Патент на изобретение №2351730

(54) СТАТОР ВИНТОВОГО ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к технике бурения нефтяных и газовых скважин, а более конкретно – к винтовым забойным двигателям, применяемым в процессе строительства скважин. Статор содержит полый корпус (1), установленную внутри полого корпуса тонкостенную профилированную оболочку (2), профиль (3) которой выполнен в виде винтовых зубьев, а к внутренней поверхности профилированной оболочки (2) прикреплена эластомерная обкладка (4). Профилированная оболочка (2) установлена с зазором Z₁ к внутренней поверхности (6) полого корпуса статора, а во впадинах профилированной оболочки (2) закреплен жесткий элемент (5). Обеспечивает повышение надежности двигателя, предохраняя детали двигателя от поломки в случае чрезмерного повышения вращающего момента. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к технике бурения нефтяных и газовых скважин, а более конкретно – к винтовым забойным двигателям, применяемым в процессе строительства скважин. Эти двигатели содержат статор с внутренними винтовыми зубьями и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора.

Широко распространена традиционная конструкция статора винтового забойного двигателя, содержащего металлический корпус с цилиндрической расточкой, к которой прикреплена обкладка из упругоэластичного материала, чаще всего из резины (Гусман М.Т., Балденко Д.Ф., Кочнев A.M., Никомаров С.С. Забойные винтовые двигатели для бурения скважин. М.: Недра, 1981). На обкладке выполнены внутренние винтовые зубья статора, взаимодействующие с зубьями ротора. Эластомерная обкладка статора имеет переменную толщину, принимающую максимальное значение на выступе зуба статора и минимальное – во впадине зуба.

Недостатком известного статора является малая изгибная жесткость зубьев статора, в результате чего под действием крутящего момента происходит их значительная деформация, приводящая к искажениям расчетной геометрии зацепления, увеличению утечек жидкости, повышению механических потерь на трение в паре «ротор-статор» винтового двигателя и, в конечном счете, к уменьшению долговечности статора. Кроме того, циклическое нагружение зубьев обкладки статора с высокой частотой приводит к интенсивному саморазогреву резины вследствие ее низкой теплопроводности, что также ведет к снижению долговечности статора.

Недостатком этой конструкции статора является сложность выполнения внутренних винтовых зубьев на корпусе статора, требующего дорогостоящего металлообрабатывающего или прокатного оборудования. Другой недостаток – сложность повторного использования корпуса после износа статора.

Эти недостатки устранены в статоре винтового забойного двигателя (Патент RU 2283442 С1, МКИ F04C, F01C, Е21В), который является наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения.

Статор выполнен составным и содержит металлический толстостенный корпус с цилиндрической расточкой, внутри которого установлена тонкостенная металлическая оболочка, имеющая профильную часть, на которой выполнены винтовые зубья. К внутренней винтовой поверхности оболочки прикреплена эластомерная обкладка.

Известное техническое решение не обеспечивает предохранения деталей двигателя от поломки в случае возникновения чрезмерного повышения вращающего момента, например, при заклинивании долота в скважине.

Задачей настоящего изобретения является создание статора винтового забойного двигателя, который повышает надежность двигателя, предохраняя детали двигателя от поломки в случае чрезмерного повышения вращающего момента.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном статоре винтового забойного двигателя, содержащем полый корпус, установленную внутри полого корпуса тонкостенную профилированную оболочку, профиль которой выполнен в виде винтовых зубьев, а к внутренней поверхности оболочки прикреплена эластомерная обкладка, согласно изобретению профилированная оболочка установлена с зазором к внутренней поверхности полого корпуса статора, а во впадинах профилированной оболочки закреплен жесткий элемент.

Кроме того, согласно изобретению закрепленный во впадинах профилированной оболочки жесткий элемент выполнен в виде цилиндрических прутков, диаметр которых равен высоте винтовых зубьев.

Такое выполнение статора позволяет предохранить детали винтового забойного двигателя от поломок в случае чрезмерного возникновения крутящего момента, так как при повышении крутящего момента увеличивается давление в статоре, что приводит к диаметральному расширению тонкостенной оболочки. При этом между зубьями ротора и статора появляется зазор, через который происходит сброс избыточного давления, благодаря чему крутящий момент снижается, позволяя предохранить детали двигателя от поломки.

За счет выполнения жесткого элемента в виде цилиндрических прутков с диаметром, равным высоте винтовых зубьев, обеспечивается определенная величина расширения тонкостенной оболочки в зоне впадин профильной части.

На прилагаемых чертежах иллюстрируется сущность изобретения.

На фиг.1 показано устройство статора винтового забойного двигателя в продольном разрезе с установленным ротором.

На фиг.2 приведено поперечное сечение статора по линии А-А.

На фиг.3 показано поперечное сечение статора по линии А-А в момент чрезмерного повышения давления в статоре.

Статор винтового забойного двигателя (фиг.1 и 2) содержит полый корпус 1, внутри которого размещена тонкостенная профилированная оболочка 2, с профильной частью 3, выполненной в виде винтовых зубьев. К внутренней поверхности оболочки 2 прикреплена обкладка 4 из упругоэластичного материала, например из резины. К наружной поверхности оболочки 2 прикреплен жесткий элемент 5, выполненный в виде цилиндрических прутков. Элемент 5 может крепиться к оболочке 2 любым способом, например сваркой. Оболочка 2 крепится внутри корпуса 1 тоже любым способом, например сваркой. Профилированная оболочка 2 установлена с зазором Z₁ к внутренней поверхности 6 полого корпуса 1 статора.

Статор работает следующим образом. Внутри статора установлен ротор 7 с винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, а профили зубьев статора и ротора 7 выполнены взаимоогибаемыми. Своим верхним концом статор присоединен к колонне бурильных труб (не показаны), а нижним концом – к корпусу опорного узла (не показан). Ротор 7 связан с валом опорного узла посредством, например, универсального шарнирного соединения. К нижнему концу вала опорного узла присоединен породоразрушающий инструмент – долото.

При подаче рабочей жидкости с поверхности по колонне бурильных труб ротор 7 приводится во вращение, обкатываясь по зубьям статора, и приводит во вращение долото.

При чрезмерном повышении вращающего момента на долоте, а следовательно, и на роторе 7 давление промывочной жидкости в статоре повышается, тонкостенная оболочка 2 вместе с обкладкой 4 раздуваются, выбирая зазор Z₁, и между зубьями ротора 7 и эластомерной обкладкой 4 устанавливается зазор Z₂ (см. фиг.3). При этом часть промывочной жидкости сбрасывается в зазор Z₂. Давление падает, вращающий момент на роторе 7 уменьшается, благодаря чему детали винтового забойного двигателя предохраняются от поломки. После снижения вращающего момента на роторе 7 и падения давления в полости Р тонкостенная оболочка 2 за счет своих упругих свойств возвращается в исходное положение (см. фиг.2).

Жесткий элемент 5, выполненный в виде цилиндрических прутков, установленных во впадинах оболочки 2, ограничивает раздутие впадин оболочки 2 во время повышения давления. Благодаря тому, что диаметр прутков 5 равен высоте винтовых зубьев, при чрезмерном повышении давления промывочной жидкости обеспечивается определенная величина расширения тонкостенной оболочки 2 в зоне впадин профильной части 3, не превышающая величины упругой деформации оболочки 2 для обеспечения ее возвращения в исходное состояние после снижения давления.

В отличие от прототипа в предлагаемом техническом решении благодаря зазору Z₁ между внутренней поверхностью полого корпуса 1 статора и профилированной тонкостенной оболочки 2 детали винтового забойного двигателя предохраняются от поломки вследствие стравливания избыточного давления в зазор Z₂, что повышает надежность винтового забойного двигателя.

Формула изобретения

1. Статор винтового забойного двигателя, содержащий полый корпус, установленную внутри корпуса тонкостенную профилированную оболочку, профиль которой выполнен в виде винтовых зубьев, а к внутренней поверхности профилированной оболочки прикреплена эластомерная обкладка, отличающийся тем, что профилированная оболочка установлена с зазором к внутренней поверхности полого корпуса статора, а во впадинах профилированной оболочки закреплен жесткий элемент.

2. Статор по п.1, отличающийся тем, что закрепленный во впадинах профилированной оболочки жесткий элемент выполнен в виде цилиндрических прутков, диаметр которых равен высоте винтовых зубьев.

РИСУНКИ