Гидравлический забойный двигатель
Изобретение относится к области буровой техники и может быть использовано при бурении скважин, предназначенных для разведки и добычи полезных ископаемых. Гидравлический забойный двигатель содержит масляный компенсатор, статорное и роторное устройства, внутри корпуса статорного устройства которого выполнены цилиндрические полости, в которых размещены профилированные рабочие диски роторного устройства овальной формы и поворотные лопасти, контактирующие с профилированными поверхностями рабочих дисков роторного устройства и образующие вместе с ними внутри полостей статорного устройства рабочие камеры переменного объема, снабженные впускными и выпускными окнами, рабочие диски роторного устройства в соседних полостях попарно развернуты на 90° относительно друг друга, поворотные лопасти установлены с возможностью перекрытия впускных окон рабочих камер, впускные окна соединены с напорными, а выпускные - со сливными каналами. Поворотные лопасти выполнены свободновращающимися. Двигатель снабжен центральным валом, установленным в радиально-осевых опорах, на который насажены рабочие диски роторного устройства и на котором закреплен масляный компенсатор. Позволяет существенно упростить конструкцию двигателя, уменьшить его длину и номенклатуру деталей, требующихся для его изготовления. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области буровой техники и может быть использовано при бурении скважин, предназначенных для разведки и добычи полезных ископаемых.
В современной буровой технике известны гидравлические забойные двигатели нескольких типов, отличающихся конструктивным исполнением основных частей, к которым относятся статор и ротор. Наиболее известными среди них являются турбобуры и винтовые двигатели. В современных турбобурах статор и ротор установлены соосно друг другу и выполнены в виде безредукторных многоступенчатых осевых турбин. В винтовых двигателях статор и ротор представляют собой как бы винтовую пару с внутренним зацеплением и винтовыми зубьями, в которой число зубьев статора на один больше числа зубьев ротора, а ротор установлен эксцентрично относительно оси статора. Для соединения ротора с валом шпинделя или долота, соосных статору, служит двухшарнирная шаровая муфта, компенсирующая эксцентриситет. Кроме упомянутых типов известны турбовинтовые двигатели, представляющие собой сочетание низкооборотного винтового механизма с быстроходной турбиной, а также двигатели, в которых для создания крутящего момента при протекании через них рабочей жидкости в статоре и роторе выполняются разного рода полости и вырезы, винтовые каналы и лопасти, фигурные выступы и прочие элементы, образующие рабочие камеры переменного объема, которые при этом могут снабжаться впускными и выпускными клапанами или золотниковыми устройствами (см., например, книгу Ильского А.Л. и Шмидта А.П. Буровые машины и механизмы. М.: Недра, 1989 г., патенты РФ №2166054, 2181851, 2200814, 2200815, 2203380, 2283936 по кл. E21B 4/02).
Наиболее существенными недостатками известных турбобуров являются неудовлетворительное по современным требованиям соотношение крутящего момента и частоты вращения вала ротора, высокий перепад давления, требующийся для обеспечения их работы, большая длина. Винтовые двигатели имеют лучшее соотношение крутящего момента и частоты вращения вала ротора и меньшую длину, чем турбобуры, однако для обеспечения их запуска и создания необходимой мощности требуются высокий перепад давления и большой расход рабочей жидкости. К их существенным недостаткам следует отнести также наличие поперечных вибраций, создаваемых эксцентрично вращающимся ротором и приводящих к быстрому износу радиальных опор. Наиболее существенными недостатками остальных известных двигателей являются, как правило, сложность конструкции, малый крутящий момент, неравномерность изменения объемов рабочих камер, приводящая к пульсирующему характеру подачи рабочей жидкости в двигатель, особенно в конструкциях, оснащаемых впускными и выпускными клапанами или золотниковыми устройствами.
Наиболее близким по технической сущности является гидравлический забойный двигатель, содержащий масляный компенсатор, статорное и роторное устройства, внутри корпуса статорного устройства которого выполнены цилиндрические полости, в которых размещены профилированные рабочие диски роторного устройства овальной формы и поворотные лопасти, контактирующие с профилированными поверхностями рабочих дисков роторного устройства и образующие вместе с ними внутри полостей статорного устройства рабочие камеры переменного объема, снабженные впускными и выпускными окнами, рабочие диски роторного устройства в соседних полостях попарно развернуты на 90° относительно друг друга, поворотные лопасти установлены с возможностью перекрытия впускных окон рабочих камер, впускные окна соединены с напорными, а выпускные - со сливными каналами. Двигатель состоит из статорных и роторных секций, образующих статорные ступени, объединяемые в единую конструкцию с помощью соединительных втулок и муфт, а поворотные лопасти снабжены средствами их принудительного поворота, выполненными в виде каналов в их шарнирах: продольного, расположенного эксцентрично относительно наружной поверхности оси шарнира, и поперечных, оси которых не пересекаются с осью вращения лопасти. Продольный канал при этом сообщается с масляным компенсатором и зазором шарнира через поперечные каналы (см. авторское свидетельство СССР SU №1313997 по кл. E21B 4/00, 1987 г.).
Указанный двигатель позволяет создать необходимую величину крутящего момента при относительно небольшом количестве ступеней, что существенно уменьшает его длину, обеспечить оптимальное соотношение между крутящим моментом и частотой вращения ротора и равномерное изменение суммарных объемов рабочих камер в соседних полостях статорного устройства за счет разворота в них рабочих дисков роторного устройства на 90°, однако его разделение на отдельные ступени и снабжение поворотных лопастей средствами их принудительного поворота существенно усложняет его конструкцию, увеличивает номенклатуру деталей, необходимых для изготовления двигателя и требующих их высокоточной стыковки между собой.
Задачами настоящего изобретения является упрощение конструкции двигателя и уменьшение номенклатуры деталей, требующихся для его изготовления.
Для решения поставленных задач в гидравлическом забойном двигателе, содержащем масляный компенсатор, статорное и роторное устройства, внутри корпуса статорного устройства которого выполнены цилиндрические полости, в которых размещены профилированные рабочие диски роторного устройства овальной формы и поворотные лопасти, контактирующие с профилированными поверхностями рабочих дисков роторного устройства и образующие вместе с ними внутри полостей статорного устройства рабочие камеры переменного объема, снабженные впускными и выпускными окнами, рабочие диски роторного устройства в соседних полостях попарно развернуты на 90° относительно друг друга, поворотные лопасти установлены с возможностью перекрытия впускных окон рабочих камер, впускные окна соединены с напорными, а выпускные - со сливными каналами, поворотные лопасти выполнены свободновращающимися, а двигатель снабжен центральным валом, установленным в радиальноосевых опорах, на который насажены рабочие диски роторного устройства и на котором закреплен масляный компенсатор.
Двигатель может быть оснащен гидровибратором и устройством для подачи в него рабочей жидкости, при этом гидровибратор может состоять из подвижного подпружиненного поршня, размещенного в цилиндрической полости внутри центрального вала двигателя, перепускных каналов и перепускного устройства, выполненного в виде цилиндрического стакана с окнами в боковых стенках, жестко скрепленного с корпусом статорного устройства, устройство для подачи в него рабочей жидкости может быть выполнено в виде продольного канала в центральном валу двигателя, рабочие диски роторного устройства могут быть насажены на центральный вал по подвижной посадке, а его радиальные опоры снабжены амортизирующими прокладками.
Кроме того, в местах слива рабочей жидкости из двигателя во внешнюю среду могут быть размещены запорные устройства, выполненные в виде подвижных подпружиненных поршней, установленных с возможностью перекрытия сливных окон.
Выполнение поворотных лопастей свободновращающимися и снабжение двигателя центральным валом, установленным в радиальноосевых опорах, на который насажены рабочие диски роторного устройства и на котором закреплен масляный компенсатор, позволяет существенно упростить конструкцию двигателя, уменьшить номенклатуру деталей, требующихся для его изготовления, снизить требования к точности их изготовления.
Оснащение двигателя гидровибратором позволяет повысить эффективность бурения за счет более интенсивного разрушения породы, а размещение в местах слива рабочей жидкости во внешнюю среду запорных устройств - исключить попадание во внутренние полости двигателя при остановках его работы забортной жидкости, содержащей большое количество твердых абразивных частиц, вызывающих интенсивное разрушение деталей двигателя, и повысить за счет этого долговечность его работы.
Устройство предлагаемого двигателя показано на фиг.1-3.
Гидравлический забойный двигатель содержит масляный компенсатор 1, статорное и роторное устройства.
Внутри корпуса статорного устройства выполнены цилиндрические полости 2, в которых размещены профилированные рабочие диски 3 роторного устройства овальной формы и поворотные лопасти 4, контактирующие с профилированными поверхностями рабочих дисков 3 роторного устройства и образующие вместе с ними внутри полостей 2 статорного устройства рабочие камеры переменного объема 5 и 6, снабженные впускными 7 и выпускными 8 окнами.
Рабочие диски 3 роторного устройства насажены на центральный вал 9 по подвижной посадке, в соседних полостях попарно развернуты на 90° относительно друг друга, а их большие диаметры равны внутренним диаметрам внутренних цилиндрических полостей 2 статорного устройства.
Поворотные лопасти 4 выполнены свободновращающимися и установлены с возможностью перекрытия впускных окон 7 рабочих камер 5.
Впускные окна 7 соединены с напорными каналами 10, а выпускные окна 8 - со сливными каналами 11.
Центральный вал 9 двигателя установлен в радиальноосевых опорах 12, 13 с амортизирующими прокладками 14, 15.
Двигатель оснащен гидровибратором и устройством для подачи в него рабочей жидкости.
Гидровибратор состоит из подвижного подпружиненного поршня 16, размещенного в цилиндрической полости внутри центрального вала 9 двигателя, перепускных каналов 17, 18 и перепускного устройства, выполненного в виде цилиндрического стакана 19 с окнами 20 в боковых стенках, жестко скрепленного с корпусом статорного устройства, а устройство для подачи в него рабочей жидкости выполнено в виде продольного канала 21 в центральном валу 9 двигателя.
В местах слива рабочей жидкости из двигателя во внешнюю среду размещены запорные устройства, выполненные в виде подвижных подпружиненных поршней 22, установленных с возможностью перекрытия сливных окон 23.
Масляный компенсатор 1 закреплен на центральном валу 9 двигателя, на внешней поверхности которого выполнены продольные канавки 24, соединенные с внутренней полостью масляного компенсатора 1.
Сверху двигатель крепится к бурильной колонне, а снизу - к шпинделю либо непосредственно к бурильному инструменту.
Двигатель работает следующим образом.
В исходном положении поршень 16 гидровибратора перекрывает перепускные каналы 18, а поршни 22 запорных устройств - сливные окна 23, препятствуя попаданию жидкости из внешней среды во внутренние полости двигателя.
При подаче рабочей жидкости в двигатель через бурильную колонну и далее через напорные каналы 10 и впускные окна 7 лопасти 4 под действием ее напора поворачиваются до соприкосновения с профилированными поверхностями рабочих дисков 3 роторного устройства и образуют во внутренних полостях 2 статорного устройства изолированные рабочие камеры 5 и 6. При дальнейшей подаче рабочей жидкости между камерами 5 и 6 возникает перепад давления, под действием которого рабочие диски 3 роторного устройства поворачиваются вокруг своих осей, приводя во вращение центральный вал 9 двигателя. При его вращении рабочая жидкость из рабочих камер 6 вытесняется и через выпускные окна 8 и сливные каналы 11 поступает к подпружиненным поршням 22 запорных устройств. Под действием ее напора поршни 22 перемещаются и открывают сливные окна 23, через которые рабочая жидкость вытекает во внешнюю среду. При дальнейшей непрерывной подаче рабочей жидкости через бурильную колонну осуществляется непрерывное вращение центрального вала 9 двигателя.
Одновременно часть рабочей жидкости через продольный канал 21 в центральном валу 9 двигателя поступает к подпружиненному поршню 16 гидровибратора, под действием напора которой он перемещается, открывая перепускные каналы 18 и вытесняя жидкость из подпоршневого пространства во внешнюю среду через перепускные каналы 17. В дальнейшем движение поршня 16 будет определяться угловым положением перепускных каналов 18 относительно окон 20 цилиндрического стакана 19. Когда при вращении центрального вала 9 каналы 18 будут перекрыты боковыми стенками цилиндрического стакана 19, поршень 16 под действием давления поступающей по продольному каналу 21 рабочей жидкости будет перемещаться вниз, а когда они окажутся против окон 20, то рабочая жидкость из пространства над поршнем 16 будет вытекать во внешнюю среду, давление в нем уменьшится и поршень 16 под действием пружины будет перемещаться вверх, совершая в итоге продольные колебания относительно некоторого положения равновесия, которые передаются центральному валу 9 и через него забойному инструменту. Амортизирующие прокладки 14, 15 при этом препятствуют передаче колебаний элементам корпуса статора и, соответственно, бурильной колонне.
Давление рабочей жидкости, поступающей из бурильной колонны, действует на масляный компенсатор 1, в результате чего масло из него через продольные канавки 24 подается к радиальноосевым опорам 12, 13 и одновременно заполняет неплотности между центральным валом 9, поперечными стенками статорного устройства и рабочими дисками 3 роторного устройства. При вращении центрального вала 9 масло смазывает радиальноосевые опоры 12, 13 и под действием центробежных сил распространяется в виде тонкой пленки между трущимися торцевыми поверхностями рабочих дисков 3 роторного устройства и боковыми стенками цилиндрических полостей статорного устройства, осуществляя их смазку.
При прекращении подачи рабочей жидкости в бурильную колонну давление в ней и во внешней среде выравнивается, двигатель останавливается, поршень 16 гидровибратора и поршни 22 запорных устройств под действием пружин перемещаются, перекрывая соответственно перепускные каналы 18 и сливные окна 23, и препятствуют попаданию забортной жидкости во внутренние полости двигателя.
Использование предлагаемого двигателя по сравнению с известными позволяет обеспечить:
возможность запуска двигателя при любом положении ротора путем подачи в него рабочей жидкости под самым малым давлением;
возможность создания крутящего момента двигателя необходимой величины при относительно небольшом перепаде давления рабочей жидкости;
возможность создания практически любого соотношения между крутящим моментом и частотой вращения вала ротора;
существенное уменьшение длины двигателя, упрощение его конструкции и технологии изготовления;
равномерное протекание рабочей жидкости через двигатель;
снижение требований к точности изготовления деталей двигателя;
повышение эффективности бурения и увеличение долговечности работы двигателя.
1. Гидравлический забойный двигатель, содержащий масляный компенсатор, статорное и роторное устройства, внутри корпуса статорного устройства которого выполнены цилиндрические полости, в которых размещены профилированные рабочие диски роторного устройства овальной формы и поворотные лопасти, контактирующие с профилированными поверхностями рабочих дисков роторного устройства и образующие вместе с ними внутри полостей статорного устройства рабочие камеры переменного объема, снабженные впускными и выпускными окнами, рабочие диски роторного устройства в соседних полостях попарно развернуты на 90° относительно друг друга, поворотные лопасти установлены с возможностью перекрытия впускных окон рабочих камер, впускные окна соединены с напорными, а выпускные - со сливными каналами, отличающийся тем, что поворотные лопасти в нем выполнены свободновращающимися, а двигатель снабжен центральным валом, установленным в радиально-осевых опорах, на который насажены рабочие диски роторного устройства и на котором закреплен масляный компенсатор.
2. Гидравлический забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что он оснащен гидровибратором и устройством для подачи в него рабочей жидкости, гидровибратор состоит из подвижного подпружиненного поршня, размещенного в цилиндрической полости внутри центрального вала двигателя, перепускных каналов и перепускного устройства, выполненного в виде цилиндрического стакана с окнами в боковых стенках, жестко скрепленного с корпусом статорного устройства, устройство для подачи в него рабочей жидкости выполнено в виде продольного канала в центральном валу двигателя, рабочие диски роторного устройства насажены на центральный вал по подвижной посадке, а его радиальные опоры снабжены амортизирующими прокладками.
3. Гидравлический забойный двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в местах слива рабочей жидкости из двигателя во внешнюю среду размещены запорные устройства, выполненные в виде подвижных подпружиненных поршней, установленных с возможностью перекрытия сливных окон.
