ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к буровой технике, а именно к забойным двигателям, предназначенным для бурения и ремонта нефтяных и газовых скважин.
Известны винтовые забойные двигатели (см. Д.Ф.Балденко, Ф.Д.Балденко, А.Н.Гноевых «Винтовые забойные двигатели», М. Недра, 1999 г., стр.35-42, стр.181). Недостатками данных забойных двигателей являются ограничение применения данных двигателей при рабочих температурах свыше 120°С, из-за изменения свойств упругоэластичной обкладки при повышенных температурах, ограничение применения промывочных жидкостей на углеводородной основе из-за набухания и разрушения упругоэластичной обкладки, малый срок гарантийного хранения перед их использованием из-за старения и потери свойств упругоэластичной обкладки, низкий КПД двигателей при сборке ротора и статора с натягом.
Ближайшим аналогом предлагаемой полезной модели является «Забойный двигатель, бурильное устройство и буровая установка» (по патенту 2164999 с датой публикации 2001.04.10), авторы Гари Лоуренс ХАРРИС (US) и Гектор Дрентам САСМЭН (GB).
Одним из недостатков данного забойного двигателя является технологическая сложность изготовления внутренних выемок статора для размещения уплотняющих стержней, что ведет к удорожанию двигателя. Помимо того необходимость размещения выпускных отверстий в статоре двигателя, приводит к уменьшению полезного диаметра ротора и соответственно уменьшает рабочий объем и мощность двигателя. Недостатком является расположение уплотняющих стержней в выемках статора, что при высокой плотности текучей среды (глинистые буровые растворы, буровые растворы с высоким содержанием песка) приводит к закреплению стержней в выемках статора и препятствует свободному
выдвижению стержней из выемок, что ведет к отказу двигателя. Особенно это проявляется при бурении горизонтальных скважин, где при горизонтальном расположении двигателя выдвижению нижнего стержня препятствует еще и сила тяжести самого стержня.
Недостатком также является присутствие в данном двигателе «нерабочих положений» вызывающее необходимость применения второго двигателя работающего со смещением по угловому отношению с первым, что увеличивает общую длину двигателя. При бурении и ремонте искривленных скважин, увеличенная длина двигателя может привести к прихвату двигателя на забое и повышенным затратам на бурение. Помимо этого увеличивается вес двигателя и расход металла на его изготовление.
Предлагаемой полезной моделью решается задача уменьшения длины двигателя, уменьшения затрат на изготовление двигателя, при улучшении технологичности изготовления деталей двигателя, и в большей степени увеличения надежности работы двигателя по сравнению с аналогом.
Этот технический результат достигается тем, что в забойном двигателе, содержащем опорный узел, верхний соединительный переводник, статор и ротор, установленный в статоре посредством радиальных опор с возможностью вращения относительно статора и с образованием, по меньшей мере, одной камеры между ротором и статором, при этом ротор имеет центральное отверстие, соединенное окнами с камерой между ротором и статором, ротор также имеет, как минимум, три продольные выемки расположенные равномерно по окружности наружной поверхности ротора, причем в каждой выемке ротора с боковым зазором расположен, в крайнем случае, один стержень, который при работе двигателя образует уплотнение между ротором и статором, согласно полезной модели двигатель содержит центральный вал, закрепленный неподвижно относительно статора в верхней части двигателя, при этом центральный вал установлен с зазором в центральное отверстие ротора с
возможностью вращения ротора, центральный вал имеет, как минимум, один напорный внутренний канал и, по меньшей мере, один отводящий внутренний канал, при этом напорный внутренний канал снабжен ограничителем потока в нижней части центрального вала и имеет, в крайнем случае, одно окно для выхода текучей среды из напорного внутреннего канала центрального вала, а отводящий внутренний канал, снабжен ограничителем потока в верхней части центрального вала и имеет, как минимум, одно окно для входа текучей среды в отводящий внутренний канал центрального вала, при этом окно напорного внутреннего канала центрального вала расположено напротив одного продольного бокового края камеры между ротором и статором, а окно отводящего внутреннего канала центрального вала находится напротив другого продольного бокового края камеры между ротором и статором при сборке двигателя, и окна ротора относительно окон напорного и отводящего каналов центрального вала расположены таким образом, что при любом угловом положении ротора относительно центрального вала, по меньшей мере, одно из окон ротора частично или полностью совпадает и сообщается с окном напорного внутреннего канала центрального вала, образуя напорный проток между окнами с возможностью прохождения текучей среды в камеру между ротором и статором из напорного внутреннего канала центрального вала через напорный проток при работе двигателя и, в крайнем случае, одно другое окно ротора частично или полностью совпадает и сообщается с окном отводящего внутреннего канала центрального вала, образуя отводящий проток между окнами с возможностью прохождения текучей среды из камеры между ротором и статором в отводящий внутренний канал центрального вала через отводящий проток при работе двигателя.
Технический результат сохраняется, когда при этом в каждую продольную выемку на наружной поверхности ротора выходит, по меньшей мере, одно окно ротора, при этом данное окно ротора соединяется
с камерой между ротором и статором посредством бокового зазора между стержнем и выемкой на наружной поверхности ротора.
Технический результат сохраняется также и когда статор имеет, по меньшей мере, одно износостойкое уплотнение для взаимодействия с ротором и когда ограничители потока напорного и отводящего внутренних каналов центрального вала имеют заглушки препятствующие прохождению потока текучей среды через ограничители потока и служащие для направления всего потока текучей среды через камеру между ротором и статором.
Технический результат также сохраняется, когда окна ротора относительно окон напорного и отводящего каналов центрального вала выполнены и расположены с возможностью периодического изменения площади напорного протока и площади отводящего протока, при работе двигателя.
Технический результат сохраняется, когда напорный внутренний канал центрального вала, и отводящий внутренний канал центрального вала образуются посредством закрепленной в отверстии центрального вала вставной перегородки и когда вставная перегородка выполнена винтовой, с образованием винтового напорного и винтового отводящего внутренних каналов центрального вала.
Технический результат сохраняется, когда двигатель выполнен в соответствии с выше описанным и при этом центральный вал двигателя имеет на наружной поверхности напорный наружный канал, соединенный с окном напорного внутреннего канала центрального вала и отводящий наружный канал, соединенный с окном отводящего внутреннего канала центрального вала.
Отличительными признаками предлагаемого забойного двигателя от указанного выше, наиболее близкого к нему, является следующее:
Во-первых, забойный двигатель, содержащий опорный узел, верхний соединительный переводник, статор и ротор, установленный в статоре
посредством радиальных опор с возможностью вращения относительно статора и с образованием, по меньшей мере, одной камеры между ротором и статором, при этом ротор имеет центральное отверстие, соединенное окнами с камерой между ротором и статором, ротор также имеет, как минимум, три продольные выемки расположенные равномерно по окружности наружной поверхности ротора, причем в каждой выемке ротора с боковым зазором расположен, в крайнем случае, один стержень, который при работе двигателя образует уплотнение между ротором и статором, согласно полезной модели двигатель содержит центральный вал, закрепленный неподвижно относительно статора в верхней части двигателя, при этом центральный вал установлен с зазором в центральное отверстие ротора с возможностью вращения ротора, центральный вал имеет, как минимум, один напорный внутренний канал и, по меньшей мере, один отводящий внутренний канал, при этом напорный внутренний канал снабжен ограничителем потока в нижней части центрального вала и имеет, в крайнем случае, одно окно для выхода текучей среды из напорного внутреннего канала центрального вала, а отводящий внутренний канал, снабжен ограничителем потока в верхней части центрального вала и имеет, как минимум, одно окно для входа текучей среды в отводящий внутренний канал центрального вала, при этом окно напорного внутреннего канала центрального вала расположено напротив одного продольного бокового края камеры между ротором и статором, а окно отводящего внутреннего канала центрального вала находится напротив другого продольного бокового края камеры между ротором и статором при сборке двигателя, и окна ротора относительно окон напорного и отводящего каналов центрального вала расположены таким образом, что при любом угловом положении ротора относительно центрального вала, по меньшей мере, одно из окон ротора частично или полностью совпадает и сообщается с окном напорного внутреннего канала центрального вала, образуя напорный проток между окнами с возможностью прохождения текучей среды в камеру между
ротором и статором из напорного внутреннего канала центрального вала через напорный проток при работе двигателя и, в крайнем случае, одно другое окно ротора частично или полностью совпадает и сообщается с окном отводящего внутреннего канала центрального вала, образуя отводящий проток между окнами с возможностью прохождения текучей среды из камеры между ротором и статором в отводящий внутренний канал центрального вала через отводящий проток при работе двигателя.
Такое выполнение забойного двигателя позволяет уменьшить его длину, по сравнению с прототипом и соответственно бурить или ремонтировать искривленные скважины с меньшим радиусом искривления и также уменьшить затраты на изготовление двигателя при улучшении технологичности изготовления деталей двигателя, и в большей степени увеличить надежность работы двигателя.
Во-вторых, при изготовлении забойного двигателя, когда в каждую продольную выемку на наружной поверхности ротора выходит, по меньшей мере, одно окно ротора, при этом данное окно ротора соединяется с камерой между ротором и статором посредством бокового зазора между стержнем и выемкой на наружной поверхности ротора, дополнительно увеличивается надежность двигателя в связи с принудительным выводом стержней в зону уплотнения из выемок ротора потоком текучей среды из окон ротора при работе двигателя.
В-третьих, когда статор имеет, по меньшей мере, одно износостойкое уплотнение для взаимодействия с ротором, увеличивается долговечность двигателя.
В-четвертых, когда ограничители потока напорного и отводящего внутренних каналов центрального вала имеют заглушки препятствующие прохождению потока текучей среды через ограничители потока и служащие для направления всего потока текучей среды через камеру между ротором и статором увеличивается рабочий момент двигателя.
В-пятых, когда окна ротора относительно окон напорного и отводящего каналов центрального вала выполнены и расположены с возможностью периодического изменения площади напорного протока и площади отводящего протока, при работе двигателя, увеличивается долговечность двигателя за счет возникновения пульсаций давления потока текучей среды, улучшающих промывку зазоров от абразивных частиц между контактными поверхностями центрального отверстия ротора и центрального вала, радиальных опор и опорного узла двигателя.
В-шестых, когда напорный внутренний канал центрального вала, и отводящий внутренний канал центрального вала образуются посредством закрепленной в отверстии центрального вала вставной перегородки, упрощается технология изготовления внутренних каналов центрального вала.
В-седьмых, когда вставная перегородка выполнена винтовой, с образованием винтового напорного и винтового отводящего внутренних каналов центрального вала, становится возможным использовать только один напорный внутренний канал центрального вала для подачи текучей среды в одни боковые края двух или более камер между ротором и статором, и только один отводящий внутренний канал центрального вала использовать для отвода текучей среды от других боковых краев камер между ротором и статором, что уменьшает количество внутренних каналов центрального вала и упрощает технологию изготовления двигателя.
В-восьмых, когда центральный вал имеет на наружной поверхности напорный наружный канал, соединенный с окном напорного внутреннего канала центрального вала и отводящий наружный канал, соединенный с окном отводящего внутреннего канала центрального вала, дополнительно увеличивается надежность двигателя в связи с улучшением возможности распределения потока по наружным каналам центрального вала в окна ротора вдоль оси ротора и центрального вала при работе двигателя. При этом дополнительно увеличивается долговечность двигателя, в связи с
уменьшением износа контактных поверхностей центрального вала и ротора, при использовании наружных каналов центрального вала для сбора с контактных поверхностей, размещения и последующего отвода абразивного шлама содержащегося в текучей среде.
Забойный двигатель иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-5:
На фиг.1 показан общий вид забойного двигателя.
На фиг.2 - сечение А-А на общем виде забойного двигателя, при этом окна ротора условно показаны в одном сечении.
На фиг.3 - аксонометрия центрального вала, ротора и статора, при этом двигатель содержит две камеры между ротором и статором и по два напорных (+) и отводящих (-) внутренних каналов центрального вала, образованных посредством закрепленной в отверстии центрального вала вставной перегородки.
На фиг.4 - аксонометрия центрального вала, ротора и статора, когда вставная перегородка центрального вала выполнена винтовой.
На фиг.5 - развертка контактных поверхностей: внутренней поверхности центрального отверстия ротора и наружной поверхности центрального вала.
Забойный двигатель содержит (фиг.1) опорный узел 1, верхний соединительный переводник 2, статор 3 и ротор 4, установленный в статоре 3 посредством радиальных опор 5, 27, с возможностью вращения относительно статора 3 и с образованием, по меньшей мере, одной камеры 6 между ротором 4 и статором 3, при этом ротор 4 имеет центральное отверстие 7, соединенное окнами 8 с камерой 6 между ротором 4 и статором 3, ротор 4 также имеет (фиг.2), как минимум, три продольные выемки 9 расположенные равномерно по окружности наружной поверхности ротора 4, причем в каждой выемке 9 ротора 4 с боковым зазором 18 расположен, в крайнем случае, один стержень 10, который при работе двигателя образует уплотнение между ротором 4 и статором 3, двигатель также содержит
центральный вал 11, закрепленный неподвижно относительно статора 3 в верхней части двигателя, при этом центральный вал 11 установлен с зазором в центральное отверстие 7 ротора 4 с возможностью вращения ротора 4, центральный вал 11 имеет, как минимум, один напорный внутренний канал 12 и, по меньшей мере, один отводящий внутренний канал 13, при этом напорный внутренний канал 12 снабжен ограничителем 14 потока в нижней части центрального вала 11 и имеет, в крайнем случае, одно окно 15 для выхода текучей среды из напорного внутреннего канала 12 центрального вала 11, а отводящий внутренний канал 13, снабжен ограничителем 16 потока в верхней части центрального вала 11 и имеет, как минимум, одно окно 17 для входа текучей среды в отводящий внутренний канал 13 центрального вала 11, при этом окно 15 напорного внутреннего канала 12 центрального вала 11 расположено напротив одного продольного бокового края камеры 6 между ротором 4 и статором 3, а окно 17 отводящего внутреннего канала 13 центрального вала 11 находится напротив другого продольного бокового края камеры 6 между ротором 4 и статором 3 при сборке двигателя, и окна ротора 8 относительно окон 15, 17 напорного и отводящего каналов 12, 13 центрального вала 11 расположены таким образом (фиг.2, 5), что при любом угловом положении ротора 4 относительно центрального вала 11, по меньшей мере, одно из окон 8 ротора частично или полностью совпадает и сообщается с окном 15 напорного внутреннего канала 12 центрального вала 11, образуя напорный проток 19 между окнами 15, 8 с возможностью прохождения текучей среды в камеру 6 между ротором 4 и статором 3 из напорного внутреннего канала 12 центрального вала 11 через напорный проток 19 при работе двигателя и, в крайнем случае, одно другое окно 8 ротора 4 частично или полностью совпадает и сообщается с окном 17 отводящего внутреннего канала 13 центрального вала 11, образуя отводящий проток 20 между окнами с возможностью прохождения текучей среды из камеры 6 между ротором 4 и
статором 3 в отводящий внутренний канал 13 центрального вала 11 через отводящий проток 20 при работе двигателя.
В каждую продольную выемку 9 на наружной поверхности ротора 4 выходит, по меньшей мере, одно окно 8 ротора 4, при этом данное окно 8 ротора 4 соединяется с камерой 6 между ротором 4 и статором 3 посредством бокового зазора 18 между стержнем 10 и выемкой 9 на наружной поверхности ротора 4.
Статор 3 имеет (фиг.2), по меньшей мере, одно износостойкое уплотнение 21 для взаимодействия с ротором 4.
Ограничители 16, 14 потока напорного и отводящего внутренних каналов 12, 13 центрального вала 11 имеют заглушки 22 (фиг.1) препятствующие прохождению потока текучей среды через ограничители 16, 14 потока и служащие для направления всего потока текучей среды через камеру 6 между ротором 4 и статором 3.
Окна 8 ротора 4 относительно окон 15, 17 напорного и отводящего каналов 12, 13 центрального вала 11 выполнены и расположены (фиг.5) с возможностью периодического изменения площади напорного протока 19 и площади отводящего протока 20, при работе двигателя.
Напорный внутренний канал 12 центрального вала 11, и отводящий внутренний канал 13 центрального вала 11 образуются посредством закрепленной в отверстии 23 центрального вала 11 вставной перегородки 24.
Вставная перегородка 24 выполнена винтовой (фиг.4), с образованием винтового напорного и винтового отводящего внутренних каналов 12, 13 центрального вала 11.
Центральный вал 11 имеет на наружной поверхности (фиг.2, 3) напорный наружный канал 25, соединенный с окном 15 напорного внутреннего канала 12 центрального вала 11 и отводящий наружный канал 26, соединенный с окном 17 отводящего внутреннего канала 13 центрального вала 11.
Забойный двигатель работает следующим образом. Подаваемая под давлением бурового насоса с поверхности по колонне бурильных труб (не показаны), текучая среда через верхний переводник 2, поступает в напорный канал 12, центрального вала 11. Далее через напорный проток 19 между окнами 15 и 8, текучая среда поступает к продольному боковому краю камеры 6 между ротором 4 и статором 3. Стержень 10, под действием потока текучей среды, выходя из выемки 9 в полость между ротором и статором, образует уплотнение между ротором 4 и статором 3. Под действием неуравновешенного давления текучей среды на стержень 10, создается неуравновешенная сила, действующая на стержень 10 находящийся в зацеплении с выемкой 9 ротора 4, вызывая вращение ротора 4 относительно статора 3 и перекатывание стержня 10 по внутренней поверхности статора 3. Текучая среда, вращая ротор 4, проходит к другому продольному боковому краю камеры 6 между ротором 4 и статором 3 и далее через отводящий проток 20 между окнами 8 и 17, поступает в отводящий канал 13 центрального вала 11 и далее отводится к долоту или другому буровому инструменту. При отсутствии заглушек 22 ограничителя потока 14 и 16, часть текучей среды сразу отводится к долоту через ограничители потока, не участвуя в рабочем процессе двигателя, для улучшения промывки забоя, когда это необходимо для технологии бурения конкретной скважины. При выполнении двигателя (фиг.2, 5), когда окна 8 ротора 4 относительно окон 15, 17 напорного и отводящего каналов 12, 13 центрального вала 11 выполнены и расположены с возможностью периодического изменения площади напорного протока 19 и площади отводящего протока 20, при работе двигателя, увеличивается долговечность двигателя за счет возникновения пульсаций давления потока текучей среды, улучшающих смазку и промывку зазоров от абразивных частиц между контактными поверхностями центрального отверстия 7 ротора 4 и центрального вала 11, радиальных опор 5, 27 и опорного узла двигателя 1.
При выполнении двигателя, когда напорный внутренний канал 12 центрального вала 11, и отводящий внутренний канал 13 центрального вала 11 образуются посредством закрепленной в отверстии 23 центрального вала 11 вставной перегородки 24, упрощается технология изготовления внутренних каналов 12, 13 центрального вала 11. При этом, когда вставная перегородка 24 выполнена винтовой (фиг.4), с образованием винтового напорного и винтового отводящего внутренних каналов 12, 13 центрального вала 11, становится возможным использовать только один напорный внутренний канал 12 центрального вала 11 для подачи текучей среды в одни боковые края двух или более камер 6 между ротором 4 и статором 3, и только один отводящий внутренний канал 13 центрального вала 11 использовать для отвода текучей среды от других боковых краев камер 6 между ротором 4 и статором 3, что уменьшает количество внутренних каналов центрального вала 11 и упрощает технологию изготовления двигателя.
При выполнении двигателя, когда центральный вал 11 имеет на наружной поверхности напорный наружный канал 25, соединенный с окном 15 напорного внутреннего канала 12 центрального вала 11 и отводящий наружный канал 26, соединенный с окном 17 отводящего внутреннего канала 13 центрального вала 11, дополнительно увеличивается надежность двигателя в связи с улучшением возможности распределения потока по наружным каналам 25, 26 центрального вала 11 в окна 8 ротора 4 вдоль оси ротора 4 и центрального вала 11 при работе двигателя. При этом дополнительно увеличивается долговечность двигателя, в связи с уменьшением износа контактных поверхностей центрального вала 11 и ротора 4, при использовании наружных каналов 25, 26 центрального вала 11 для сбора с контактных поверхностей, размещения и последующего отвода абразивного шлама содержащегося в текучей среде.
При выполнении двигателя, когда в каждую продольную выемку 9 на наружной поверхности ротора 4 выходит, по меньшей мере, одно окно 8
ротора 4, при этом данное окно 8 ротора 4 соединяется с камерой 6 между ротором 4 и статором 3 посредством бокового зазора 18 между стержнем 10 и выемкой 9 на наружной поверхности ротора 4, стержень 10 создает гидравлическое сопротивление протоку текучей среды из окна ротора, при этом дополнительно увеличивается надежность двигателя в связи с принудительным выводом стержня 10 в зону уплотнения из выемок ротора потоком текучей среды из окон 8 ротора 4 при работе двигателя. Помимо этого, расположение стержней 10 в выемках ротора 4 в предлагаемом двигателе способствует выдвижению стержней 10 в камеру 6 между ротором 4 и статором 3 также и под действием инерционных сил действующих на стержни при вращении ротора. Использование забойного двигателя выполненного в соответствии с вышеописанным помимо значительного уменьшения длины двигателя, улучшения технологичности его изготовления, в большей степени увеличивает его надежность, и в связи с этим расширяет возможность применения данного двигателя не только при температурах скважин превышающих 120°С, но и в обычных скважинах, где бурение и ремонт скважин производится в основном винтовыми забойными двигателями и турбобурами.