано сечение по А-А в месте размещения промежуточного вала в роторе;

на фиг. 4 показана часть промежуточного вала с наружными винтовыми зубьями в увеличенном масштабе.

Винтовой забойный двигатель (фиг.1-3) содержит статор 1 с внутренними винтовыми зубьями 2, выполненными из упругоэластичного материала, например из резины. Внутри статора 1 размещен полый тонкостенный ротор 3 со стенкой постоянной толщины, имеющий наружные винтовые зубья 4 и внутренние винтовые зубья 5. Число зубьев Z₁ ротора 3 на единицу меньше числа зубьев Z₂ статора 1, а ось O₁O₁ ротора 3 смещена относительно оси О₂O₂ статора 1 на величину эксцентриситета Е, равную половине высоты Н зубьев.

Двигатель содержит опорный узел 6, включающий корпус 7, вал 8, осевые опоры 9 и радиальные опоры 10, и устройство 11 для соединения ротора 3 с валом 8 опорного узла 6, включающее промежуточный вал 12, который в верхней части имеет наружные винтовые зубья 13 для взаимодействия с внутренними винтовыми зубьями 5 ротора 3. Нижний конец промежуточного вала 12 соединен с валом 8, например, посредством шарнирной муфты 14.

Между статором 1 и корпусом 7 опорного узла 6 установлен переводник 15, который может быть выполнен прямым или искривленным (если винтовой забойный двигатель используется при наклонно направленном бурении в качестве отклонителя).

Наружные винтовые зубья 13 промежуточного вала 12 (фиг.4) выполнены бочкообразными, то есть поверхности вращения, описанные относительно вершин выступов 16 и впадин 17 этих зубьев, имеют бочкообразную форму.

В верхней части ротора 3 установлена заглушка 18 (фиг.2), зафиксированная в роторе 3, например, посредством сварки, а в нижней части ротора 3 размещена манжета 19 из упругоэластичного материала, например резины. Один конец манжеты 19 закреплен внутри ротора 3 между диском 20 и шайбой 21 посредством пружинного кольца 22. Второй конец манжеты 19 зафиксирован на наружной поверхности промежуточного вала 12 хомутом 23. Между заглушкой 18 и верхним торцем промежуточного вала 12 размещена проставка 24 и пята 25. Внутренняя полость 26 ротора 3 заполнена смазкой.

В верхней части статора 1 установлен переводник 27 с резьбой 28 для присоединения двигателя к колонне бурильных труб (колонна бурильных труб на фиг. не показана). Нижний конец вала 8 имеет резьбу 29 для присоединения породоразрушающего инструмента (на фиг. не показан).

Винтовой забойный двигатель работает следующим образом. При подаче жидкости с поверхности по колонне бурильных труб ротор 3 вращается внутри статора 1, обкатываясь своими наружными винтовыми зубьями 4 по внутренним винтовым зубьям 2 статора 1, и совершает планетарное движение, при этом ось ₁O₁ ротора 3 вращается вокруг оси О₂О₂ статора 1 против часовой стрелки, а сам ротор 3 поворачивается по часовой стрелке с пониженной в Z₁ раз угловой скоростью. Вращение ротора 3 передается на вал 8 опорного узла 6 через промежуточный вал 12 устройства 11 за счет взаимодействия внутренних винтовых зубьев 5 ротора 3 с наружными винтовыми зубьями 13 промежуточного вала 12, который совершает угловое прецессионное движение. Возможность угловых перемещений промежуточного вала 12 внутри ротора 3 обеспечивается бочкообразной формой наружных винтовых зубьев 13. Гидравлическая осевая нагрузка, действующая на ротор 3, передается через заглушку 18, проставку 24 и пяту 25 на верхний торец промежуточного вала 12 и далее через шарнирную муфту 14 - на вал 8 опорного узла 6.

При работе двигателя на нижнюю часть ротора 3 действуют центробежная сила от прецессионно движущегося промежуточного вала 12 и радиальная составляющая суммарной осевой нагрузки, возникающая за счет перекоса промежуточного вала 12. Поскольку наружные винтовые зубья 13 промежуточного вала 12 размещены в полости 26 ротора 3, то передача этих сил происходит через стенку ротора 3, опорой для которого служат внутренние зубья 2 статора 1, а сам ротор 3 разгружен от изгибных нагрузок.

Поскольку внутренняя полость 26 ротора 3 заполнена смазкой, то работа зубьев 13 промежуточного вала 12 при проскальзывании их по внутренним зубьям 5 ротора 3 осуществляются в благоприятных условиях, с хорошим отведением тепла, при большом объеме масляной ванны.