Статор винтового забойного двигателя для бурения скважин
DOWNHOLE MOTOR STATOR FOR WELL DRILLING

Изобретение относится к буровой технике, а именно к винтовым забойным двигателям, предназначенным для бурения и ремонта нефтяных и газовых скважин.
Известен статор винтового забойного двигателя (далее ВЗД), описанного в книге авторов Д.Ф. Балденко, Ф.Д. Балденко, А.Н. Гноевых «Одновинтовые гидравлические машины» (М.: ООО «ИРЦ Газпром» - 2007, т. 2, стр. 166). Статор содержит трубчатый полый корпус и закреплённую в нём резиновую обкладку с внутренними винтовыми зубьями, которые взаимодействуют с размещённым внутри статора стальным ротором с наружными зубьями, число которых на единицу меньше количества зубьев статора. Недостатком конструкции статора является то, что при работе двигателя резиновые зубья статора, подверженные значительным нагрузкам со стороны зубьев ротора, деформируются при этом, нарушается геометрия зацепления, возрастают энергопотери, резина разогревается, снижается КПД двигателя. Из-за низкой теплопроводности резины в обкладке может возникнуть перегрев, могут выкрашиваться зубья. Для снижения напряжений увеличивают длину статора и ротора, что приводит к повышению материалоёмкости, трудоёмкости изготовления, цены двигателя, а также к снижению технологических параметров двигателя при бурении.
3
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является статор ВЗД по патенту РФ на изобретение № 2673479, в котором статор состоит полого трубного корпуса, снабжённого внутри эластичной обкладкой с внутренними винтовыми зубьями, причём эластичная обкладка статора выполнена из полиуретановой композиции с твёрдостью от 92 единиц по Шору А до 75 единиц по Шору Д, с условной прочностью при разрыве 50 МПа, с истираемостью 20-25 м/тДж, с термостойкостью до 120 град. С. Указанные характеристики полиуретана значительно превосходят соответствующие характеристики резин, используемых в статорах ВЗД, обеспечивая повышение крутящего момента и мощности двигателя, и позволяя получать увеличение показателей бурения скважин. Недостатком этого решения является высокий риск отказа ВЗД при бурении скважины из-за полного отслаивания эластичной обкладки от полого трубного корпуса статора. Известно, что полиуретан очень плохо приклеивается к металлу (низкие адгезионные свойства полиуретана), а вместе с тем, что полиуретан имеет объемную усадку при полимеризации после заливки и, как следствие, высокие отрывающие напряжения в клеевом слое - это приводит к полному отрыву обкладки от корпуса статора в течение эксплуатации при переменных динамических нагрузках при бурении. Специалистами ООО «Гидробур-сервис» при проведении опытно-промышленных испытаний с суммарной наработкой 4500 часов бурения на партию опытных статоров установлено, что вероятность отказа ВЗД по причине отслаивания (потери прочности крепления) эластомерной обкладки от металлического корпуса при втором спуске в скважину составляет 50%. Это очень высокий риск, по причине которого принято решение отказаться от технического решения по изобретению № 2673479.
Предлагаемым техническим решением решается задача повышения долговечности и надёжности ВЗД при сохранении всех преимуществ использования полиуретановой композиции вместо резины.
Техническим результатом данного устройства является создание надежного и высокоэффективного ВЗД с хорошей управляемостью для обеспечения проектной траектории скважины. Применение полиуретановой композиции позволяет значительно уменьшить длину ВЗД по сравнению с ВЗД с резиновой обкладкой статора (в 1,5…2 раза), увеличить мощность ВЗД, а также уменьшить трудоёмкость изготовления и материалоёмкость ВЗД.
Для достижения указанного технического результата статор винтового забойного двигателя для бурения скважин, состоящий из цилиндрической металлической гильзы, снабжен внутри гильзы эластичной обкладкой с внутренними винтовыми зубьями для взаимодействия с ротором, размещенным внутри статора и снабженным наружными винтовыми зубьями.
Отличительными признаками предлагаемого статора винтового забойного двигателя для бурения скважин от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, является то, что в гильзе установлен жесткий трубчатый каркас, закрепленный в ней неподвижно, при этом каркас имеет сквозные радиальные отверстия и образует внутреннюю полость между внутренним диаметром гильзы и наружным диаметром каркаса, а эластичная обкладка имеет внутренние винтовые зубья, диаметр по впадинам, которых меньше внутреннего диаметра трубчатого каркаса, при этом эластичная обкладка заполняет сквозные радиальные отверстия в трубчатом каркасе и полость между внутренним диаметром гильзы и наружным диаметром каркаса.
Благодаря наличию этих признаков в предлагаемой конструкции повышается ресурс и надежность работы ВЗД, обеспечиваются высокие мощностные характеристики ВЗД.
Предлагаемый статор забойного двигателя иллюстрируется на фиг. 1 и фиг. 2, на которых соответственно представлены продольный разрез статора и каркас статора в аксонометрической проекции.
Статор ВЗД содержит гильзу 1 в виде трубы из высококачественной стали с резьбой на концах для соединения со смежными деталями двигателя. В гильзе 1 установлен каркас 2. Каркас 2 может быть цельной деталью или состоять из набора отдельных элементов (как показано на фиг. 1). Каркас 2 закрепляется в гильзе 1 статора с помощью клея, сварки или пайки, или другим механическим способом, который обеспечивает надёжность крепления каркаса 2 к гильзе 1, предотвращающий проворот и осевое смещение каркаса. Каркас 2 имеет множество отверстий или окон 3 произвольной формы, сообщающих его наружное (полость А) и внутреннее (полость Б) пространства. Эластичная полиуретановая обкладка 4 изготавливается методом заливки её в жидком виде в полости А и полости Б с помощью пресс-формы с последующей полимеризацией. Таким образом, в данном техническом решении относительно рассматриваемого прототипа адгезионное крепление обкладки заменяется на комбинированное крепление обкладки 4 к гильзе 1 - одновременно адгезионное и механическое, которое заключается в том, что каркас 2 и обкладка 4, образованная заливкой жидкого полиуретана в полости Б и А через отверстия (окна) в каркасе 2 представляет собой монолитную конструкцию: полиуретан со всех сторон обжимает каркас 2, жестко прикрепленный к гильзе 1. При этом на всех поверхностях, где полиуретановая обкладка 4 контактирует с корпусом 1 и каркасом 2 присутствует адгезия.
Работа статора в составе винтового двигателя осуществляется в комплекте с ротором, карданным валом и шпинделем, на валу которого закрепляется долото. При подаче жидкости ротор приводится в планетарное движение, которое передаётся на вал двигателя и долото. С увеличением нагрузки на долото увеличивается крутящий момент, повышается давление, возрастают нагрузки в зубчатом зацеплении ротора и статора. Полиуретановый зуб статора, усиленный металлическим каркасом, позволяет передать повышенный крутящий момент и пробурить скважину с максимальной скоростью и близостью к проектной траектории без риска отклеивания эластомера от гильзы статора и, соответственно, риска отказа ВЗД во время бурения.
3
ООО «Гидробур-сервис» изготовлена опытная партия двигателей диаметром 106 мм и 120 мм с каркасным статором и эластичной полиуретановой обкладкой Уникспур 2B092S (Unikspur 2B092S) (ТУ2292-013-55180710 - 2009) с твёрдостью от 92 единиц по Шору А до 75 единиц по Шору Д, с условной прочностью при разрыве 50 МПа, с истираемостью 20-25 м/тДж, с термостойкостью до 120 град. С, работоспособной в химически агрессивной жидкости.
Партия предлагаемых двигателей успешно прошла стендовые испытания, показав более высокие, по сравнению с другими двигателями тех же размеров характеристики: высокий крутящий момент на выходном валу, более устойчивую скорость вращения, высокий КПД. В настоящее время двигатели этой партии работают на месторождениях Западной Сибири и Татарстана с высокими показателями бурения. Изобретение позволяет уменьшить длину двигателя при снижении материалоемкости, вследствие чего улучшается точность проводки скважины по заданной траектории.