Устройство и способ регулирования или ограничения орбиты ротора в винтовых двигателях или насосах

Группа изобретений относится к области бурения, а именно к гидравлическим приводам для вращательного бурения, размещаемым в скважине. Компоновка гидравлического забойного двигателя содержит винтовой двигатель, имеющий ближний конец и дальний конец и содержащий статор и ротор. Статор содержит металлический корпус, первый эластомерный материал, расположенный в металлическом корпусе, и первый жесткий материал, расположенный радиально и направленный внутрь от и по меньшей мере частично покрывающий первый эластомерный материал. Ротор содержит металлический сердечник, второй эластомерный материал, расположенный вокруг металлического сердечника, и второй жесткий материал, расположенный вокруг второго эластомерного материала. Первый жесткий материал статора контактирует со вторым жестким материалом ротора. Обеспечивается ограничение траектории перемещения геометрического центра ротора. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 21 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[1] Варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к устройству и способам регулирования или ограничения положения ротора относительно статора в винтовом двигателе или насосе. В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к устройству и способам регулирования или ограничения положения ротора относительно статора в гидравлическом забойном двигателе.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[2] Винтовые двигатели или насосы, также называемые объемными двигателями или насосами, а также двигателями или насосами объемного действия, работают с захватом текучей среды в полости. Полости образуются в пространствах между ротором и статором, и относительное вращение между данными компонентами является механизмом, который обуславливает продвижение полости и ее проход вдоль оси по длине устройства от впускного конца к выпускному концу. Если ротор приводят во вращение, текучая среда продавливается вдоль него в полостях, и устройство работает, как насос. Если текучая среда подается насосом во впускной конец полости под более высоким давлением, чем давление на выпускном конце, силы, генерируемые на роторе, обуславливают его вращение, и устройство работает, как двигатель.

[3] Для вращения ротора в статоре и генерирования полостей, которые должны продвигаться в аксиальном направлении, профили обоих компонентов должны иметь специфические формы. Обычно ротор (2) должен являться винтообразным валом с формой сечения, аналогичной показанной на фиг. 1. Число заходов на роторе (2) может варьироваться от одного до любого числа. Статор (4) имеет профиль, который соответствует форме ротора (2), с числом заходов, варьирующимся между двумя и любым числом, примеры которого показаны на фиг. 2. В соответствующей паре ротор-статор число заходов на статоре (4) должно быть на единицу больше числа заходов на роторе (2). Сечение типичной комбинации ротора (2) и статора (4) показано на фиг. 3, ротор (2) имеет три захода, и статор (4) имеет четыре захода, ротор (2) размещен в статоре (4).

[4] Одна из поверхностей, часто поверхность статора (4), является упруго деформирующейся так, что уплотнения (6) могут поддерживаться между точками контакта ротора (2) и статора (4). Уплотнения (6) образуют множество полостей (8) между ротором (2) и статором (4) и обеспечивают относительное вращение между ротором (2) и статором (4). Сечения ротора (2) и статора (4) в общем остаются неизменными по длине двигателя или насоса (10), но поворачиваются с продвижением вдоль оси по винтовому профилю. Продольное сечение части двигателя или насоса (10) показано на фиг. 4.

[5] Ротор (2) не обязательно должен иметь фиксированную длину. Выбранная длина часто определяется ступенями, где одна ступень имеет длину полного оборота захода статора (4). Полости (8) образуются между статором (4) и ротором (2).

[6] Из сечений на фиг. 3 и фиг. 4 понятно, что геометрический центр ротора (2) не остается неподвижным относительно статора (4) при вращении ротора (2). В общем, если ротор (2) имеет два или больше заходов, траектория центральной точки по существу проходит по окружности с вариациями, обусловленными точными характеристиками профилей поверхности и деформациями упругих материалов, применяемых для поддержания уплотнений (6) между полостями. Как в варианте двигателя, где ротор (2) создает приводной крутящий момент, так и в варианте насоса, где ротор (2) является ведомым, требуется компоновка (12) приводного вала для преобразования планетарного вращения во вращение вокруг фиксированной оси. Данная компоновка (12) приводного вала имеет подвижный узел (14) сочленения для осуществления работы данного механизма. В варианте двигателя наружный конец приводного вала (13) соединяется с ведомым компонентом, например, буровым долотом в варианте гидравлического забойного двигателя. Для насоса наружный конец приводного вала (13) соединяется вращающим приводным блоком, например, двигателем.

[7] Крутящий момент, генерируемый в роторе (2) в варианте, где устройство является двигателем, или требуемый для ротора (2) в варианте, где устройство является насосом, является сложной комбинацией сил давления, действующих в полостях (8), и реактивных сил между точками контакта между статором (4) и ротором (2). Его действием является вращение ротора (2) в варианте двигателя или сопротивление вращению в варианте насоса. В обоих случаях имеется также равнодействующая поперечная сила, вдавливающая ротор (2) в статор (4). Направление данной силы поворачивается с вращением ротора (2). Возникает также центробежная сила, генерируемая планетарным движением ротора. И в варианте двигателя, например в гидравлическом забойном двигателе, может существовать поперечная составляющая осевого давления, которую несет трансмиссия.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[8] Обнаружено, что результатом действия на ротор сил, вдавливающих ротор в статор, может являться деформация упругой поверхности статора и создание зазора с одной стороны устройства. Если такое происходит, то текучая среда может проходить вдоль устройства между полостями с текучей средой. Результатом является уменьшение производительности и максимального давления насоса и уменьшение скорости вращения, а также ограничение развиваемого крутящего момента в варианте двигателя.

[9] Варианты осуществления, раскрытые в данном документе, можно использовать для преодоления некоторых ограничений известных шламовых насосов и других винтовых двигателей или насосов или по меньшей мере для создания альтернативы известным шламовым насосам и другим винтовым двигателям или насосам.

[10] Согласно первому аспекту вариантов осуществления, раскрытых в данном документе, создан винтовой двигатель или насос, содержащий: ротор, статор и устройство регулирования или ограничения перемещения ротора относительно статора.

[11] Как рассмотрено, поверхность ротора или статора можно выполнять из нежесткого материала для обеспечения образования уплотнения между входящими в контакт поверхностями ротора и статора, и в одном или нескольких вариантах осуществления перемещение ротора относительно статора регулируется или ограничивается для минимизации деформации нежесткого материала и последовательного открытия зазоров между входящими в контакт поверхностями ротора и статора.

[12] В одном или нескольких вариантах осуществления перемещение ротора ограничивается для следования при вращении требуемой траектории.

[13] В одном или нескольких вариантах осуществления перемещение ротора ограничивается прецессионным устройством, сконструированным так, что может делать вращение ротора зависимым от положения ротора.

[14] В одном или нескольких вариантах осуществления прецессионное устройство состоит из снабженного зубьями колеса, соединенного с валом ротора, которое следует снабженной зубьями дорожке, соединенной со статором.

[15] В одном или нескольких вариантах осуществления отношение числа заходов на колесе к числу заходов на дорожке является одинаковым с отношением числа заходов на роторе к числу заходов на статоре.

[16] В одном или нескольких вариантах осуществления снабженное зубьями колесо имеет деформируемый слой на наружной поверхности, взаимодействующей с дорожкой. Альтернативно или, кроме того, снабженная зубьями дорожка имеет деформируемый слой на поверхности, взаимодействующей со снабженными зубьями колесом.

[17] В одном или нескольких вариантах осуществления радиальное перемещение ротора относительно статора регулируется или ограничивается.

[18] В одном или нескольких вариантах осуществления перемещение геометрического центра ротора ограничивается заданной траекторией при использовании двигателя или насоса.

[19] В одном или нескольких вариантах осуществления создан колесный узел на одном или нескольких местах для управления или ограничения перемещения ротора в статоре или по окружности статора.

[20] В одном или нескольких вариантах осуществления колесный узел содержит колесо, установленное на валу ротора, причем колесо выполнено с возможностью обегать по окружности внутреннюю поверхность статора.

[21] В одном или нескольких вариантах осуществления наружный диаметр колеса равен диаметру внутренней поверхности статора минус удвоенное заданное максимальное смещение ротора от его геометрической центральной осевой линии.

[22] Альтернативно колесный узел может содержать колесо, установленное на валу статора, причем колесо, выполненное с возможностью обегания ротором окружности наружной поверхности статора. Специалисту в данной области техники понятно, что в таком варианте осуществления внутренний компонент является неподвижно закрепленным (при этом становясь статором или стационарным элементом), при этом наружный компонент двигателя или насоса вращается (ротор или вращающийся элемент).

[23] В одном или нескольких вариантах осуществления наружный диаметр колеса равен диаметру внутренней поверхности ротора минус удвоенное заданное максимальное смещение ротора от его геометрической центральной осевой линии.

[24] В одном или нескольких вариантах осуществления колесный узел установлен на месте в двигателе или насосе, где профиль ротора и статора является по существу круглым.

[25] В одном или нескольких вариантах осуществления колесный узел дополнительно содержит подшипник для обеспечения относительного вращения между колесом и ротором. Подшипник может предпочтительно являться игольчатым подшипником.

[26] В одном или нескольких вариантах осуществления колесо имеет отверстия для обеспечения сквозного прохода через них текучей среды.

[27] В одном или нескольких вариантах осуществления взаимодействующие поверхности ротора и статора являются по существу жесткими в зоне колесного узла.

[28] В одном или нескольких вариантах осуществления создается неподвижная вставка на одном или нескольких местах для управления или ограничения перемещения ротора в статоре или по его окружности.

[29] В одном или нескольких вариантах осуществления неподвижная вставка установлена в наружном элементе пары ротора и статора и имеет центральное отверстие, через которое может проходить вал внутреннего элемента пары ротора и статора, причем диаметр центрального отверстия подобран для ограничения радиального перемещения ротора относительно статора.

[30] В одном или нескольких вариантах осуществления неподвижная вставка имеет дополнительно множество отверстий для обеспечения сквозного прохода через них текучей среды.

[31] В одном или нескольких вариантах осуществления неподвижная вставка установлена на месте в двигателе или насосе, где профили ротора и/или статора являются по существу круглыми.

[32] В одном или нескольких вариантах осуществления центральное отверстие является по существу круглым, так что вал ротора может обегать по окружности центральное отверстие, или ротор и неподвижная вставка может обегать по окружности статор.

[33] В одном или нескольких вариантах осуществления создана компоновка приводного вала на одном или нескольких местах для управления или ограничения перемещения ротора в статоре или по его окружности.

[34] В одном или нескольких вариантах осуществления компоновка приводного вала содержит: ведущий вал и ведомый вал, при этом вращение может передаваться, когда два вала непараллельны; и механизм ограничения угла между ведущим валом и ведомым валом, которым перемещение ротора относительно статора ограничивается.

[35] В одном или нескольких вариантах осуществления механизм ограничения угла между ведущим валом и ведомым валом является буферным кольцом.

[36] В одном или нескольких вариантах осуществления создается вращающаяся вставка на одном или нескольких местах для управления или ограничения перемещения ротора в статор.

[37] В одном или нескольких вариантах осуществления вращающаяся вставка установлена в статор и имеет отверстие, через которое вал ротора может проходить, причем отверстие смещается от центра вращающейся вставки так, что перемещение ротора ограничивается заданной траекторией.

[38] В одном или нескольких вариантах осуществления вращающаяся вставка свободно вращается в статоре.

[39] В одном или нескольких вариантах осуществления ротор свободно вращается во вращающейся вставке.

[40] В одном или нескольких вариантах осуществления оборудуется подшипник для обеспечения вращения вращающейся вставки и/или ротора.

[41] В одном или нескольких вариантах осуществления вращающаяся вставка содержит дополнительно множество отверстий для обеспечения сквозного прохода через них текучей среды.

[42] В одном или нескольких вариантах осуществления создается поршневой узел на одном или нескольких местах для управления или ограничения перемещения ротора в статоре или по его окружности.

[43] В одном или нескольких вариантах осуществления поршневой узел содержит множество обращенных внутрь поршней, разнесенных по окружности наружного элемента пары ротора и статора для управления перемещением ротора относительно статора. Поршни могут предпочтительно быть разнесены на равные интервалы по окружности наружного элемента пары ротора и статора.

[44] В одном или нескольких вариантах осуществления поршни устанавливаются во вставке, которая сама устанавливается на наружном элементе пары ротора и статора.

[45] В одном или нескольких вариантах осуществления наружный элемент пары ротора и статора локально утолщается в зонах установки поршней.

[46] В одном или нескольких вариантах осуществления вставка снабжается множеством отверстий для обеспечения сквозного прохода через них текучей среды.

[47] Согласно второму аспекту вариантов осуществления, раскрытых в данном документе, создан способ улучшения показателей работы винтового двигателя или насоса, содержащий этап регулирования или ограничения перемещения ротора относительно статора для минимизации открытия зазоров между ротором и статором.

[48] В одном или нескольких вариантах осуществления регулирование или ограничение перемещения ротора относительно статора является дополнением к любому ограничению, обусловленному контактом со статором или соединением, выполненным с концами ротора.

[49] В одном или нескольких вариантах осуществления радиальное перемещение ротора регулируется или ограничивается относительно статора.

[50] В одном или нескольких вариантах осуществления ротор управляется для следования заданной комбинации траектории и вращения с использованием прецессионного устройства.

[51] В одном или нескольких вариантах осуществления перемещение геометрического центра ротора ограничивается заданной траекторией.

[52] В одном или нескольких вариантах осуществления оборудуется колесо между ротором и статором для ограничения перемещения между ними.

[53] В одном или нескольких вариантах осуществления оборудуется неподвижная вставка между ротором и статором для ограничения перемещения между ними.

[54] В одном или нескольких вариантах осуществления приводной вал соединяется с ротором для ограничения относительного перемещения между ротором и статором.

[55] В одном или нескольких вариантах осуществления вращающаяся вставка оборудуется между ротором и статором, причем вставка имеет отверстие, смещенное от своего центра, через которое проходит вал ротора, для ограничения относительного перемещения между ротором и статором.

[56] В одном или нескольких вариантах осуществления поршневое устройство оборудуется между ротором и статором для ограничения перемещения между ними.

[57] В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к способу бурения ствола скважины через подземный пласт. Способ может включать в себя: пропуск бурового раствора через компоновку гидравлического забойного двигателя, причем компоновка гидравлического забойного двигателя содержит винтовой двигатель, имеющий ближний конец и дальний конец, двигатель содержит: статор и ротор, при этом поверхность статора выполнена из нежесткого материала для обеспечения образования уплотнения между входящими в контакт поверхностями ротора и статора; по меньшей мере одно устройство, установленное вблизи по меньшей мере одного из ближнего конца и дальнего конца, причем по меньшей мере одно устройство ограничивает радиальное и/или тангенциальное перемещение ротора относительно статора; и бурение пласта с применением бурового долота, напрямую или ненапрямую соединенного с ротором.

[58] В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к компоновке гидравлического забойного двигателя, содержащей винтовой двигатель, имеющий впускной конец и выпускной конец. Двигатель может включать в себя: статор и ротор, при этом поверхность статора выполнена из нежесткого материала для обеспечения образования уплотнения между входящими в контакт поверхностями ротора и статора; по меньшей мере одно устройство, установленное вблизи по меньшей мере одного впускного конца и выпускного конца, причем по меньшей мере одно устройство ограничивает радиальное и/или тангенциальное перемещение ротора относительно статора.

[59] В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к бурильной компоновке. Бурильная компоновка может включать в себя: компоновку гидравлического забойного двигателя, содержащую винтовой двигатель, имеющий ближний конец и дальний конец, включающий в себя: статор и ротор, при этом поверхность статора выполнена из нежесткого материала для обеспечения образования уплотнения между входящими в контакт поверхностями ротора и статора; по меньшей мере одно устройство, установленное вблизи по меньшей мере одного из ближнего конца и дальнего конца, причем по меньшей мере одно устройство ограничивает радиальное и/или тангенциальное перемещение ротора относительно статора; и выходной вал двигателя, напрямую или ненапрямую соединенный с дальним концом ротора; и буровое долото, напрямую или ненапрямую соединенное с дальним концом выходного вала двигателя.

[60] В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к компоновке винтового двигателя или насоса, имеющей впускной конец и выпускной конец. Двигатель или насос может включать в себя: внутренний элемент, установленный в наружном элементе, один представляющий собой статор, и другой - ротор, при этом поверхность ротора или статора выполнена из нежесткого материала для обеспечения образования уплотнения между входящими в контакт поверхностями ротора и статора; по меньшей мере одно устройство, установленное вблизи по меньшей мере одного из впускного конца и выпускного конца, причем по меньшей мере одно устройство ограничивает радиальное и/или тангенциальное перемещение ротора относительно статора.

[61] В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к способу изготовления винтового двигателя или насоса, имеющего впускной конец и выпускной конец, причем способ содержит: установку внутреннего элемента в наружном элементе, одного, представляющего собой статор, и другого - ротор; причем внутренний элемент имеет участок с фасонной винтовой наружной поверхностью; причем наружный элемент содержит первый участок с фасонной винтовой внутренней поверхностью и по меньшей мере один второй участок с круглой внутренней поверхностью, причем по меньшей мере один второй участок расположен вблизи по меньшей мере одного из впускного конца и выпускного конца и является соосным с первым участком; функциональное соединение по меньшей мере одного устройства для сдерживания радиального и/или тангенциального перемещения ротора относительно статора по меньшей мере с одним из внутреннего элемента и наружного элемента на отрезке длины соответствующего по меньшей мере одного второго участка.

[62] В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к способу изготовления наружного элемента винтового двигателя или насоса, например, статора для гидравлического забойного двигателя, причем способ содержит: совмещение трубчатого наружного элемента с устройством литья под давлением, станочную обработку и/или напыление покрытия, при этом осевая линия трубчатого наружного элемента и осевая линия устройства могут быть совмещенными или несовмещенными; выполнение литьем под давлением, станочной обработкой и/или напылением покрытия первого внутреннего участка наружного элемента для создания фасонной винтовой внутренней поверхности и по меньшей мере одного второго внутреннего участка с внутренней поверхностью приблизительно постоянного внутреннего диаметра и соосной с первым внутренним участком, при этом второй внутренний участок выполняется с возможностью размещения устройства ограничения радиального и/или тангенциального перемещения внутреннего элемента, установленного в нем.

[63] В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к компоновке гидравлического забойного двигателя, включающей в себя винтовой двигатель, имеющий ближний конец и дальний конец, причем двигатель имеет: статор и ротор; и по меньшей мере одно устройство, установленное вблизи по меньшей мере одного из ближнего конца и дальнего конца, причем по меньшей мере одно устройство ограничивает радиальное и/или тангенциальное перемещение ротора относительно статора; при этом статор содержит контактную поверхность, выполненную из жесткого материала.

[64] В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к управляемой по направлению буровой головке, регулируемому отклоняющему переводнику, компоновке низа бурильной колонны или стабилизатору, содержащим компоновку гидравлического забойного двигателя, описанную выше, включающую в себя винтовой двигатель, имеющий ближний конец и дальний конец, причем двигатель имеет: статор и ротор; и по меньшей мере одно устройство, установленное вблизи по меньшей мере одного из ближнего конца и дальнего конца, причем по меньшей мере одно устройство ограничивает радиальное и/или тангенциальное перемещение ротора относительно статора; при этом статор содержит контактную поверхность, выполненную из жесткого материала.

[65] В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к способу бурения ствола скважины через подземный пласт, причем способ включает в себя: пропуск бурового раствора через компоновку гидравлического забойного двигателя, описанную выше и включающую в себя винтовой двигатель, имеющий ближний конец и дальний конец, причем двигатель имеет: статор и ротор; и по меньшей мере одно устройство, установленное вблизи по меньшей мере одного из ближнего конца и дальнего конца, причем по меньшей мере одно устройство ограничивает радиальное и/или тангенциальное перемещение ротора относительно статора; при этом статор содержит контактную поверхность, выполненную из жесткого материала. В других аспектах варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к способу бурения ствола скважины через подземный пласт, причем способ включает в себя: пропуск бурового раствора через управляемую по направлению буровую головку, регулируемый отклоняющий переводник, компоновку низа бурильной колонны или стабилизатор, включающие в себя такую компоновку гидравлического забойного двигателя. Пласт затем бурят с использованием бурового долота, напрямую или ненапрямую соединенного с ротором.

[66] В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к бурильной компоновке, включающей в себя компоновку гидравлического забойного двигателя, описанную выше и включающую в себя винтовой двигатель, имеющий ближний конец и дальний конец, причем двигатель имеет: статор и ротор; и по меньшей мере одно устройство, установленное вблизи по меньшей мере одного из ближнего конца и дальнего конца, причем по меньшей мере одно устройство ограничивает радиальное и/или тангенциальное перемещение ротора относительно статора; при этом статор содержит контактную поверхность, выполненную из жесткого материала. В других аспектах варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к бурильной компоновке, включающей в себя управляемую по направлению буровую головку, регулируемый отклоняющий переводник, компоновку низа бурильной колонны или стабилизатор, включающий в себя такую компоновку гидравлического забойного двигателя.

[67] В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к компоновке гидравлического забойного двигателя, содержащей винтовой двигатель, причем двигатель включает в себя: статор и ротор; при этом статор и ротор содержат контактную поверхность, выполненную из жесткого материала.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[68] Двигатели и насосы, раскрытые в данном документе, описаны ниже только в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано следующее.

На фиг. 1 показано сечение нескольких известных роторов.

На фиг. 2 показано сечение нескольких известных статоров.

На фиг. 3 показано сечение известного винтового двигателя или насоса.

На фиг. 4 показано продольное сечение известного винтового двигателя или насоса.

На фиг. 5 показано сечение первого варианта осуществления двигателя или насоса с устройством регулирования или ограничения радиального перемещения ротора относительно статора.

На фиг. 6 показано продольное сечение винтового двигателя или насоса, оснащенного устройством фиг. 5.

На фиг. 7 показано сечение второго варианта осуществления двигателя или насоса с устройством регулирования или ограничения радиального перемещения ротора относительно статора.

На фиг. 8 показано сечение третьего варианта осуществления двигателя или насоса с устройством регулирования или ограничения радиального перемещения ротора относительно статора.

На фиг. 9 показано сечение четвертого варианта осуществления двигателя или насоса с устройством регулирования или ограничения радиального перемещения ротора относительно статора.

На фиг. 10 показано сечение пятого варианта осуществления двигателя или насоса с устройством регулирования или ограничения радиального перемещения ротора относительно статора.

На фиг. 11A-11C показаны поперечные и продольные сечения лейнера, выполненного с возможностью поддержания соосности устройства для ограничения перемещения ротора относительно статора согласно вариантам осуществления, раскрытым в данном документе.

На фиг. 12A показано сечение первого варианта осуществления двигателя или насоса с устройством для отслеживания траектории и вращения ротора относительно статора.

На фиг. 12B показано продольное сечение части винтового двигателя или насоса, оснащенного устройством фиг. 12A.

На фиг. 13-15 показаны различные компоновки гидравлического забойного двигателя/бурильные компоновки с одним или несколькими устройствами отслеживания траектории и вращения ротора относительно статора.

На фиг. 16-18 показаны роторы и статоры, применимые в гидравлических забойных двигателях, согласно вариантам осуществления, раскрытым в данном документе.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[69] В вариантах осуществления двигателей или насосов, раскрытых в данном документе, ротор удерживается для совершения заданного перемещения, другими словами, ограничивается траектория перемещения геометрического центра ротора, и в некоторых случаях вращение ограничивается данной траекторией. Хотя показаны различные варианты осуществления, понятно, что другие системы регулирования или ограничения радиального и/или тангенциального перемещения ротора относительно статора можно также конструировать в объеме настоящего изобретения. Перемещение ротора относительно статора в общем ограничено только характеристической упругой деформацией материалов, применяемых для изготовления ротора и статора (например, прогибом/сжатием резинового покрытия статора и т. д.). При использовании в данном документе сдерживание перемещения ротора относительно статора относится к недопущению или ограничению перемещения, превышающего приводящее к характеристичной упругой деформации или допустимое для материалов, применяемых для изготовления ротора и статора, во время работы последних.

[70] Понятно, что показанные варианты осуществления имеют ротор как компонент, который вращается в статоре, и большинство насосов и двигателей сконструированы по такой схеме, но варианты осуществления также работают, если внутренний компонент является неподвижным и наружный компонент вращается.

[71] На фиг. 5 и 6 показан первый вариант осуществления устройства (20) регулирования или ограничения радиального перемещения ротора (22) относительно статора (24). Устройство содержит колесный узел (20) для использования в одном или нескольких местах на роторе (22). Сечение колесного узла (20) показано на фиг. 5.

[72] Поддерживающее колесо (26) опирается на вал ротора (22) с помощью игольчатого подшипника (28), хотя другие подходящие подшипники можно также использовать, например, роликовые подшипники или подшипники скольжения. В некоторых вариантах осуществления подшипники (28) являются подшипниками скольжения, содержащими карбид кремния, карбид вольфрама, нитрид кремния или другие аналогичные износостойкие материалы. Поддерживающее колесо можно изготавливать из стали или других материалов, подходящих для расчетной среды. Наружная поверхность поддерживающего колеса (26) выполняется с возможностью скольжения или качения по внутренней поверхности корпуса (24) статора на месте, где профиль является приблизительно круглым. Разность радиусов поддерживающего колеса (26) и внутренней поверхности корпуса (24) статора определяет максимальное смещение оси ротора от оси статора. Поддерживающее колесо (26) имеет каналы (27), встроенные в него, для увеличения площади прохода текучей среды вдоль устройства, каналы могут иметь любые число или форму, при условии достаточного размера для пропуска твердых частиц, которые могут находиться в рабочей текучей среде или перекачиваемой текучей среде. Корпус (24) статора имеет круглый профиль на месте контакта с колесом (26) с подшипником, так что осевая линия вала ротора (22) должна удерживаться приблизительно в круге фиксированного радиуса, что помогает предотвращению открытия зазоров между поверхностями ротора (22) и статора (24). На фиг. 6 показано продольное сечение двигателя или насоса, оснащенного колесным узлом (20) фиг. 5 только на одном конце, хотя дополнительные колесные узлы можно установить в дополнительных местах.

[73] В некоторых вариантах осуществления поддерживающее колесо (26) может скользить или катиться в контакте с внутренней поверхностью самого цилиндра статора. В других вариантах осуществления поддерживающее колесо (26) может скользить или катиться в контакте с покрытием, нанесенным на внутреннюю поверхность цилиндра статора. Во время изготовления некоторых статоров внутренняя поверхность цилиндра, такая как поверхность трубы, снабжается покрытием, например, с помощью нанесения или набрызга материала покрытия на внутреннюю поверхность цилиндра. Вместе с тем, вследствие сложности процесса изготовления статора, соосность полученного статора с цилиндром статора невозможно гарантировать. Таким образом, получающееся во время изготовления внутреннее покрытие (90) статора может смещаться от осевой линии (92) цилиндра статора (94), как показано на фиг. 11A, где полученный лейнер имеет осевую линию (96), смещенную от осевой линии (92) цилиндра статора (94). Как отмечено выше, наружная поверхность поддерживающего колеса (26) выполнена с возможностью скольжения или качения по внутренней поверхности корпуса (24) статора, где профиль является приблизительно круглым. Поддерживающее колесо (26) должно при этом скользить или катиться по внутренней поверхности материала покрытия так, что поддерживающее колесо (26) скользит или катится с осевой линией, совпадающей с осевой линией лейнера статора (т. е. выставляется по одной линии с лейнером статора и ротором, но не с цилиндром статора). Изготовление статора для использования с колесом (26) с подшипником может таким образом включать в себя устройство покрытия, литье под давлением или изготовление станочной обработкой участка (98) постоянного диаметра (например, из резины толщиной от 1,6 мм (1/16 дюйма) до 12,8 мм (1/2 дюйма) на одном или обоих концах статора, как показано на фиг. 11B и 11C, для обеспечения удержания в нужных пределах колеса (26) с подшипником на траектории ротора и получения требуемого преимущества.

[74] Как отмечено выше, разность радиусов поддерживающего колеса (26) и внутренней поверхности корпуса (24) статора определяет максимальное смещение оси ротора от оси статора. Кроме того, для надлежащего функционирования поддерживающее колесо (26) должно поддерживать взаимосвязь для скольжения и/или качения с внутренней поверхностью статора для постоянного сдерживания ротора при его вращении, т.е. поддержания контакта при вращении на все 360°. Вследствие внецентренного вращения ротора отношение диаметра поддерживающего колеса (26) к диаметру внутренней поверхности статора (90) является важной переменной, где неправильное отношение может приводить к неустановившемуся контакту поддерживающего колеса с внутренней поверхностью статора, т.е. взаимосвязи без качения или без скольжения.

[75] В дополнение к диаметру длина поддерживающего колеса (26) должна также являться достаточной для эксплуатации при боковых нагрузках, прикладываемых вследствие биения ротора. Поддерживающее колесо (26) должно иметь достаточную длину для соответствия конструктивным требованиям. Длина поддерживающего колеса (26) может при этом зависеть от числа заходов, крутящего момента двигателя/насоса и других переменных, известных специалисту в данной области техники, и может также ограничиваться имеющимся пространством между ротором и приводным валом.

[76] Поддерживающее колесо (26) ограничивает величину биения, создаваемого внецентренным вращением ротора. Данное, в свою очередь, может ограничивать образование зазоров прохода потока по длине двигателя/насоса, ограничивая сжатие или прогиб во внутреннем покрытии статора, например, из резины или другого упругого материала. В некоторых вариантах осуществления поддерживающее колесо может ограничивать прогиб внутреннего покрытия статора величиной меньше 0,64 мм (0,025 дюйма), величиной меньше 0,5 мм (0,02 дюйма) в других вариантах осуществления и величиной меньше 0,38 мм (0,015 дюйма) в других вариантах осуществления. Аналогичные пределы прогиба можно также получить, применяя другие варианты осуществления, раскрытые в данном документе.

[77] Поддерживающее колесо (26), как описано выше, создает радиальное ограничение движения ротора, удерживая ротор в контакте со статором (т.е. создавая при смещении контактную силу, не препятствующую генерированию крутящего момента). Полученная в результате уменьшенная нормальная сила в точке контакта между ротором и статором может уменьшать силы торможения, улучшая сжатие на контактных точках с минимизацией путей протечки. Ограничивая образование зазоров прохода потока (путей протечки) вдоль длины ротора, можно уменьшить потери давления, увеличивая выходную мощность двигателя. Кроме того, ограничение движения ротора может уменьшить износ статора, в особенности вблизи верха заходов, где тангенциальные скорости являются самыми высокими.

[78] На фиг. 7 показан второй вариант осуществления устройства (30) регулирования или ограничения перемещения ротора (32) относительно статора (34), в котором неподвижная вставка (36) установлена внутри статора (34). Неподвижную вставку (36) можно оборудовать на одном или нескольких местах в статоре (34). Неподвижная вставка (36) имеет центральное отверстие (38) или аналогичное сужение внутреннего диаметра статора (34) для ограничения радиального перемещения ротора (32) относительно статора (34). Неподвижная вставка (36) может также содержать множество отверстий (37) для обеспечения прохода текучей среды вдоль двигателя или насоса. Неподвижная вставка (36) обеспечивает сдерживание вала ротора (32), при котором осевая линия должна оставаться приблизительно в круге фиксированного радиуса, что помогает предотвращать открытие зазоров между поверхностями ротора (32) и статора (34).

[79] Аналогично вариантам осуществления фиг. 5, 6 и 11 неподвижная вставка (36), как показано на фиг. 7, может размещаться в литом профиле статора так, что неподвижная вставка (36) располагается соосно с лейнером статора (32). В некоторых вариантах осуществления неподвижная вставка (36) может являться поднятым участком литого профиля статора. В некоторых вариантах осуществления отношение диаметра неподвижной вставки (36) к диаметру ротора (32) может являться таким, что получается диаметр правильного или чистого качения. Подшипники можно также использовать для обеспечения скольжения между неподвижной вставкой (36) и ротором (32), где соотношение диаметра правильного качения не используется. Аналогичные указанным выше проблемы, касающиеся путей потока, требований по крутящему моменту и длине вставок, должны решаться при сдерживании ротора согласно варианту осуществления фиг. 7. В отношении требований по крутящему моменту, в некоторых вариантах осуществления может потребоваться увеличенное сечение ротора вблизи неподвижной вставки (36) вместо сужения сечения ротора для создания взаимосвязи скольжения или качения.

[80] Третий вариант осуществления устройства (40) регулирования или ограничения перемещения ротора (42) относительно статора (44) показан на фиг. 8. Модифицированный приводной вал (43) оборудован на одном конце ротора (42) для ограничения радиального перемещения ротора (42). Аналогичный шарнирный вал можно также оборудовать на другом конце для ограничения радиального перемещения ротора (42). Угол шарнирного соединения на одном конце приводного вала (43) может ограничивать, например, буферное кольцо (46), прикрепленное к выходному валу в варианте двигателя (45) или входному валу в варианте насоса (45) так, что при входе в контакт устанавливается ограничение на радиальное перемещение ротора. Эквивалентный вариант осуществления может иметь буферное кольцо (46), прикрепленное к ротору (42), которое должно аналогично ограничивать радиальное перемещение ротора (42). Приводной вал (43) обеспечивает ограничение перемещения осевой линии вала ротора для удержания приблизительно в круге фиксированного радиуса, что помогает предотвращению открытия зазоров между поверхностями ротора и статора.

[81] Четвертый вариант осуществления устройства (50) регулирования или ограничения перемещения ротора (52) относительно статора (54) показан на фиг. 9. Устройство (50) состоит из вращающейся круглой вставки (56), установленной внутри корпуса статора (54), которая может вращаться вокруг продольной оси относительно статора (54). Вращающуюся вставку (56) можно оборудовать на одном или нескольких местах в статоре (54). Вращение вставки (56) относительно статора (54) обеспечивает подшипник между статором и вставкой (не показано). Отверстие (58) выполнено во вставке (56), центр отверстия (58) смещен от центра вставки (56) на расстояние, равное максимальному допустимому смещению оси ротора от оси статора. Диаметр отверстия (58) является достаточным для прохода через него ротора (52) и свободного вращения в нем. Дополнительный подшипник (не показано) оборудован между вставкой (56) и ротором (52) для обеспечения вращения ротора (52) относительно вставки (56). Сквозь круглую вставку (56) проходят отверстия (57), создавая проход текучей среды вдоль двигателя или насоса. Вставка (56) обеспечивает такое удержание вала ротора (52), при котором осевая линия остается приблизительно в круге фиксированного радиуса, что помогает предотвращению открытия зазоров между поверхностями ротора (52) и статора (54).

[82] Пятый вариант осуществления устройства (60) регулирования или ограничения перемещения ротора (62) относительно статора (64) показан на фиг. 10. Множество поршней (65), реакцию которых создает связанный материал (66), который может быть твердым, жидким или газообразным, используют для ограничения радиального перемещения ротора (62). Узел поршней (65) можно оборудовать на одном или нескольких местах в статоре (64). На фиг. 10 показан пример, где используют восемь таких поршней (65), хотя другое число поршней также можно использовать. Цилиндрические кожухи (63) под поршни (65) выполняются станочной обработкой в круглой вставке (67), установленной внутри корпуса статора (64), и имеют достаточную толщину для предотвращения структурного разрушения под действием возникающих нагрузок. Круглая вставка (67) снабжена множеством отверстий (68), обеспечивающих пропуск текучей среды вдоль двигателя или насоса. Когда ротор (62) входит в контакт с поршнем (65), связанный материал (66) сжимается и препятствует свободному перемещению поршня (65), таким образом ограничивая перемещение ротора (62). Устройство (60) обеспечивает такое удержание вала ротора (62), при котором осевая линия остается приблизительно в круге фиксированного радиуса, что помогает предотвращению открытия зазоров между поверхностями ротора (62) и статора (64).

[83] Варианты осуществления, описанные выше и показанные на фиг. 5-11, обеспечивают ограничение или сдерживание радиального перемещения ротора (т. е. устанавливают пределы планетарной траектории ротора во время вращения). Варианты осуществления, раскрытые в данном документе, могут эффективно ограничивать радиальное перемещение от осевой линии, например, ограничителем, показанным на фиг. 5, и могут также ограничивать радиальное перемещение к осевой линии, например, ограничителем, показанным на фиг. 9.

[84] В дополнение по существу к круглому средству сдерживания радиального перемещения, показанному на фиг. 5-11, также можно сдерживать перемещение ротора, применяя некруглый ограничитель, например, показанный на фиг. 12A (поперечное сечение) и 12B (продольное сечение). В данном варианте осуществления прецессионное устройство (70), содержащее снабженное зубьями колесо (72) с профилем, аналогичным, но не идентичным профилю ротора (74), функционально соединяется с валом (75) ротора. Аналогично снабженное зубьями колесо (72) должно взаимодействовать с дорожкой (76), имеющей профиль, аналогичный, но не идентичный профилю статора (78). Дорожка (76) может выполняться из материала, аналогичного материалу статора (78) или из материала, сжимающегося меньше статора (78), например, более твердой резины, твердого пластика, керамики, поликристаллических синтетических алмазов или стали. Прецессионное устройство (70) можно использовать в одном или нескольких местах на отрезке длины ротора (74). В дополнение к решению проблем сил, возникающих на впускном конце или выпускном конце двигателя, с помощью соответствующего расположения и/или материалов конструкции профиль дорожки (76) можно выполнить аналогичным профилю статора (78), и соответствующие участки (76, 78) можно сместить по фазе так, что планетарная траектория ротора в статоре (78) ограничивается. Другими словами, участки могут смещаться по фазе так, что при работе силы, уводящие ротор с идеальной орбиты, становятся сбалансированными и эффективно ограничивают планетарную траекторию ротора.

[85] Прецессионное устройство (70) управляет ротором (74) так, что ротор перемещается по заданной траектории и с заданным вращением относительно статора (78). Сдерживание данного типа может эффективно ограничивать при вращении ротора его перемещение в орбитальное положение. Снабженное зубьями колесо (72) взаимодействует со снабженной зубьями дорожкой (76), так что профили снабженного зубьями колеса (72) и дорожки (76) ограничивают траекторию при вращении ротора (74) заданными пределами.

[86] Снабженное зубьями колесо (72) соединено с валом ротора (75) по существу неподвижно. Соотношение числа заходов на колесе (72) и числа заходов на дорожке (76) является одинаковым с соотношением числа заходов на роторе (74) и числа заходов на статоре (78). Профили заходов на колесе (72) и на дорожке (76) должны определять значение деформации ротором (74) уплотнительной поверхности статора (78), при котором ограничивается открытие зазоров между ними.

[87] Для обеспечения некоторой согласованности вращения поверхность снабженного зубьями колеса (72) или дорожки (76) может иметь упругое покрытие, например, из резины. Снабженные зубьями колесо (72) и дорожка (76) могут иметь параллельные стороны или проходящие под углами наклона винтовой линии для обеспечения некоторого незначительного аксиального перемещения и соответствия допускам при изготовлении.

[88] Профиль и состав (материал конструкции, сжимаемость и т.д.) снабженного зубьями колеса (72) могут разрабатываться такими, что деформация резины в статоре (78) ограничивается. В других вариантах осуществления профиль и состав снабженного зубьями колеса (72) могут разрабатываться такими, что деформация резины в статоре (78) поддерживается на фиксированном уровне. При этом взаимодействие между ротором (74) и резиной в статоре (78) используется для поддержания уплотнения, где крутящий момент генерируется в основном на снабженном зубьями колесе (72). Данное не только обеспечивает ограничение нагрузки от давления до точки, где уплотнение перестает работать (очень высокое давление), но также обеспечивает сохранение независимости контактных сил в резине по существу от величины давления. При этом уменьшается износ и усталостное разрушение в резине, а также улучшается КПД двигателя/насоса.

[89] Двигатели согласно вариантам осуществления, раскрытым в данном документе, можно применять, например, в качестве гидравлического забойного двигателя в бурильной компоновке. Как показано на фиг. 13, в процессе работы буровой раствор подается насосом на впускной конец (102) гидравлического забойного двигателя (100) под давлением выше давления на выпускном конце (104), генерируя силы на роторе (105) и обуславливая вращение ротора (105). Ротор (105) функционально соединен с приводным валом (106) для преобразования планетарного вращения ротора (105) во вращение вокруг фиксированной оси (108). Дальний конец приводного вала (не показан) напрямую или ненапрямую соединен с буровым долотом (не показано), вращение которого можно использовать для бурения подземного пласта.

[90] Силы, действующие на ротор (105) во время работы, включают в себя силы, возникающие вследствие перепада давления на двигателе (100) от впускного (ближнего) конца (102) до выпускного (дальнего) конца (104). Перепад давления может давать в результате момент наклона. Имеется также действующая вниз сила, приложенная к бурильной колонне, обычно называемая "осевой нагрузкой на долото", данная сила обязательно передается через соединения ротор - приводной вал - буровое долото. В результате планетарной и аксиальной взаимосвязи соединений приводного вала могут возникать угловые и/или радиальные силы, приложенные к ротору (105). В результате вращения ротора (105) также возникают тангенциальные силы.

[91] Каждая из данных сил может влиять на характер взаимодействия ротора (105) со статором (114) (например, силы сжатия, генерирующие уплотнения вдоль кромок получающихся полостей, скольжение, торможение или силы трения между ротором (105) и статором (114) при вращении ротора и т. д.) и может обуславливать образование зазора вдоль длины двигателя (100), уменьшая КПД двигателя. Кроме того, воздействие данных сил может отличаться вблизи впускного конца (102) и выпускного конца (104). Различные устройства сдерживания ротора, раскрытые выше в данном документе, можно использовать для регулирования или ограничения перемещения ротора (105) вблизи впускного конца 102, выпускного конца 104 или в обоих местах.

[92] Другие примеры различных двигателей (100) с применением роторов с ограничением перемещения, раскрытые в данном документе, например, для применения в бурении, показаны на фиг. 14-15, где одинаковые позиции представляют одинаковые части. Как показано на фиг. 13 и рассмотрено ниже, варианты осуществления двигателя (100) могут включать в себя ограничитель (118) вблизи выпускного (дальнего) конца (104) для сдерживания перемещения ротора (105). Как показано на фиг. 14, варианты осуществления двигателя (100) могут включать в себя ограничитель (120) вблизи впускного (ближнего) конца (102) для ограничения перемещения ротора (105). Как показано на фиг. 15, варианты осуществления двигателя (100) могут включать в себя ограничители (118), (120) вблизи впускного конца (102) и выпускного конца (104), соответственно, для ограничения перемещения ротора (105).

[93] Когда применяются два или больше ограничителей, как на фиг. 15, ограничители (118), (120) могут являться одинаковыми или различными. Например, как описано выше, силы, передаваемые на ротор (105), могут отличаться на впускном конце от сил на выпускном конце, что дает в результате отличающиеся радиусы орбит для центра ротора на впускном и выпускном концах. Таким образом, можно предпочтительно иметь ограничитель радиального перемещения ротора (105) вблизи впускного конца (102), например, ограничитель, показанный на фиг. 5, который может работать эффективно в комбинации с ограничителем радиального перемещения ротора к оси, например, ограничителем, показанным на фиг. 9 или фиг. 12A, 12B. При этом ограничители могут эффективно ограничивать размер зазора, образующегося между ротором и статором, улучшая КПД двигателя.

[94] Хотя на фиг. 15 показан один ограничитель на каждом, впускном конце и выпускном, конце, каждый или оба, впускной и выпускной, концы могут иметь несколько ограничивающих перемещение устройств. Например, впускной конец и/или выпускной конец могут включать в себя радиальный ограничитель, например, показанный на фиг. 5, и снабженный зубьями ограничитель, например, показанный на фиг. 12, установленные последовательно.

[95] Несколько ограничителей (один или несколько на каждом конце или обоих концах) должны выбираться и/или разрабатываться дополняющими друг друга для получения требуемого улучшения уплотнения (устранения зазоров прохода потока) без отрицательного влияния на работу или износ ротора. Например, ограничители на впускном и выпускном концах оба могут действовать в одном направлении или одинаковых фазах, исключая приложение противоположных нагрузок на ротор и предотвращая блокирование ротора вследствие противостоящих сил. При этом работу двигателя можно улучшить, исключив риск его заклинивания.

[96] Устройства, раскрытые в данном документе, можно использовать для сдерживания радиальных и/или тангенциальных перемещений ротора относительно статора, уменьшения, минимизации или исключения зазоров прохода потока вдоль длины двигателя, что улучшает КПД двигателя. Устройства, раскрытые в данном документе, могут также уменьшать износ статора.

[97] Улучшение КПД двигателя, например, улучшение уплотнения и более высокую выходную мощность на единицу длины, как отмечено выше, можно использовать в некоторых вариантах осуществления для уменьшения общей длины двигателя, сохраняя требуемую выходную мощность. Укороченная силовая секция может иметь многочисленные преимущества и варианты применения, рассмотренные ниже.

[98] Ограниченная общая длина силовой секции может обеспечивать беспроблемный проход потока твердых частиц, например, промывочного раствора, включающего в себя твердую фазу, через двигатель, даже если ротор и статор имеют контактные поверхности, выполненные из жестких материалов. Ограниченная общая длина может также обеспечивать гибкость выбора материалов конструкции, которые иначе могут иметь неприемлемые цены.

[99] В некоторых вариантах осуществления ротор и/или статор могут выполняться из металла, композита, керамики, поликристаллических алмазов, твердого пластика или жесткой резины в качестве конструкционного материала. Например, оба, ротор и статор, могут выполняться из металла, с созданием контакта металла к металлу вдоль длины силовой секции.

[100] В других вариантах осуществления ротор и/или статор могут выполняться с упругим слоем (например, из бутадиен-нитрильного каучука) и твердым слоем, например, из твердой резины или пластика, керамики, композита или с металлическим покрытием, расположенным как контактная поверхность поверх упругого внутреннего слоя. Например, ротор может являться металлическим, аналогичным производимым в настоящее время роторам, и статор может состоять из резины с металлическим покрытием, где металлический слой контактирует с ротором во время работы двигателя. Аналогично слой твердой резины или армированной резины может создаваться как ближайший к осевой линии слой, входящий в контакт с ротором. Типичные "многослойные" статоры известной техники имеют твердый или армированный внутренний эластомерный слой, противоположно настоящим вариантам осуществления, для обеспечения требуемых свойств сжатия и уплотнения наружного слоя. Вместе с тем вследствие уменьшенной длины силовых секций возможно применение жесткого контактного слоя, улучшающего износостойкость двигателя (ротора, статора или обоих) с обеспечением требуемой выходной мощности. Приведен пример многослойного статора, но многослойные роторы можно также применять, например, ротор с металлическим сердечником, обеспечивающим создание крутящего момента, и эластомерным материалом, расположенным на сердечнике, и металлической оболочкой. Данные варианты осуществления показаны на фиг. 16 и 17 для ротора и статора, соответственно, где статор (фиг. 16) может включать в себя металлический корпус 1602, эластомерный слой 1604 и жесткий слой 1606, создающий контактную поверхность 1608, и ротор (фиг. 17) может включать в себя металлический сердечник 1702, эластомерный слой 1704 и жесткий слой или оболочку 1706, создающую контактную поверхность 1708.

[101] В вариантах, где соответствующие контактные участки ротора и статора (статоров) - оба являются, например, металлическими, выполненными из твердого пластика, композита или керамики, может требоваться ограничение трения, износа и других нежелательных аспектов взаимодействия между ротором и статором, которые могут обуславливать преждевременный отказ или заклинивание вращающегося компонента. Контактные поверхности вставки и/или ротора можно снабжать покрытием или обрабатывать для уменьшения по меньшей мере одного из трения и износа. Обработка может включать в себя хромирование, высокоскоростное нанесение порошковых покрытий по технологиям HVOF или HVAF, и создание диффузии во время спекания, среди прочего. Силовые секции с контактом металла с металлом могут также обеспечивать как достаточный допуск для выдерживания отходов, так и достаточную плотность контакта для ограничения перемещения ротора близким к идеальному, получая указанные выше преимущества, без использования сдерживающих устройств.

[102] Аналогично относительно небольшая контактная длина между сдерживающими устройствами и ротором или статором может обеспечивать гибкость требований к материалам и аналогично к комбинациям твердых материалов или материалов с твердым покрытием, которые можно использовать для сдерживающих устройств.

[103] Альтернативно упругий эластомер можно использовать для контактной поверхности на обоих, роторе и статоре. Уменьшение обычно высоких фрикционных нагрузок, получаемых ограничительными устройствами, может обеспечивать использование эластомерных статоров и роторов в комбинации, обеспечивающей получение требуемых показателей работы насоса (выходная мощность, износостойкость и т. д.).

[104] Преимущества от применения ограничивающих перемещение устройств могут также обеспечивать альтернативные конструктивные решения статора. Например, как показано на фиг. 18, статор можно выполнять с использованием профиля из гибридных или с заданными свойствами материалов. Как показано на фиг. 18, гребни и выемки статора 1805 можно выполнять из отличающихся материалов, где выемки 1807 выполняются из упругого эластомерного материала 1810, и гребни 1812 выполняются из жесткого материала 1815, например, твердого пластика, твердой резины, металла, керамики или композитного материала. Силы, возникающие во время нутации ротора, отличаются для гребней и выемок, выемки сталкиваются с сжимающими силами, и гребни выдерживают сдвигающие силы. Гибридная конструкция может давать в результате контакт ротора, который может являться металлическим, с жестким материалом гребней статора, которые могут также являться металлическими, но обеспечивать проход без проблем потока твердых частиц, например, промывочного раствора, включающего в себя твердую фазу, через двигатель.

[105] Одним потенциальным преимуществом ограничения перемещения двигателя может являться уменьшение вибраций, связанных с гидравлическим забойным двигателем. Результатом ограничения поперечных сил может являться уменьшенное биение или планетарная траектория в более узких пределах по сравнению с двигателем без ограничителя. В результате уменьшения вибраций может улучшаться бурение, например, с получением одного или нескольких из следующего: улучшенного качества ствола, равномерно откалиброванного ствола и улучшенного управления направлением бурения.

[106] Уменьшение длины двигателя также обеспечивает возможность модификации компонентов бурильной колонны для включения в состав двигателя. Например, корпус с регулируемым отклонением обычно включает в себя вал трансмиссии для передачи крутящего момента, генерируемого в силовой секции бурового двигателя, в поддерживающую секцию бурового двигателя. Вследствие возможного уменьшения габаритов двигателя, благодаря ограничивающим перемещение устройствам, раскрытым в данном документе, появляется возможность включения двигателя в искривленный кожух вместе с валом трансмиссии. Аналогично двигатели согласно вариантам осуществления, раскрытым в данном документе, можно предпочтительно включать в стабилизатор, управляемую по направлению буровую головку или другие различные части компоновки низа бурильной колонны (КНБК).

[107] Уменьшенная длина может также обеспечивать установку провода, проходящего через двигатель, и создавать пространство для дополнительных скважинных контрольно-измерительных приборов, например, приборов мониторинга двигателя и/или компонентов ниже двигателя. Контрольно-измерительные приборы могут предпочтительно вести мониторинг скорости вращения двигателя, перепада давления и других факторов, возможно предупреждая остановки и обеспечивая работу двигателя с высоким КПД или пиковым КПД, каждый из которых может давать в результате улучшенную эффективность бурения (увеличенную скорость проходки, уменьшенное время простоя вследствие остановки двигателей и т.д.).

[108] Хотя выше описано сдерживающее устройство, установленное вблизи ротора в двигательном блоке, например, показанное на фиг. 13, специалисту в данной области техники понятно, что вал трансмиссии, проходящий от ротора к расположенному ниже компоненту бурильной колонны и включающий в себя или работающий со сдерживающими устройствами, можно также использовать для улучшения уплотнения ротора и КПД двигателя. Например, радиальный ограничитель может устанавливаться на или работать с валом трансмиссии в верхнем конце регулируемого отклоняющего корпуса, который соединяется с двигательным блоком/двигательным переводником. При этом можно эффективно переместить сдерживающее устройство в более жесткий корпус и удалить от трубы статора, что может создавать различные преимущества, например, продленный срок службы оборудования, кроме других преимуществ.

[109] Варианты осуществления в данном документе даны только в качестве примера, и понятно, что другие системы регулирования или ограничения перемещения ротора относительно статора можно также конструировать в объеме концепций, раскрытых в данном документе.

[110] Также понятно, что хотя в показанных вариантах осуществления имеется ротор как компонент, вращающийся в статоре, и большинство насосов и двигателей выполняются именно такими, варианты осуществления, раскрытые в данном документе, должны работать аналогично, если внутренний компонент закреплен неподвижно, и наружный компонент вращается.

1. Компоновка гидравлического забойного двигателя, содержащая винтовой двигатель, имеющий ближний конец и дальний конец, содержащий:
статор, содержащий:
металлический корпус;
первый эластомерный материал, расположенный в металлическом корпусе; и
первый жесткий материал, расположенный радиально и направленный внутрь от и по меньшей мере частично покрывающий первый эластомерный материал; и
ротор, содержащий:
металлический сердечник;
второй эластомерный материал, расположенный вокруг металлического сердечника; и
второй жесткий материал, расположенный вокруг второго эластомерного материала, при этом первый жесткий материал статора контактирует со вторым жестким материалом ротора.

2. Компоновка гидравлического забойного двигателя по п. 1, в которой первый жесткий материал статора содержит по меньшей мере одно из следующего: металл, композит, керамику, твердый пластик или поликристаллический алмаз.

3. Компоновка гидравлического забойного двигателя по п. 1, в которой второй жесткий материал отличается от первого жесткого материала.

4. Компоновка гидравлического забойного двигателя по п. 1, в которой второй жесткий материал ротора содержит по меньшей мере одно из следующего: металл, композит, керамику, твердый пластик или поликристаллический алмаз.

5. Компоновка гидравлического забойного двигателя по п. 1, в которой по меньшей мере один из первого и второго жестких материалов снабжены покрытием или обрабатываются для уменьшения по меньшей мере одного из трения и износа.

6. Способ бурения ствола скважины через подземный пласт, в котором:
пропускают буровой раствор через компоновку гидравлического забойного двигателя по п. 1; и
осуществляют бурение пласта.

7. Компоновка гидравлического забойного двигателя, содержащая винтовой двигатель, содержащий:
статор и ротор;
при этом статор имеет профиль, включающий в себя участки гребней и участки выемок, и при этом участки гребней содержат жесткий материал, и участки выемок содержат упругий материал, причем чередующиеся участки жесткого материала и упругого материала образуют внутреннюю полость статора; и при этом
статор и ротор каждый содержит контактную поверхность, выполненную по меньшей мере частично из жесткого материала.

8. Компоновка гидравлического забойного двигателя по п. 7, в которой жесткий материал содержит по меньшей мере одно из следующего: металл, композит, керамику, твердый пластик или поликристаллический алмаз.

9. Компоновка гидравлического забойного двигателя по п. 7, в которой контактная поверхность по меньшей мере одного из статора и ротора снабжены покрытием или обрабатываются для уменьшения по меньшей мере одного из трения и износа.

10. Компоновка гидравлического забойного двигателя по п. 7, которая также содержит по меньшей мере одно устройство, ограничивающее радиальное и/или тангенциальное перемещение ротора относительно статора, которое установлено в регулируемом отклоняющем переводнике, функционально соединенном с концом компоновки двигателя.

11. Компоновка гидравлического забойного двигателя по п. 1, в которой второй жесткий материал является одинаковым с первым жестким материалом.

12. Компоновка гидравлического забойного двигателя по п. 7, в которой контактные поверхности статора и ротора выполнены из одинакового материала.