ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
HYDRAULIC DOWNHOLE MOTOR

Изобретение относится к гидравлическим приводам для вращательного бурения, размещаемым в скважине, в частности к гидравлическим забойным двигателям для бурения нефтяных скважин.
Известен винтовой гидравлический механизм, используемый в качестве насоса или двигателя, содержащий корпус статора и ротор, при этом ротор имеет внешнюю винтовую поверхность, корпус статора выполнен в виде монолитного жесткого трубчатого элемента, имеющего цилиндрическую внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, а также винтовые зубья, при этом упомянутый механизм содержит гибкий слой, выполненный из эластомера, имеющий одинаковую толщину на внутренней поверхности корпуса (US 2005/0079083 А1, 14.04.2005).
В известном винтовом гидравлическом механизме гибкий слой, выполненный из эластомера, подвергается деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора внутри статора, что приводит к образованию на выступах и впадинах винтовых зубьев гибкого слоя зон, отличающихся друг от друга величинами контактного давления, сдвиговой прочности, твердости (упругости) и теплопроводности.
Температура в гибком слое (обкладке) из эластомера может повышаться, например, до 60°С, а увеличение натяга в рабочей паре может составлять, например, до 0,05 мм на диаметр на каждые 10°С повышения температуры.
Недостатком известной конструкции является неполная возможность повышения ресурса и надежности при использовании в качестве гидравлического забойного двигателя для направленного бурения нефтяных скважин, а также максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и усталостной выносливости (ресурса) обкладки из эластомера - не менее 100 тысяч циклов.
Недостатки известной конструкции объясняются неполной возможностью оптимизации толщины обкладки из эластомера вдоль выступов и впадин винтовых зубьев, что приводит к ухудшению отвода внутреннего тепла от обкладки из эластомера к потоку бурового раствора внутри корпуса, а также сквозь стенки корпуса к потоку бурового раствора с выбуренной породой в затрубном пространстве, образованию в центрах профиля зубьев обкладки из эластомера зон деструкции материала от воздействия градиента температур и увеличению натяга в рабочей паре.
В результате центр профиля зубьев обкладки становится менее гибким (хрупким и ломким), механические свойства эластомера в центре профиля зубьев обкладки уменьшаются, при этом давление, действующее в камерах между ротором и статором, может превысить предел сдвиговой прочности эластомера, а вершины зубьев в обкладке деформируются и отрываются от корпуса.
Известен статор винтового героторного гидравлического насоса или двигателя, содержащий корпус с внутренней поверхностью, выполненной с внутренними винтовыми зубьями, закрепленные в корпусе охватываемую и охватывающую обкладки из эластомера, при этом охватываемая обкладка выполнена с внутренними винтовыми зубьями, предназначенными для размещения ротора, имеющего наружную поверхность с винтовыми зубьями, охватывающая обкладка скреплена с охватываемой обкладкой и с внутренней поверхностью корпуса, а число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев корпуса (US 6881045 А, 23.12.2004).
Известный винтовой гидравлический механизм содержит выполненный из эластомера гибкий слой, имеющий одинаковую толщину на внутренней поверхности корпуса, что приводит к образованию на выступах и впадинах гибкого слоя обкладки зон, отличающихся друг от друга величинами контактного давления, сдвиговой прочности, твердости (упругости) и теплопроводности, которые подвергаются деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора внутри статора.
Недостатки известной конструкции объясняются неполной возможностью оптимизации толщины обкладки из эластомера вдоль выступов и впадин винтовых зубьев, что приводит к ухудшению отвода внутреннего тепла от обкладки из эластомера к потоку бурового раствора внутри корпуса, а также сквозь стенки корпуса к потоку бурового раствора с выбуренной породой в затрубном пространстве, образованию в центрах профиля зубьев обкладки зон деструкции материала от воздействия градиента температур и увеличению натяга в рабочей паре.
В результате центр профиля зубьев обкладки становится менее гибким (хрупким и ломким), механические свойства эластомера в центре профиля зубьев обкладки уменьшаются, при этом давление, действующее в камерах между ротором и статором, может превысить предел сдвиговой прочности эластомера, а вершины зубьев в обкладке деформируются и отрываются от корпуса.
Недостатком известной конструкции является также высокая вероятность разрушения резьбовых соединений трубчатого корпуса при использовании гидравлического забойного двигателя в горизонтальных управляемых компоновках низа бурильной колонны, на участках изменения кривизны наклонной скважины, а также потеря его устойчивости при осевой нагрузке на долото и ударных воздействиях от гидравлического яса в составе изогнутой колонны бурильных труб, например, при прохождении через радиусные интервалы ствола скважины, что объясняется тем, что статор выполнен составным: из корпуса - гладкой трубы, охватываемой и охватывающей обкладок из эластомера, выполненных в форме геликоида.
Охватываемую обкладку одинаковой толщины выполняют из эластомера, например, Ultra-Flex 114, а дополнительную охватывающую обкладку с внутренней поверхностью в форме геликоида, по существу, с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, выполняют из более твердого и прочного материала.
Известный статор при использовании его в гидравлическом забойном двигателе не обеспечивает преимуществ, например, максимального темпа набора кривизны вследствие разрушения корпуса при прохождении через радиусные интервалы ствола скважины при направленном бурении с использованием в колонне бурильных труб гидравлического яса, с вращением изогнутой колонны бурильных труб (20÷40 об/мин), с ударными нагрузками от яса в компоновке низа бурильной колонны, а также вследствие релаксации растягивающих напряжений в изогнутой колонне бурильных труб, в которой установлен двигатель.
Недостатки известного статора объясняются также циклическим нагружением винтовых зубьев обкладки, выполненных из эластомеров разной сдвиговой прочности, твердости и теплопроводности, которые подвергаются деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора внутри статора, что приводит к выделению тепла внутри материала зубьев обкладки, нарушению натяга в рабочей паре, отслоению обкладки из эластомера от корпуса, а также к расслоению между обкладками из эластомера вследствие ухудшения отвода внутреннего тепла от обкладки из эластомера через стенки корпуса к потоку бурового раствора с выбуренной породой в затрубном пространстве.
При этом температура в обкладке из эластомера может повышаться, например, до 85°С, а увеличение натяга в рабочей паре может составлять, например, до 0,08 мм на диаметр на каждые 10°С повышения температуры, что приводит к нерасчетным режимам работы, не обеспечивает максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимой осевой нагрузки при повышении максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности.
Известен статор для гидравлического забойного двигателя, образующий наружную трубу с внутренней поверхностью, выполненной, по меньшей мере, с двумя внутренними винтовыми зубьями (или лопастями), закрепленную в корпусе обкладку из эластомера, прилегающую к внутренней поверхности наружной трубы, при этом обкладка выполнена с внутренними винтовыми зубьями (или лопастями), совпадает по форме с внутренними винтовыми зубьями (или лопастями) в наружной трубе, а толщина обкладки является максимальной на зубьях (или лопастях), радиально направленных внутрь, не менее двух (US 6604921 В1, 14.04.2005).
Недостатком известной конструкции является неполное использование возможности повышения надежности и ресурса гидравлического забойного двигателя, максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и усталостной выносливости (ресурса) обкладки из эластомера - не менее 100 тысяч циклов.
Так как эластомер характеризуется высокими изоляционными свойствами, он задерживает передачу тепла в большей степени вдоль выступов внутренних винтовых зубьев обкладки по сравнению с впадинами винтовых зубьев обкладки.
Температура в обкладке из эластомера может повышаться, например, до 85°С, а увеличение натяга в рабочей паре может составлять, например, до 0,08 мм на диаметр на каждые 10°С повышения температуры, что приводит к нерасчетным режимам работы, не обеспечивает максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимой осевой нагрузки при повышении максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности.
Недостатки известного статора для гидравлического забойного двигателя объясняются неполным использованием возможности оптимизации толщины обкладки вдоль впадин внутренней винтовой поверхности и минимальной толщины стенки наружной трубы по отношению к высоте зубьев в обкладке, а также образованием на выступах и впадинах зубьев зон, отличающихся друг от друга величинами контактного давления, сдвиговой прочности, твердости (упругости) и теплопроводности, которые подвергаются деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора внутри статора, что приводит к повышенному градиенту температур при выделении тепла внутри материала обкладки и нарушению натяга в рабочей паре, к ухудшению отвода внутреннего тепла от обкладки из эластомера к потоку бурового раствора внутри корпуса, а также сквозь стенки наружной трубы к потоку бурового раствора с выбуренной породой в затрубном пространстве.
Из-за тепла, образуемого в центрах обкладки из эластомера в форме зубьев, происходит вторичная полимеризация: молекулярная сшивка эластомера (резины), что приводит к деструкции материала, вследствие этого центр профиля зубьев обкладки из эластомера становится негибким (хрупким и ломким), механические свойства эластомера на этих участках ухудшаются, при этом давление, действующее в камерах между ротором и статором, может превысить предел сдвиговой прочности эластомера, а вершины обкладки статора деформируются и отрываются от корпуса.
Известен статор винтовой героторной гидромашины, по существу, двигателя для вращения ротора от насосной подачи текучей среды, содержащий наружную трубу с внутренней поверхностью, выполненной в форме геликоида с внутренними винтовыми зубьями, закрепленную в наружной трубе обкладку из эластомера, прилегающую к внутренней поверхности наружной трубы, при этом обкладка выполнена с внутренними винтовыми зубьями и совпадает по форме с внутренними винтовыми зубьями в наружной трубе, а толщина обкладки является максимальной на зубьях, радиально направленных внутрь, в наружной трубе максимальная толщина обкладки из эластомера вдоль впадин ее внутренней винтовой поверхности, расположенных на максимальном радиальном удалении, равна половине высоты ее внутренних винтовых зубьев, а минимальная толщина стенки наружной трубы вдоль радиально направленных наружу впадин ее внутренней винтовой поверхности равна высоте внутренних винтовых зубьев в обкладке из эластомера (RU 2373364 С2, 20.11.2009).
3
Основные дефекты, уменьшающие надежность и ресурс гидравлического забойного двигателя, в котором статор выполнен с одинаковой толщиной обкладки из эластомера (R-Wall): растрескивание обкладки из эластомера (резины) по краям, со стороны входа и выхода текучей среды (бурового раствора), отслоение обкладки из эластомера по краям, со стороны входа и выхода текучей среды, а также вырывы кусков обкладки из эластомера по краям - во входной и выходной по потоку частях обкладки из эластомера в статоре в напряженных условиях работы (при бурении в твердых породах): при наличии в рабочей паре между ротором и обкладкой трубчатого корпуса необходимого натяга контактное давление составляет 2,5÷3 МПа, скорость скольжения составляет 0,5÷2,5 м/с, гидростатическое давление достигает 50 МПа, а момент силы на выходном валу в режиме максимальной мощности достигает 30 кН⋅м, причем в условиях высокой турбулентности бурового раствора, который имеет плотность до 1500 кг/м, содержит до 2% песка и до 10% нефтепродуктов, что приводит к прекращению циркуляции, при этом основная причина отказа компоновки низа бурильной колонны, в которой установлен двигатель со шпинделем, регулятором угла перекоса и долотом, - "резина в долоте".
Развитию упомянутых дефектов способствуют высокие рабочие перепады давления, внутреннее выделение тепла в материале обкладки статора, торможение рабочей пары двигателя при работе, высокий натяг в рабочей паре двигателя (ротор-обкладка из эластомера статора).
Увеличение длины секции рабочих пар позволяет снизить уровень контактных нагрузок в зацеплении рабочей пары двигателя и предотвратить преждевременное разрушение обкладки из эластомера по краям статора.
Одновременно повышаются энергетические характеристики двигателя, надежность и ресурс.
Однако увеличение длины рабочих пар двигателя (ротор - обкладка статора) ухудшает проходимость компоновки низа бурильной колонны при прохождении через радиусные участки ствола скважины при бурении горизонтального интервала наклонной скважины.
Вследствие особенности работы героторных механизмов винтовых гидромашин, по краям обкладки из эластомера вырабатывается и сохраняется повышенное количество тепла от действия перекашивающих моментов ротора при его планетарно-роторном вращении внутри зубьев обкладки статора из эластомера в режиме максимальной мощности.
В результате центр профиля становится менее гибким (хрупким и ломким), механические свойства эластомера (резины), на этих участках ухудшаются, при этом давление, действующее в камерах между ротором и статором, может превысить предел сдвиговой прочности эластомера, а вершины зубьев в обкладке деформируются или отрываются от корпуса, снижается возможность повышения максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и усталостной выносливости (ресурса) обкладки из эластомера - не менее 100 тысяч циклов.
Вследствие этого не обеспечиваются свойства эластомера в конструкции, по существу, усталостной выносливости при знакопеременном изгибе с вращением (ГОСТ 10952-75), остаточной деформации и усталостной выносливости при многократном сжатии (ГОСТ 20418-75), температурного предела хрупкости (ГОСТ 7912-74), истирания при скольжении (ГОСТ 426-77).
Другим недостатком известной конструкции является неполная возможность увеличения надежности и ресурса за счет обеспечения равнопрочных и герметичных резьбовых соединений трубчатого корпуса статора с переводником в условиях интенсивного трения и вращения в стволе скважины, с использованием в колонне бурильных труб гидравлических ясов, с ударными нагрузками и ударными импульсами от ясов, а также при релаксации растягивающих напряжений в изогнутой колонне бурильных труб, в которой установлен гидравлический забойный двигатель.
Упомянутый недостаток известной конструкции объясняется повышенной жесткостью трубчатого корпуса при использовании его в гидравлическом забойном двигателе, по существу, большим значением коэффициента напряжения при изгибе (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению) в местах стыка резьбовых соединений корпуса с переводником, равным 7÷9, а также большой вероятностью образования трещин на резьбах и поломки резьбовых соединений корпуса при использовании гидравлического забойного двигателя в горизонтальных управляемых компоновках низа бурильной колонны, на участках изменения кривизны наклонной скважины.
Вследствие повышенной жесткости трубчатого корпуса не полностью обеспечивается возможность повышения точности проходки наклонных и горизонтальных скважин, повышения темпа набора параметров кривизны скважин, а также улучшения проходимости, т.е. уменьшения сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны за счет изгиба корпуса забойного двигателя при прохождении через радиусные участки ствола скважины, имеющие участки малого и среднего радиуса 30÷300 м, в условиях интенсивного трения по стволу скважины.
Вследствие этого требуемый интервал скважин не может быть добурен до конца, например, в скважинах, в интервале бурения 2500÷3500 м, имеющих боковые горизонтальные стволы в интервале 750÷1500 м, не обеспечиваются экономические преимущества известной конструкции.
Известно устройство для использования в скважине, содержащее статор, включающий винтовой зуб, имеющий профиль, сформированный вдоль внутренней поверхности статора и ротор, размещенный в статоре и включающий винтовой зуб, имеющий профиль, сформированный на наружной поверхности ротора, причем профиль винтового зуба ротора выполнен асимметричным и винтовой зуб ротора включает первую сторону и вторую сторону, так что геометрия первой стороны образует поверхность нагружения, а геометрия второй стороны образует поверхность уплотнения (RU 2607833 С2, 20.01.2017).
В известной конструкции винтовой зуб статора включает первую сторону и вторую сторону, геометрия первой стороны отличается от геометрии второй стороны, статор включает асимметричный, предварительно сформированный профиль, при этом винтовой зуб статора включает первую сторону и вторую сторону, угол наклона первой стороны относительно центральной линии, проходящей через центр статора, отличается от угла наклона второй стороны относительно этой центральной линии, а угол наклона первой стороны винтового зуба ротора относительно оси ротора превышает угол наклона второй стороны относительно этой оси, при этом профиль винтового зуба ротора является совместимым с профилем винтового зуба статора, а профиль ротора или статора выполнен на основе формы трохоиды.
Недостатком известной конструкции, по существу, гидравлического забойного двигателя, является неполное использование возможности повышения ресурса и надежности, а также повышения максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и усталостной выносливости (ресурса) обкладки из эластомера - не менее 100 тысяч циклов.
В современных системах направленного бурения обычно используется бурильная колонна, содержащая расположенное на забое долото, которое вращается двигателем объемного действия (забойным), при этом гидравлический забойный двигатель включает силовую секцию, содержащую статор, и ротор, размещенный в этом статоре.
Статор включает металлический трубчатый корпус, содержащий внутри обкладку из эластомера, имеющую винтовой профиль зубьев.
Ротор имеет спиральный профиль с винтовыми зубьями, выполненными из металла.
Буровая жидкость (буровой раствор) закачивается под давлением в перемещающиеся изолированные полости, образованные между винтовыми зубьями ротора и обкладки из эластомера в статоре.
Усилие, оказываемое жидкостью, закачиваемой под давлением в перемещающиеся изолированные полости, вынуждает ротор прижиматься к обкладке из эластомера и вращаться, совершая движение планетарного типа.
При этом крутящий момент на роторе образуется в направлении, противоположном его планетарному вращению.
Обкладка из эластомера в статоре обеспечивает уплотнение между винтовыми зубьями статора и ротора, а также опору для ротора и находится под высокой нагрузкой во время работы гидравлического забойного двигателя.
Каждый винтовой зуб в статоре и роторе включает сторону нагрузки и сторону уплотнения.
Сторона нагрузки обычно подвергается значительно большим напряжениям и деформациям, чем сторона уплотнения.
Известные в настоящее время гидравлические забойные двигатели характеризуются симметричной геометрией наружных винтовых зубьев ротора и профиля внутренних винтовых зубьев статора.
В известной конструкции не учитывается влияние режима нагрузки на боковую поверхность винтовых зубьев обкладки из эластомера в статоре, для использования гидравлическом забойном двигателе, в котором металлический статор выполнен с собственными внутренними винтовыми зубьями и одинаковой толщиной обкладки из эластомера (R-Wall).
Известные технические решения представляют собой компромисс между уменьшением механических напряжений и деформаций на равномерно распределенной обкладке из эластомера и сохранением объемного коэффициента полезного действия и выходной мощности гидравлического забойного двигателя.
Недостатком известной конструкции является неполная возможность оптимизации толщины обкладки из эластомера вдоль боковых сторон обкладки из эластомера, что приводит к ухудшению отвода внутреннего тепла от обкладки из эластомера к потоку бурового раствора внутри корпуса, а также сквозь стенки корпуса к потоку бурового раствора с выбуренной породой в затрубном пространстве, образованию в центрах профиля эластомерной обкладки зон деструкции материала от воздействия градиента температур и увеличению натяга в рабочей паре, вследствие этого не обеспечиваются свойства эластомера в конструкции, по существу, усталостной выносливости при знакопеременном изгибе с вращением (ГОСТ 10952-75), остаточной деформации и усталостной выносливости при многократном сжатии (ГОСТ 20418-75), температурного предела хрупкости (ГОСТ 7912-74), истирания при скольжении (ГОСТ 426-77).
В результате центр профиля зубьев обкладки из эластомера становится менее гибким (хрупким и ломким), механические свойства эластомера (резины), на этих участках ухудшаются, давление, действующее в камерах между ротором и статором, может превысить предел сдвиговой прочности эластомера, при этом вершины зубьев, а также боковая поверхность зубьев в обкладке из эластомера деформируются и отрываются от корпуса.
Другим недостатком известной конструкции является необходимость проектирования и изготовления специального инструмента для нарезания ассиметричного (корригированного) профиля зубьев ротора, а также специального инструмента для нарезания ассиметричного (корригированного) профиля зубьев сердечника пресс-формы, предназначенного для формования обкладки из эластомера в статоре, которые осуществляются в настоящее время ведущими фирмами РФ по производству гидравлических забойных двигателей на станках для нарезания винтовых зубьев ротора, а также винтовых зубьев сердечника пресс-формы, например, на станках австрийской фирмы "Weingartner".
3
Основные дефекты, уменьшающие надежность и ресурс гидравлического забойного двигателя, в котором статор выполнен с одинаковой толщиной обкладки из эластомера (R-Wall): растрескивание обкладки из эластомера (резины) по краям, со стороны входа и выхода текучей среды (бурового раствора), отслоение обкладки из эластомера (резины) по краям, со стороны входа и выхода текучей среды, а также вырывы кусков обкладки из эластомера (резины) в средней части статора и по краям - во входной и выходной по потоку частях обкладки из эластомера в статоре в напряженных условиях работы (при бурении в твердых породах): при наличии в рабочей паре между ротором и обкладкой трубчатого корпуса необходимого натяга контактное давление составляет 2,5÷3 МПа, скорость скольжения составляет 0,5÷2,5 м/с, гидростатическое давление может достигать 50 МПа, а момент силы на выходном валу в режиме максимальной мощности может достигать 30 кН⋅м, причем в условиях высокой турбулентности бурового раствора, который имеет плотность до 1500 кг/м, содержит до 2% песка и до 10% нефтепродуктов, что приводит к прекращению циркуляции, при этом основная причина отказа компоновки низа бурильной колонны, в которой установлен двигатель со шпинделем, регулятором угла перекоса и долотом, - "резина в долоте".
Наиболее близким к заявляемой конструкции является статор винтовой героторной гидромашины, по существу, двигателя для вращения ротора от насосной подачи текучей среды, содержащий трубчатый корпус с внутренней поверхностью, выполненной в форме геликоида с внутренними винтовыми зубьями, на каждом краю трубчатого корпуса выполнена внутренняя резьба, а также содержащий закрепленную в трубчатом корпусе обкладку из эластомера, прилегающую к внутренней поверхности трубчатого корпуса, обкладка из эластомера выполнена с внутренними винтовыми зубьями и совпадает по форме с внутренними винтовыми зубьями в трубчатом корпусе, а толщина обкладки является максимальной на зубьях, радиально направленных внутрь, при этом в трубчатом корпусе максимальная толщина обкладки из эластомера вдоль впадин ее внутренней винтовой поверхности, расположенных на максимальном радиальном удалении, равна половине высоты ее внутренних винтовых зубьев, а минимальная толщина стенки трубчатого корпуса вдоль радиально направленных наружу впадин ее внутренней винтовой поверхности равна высоте внутренних винтовых зубьев в обкладке из эластомера, при этом статор содержит во входной по потоку части трубчатого корпуса демпферную полость, расположенную ниже по потоку от края внутренних винтовых зубьев в трубчатом корпусе, направленного против потока, выполненную в виде кольцевой канавки внутри трубчатого корпуса, примыкающей к боковым поверхностям внутренних винтовых зубьев трубчатого корпуса, образованным упомянутой кольцевой канавкой, а обкладка из эластомера содержит в упомянутой демпферной полости входной демпфер из эластомера с собственными внутренними винтовыми зубьями, примыкающими к внутренним винтовым зубьям обкладки из эластомера, прилегающий к поверхности кольцевой канавки внутри трубчатого корпуса и боковым поверхностям внутренних винтовых зубьев трубчатого корпуса, образованным упомянутой кольцевой канавкой, с возможностью скрепления с обкладкой из эластомера, а также с кольцевой канавкой внутри трубчатого корпуса и боковыми поверхностями внутренних винтовых зубьев трубчатого корпуса, образованными упомянутой кольцевой канавкой, причем минимальное расстояние от направленного против потока края внутренних винтовых зубьев во входной по потоку части трубчатого корпуса до входной кромки входного демпфера, равно толщине входного демпфера из эластомера на его внутренних винтовых зубьях, радиально направленных внутрь, при этом ниже по потоку от края внутренних винтовых зубьев в выходной по потоку части трубчатого корпуса обкладка из эластомера содержит выходной демпфер из эластомера с собственными внутренними винтовыми зубьями, примыкающими к внутренним винтовым зубьям обкладки из эластомера, прилегающий к внутренней поверхности выходной по потоку части трубчатого корпуса с возможностью скрепления с обкладкой из эластомера и внутренней поверхностью выходной по потоку части трубчатого корпуса, при этом минимальная толщина входного и выходного демпферов из эластомера вдоль впадин их внутренних винтовых зубьев, расположенных на максимальном радиальном удалении, равна толщине обкладки из эластомера на ее зубьях, радиально направленных внутрь (RU 2652725 С1, 28.04.2018).
Основные преимущества статора с собственными винтовыми зубьями и одинаковой толщиной обкладки из эластомера (R-Wall):
- повышается нагрузочная способность статора, снижаются гистерезисные потери в обкладке, повышаются энергетические характеристики и тормозной момент двигательной секции, что исключает вероятность торможения двигателя при изменении нагрузки и повышает управляемость бурения;
- снижается количество вырабатываемого и сохраняемого тепла, натяг в соединении ротор-обкладка статора меньше зависит от температуры и деструкции ("разбухания") эластомера, обеспечиваются высокие энергетические характеристики в увеличенном интервале глубины скважины, температуры и буровых растворов на нефтяной основе;
- улучшенные энергетические характеристики двигателя позволяют эффективно использовать его с долотами PDC (Polycrystalline Diamond Compakt) с поликристаллическими алмазами;
- за счет меньшей толщины эластомера при отрыве кусков обкладки не происходит закупорки промывочных отверстий долота, вследствие этого требуемый интервал скважины может быть добурен до конца, повышается наработка на отказ (Журнал "Бурение и нефть", 11/2014, стр. 56÷59).
Известен график отработок двигателей компании «Радиус-Сервис», входящей в состав Шлюмберже, которые работали с долотами StingBlade (рис. 6). Данные представлены для габарита - 172 мм, интервал бурения достигал 2000 м. Анализируя его, можно заметить, что 200 часов не представляют проблемы даже для стандартных двигателей компании «Радиус-Сервис». Журнал "Бурение и нефть", №4, 2018 г, Гумич Д.П. и др., " Бурение в один рейс…".
3
Основные дефекты, уменьшающие надежность и ресурс гидравлического забойного двигателя, в котором корпус (статор) выполнен с одинаковой толщиной обкладки из эластомера (R-Wall): растрескивание, отслоения и вырывы кусков обкладки из эластомера в корпусе в напряженных условиях работы (при бурении в твердых породах): при наличии в рабочей паре между ротором и обкладкой корпуса необходимого натяга контактное давление составляет 2,5÷3 МПа, скорость скольжения составляет 0,5÷2,5 м/с, гидростатическое давление составляет 30÷50 МПа, а момент силы на выходном валу в режиме максимальной мощности достигает 30 кН⋅м, причем в условиях высокой турбулентности бурового раствора, который имеет плотность до 1500 кг/м, содержит до 2% песка и до 10% нефтепродуктов, при расходе 19÷38 л/с и средней скорости потока 20 м/с, что приводит к прекращению циркуляции, при этом основная причина отказа в компоновке низа бурильной колонны, в которой установлена двигательная секция со шпинделем и долотом, - "резина в долоте".
Вследствие особенности работы винтовых гидравлических забойных двигателей по краям обкладки из эластомера вырабатывается и сохраняется повышенное количество тепла от действия перекашивающих моментов ротора при его планетарно-роторном вращении внутри зубьев обкладки статора из эластомера.
В результате центр профиля зубьев обкладки из эластомера становится менее гибким (хрупким и ломким), механические свойства эластомера (резины) на этих участках значительно ухудшаются, давление, действующее в камерах между ротором и статором, может превысить предел сдвиговой прочности эластомера, при этом вершины зубьев, а также боковая поверхность зубьев в обкладке из эластомера деформируются и отрываются от корпуса, при этом снижается возможность повышения максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и усталостной выносливости (ресурса) обкладки из эластомера - не менее 100 тысяч циклов.
Вследствие этого не обеспечиваются свойства эластомера в конструкции, по существу, усталостной выносливости при знакопеременном изгибе с вращением (ГОСТ 10952-75), остаточной деформации и усталостной выносливости при многократном сжатии (ГОСТ 20418-75), температурного предела хрупкости (ГОСТ 7912-74), истирания при скольжении (ГОСТ 426-77).
Другим недостатком известной конструкции является неполная возможность увеличения надежности и ресурса за счет обеспечения равнопрочного и герметичного резьбового соединения в выходной части трубчатого корпуса статора с переводником и/или переходником в упомянутых сложных условиях бурения изогнутых скважин в твердых породах, вызывающих высокие рабочие перепады давления, внутреннее выделение тепла в материале обкладки статора, торможение рабочей пары при работе, высокий натяг в рабочей паре, а также в условиях интенсивного трения и вращения в стволе скважины, с использованием в колонне бурильных труб гидравлических ясов, с ударными нагрузками и ударными импульсами от ясов, а также при релаксации растягивающих напряжений в изогнутой колонне бурильных труб, в которой установлен статор винтовой героторной гидромашины.
Упомянутый недостаток известной конструкции объясняется повышенной жесткостью выходной части трубчатого корпуса при использовании его в статоре гидравлического забойного двигателя, по существу, большим значением коэффициента напряжения при изгибе (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению) в местах стыка резьбовых соединений трубчатого корпуса с переводником и/или переходником, равным 7÷9, а также большой вероятностью образования трещин на резьбах и поломки резьбового соединения в выходной части трубчатого корпуса при использовании забойного двигателя в горизонтальных управляемых компоновках низа бурильной колонны, на участках изменения кривизны наклонной скважины.
Вследствие повышенной жесткости в выходной части трубчатого корпуса статора не полностью обеспечивается возможность повышения точности проходки наклонных и горизонтальных скважин, повышения темпа набора параметров кривизны скважин, а также улучшения проходимости, т.е. уменьшения сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны за счет изгиба трубчатого корпуса забойного двигателя при прохождении через радиусные участки ствола скважины, имеющие участки малого и среднего радиуса 30÷300 м, в условиях интенсивного трения по стволу скважины.
Вследствие этого требуемый интервал скважин не может быть добурен до конца, например, в скважинах, в интервале бурения 2500÷3500 м, имеющих боковые горизонтальные стволы в интервале 750÷1500 м, при этом не обеспечивается повышение наработки на отказ, не обеспечиваются экономические преимущества известной конструкции.
Технический результат, который обеспечивается изобретением, заключается в повышении надежности и ресурса гидравлического забойного двигателя, в котором трубчатый корпус выполнен с винтовыми зубьями и равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall), за счет повышения усталостной выносливости, абразивной стойкости, упругости и герметичности уплотнения рабочей пары: ротор-обкладка из эластомера в статоре путем предотвращения растрескивания, отслоения и вырывов кусков обкладки из эластомера в корпусе двигателя, по существу, за счет того, что обкладка из эластомера, закрепленная в трубчатом корпусе, выполнена с асимметричным расположением профиля ее наружной поверхности, контактирующей с винтовыми зубьями на наружной поверхности ротора, относительно профиля ее внутренней поверхности, совпадающей по форме с внутренними винтовыми зубьями в трубчатом корпусе, и включает первую и вторую сторону обкладки относительно каждого внутреннего винтового зуба трубчатого корпуса, так, что геометрия первой стороны поверхности обкладки образует поверхность уплотнения и выполнена с максимальной толщиной ее боковых стенок, совпадающих с боковой поверхностью каждого внутреннего винтового зуба трубчатого корпуса, а геометрия второй стороны поверхности обкладки вдоль каждого внутреннего винтового зуба трубчатого корпуса образует поверхность нагружения и выполнена с минимальной толщиной ее боковых стенок, совпадающих с боковой поверхностью каждого внутреннего винтового зуба трубчатого корпуса.
Другой технический результат, который обеспечивается изобретением, заключается в повышении точности проходки наклонных и горизонтальных интервалов скважин, в повышении темпа набора параметров кривизны скважин, а также в улучшении проходимости, т.е. в уменьшении сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны за счет уменьшения жесткости трубчатого корпуса - выполнения стенки корпуса во входной, выходной и в средней части корпуса поясов пониженной жесткости, характеризующихся уменьшенной толщиной, с возможностью изгиба корпуса при прохождении через радиусные интервалы ствола скважины.
Сущность технического решения заключается в том, что в гидравлическом забойном двигателе, содержащем трубчатый корпус с внутренними винтовыми зубьями, на каждом краю трубчатого корпуса выполнена внутренняя резьба, а также содержащем закрепленную в трубчатом корпусе обкладку из эластомера, прилегающую к внутренней поверхности трубчатого корпуса, обкладка из эластомера выполнена с внутренними винтовыми зубьями и совпадает по форме с внутренними винтовыми зубьями в трубчатом корпусе, а толщина обкладки является максимальной на зубьях, радиально направленных внутрь, а также содержащем во входной по потоку части трубчатого корпуса демпферную полость, расположенную ниже по потоку от края внутренних винтовых зубьев в трубчатом корпусе, направленных против потока, выполненную в виде кольцевой канавки внутри трубчатого корпуса, примыкающей к боковым поверхностям внутренних винтовых зубьев трубчатого корпуса, образованным упомянутой кольцевой канавкой, а обкладка из эластомера содержит в демпферной полости входной демпфер из эластомера с собственными внутренними винтовыми зубьями, примыкающими к внутренним винтовым зубьям обкладки из эластомера, прилегающий к поверхности кольцевой канавки внутри трубчатого корпуса и боковым поверхностям винтовых зубьев внутри трубчатого корпуса, образованным кольцевой канавкой, с возможностью скрепления с обкладкой из эластомера, а также с кольцевой канавкой внутри трубчатого корпуса и боковыми поверхностями винтовых зубьев внутри трубчатого корпуса, образованными кольцевой канавкой, при этом ниже по потоку от края внутренних винтовых зубьев в выходной по потоку части трубчатого корпуса обкладка из эластомера содержит выходной демпфер из эластомера с собственными внутренними винтовыми зубьями, примыкающими к внутренним винтовым зубьям обкладки из эластомера, прилегающий к внутренней поверхности выходной по потоку части трубчатого корпуса с возможностью скрепления с обкладкой из эластомера и внутренней поверхностью выходной по потоку части трубчатого корпуса, а также содержащем ротор, размещенный в трубчатом корпусе и включающий винтовые зубья, имеющие профиль, сформированный на наружной поверхности ротора, причем вращение ротора осуществляется от насосной подачи текучей среды, согласно изобретению обкладка из эластомера, закрепленная в трубчатом корпусе, выполнена с асимметричным расположением профиля ее поверхности с внутренними винтовыми зубьями, контактирующими с винтовыми зубьями на наружной поверхности ротора, относительно профиля ее поверхности, прилегающей к внутренним винтовыми зубьям в трубчатом корпусе, и включает первую и вторую сторону каждого винтового зуба обкладки из эластомера таким образом, что геометрия первой стороны обкладки, прилегающей к боковой поверхности внутреннего винтового зуба трубчатого корпуса, образует поверхность уплотнения с винтовыми зубьями на наружной поверхности ротора и выполнена с максимальной толщиной обкладки, а геометрия второй стороны обкладки, прилегающей к боковой поверхности упомянутого внутреннего винтового зуба трубчатого корпуса, образует поверхность нагружения и выполнена с минимальной толщиной обкладки.
Толщина Ту первой стороны обкладки, прилегающей к боковой поверхности внутреннего винтового зуба трубчатого корпуса и образующей поверхность уплотнения с винтовыми зубьями на наружной поверхности ротора, и толщина Тн второй стороны обкладки, прилегающей к боковой поверхности упомянутого внутреннего винтового зуба трубчатого корпуса и образующей поверхность нагружения, связаны соотношением: Ту=(1,55÷1,85) Тн.
Гидравлический забойный двигатель содержит во входной части трубчатого корпуса пояс пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки трубчатого корпуса уменьшенной толщиной, расположенным между ближним краем винтовых зубьев внутри трубчатого корпуса и полным последним витком внутренней резьбы, а в выходной части трубчатого корпуса содержит пояс пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки трубчатого корпуса уменьшенной толщиной, расположенным между ближним краем винтовых зубьев внутри трубчатого корпуса и полным последним витком внутренней резьбы, при этом отношение уменьшенной толщины стенки трубчатого корпуса во входной и выходной частях трубчатого корпуса к наружному диаметру трубчатого корпуса составляет 0,06÷0,09.
3
Выполнение гидравлического забойного двигателя таким образом, что обкладка из эластомера, закрепленная в трубчатом корпусе, выполнена с асимметричным расположением профиля ее поверхности с внутренними винтовыми зубьями, контактирующими с винтовыми зубьями на наружной поверхности ротора, относительно профиля ее поверхности, прилегающей к внутренним винтовыми зубьям в трубчатом корпусе, и включает первую и вторую сторону каждого винтового зуба обкладки из эластомера таким образом, что геометрия первой стороны обкладки, прилегающей к боковой поверхности внутреннего винтового зуба трубчатого корпуса, образует поверхность уплотнения с винтовыми зубьями на наружной поверхности ротора и выполнена с максимальной толщиной обкладки, а геометрия второй стороны обкладки, прилегающей к боковой поверхности упомянутого внутреннего винтового зуба трубчатого корпуса, образует поверхность нагружения и выполнена с минимальной толщиной обкладки, обеспечивает повышение усталостной выносливости, абразивной стойкости, упругости и герметичности уплотнения рабочей пары: ротор-обкладка из эластомера в трубчатом корпусе за счет предотвращения растрескивания, отслоения и вырывов кусков обкладки из эластомера в трубчатом корпусе, вследствие этого обеспечивает повышение ресурса и надежности двигателя для бурения нефтяных скважин в условиях высокой турбулентности бурового раствора, который имеет плотность до 1500 кг/м, содержит до 2% песка и до 10% нефтепродуктов, за счет предотвращения закупорки промывочного узла бурового долота, по существу, за счет предотвращения основного отказа компоновки низа бурильной колонны при бурении скважин по причине -"резина в долоте", вследствие этого требуемый интервал скважины может быть добурен до конца, повышается наработка на отказ, обеспечиваются экономические преимущества заявляемой конструкции.
3
Выполнение гидравлического забойного двигателя таким образом, что толщина Ту первой стороны обкладки, прилегающей к боковой поверхности внутреннего винтового зуба трубчатого корпуса и образующей поверхность уплотнения с винтовыми зубьями на наружной поверхности ротора, и толщина Тн второй стороны обкладки, прилегающей к боковой поверхности упомянутого внутреннего винтового зуба трубчатого корпуса и образующей поверхность нагружения, связаны соотношением: Ту=(1,55÷1,85) Тн, обеспечивает улучшение свойств эластомера в конструкции, по существу, усталостной выносливости при знакопеременном изгибе с вращением (ГОСТ 10952-75), остаточной деформации и усталостной выносливости при многократном сжатии (ГОСТ 20418-75), температурного предела хрупкости (ГОСТ 7912-74), истирания при скольжении (ГОСТ 426-77), за счет этого обеспечивается повышение ресурса и надежности гидравлического забойного двигателя в условиях высокой турбулентности бурового раствора, который имеет плотность до 1500 кг/м, содержит до 2% песка и до 10% нефтепродуктов, за счет предотвращения закупорки промывочного узла бурового долота, по существу, за счет предотвращения основного отказа компоновки низа бурильной колонны при бурении скважин по причине - "резина в долоте", вследствие этого требуемый интервал скважины может быть добурен до конца, повышается наработка на отказ, обеспечиваются экономические преимущества заявляемой конструкции.
Выполнение гидравлического забойного двигателя таким образом, что он содержит во входной по потоку части трубчатого корпуса пояс пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки трубчатого корпуса уменьшенной толщиной, расположенным между краем внутренних винтовых зубьев трубчатого корпуса, направленных против потока, и полным последним витком внутренней резьбы во входной по потоку части трубчатого корпуса, а в выходной по потоку части трубчатого корпуса содержит пояс пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки трубчатого корпуса уменьшенной толщиной, расположенный между краем внутренних винтовых зубьев трубчатого корпуса, направленных по потоку, и полным последним витком внутренней резьбы в выходной по потоку части трубчатого корпуса, при этом отношение уменьшенной толщины стенок трубчатого корпуса во входной по потоку части трубчатого корпуса, а также в выходной по потоку части трубчатого корпуса к наружному диаметру трубчатого корпуса составляет 0,06÷0,09, обеспечивает повышение точности проходки наклонных и горизонтальных скважин, повышение темпа набора параметров кривизны скважин, а также улучшение проходимости, т.е. уменьшение сопротивления и напряжений компоновки низа бурильной колонны путем изгиба корпуса двигателя при прохождении через радиусные участки ствола скважины в условиях интенсивного трения по стволу скважины, а также путем снижения вероятности образования усталостных трещин по краям корпуса при наработке ресурса.
Ниже представлен лучший вариант гидравлического забойного двигателя ДРУ2-172 PC для бурения направленных нефтяных скважин.
На фиг. 1 изображен продольный разрез двигателя, включающего ротор, установленный внутри трубчатого корпуса, содержащего входной демпфер, обкладку и выходной демпфер, все из эластомера.
На фиг. 2 изображен разрез А-А на фиг. 1 поперек входной части трубчатого корпуса, входного демпфера и ротора, отношение чисел зубьев ротор-входной демпфер равно 6/7.
На фиг. 3 изображен разрез Б-Б на фиг. 1 поперек трубчатого корпуса с внутренними винтовыми зубьями, обкладки из эластомера и ротора, отношение чисел зубьев ротор-обкладка равно 6/7.
На фиг. 4 изображен разрез В-В на фиг. 1 поперек выходной части трубчатого корпуса, выходного демпфера и ротора, отношение чисел зубьев ротор-выходной демпфер равно 6/7.
На фиг. 5 изображен продольный разрез трубчатого корпуса, включающего входной демпфер, обкладку и выходной демпфер, все из эластомера.
На фиг. 6 изображен разрез Г-Г на фиг. 5 поперек входной части трубчатого корпуса с внутренними винтовыми зубьями, число зубьев корпуса равно 7.
На фиг. 7 изображен разрез Д-Д на фиг. 5 поперек входной части трубчатого корпуса с входным демпфером, число зубьев входного демпфера равно 7.
На фиг. 8 изображен разрез Е-Е на фиг. 5 поперек трубчатого корпуса с обкладкой из эластомера, число зубьев обкладки равно 7.
На фиг. 9 изображен разрез Ж-Ж на фиг. 5 поперек выходной части трубчатого корпуса с выходным демпфером, число зубьев выходного демпфера равно 7.
Гидравлический забойный двигатель содержит трубчатый корпус 1 с внутренней поверхностью 2, выполненной в форме геликоида, по существу, с внутренними винтовыми зубьями 3, на входном по потоку текучей среды 4 краю 5 трубчатого корпуса 1 выполнена внутренняя коническая трубная резьба 6, например, РКТ154x6,35x1:9,6 СТП 001-2007, на выходном по потоку текучей среды 4 краю 7 трубчатого корпуса 1 выполнена внутренняя коническая трубная резьба 8, например, РКТ154x6,35x1:9,6 СТП 001-2007, а также содержит закрепленную в трубчатом корпусе 1 обкладку 9 из эластомера, например, из резины марки R1 (DE), прилегающую к внутренней поверхности 2 трубчатого корпуса 1, при этом обкладка 9 из эластомера выполнена с внутренними винтовыми зубьями 10 и совпадает по форме с внутренними винтовыми зубьями 3 в трубчатом корпусе 1, а толщина 11 обкладки 9 является максимальной на ее зубьях 10, радиально направленных внутрь, по сравнению с толщиной 12 впадин 13 вдоль внутренней винтовой поверхности 14 упомянутой обкладки 9, изображено на фиг. 1, 5, 6, 8.
В трубчатом корпусе 1 максимальная толщина 12 обкладки 9 из эластомера вдоль впадин 13 ее внутренней винтовой поверхности 14, расположенных на максимальном радиальном удалении 15, равна половине высоты 16 ее внутренних винтовых зубьев 10, при этом минимальная толщина 17 стенки трубчатого корпуса 1 вдоль радиально направленных наружу впадин 18 ее внутренней винтовой поверхности 2 равна высоте 16 внутренних винтовых зубьев 10 в обкладке 9 из эластомера, изображено на фиг. 1, 5, 6, 8.
Гидравлический забойный двигатель содержит во входной по потоку текучей среды 4 (бурового раствора) части 5 внутри трубчатого корпуса 1 демпферную полость 19, расположенную ниже по потоку 4 от края 20 внутренних винтовых зубьев 3 трубчатого корпуса 1, направленного против потока 4, выполненную в виде кольцевой канавки 21 (проточки) внутри трубчатого корпуса 1, примыкающей к боковым поверхностям 22 и 23 внутренних винтовых зубьев 3 трубчатого корпуса 1, образованным упомянутой кольцевой канавкой 21, изображено на фиг. 1, 2, 5.
Обкладка 9 из эластомера содержит в упомянутой демпферной полости 19 входной демпфер 24 из эластомера с собственными внутренними винтовыми зубьями 25, примыкающими к внутренним винтовым зубьям 10 обкладки 9 из эластомера, прилегающий к поверхности демпферной полости 19, по существу, кольцевой канаки 21, внутри входной по потоку 4 части 5 трубчатого корпуса 1, с возможностью скрепления с обкладкой 9 из эластомера, а также с поверхностью демпферной полости 19, по существу, кольцевой канавки 21, и боковыми поверхностями, соответственно, 22 и 23 внутренних винтовых зубьев 3 трубчатого корпуса 1, образованными упомянутой кольцевой канавкой 21, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.
Ниже по потоку 4 от края 26 внутренних винтовых зубьев 3 в выходной по потоку 4 части 7 трубчатого корпуса 1 обкладка 9 из эластомера содержит выходной демпфер 27 из эластомера с собственными внутренними винтовыми зубьями 28, примыкающими к внутренним винтовым зубьям 10 обкладки 9 из эластомера, имеющий поверхность 29 (в виде кольцевой фаски) в выходной по потоку 4 части 7 трубчатого корпуса 1 с возможностью скрепления с обкладкой 9 из эластомера и внутренней поверхностью 30 выходной по потоку 4 части 7 трубчатого корпуса 1, изображено на фиг. 1, 2, 5, 9.
Число зубьев 3 трубчатого корпуса 1 равно 7, направление зуба 3 трубчатого корпуса 1 - левое, ход винтовой линии зуба 3 трубчатого корпуса 1 равен 700 мм.
Ход винтовой линии каждого внутреннего винтового зуба 3 трубчатого корпуса 1 равен расстоянию по соосной поверхности между двумя положениями точки, образующей линию винтового зуба 3, соответствующими ее полному обороту вокруг центральной продольной оси 58 трубчатого корпуса 1, показано, например, в ГОСТ 16530-83, стр. 17.
3
Гидравлический забойный двигатель содержит ротор 31, установленный внутри трубчатого корпуса 1, содержащего входной демпфер 24, обкладку 9 и выходной демпфер 27, все из эластомера, ротор 31 имеет винтовые зубья 32, профиль винтовых зубьев 32 сформирован на наружной поверхности 33 ротора 31, отношение чисел зубьев 32 ротора 31 к числу зубьев 25 входного демпфера 24 равно 6/7, отношение чисел зубьев 32 ротора 31 к числу зубьев 10 обкладки 9 равно 6/7, а отношение чисел зубьев 32 ротора 31 к числу зубьев 28 выходного демпфера 27 также равно 6/7, при этом вращение ротора 31 осуществляется от насосной подачи текучей среды 4 (бурового раствора), который имеет плотность до 1500 кг/м, содержит до 2% песка и до 10% нефтепродуктов, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.
Число зубьев 32 ротора 31 равно 6, направление зуба 32 ротора 31 -левое, ход винтовой линии зуба 32 ротора 31 равен 600 мм.
Ход винтовой линии каждого внутреннего винтового зуба 32 ротора 31 равен расстоянию по соосной поверхности между двумя положениями точки, образующей линию винтового зуба 32, соответствующими ее полному обороту вокруг центральной продольной оси 57 ротора 31, показано, например, в ГОСТ 16530-83, стр. 17.
Твердость обкладки 9, входного демпфера 24 и выходного демпфера 27 из резины марки R1 (DE) составляет 78±3 ед. Шор А.
Кроме того, поз. 34 - перемещающиеся по потоку текучей среды 4 (бурового раствора) винтовые камеры между зубьями 32 ротора 31 и зубьями 25 входного демпфера 24 из эластомера, поз. 35 перемещающиеся по потоку текучей среды 4 изолированные винтовые камеры между зубьями 32 ротора 31 и зубьями 10 обкладки 9 из эластомера, поз. 36 - перемещающиеся по потоку текучей среды 4 винтовые камеры между зубьями 32 ротора 31 и зубьями 28 выходного демпфера 27 из эластомера, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4.
Обкладка 9 из эластомера, закрепленная в трубчатом корпусе 1, выполнена с асимметричным расположением профиля ее поверхности 37 с внутренними винтовыми зубьями 10, контактирующими с винтовыми зубьями 32 на наружной поверхности 33 ротора 31, относительно профиля ее поверхности 38, прилегающей к внутренним винтовыми зубьям 3 в трубчатом корпусе 1, и включает первую и вторую сторону, соответственно, 39 и 40 каждого винтового зуба 10 обкладки 9 из эластомера таким образом, что геометрия первой стороны 39 обкладки 9, прилегающей поверхностью 41 к боковой поверхности 42 внутреннего винтового зуба 3 трубчатого корпуса 1, образует, по существу, поверхность 39 уплотнения с винтовыми зубьями 32 на наружной поверхности 33 ротора 31 и выполнена с максимальной толщиной 43, Ту обкладки 9, а геометрия второй стороны 40 обкладки 9, прилегающей поверхностью 44 к боковой поверхности 45 упомянутого внутреннего винтового зуба 3 трубчатого корпуса 1, образует, по существу, поверхность 40 нагружения (от давления текучей среды - бурового раствора 4) и выполнена с минимальной толщиной 46, Т н обкладки 9, изображено на фиг. 1, 3, 6, 8.
Толщина 43, Ту первой стороны 39 обкладки 9 из эластомера, прилегающей к боковой поверхности 41 внутреннего винтового зуба 3 трубчатого корпуса 1 и образующей поверхность 42 уплотнения с винтовыми зубьями 32 на наружной поверхности 33 ротора 31, и толщина 46, Тн второй стороны 40 обкладки 9 из эластомера, прилегающей к боковой поверхности 44 упомянутого внутреннего винтового зуба 3 трубчатого корпуса 1 и образующей поверхность 45 нагружения, связаны соотношением: Ту=(1,55÷1,85) Тн.
Гидравлический забойный двигатель содержит во входной по потоку 4 части 5 трубчатого корпуса 1 пояс 47 пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки 48 трубчатого корпуса 1 уменьшенной толщиной 49, расположенным между ближним краем 20 внутренних винтовых зубьев 3 трубчатого корпуса 1, направленных против потока 4, и полным последним витком 50 внутренней резьбы 6 входной части 5 трубчатого корпуса 1, изображено на фиг. 1, 5.
Гидравлический забойный двигатель содержит в выходной части 4 трубчатого корпуса 1 пояс 51 пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки 52 трубчатого корпуса 1 уменьшенной толщиной 53, расположенным между ближним краем 26 винтовых зубьев 3 внутри трубчатого корпуса 1 и полным последним витком 54 внутренней резьбы 8 в выходной по потоку 4 части 7 трубчатого корпуса 1, изображено на фиг. 1, 5.
Отношение уменьшенной толщины 49 стенки 48 трубчатого корпуса 1 во входной по потоку 4 части 5 трубчатого корпуса 1 к наружному диаметру 55 трубчатого корпуса 1 во входной по потоку 4 части 5 трубчатого корпуса 1, а также отношение уменьшенной толщины 53 стенки 52 трубчатого корпуса 1 в выходной по потоку 4 части 7 трубчатого корпуса 1 к наружному диаметру 56 трубчатого корпуса 1 в входной по потоку 4 части 5 трубчатого корпуса 1, составляет 0,06÷0,09, изображено на фиг. 1, 5.
Кроме того, поз. 57 - центральная продольная ось ротора 31, поз. 58 - центральная продольная ось обкладки 9 из эластомера, а также входного демпфера 24 из эластомера, а также выходного демпфера 27 из эластомера, закрепленных методом вулканизации эластомера (резины) внутри трубчатого корпуса 1, при этом поз. 59 - эксцентриситет ротора 31, установленного в обкладке 9 из эластомера внутри трубчатого корпуса 1, скрепленной с внутренней поверхностью трубчатого корпуса 1, а также установленного во входном демпфере 24 из эластомера, а также установленного в выходном демпфере 27 из эластомера, изображено на фиг. 1, 5, 7, 8, 9.
Гидравлический забойный двигатель, в котором содержится трубчатый корпус 1 с внутренними винтовыми зубьями 2 и обкладкой 9 из эластомера, имеющей одинаковую толщину (R-Wall), а также входной и выходной демпферы, соответственно, 24 и 27 из эластомера, а также установленный внутри трубчатого корпуса 1 ротор 31 с винтовыми зубьями 32 на его наружной поверхности 33, число зубьев 32 ротора 31 на единицу меньше числа зубьев 2 трубчатого корпуса 1 и зубьев 10 обкладки 9, входит в модуль двигательной секции винтового забойного двигателя для направленного бурения нефтяных скважин, включающего карданный вал, шпиндельную секцию, регулятор угла перекоса между двигательной и шпиндельной секциями, и долото (не изображенные).
Винтовые зубья 32 на наружной поверхности 33 ротора выполняют левого вращения для осуществления левого планетарно-роторного вращения ротора 31 внутри входного демпфера 24 из эластомера во входной по потоку 4 текучей среды - бурового раствора части 5 трубчатого корпуса 1, обкладки 9 из эластомера, закрепленной в трубчатом корпусе 1, а также выходного демпфера 27 из эластомера с внутренними винтовыми зубьями 28 в выходной по потоку 4 части 7 трубчатого корпуса 1.
Гидравлический забойный двигатель для бурения направленных нефтяных скважин работает следующим образом: поток бурового раствора 4 под давлением, например, 25÷35 МПа по колонне бурильных труб подается в многозаходные винтовые камеры 34 между зубьями 32 ротора 31 и зубьями 25 входного демпфера 24 из эластомера во входной по потоку текучей среды - бурового раствора 4 части 5 трубчатого корпуса 1, далее подается в многозаходные винтовые камеры 35 между зубьями 32 ротора 31 и зубьями 10 обкладки 9 из эластомера, закрепленной внутри трубчатого корпуса 1, далее подается в многозаходные винтовые камеры 36 между зубьями 32 ротора 31 и зубьями 28 выходного демпфера 27 в выходной по потоку текучей среды 4 части 7 трубчатого корпуса 1, образует область высокого давления и вращающий момент от гидравлических сил, который приводит в планетарно-роторное вращение ротор 31 внутри входного демпфера 24 из эластомера во входной по потоку 4 текучей среды - бурового раствора части 5 трубчатого корпуса 1, обкладки 9 из эластомера, закрепленной в трубчатом корпусе 1, а также выходного демпфера 27 из эластомера с внутренними винтовыми зубьями 28 в выходной по потоку 4 части 7 трубчатого корпуса 1.
3
Многозаходные винтовые камеры 34 между зубьями 32 ротора 31 и зубьями 25 входного демпфера 24 из эластомера во входной по потоку текучей среды - бурового раствора 4 части 5 трубчатого корпуса 1, многозаходные винтовые камеры 35 между зубьями 32 ротора 31 и зубьями 10 обкладки 9 из эластомера, закрепленной внутри трубчатого корпуса 1, а также многозаходные винтовые камеры 36 между зубьями 32 ротора 31 и зубьями 28 выходного демпфера 27 в выходной по потоку текучей среды 4 части 7 трубчатого корпуса 1 имеют переменный объем и периодически перемещаются по потоку текучей среды - бурового раствора 4, который имеет плотность до 1500 кг/м, содержит до 2% песка и до 10% нефтепродуктов.
Планетарно-роторное вращение (левое) ротора 31 внутри входного демпфера 24 из эластомера во входной по потоку текучей среды - бурового раствора 4 части 5 трубчатого корпуса 1, внутри зубьев 10 обкладки 9 из эластомера, закрепленной внутри трубчатого корпуса 1, а также внутри зубьев 28 выходного демпфера 27 в выходной по потоку текучей среды 4 части 7 трубчатого корпуса 1 осуществляет передачу вращающего момента вправо через приводной (карданный) вал, вал шпиндельной секции, на долото, закрепленное в муфтовой резьбе вала шпиндельной секции (не изображенные), осуществляя направленное бурение скважины.
-1
В режиме максимальной мощности частота вращения вала шпиндельной секции и долота составляет, например, (1,8÷2,5) с; момент силы на валу шпиндельной секции составляет (9÷14)кН⋅м; перепад давления (межвиткового, на зубьях обкладки из эластомера в корпуса 1) в режиме максимальной мощности составляет 17÷28 МПа; максимальная осевая нагрузка (на долото) составляет 250 кН.
Винтовые зубья 25 входного демпфера 24 из эластомера во входной по потоку 4 текучей среды - бурового раствора части 5 трубчатого корпуса 1, винтовые зубья 10 обкладки 9 из эластомера, закрепленной внутри трубчатого корпуса 1, а также винтовые зубья 28 выходного демпфера 27 в выходной по потоку 4 текучей среды части 7 трубчатого корпуса 1 подвергаются сложной деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора 31 внутри входного демпфера 24 из эластомера во входной по потоку 4 текучей среды - бурового раствора части 5 трубчатого корпуса 1, внутри обкладки 9 из эластомера, закрепленной в трубчатом корпусе 1, а также внутри выходного демпфера 27 из эластомера с внутренними винтовыми зубьями 28 в выходной по потоку 4 части 7 трубчатого корпуса 1.
В заявляемой конструкции за счет того, обкладка 9 из эластомера, закрепленная в трубчатом корпусе 1, выполнена с асимметричным расположением профиля ее поверхности 37 с внутренними винтовыми зубьями 10, контактирующими с винтовыми зубьями 32 на наружной поверхности 33 ротора 31, относительно профиля ее поверхности 38, прилегающей к внутренним винтовыми зубьям 3 в трубчатом корпусе 1, и включает первую и вторую сторону, соответственно, 39 и 40 каждого винтового зуба 10 обкладки 9 из эластомера таким образом, что геометрия первой стороны 39 обкладки 9, прилегающей поверхностью 41 к боковой поверхности 42 внутреннего винтового зуба 3 трубчатого корпуса 1, образует, по существу, поверхность 39 уплотнения с винтовыми зубьями 32 на наружной поверхности 33 ротора 31 и выполнена с максимальной толщиной 43, Ту обкладки 9, а геометрия второй стороны 40 обкладки 9, прилегающей поверхностью 44 к боковой поверхности 45 упомянутого внутреннего винтового зуба 3 трубчатого корпуса 1, образует, по существу, поверхность 40 нагружения (от давления текучей среды - бурового раствора 4) и выполнена с минимальной толщиной 46, Тн обкладки 9, обеспечиваются зоны повышенной сдвиговой прочности, обеспечивается уменьшение градиента температур при выделении тепла внутри материала зубьев 10 в обкладке 9 из эластомера, улучшается отвод внутреннего тепла из обкладки 9 из эластомера к потоку текучей среды 4 внутри трубчатого корпуса 1, а также сквозь стенки трубчатого корпуса 1 к буровому раствору с внешней стороны трубчатого корпуса 1 (затрубного пространства), поток которого направлен от забоя (от долота) к устью скважины.
При этом повышаются упруго-прочностные свойства эластомера в конструкции: усталостная выносливость при знакопеременном изгибе с вращением (ГОСТ 10952-75), остаточная деформация и усталостная выносливость при многократном сжатии (ГОСТ 20418-75), температурный предел хрупкости (ГОСТ 7912-74), истирание при скольжении (ГОСТ 426-77), вследствие этого снижается вероятность растрескивания, отслоения и вырывов кусков обкладки 9 из эластомера во входной и выходной по потоку 4 части обкладки 9 из эластомера в трубчатом корпусе 1, предотвращается закупорка промывочного узла бурового долота, устраняется основной отказ компоновки низа бурильной колонны при бурении скважин по причине -"резина в долоте", вследствие этого требуемый интервал скважины может быть добурен до конца, повышается наработка на отказ, обеспечиваются экономические преимущества заявляемой конструкции.
За счет того, что толщина 43, Ту первой стороны 39 обкладки 9 из эластомера, прилегающей к боковой поверхности 41 внутреннего винтового зуба 3 трубчатого корпуса 1 и образующей поверхность 42 уплотнения с винтовыми зубьями 32 на наружной поверхности 33 ротора 31, и толщина 46, Тн второй стороны 40 обкладки 9 из эластомера, прилегающей к боковой поверхности 44 упомянутого внутреннего винтового зуба 3 трубчатого корпуса 1 и образующей поверхность 45 нагружения, связаны соотношением: Ту=(1,55÷1,85) Тн, дополнительно повышаются упруго-прочностные свойства эластомера в конструкции: усталостная выносливость при знакопеременном изгибе с вращением (ГОСТ 10952-75), остаточная деформация и усталостная выносливость при многократном сжатии (ГОСТ 20418-75), температурный предел хрупкости (ГОСТ 7912-74), истирание при скольжении (ГОСТ 426-77), вследствие этого снижается вероятность растрескивания, отслоения и вырывов кусков обкладки 9 из эластомера в трубчатом корпусе 1, предотвращается закупорка промывочного узла бурового долота, устраняется основной отказ компоновки низа бурильной колонны при бурении скважин по причине - "резина в долоте", вследствие этого обеспечивается повышение надежности и ресурса гидравлического забойного двигателя, в котором трубчатый корпус выполнен с винтовыми зубьями и равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall), при этом требуемый интервал скважины может быть добурен до конца, обеспечиваются экономические преимущества заявляемой конструкции.
За счет того, что гидравлический забойный двигатель содержит в выходной части 4 трубчатого корпуса 1 пояс 51 пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки 52 трубчатого корпуса 1 уменьшенной толщиной 53, расположенным между ближним краем 26 винтовых зубьев 3 внутри трубчатого корпуса 1 и полным последним витком 54 внутренней резьбы 8 в выходной по потоку 4 части 7 трубчатого корпуса 1, при этом отношение уменьшенной толщины 49 стенки 48 трубчатого корпуса 1 во входной по потоку 4 части 5 трубчатого корпуса 1 к наружному диаметру 55 трубчатого корпуса 1 во входной по потоку 4 части 5 трубчатого корпуса 1, а также отношение уменьшенной толщины 53 стенки 52 трубчатого корпуса 1 в выходной по потоку 4 части 7 трубчатого корпуса 1 к наружному диаметру 56 трубчатого корпуса 1 в входной по потоку 4 части 5 трубчатого корпуса 1, составляет 0,06÷0,09, обеспечивается повышение точности проходки наклонных и горизонтальных скважин, повышение темпа набора параметров кривизны скважин, а также улучшение проходимости, т.е. уменьшение сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны при использовании в гидравлическом забойном двигателе за счет уменьшения жесткости трубчатого корпуса, что обеспечивает изгиб трубчатого корпуса статора при прохождении через радиусные участки ствола скважины, имеющие участки малого и среднего радиуса 30÷300 м, в условиях интенсивного трения по стволу скважины.
Использование гидравлического забойного двигателя повышает надежность и ресурс за счет повышения усталостной выносливости, абразивной стойкости, упругости и герметичности уплотнения рабочей пары: ротор-обкладка из эластомера в корпусе двигателя путем предотвращения растрескивания, отслоения и вырывов кусков обкладки из эластомера в корпусе, за счет этого предотвращается закупорка промывочного узла бурового долота, вследствие этого требуемый интервал скважины может быть добурен до конца, обеспечиваются экономические преимущества при направленном бурении скважин.
Использование гидравлического забойного двигателя повышает также точность проходки при бурении направленных скважин, темп набора параметров кривизны скважин, а также улучшает проходимость, т.е. уменьшает сопротивления и напряжения в компоновке низа бурильной колонны за счет уменьшения жесткости корпуса, обеспечения изгиба корпуса при прохождении через радиусные интервалы ствола скважины в условиях интенсивного трения по стволу скважины, а также снижает вероятность образования усталостных трещин по краям корпуса.