ДВУХВАЛЬНЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
TWO-SHAFT HYDRAULIC POSITIVE DISPLACEMENT MOTOR

Изобретение относится к области буровой техники и может быть использовано при бурении скважин, предназначенных для разведки и добычи полезных ископаемых.
В современной буровой технике известны гидравлические забойные двигатели нескольких типов, отличающихся конструктивным исполнением основных частей, к которым относятся статор и ротор. Наиболее известными среди них являются турбобуры и винтовые двигатели. В современных турбобурах статор и ротор установлены соосно друг другу и выполнены в виде безредукторных многоступенчатых осевых турбин. В винтовых двигателях статор и ротор представляют собой как бы винтовую пару с внутренним зацеплением и винтовыми зубьями, в которой число зубьев статора на один больше числа зубьев ротора, а ротор установлен эксцентрично относительно оси статора. Для соединения ротора с валом шпинделя или долота, соосных статору, служит двухшарнирная шаровая муфта, компенсирующая эксцентриситет. Кроме упомянутых типов известны турбовинтовые двигатели, представляющие собой сочетание низкооборотного винтового механизма с быстроходной турбиной, а также двигатели, в которых для создания крутящего момента при протекании через них рабочей жидкости в статоре и роторе выполняются разного рода полости и вырезы, винтовые каналы и лопасти, фигурные выступы и прочие элементы, образующие рабочие камеры переменного объема, которые при этом могут снабжаться впускными и выпускными клапанами или золотниковыми устройствами (см., например, книгу Ильского А.Л. и Шмидта А.П. Буровые машины и механизмы, М., Недра, 1989 г., патенты РФ №2166054, 2181851, 2200814, 2200815, 2203380, 2283936 по кл. Е21В 4/02).
Наиболее существенными недостатками известных турбобуров являются неудовлетворительное по современным требованиям соотношение крутящего момента и частоты вращения вала ротора, высокий перепад давления, требующийся для обеспечения их работы, большая длина. Винтовые двигатели имеют лучшее соотношение крутящего момента и частоты вращения вала ротора и меньшую длину, чем турбобуры, однако для обеспечения их запуска и создания необходимой мощности требуются высокий перепад давления и большой расход рабочей жидкости. К их существенным недостаткам следует отнести также наличие поперечных вибраций, создаваемых эксцентрично вращающимся ротором и приводящих к быстрому износу радиальных опор. Наиболее существенными недостатками остальных известных двигателей являются, как правило, сложность конструкции, малый крутящий момент, неравномерность изменения объемов рабочих камер, приводящая к пульсирующему характеру подачи рабочей жидкости в двигатель, особенно в конструкциях, оснащаемых впускными и выпускными клапанами или золотниковыми устройствами.
Наиболее близким по технической сущности является гидравлический забойный двигатель, содержащий масляный компенсатор, статорное и роторное устройства, внутри корпуса статорного устройства которого выполнены цилиндрические полости, в которых размещены профилированные рабочие диски роторного устройства овальной формы и поворотные лопасти, контактирующие с профилированными поверхностями рабочих дисков роторного устройства и образующие вместе с ними внутри полостей статорного устройства рабочие камеры переменного объема, снабженные впускными и выпускными окнами, рабочие диски его роторного устройства в соседних полостях попарно развернуты на 90° относительно друг друга, поворотные лопасти установлены с возможностью перекрытия впускных окон рабочих камер, впускные окна соединены с общими напорными, а выпускные - с общими сливными каналами. Двигатель состоит из статорных и роторных секций, образующих статорные ступени и объединяемых в единую конструкцию с помощью соединительных втулок и муфт, а поворотные лопасти снабжены средствами их принудительного поворота, выполненными в виде каналов в их шарнирах: продольного, расположенного эксцентрично относительно наружной поверхности оси шарнира, и поперечных, оси которых не пересекаются с осью вращения лопасти. Продольный канал при этом сообщается с масляным компенсатором и зазором шарнира через поперечные каналы (см. авторское свидетельство СССР SU №1313997 по кл. Е21В 4/00, 1987 г.).
Указанный двигатель позволяет создать необходимую величину крутящего момента при относительно небольшом количестве ступеней, что существенно уменьшает его длину, обеспечить оптимальное соотношение между крутящим моментом и частотой вращения ротора и равномерное изменение суммарных объемов рабочих камер в соседних полостях статорного устройства за счет разворота в них рабочих дисков роторного устройства на 90°, однако его разделение на отдельные ступени и снабжение поворотных лопастей средствами их принудительного поворота существенно усложняет его конструкцию, увеличивает номенклатуру деталей, необходимых для изготовления двигателя и требующих их высокоточной стыковки между собой.
К его недостаткам можно также отнести наличие большого скручивающего момента, действующего на бурильную колонну в процессе работы двигателя, а также отсутствие эффективных средств откачки бурового раствора из забоя.
Задачами настоящего изобретения является упрощение конструкции двигателя, уменьшение скручивающего момента, действующего на бурильную колонну при работе двигателя и оснащение его эффективным средством откачки бурового раствора из забоя.
Для решения поставленных задач в гидравлическом забойном двигателе, содержащем масляный компенсатор, статорное и роторное устройства, внутри корпуса статорного устройства которого выполнены цилиндрические полости, в которых размещены профилированные рабочие диски роторного устройства овальной формы и поворотные лопасти, контактирующие с профилированными поверхностями рабочих дисков роторного устройства и образующие вместе с ними внутри полостей статорного устройства рабочие камеры переменного объема, снабженные впускными и выпускными окнами, рабочие диски роторного устройства которого в соседних полостях попарно развернуты на 90° относительно друг друга, поворотные лопасти установлены с возможностью перекрытия впускных окон рабочих камер, впускные окна соединены с общими напорными, а выпускные - с общими сливными каналами, роторное устройство снабжено двумя центральными валами, внешний из которых выполнен полым и одет на внутренний вал, рабочие диски роторного устройства разделены на две группы, диски одной из которых насажены на внешний, а другой на внутренний центральный вал и установлены с возможностью их вращения в противоположные стороны, двигатель оснащен откачивающим устройством, выполненным в виде рабочего колеса с винтовыми лопастями, установленного в нижней части двигателя и жестко связанного с внешним центральным валом роторного устройства.
Внутренний и внешний центральные валы роторного устройства могут быть установлены в радиальноосевых опорах, а двигатель оснащен гидровибратором и устройством для подачи в него рабочей жидкости. Гидровибратор при этом может состоять из подвижного подпружиненного поршня, размещенного в цилиндрической полости во внутреннем центральном валу роторного устройства, перепускных каналов и перепускного устройства, выполненного в виде цилиндрического стакана с окнами в его боковых стенках, жестко скрепленного с внешним центральным валом роторного устройства, устройство для подачи в него рабочей жидкости может быть выполнено в виде продольного канала во внутреннем центральном валу роторного устройства, рабочие диски роторного устройства на его внутренний центральный вал могут быть насажены по подвижной посадке, а радиальноосевые опоры внутреннего центрального вала могут быть снабжены амортизирующими прокладками.
Кроме того, в местах слива рабочей жидкости из двигателя во внешнюю среду могут быть размещены запорные устройства, выполненные в виде подвижных подпружиненных поршней, установленных с возможностью перекрытия сливных окон.
Снабжение роторного устройства двумя центральными валами, разделение рабочих дисков роторного устройства на две группы, диски одной из которых насажены на внешний, а другой на его внутренний вал и их установка с возможностью вращения валов в противоположные стороны, оснащение двигателя откачивающим устройством, выполненным в виде рабочего колеса с винтовыми лопастями, установленного в нижней части двигателя и жестко связанного с внешним центральным валом роторного устройства, позволяет существенно упростить конструкцию двигателя, уменьшить скручивающий момент, действующий на бурильную колонну во время его работы, оснастить его эффективным средством для откачки бурового раствора из забоя.
Оснащение двигателя гидровибратором позволяет повысить эффективность бурения за счет более интенсивного разрушения породы в забое, а размещение в местах слива рабочей жидкости во внешнюю среду запорных устройств - исключить попадание во внутренние полости двигателя при остановках его работы забортной жидкости, содержащей большое количество твердых абразивных частиц, вызывающих интенсивное разрушение деталей двигателя, и повысить за счет этого долговечность его работы.
Устройство предлагаемого двигателя в варианте с гидровибратором и запорными устройствами показано на фиг.1-4.
Гидравлический забойный двигатель содержит масляный компенсатор 1, статорное и роторное устройства.
Внутри корпуса статорного устройства выполнены цилиндрические полости 2, в которых размещены профилированные рабочие диски 3 роторного устройства овальной формы и поворотные лопасти 4. Лопасти 4 контактируют с профилированными поверхностями рабочих дисков 3 роторного устройства и образуют вместе с ними внутри полостей 2 статорного устройства рабочие камеры переменного объема 5 и 6, снабженные впускными 7 и выпускными 8 окнами.
Рабочие диски 3 роторного устройства в соседних полостях попарно развернуты на 90° относительно друг друга, а их большие диаметры равны внутренним диаметрам внутренних цилиндрических полостей 2 статорного устройства.
Поворотные лопасти 4 выполнены свободновращающимися и установлены с возможностью перекрытия впускных окон 7 рабочих камер 5.
Впускные окна 7 соединены с общими напорными каналами 9, а выпускные окна 8 - с общими сливными каналами 10.
Роторное устройство снабжено двумя центральными валами, внешний 11 из которых выполнен полым и одет на внутренний вал 12. Рабочие диски роторного устройства разделены на две группы. При этом диски одной из них насажены на внешний вал 11, а другой - на внутренний вал 12 роторного устройства и установлены с возможностью их вращения в противоположные стороны.
Внешний центральный вал 11 роторного устройства установлен в радиальноосевых опорах 13, 14, а внутренний центральный вал 12 - в радиальноосевых опорах 15, 16 с амортизирующими прокладками 17, 18.
Двигатель оснащен откачивающим устройством, выполненным в виде рабочего колеса 19 с винтовыми лопастями 20, установленного в его нижней части и жестко связанного с внешним центральным валом 11 роторного устройства.
Двигатель может быть также оснащен гидровибратором и устройством для подачи в него рабочей жидкости.
Гидровибратор при этом может состоять из подвижного подпружиненного поршня 21, размещенного в цилиндрической полости во внутреннем центральном валу 12 роторного устройства, перепускных каналов 22, 23 и перепускного устройства в виде цилиндрического стакана 24 с окнами 25 в его боковых стенках, жестко скрепленного с внешним валом 11 роторного устройства, а устройство для подачи в него рабочей жидкости может быть выполнено в виде продольного канала 26 во внутреннем центральном валу 12 роторного устройства.
В местах слива рабочей жидкости из двигателя во внешнюю среду могут быть размещены запорные устройства, выполненные в виде подвижных подпружиненных поршней 27, установленных с возможностью перекрытия сливных окон 28.
Масляный компенсатор 1 закреплен на верхнем конце внутреннего центрального вала 12 роторного устройства. На внешней поверхности центрального вала 12 выполнены продольные канавки 29, соединенные с внутренней полостью масляного компенсатора 1, а во внешнем валу 11 - отверстия 30.
Сверху двигатель крепится к бурильной колонне, а снизу - непосредственно к бурильному инструменту либо к шпинделю.
Двигатель работает следующим образом.
В исходном положении поршень 21 гидровибратора перекрывает перепускные каналы 22, а поршни 27 запорных устройств - сливные окна 28, препятствуя попаданию жидкости из внешней среды во внутренние полости двигателя.
При подаче рабочей жидкости в двигатель через бурильную колонну и далее через напорные каналы 9 и впускные окна 7 лопасти 4 под действием ее напора поворачиваются до соприкосновения с профилированными поверхностями рабочих дисков 3 роторного устройства и образуют во внутренних полостях 2 статорного устройства изолированные рабочие камеры 5 и 6. При дальнейшей подаче рабочей жидкости между камерами 5 и 6 возникает перепад давления, под действием которого рабочие диски 3 роторного устройства поворачиваются вокруг своих осей, приводя во вращение валы 11 и 12. При их вращении рабочая жидкость из рабочих камер 6 вытесняется и через выпускные окна 8 и сливные каналы 10 поступает к подпружиненным поршням 27 запорных устройств. Под действием ее напора поршни 27 перемещаются и открывают сливные окна 28, через которые рабочая жидкость вытекает во внешнюю среду. При дальнейшей непрерывной подаче рабочей жидкости через бурильную колонну осуществляется непрерывное вращение валов 11 и 12.
Одновременно часть рабочей жидкости через продольный канал 26 во внутреннем центральном валу 12 роторного устройства поступает к подпружиненному поршню 21 гидровибратора, под действием напора которой он перемещается, открывая перепускные каналы 22 и вытесняя жидкость из подпоршневого пространства во внешнюю среду через перепускные каналы 23. В дальнейшем движение поршня 21 будет определяться угловым положением перепускных каналов 22 относительно окон 25 цилиндрического стакана 24. Когда при вращении центральных валов 11 и 12 каналы 22 будут перекрыты боковыми стенками цилиндрического стакана 24, поршень 21 под действием давления поступающей по продольному каналу 26 рабочей жидкости будет перемещаться вниз, а когда они окажутся против окон 25, то рабочая жидкость из пространства над поршнем 21 будет вытекать во внешнюю среду, давление в нем уменьшится и поршень 21 под действием пружины будет перемещаться вверх, совершая в итоге продольные колебания относительно некоторого положения равновесия, которые передаются внутреннему центральному валу 12 и через него забойному инструменту. Амортизирующие прокладки 17, 18 при этом препятствуют передаче колебаний элементам корпуса статора и, соответственно, бурильной колонне.
Давление рабочей жидкости, поступающей из бурильной колонны, действует на масляный компенсатор 1, в результате чего масло из него через продольные канавки 29 и отверстия 30 поступает к радиально-осевым опорам 13, 14, 15, 16 и одновременно заполняет неплотности между центральными валами 11 и 12, поперечными стенками статорного устройства и рабочими дисками 3 роторного устройства. При вращении центральных валов 11 и 12 оно смазывает радиальноосевые опоры 13, 14, 15, 16 и под действием центробежных сил распространяется в виде тонкой пленки между трущимися торцевыми поверхностями рабочих дисков 3 роторного устройства и боковыми стенками цилиндрических полостей статорного устройства, осуществляя их смазку.
При прекращении подачи рабочей жидкости в бурильную колонну двигатель останавливается, давление в нем и во внешней среде выравнивается, поршень 21 гидровибратора и поршни 27 запорных устройств под действием пружин перемещаются, перекрывая соответственно перепускные каналы 22 и сливные окна 28, и препятствуют попаданию забортной жидкости во внутренние полости двигателя.
Использование предлагаемого двигателя позволяет обеспечить:
возможность запуска двигателя при любом положении ротора путем подачи в него рабочей жидкости под самым малым давлением;
возможность создания крутящего момента двигателя необходимой величины при относительно небольшом перепаде давления рабочей жидкости;
возможность создания практически любого соотношения между крутящим моментом и частотой вращения вала ротора;
существенное уменьшение длины двигателя, упрощение его конструкции и технологии изготовления;
равномерное протекание рабочей жидкости через двигатель;
повышение эффективности бурения и увеличение долговечности работы двигателя;
уменьшение скручивающего момента, действующего на бурильную колонну при работе двигателя;
эффективное удаление бурового раствора из забоя.