СТАТОР ВИНТОВОГО ДВИГАТЕЛЯ
SCREW ENGINE STATOR

Изобретение относится к буровой технике, а именно к винтовым забойным двигателям, предназначенным для бурения и ремонта нефтяных и газовых скважин, и может быть использовано также в винтовых насосах для добычи нефти и перекачивания жидкости.
Известен статор винтового забойного двигателя, описанный в книге авторов Д.Ф.Балденко, Ф.Д.Балденко, А.Н.Гноевых "Одновинтовые гидравлические машины" (М., ООО «ИРЦ Газпром»-2007, т. 2, стр.166), содержащий полый корпус и закрепленную в нем резиновую обкладку с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упругоэластичного материала, например из резины, и ротор с наружными винтовыми зубьями.
Недостатком конструкции статора является сложная конфигурация резиновой обкладки, характеризующаяся многократной разницей толщины резины на выступах и впадинах зубьев. При работе двигателя с таким статором резиновый зуб подвергается наибольшим переменным нагрузкам, значительным деформациям, в связи с чем нарушается геометрия зацепления, возрастают потери энергии, которые, в свою очередь, вызывают разогрев резины, тепловые расширения обкладки. Из-за низкой теплопроводности резины в обкладке может возникать перегрев, резина становится хрупкой, зуб выкрашивается. Для снижения напряжений увеличивают длину статора, что приводит к повышению материалоемкости, трудоемкости изготовления двигателя, снижению технологических параметров двигателя при бурении.
Известен статор винтового забойного двигателя, описанный в книге авторов Д.Ф.Балденко, Ф.Д.Балденко, А.Н.Гноевых "Одновинтовые гидравлические машины" (М., ООО «ИРЦ Газпром»-2007, т. 2, стр.67-68). В данной конструкции внутренняя поверхность корпуса статора спрофилирована механической обработкой, а приклеенная резиновая обкладка равномерна по толщине.
Недостатком данного винтового забойного двигателя является высокая трудоемкость, нетехнологичность изготовления, металлоемкость и, как следствие, высокая стоимость изготовления внутренних металлических зубьев статора.
Известна конструкция статора винтового забойного двигателя по патенту RU 2287655, содержащего внутренние винтовые зубья, облицованные упругоэластичным материалом, например резиной. Здесь статор выполнен из двух неподвижных относительно друг друга металлических, но различных по температуре плавления наружного и внутреннего концентрично расположенных слоев, причем наружный слой статора выполнен из стали или титанового сплава, а внутренний слой статора с внутренней поверхностью, оформляющей зубья статора, выполнен из сплава с температурой плавления, составляющей 0,1-0,8 температуры плавления наружного слоя статора, и с коэффициентом теплопроводности, составляющим 1,2-8,5 коэффициента теплопроводности наружного слоя статора, например, из сплава на основе цинка, алюминия или меди. Внутренний слой статора с внутренней поверхностью, оформляющей зубья статора, может быть зафиксирован относительно наружного слоя статора непосредственной заливкой расплава материала внутреннего слоя статора в наружный слой статора.
Недостатком данного статора является высокая стоимость материала внутреннего слоя корпуса, нарушение свойств материала наружного слоя корпуса при заливке расплавленного внутреннего слоя, что может привести к поломке корпуса статора при работе в скважине.
Известен статор винтовой гидромашины по патенту на изобретение RU 2320838 (опубл. 27.03.2008), включающий полый цилиндрический корпус с концевыми переходами, установленную в нем гильзу с внутренними винтовыми зубьями и закрепленной в ней эластичной обкладкой, повторяющей форму внутренней поверхности гильзы, причем гильза снабжена отверстиями в зоне впадин винтовых зубьев, установлена в корпусе на винтах с кольцевым зазором, заполненным эластомером через отверстия в гильзе.
Основным недостатком известного двигателя является то, что крепление гильзы к корпусу осуществляется с помощью резины, которая проникает через отверстия в гильзе в кольцевой зазор между гильзой и корпусом статора. При этом величина зазора должна быть достаточно велика, т.к. при запрессовке резина обладает высокой вязкостью. Это приводит к потере радиального размера обкладки статора и диаметра ротора и, следовательно, к снижению мощности двигателя. Кроме того, снижается надежность крепления гильзы.
Известен статор винтовой героторной гидромашины по патенту на изобретение RU 2283416 (опубл. 10.09.2006), содержащий полый корпус, установленную в нем статорную гильзу с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, а также закрепленную в статорной гильзе обкладку с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, выполненную из эластомера, например из резины, причем статорная гильза выполнена в виде ряда ступеней, внутренние винтовые многозаходные зубья в каждой из которых являются продолжением внутренних винтовых многозаходных зубьев смежной ступени, а поверхности контактирующих торцов выполнены замкнутыми в окружном направлении. Смежные ступени гильзы соединены между собой, и гильза соединена с полым корпусом с помощью сварки.
Недостатком известной конструкции является использование сварки, которая приводит к снижению прочности корпуса и при бурении в условиях высоких динамических нагрузок может привести к разрушению двигателя. Кроме того, для соединения смежных ступеней гильзы между собой с помощью сварки требуется, чтобы минимальная толщина гильзы (во впадинах внутренних зубьев) была больше толщины сварочного шва, что приводит к уменьшению диаметров внутренних зубьев и, следовательно, снижению крутящего момента и мощности двигателя.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения прочности, надежности и ресурса забойного двигателя за счет применения средств крепления гильзы к полому корпусу статора, сохраняющих высокие прочностные свойства корпуса. Кроме того, в случае использования статорной гильзы, состоящей из ряда ступеней (или элементов), представляющих собой отрезки гильзы с торцовыми поверхностями, замкнутыми в окружном направлении, не требуется соединения элементов между собой, что позволяет выполнить их с минимальной толщиной (до 2-3 мм) во впадинах обкладки. При этом внутренние диаметральные размеры по сравнению с прототипом увеличиваются, как и диаметральные размеры ротора двигателя, что повышает технические характеристики двигателя.
Для достижения указанного технического результата в статоре винтового двигателя, содержащем полый корпус, установленную в нем статорную гильзу с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, а также закрепленную в статорной гильзе обкладку с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, выполненную из эластомера, например из резины, статорная гильза закреплена во внутренней цилиндрической поверхности полого корпуса статора термостойким клеевым составом, при этом максимальный зазор между соединяемыми поверхностями корпуса и гильзы выполняется не более 0,4÷0,5 мм на диаметр. Клеевой состав обладает термостойкостью, превышающей максимальную забойную температуру скважин, в которых используется статор, не менее чем на 100-150°C, а также клеевой состав обладает стойкостью к водным растворам, нефти и нефтепродуктам, растворам кислот и щелочей. Статорная гильза выполнена в виде набора отдельных элементов одинаковой или разной высоты с одинаковыми поперечными сечениями, причем зубья и впадины на внутренней поверхности сборной гильзы образуют единые винтовые линии заданных параметров.
Отличительными признаками предлагаемой конструкции от указанной выше известной, наиболее близкой к ней, является то, что статорная гильза выполнена с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, закрепленными во внутренней цилиндрической поверхности полого корпуса статора термостойким клеевым составом, при этом максимальный зазор между соединяемыми поверхностями полого корпуса и гильзы выполнен не более 0,4÷0,5 мм на диаметр. Кроме того, клеевой состав, используемый для соединения гильзы с полым корпусом статора, обладает термостойкостью, превышающей максимальную забойную температуру скважин, в которых используется статор, не менее чем на 100-150°C. При этом клей обладает стойкостью к водным растворам, нефти и нефтепродуктам, растворам кислот и щелочей. Еще одним отличием от прототипа является то, что статорная гильза, выполненная сборной в виде набора отдельных элементов одинаковой или различной высоты, у которой зубья и впадины на внутренней поверхности имеют одинаковые сечения и образуют на внутренней поверхности единые винтовые линии заданных параметров, установлены без непосредственной связи между соседними элементами гильзы.
Благодаря наличию этих признаков создана надежная и долговечная, с высокими техническими характеристиками простая и технологичная в изготовлении конструкция статора винтового двигателя.
В настоящее время в технике имеется ряд термостойких клеевых составов. Например, клей "Фиксатор 7", ТУ 2257-001-43007840-2003 обладает термостойкостью 200°C и стойкостью к указанным средам. В большинстве скважин Урала, Поволжья и Западной Сибири максимальная забойная температура составляет 60-90°C. В процессе бурения, при прокачке буровых растворов эта температура снижается. Однако при работе двигателей из-за высоких нагрузок при механической работе выделяется тепло, за счет чего температура в рабочей зоне двигателя повышается. Практика показывает, что это повышение температуры, при одновременном охлаждающем действии бурового раствора не превышает 50-100°C, поэтому термостойкость клея в 200°C вполне достаточна.
В технике известны клеевые составы термостойкостью 800°C и выше, что обеспечивает работоспособность устройств, выполненных по предлагаемому изобретению, в любых высокотемпературных скважинах.
2
Прочность соединения корпуса с гильзами обеспечивается свойствами клея. В частности, прочность склеивания металлов указанным клеем при сдвиге или отрыве одной соединяемой поверхности от другой при зазоре на диаметр 0,2-0,5 мм (на сторону 0,1-0,25 мм, не более) составляет 2,0-3,0 кг/мм. Рассмотрим прочность соединения корпуса с гильзой на примере секции двигательной СД-106П.7/8.
Номинальный диаметр соединения - 86 мм, длина - 2000 мм.
2
Прочность соединения: 2,0 кг/мм×86 мм×3,14×2000 мм=1080160,0 кг.
Крутящий момент, который может передать такой клеевой слой при указанном диаметре соединения, составляет не менее 1080160,0 кг×0,086 м=92893,7 кг·м
Тормозной крутящий момент, передаваемый указанной секцией двигателя, по замерам в процессе стендовых испытаний не превышал 750 кг·м, т.е. запас прочности соединения обеспечивается многократно.
При увеличении зазора более 0,4÷0,5 мм прочность клеевого соединения снижается. Как правило, такие клеевые составы являются анаэробными, т.е. затвердевание их происходит только в отсутствии контакта с воздухом. При зазорах, превышающих 0,4÷0,5 мм, воздух может проникать в зазор, вследствие чего не будет обеспечена необходимая прочность соединения.
Предлагаемый статор иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1, 2.
На фиг.1 показан продольный разрез статора
На фиг.2 показана сборная гильза (продольный разрез).
Статор винтового двигателя содержит полый корпус 1 (фиг.1), установленную в нем статорную гильзу 2 с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, а также закрепленную в статорной гильзе обкладку 3 с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, выполненную из эластомера, например из резины. Статорная гильза 2 зафиксирована с внутренней цилиндрической поверхностью полого корпуса 1 статора термостойким клеевым составом 4, обладающим термостойкостью, превышающей максимальную забойную температуру скважин, где предполагается использовать статор, на 100-150°C, а также стойкостью к водным растворам, нефти и нефтепродуктам, растворам кислот и щелочей. Максимальный зазор между фиксируемыми поверхностями выполняется не более 0,4÷0,5 мм на диаметр.
1
2
Статорная гильза 2 (фиг.2) может быть выполнена в виде набора отдельных элементов 5 одинаковой или различной высоты l (l, l) в пределах общей длины гильзы - L. В этом случае элементы должны иметь одинаковые поперечные сечения (наружный диаметр, внутренний зубчатый контур). Такая сборная гильза 2 собирается на специальном приспособлении и вклеивается в корпус статора. После затвердевания клея приспособление удаляется. Поскольку каждый из отдельных элементов гильзы соединен с корпусом, дополнительного соединения элементов между собой не требуется.
Нанесение эластичного элемента 3 на статор, соединенный с гильзой осуществляется известными методами, например, с помощью нанесения резинового клея на внутреннюю поверхность гильзы, заполнения прессформы резиной на литьевых прессах, вулканизации резины.
Работа статора в составе винтового двигателя, как любого другого статора, осуществляется в комплекте с ротором, карданным валом или торсионом, шпинделем на валу которого закреплен породоразрушающий инструмент (долото). При подаче жидкости ротор приводится в сложное планетарное вращение, которое передается на вал шпинделя и долото. С увеличением нагрузки на долото увеличивается крутящий момент, повышается давление прокачиваемой жидкости, возрастают нагрузки на зубья ротора и статора. Эластичный зуб статора, усиленный металлическим зубом обкладки, позволяет передать повышенный крутящий момент за счет максимальных радиальных размеров ротора, а крепление гильзы к корпусу с помощью клея обеспечивает максимальную надежность статора.
Предлагаемая конструкция статора была изготовлена в виде промышленной партии на предприятии «Гидробур-сервис», г.Пермь, прошла успешные стендовые испытания. Забойные двигатели с рабочей парой СД-106П.7/8 использовались в бурении на месторождениях Пермского края и Западной Сибири (гг.Когалым, Губкинский Тюменской области), при этом долговечность статора составила 300-400 часов, что выше, чем у отечественных статоров, не имеющих гильз, при этом ни один статор не вышел из строя по причине недостаточного крепления гильзы. Более того, статоры эксплуатировались повторно после удаления изношенной обкладки и восстановления статора.
Изобретение повышает долговечность и надежность винтового забойного двигателя с использованием заявляемого статора, повышает допустимую осевую нагрузку, увеличивает ресурс работы двигателя.