ВИНТОВОЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ВРАЩАЮЩИМСЯ СТАТОРОМ

Полезная модель относится к техническим средствам для бурения нефтяных газовых скважин, в частности к гидравлическим забойным двигателям для привода породоразрушающего инструмента.
Выпускаемые промышленностью гидравлические винтовые забойные двигатели (ВЗД) спроектированы по традиционной кинематической схеме. Рабочие органы таких двигателей, представляющие собой винтовой героторный механизм с внутренним циклоидальным зацеплением, состоят из неподвижного статора с внутренней винтовой поверхностью и находящегося внутри него ротора с наружной винтовой поверхностью, который совершает планетарное движение. Числа заходов винтовых поверхностей статора и ротора, имеющих одинаковое направление, отличаются на единицу, а их шаги пропорциональны числам заходов (Балденко Д.Ф. и др. Одновинтовые гидравлические машины. Том 2. ИРЦ Газпром, 2007).
Известна и другая кинематическая схема ВЗД - с вращающимся статором и ротором, связанным с колонной бурильных труб (Patent US 4011917. Process and universal downhole motor for driving a tool / W. Tiraspolsky, R. Rouviere; 15.03.1977). Недостатком такой схемы, которая наиболее близка к предлагаемому техническому решению, является конструктивная сложность, обусловленная необходимостью уплотнения полости высокого давления вращающегося статора.
Задачи, на решение которых направлено заявленное техническое решение, заключаются в упрощении конструкции ВЗД с вращающимся статором, улучшении его динамических характеристик, а также условий очистки призабойной зоны в процессе бурения скважины.
Поставленные задачи достигаются за счет исключения из конструкции забойного двигателя отдельного узла уплотнения полости высокого давления вращающегося статора, изменения схемы распределения потока жидкости внутри двигателя и увеличения массы вращающихся элементов статорной группы.
Предлагаемая полезная модель представляет модернизированное конструктивное решение схемы ВЗД с вращающимся статором и имеет ряд технических преимуществ по сравнению как с двигателем Тираспольского (по патенту US 4011917), так и с традиционной кинематической схемой ВЗД.
Полезная модель винтового забойного двигателя с вращающимся статором представлена в описании и на фиг. 1, где изображена общая компоновка ВЗД и показано направление движения потока рабочей жидкости внутри двигателя.
Винтовой забойный двигатель включает в свой состав шпиндельную секцию, связанную с бурильной колонной, и секцию рабочих органов, передающую вращение породоразрушающему инструменту на забое скважины.
Шпиндельная секция расположена сверху и содержит корпус 1 и полый вал 2 с радиальными и осевыми опорами. Шпиндельная секция воспринимает осевые и радиальные нагрузки, возникающие в процессе работы двигателя, а также осуществляет передачу нагрузки от веса колонны бурильных труб на забой скважины.
Секция рабочих органов, выполненная на базе винтового героторного механизма с внутренним циклоидальным зацеплением, включает концентрично вращающийся вместе с корпусом 1 шпинделя статор 3, связанный с породоразрушающим инструментом, и находящийся внутри него ротор 4, ось которого совершает переносное движение вокруг оси статора, а также полый шарнирный узел 5 (с внутренним проточным каналом А), соединяющий ротор 4 с неподвижным полым валом 2 шпиндельной секции, связанным посредством резьбы с бурильной колонной. Вращающийся статор 3 соединяется с корпусом 1 шпиндельной секции посредством резьбового переводника 6, а с породоразрушающим инструментом при помощи наддолотного переводника 7.
Отличительная особенность двигателя состоит в том, что рабочая жидкость из бурильной колонны поступает в винтовые рабочие органы последовательно через полый вал 2 шпиндельной секции, внутренний проточный канал С шарнирного соединения 5, осевой канал А ротора 4 и радиальные отверстия Б, расположенные в центральной части ротора.
Таким образом, в отличие от типовых схем распределения потока жидкости, использованных в традиционной схеме ВЗД с неподвижным статором и в схеме двигателя Тираспольского, для которых характерным является подвод рабочей жидкости к верхнему торцу поперечного сечения рабочих органов, в предложенной модернизированной схеме ВЗД с вращающимся статором поток жидкости подводится к центральной части рабочих органов через осевые и радиальные каналы роторной группы двигателя.
Для реализации данной схемы и необходимого распределения потока жидкости через рабочие органы ротор двигателя имеет модульное исполнение, отличающееся тем, что винтовая поверхность зубьев ротора имеет условный разрыв и разделяется на нижнюю (активную) и верхнюю (уплотнительную) части, при этом внутри ротора выполнены осевой А и радиальные Б каналы для прохода жидкости, а в нижней части ротор имеет дно Д или глухую крышку.
Нижняя часть рабочих органов от радиальных отверстий Б до нижней крышки Д служит для образования крутящего момента двигателя, а верхняя часть рабочих органов (выше радиальных отверстий Б) выполняет функции гидромеханического сальника, предотвращая движение потока жидкости по винтовым камерам в направлении верхнего торца рабочих органов.
В зависимости от выполняемых технологических операций на корпусе 2 шпинделя и статоре 3 двигателя могут размещаться центраторы или децентраторы.
Предложенный двигатель работает следующим образом. Буровой раствор с поверхности через бурильные трубы подается под давлением в неподвижный полый вал 2 шпинделя, далее поток жидкости направляется в проточный канал С шарнирного соединения 5 и через отверстия в роторе А и Б поступает в центральную часть винтовых камер рабочих органов. Основная часть потока движется вниз, заставляя вращаться статор двигателя и, дойдя до выхода (нижнего торца поперечного сечения рабочих органов), поступает в полость низкого давления F и далее направляется к промывочным отверстиям долота. Реактивный момент на роторе передается через шарнирное соединение колонне бурильных труб.
Направления винтовых поверхностей зубьев ротора и статора выбираются в зависимости от требуемого направления вращения статора.
В случае, если породоразрушающий инструмент имеет правое вращение, то направление винтовых поверхностей зубьев рабочих органов принимается правым. Тогда нижняя часть винтовой пары функционирует в двигательном режиме, заставляя вращаться корпус и породоразрушающий инструмент по часовой стрелке, а верхняя часть винтовой пары работает в насосном режиме, выполняя функции гидромеханического сальника, препятствуя движению потока жидкости вверх в кольцевую камеру Е, расположенную между корпусным переводником 6 и шарнирным соединением 5 и сопряженную с нижней радиальной опорой шпиндельной секции.
По сравнению с традиционной кинематической схемой ВЗД с неподвижным статором преимуществами предложенной конструкции являются:
1) увеличенная масса и момент инерции концентрично вращающихся элементов статорной группы (корпус шпинделя, переводник, статор ВЗД), что обеспечивает повышенную устойчивость и равномерность вращения двигателя в условиях динамического нагружения долота;
2) менее напряженный режим работы шарнирного соединения роторной группы в отсутствии непосредственного вращения ротора, что способствует повышению усталостной прочности данного узла.
По сравнению с известной схемой ВЗД с вращающимся статором преимуществами предложенной конструкции являются:
1) отсутствие необходимости отдельного узла уплотнения полости высокого давления вращающегося статора, что является сложной технической задачей в заданных конструктивных и эксплуатационных условиях;
2) более протяженная длина вращающихся наружных элементов (в габаритном размере двигателя), что улучшает условия выноса выбуренной породы в призабойной зоне скважины и расширяет возможности размещения опорно-центрирующих элементов на корпусе двигателя.
Недостатком предложенной схемы является неполное использование длины рабочих органов, поскольку верхняя (уплотнительная) часть винтовой пары не участвует в образовании крутящего момента. Вместе с тем, современные технологии изготовления позволят создавать многошаговые винтовые рабочие органы, длина которых может достигать несколько метров. Поэтому необходимое для осуществления рабочего процесса в схеме с подводом жидкости к центральной части рабочих органов удлинение винтовой пары не будет являться ограничительным фактором и оказывать существенного влияния на характеристики двигателя.
Предложенная полезная модель ВЗД обладает важным техническим преимуществом - универсальностью, что позволяет использовать ее при бурении вертикальных и наклонных интервалов профиля скважины, а также при бурении интервалов с отбором керна, когда между долотом и вращающимся корпусом двигателя устанавливается керноприемная труба.