ВИНТОВОЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к конструкциям гидравлических забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин, в частности к винтовым забойным двигателям (ВЗД).
Известные гидравлические забойные двигатели (турбобуры и ВЗД) состоят из одной или нескольких секций рабочих органов и шпиндельной (подшипниковой) секции, включающих в свой состав подвижные детали, связанные с валом, и неподвижные детали, связанные с корпусом (Д.Ф. Балденко, Ф.Д. Балденко, А.Н. Гноевых. Одновинтовые гидравлические машины, том 2. М., ИРЦ Газпром. 2007).
Описание принципа действия забойных двигателей и их рабочих характеристик в заявке не приводится, так как они известны из многих открытых литературных источников.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является традиционная конструкция ВЗД для бурения скважин, содержащая секцию винтовых рабочих органов и шпиндельную (подшипниковую) секцию, корпуса которых соединяются между собой при помощи резьбовых переводников (патент РФ 2186188 от 2.7.07.2002). В настоящее время большинство отечественных и зарубежных ВЗД выпускаются в данном конструктивном исполнении в диаметральном габарите 48-240 мм.
Вместе с тем, несмотря на ряд эксплуатационных преимуществ, одним из существенных недостатков традиционной конструкции ВЗД является наличие соединяющих их секции (рабочих органов и шпиндельную) конических резьбовых соединений, что увеличивает осевой габарит двигателя и усложняет условия его сборки.
Задачами, на решение которых направлено заявленное техническое решение заключаются в упрощении конструкции ВЗД и уменьшения его осевого габарита, что достигается за счет исключения из конструкции забойного двигателя корпусных резьбовых элементов, служащих для соединения секции рабочих органов и шпиндельной секции, и перехода к модульно-капсульной конструкции двигателя.
Задачи решаются в винтовом забойном двигателе для бурения нефтяных и газовых скважин, состоящем из верхнего переводника, секции рабочих органов модульного исполнения, включающей статор и ротор с сопряженными винтовыми поверхностями и числами зубьев отличающихся на единицу, подшипниковой секции модульного исполнения, включающей осевую, радиальные опоры и выходной вал, а также узел соединения винтового ротора и выходного вала, согласно полезной модели, модули секций располагаются в цилиндрической капсуле, имеющей дно с отверстием и резьбу в верхней части, а закрепление корпусных деталей модулей в капсуле осуществляется при помощи затяжки резьбового соединения капсулы с верхним переводником.
Отверстие в дне капсулы используется как элемент нижней радиальной опоры выходного вала.
В статоре модуля рабочих органов выполнены сквозные продольные канавки.
Между корпусами модуля рабочих органов и подшипникового модуля расположена регулировочная втулка.
На сопряженных торцовых поверхностях верхнего переводника и статора модуля рабочих органов выполнены шлицевые прорези, находящиеся в зацеплении между собой.
Применительно к ВЗД, такое техническое решение также дает возможность рационально использовать диаметральный габарит двигателя при сохранении его необходимой жесткости на изгиб в случае проектирования высокооборотного ВЗД, когда для обеспечения оптимальных геометрических параметров рабочих органов требуется уменьшение контурного диаметра (диаметра впадин винтовой поверхности статора) и как следствие - уменьшение диаметра корпуса рабочих органов двигателя (Д.Ф. Балденко, Ф.Д. Балденко, Г.П. Чайковский. Теоретические аспекты создания высокооборотных винтовых забойных двигателей. НТЖ «Бурение и нефть», 2017, №2).
В дальнейшем заявленная полезная модель поясняется описанием и чертежами.
На фиг. 1 показана базовая конструкция ВЗД капсульного исполнения.
На фиг. 2 представлены конструктивные модификации базовой схемы, направленные на повышения эффективности применения капсульного ВЗД в различных условиях эксплуатации.
ВЗД в капсульном исполнении (фиг. 1) отличается простотой конструкции и минимальным числом резьбовых соединений.
Капсула 1 представляет собой полый открытый сверху цилиндр с дном, имеющем отверстие А для выхода вала двигателя. В верхней части капсулы выполняется внутренняя резьба Б, служащая для закрепления модулей. Внутри капсулы 1 помещается модуль рабочих органов, включающих статор 2 и ротор 3 с сопряженными винтовыми поверхностями и числами зубьев отличающихся на единицу, а также подшипниковый модуль 6, содержащий осевую, радиальные опору (на фиг. 1 не показаны) и выходной вал 4.
Винтовой ротор 3 совершает планетарное движение внутри винтового статора 2.
Полый выходной вал 4 в своей верхней части содержит радиальные отверстия В для прохода жидкости к долоту.
Винтовой ротор 3 и выходной вал 4 связаны между собой посредством шарнирного или торсионного соединения 5.
Выходной вал 4 подшипникового модуля проходит через отверстие А в дне капсулы 1 и соединяется с долотом или другим устройством, расположенным выше долота, например с валом роторно-управляемой системы (РУС).
Верхняя часть капсулы соединяется с колонной бурильных труб посредством верхнего переводника 6, который соединяется с капсулой при помощи резьбы Б. Переводник 7 также служит для резьбового закрепления корпусов модулей секций в капсуле за счет создания необходимого момента трения на сопряженных торцовых поверхностях корпусов модулей.
Дополнительный вариант устройства (фиг. 2) предусматривает различные конструктивные модификации базовой схемы:
а) для возможности еще большего сокращения осевого габарита капсульного ВЗД отверстие А в дне капсулы используется как элемент нижней радиальной опоры 8 выходного вала 4;
б) для возможности использования двигателя в технологиях бурения с разделением потока бурового раствора в статоре 2 модуля рабочих органов выполнены сквозные продольные канавки Г, что позволяет части потока проходить в отверстие В полого выходного вала минуя винтовые рабочие органы.
Это позволяет осуществить разделение потока жидкости в процессе работы двигателя. При этом часть потока бурового раствора проходит в камеры рабочих органов, осуществляя рабочий процесс двигателя, а другая часть проходит через канавки В и далее, соединяясь с потоком из рабочих камер, поступает в полый вал 4.
Такое нововведение потребуется в случае, когда по технологическим требованиям необходимо подавать на забой буровой раствор в существенно большем объеме, чем это необходимо для работы ВЗД;
в) для возможности регулирования осевого положения модулей двигатель содержит дистанционную втулку 9, расположенную между модулем рабочих органов и подшипниковым модулем 6;
г) для повышения надежности крепления модулей внутри капсулы и предотвращения проворота винтового статора от действия реактивного момента при работе ВЗД на сопряженных торцовых поверхностях верхнего переводника 7 и статора 2 модуля рабочих органов выполнены шлицевые прорези Д, находящиеся в зацеплении между собой.
Предлагаемые конструктивные решения расширяют существующую гамму винтовых забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин, обеспечивают существенный технический и экономический эффект (на 15-20% уменьшается длина двигателей в стандартном исполнении, уменьшается количество трудоемких в изготовлении конических резьб, упрощаются условия сборки двигателя), что в итоге положительно скажется на эксплуатации и техническом обслуживании двигателя. Кроме того капсульное исполнение двигателя позволяет рационально использовать диаметральный габарит при проектировании высокооборотного ВЗД для привода импрегнированных алмазных долот.
Разработка ВЗД в капсульном исполнении может быть эффективна для двигателей с диаметральным габаритом 120 мм и выше, а также для двигателей, используемых в моторизованных РУС.