Забойный винтовой двигатель /его варианты/

 

1. Забойный винтовой двигатель, включающий двигательную секцию, содержащую рабочие органы, статор и полый ротор, в осевом канале которого установлен насадок, шпиндельную секцию , содержащую вал с осевой и радиальными опорами, отличающийс я тем, что, с целью повышения нагрузочной способности двигателя за счет расширения зоны его устойчивой работы, внутренняя полость насадка вьшолнена из последовательно расположенных в осевом направлении прием- . ной и отдающей камер, поверхности которых сопряжены по линии излома, при этом площадь сечения приемной камеры на выходе меньше площади ее сечения на входе, а поверхность ее образована вращением кривой, выпуклой относительно оси насадка. 2. Забойный винтовой двигатель, включающий двигательную секцию, содер - дащую рабочие органы, статор и полый ротор, в осевом каналье которого установлен насадок, шпиндельную секцию. содержащую вал с осевой и радиальными опорами, отличающийся тем, что, с целью повьшения нагрузочной способности двигателя за счет расширения зоны его устойчивой работы , насадок выполнен из двух элементов , один из которых выполнен в виде втулки, а другой - в виде расположенного внутри нее стержня, и образую- 1щх последовательно расположенные в осевом направлении приемную и отдающую камеры, омываемые жидкостью поверхности которых на одном из элементов сопряжены по линии излома, при этом площадь сечения приемной камеры на выходе меньше площади ее сечения на входе, а поверхность указанного .элемента, формирующего ее, образована вращением кривой, выпуклой относительно цилиндрической поверхности, радиус которой равен расстоянию от оси насадка до линии излома. 3. Забойный винтовой двигатель, включающий двигательную секцию, содержащую рабочие органы, статор и полый ротор, в осевом канале которого установлен насадок, шпиндельную секцию , содержащую вал с осевой и радиальными опорами, отличающийся тем, что, с целью повышения нагрузочной способности двигателя за счет расширения зоны его устойчивой работы, насадок выполнен в виде двух элементов, один из которых выполнен в виде втулки, а другой - в виде расположенного вйутри нее стержня , образующих последовательно расположенные в осевом направлении приемную и от.дающую камеры, омываемые жидкостью поверхности которых на обоих § (Л 1 00 2 СО

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (д ) 4 Е 21 В 4/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ,:

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО.ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

М А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3568857/22-03 (22) 25.03.83 (46) 15. 10.88. Бюл. Ф 38 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт буровой техники (72) Д.Ф.Балденко, Л.А.Кондратенко и В.И.Семенец (53) 622.243.92 (088.8) (56) 1. Гусман М.Т. и др. Забойные винтовые двигатели для бурения скважин. М.: Недра, 1981, с. 18, рис. 5.

2. Авторское свидетельство СССР

Ф 436595, кл. Е 21 В 4/00) 1972. (54) ЗАБОЙНЫЙ ВИНТОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ (ЕГО ВАРИАНТЫ) (57) 1. Забойный винтовой двигатель, включающий днигательную секцию, содержащую рабочие органы, статор и полый ротор, в осевом канале которого установлен насадок, шпиндельную секцию, содержащую вал с осевой и радиальными опорами, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения нагрузочной способности двигателя за счет расширения зоны его устойчивой работы, внутренняя полость насадка выполнена из последовательно расположенных в осевом направлении приемной и отдающей камер, поверхности которых сопряжены по линии излома, при этом площадь сечения приемной камеры на выходе меньше площади ее сечения на входе, а поверхность ее образована вращением кривой, выпуклой относительно оси насадка.

2. Забойный винтовой двигатель, включающий двигательную секцию, содер дащую рабочие органы, статор и полый ротор, в осеном канале которого установлен насадок, шпиндельную секцию, „„SU„„1430491 А 1 содержащую вал с осеной и радиальными опорами, отличающийся тем, что, с целью повышения нагруэочной способности двигателя эа счет расширения зоны его устойчивой работы, насадок выполнен из двух элементов, один из которых выполнен в виде втулки, а другой — в виде расположенного внутри нее стержня, и образующих последовательно расположенные в осевом направлении приемную и отдающую камеры, омываемые жидкостью поверхности которых на одном из элеменТоВ сопряжены по линии излома, при этом площадь сечения приемной камеры на выходе меньше площади ее сечения на входе, а поверхность указанного элемента, формирующего ее, образована вращением кривой, выпуклой относительно цилиндрической поверхности, радиус которой равен расстоянию от оси насадка до линии излома.

3. Забойный винтовой двигатель, >ы включающий двигательную секцию, со- ф держащую рабочие органы, статор и по- р лый ротор, в осевом канале которого установлен насадок, шпиндельную секцию, содержащую вал с осевой и pa- © диальными опорами, о т л и ч а ю—

laasL щ и и с я тем, что, с целью повышения нагрузочной способности двига1 теля за счет расширения зоны его устойчивой работы„насадок выполнен в виде двух элементов, один из которых выполнен в виде втулки, а другой — в виде расположенного виутри нее стерж ня, образующих последовательно расположенные в осевом направлении приемную и отдающую камеры, омынаемые жидкостью поверхности которых на обоих

М30 1 элементах насадка сопряжены по линии излома, при этом площадь сечения при— емной камеры на выходе меньше площади ее сечения на входе, а поверхности укаэанных элементов, формирующие ее

Изобретение относится к забойным объемным гидродвигателям и может быть использовано для бурения нефтяных и газовых скважи",.

Известны забойные винтовые двига- 5 тели, спроектированные на базе винтовых героторных механизмов, В этих винтовых двигателях весь расход промывочной жидкости проходит через рабочие органы, образованные стато10 ром и вращающимся внутри него ротором (1) .

Однако в ряде случаев подобное конструктивное исполнение двигателя

15 является недостатком, поскольку воз,никает несоответствие между технологически необходимым расходом жидкости для породоразрушающего инструмента и пропускной способностью рабочих

20 органов. В этом случае появляются повышенные гидравлические сопротивления в рабочих органах, а двигатель работает на увеличенных частотах вра щения.

Известен также винтовой забойный двигатель, включающий двигательную секцию, содержащую рабочие органы, статор и полый ротор, в осевом канале которого установлен насадок, шпиндельную секцию, содержащую вал

30 с осевой и радиальными опорами (2) .

В этой гидромащине в процессе бурения по мере загрузки долота возрастает срабатываемый «а рабочих органах перепад давления g Р, одно- 35 временно действующий и на насадок.

При этом пропорционально, hP увеличивается количество жидкости, перете-. кающее через насадок, и соответственно уменьшается количество жидкости, протекающее через рабочие органы.

Это в свою очередь приводит к "смя" гчению" энергетической характеристики двигателя, т.е. к более интенсивному снижению частоты вращения выходного .вала по мере нарастания перепада давобразованы вращением кривых, каждая из которых выпукла относительно цилиндрической поверхности, радиус ко" торой равен расстоянию от оси насадка до любой из линий излома. пения и к снижению его нагрузочной способности.

Целью изобретения является повышение нагрузочной способности дзигателя за счет расширения зоны его устойчивой работы.

Указанная цель достигается тем, что в забойном винтовом двигателе, включающем двигательную секцию, содержащую рабочие органы, статор и полый ротор, в осевом канале кото" рого установлен насадок, шпиндельную секцию, содержащую вал с осевой и радиальными опорами, внутренняя полость насадка выполнена из последовательно расположенных в осевом направлении приемной и отдающей камер, поверхности которых сопряжены по линии излома, при этом площадь сечения приемной камеры на выходе меньше площади ее сечения на входе, а поверхность ее образована вращением кривой, выпуклой относительно оси насадка.

Возможно и другое конструктивное исполнение, с помощью которого достигается указанная цель.

По данному варианту насадок выполнен в виде двух элементов, один из которых выполнен в виде втулки, а другой — в виде расположенного внутри нее стержня, и образующих последовательно расположенные в осевом направлении приемную и отдающую камеры, омываемые жидкостью поверхности которых на одном из элемеитов сопряжены по линии излома, при этом площадь сечения приемной камеры на выходе меньше площади ее сечения на входе, а поверхность указанного элемента, формирующего ее, образована вращением кривой, выпуклой относительно цилиндрической поверхности, радиус которой равен расстоянию от оси насадка до линии излома.

Забойный винтовой двигатель (фиг.1) 4р состоит из двигательной 1 и шпиндельной 2 секций. Двигательная секция включает статор 3, внутри которого размещен полый ротор 4. В центральном сквозном канале 5 ротора 4 уста- 45 новлен регулятор 6 потока. В нижней части ротор 4 соединен с карданным валом 7, который соединяется с выходным валом 8 шпиндельной секции 2.

Радиальные 9 и осевая 10 опоры, закрепленные на валу 8, размещены в корпусе 11 шпиндельной секции 2 между ниппелем 12 и соединительным переводником 13. В верхней части дви-, гателя для подсоединения его к колонне бурильных труб имеется проводник

14, к нижней части выходного вала 8 подсоединяется породообразующий инструмент (не показан).

3 14304

По третьему варианту насадок выполнен в виде двух элементов, один из которых выполнен в виде втулки, а другой — в виде расположенного

5 внутри нее стержня, образуюших последовательно расположенные в осевом направлении приемную и отдающую камеры, омываемые жидкостью поверхности которых на обоих элементах насадка сопряжены по линии излома, при этом площадь сечения приемной камеры на выходе меньше площади ее сечения на входе,.а поверхности указанных элементов, формирующие ее, образованы

1 вращением кривых, каждая из которых выпукла относительно цилиндрической поверхности, радиус которой равен расстоянию от оси насадка до любой из линий излома. 20

На фиг. 1 изображен забойный винтовой двигатель с одним из вариантов ,насадка, установленного в центральном отверстии ротора, продольный разрез; на фиг. 2 — насадок в увели- 25

I ченном масштабе, продольное сечение; на фиг. 3 и 4 — различные исполнения насадка по второму конструктивному варианту; на фиг. 5 — насадок по третьему конструктивному варианту; на фиг. 6 — схема потоков жидкости; проходящих через насадок регулятора потока; на фиг. 7 и 8 — экспериментальные характеристики соответственно винтового двигателя, взятого за прототип, и винтового двигателя с использованием одного из вариантов насадка по данному изобретению.

91 4

Регулятор 6 потока (фиг. 2) представляет собой съемный корпус 15, внутри которого установлен насадок

16. Между корпусом 15 и ротором 4, а также между насадком 16 и корпусом

15 размещены уплотнительные кольца

17 и 18.

Внутренняя полость насадка 16 выполнена из двух последовательно расположенных в осевом направлении камер: приемной А и отдающей Б. Поверхность 19 приемной камеры А образована вращением вокруг оси 0-0 кривой, выпуклой относительно этой оси. Причем диаметр D входного сечения камеры А больше диаметра d выходного сечения этой камеры, т,е. площадь сечения приемной камеры А на входе

i в нее больше площади сечения на выходе из этой камеры;

Поверхность 20 отдающей камеры

Б выполняется произвольной формы.

Однако целесообразно придать форму этой камере такую, которая дает наибольшее сопротивление "потоку, протекающему через насадок 16. При этом поверхность 20 камеры Б образована так же, как и поверхность 19 камеры

А, вращением вокруг оси 0-0 кривой, но уже как отмечалось, произвольной

7 формы.

В продольном сечении насадка обе укаэанные кривые, образующие камеры

А и Б, пересекаются в точке, эквивалентной точке излома. В пространстве эти точки образуют линию 21 пересечения, эквивалентную линии излома.

Насадок, устанавливаемый в корпусе 15 регулятора 6 потока, может выполняться из двух элементов (фиг ° 3).

В данном конструктивном исполнении насадок 22 состоит из втулки 23 и цилиндрического стержня 24, соединенных между собой перемычкаьы 25. Так же, как и в предыдущей конструкции, в насадке имеются две последовательно расположенные в осевом. направлении камеры, поверхности которых омываются жидкостью: камера В и камера Е.

Для достижения эффекта поверхность

26 камеры В, выполняемая. на одном из элементов насадка 22 (в данном случае, на втулке 23), образована вращением вокруг оси 0-0 кривой, выпуклой относительно образующей цилиндра с радиусом R,ãäå R — минимальное расстояние от оси 0-0 насадка 22 до линии 27, эквивалентной линии HBJIoMR>

1430491 которую образуют при пересечении между собой поверхность 26 камеры В и поверхность 28 камеры Е. В данном случае, как и ранее, поверхность 28 камеры Е образована вращением вокруг оси 0-0 кривой произвольной формы.

На фиг. 4 изображен насадок 29, содержащий втулку 30 и стержекь 31 и имеющий дне соответствующие камеры Ж и И. Однако в этой конструкции насадка омываемая жидкостью поверхность 32 нтулки 30 выполнена цилиндрической, а поверхность 33 стержня

31 в камере Ж образована вращением нокруг оси 0-0 кривой,. выпуклой относительно образующей цилиндра с радиусом R, где R — минимальное расстояние от оси 0-0 насадка 29 до линии

34, эквивалентной линии излома, ко- 20 торую образовывают при пересечении между собой поверхности 33 стержня

31 (в камере Ж) и поверхность 35 стержня 31 (в камере И}.

Насадок 36, изображенный на 25 фиг. 5, так же как и конструкции двух предьдущих, имеет дна элемента: втулку 37 и стержень 38. В насадке

36 также имеются дне последователько расположенные в осевом направлении камеры: приемная К и отдающая Л, поверхности которых омываются . жидкостью. Соответствующие поверхности

39 и 40 втулки 37 и стержня 38, расположенные н камере К, образовываются вращением вокруг оси 0-0 соотнет35 ствующих кривых, каждая из которых выпукла по отношению к образующей ,1 цилиндра радиуса R, где " R — минимальное расстояние от оси 0-0 насад4р ка 36 до соответствующей линии, эквивалентной линии излома. При этом линии 41 и 42, эквивалентные линиям излома, образованы пересечением поверхностей 39и 40 (в камере К) соответственно с поверхностями 43 и 44

45 (в камере Л) . Сами же поверхности

43 и 44 выполняются вращением вокруг оси 0-0 кривых произвольной формы.

Все описанные конструктивные варианты насадок приводят к созданию потока сопротивления, препятствующего основному потоку, протекающему через выхоцное сечение приемных камер в .камеры отдающие. Суть этого эффекта может быть пояснека следую- 55 щим образом.

Насадок (фиг.6} выполнен так, что поток жидкости, попадая в приемную камеру А, движется как бы двумя потоками: основной, направленный вдоль оси 0-0 насадка, проходит из камеры

A через выходное ее сечение диаметром d, обраэовакное линией 21, эквивалентной линии излома; другая, периферийная часть потока, омывая поверхность 19, движется вдоль криной, образующей эту понерхкость. На линии 21 происходит отрыв этого периферийного потока и интенсивное перемешивание с основйым центральным потоком. В дальнейшем поименованный н данной конструкции насадка периферийный поток будем именовать потоком сопротивления.

Таким образом, интенсивное перемешивание основного потока и потока сопротивления Приводит к снижению энер гии потока, попадающего в камеру Б.

Чем выше перепад давлений на рабочих органах — статоре 3 и роторе 4, а соответственно и на насадке, тем сильнее происходит перемешивание потоков жидкости, тем меньшее количество жидкости поступает из камеры

А в камеру Б и тем, естественно, большее количество жидкбсти поступает в рабочие органы.

Аналогичный эффект достигается в конструкции насадка 36 (фиг.5), с той лишь разницей, что данная конструкция предопределяет создание двух потокон сопротивления, расположенных по обе стороны от основного, протекающего через выходное сечение камеры К, лежащее между двумя линиями

41 и 42, эквивалентными линиям. излома, Этот же эффект наблюдается и в насадках 22 и 29, изображенных на фиг. 3 и 4. В данных конструкциях насадков эффект воздействия потока сопротивления на основной поток усиливается тем, что он, ударяясь о цилиндрические поверхности стержня

24 или втулки 30, "вторично", но уже с меньшей энергией, участвует в перемешивании с основным IIQToKoM, Забойный винтовой двигатель работает следующим образом.

При включении наземных буровых насосов промывочная жидкость по колонне бурильных труб подается к рабочии органам двигательной секции 1. Непосредственно перед рабочими органами поток разделяется: основная часть его идет меж7 14 3О4 ду статором 3 и ротором 4, приводя последний н движение; другая (меньшая) часть потока идет через регуля— тор 6 потока. После прохождения ра—

5 бочих органов обе части вновь соединяются в единый поток, который по внутреннему отверстию вала 8 шпиндельной секции 2 попадает на забой.

Крутящий момент, создаваемый в двигательной секции 1, с ротора через карданный вал 7 передается на вал 8 и далее на породоразрушающий инструмент (долото).

Взаимодействием долота с разруша-15 емой породой обуславливается величина момента сопротивления, преодолеваемая двигателем, В процессе работы двигателя крутящий момент двигателя, равно как,и момент сопротивления, ме- 20 няется.

Известно, что в двигателях подобного типа крутящий момент пропорционален перепаду давлений на рабочих ор- 25

:ганах (в рабочей зоне характеристики) при постоянном расходе. В двигателе— прототипе по мере загрузки внешним моментом сопротивления, пропорционально 1Р, уменьшается количество жид-Зо ности, проходящее через рабочие органы. Тем самым довольно значительно смягчается характеристика двигателя, резко снижается частота вращения выходного вала, падает и нагрузочная .характеристика двигателя.

В предлагаемом двигателе при наличии двух параллельных потоков, один из которых имеет свой дополнительный поток сопротивления, энергия последнего возрастает с увеличением перепада давлений, т.е. по мере загрузки двигателя внешним моментом зависимость количества жидкости, проходящего че45 рез рабочие органы, а также через насадок, от режима загрузки двигате- . ля носит более сложный характер.

Однако можно показать, что использование в регуляторе потока описанных насадков в большой степени делает энергетическую характеристику двигателя более жесткой, что естественно приводит к увеличению его нагруэочной способности; падение частоты вращения незначительное.

На фиг. 7 и 8 представлены энергетическиее характ еристики с оответственно винтового двигателя-прототипа. и предлагаемого винтового двигателя.

Анализ приведенных характеристик показывает, что зона устойчивой работы двигателя (A) на фиг. 8 на 18% превышает зону устойчивой работы двигателя (Б) на фиг. 7 по величине крутящего момента. Для-этой же точки падение оборотов на двигателе-прототипе составляет 57%, а на двигателе с регулятором потока — 50%. Если рассмат-. ривать падение оборотов на двигателях при приложении одинаковых по величине внешних моментов сопротивления, то эта разница станет еще более очевидной и существенной. Это происходит потому, что двигатель снабженный регулятором потока, при повышении давления на рабочих органах получает каждый раз увеличенное (по сравнению с двигателем-прототипом) количество жидкости, благодаря чему возрастает не только жесткость" характй истики, но и его нагрузочная способность.

Указанные преимущества двигателя приведут к эффективной отработке долот за счет более стабильной частоты вращения выходного вала двигателя, а также к некоторому повышению механической скорости бурения за счет большей частоты вращения выходного вала и лучшей нагруэочной характеристики двигателя.

71

14304 91

17

143049I

Р,5 70 М

Относитепьний крутящий монет

ФоГ 7

1430491

Редактор М.Бандура

Заказ 53/9/28

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

1 В

РУ 7Р 7Р

Отиоси е ьюш крут я щит момент

Фиг 8

Составитель А.Сергачев

Техред А.Кравчук Корректор Г.Решетник

Тираж 531 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, И-35, Раушская наб., д. 4/5