РАБОЧАЯ СЕКЦИЯ ЗАБОЙНОГО ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ДВИГАТЕЛЯ

Предлагаемое техническое решение относится к буровой технике и может использоваться для бурения скважин различного назначения.
Известны конструкции гидравлических забойных двигателей (А.с. SU №557172 кл. Е21В 3/12, 1977 и а.с. SU №1601307 Кл. Е21В 4/02, 1990). В данных технических решениях использованы системы разной быстроходности, где винтовая пара и система турбин расположены в отдельных корпусах, а ротор винтовой пары соединен гибким (карданным) валом, имеющим разъемное, а во втором решении и подвижное соединение с жестким валом, на котором закреплены роторы ступеней турбин, при этом требуется установка упора для ограничения движения ротора винтовой пары вверх, особенно при работе в насосном режиме. Данные конструкции решают вопросы стабилизации (торможения) оборотов, а во втором решении также повышения крутящего момента двигателя, уменьшают воздействие поперечных вибраций, но значительно увеличивает осевой габарит и количество корпусных резьбовых соединений вследствие того, что винтовая пара расположена в отдельном корпусе, а гибкая часть вала (кардана), имеющая разъемные соединения, сочленяется с нижней частью ротора пары и жестким валом. Увеличение корпусных резьбовых соединений также имеет негативное значение при совместном вращении двигателя и бурильной колонны ротором.
Известно техническое решение: винтовой героторный двигатель, выбранный в качестве прототипа (патент RU №2203380 Е21В 4/02, F03B 13/02, 2003), состоящий из шпинделя (опорного узла), рабочей секции и переводников. Рабочая секция включает корпус, внутри которого расположена винтовая пара и система турбин. В прототипе используются две двигательные системы различной быстроходности, при этом состоящая из
ротора и статора винтовая пара несамозапускающаяся, расположена внутри корпуса рабочей секции двигателя, при этом ротор винтовой пары установлен и фрикционно закреплен на одном жестком валу с роторами ступеней турбин. Ступени турбин состоят из роторов и статоров, а последние совместно со статором винтовой пары жестко (фрикционно) закреплены в корпусе рабочей секции, которая содержит до 60 ступеней турбины, служащих активатором, пускателем ротора винтовой пары. Прототип предусматривает сокращение длины рабочей секции за счет применения несамозапускающейся винтовой пары с малыми углами наклона (до 60°) подъема винтовых линий по отношению к плоскости, перпендикулярной оси винтовой пары. Не требуется установки упора, ограничивающего движение ротора вверх.
Однако конструкция указанного двигателя усложняется в связи с необходимостью уменьшения негативного эффекта от поперечных вибраций, вызываемых вращающимся ротором винтовой пары, для чего дополнительно используются амортизаторы вала рабочей секции и резинометаллические уплотнения в ступенях турбин, не дающие гарантию на должное устранение причин, их вызывающих.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности и надежности работы рабочей секции и двигателя за счет уменьшения поперечных вибраций турбинной части, упрощения конструкции секции, увеличения крутящего момента, стабилизации и ограничения определенного числа оборотов, а также сокращение осевого габарита рабочей секции.
Поставленная задача решается тем, что в рабочей секции забойного гидравлического двигателя, включающей корпус, внутри которого расположены винтовая пара, состоящая из полого ротора и статора, выполненная несамозапускающейся с углом подъема винтовой линии менее 60° по отношению к плоскости, перпендикулярной оси ротора, ступени турбин, состоящие из роторов и статоров, вал секции и переводники, согласно изобретению, вал выполнен из гибкой и жесткой частей, при этом
гибкая часть вала соединяет ротор винтовой пары через его верхнюю часть с роторами ступеней турбин, зафиксированными на жесткой части вала рабочей секции, а статор винтовой пары и статоры ступеней турбины неподвижно закреплены в корпусе рабочей секции.
Кроме того, резиновая обкладка статора винтовой пары выполнена постоянной толщиной по контактному профилю зубьев.
Кроме того, ступени турбин выполняются комбинированными, в которых проточная часть роторов выполняется из полимерных материалов.
В отличие от прототипа вал рабочей секции двигателя содержит гибкую часть, через которую передается крутящий момент и осевое усилие от ротора винтовой пары на жесткую часть вала секции, подобно торсиону, применяемому в забойных винтовых двигателях.
Наличие гибкой части вала уменьшает влияние поперечных вибраций от ротора винтовой пары, при этом сохраняя, как в прототипе, неразъемную (жесткую) связь ротора винтовой пары с роторами турбин посредством вала секции. Таким образом, поперечные вибрации в минимальной степени отражаются на работе турбин, что положительно влияет на работоспособность, надежность и эффективность рабочей секции забойного двигателя. Гибкая часть вала секции может изготовляться различными технологиями (прокаткой, механической обработкой, с помощью неподвижных соединений и др.)
Включение в состав рабочей секции винтовой пары, имеющей жесткую характеристику по крутящему моменту и выходным оборотам, позволяет ограничивать, стабилизировать разгонные обороты турбинной части рабочей секции, повышать крутящий момент и эффективность работы двигателя.
Выполнение в предлагаемой полезной модели эластичной резиновой обкладки статора с равномерной, постоянной толщиной способствует снижению деформации эластичной обкладки статора, что способствует уменьшению температурного влияния, снижению искажения профиля зубьев статора, улучшению уплотнительных свойств винтовой пары, что, в
свою очередь, приводит к увеличению срока службы, повышению крутящего момента и при необходимости снижению длины винтовой пары.
Кроме того, в случае недостаточно качественной вулканизации эластичная обкладка статора постоянной толщины уменьшает вероятность отрыва эластичной обкладки от металлического корпуса статора, что также повышает наработку на отказ и надежность работы рабочей секции.
Выполнение проточной части составного ротора ступени турбины из полимерного материала (например, полиамида 12) улучшает энергетическую характеристику, уменьшает потребность в запасных частях, снижает шламование турбины.
Предлагаемая компоновка рабочей секции забойного гидравлического двигателя может служить модульной составляющей (модулем) в качестве верхней секции комплекса (группы) модульных секционных турбобуров с гидромеханическими преобразователями частоты вращения.
На фиг.1 изображена в разрезе рабочая секция гидравлического забойного двигателя.
В корпусе 1 расположен статор 2 винтовой пары с одинаковой по толщине резиновой обкладкой 3. Внутри статора 2 винтовой пары установлен с определенным расчетным эксцентриситетом (полый) ротор 4 винтовой пары, соединенный с верхней гибкой частью 5 вала 6 через конусный упор 7 (возможно дополнительное болтовое крепление 8 конусной части гибкой части 5 вала 6 с конусным упором 7, также применение шарнирного соединения гибкой части 5 вала 6 с ротором винтовой пары). На жесткой части вала 9 установлены втулки 10 проточной (средней) радиальной опоры 11 и роторы 12 турбин, состоящие из полимерной проточной части 13 и металлической ступицы 14. Детали на жесткой части 9 вала 6 неподвижно (фрикционно) закрепляются переводником (или полумуфтой) 15.
Базовые детали: статор винтовой пары 2, проточные радиальные опоры 11, статоры 16 ступеней турбины 17 (ступени турбины 17 состоят из
статора 16 и ротора 12) затягиваются и фиксируются по корпусу 1 рабочей секции соединительными переводниками 18 и 19.
Также посредством указанных переводников 18 и 19 крепится рабочая секция к бурильным трубам и к корпусу опорного узла - шпинделю двигателя (на чертеже не показан), а через переводник 15 (или, например, конусно-шлицевую муфту) осуществляется соединение вала 6 рабочей секции с валом шпинделя (на чертеже не показано).
Одна (например, верхняя) проточная радиальная опора 11 расположена в зоне жесткой части вала перед ступенями турбин и служит для восприятия радиальных нагрузок от ротора винтовой пары и неуравновешенных масс роторов турбин. Другая радиальная опора устанавливается для восприятия усилий от несоосности жесткой части вала рабочей секции с валом шпинделя и также радиального усилия от неуравновешенных масс деталей, находящихся на валу 9. Количество проточных радиальных опор может быть изменено при необходимости увеличения числа турбин.
Для осуществления процесса бурения рабочая секция забойного гидравлического двигателя крепится верхним переводником 18 к бурильной колонне, нижними переводниками 19 и 15 к шпинделю двигателя, соединенному с долотом.
При проведении буровых работ, когда рабочая секция со шпинделем двигателя находятся в скважине, глинистый или другой раствор поступает из бурильных труб внутрь переводника 18, далее в статор 2 и ротор 4 винтовой пары, статор 16 и ротор 12 ступеней турбин 17, через проточные радиальные опоры 11 в полость вала шпинделя двигателя, буровое долото и на забой скважины (на чертеже не показаны). При использовании самотормозящейся винтовой пары роторы 12 ступеней турбины передают вращение жесткой части 9 вала 6 и через гибкую часть 5 вала 6 выводят из состояния покоя и раскручивают ротор 4 винтовой пары. Затем обе двигательные системы различной быстроходности (турбина и винтовая пара) работают одновременно и передают вращение через вал 6 рабочей секции валу
шпинделя и долоту. Гидравлические нагрузки от ротора 4 винтовой пары и роторов 12 ступеней турбин через вал 6 и переводник 15 рабочей секции передаются на вал и осевые опоры шпинделя (на чертеже не показаны).
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет решить вопросы стабилизации частоты вращения вала рабочей секции, повышения крутящего момента, уменьшения числа корпусных и резьбовых соединений, сокращения осевого габарита секции.
Кроме того, предлагаемая конструкция повышает эффективность и надежность работы рабочей секции и соответственно двигателя. При этом устраняются повышенные поперечные вибрации и колебания роторов турбин, не требуется амортизаторы для вала рабочей секции и резинометаллические уплотнения для ступеней турбин, повышается межремонтный ресурс рабочей секции, уменьшается число непредвиденных отказов.
Предлагаемая конструктивная компоновка рабочей секции при необходимости может служить и верхней секцией (модулем), так называемой группы «гибридных» секционных турбобуров (двигателей).
При этом «гибридные» компоновки забойных двигателей с использованием рационального сочетания двигательных систем различной быстроходности в определенной степени аналогичны «гибридным» автомобилям, в которых используются различные силовые приводы (бензиновый и электропривод), позволяющие оптимально работать в любом режиме.