ДВИГАТЕЛЬ ОБЪЕМНОГО ТИПА С РАДИАЛЬНО ОГРАНИЧЕННЫМ ЗАЦЕПЛЕНИЕМ РОТОРА
VOLUME TYPE ENGINE WITH RADIALLY LIMITED ROTOR ENGAGEMENT

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Раскрытые здесь варианты осуществления изобретения относятся в основном к забойным двигателям, используемым в бурении ствола подземной буровой скважины. Более конкретно, раскрытые здесь варианты осуществления изобретения относятся к повышению эффективности двигателя с использованием одного или более устройств для приложения корректирующих сил к ротору или для ограничения положения ротора относительно статора в забойном двигателе.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Сборки забойных двигателей, таких как забойные двигатели, используются для дополнения буровых работ путем превращения гидравлической мощности в механический крутящий момент и прикладывания этого момента к буровому долоту. Буровой раствор или буровой глинистый раствор используется для охлаждения и смазки бурового долота, выноса отходов бурения и обеспечения глинистой корки раствора на стенках кольца для предотвращения в результате обрушения породы в скважине или от обваливания всех вместе стенок скважины.
Один пример устройства бурения, используемого забойный двигатель, проиллюстрирован на Фиг. 1. Скважинное оборудование содержит двигатель 11, который подвешен на колоне тюбинговой крепи в буровой скважине. Двигатель 11 представляет собой двигатель винтового типа и имеет трубчатый корпус 15, который содержит эластомерный статор 17. Статор 17 представляет собой стационарный эластомерный элемент, имеющий полости 19 по всей его длине. Ротор 21 проходит через полости 19 и вращается при прохождении текучей среды через двигатель 11.
Скважинное оборудование имеет продольную ось 35, которая совпадает с продольной осью двигателя 11. Нижний конец ротора 21 будет орбитально эксцентричным относительно оси 35, как обозначено цифровым значением 37. Например, сумма бокового отклонения от оси 35 может быть от около 3,1 мм до около 6,4 мм (от около 1/8 до 1/4 дюйма). Ротор 21 соединен с соединительным валом 39 с помощью соединительной муфты 41 ротора. Соединительная муфта 41 ротора формирует жесткое соединение, которое заставляет верхний конец соединительного вала 39 выходить на орбиту синхронно с нижним концом ротора 21. Нижний конец соединительного вала 39 подсоединяется к соединительной муфте приводного вала 43, которая также жестко соединена. Соединительная муфта приводного вала 43 вращается концентрически на продольной оси 35. Соединительный вал 39 будет изгибаться вдоль его длины из-за орбитального движения его верхнего конца. После чего соединительная муфта приводного вала 43 присоединяется через приводной вал 45 напрямую или опосредованно к буровому долоту.
В процессе работы сборка двигателя будет собрана или опущена в буровую скважину на колоне тюбинговой крепи. После того как она установлена на месте, буровой глинистый раствор подается к двигателю 11, заставляя ротор 21 эксцентрически вращаться. Это заставляет вращаться соединительный вал 39, который в свою очередь вращает приводной вал 45 и буровое долото (не изображено). Двигатель 11 будет выгружать текучую среду из нижнего конца, а оттуда к буровому долоту для охлаждения бурового долота и удаления отходов бурения, где она протекает на поверхность.
Бурильные двигатели или забойные двигатели, такие как проиллюстрированные на Фиг. 1, могут также содержать устройство для зацепления ротора, которое предоставляет оператору возможность для извлечения поломанного узла двигателя при маловероятном событии разделения соединительного устройства или механического повреждения. Фиг. 2 иллюстрирует устройство для зацепления ротора 30, где одинаковые ссылочные позиции обозначают одинаковые детали. Устройство для зацепления ротора проходит от верхней части ротора 21 в верхний переводник 32. Верхний переводник 32 и статор 15 могут содержать резьбовые секции 34 для соединения двух деталей. Верхний переводник 32 также содержит бурт 36. Если какая-либо деталь внешнего корпуса (например, соединитель статора) ломается ниже верхнего переводника, больший конец зацепления двигателя 30 будет застревать на бурте 36, который в свою очередь будет позволять ротору и остальной части двигателя быть вытянутой из скважины.
СУЩНОСТЬ ЗАЯВЛЕННЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном аспекте, раскрытые здесь варианты осуществления относятся к сборке забойного двигателя, который содержит: верхний переводник, содержащий бурт, который имеет первый внутренний диаметр вблизи дистального конца верхнего переводника; рабочую пару, которая содержит винтовой двигатель, содержащий статор и ротор, сконфигурированный для эксцентрического вращения при прохождении бурового раствора через двигатель, причем и статор, и ротор имеют ближний конец и дистальный конец, при этом ближний конец рабочей пары прикреплен к дистальному концу верхнего переводника; а зацепление ротора содержит вал, имеющий ближний конец и дистальный конец и эксцентрически вращающийся посредством трансмиссии эксцентриковой передачи ротора; при этом дистальный конец вала прикреплен напрямую или опосредованно к ближнему концу ротора; при том что вал проходит от дистального конца зацепления ротора в верхний переводник на расстоянии мимо бурта, при этом по меньшей мере часть вала, проходящая мимо бурта, имеет внешний диаметр меньше, чем первый внутренний диаметр бурта; при этом ближний конец вала имеет эффективный внешний диаметр больше, чем первый внутренний диаметр, и/или прикреплен к сборному зацеплению ротора, содержащему одну или более деталей, которые имеют эффективный внешний диаметр больше, чем первый внутренний диаметр; по меньшей мере одно устройство расположено между ближним и дистальным концом вала зацепления ротора, и по меньшей мере одно устройство сконфигурировано для ограничения радиального и/или тангенциального перемещения вала зацепления ротора и с помощью трансмиссии через вал для ограничения радиального и/или тангенциального перемещения ротора.
В другом аспекте, раскрытые здесь варианты осуществления относятся к буровому снаряду, который содержит: сборку забойного двигателя, содержащую верхний переводник и рабочую пару; причем верхний переводник содержит бурт, имеющий первый внутренний диаметр вблизи дистального конца верхнего переводника; а рабочая пара содержит винтовой двигатель, содержащий статор и ротор, сконфигурированный для эксцентрического вращения при прохождении бурового раствора через двигатель, причем и статор, и ротор имеют ближний конец и дистальный конец, при этом ближний конец статора прикреплен к дистальному концу верхнего переводника; а зацепление ротора содержит вал, имеющий ближний конец и дистальный конец и эксцентрически вращающийся посредством трансмиссии эксцентриковой передачи ротора; при том что дистальный конец вала прикреплен напрямую или опосредованно к ближнему концу ротора; при этом вал проходит от дистального конца зацепления ротора в верхний переводник на расстоянии мимо бурта, при том что по меньшей мере часть вала, проходящая мимо бурта, имеет внешний диаметр меньше, чем первый внутренний диаметр бурта; при этом ближний конец вала имеет эффективный внешний диаметр больше, чем первый внутренний диаметр, и/или прикреплен к приспособлению для зацепления ротора, содержащему одну или более деталей, имеющих эффективный внешний диаметр больше, чем первый внутренний диаметр; по меньшей мере одно устройство расположено между ближним и дистальным концом вала зацепления ротора, и по меньшей мере одно устройство сконфигурировано для ограничения радиального и/или тангенциального перемещения вала зацепления ротора и с помощью трансмиссии через вал для закрепления радиального и/или тангенциального перемещения ротора; а внешний вал двигателя напрямую или опосредованно прикреплен к дистальному концу ротора; и буровое долото напрямую или опосредованно прикреплено к дистальному концу внешнего вала двигателя.
В другом аспекте, раскрытые здесь варианты осуществления относятся к способу бурения ствола скважины через подземные пласты, который содержит: прохождение бурового раствора через сборку забойного двигателя или буровой снаряд в соответствии с раскрытыми здесь вариантами осуществления, и бурение пласта, используя буровое долото, связанное напрямую или опосредованно с ротором.
Другие аспекты и преимущества будут очевидны из следующего описания и прилагаемой формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 иллюстрирует забойный двигатель из уровня техники.
Фиг. 2 иллюстрирует зацепление двигателя, используемое с забойными двигателями.
Фиг. 3 представляет собой упрощенную схему сборки забойного двигателя в соответствии с раскрытыми здесь вариантами осуществления.
Фиг. 4 представляет собой упрощенную схему сборки забойного двигателя в соответствии с раскрытыми здесь вариантами осуществления.
Фиг. 5 представляет собой упрощенную схему сборки забойного двигателя в соответствии с раскрытыми здесь вариантами осуществления.
Фиг. 6 представляет собой упрощенную схему сборки забойного двигателя в соответствии с раскрытыми здесь вариантами осуществления.
Фиг. 7 и 9 иллюстрируют устройство для закрепления для использования в сборке забойного двигателя в соответствии с раскрытыми здесь вариантами осуществления.
Фиг. 10 иллюстрирует поперечное сечение неконцентрической колоны труб, которая может быть использована в сборке забойного двигателя в соответствии с раскрытыми здесь вариантами осуществления.
Фиг. 11А иллюстрирует разрез первого варианта осуществления сборки забойного двигателя, имеющего прецессионное устройство для управления траекторией или вращением вала зацепления ротора в соответствии с раскрытыми здесь вариантами осуществления.
Фиг. 11Б иллюстрирует продольное сечение части сборки забойного двигателя, соответственного устройству на Фиг. 11А.
Фиг. 12 иллюстрирует сборку забойного двигателя/буровой снаряд, имеющий устройство для управления траекторией и вращением ротора относительно статора, соединенного как с дистальным концом ротора, так и с зацеплением ротора.
Фиг. 13 иллюстрирует упрощенную схему сборки забойного двигателя в соответствии с раскрытыми здесь вариантами осуществления.
Фиг. 14-16 иллюстрируют роторы и статоры, используемые в забойных двигателях, в соответствии с раскрытыми здесь вариантами осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Было обнаружено, что силы, наложенные на ротор, в процессе работы могут привести к возникновению протекающих зазоров (снижения перепада давления движущей силы) по длине двигателя. Эти протекающие зазоры, связанные с неправильной герметизацией пары статор/ротор, могут снизить скорость вращения и ограничивать крутящий момент.
Силы, накладываемые на ротор в процессе работы, включают силы, которые возникают вследствие перепада давления в поперечном направлении двигателя от входного конца к выходному концу. Перепад давления может привести к моменту наклона. Существует также направленная вниз сила, прикладываемая на бурильную колону, как правило, называемая как «аксиальное давление» или «нагрузка на долото», где эта сила обязательно передается через ротор - приводной вал - соединительные элементы бурового долота. Орбитальное - осевое - отношение соединения приводного вала может также привести к угловым и/или радиальным силам, прикладываемым на ротор. Вращение ротора также приводит к тангенциальным силам.
Каждая из этих сил может оказать влияние на то, каким образом ротор взаимодействует со статором, такое как сжимающие силы, генерирующие уплотнения вдоль краев полученных полостей, скольжение, силы трения колоны или фрикционные силы между ротором и статором при вращениях ротора и т.д. В результате протекающие зазоры могут образовываться по длине двигателя, снижая эффективность двигателя. Кроме того, влияние этих сил может отличаться вблизи входного конца и выходного конца двигателя.
Также было обнаружено, что устройства зацепления двигателя приводят к значительному количеству нависающей массы. Это, в свою очередь, может привести к значительным изменениям в центробежных силах в верхней части ротора по сравнению с проектированными основаниями, дополнительно влияющими на образование протекающих зазоров, которые снижают эффективность двигателя.
Раскрытые здесь варианты осуществления относятся к использованию устройства, расположенного на или взаимодействующего с устройством ограничения ротора, для передачи корректировочных радиальных сил к ротору. Эта радиальная внутренняя сила препятствует центробежным силам и нагрузке гидравлического давления на ротор, ограничивая перемещение ротора относительно статора, при этом ограничивая, минимизируя или устраняя образование протекающих зазоров по длине двигателя. Перемещение ротора относительно статора, как правило, ограничено присущей эластичностью материалов, используемых для формирования ротора и статора (например, отклонение/сжатие резиновой прокладки статора и т.д.). Как использовано здесь, ограничение перемещения ротора относительно статора относится к сдерживанию или ограничению перемещения во время использования в большей степени, чем привело бы в противном случае, или разрешается с помощью присущей упругости материалов, используемых для формирования ротора и статора.
Улучшение уплотнения между парой статор/ротор приводит к использованию устройства, расположенного на или взаимодействующего с устройством зацепления ротора, для придания корректирующих радиальных сил на ротор, может, таким образом, привести к увеличению одной или более скоростей вращения, крутящего момента и падению давления по сравнению с неограничиваемой парой статор/ротор такого же размера и конфигурации (т.е. количество лопастей, диаметр, материалы конструкции, длина, угол наклона и т.д.). Например, ограничение перемещения ротора относительно статора в соответствии с раскрытыми здесь некоторыми вариантами осуществления может привести к увеличению крутящего момента и/или скорости вращения, по крайней мере, на 5% по сравнению с двигателем такой же конфигурации без устройства ограничения; крутящий момент и/или скорость вращения могут быть увеличены по меньшей мере на 10% в других вариантах осуществления; и по меньшей мере на 15% в одних вариантах осуществления; и по меньшей мере на 20% в других вариантах осуществления; и по меньшей мере на 25% в еще одних вариантах осуществления. Полученное увеличение крутящего момента и/или скорости вращения может, например, позволить большей силе быть приложенной к буровому долоту или буровому долоту вращаться с большей скоростью вращения, оба случая, которые могут отдельно или совместно приводить к улучшенным характеристикам бурения (меньше времени для бурения заданной глубины и т.д.). Кроме того, полученное в результате увеличение крутящего момента и/или скорости вращения может позволить уменьшить длину двигателя (длину пары ротор/статор) для достижения такой же необходимой производительности.
Ссылаясь теперь на Фиг. 3, на которой иллюстрирована сборка забойного двигателя в соответствии с описанными здесь вариантами осуществления. Сборка забойного двигателя 100 содержит рабочую пару 102 и верхний переводник 104, при том что дистальный конец 104D верхнего переводника 104 прикреплен к ближнему концу 102Р рабочей пары 102. Верхний переводник 104 содержит бурт 105, имеющий внутренний диаметр D1.
Рабочая пара 102 содержит винтовой двигатель 103, имеющий статор 106 и ротор 108. Ротор 108 сконфигурирован для эксцентрического вращения при прохождении бурового раствора через винтовой двигатель 103 от входного отверстия 110 к выходному отверстию 112. Поверхность ротора 108, статора 106 или обоих, выполнена из гибкого материала, давая возможность образовываться уплотнению между поверхностями контактирования ротора 108 и статора 106.
Дистальный конец ротора 108 может быть прикреплен напрямую или опосредованно к трансмиссии или приводному валу (не изображено), которые, в свою очередь, могут быть прикреплены к подшипникам, подшипниковой оправке, переводнику к долоту, и в конечном счете к буровому долоту для бурения через подземные пласты.
Входной (ближний) конец 114 ротора 108 прикреплен к дистальному концу 116 устройства зацепления ротора 118. Несмотря на то что проиллюстрировано прикрепление напрямую, альтернативно ротор 108 может быть опосредованно прикреплен к устройству зацепления ротора 118. Устройство зацепления ротора 118, через соединение с ротором 108, также эксцентрически вращается (т.е. во время работы ротор 108 передает эксцентрическое движение ротора к устройству зацепления ротора 118) и, таким образом, имеет продольную ось 132, отклоненную от продольной оси 134 двигателя.
Устройство зацепления ротора 118 может, например, содержать удлиненный вал 120 постоянного или переменного внешнего диаметра между дистальным концом 116 и ближним концом 122 устройства зацепления ротора 118. Вал 120 проходит от дистального конца 116 устройства зацепления ротора 118 в верхний переводник 104 на расстоянии мимо бурта 105. Несмотря на то что бурт 205 изображен как цельная часть верхнего переводника 204, следует понимать, что он может альтернативно быть сконструирован из одного или более раздельных деталей и прикреплен к верхнему переводнику 204 с помощью различных приспособлений, содержащих резьбовые соединения, но не ограничен ими. Часть вала 120, проходящая через бурт 105, имеет внешний диаметр D2 меньше, чем внутренний диаметр D1 бурта 105. Ближний конец 122 содержит участок 124, который имеет эффективный внешний диаметр D3 больше, чем внутренний диаметр D1 бурта 105. Следовательно, если любая часть внешнего корпуса сборки двигателя 100 или буровой колоны ломается или повреждается ниже верхнего переводника 104, увеличенный участок 124 не сможет пройти бурт 105, что позволит ротору 108 и остальной части двигателя 100 быть вытянутой из ствола скважины. Увеличенный участок 124 может быть объединен с валом 120 или может содержать одну или более детали (приспособление для зацепления ротора), прикрепленные к ближнему концу 122 вала 120.
Ссылаясь теперь на Фиг. 3-6, при том что одинаковые ссылочные позиции означают одинаковые детали, сборка забойного двигателя 100 также содержит одно или более устройств 130 для ограничения радиального и/или тангенциального перемещения вала 120 устройства зацепления ротора 118. Устройство 130 может быть размещено в любом месте по длине вала 120. В некоторых вариантах осуществления устройство 130 может быть расположено между буртом 105 и дистальным концом 116 или валом 120 так, как проиллюстрировано на Фиг. 3 и 4. На Фиг. 3, устройство 130 может быть расположено на или взаимодействующим с внутренней поверхностью верхнего переводника 104. На Фиг. 4 устройство 130 может быть расположено на или взаимодействующим с внутренней поверхностью рабочей пары 102. В других вариантах осуществления, таких как проиллюстрированные на Фиг. 5, устройство 130 может быть расположено вблизи бурта 105. В еще одних вариантах осуществления устройство 130 может быть цельным с или прикрепленным к ближнему концу 122 вала 120. В таком варианте осуществления устройство зацепления ротора может содержать устройство 130 или устройство 130 может дополнительно функционировать в качестве устройства зацепления ротора. Фиг. 3-6 иллюстрируют устройство 130 в виде, расположенном на зацеплении ротора 118 (в качестве внутреннего элемента, внутренней поверхности верхнего переводника или рабочей пары, будучи внешним элементом, аналогично устройству ограничения, изображенному на Фиг. 7 ниже). Устройство 130 также может быть расположено внутри корпуса (в качестве внешнего элемента, зацепления ротора или его части, будучи внутренним элементом, аналогично устройству ограничения, изображенному на Фиг. 8 ниже), как проиллюстрировано на Фиг. 13, при том, что одинаковые ссылочные позиции означают одинаковые детали.
За счет прикрепления деталей корректирующие силы, передаваемые на устройство зацепления ротора 118 устройством ограничения 130, могут быть переданы через вал 120 к ротору 108. Следовательно, силы, ограничивающие радиальное и/или тангенциальное перемещение вала зацепления ротора могут также ограничивать радиальное и/или тангенциальное перемещения ротора. В результате силы могут нейтрализовать центробежные силы и нагрузку гидравлического давления на ротор, ограничивая, минимизируя или устраняя образование протекающих зазоров по длине пары ротор/статор.
Устройство 130 может содержать подшипниковый узел, сборное колесо, фиксированную вставку, вращающуюся вставку, прецессионное устройство или другое средство для регулирования или ограничения движения вала 120 (и таким образом регулируя или ограничивая движение ротора внутри статора).
Фиг. 7-10 иллюстрируют различные варианты осуществления устройства ограничения 130. Ссылаясь теперь на Фиг. 7, где проиллюстрировано устройство для регулирования или ограничения движения вала зацепления ротора 225 относительно внутренней поверхности 224 верхнего переводника или рабочей пары. Устройство 220 может быть использовано в одном или более положениях на валу 222. Подшипниковое колесо 226 поддерживается на валу зацепления ротора 222 через игольчатые подшипники 228, хотя другие подходящие подшипники могут быть также использованы, такие как роликовые подшипники или подшипники скольжения. В некоторых вариантах осуществления подшипники 228 представляют собой подшипники скольжения, состоящие из карбида кремния, карбида вольфрама, нитрида кремния или других аналогичных износостойких материалов. Подшипниковое колесо 226 может быть изготовлено из стали или других материалов, подходящих для предполагаемой среды. Внешняя поверхность подшипникового колеса 226 предназначена для скольжения или вращения вокруг внутренней поверхности 224 в положении, при том что профиль составляет приблизительно круглую форму. Различие в радиусе подшипникового колеса 226 и внутренней поверхности 224 верхнего переводника или рабочей пары определяет максимальное отклонение оси вала зацепления ротора от оси двигателя. Подшипниковое колесо 226 может содержать проходные каналы 227, встроенные для увеличения области, для протекания текучей среды через устройство, где количество и форма проходных каналов могут быть любые, при условии что они будут достаточно большими для прохождения любых твердых веществ, которые могут быть в буровом растворе или буровом глинистом растворе. Внутренняя поверхность 224 имеет круглый профиль, при том что подшипниковое колесо 226 выполняет контакт, так что осевая линия вала зацепления ротора 222 может быть ограничена для пребывания приблизительно внутри круга фиксированного радиуса, помогая предотвращать открытие зазоров между поверхностями ротора и статора.
В некоторых вариантах осуществления подшипниковое колесо 226 может скользить или вращаться в прямом контакте с внешней поверхностью 224 верхнего переводника 104 или рабочей пары 102. В других вариантах осуществления подшипниковое колесо 226 может скользить или вращаться в контакте с покрытием, размещенным на внутренней поверхности цилиндра статора. В процессе производства некоторых статоров внутренняя поверхность цилиндра, такая как патрубок или труба, подвергается механической обработке или нанесению покрытия, таким как заливка, напыление или инжектирование материала покрытия на внутреннюю поверхность цилиндра. Однако из-за сложности процесса производства статора соосность полученного статора с цилиндром самого статора не может быть гарантирована. Таким образом, в процессе производства полученный вкладыш статора или покрытие 90 может быть смещено от осевой линии 92 цилиндра статора 94, так, как это проиллюстрировано на Фиг. 10, где полученное покрытие имеет осевую линию 96, отклоненную от осевой линии 92 цилиндра статора 94. Как отмечалось выше, внешняя поверхность подшипникового колеса 226 сконструирована для скольжения или вращения вокруг внутренней поверхности 224 верхнего переводника или рабочей пары, где профиль приблизительно цилиндрический. Таким образом, подшипниковое колесо 226 может также быть сконфигурировано для скольжения или вращения вокруг такой же самой осевой линии, что и ротор (т.е. на одной оси с обмоткой статора и ротора, а не с корпусом цилиндра рабочей пары или цилиндра верхнего переводника). Таким образом, изготовление рабочей пары или верхнего переводника для использования с подшипниковым колесом 226 может также содержать нанесение покрытия, прессование или машинную обработку участка постоянного диаметра, такого как от 1,6 мм (1/16 дюйма) до 6,4 мм (1/4 дюйма) толстого резинового элемента, вблизи предполагаемого расположения подшипникового колеса 226 во время использования, чтобы обеспечить то, что подшипниковое колесо 226 должным образом ограничивает траекторию ротора, и обеспечить желаемый эффект.
Как отмечалось выше, различие в радиусе подшипникового колеса 226 и внутренней поверхности 224 определяет максимальное отклонение оси ротора от оси статора. Кроме того, для надлежащей работы, подшипниковое колесо 226 должно поддерживаться скользящим и/или вращающимся в отношении внутренней поверхности статора для того, чтобы ограничить ротор посредствам полного вращения, т.е. поддерживания контакта на 360°С. Из-за эксцентрикового вращения ротора отношение диаметра подшипникового колеса 226 к этой внутренней поверхности 224 является важной переменной, где неправильное соотношение может привести к неправильному контакту подшипникового колеса с внешней поверхностью 224, т.е. без вращательного или без скользящего взаимоотношения.
Кроме того, диаметр и длина подшипникового колеса 226 также должны быть достаточными для поддержания боковых нагрузок, придаваемых за счет колебания ротора и вала зацепления ротора. Подшипниковое колесо 226 должно быть достаточных осевых размеров для устранения структурных особенностей. Таким образом, длина подшипникового колеса 226 может зависеть от количества лопастей, крутящего момента двигателя/насоса и других переменных, легко узнаваемых специалистом в данной области техники, и может также быть ограничена доступным пространством между ротором и приводным валом.
Подшипниковое колесо 226, через трансмиссию от вала зацепления ротора к ротору, ограничивает увеличение колебания придаваемого эксцентриковым движением ротора. Это, в свою очередь, может ограничить образование протекающих зазоров вдоль длины двигателя/насоса путем ограничения сжатия или изгиба во вкладыше статора, такого как резиновый элемент или другой эластичный материал. В некоторых вариантах осуществления подшипниковое колесо может ограничить отклонение вкладыша статора менее чем на 0,64 мм (0,025 дюйма); менее чем на 0,5 мм (0,02 дюйма) в других вариантах осуществления; и менее чем на 0,38 мм (0,015 дюймов) в еще одних вариантах осуществления.
Подшипниковое колесо (26), как описано выше, радиально ограничивает положение ротора, удерживая ротор в контакте со статором (т.е. обеспечивая смещение силы контакта, не предотвращая образование крутящего момента). В результате снижается продольная сила и в точке контакта между ротором и статором может уменьшаться тяговое усилие, улучшая сжатие в точке контакта, минимизируя пути утечки. Потери давления могут быть уменьшены путем ограничения образования протекающих зазоров (путей утечки) по длине ротора, увеличивая выходную мощность двигателя. Кроме того, ограничивая положение ротора, можно снизить стойкость ротора, особенно вблизи верхней части лопастей, где тангенциальные скорости являются самыми высокими.
Ссылаясь теперь на Фиг. 8, где проиллюстрирован другой вариант устройства 330 для регулирования или ограничения движения вала зацепления ротора 332 относительно внутренней поверхности 335 рабочей пары или корпуса верхнего переводника 334, в котором фиксированная вставка 336 подогнана внутри рабочей пары или верхнего переводника. Фиксированная вставка 336 имеет центральное отверстие 338 или такое же ограничение внутреннего диаметра верхнего переводника или рабочей пары для ограничения радиального перемещения вала зацепления ротора 332. Фиксированная вставка 336 может также содержать множество отверстий 337 для облегчения прохождения текучей среды вдоль сборки забойного двигателя. Фиксированная вставка 336 обеспечивает, чем осевая линия вала зацепления ротора 332 будет ограничена для пребывания приблизительно внутри круга фиксированного радиуса, помогая предотвратить открытие зазоров между поверхностями ротора и статора.
Ссылаясь теперь на Фиг. 9, где проиллюстрирован дополнительный вариант осуществления устройства 50 для регулирования или ограничения движения вала зацепления ротора 52 относительно внутренней поверхности 55 рабочей пары или корпуса верхнего переводника 54. Устройство 50 содержит вращающуюся круглую вставку 56, которая подогнана внутри корпуса 54 и способна к вращению вокруг продольной оси относительно корпуса 54. Вращение вставки 56 относительно корпуса 54 облегчается подшипником между корпусом и вставкой (не изображено). Отверстие 58 представлено во вставке 56, с центром отверстия 58, отклоненным от центра вставки 56 на расстояние, равное максимально допустимому отклонению оси вала зацепления ротора от оси корпуса 54. Диаметр отверстия 58 достаточного размера, чтобы позволить валу зацепления ротора 52 проходить через него и свободно вращаться. Дополнительный подшипник (не изображено) предусмотрен между вставкой 56 и валом зацепления ротора 52 для способствования вращению вала зацепления ротора 52 относительно вставки 56. Круглая вставка 56 содержит отверстия 57, позволяющие проходить текучей среде через забойный двигатель. Вставка 56 обеспечивает, чем осевая линия вала зацепления ротора 52 будет ограничена для пребывания приблизительно внутри круглого фиксированного радиуса, и посредством трансмиссии, ограничивая ротор внутри круглого фиксированного радиуса, помогая предотвратить открытие зазоров между поверхностями ротора (52) и статора (54).
Аналогичные конструктивные соображения относительно соосности рабочих областей, как описано выше со ссылкой на Фиг. 7, могут быть использованы и такие же самые ограничения отклонений могут также быть достигнуты, используя другие варианты осуществления раскрытого здесь устройства ограничения, такого как на Фиг. 8 и 9. Аналогично для вариантов осуществления на Фиг. 7 и 10, фиксированная вставка 336 как изображено на Фиг. 8 или вставка на Фиг. 9 может быть расположена внутри запрессованной рабочей пары или профиля верхнего переводника, так что фиксированная вставка 336 имеет ту же осевую линию, как и вкладыш статора.
Как описано выше, варианты осуществления, проиллюстрированные и описанные со ссылкой на Фиг. 7-10, предусматривают ограничение или степень ограничения радиального перемещения ротора (т.е. ограничения орбитальной траектории и траектории ротора во время вращения). Раскрытые здесь варианты осуществления могут эффективно ограничивать внешнее радиальное перемещение, такое как ограничение, проиллюстрированное на Фиг.7, и могут также ограничивать радиальное перемещение внутри ротора, такое как ограничение, проиллюстрированное на Фиг.9.
[0048] В дополнение к относительно круглым средствам для ограничения радиального движения, как проиллюстрировано на Фиг.7-10, также возможно использование некруглого зажима для ограничения движения ротора, такого как проиллюстрировано на Фиг. 11А (вид сбоку) и 11Б (продольный разрез). В этом варианте осуществления прецессионное устройство 70 содержит лопастное колесо 72 такое же, но не идентичное профилю для этого же ротора 74, функционально связанного с валом зацепления ротора 75. Аналогично, лопастное колесо 72 будет зацеплять канавку 76, аналогичную, но не идентичную, профилю этого статора 78. Канавка 76 может быть сформирована из материала, аналогичного статору 78, или может быть материалом, который является менее сжимаемым, чем статор 78, такой как более твердый резиновый элемент, твердый пластик, керамика, пластина из поликристаллических алмазов (PDC)/алмаз или сталь. Прецессионное устройство (70) может быть использовано в одном или более положениях вдоль ротора 74. В дополнение к направлению сил, возникающих на входном конце или выходном конце двигателя с помощью размещения и/или конструкционных материалов, профиль канавки 76 может быть аналогичен этому статору 78 и соответствующие секции 76, 78 могут быть сдвинуты фазно на градус, так что будет ограничена орбитальная траектория ротора внутри статора 78. Другими словами, секции могут быть фазно сдвинуты, так что силы, которые искажают работу ротора от идеальной орбиты, сбалансированы и эффективно ограничивают орбитальную траекторию ротора.
Прецессионное устройство 70 управляет валом зацепления ротора 74 с помощью трансмиссии ротора 74, так что ротор 74 будет перемещаться на заданную траекторию и с заданным вращением относительно статора 78. Этот тип ограничения может эффективно блокировать вращение ротора в его орбитальное положение. Лопастное колесо 72 входит в зацепление с лопастной канавкой 76 так, что соответственные профили лопастного колеса 72 и канавки 76 фиксируют траекторию и вращение ротора 74 до заданных значений.
По сути, лопастное колесо 72 соединяется с валом зацепления ротора 75 средством фиксации. Соотношение количества лопастей на колесе 72 к количеству лопастей на канавке 76 ограничено таким же соотношением, как количество лопастей на роторе 74 к количеству лопастей на статоре 78. Профили лопастей на колесе 72 и на канавке 76 будут определять степень, при которой ротор 74 может деформировать поверхность уплотнения статора 78 и, следовательно, ограничивать открытие зазоров между ними.
Для того чтобы допустить некоторое гибкое вращение, поверхность лопастного колеса 72 или канавки 76 может иметь добавленный гибкий слой, например резины. Лопастное колесо 72 и канавка 76 могут иметь параллельные стороны или включать угол наклона, позволяя некоторое малое движение по оси и обеспечивая производственные допуски.
Профиль и состав (материал конструкции, сжимаемость и т.д.) лопастного колеса 72 могут быть сконструированы такими, что ограничена деформация резинового элемента в статоре 78. В других вариантах осуществления профиль и состав лопастного колеса 72 могут быть сконструированы такими, что деформация резинового элемента в статоре 78 поддерживается до фиксированного значения. Следовательно, взаимодействие между ротором 74 и резиновым элементом в статоре 78 используется для поддержания герметизации, с крутящим моментом в основном, образующемся на лопастном колесе 72. Это не только позволяет нагружать давление до точки, где уплотнение будет повреждаться (очень высокое давление), но оно также предусматривает, чем могут быть удержаны силы контакта в резиновом элементе, в основном завися от величины давления. Это должно уменьшить износостойкость и усталость разрушения в резиновом элементе, а также повысить эффективность двигателя/насоса.
Как описано выше, разнообразное устройство может быть использовано для ограничения движения устройства зацепления ротора и посредством трансмиссии через вал зацепления ротора может ограничивать движение ротора относительно статора. Таким образом, устройство ограничения в соответствии с раскрытыми здесь вариантами осуществления может ограничивать орбитальную траекторию ротора относительно статора, фиксировать орбитальную траекторию ротора относительно статора и/или ограничивать движение геометрического центра ротора для предварительно заданной траектории.
Как отмечалось выше, силы, прикладываемые на ротор, могут отличаться вблизи входного конца (ближнего конца) рабочей пары, от тех сил, вблизи выходного конца (дистального конца) рабочей пары, в результате чего отличаются радиусы орбит для центра ротора на входном и выходном концах. Таким образом, устройство ограничения, расположенное на или взаимодействующее с зацеплением ротора, как описано выше, может в некоторых вариантах осуществления быть достаточным для придания желаемых корректирующих сил дистальному концу ротора. В таких случаях может быть необходимо для сборок забойных двигателей содержать устройство ограничения, расположенное на или взаимодействующее с дистальным концом ротора, так, как проиллюстрировано на Фиг. 12. Забойный двигатель 400 имеет ближний конец 402 и дистальный конец 404, содержит ротор 405, прикрепленный к приводному валу 406, и зацепление ротора 408, ограниченное, как описано выше (устройство ограничения не изображено). Забойный двигатель 400 также содержит устройство 418 для ограничения движения дистального конца ротора 405, где устройство 418 может содержать одно или более устройств ограничения, как описано выше, и может быть расположено на или взаимодействовать с дистальным участком ротора 405. Устройство ограничения 418 и которое используется с зацеплением ротора, может быть такое же или другое и может быть сконструировано с учетом сил, предполагаемо возникающих на соответствующих концах ротора 405. Использование устройства ограничения как на зацеплении ротора 408, так и на дистальном конце ротора 405 может придать корректирующие силы обоим концам ротора 405, ограничивая радиальное и/или тангенциальное перемещение ротора 405 относительно статора 414, уменьшая, минимизируя или устраняя протекающие зазоры вдоль длины двигатель/рабочая пара, тем самым повышая эффективность двигателя. Раскрытые здесь устройства, такие как те, что проиллюстрированы на Фиг. 12, среди прочего могут также уменьшать износ статора.
Вышеописанные сборки забойных двигателей могут быть использованы в буровом снаряде для бурения ствола скважины сквозь подземный пласт. Буровой снаряд содержит, например, сборку забойного двигателя, как описано в любых вышеуказанных вариантах осуществления, содержащий среди прочего другие детали: верхний переводник, рабочую пару, содержащую винтовой двигатель, который имеет статор и ротор, сконфигурированные для эксцентрического вращения при прохождении бурильного раствора через двигатель, устройство зацепления ротора и устройство для ограничения передвижения устройства зацепления ротора. Буровой снаряд может также содержать выходной вал двигателя, сконфигурированный для концентрического вращения, первый конец которого напрямую или опосредованно прикреплен к дистальному концу ротора и второй конец которого прикреплен, опосредованно или напрямую, к буровому долоту.
В процессе работы буровой раствор проходит через сборку забойного двигателя, ротор эксцентрически вращается, в то время как буровой раствор проходит через винтовой двигатель. Выходной вал двигателя передает эксцентрическое движение ротору (и крутящий момент) с концентрическим вращением бурового долота для бурения пласта. Устройство для ограничения движения устройства зацепления ротора передает корректирующие силы к ротору, ограничивая перемещение ротора относительно статора, улучшая общие рабочие характеристики забойного двигателя и бурового снаряда, в целом противодействуя центробежным силам и нагрузке гидравлического давления на ротор, ограничивая, минимизируя или устраняя образование протекающих зазоров вдоль длины ротора.
Таким образом, улучшенное уплотнение между парой статор/ротор в результате использования раскрытого здесь устройства ограничения может привести к увеличению в одном или более: скорости вращения, крутящего момента и падения давления по сравнению с парой статор/ротор такого же размера и конфигурации (т.е. количество лопастей, диаметр, материалы конструкции, длина, угол наклона и т.д.) без такого устройства ограничения. Полученное увеличение крутящего момента и/или скорости вращения может, например, позволить большей силе быть приложенной к буровому долоту или буровому долоту вращаться с большей скоростью вращения, оба случая из которых могут отдельно или совместно приводить к улучшенным характеристикам бурения (меньше времени для бурения заданной глубины и т.д.). Кроме того, полученное в результате увеличение крутящего момента и/или скорости вращения может позволить уменьшить длину двигателя (длину пары ротор/статор) для достижения такой же необходимой производительности.
Улучшения в эффективности двигателя, такие как улучшения уплотнения и более высокая выходная мощность на единицу длины, как обозначено выше, могут быть использованы в некоторых вариантах осуществления для сокращения общей длины двигателя при достижении необходимой выходной мощности. Уменьшенная рабочая пара может иметь многочисленные преимущества и применения, как обсуждается ниже.
Ограниченная общая осевая длина рабочей пары может быть достаточная для беспроблемного протекания твердых веществ, таких как буровой глинистый раствор, содержащий твердые материалы, через двигатель, даже если и ротор, и статор имеют контактные поверхности, сформированные из жестких материалов. Ограниченная общая осевая длина может также обеспечивать гибкость материалов конструкции, которая могла бы быть недопустима.
В некоторых вариантах осуществления ротор и/или статор могут быть сформированы из металла, керамики, пластины из поликристаллических алмазов (PCD)/алмаза, твердого пластика или структурного материала из жесткой резины. Например, и ротор, и статор могут быть сформированы из метала, обеспечивая контакт металл к металлу вдоль длины рабочей пары.
В других вариантах осуществления, ротор и/или статор могут быть сформированы с эластичным слоем (таким как акрилонитрил-бутадиен-каучуковая (NBR) резина) и твердым слоем, таким как твердая резина или пластмасса, керамика, композитный материал или металлическое покрытие, расположенными в качестве контактной поверхности на верхней части эластичного внутреннего слоя. Например, ротор может быть металлическим, аналогично с роторами, производимыми в настоящее время, и статор может быть резиновым элементом с металлическим покрытием, где слой металла представляет собой слой, контактирующий с ротором во время работы двигателя. Аналогично, в качестве внутреннего слоя могут быть выполнены твердая резина или армированный резиновый слой, контактирующий с ротором. Характерные «слоистые» статоры, раскрытые в уровне техники, предусматривают твердый или армированный внутренний эластомерный слой, в противовес которым настоящие варианты осуществления обеспечивают нужное сжатие и свойства герметизации наружного слоя. Однако из-за уменьшения длины рабочих пар по оси, использование жесткого контактирующего слоя может быть возможным с повышением износостойких свойств двигателя (ротора, статора или обоих), при этом обеспечивая необходимую выходную мощность. Несмотря на то что представлен пример с многослойным статором, могут быть также использованы многослойные роторы, такие как ротор, имеющий металлический сердечник для обеспечения максимального крутящего момента, и эластомерный материал расположен на сердечнике, и металлическую оболочку. Эти варианты осуществления проиллюстрированы на Фиг. 14 и 15 для ротора и статора соответственно, где статор (Фиг. 14) может содержать металлический корпус 1602, эластомерный слой 1604 и жесткий слой 1606, предусматривающий контактную поверхность 1608, и ротор (Фиг. 15) может содержать металлический сердечник 1702, эластомерный слой 1704 и жесткий слой или оболочку 1706, предусматривающие контактирующую поверхность 1708.
В случае если соответствующие контактирующие части ротора и статора(ов) оба жесткие, такие как металл, твердая пластмасса, композитный материал или керамика, например, возможно необходимо ограничивать трение, износ и другое нежелательное взаимодействие между ротором и статором, которое может вызывать преждевременный выход из строя или застревание вращающегося элемента. Поверхности контакта вставки и/или ротора могут быть покрыты или обработаны для уменьшения по меньшей мере одного из - трения и износа. Среди прочего, обработка может включать хромирование, покрытие высокоскоростным сверхзвуковым газовым напылением (HVOF) или высокоскоростным воздушным фильтрованием (HVAF) и диффузию в процессе спекания. Рабочие пары металл к металлу (жесткий к жесткому) могут также обеспечивать достаточную очистку, будучи выносливыми к отходам, но достаточную плотность для ограничения движения ротора, близкую к идеальной, достигая вышеотмеченных преимуществ, без использования устройства ограничения.
Аналогично, относительно короткая длина контакта между устройствами ограничения и ротором или статором могут обеспечивать эластичность в материалах, и аналогичные комбинации твердых материалов или твердо покрытых материалов могут быть использованы для устройств ограничения.
Кроме того, эластичный эластомер может быть использован в качестве контактирующей поверхности как на роторе, так и на статоре. Снижения в противоположном случае высоких фрикционных нагрузок, достигаемые устройствами ограничения, могут быть обеспечены для использования в сочетании эластомерных статоров и роторов для достижения необходимой производительности насоса (выходной мощности, свойств износа и т.д.).
Преимущества от использования устройств ограничения могут также предусматриваться для альтернативных конструкций статора. Например, как проиллюстрировано на Фиг. 16, статор может быть сформирован, используя комбинированный или нестандартный материал профиля. Как проиллюстрировано на Фиг. 16, выступы и впадины статора 1805 могут быть сформированы из различных материалов, где впадины 1807 сформированы из эластичного эластомерного материала 1810, и выступы 1812 сформированы из жесткого материала, такого как твердая пластмасса, твердая резина, металл, керамика или композитный материал. Силы, возникающие в процессе покачивания ротора, отличаются для выступов и впадин, где впадины сталкивают сжимающие силы, а выступы выдерживают силы скольжения. Комбинированная конструкция может приводить в контакт ротор, который может быть металлическим, с жестким материалом выступов статора, которые могут быть также металлическими, но позволяет протекать без проблем твердым веществам, таким как буровой глинистый раствор, содержащий твердые материалы, через двигатель.
Одним потенциальным преимуществом ограничиваемого двигателя может быть уменьшение вибраций, связанных с забойным двигателем. Ограничение боковых сил может привести к низкому колебанию или более узкой орбитальной траектории по сравнению с двигателем без ограничения. В результате снижения вибраций может быть улучшено бурение так, что в результате получена одна или более улучшенных качественных скважин, скважин одного диаметра и улучшено управление.
Уменьшение длины двигателя по оси может также обеспечить возможность изменения деталей бурильной колоны для включения двигателя. Например, регулируемый изгиб корпуса, обычно, содержит вал трансмиссии для передачи крутящего момента, образующегося из рабочей пары бурового двигателя, в подшипниковую секцию бурового двигателя. За счет потенциального снижения размера двигателя из-за раскрытых здесь устройств ограничения, возможно вероятное включение двигателя в изогнутом корпусе вместе с трансмиссионным валом. Аналогично, двигатели в соответствии с вариантами осуществления здесь могут предпочтительно быть включены в стабилизатор, вилки поворотного кулака или другие различные части комплекта низа бурильной колоны (КНБК).
Уменьшенная по оси длина может также облегчить удаление провода через двигатель и обеспечить пространство для дополнительных забойных датчиков, например датчиков для контролирования двигателя и/или деталей ниже двигателя. Датчики могут благоприятно контролировать частоту вращения двигателя в минуту (PRM), перепад давления и другие показатели, возможно, избегая остановок и позволяющие работать двигателю с высокой эффективностью или максимальной эффективностью, каждое из которых может привести к повышению производительности бурения (увеличенная скорость проникновения, меньшее время простоя из-за остановленного двигателя и т.д.).
Несмотря на то что изобретение содержит ограниченное количество вариантов осуществления, специалистам в данной области техники, обладая преимуществом данного изобретения, будет понятно, что могут быть разработаны другие варианты осуществления, которые не выходят за рамки объема настоящего изобретения. Соответственно, объем должен быть ограничен только прилагаемой формулой изобретения.