Статор винтового забойного двигателя для бурения скважин

Полезная модель относится к буровой технике, а именно к винтовым забойным двигателям, предназначенным для бурения и ремонта нефтяных и газовых скважин.
Известен статор винтового забойного двигателя (далее ВЗД), описанного в книге авторов Д.Ф. Балденко, Ф.Д. Балденко, А.Н. Гноевых «Одновинтовые гидравлические машины» (М., ООО «ИРЦ Газпром» - 2007, т. 2, стр. 166). Статор содержит трубчатый полый корпус и закрепленную в нем резиновую обкладку с внутренними винтовыми зубьями, которые взаимодействуют с размещенным внутри статора стальным ротором с наружными зубьями, число которых на единицу меньше количества зубьев статора. Недостатком конструкции статора является то, что при работе двигателя резиновые зубья статора, подверженные значительным нагрузкам со стороны зубьев ротора, деформируются, при этом нарушается геометрия зацепления, возрастают энергопотери, резина разогревается, снижается КПД двигателя. Из-за низкой теплопроводности резины в обкладке может возникнуть перегрев, могут выкрашиваться зубья. Для снижения напряжений увеличивают длину статора и ротора, что приводит к повышению материалоемкости, трудоемкости изготовления, цены двигателя, а также к снижению технологических параметров двигателя при бурении.
Известен статор ВЗД, описанный в вышеуказанном источнике (стр. 67-68), на внутренней поверхности трубчатого корпуса которого выполнены металлические зубья, а резиновая обкладка практически равномерна по толщине и значительно меньше по объему. Зубья статора жестче, объемы деформации меньше. Но за счет уменьшения внутреннего диаметра трубной заготовки качественного металла и трудоемкости изготовления внутреннего металлического зуба возрастает цена двигателя.
Известна конструкция статора ВЗД по патенту РФ №2287655, содержащего металлические внутренние зубья, облицованные резиновой обкладкой. Здесь статор состоит из трубчатого корпуса и металлической гильзы с внутренними зубьями, причем корпус изготовлен из качественной стали, а гильза - из металла или сплава с низкой температурой плавления (например, из сплава на основе цинка или алюминия). Гильза изготавливается путем заливки расплава материала в трубчатый корпус статора. Внутренняя поверхность зубьев облицована слоем резины. Зуб такого статора также становится более жестким, но при заливке расплавленного металла в корпус статора могут измениться свойства материала корпуса (отпуск), что может привести к аварии при работе двигателя в скважине.
Известен статор ВЗД по патенту на изобретение РФ №2320838, включающий полый цилиндрический корпус, установленную в нем гильзу с внутренними винтовыми зубьями и закрепленной в ней эластичной обкладкой, повторяющей форму внутренней поверхности гильзы, причем гильза снабжена отверстиями в зоне впадин винтовых зубьев, установлена в корпусе с кольцевым зазором, заполненным эластомером через отверстия в гильзе. Основным недостатком указанного статора является то, что крепление гильзы к корпусу осуществляется с помощью резины, которая проникает в кольцевой зазор между гильзой и корпусом статора через отверстия в гильзе. Величина радиального зазора должна быть достаточно велика, так как сырая резина при запрессовке обладает высокой вязкостью. Это приводит к снижению радиальных размеров обкладки статора и диаметра ротора и, следовательно, к снижению крутящего момента и мощности двигателя. Кроме того, снижается надежность крепления гильзы.
Известен статор ВЗД по патенту на изобретение РФ №2283416, содержащий полый корпус, установленную в нем статорную гильзу с внутренними винтовыми зубьями, а также закрепленную в гильзе резиновую обкладку, причем гильза выполнена в виде набора из цилиндрических элементов с одинаковыми поперечными сечениями, соединенными между собой так, что внутренние зубья гильзы представляют собой единую многозаходную резьбу. Смежные части гильзы соединены между собой и гильза с корпусом статора с помощью сварки. Недостатком этой конструкции является снижение прочности корпуса статора сварочными швами. Кроме того, соединение частей гильзы между собой с помощью сварки требует, чтобы минимальная толщина гильзы (во впадинах зубьев) была больше толщины сварочного шва, что приводит к уменьшению диаметра внутренних зубьев и, соответственно, крутящего момента и мощности двигателя.
3
Известен статор ВЗД по патенту РФ на изобретение №2673479, в котором статор состоит полого трубного корпуса, снабженного внутри эластичной обкладкой с внутренними винтовыми зубьями, причем эластичная обкладка статора выполнена из полиуретановой композиции с твердостью от 92 единиц по Шору А до 75 единиц по Шору Д, с условной прочностью при разрыве 50 МПа, с истираемостью 20-25 м/ТДж, с термостойкостью до 120°С. Указанные характеристики полиуретана значительно превосходят соответствующие характеристики резин, используемых в статорах ВЗД, обеспечивая повышение крутящего момента и мощности двигателя, и позволяя получать увеличение показателей бурения скважин. Однако, большой объем эластомера, отсутствие металлической части зубьев приводят к значительному увеличению объема эластомера при работе в скважине из-за нагрева и нарушению геометрии зацепления зубьев ротора и статора. Это приводит к снижению долговечности двигателя и показателей бурения.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является изобретение по патенту РФ №2441126 «Статор винтового двигателя». Согласно указанному изобретению статор содержит полый трубчатый корпус, установленную в нем статорную гильзу с внутренними винтовыми зубьями, закрепленную в статорной гильзе эластичную обкладку из резины с внутренними зубьями. Статорная гильза закреплена во внутренней цилиндрической поверхности полого корпуса термостойким клеевым составом, при этом максимальный зазор между соединяемыми поверхностями корпуса и гильзы выполняется не более 0,4-0,5 мм на диаметр (0,2-0,25 мм на сторону). Такое исполнение статора позволяет надежно закрепить статорную гильзу в корпусе статора без снижения прочности корпуса, снизить объем эластомера при повышении жесткости зубьев, что улучшает характеристику двигателя. Статорная гильза может быть выполнена в виде отдельной детали или собрана из отдельных цилиндрических элементов с одинаковым поперечным сечением, причем зубья и впадины на внутренней поверхности гильзы образуют единые винтовые поверхности без сварки, благодаря приклеиванию этих элементов в составе единого блока к внутренней поверхности корпуса статора. Поэтому минимальная толщина гильзы в зоне впадины между зубьями может быть доведена до двух миллиметров, что позволяет сохранить максимальный диаметр зацепления зубьев ротора и статора. Однако недостатком такого статора является материал эластичной обкладки - резина, которая обладает невысокими показателями прочности и износостойкости, особенно в жестких условиях работы в нефтяных и газовых скважинах.
Предлагаемым техническим решением полезной модели решается задача повышения долговечности и надежности ВЗД, а также уменьшения длины двигателя, вследствие чего улучшается точность проводки скважины по заданной траектории.
Техническим результатом данного устройства является создание надежного и удобного, в эксплуатации ВЗД, снижение его длины, а также уменьшение трудоемкости изготовления и материалоемкости ВЗД.
3
3
Отличительным признаком предлагаемой конструкции от указанного наиболее близкого технического решения является замена резины эластичной обкладки на полиуретановые композиции типа Vulkollan или Уникспур 2B092S. Замена материала эластичной обкладки связана с тем, что технические характеристики указанных полиуретанов значительно превосходят соответствующие параметры резин. Прочность используемых в обкладках резин составляет 20-25 МПа, у полиуретанов (в дальнейшем ПУ) - 50 МПа и более, твердость ПУ 92-98 единиц по Шору А (у резин 71-77 единиц), при этом эластичность (относительное удлинение при разрыве) достигает у ПУ 700% (у резин менее 400%). Абразивная истираемость ПУ составляет 20-25 м/ТДж, у резин соответственно 30-60 м/ТДж, температура, при которой длительно сохраняется работоспособность указанных ПУ - 120°С.
Учитывая более высокие значения твердости и износостойкости ПУ (определяемой пониженной истираемостью), имеется возможность толщину слоя эластичной обкладки уменьшить в 1,5-2 раза (довести до 3-6 мм) и в такой же пропорции уменьшить длину эластичной обкладки, снизив таким образом длину ВЗД на 1-2 м, что позволит уменьшить трудоемкость изготовления и материалоемкость ВЗД. Уменьшение длины двигателя без снижения его качества позволяет проводить бурение скважины наиболее близко к проектной траектории.
Предлагаемый статор забойного двигателя иллюстрируется чертежом, на котором представлены продольный и поперечный разрезы статора.
Статор ВЗД содержит корпус 1 в виде трубы из высококачественной стали с резьбой на концах для соединения со смежными деталями двигателя. В корпусе установлена статорная гильза 2 с многозаходной резьбой на внутренней поверхности. Гильза может быть цельной деталью или состоять из набора отдельных цилиндрических элементов (как представлено на чертеже) одинаковой или различной длины с одинаковыми поперечными сечениями, при этом зубья и впадины элементов образуют единые винтовые линии в гильзе. Гильза 2 закрепляется в корпусе 1 статора (с зазором в пределах 0,2-0,25 мм на сторону) с помощью высокотемпературного специального клея, который обеспечивает надежность крепления гильзы и ее цилиндрических частей в корпусе от проворота и осевого смещения, что позволяет исключить применение сварки. Эластичная полиуретановая обкладка 3 наносится равномерным слоем толщиной не более 3-6 мм на внутреннюю многозаходную резьбу. Нанесение полиуретана на внутренний зуб производится с помощью пресс-формы, в которую полиуретан закачивается в жидком виде с последующей полимеризацией. Сборка корпуса и статорной гильзы выполняется с помощью приспособления.
Работа статора в составе винтового двигателя осуществляется в комплекте с ротором, карданным валом и шпинделем, на валу которого закрепляется долото. При подаче жидкости ротор приводится в планетарное движение, которое передается на вал двигателя и долото. С увеличением нагрузки на долото увеличивается крутящий момент, повышается давление, возрастают нагрузки в зубчатом зацеплении ротора и статора. Полиуретановый зуб статора, усиленный металлическим зубом гильзы, позволяет передать повышенный крутящий момент при минимальном износе и пробурить скважину с максимальной близостью к проектной траектории.
ООО «Гидробур-сервис» изготовлена опытная партия двигателей диаметром 106 мм с внутренней многозаходной винтовой поверхностью, выполненной из эластичной полиуретановой обкладки Уникспур 2B092S (Unikspur 2B092S) (ТУ2292-013-55180710-2009), обладающей всеми указанными выше свойствами по твердости, эластичности, прочности, минимальной истираемости и работоспособности в химически агрессивной жидкости.
Партия предлагаемых двигателей успешно прошла стендовые испытания, показав более высокие, по сравнению с другими двигателями тех же размеров, характеристики: высокий крутящий момент на выходном валу, более устойчивую скорость вращения, повышенная химическая стойкость, высокий КПД. В настоящее время двигатели этой партии работают на месторождениях Западной Сибири с высокими показателями бурения. Изобретение позволяет уменьшить длину двигателя при снижении материалоемкости, вследствие чего улучшается точность проводки скважины по заданной траектории.