ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
HYDRAULIC DOWNHOLE MOTOR

Изобретение относится к гидравлическим приводам для вращательного бурения, размещаемым в скважине, в частности к гидравлическим забойным двигателям для бурения нефтяных скважин.
Известен винтовой гидравлический механизм, используемый в качестве насоса или двигателя, содержащий корпус статора и ротор, при этом ротор имеет внешнюю винтовую поверхность, корпус статора выполнен в виде монолитного жесткого трубчатого элемента, имеющего цилиндрическую внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, а также винтовые зубья, при этом упомянутый механизм содержит гибкий слой, выполненный из эластомера, имеющий одинаковую толщину на внутренней поверхности корпуса (US 2005/0079083 А1, 14.04.2005).
В известном винтовом гидравлическом механизме гибкий слой, выполненный из эластомера, подвергается деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора внутри статора, что приводит к образованию на выступах и впадинах винтовых зубьев гибкого слоя зон, отличающихся друг от друга величинами контактного давления, сдвиговой прочности, твердости (упругости) и теплопроводности.
Температура в гибком слое (обкладке) из эластомера может повышаться, например, до 60°С, а увеличение натяга в рабочей паре может составлять, например, до 0,05 мм на диаметр на каждые 10°С повышения температуры.
Недостатком известной конструкции является неполная возможность повышения ресурса и надежности при использовании в качестве гидравлического забойного двигателя для бурения нефтяных скважин, а также максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и усталостной выносливости (ресурса) обкладки из эластомера - не менее 100 тысяч циклов.
Недостатки известной конструкции объясняются неполной возможностью оптимизации толщины обкладки из эластомера вдоль выступов и впадин винтовых зубьев, что приводит к ухудшению отвода внутреннего тепла от обкладки из эластомера к потоку бурового раствора внутри корпуса, а также сквозь стенки корпуса к потоку бурового раствора с выбуренной породой в затрубном пространстве, образованию в центрах профиля зубьев обкладки из эластомера зон деструкции материала от воздействия градиента температуры и увеличению натяга в рабочей паре.
В результате центр профиля зубьев обкладки становится менее гибким (хрупким и ломким), механические свойства эластомера в центре профиля зубьев обкладки уменьшаются, при этом давление, действующее в изолированных и перемещающихся по потоку текучей среды камерах между ротором и статором, может превысить предел сдвиговой прочности эластомера, а вершины зубьев в обкладке могут деформироваться и отрываться от корпуса.
Известен статор для гидравлического забойного двигателя, образующий наружную трубу с внутренней поверхностью, выполненной, по меньшей мере, с двумя внутренними винтовыми зубьями (или лопастями), закрепленную в корпусе обкладку из эластомера, прилегающую к внутренней поверхности наружной трубы, при этом обкладка выполнена с внутренними винтовыми зубьями (или лопастями), совпадает по форме с внутренними винтовыми зубьями (или лопастями) в наружной трубе, а толщина обкладки является максимальной на зубьях (или лопастях), радиально направленных внутрь, не менее двух (US 6604921 В1, 14.04.2005).
Недостатки известной конструкции объясняются неполной возможностью повышения ресурса и надежности гидравлического забойного двигателя, максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и усталостной выносливости (ресурса) обкладки из эластомера - не менее 100 тысяч циклов.
Так как эластомер характеризуется высокими изоляционными свойствами, он задерживает передачу тепла в большей степени вдоль выступов внутренних винтовых зубьев обкладки по сравнению с впадинами винтовых зубьев обкладки.
Температура в обкладке из эластомера может повышаться, например, до 85°С, а увеличение натяга в рабочей паре может составлять, например, до 0,08 мм на диаметр на каждые 10°С повышения температуры, что приводит к нерасчетным режимам работы, не обеспечивает максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимой осевой нагрузки при повышении максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности.
Недостатки известной конструкции объясняются неполной возможностью оптимизации толщины обкладки вдоль впадин внутренней винтовой поверхности и минимальной толщины стенки наружной трубы по отношению к высоте зубьев в обкладке, а также образованием на выступах и впадинах зубьев зон, отличающихся друг от друга величинами контактного давления, сдвиговой прочности, твердости (упругости) и теплопроводности, которые подвергаются деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора внутри статора, что приводит к повышенному градиенту температуры при выделении тепла внутри материала обкладки и нарушению натяга в рабочей паре, к ухудшению отвода внутреннего тепла от обкладки из эластомера к потоку бурового раствора внутри корпуса, а также сквозь стенки наружной трубы к потоку бурового раствора с выбуренной породой в затрубном пространстве.
Из-за тепла, образуемого в центрах обкладки из эластомера в форме зубьев, происходит вторичная полимеризация: молекулярная сшивка эластомера (резины), что приводит к деструкции материала, вследствие этого центр профиля зубьев обкладки из эластомера становится негибким (хрупким и ломким), механические свойства эластомера на этих участках ухудшаются, при этом давление, действующее в камерах между ротором и статором, может превысить предел сдвиговой прочности эластомера, а вершины обкладки статора могут деформироваться и отрываться от корпуса.
Известен статор винтовой героторной гидромашины, по существу, двигателя для вращения ротора от насосной подачи текучей среды, содержащий наружную трубу с внутренней поверхностью, выполненной в форме геликоида с внутренними винтовыми зубьями, закрепленную в наружной трубе обкладку из эластомера, прилегающую к внутренней поверхности наружной трубы, при этом обкладка выполнена с внутренними винтовыми зубьями и совпадает по форме с внутренними винтовыми зубьями в наружной трубе, а толщина обкладки является максимальной на зубьях, радиально направленных внутрь, в наружной трубе максимальная толщина обкладки из эластомера вдоль впадин ее внутренней винтовой поверхности, расположенных на максимальном радиальном удалении, равна половине высоты ее внутренних винтовых зубьев, а минимальная толщина стенки наружной трубы вдоль радиально направленных наружу впадин ее внутренней винтовой поверхности равна высоте внутренних винтовых зубьев в обкладке из эластомера (RU 2373364 С2, 20.11.2009).
3
Основные дефекты, уменьшающие надежность и ресурс известной конструкции: растрескивание, отслоения, а также вырывы кусков обкладки из эластомера (резины) со стороны входа и выхода текучей среды (бурового раствора) в напряженных условиях работы (при бурении в твердых породах): при наличии в рабочей паре между ротором и обкладкой трубчатого корпуса необходимого натяга контактное давление составляет 2,5÷3 МПа, скорость скольжения составляет 0,5÷2,5 м/с, гидростатическое давление может достигать 50 МПа, а момент силы на выходном валу в режиме максимальной мощности может достигать 30 кН⋅м, причем в условиях высокой турбулентности бурового раствора, который имеет плотность до 1500 кг/м, содержит до 2% песка и до 5% нефтепродуктов, что приводит к прекращению циркуляции, при этом основная причина отказа в компоновке низа бурильной колонны (КНБК), в которой установлен гидравлический забойный двигатель со шпинделем и долотом, - "резина в долоте".
Развитию упомянутых дефектов способствуют высокие рабочие перепады давления, внутреннее выделение тепла в материале обкладки статора, торможение рабочей пары двигателя при работе, высокий натяг в рабочей паре двигателя (ротор-обкладка из эластомера статора).
Увеличение длины секции рабочих пар позволяет снизить уровень контактных нагрузок в зацеплении рабочей пары двигателя и предотвратить преждевременное разрушение обкладки из эластомера по краям статора.
Одновременно повышаются энергетические характеристики двигателя, надежность и ресурс.
Однако увеличение длины рабочих пар двигателя (ротор - обкладка статора) ухудшает проходимость компоновки низа бурильной колонны при прохождении через радиусные участки ствола скважины при бурении горизонтального интервала наклонной скважины.
Вследствие особенности работы героторных механизмов винтовых гидромашин, по краям обкладки из эластомера в статоре вырабатывается и сохраняется повышенное количество тепла от действия перекашивающих моментов ротора при планетарно-роторном вращении ротора внутри зубьев обкладки из эластомера в статоре.
В результате центр профиля становится менее гибким (хрупким и ломким), механические свойства эластомера (резины), на этих участках ухудшаются, при этом давление, действующее в камерах между ротором и статором, может превысить предел сдвиговой прочности эластомера, а вершины зубьев в обкладке деформируются или отрываются от корпуса статора, снижается возможность повышения максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и усталостной выносливости (ресурса) обкладки из эластомера - не менее 100 тысяч циклов.
Вследствие этого не обеспечиваются свойства эластомера в конструкции, по существу, усталостной выносливости при знакопеременном изгибе с вращением (ГОСТ 10952-75), остаточной деформации и усталостной выносливости при многократном сжатии (ГОСТ 20418-75), температурного предела хрупкости (ГОСТ 7912-74), истирания при скольжении (ГОСТ 426-77).
Вследствие этого требуемый интервал скважин не может быть добурен до конца, например, в скважинах, в интервале бурения 2500÷3500 м, имеющих боковые горизонтальные стволы в интервале 750÷1500 м, не обеспечиваются экономические преимущества известной конструкции.
Недостатки известной конструкции объясняются неполной возможностью оптимизации толщины обкладки из эластомера вдоль боковых сторон обкладки из эластомера, что приводит к ухудшению отвода внутреннего тепла от обкладки из эластомера к потоку бурового раствора внутри корпуса, а также сквозь стенки корпуса к потоку бурового раствора с выбуренной породой в затрубном пространстве, образованию в центрах профиля эластомерной обкладки зон деструкции материала от воздействия градиента температур и увеличению натяга в рабочей паре, вследствие этого не обеспечиваются свойства эластомера в конструкции, по существу, усталостной выносливости при знакопеременном изгибе с вращением (ГОСТ 10952-75), остаточной деформации и усталостной выносливости при многократном сжатии (ГОСТ 20418-75), температурного предела хрупкости (ГОСТ 7912-74), истирания при скольжении (ГОСТ 426-77).
В результате центр профиля зубьев обкладки из эластомера становится менее гибким (хрупким и ломким), механические свойства эластомера (резины), на этих участках ухудшаются, давление, действующее в камерах между ротором и статором, может превысить предел сдвиговой прочности эластомера, при этом вершины зубьев, а также боковая поверхность зубьев в обкладке из эластомера деформируются и отрываются от корпуса.
3
Основные дефекты, уменьшающие надежность и ресурс гидравлического забойного двигателя, в котором статор выполнен с одинаковой толщиной обкладки из эластомера (R-Wall): растрескивание обкладки из эластомера (резины) по краям, со стороны входа и выхода текучей среды (бурового раствора), отслоение обкладки из эластомера по краям, со стороны входа и выхода текучей среды, а также вырывы кусков обкладки из эластомера в средней части статора и по краям - во входной и выходной по потоку частях обкладки из эластомера в статоре в напряженных условиях работы (при бурении в твердых породах): при наличии в рабочей паре между ротором и обкладкой трубчатого корпуса необходимого натяга контактное давление составляет 2,5÷3 МПа, скорость скольжения составляет 0,5÷2,5 м/с, гидростатическое давление может достигать 50 МПа, а момент силы на выходном валу в режиме максимальной мощности может достигать 30 кН⋅м, причем в условиях высокой турбулентности бурового раствора, который имеет плотность до 1500 кг/м, содержит до 2% песка и до 10% нефтепродуктов, что приводит к прекращению циркуляции, при этом основная причина отказа компоновки низа бурильной колонны, в которой установлен двигатель со шпинделем, регулятором угла перекоса и долотом, - "резина в долоте".
Известен статор винтовой героторной гидромашины, по существу, двигателя для вращения ротора от насосной подачи текучей среды, содержащий трубчатый корпус с внутренней поверхностью, выполненной в форме геликоида с внутренними винтовыми зубьями, на каждом краю трубчатого корпуса выполнена внутренняя резьба, а также содержащий закрепленную в трубчатом корпусе обкладку из эластомера, прилегающую к внутренней поверхности трубчатого корпуса, обкладка из эластомера выполнена с внутренними винтовыми зубьями и совпадает по форме с внутренними винтовыми зубьями в трубчатом корпусе, а толщина обкладки является максимальной на зубьях, радиально направленных внутрь, при этом в трубчатом корпусе максимальная толщина обкладки из эластомера вдоль впадин ее внутренней винтовой поверхности, расположенных на максимальном радиальном удалении, равна половине высоты ее внутренних винтовых зубьев, а минимальная толщина стенки трубчатого корпуса вдоль радиально направленных наружу впадин ее внутренней винтовой поверхности равна высоте внутренних винтовых зубьев в обкладке из эластомера, при этом статор содержит во входной по потоку части трубчатого корпуса демпферную полость, расположенную ниже по потоку от края внутренних винтовых зубьев в трубчатом корпусе, направленного против потока, выполненную в виде кольцевой канавки внутри трубчатого корпуса, примыкающей к боковым поверхностям внутренних винтовых зубьев трубчатого корпуса, образованным упомянутой кольцевой канавкой, а обкладка из эластомера содержит в упомянутой демпферной полости входной демпфер из эластомера с собственными внутренними винтовыми зубьями, примыкающими к внутренним винтовым зубьям обкладки из эластомера, прилегающий к поверхности кольцевой канавки внутри трубчатого корпуса и боковым поверхностям внутренних винтовых зубьев трубчатого корпуса, образованным упомянутой кольцевой канавкой, с возможностью скрепления с обкладкой из эластомера, а также с кольцевой канавкой внутри трубчатого корпуса и боковыми поверхностями внутренних винтовых зубьев трубчатого корпуса, образованными упомянутой кольцевой канавкой, причем минимальное расстояние от направленного против потока края внутренних винтовых зубьев во входной по потоку части трубчатого корпуса до входной кромки входного демпфера, равно толщине входного демпфера из эластомера на его внутренних винтовых зубьях, радиально направленных внутрь, при этом ниже по потоку от края внутренних винтовых зубьев в выходной по потоку части трубчатого корпуса обкладка из эластомера содержит выходной демпфер из эластомера с собственными внутренними винтовыми зубьями, примыкающими к внутренним винтовым зубьям обкладки из эластомера, прилегающий к внутренней поверхности выходной по потоку части трубчатого корпуса с возможностью скрепления с обкладкой из эластомера и внутренней поверхностью выходной по потоку части трубчатого корпуса, при этом минимальная толщина входного и выходного демпферов из эластомера вдоль впадин их внутренних винтовых зубьев, расположенных на максимальном радиальном удалении, равна толщине обкладки из эластомера на ее зубьях, радиально направленных внутрь (RU 2652725 С1, 28.04.2018).
Основные преимущества статора с собственными винтовыми зубьями и одинаковой толщиной обкладки из эластомера (R-Wall):
повышается нагрузочная способность статора, снижаются гистерезисные потери в обкладке, повышаются энергетические характеристики и тормозной момент двигательной секции, что исключает вероятность торможения двигателя при изменении нагрузки и повышает управляемость бурения;
- снижается количество вырабатываемого и сохраняемого тепла, натяг в соединении ротор-обкладка статора меньше зависит от температуры и деструкции ("разбухания") эластомера, обеспечиваются высокие энергетические характеристики в увеличенном интервале глубины скважины, температуры и буровых растворов на нефтяной основе;
- улучшенные энергетические характеристики двигателя позволяют эффективно использовать его с долотами PDC (Polycrystalline Diamond Compakt) с поликристаллическими алмазами;
- за счет меньшей толщины эластомера при отрыве кусков обкладки не происходит закупорки промывочных отверстий долота, вследствие этого требуемый интервал скважины может быть добурен до конца, повышается наработка на отказ (Журнал "Бурение и нефть", 11/2014, стр. 56÷59).
Известен график отработок двигателей компании «Радиус-Сервис», входящей в состав Шлюмберже, которые работали с долотами StingBlade (рис. 6). Данные представлены для габарита - 172 мм, интервал бурения достигал 2000 м. Анализируя его, можно заметить, что 200 часов не представляют проблемы даже для стандартных двигателей компании «Радиус-Сервис». Журнал "Бурение и нефть", №4, 2018 г, Гумич Д.П. и др., " Бурение в один рейс…".
3
Основные дефекты, уменьшающие ресурс и надежность известного забойного двигателя, в котором известный статор выполнен с одинаковой толщиной обкладки из эластомера (R-Wall): растрескивание обкладки из эластомера (резины) со стороны выхода текучей среды (бурового раствора), отслоение обкладки из эластомера (резины) со стороны выхода текучей среды, а также вырывы кусков обкладки из эластомера (резины) в выходной по потоку части обкладки из эластомера в статоре в напряженных условиях работы (при бурении в твердых породах): при наличии в рабочей паре между ротором и обкладкой трубчатого корпуса необходимого натяга контактное давление составляет 2,5÷3 МПа, скорость скольжения составляет 0,5÷2,5 м/с, гидростатическое давление может достигать 50 МПа, а момент силы на выходном валу в режиме максимальной мощности может достигать 30 кН⋅м, причем в условиях высокой турбулентности бурового раствора, который имеет плотность до 1500 кг/м, содержит до 2% песка и до 5% нефтепродуктов, что приводит к прекращению циркуляции, при этом основная причина отказа компоновки низа бурильной колонны (КНБК), в которой установлен двигатель со шпинделем, регулятором угла перекоса и долотом, - "резина в долоте".
В результате центр профиля становится менее гибким (хрупким и ломким), механические свойства эластомера, например, резины, на этих участках значительно ухудшаются, при этом давление, действующее в камерах между ротором и статором, может превысить предел сдвиговой прочности эластомера, а вершины зубьев в обкладке деформируются или отрываются от корпуса, при этом снижается возможность повышения максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и усталостной выносливости (ресурса) обкладки из эластомера - не менее 100 тысяч циклов.
Вследствие этого не обеспечиваются свойства эластомера в конструкции, например, усталостной выносливости при знакопеременном изгибе с вращением (ГОСТ 10952-75), остаточной деформации и усталостной выносливости при многократном сжатии (ГОСТ 20418-75), температурного предела хрупкости (ГОСТ 7912-74), истирания при скольжении (ГОСТ 426-77).
s
ос
ос
s
s
оc
ос
ос
ос
ос
w
oc
if
s
w
if
ос
ос
к
с
с
с
к
к
р
с
с
с
Наиболее близким к заявляемой конструкции является героторный механизм винтовой гидравлической машины, содержащий статор, представляющий собой трубчатый корпус с закрепленной в нем обкладкой из эластомера, например из резины, с внутренними винтовыми зубьями и расположенный внутри статора ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев обкладки, ходы винтовых зубьев обкладки и ротора пропорциональны их числам зубьев, а центральные продольные оси ротора и обкладки смещены между собой на величину эксцентриситета, при этом торцовый профиль зубьев в обкладке из эластомера очерчен как огибающая кривая радиусов r при повороте системы координат Х, У, которой принадлежит окружность радиуса r, а центр окружности радиуса r расположен на окружности с радиусом R, проведенным из центра системы координат Х, У, причем центр системы координат X, У смещен от центральной продольной оси обкладки на величину эксцентриситета a между центральными продольными осями ротора и обкладки и определен выражением: R=r-r-a, где r - радиус впадин зубьев обкладки, угол поворота системы координат X, У относительно неподвижной системы координат X, Ук, центр которой расположен на центральной продольной оси обкладки, и угол поворота Ψсистемы координат X, У, центр которой расположен на центральной продольной оси обкладки, относительно неподвижной системы координат X, У, связаны соотношением:  где Z и Z - числа зубьев ротора и соответственно обкладки, а координаты X, У номинального профиля обкладки определены выражениями:
m
ор
ор
m
m
ор
op
ор
op
ор
w
при этом торцовый профиль зубьев ротора очерчен как огибающая кривая радиусов r при повороте системы координат X, У, которой принадлежит окружность радиуса r, а центр окружности радиуса r расположен на окружности с радиусом R, проведенным из центра системы координат X, У, причем центр системы координат X, У смещен от центральной продольной оси ротора на величину эксцентриситета a и определен выражением:
op
if
m
w
ор
ор
кр
кр
р
р
р
кр
кр
р
р
р
R=г-r-2a, а угол поворота  системы координат X, У относительно неподвижной системы координат X, У, центр которой расположен на центральной продольной оси ротора, и угол поворота Ψ системы координат X, У, центр которой расположен на центральной продольной оси ротора относительно неподвижной системы координат X, У, связаны соотношением:  где Z - число зубьев ротора, а координаты X, У номинального профиля ротора определены выражениями:
(RU 2309237 С1, 27.10.2007).
3
Недостатки известной конструкции объясняются основными дефектами, уменьшающими ресурс и надежность известного героторного механизма винтовой гидравлической машины, используемого в гидравлическом забойном двигателе для бурения нефтяных скважин: растрескиванием, отслоениями, а также вырывами кусков обкладки из эластомера (резины) со стороны входа и выхода текучей среды (бурового раствора), в напряженных условиях работы (при бурении в твердых породах): при наличии в рабочей паре между ротором и обкладкой трубчатого корпуса необходимого натяга контактное давление составляет 2,5÷3 МПа, скорость скольжения составляет 0,5÷2,5 м/с, гидростатическое давление может достигать 50 МПа, а момент силы на выходном валу в режиме максимальной мощности может достигать 30 кН⋅м, причем в условиях высокой турбулентности бурового раствора, который имеет плотность до 1500 кг/м, содержит до 2% песка и до 5% нефтепродуктов, что приводит к прекращению циркуляции, при этом основная причина отказа в компоновке низа бурильной колонны (КНБК), в которой установлен гидравлический забойный двигатель со шпинделем, регулятором угла перекоса и долотом, - "резина в долоте".
Вследствие особенности работы героторных механизмов винтовых гидравлических машин по краям обкладки из эластомера в корпусе статора вырабатывается и сохраняется повышенное количество тепла от действия перекашивающих моментов ротора при его планетарно-роторном вращении внутри зубьев обкладки из эластомера в корпусе статора в режиме максимальной мощности.
Вследствие другой особенности работы героторных механизмов винтовых гидравлических машин при использовании в гидравлическом забойном двигателе при бурении наклонных и горизонтальных интервалов скважин по краям обкладки из эластомера в корпусе статора вырабатывается и сохраняется повышенное количество тепла вследствие изгиба трубчатого корпуса двигателя при прохождении через радиусные интервалы ствола скважины, имеющие участки малого и среднего радиуса 30÷300 м, в условиях интенсивного трения по стволу скважины.
Вследствие этого не обеспечиваются свойства эластомера в конструкции, например, усталостной выносливости при знакопеременном изгибе с вращением (ГОСТ 10952-75), остаточной деформации и усталостной выносливости при многократном сжатии (ГОСТ 20418-75), температурного предела хрупкости (ГОСТ 7912-74), истирания при скольжении (ГОСТ 426-77).
Другим недостатком известной конструкции, используемой в гидравлическом забойном двигателе для бурения нефтяных скважин, является неполная возможность увеличения надежности и ресурса за счет обеспечения равнопрочного и герметичного резьбового соединения во входной и выходной частях трубчатого корпуса с переводником и/или переходником в сложных условиях бурения наклонных и горизонтальных интервалов скважин в твердых породах, вызывающих высокие рабочие перепады давления, внутреннее выделение тепла в материале обкладки корпуса, торможение рабочей пары при работе, высокий натяг в рабочей паре, а также в условиях интенсивного трения и вращения в стволе скважины, с использованием в колонне бурильных труб гидравлических ясов, с ударными нагрузками и импульсами от ясов, а также при релаксации растягивающих напряжений в изогнутой колонне бурильных труб, в которой установлен гидравлический забойный двигатель.
Упомянутый недостаток известной конструкции объясняется повышенной жесткостью входной и выходной частей трубчатого корпуса при использовании его в гидравлическом забойном двигателе, по существу, большим значением коэффициента напряжения при изгибе (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению) в местах стыка резьбовых соединений трубчатого корпуса с переводником и/или переходником, равным 7÷9, а также большой вероятностью образования трещин на резьбах и поломки резьбового соединения во входной и выходной частях трубчатого корпуса при использовании забойного двигателя в горизонтальных управляемых компоновках низа бурильной колонны, на участках изменения кривизны наклонной скважины, преимущественно в режиме максимальной мощности.
Из-за повышенной жесткости во входной и выходной частях трубчатого корпуса забойного двигателя не полностью обеспечивается возможность повышения точности проходки наклонных и горизонтальных интервалов скважин, повышения темпа набора параметров кривизны скважин, а также улучшения проходимости, т.е. уменьшения сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны за счет изгиба трубчатого корпуса двигателя при прохождении через радиусные участки ствола скважины, имеющие участки малого и среднего радиуса 30÷300 м, в условиях интенсивного трения по стволу скважины.
Вследствие этого требуемый интервал скважин не может быть добурен до конца, например, в скважинах, в интервале бурения 2500÷3500 м, имеющих боковые горизонтальные стволы в интервале 750÷1500 м, при этом не обеспечивается повышение наработки на отказ, не обеспечиваются существенные экономические преимущества известной конструкции.
Технический результат, который обеспечивается изобретением, заключается в повышении ресурса и надежности гидравлического забойного двигателя для бурения нефтяных скважин путем предотвращения растрескивания, отслоения и вырывов кусков обкладки из эластомера в корпусе статора по краям обкладки из эластомера, по существу, на участках, где вырабатывается и сохраняется повышенное количество тепла от действия перекашивающих моментов ротора при планетарно-роторном вращении ротора внутри зубьев обкладки из эластомера в корпусе статора, за счет того, что поперечные сечения винтовых зубьев на краях наружной поверхности ротора выполнены с уменьшающимся в направлении ближнего торца ротора эквидистантным профилем, что позволяет уменьшить напряжения по краям обкладки из эластомера в корпусе статора при знакопеременном изгибе с вращением и многократном сжатии.
Другой технический результат, который обеспечивается изобретением, заключается в повышении точности проходки наклонных и горизонтальных интервалов скважин, в повышении темпа набора параметров кривизны скважин, а также в улучшении проходимости, т.е. в уменьшении сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны за счет уменьшения жесткости трубчатого корпуса путем выполнения во входной и выходной частях корпуса поясов пониженной жесткости, характеризующихся выполнением стенки корпуса уменьшенной толщиной, с возможностью изгиба корпуса при прохождении через радиусные интервалы ствола скважины.
т
с
т
с
Сущность технического решения заключается в том, что в гидравлическом забойном двигателе, содержащем статор, представляющий собой трубчатый корпус с закрепленной в нем обкладкой из эластомера, прилегающей к внутренней поверхности трубчатого корпуса, обкладка из эластомера выполнена с внутренними винтовыми зубьями, на каждом краю трубчатого корпуса выполнена внутренняя резьба, и расположенный внутри статора ротор с наружными винтовыми зубьями, число винтовых зубьев ротора на единицу меньше числа винтовых зубьев обкладки, ходы винтовых зубьев обкладки и ротора пропорциональны их числам зубьев, а центральные продольные оси ротора и обкладки смещены между собой на величину эксцентриситета, согласно изобретению поперечные сечения наружных винтовых зубьев на краях ротора очерчены уменьшающимся в направлении ближнего торца ротора эквидистантным профилем, выполненным с возможностью смещения каждой точки профиля в радиальном направлении по вектору, соединяющему каждую точку профиля с центральной продольной осью ротора, длина L каждого участка наружных винтовых зубьев на краях ротора, очерченного уменьшающимся в направлении ближнего торца ротора эквидистантным профилем, и радиус R наружной поверхности ротора на длине между упомянутыми участками связаны соотношением: L=(3,55÷5,55)R, при этом радиус R каждой точки профиля наружной поверхности ротора на длине каждого участка L на краях ротора, на котором поперечные сечения наружных винтовых зубьев очерчены уменьшающимся в направлении ближнего торца ротора эквидистантным профилем, выполненным с возможностью смещения каждой точки профиля в радиальном направлении по вектору, соединяющему каждую точку профиля с центральной продольной осью ротора, и радиус R каждой точки профиля наружной поверхности ротора на длине между упомянутыми участками, соответствующий каждой точке профиля на длине каждого участка L на краях ротора по вектору, соединяющему каждую точку профиля с центральной продольной осью ротора, связаны соотношением: R=(0,85÷0,98)R.
Гидравлический забойный двигатель содержит во входной по потоку части трубчатого корпуса с закрепленной в нем обкладкой из эластомера пояс пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки трубчатого корпуса уменьшенной толщиной, расположенный между краем обкладки из эластомера, направленным против потока, и полным последним витком внутренней резьбы во входной по потоку части трубчатого корпуса, а в выходной по потоку части трубчатого корпуса содержит пояс пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки трубчатого корпуса уменьшенной толщиной, расположенный между краем обкладки из эластомера, направленным по потоку, и полным последним витком внутренней резьбы в выходной по потоку части трубчатого корпуса, при этом отношение уменьшенной толщины стенок трубчатого корпуса во входной по потоку части трубчатого корпуса, а также в выходной по потоку части трубчатого корпуса к наружному диаметру трубчатого корпуса составляет 0,05÷0,09.
т
с
т
с
Выполнение гидравлического забойного двигателя таким образом, что поперечные сечения наружных винтовых зубьев на краях ротора очерчены уменьшающимся в направлении ближнего торца ротора эквидистантным профилем, выполненным с возможностью смещения каждой точки профиля в радиальном направлении по вектору, соединяющему каждую точку профиля с центральной продольной осью ротора, длина L каждого участка наружных винтовых зубьев на краях ротора, очерченного уменьшающимся в направлении ближнего торца ротора эквидистантным профилем, и радиус R наружной поверхности ротора на длине между упомянутыми участками связаны соотношением: L=(3,55÷5,55)R, при этом радиус R каждой точки профиля наружной поверхности ротора на длине каждого участка L на краях ротора, на котором поперечные сечения наружных винтовых зубьев очерчены уменьшающимся в направлении ближнего торца ротора эквидистантным профилем, выполненным с возможностью смещения каждой точки профиля в радиальном направлении по вектору, соединяющему каждую точку профиля с центральной продольной осью ротора, и радиус R каждой точки профиля наружной поверхности ротора на длине между упомянутыми участками, соответствующий каждой точке профиля на длине каждого участка L на краях ротора по вектору, соединяющему каждую точку профиля с центральной продольной осью ротора, связаны соотношением: R=(0,85÷0,98)R, повышает ресурс и надежность гидравлического забойного двигателя для бурения нефтяных скважин путем предотвращения растрескивания, отслоения и вырывов кусков обкладки из эластомера в корпусе статора по краям обкладки из эластомера, по существу, на участках, где вырабатывается и сохраняется повышенное количество тепла от действия перекашивающих моментов ротора при планетарно-роторном вращении ротора внутри зубьев обкладки из эластомера в корпусе статора, что позволяет уменьшить напряжения по краям обкладки из эластомера в корпусе статора при знакопеременном изгибе с вращением и многократном сжатии.
т
с
т
с
3
Выполнение гидравлического забойного двигателя таким образом, что длина L каждого участка наружных винтовых зубьев на краях ротора, очерченного уменьшающимся в направлении ближнего торца ротора эквидистантным профилем, и радиус R наружной поверхности ротора на длине между упомянутыми участками связаны соотношением: L=(3,55÷5,55)R, при этом радиус R каждой точки профиля наружной поверхности ротора на длине каждого участка L на краях ротора, на котором поперечные сечения наружных винтовых зубьев очерчены уменьшающимся в направлении ближнего торца ротора эквидистантным профилем, выполненным с возможностью смещения каждой точки профиля в радиальном направлении по вектору, соединяющему каждую точку профиля с центральной продольной осью ротора, и радиус R каждой точки профиля наружной поверхности ротора на длине между упомянутыми участками, соответствующий каждой точке профиля на длине каждого участка L на краях ротора по вектору, соединяющему каждую точку профиля с центральной продольной осью ротора, связаны соотношением: R=(0,85÷0,98)R, обеспечивает лучшие свойства эластомера в конструкции, по существу, усталостную выносливость при знакопеременном изгибе с вращением (ГОСТ 10952-75), остаточную деформацию и усталостную выносливость при многократном сжатии (ГОСТ 20418-75), температурный предел хрупкости (ГОСТ 7912-74), истирание при скольжении (ГОСТ 426-77), за счет этого обеспечивается повышение ресурса и надежности гидравлического забойного двигателя в условиях высокой турбулентности бурового раствора, который имеет плотность до 1500 кг/м, содержит до 2% песка и до 10% нефтепродуктов, при этом предотвращается закупорка промывочного узла бурового долота и устраняется основной отказ компоновки низа бурильной колонны при бурении скважин по причине - "резина в долоте".
Выполнение гидравлического забойного двигателя таким образом, что он содержит во входной по потоку части трубчатого корпуса с закрепленной в нем обкладкой из эластомера пояс пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки трубчатого корпуса уменьшенной толщиной, расположенный между краем обкладки из эластомера, направленным против потока, и полным последним витком внутренней резьбы во входной по потоку части трубчатого корпуса, а в выходной по потоку части трубчатого корпуса содержит пояс пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки трубчатого корпуса уменьшенной толщиной, расположенный между краем обкладки из эластомера, направленным по потоку, и полным последним витком внутренней резьбы в выходной по потоку части трубчатого корпуса, при этом отношение уменьшенной толщины стенок трубчатого корпуса во входной по потоку части трубчатого корпуса, а также в выходной по потоку части трубчатого корпуса к наружному диаметру трубчатого корпуса составляет 0,05÷0,09, повышает точность проходки наклонных и горизонтальных интервалов скважин, темп набора параметров кривизны скважин, а также улучшает проходимость, т.е. уменьшает сопротивления и напряжений компоновки низа бурильной колонны путем изгиба корпуса двигателя при прохождении через радиусные участки ствола скважины в условиях интенсивного трения по стволу скважины, а также снижает вероятность образования усталостных трещин по краям корпуса при наработке ресурса.
Ниже представлен лучший вариант гидравлического забойного двигателя ДРУ2-172 PC для бурения нефтяных скважин.
На фиг. 1 изображен продольный разрез двигателя (вариант 1), включающего ротор, установленный внутри трубчатого корпуса, содержащего обкладку из эластомера.
На фиг. 2 изображен разрез А-А на фиг. 1 поперек входной части трубчатого корпуса и ротора, число зубьев ротора равно 6, число зубьев обкладки равно 7.
На фиг. 3 изображен разрез Б-Б на фиг. 1 поперек трубчатого корпуса и ротора, число зубьев ротора равно 6, число зубьев обкладки равно 7.
На фиг. 4 изображен разрез В-В на фиг. 1 поперек выходной части трубчатого корпуса и ротора, число зубьев ротора равно 6, число зубьев обкладки равно 7.
На фиг. 5 изображен продольный разрез двигателя (вариант 2), включающего ротор, установленный внутри трубчатого корпуса, выполненного с собственными винтовыми зубьями и одинаковой толщиной обкладки из эластомера (R-Wall), а также включающего входной и выходной демпферы из эластомера, выполненные за одно целое с обкладкой.
На фиг. 6 изображен разрез Г-Г на фиг. 5 поперек входной части трубчатого корпуса с входным демпфером и ротором, число зубьев ротора равно 6, число зубьев входного демпфера равно 7.
На фиг. 7 изображен разрез Д-Д на фиг. 5 поперек трубчатого корпуса с обкладкой из эластомера и ротором, число зубьев ротора равно 6, число зубьев обкладки равно 7.
На фиг. 8 изображен разрез Е-Е на фиг. 5 поперек выходной части трубчатого корпуса с выходным демпфером и ротором, число зубьев ротора равно 6, число зубьев выходного демпфера равно 7.
На фиг. 9 изображен ротор для гидравлического забойного двигателя, отличающийся только натягом в рабочей паре для обоих двигателей (вариант 1 и 2), поперечные сечения на краях ротора выполнены с уменьшающимся эквидистантным профилем.
Гидравлический забойный двигатель (вариант 1) содержит статор, представляющий собой трубчатый корпус 1 с закрепленной в нем обкладкой 2 из эластомера, с внутренними винтовыми зубьями 3, на входном по потоку текучей среды 4 краю 5 трубчатого корпуса 1 выполнена внутренняя коническая трубная резьба 6, например, РКТ154x6,35x1:9,6 СТП 001-2007, на выходном по потоку текучей среды 4 краю 7 трубчатого корпуса 1 выполнена внутренняя коническая трубная резьба 8, например, PKT154x6,35xl:9,6 СТП 001-2007, а также расположенный внутри статора ротор 9 с наружными винтовыми зубьями 10, число которых на единицу меньше числа зубьев 3 обкладки 2, ходы винтовых зубьев 3 обкладки 2 и винтовых зубьев 10 ротора 9 пропорциональны их числам зубьев (не показаны), а центральная продольная ось 11 ротора 9 и центральная продольная ось 12 обкладки 2 смещены между собой на величину эксцентриситета 13, при этом поз.14 - перемещающиеся по потоку текучей среды 4 (бурового раствора) изолированные винтовые камеры между зубьями 10 ротора 9 и зубьями 3 в обкладке 2 из эластомера, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 9.
Ход винтовой линии внутренних винтовых зубьев 3 обкладки 2 из эластомера внутри трубчатого корпуса 1 равен расстоянию по соосной поверхности между двумя положениями точки, образующей линию винтового зуба 3, соответствующими ее полному обороту вокруг центральной продольной оси 12 трубчатого корпуса 1, показано, например, в ГОСТ 16530-83, стр. 17.
Ход винтовой линии наружных винтовых зубьев 10 ротора 9 равен расстоянию по соосной поверхности между двумя положениями точки, образующей линию винтового зуба 10 ротора 9, соответствующему ее полному обороту вокруг центральной продольной оси 11 ротора 9, показано, например, в ГОСТ 16530-83, стр. 17.
Число винтовых зубьев 3 в обкладке 2 из эластомера внутри трубчатого корпуса 1 равно 7, направление винтовых зубьев 3 в обкладке 2 из эластомера - левое, ход винтовой линии зубьев 3 в обкладке 2 из эластомера равен 700 мм.
Число наружных зубьев 10 ротора 9 равно 6, направление наружных винтовых зубьев 10 ротора 9 - левое, ход винтовой линии наружных зубьев 10 ротора 9 равен 600 мм.
Твердость обкладки 2 из резины марки R1 (DE) составляет 75±3 ед. Шор А.
Гидравлический забойный двигатель (вариант 2) содержит статор, выполненный, например, согласно патенту RU 2652725 С1, 28.04.2018, с одинаковой толщиной обкладки из эластомера (R-Wall), представляющий собой трубчатый корпус 15 с внутренней поверхностью 16, выполненной в форме геликоида, по существу, с внутренними винтовыми зубьями 17, на входном по потоку текучей среды 4 краю 18 трубчатого корпуса 15 выполнена внутренняя коническая трубная резьба 19, например, РКТ154х6,35х1:9,6 СТП 001-2007, на выходном по потоку текучей среды 4 краю 20 трубчатого корпуса 1 выполнена внутренняя коническая трубная резьба 21, например, РКТ 154x6,35x1:9,6 СТП 001-2007, а также содержит закрепленную в трубчатом корпусе 15 обкладку 22 из эластомера, например, из резины марки R1 (DE), прилегающую к внутренней поверхности 16 трубчатого корпуса 15, при этом обкладка 16 из эластомера выполнена с внутренними винтовыми зубьями 23 и совпадает по форме с внутренними винтовыми зубьями 17 в трубчатом корпусе 15, а толщина 24 обкладки 16 является максимальной на ее зубьях 23, радиально направленных внутрь, по сравнению с толщиной 25 впадин 26 вдоль внутренней винтовой поверхности 23 упомянутой обкладки 22 из эластомера, а также содержит расположенный внутри статора ротор 27 с наружными винтовыми зубьями 28, число которых на единицу меньше числа зубьев 23 обкладки 22, ходы винтовых зубьев 23 обкладки 22 и винтовых зубьев 28 ротора 27 пропорциональны их числам зубьев (не показаны), а центральная продольная ось 29 ротора 27 и центральная продольная ось 30 обкладки 22 смещены между собой на величину эксцентриситета 31, при этом поз. 32 - перемещающиеся по потоку текучей среды 4 (бурового раствора) изолированные винтовые камеры между зубьями 28 ротора 27 и зубьями 23 в обкладке 22 из эластомера, изображено на фиг. 5, 7.
Гидравлический забойный двигатель содержит во входной по потоку текучей среды 4 (бурового раствора) части 18 внутри трубчатого корпуса 15 демпферную полость 33, расположенную ниже по потоку 4 от края 34 внутренних винтовых зубьев 16 трубчатого корпуса 15, направленного против потока 4, выполненную в виде кольцевой канавки 35 (проточки) внутри трубчатого корпуса 15, примыкающей к боковым поверхностям 36 и 37 внутренних винтовых зубьев 16 трубчатого корпуса 15, образованным упомянутой кольцевой канавкой 35, изображено на фиг. 5, 6.
Обкладка 22 из эластомера содержит в упомянутой демпферной полости 33 входной демпфер 38 из эластомера с собственными внутренними винтовыми зубьями 39, примыкающими к внутренним винтовым зубьям 23 обкладки 22 из эластомера, прилегающий к поверхности демпферной полости 33, по существу, кольцевой канаки 35, внутри входной по потоку 4 части 18 трубчатого корпуса 15, с возможностью скрепления с обкладкой 22 из эластомера, а также с поверхностью демпферной полости 33, по существу, кольцевой канавки 35, и боковыми поверхностями, соответственно, 36 и 37 внутренних винтовых зубьев 16 трубчатого корпуса 15, образованными упомянутой кольцевой канавкой 35 и боковыми поверхностями, соответственно, 36 и 37 внутренних винтовых зубьев 16 трубчатого корпуса 15, изображено на фиг. 5, 6.
Ниже по потоку 4 от края 40 внутренних винтовых зубьев 16 трубчатого корпуса 15 в выходной по потоку 4 части 20 трубчатого корпуса 15 обкладка 22 из эластомера содержит выходной демпфер 41 из эластомера с собственными внутренними винтовыми зубьями 42, примыкающими к внутренним винтовым зубьям 23 обкладки 22 из эластомера, имеющий поверхность 43 (в виде внутренней кольцевой фаски) в выходной по потоку 4 части 20 трубчатого корпуса 1 с возможностью скрепления с обкладкой 22 из эластомера и внутренней поверхностью 44 выходной по потоку 4 части 20 трубчатого корпуса 15, изображено на фиг. 5, 8.
Число внутренних винтовых зубьев 16 трубчатого корпуса 15, а также внутренних винтовых зубьев 23 в обкладке 22 из эластомера равно 7, направление внутренних винтовых зубьев 16 трубчатого корпуса 15, а также внутренних винтовых зубьев 23 в обкладке 22 из эластомера - левое, ход винтовой линии внутренних винтовых зубьев 16 трубчатого корпуса 15, а также внутренних винтовых зубьев 23 в обкладке 22 из эластомера внутри трубчатого корпуса 15 равен 700 мм.
Ход винтовой линии внутренних винтовых зубьев 16 трубчатого корпуса 15, а также внутренних винтовых зубьев 23 обкладке 22 из эластомера внутри трубчатого корпуса 15 равен расстоянию по соосной поверхности между двумя положениями точки, образующей линию внутреннего винтового зуба 16 трубчатого корпуса 15, а также линию внутреннего винтового зуба 23 в обкладке 22 из эластомера, соответствующему ее полному обороту вокруг центральной продольной оси 30 трубчатого корпуса 15, показано, например, в ГОСТ 16530-83, стр. 17.
Твердость обкладки 22, входного демпфера 38 и выходного демпфера 41 из резины марки R1 (DE) составляет 75±3 ед. Шор А.
Кроме того, поз. 45 - перемещающиеся по потоку текучей среды 4 (бурового раствора) винтовые камеры между зубьями 28 ротора 27 и зубьями 39 входного демпфера 38 из эластомера, поз.46 перемещающиеся по потоку текучей среды 4 винтовые камеры между зубьями 28 ротора 27 и зубьями 42 выходного демпфера 41 из эластомера, изображено на фиг. 5, 6, 8.
Для гидравлического забойного двигателя (вариант 1):
Поперечные сечения наружных винтовых зубьев 10 на краю 47 ротора 9 очерчены уменьшающимся в направлении ближнего торца 48 ротора 9 эквидистантным профилем, выполненным с возможностью смещения каждой точки 49 профиля в радиальном направлении по вектору 50, соединяющему каждую точку 49 профиля с центральной продольной осью 11 ротора 9 (с началом координат), изображено на фиг. 1, 2, 9.
Поперечные сечения наружных винтовых зубьев 10 на краю 51 ротора 9 очерчены уменьшающимся в направлении ближнего торца 52 ротора 9 эквидистантным профилем (изображен вариант выполнения выходного края ротора 9 с диаметром, равным диаметру зубьев 10 ротора 9), выполненным с возможностью смещения каждой точки 53 профиля в радиальном направлении по вектору 54, соединяющему каждую точку 53 профиля с центральной продольной осью 11 ротора 9 (с началом координат), при этом поз.55 - выходная часть наружных винтовых зубьев 10 на краю 51 ротора 9, изображено на фиг. 1, 4, 9.
Длина L, 56 каждого участка наружных винтовых зубьев 50 и 54 на краях, соответственно, 47 и 51 ротора 9, очерченного уменьшающимся в направлении ближнего торца, соответственно, 48 и 52, ротора 9 эквидистантным профилем, и радиус R, 57 наружной поверхности ротора 9 на длине 58 между упомянутыми участками 47 и 51 связаны соотношением: L, 56=(3,55÷5,55)R, 57, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4.
Для гидравлического забойного двигателя (вариант 2):
Поперечные сечения наружных винтовых зубьев 28 на краю 47 ротора 27 очерчены уменьшающимся в направлении ближнего торца 48 ротора 27 эквидистантным профилем, выполненным с возможностью смещения каждой точки 59 профиля в радиальном направлении по вектору 50, соединяющему каждую точку 59 профиля с центральной продольной осью 29 ротора 27 (с началом координат), изображено на фиг. 5, 6, 9.
Поперечные сечения наружных винтовых зубьев 28 на краю 51 ротора 27 очерчены уменьшающимся в направлении ближнего торца 52 ротора 27 эквидистантным профилем (изображен вариант выполнения выходного края ротора 27 с диаметром, равным диаметру зубьев 28 ротора 27), выполненным с возможностью смещения каждой точки 60 профиля в радиальном направлении по вектору 54, соединяющему каждую точку 60 профиля с центральной продольной осью 29 ротора 27 (с началом координат), при этом поз.55 - выходная часть наружных винтовых зубьев 28 на краю 51 ротора 27 изображено на фиг. 5, 8, 9.
Длина L, 56 каждого участка наружных винтовых зубьев 10 на краях 47 и 51 ротора 9, очерченного уменьшающимся в направлении ближнего торца, соответственно, 48 и 52, ротора 27 эквидистантным профилем, а также длина L, 56 каждого участка наружных винтовых зубьев 28 на краях 47 и 51 ротора 27, очерченного уменьшающимся в направлении ближнего торца, соответственно, 48 и 52, ротора 27 эквидистантным профилем, и радиус R, 57 наружной поверхности ротора 27 на длине 58 между упомянутыми участками 47 и 51 связаны соотношением: L (56)=(3,55÷5,55)R (57), изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.
Нарезание винтовых зубьев 10, 28 роторов 9, 27 (отличающихся только натягом рабочей пары в обкладке статора) осуществляют на станках с программным управлением австрийской фирмы "Weingartner".
Для гидравлического забойного двигателя (вариант 1):
т
т
т
т
с
т
т
т
с
Радиус R, 50 каждой точки 49 профиля наружной поверхности ротора 9 на длине участка L, 56 на краю 47 ротора 9 и радиус R, 54 каждой точки 53 профиля наружной поверхности ротора 9 на длине участка L, 56 на краю 51 ротора 9, на которых поперечные сечения наружных винтовых зубьев 10 очерчены уменьшающимся в направлении ближнего торца 48 и, соответственно, 52 ротора 9 эквидистантным профилем, выполненным с возможностью смещения каждой точки 49 и, соответственно, 53 профиля в радиальном направлении (к началу координат, по существу - к центральной продольной оси 11 ротора 9) по вектору R, 50, соединяющему каждую точку 49 профиля с центральной продольной осью 11 ротора 9, а также по вектору R, 54, соединяющему каждую точку 53 профиля с центральной продольной осью 11 ротора 9, и радиус R, 61 каждой точки 62 профиля наружной поверхности ротора 9 на длине 58 между упомянутыми участками L, 56, соответствующий каждой точке 49, 53 профиля на длине каждого участка L, 56, на краях 47 и, соответственно, 51 ротора 9, по вектору R, 50 и, соответственно, по вектору R, 54 соединяющему каждую точку 49 и, соответственно, 53 профиля с центральной продольной осью 11 ротора 9, связаны соотношением: R(50, 54)=(0,85÷0,98)R (61), изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 9.
Для гидравлического забойного двигателя (вариант 2):
т
т
т
т
с
т
т
т
с
Радиус R, 50 каждой точки 59 профиля наружной поверхности ротора 27 на длине участка L, 56 на краю 47 ротора 27 и радиус R, 54 каждой точки 60 профиля наружной поверхности ротора 27 на длине участка L, 56 на краю 51 ротора 27, на которых поперечные сечения наружных винтовых зубьев 28 очерчены уменьшающимся в направлении ближнего торца 48 и, соответственно, 52 ротора 27 эквидистантным профилем, выполненным с возможностью смещения каждой точки 59 и, соответственно, 60 профиля в радиальном направлении (к началу координат, по существу - к центральной продольной оси 29 ротора 27) по вектору R, 50, соединяющему каждую точку 59 профиля с центральной продольной осью 29 ротора 27, а также по вектору R, 54, соединяющему каждую точку 60 профиля с центральной продольной осью 29 ротора 27 и радиус R, 63 каждой точки 64 профиля наружной поверхности ротора 27 на длине 58 между упомянутыми участками L, 56, соответствующий каждой точке 59, 60 профиля на длине каждого участка L, 56, на краях 47 и, соответственно, 51 ротора 27, по вектору R, 50 и, соответственно, по вектору R, 54 соединяющему каждую точку 59 и, соответственно, 60 профиля с центральной продольной осью 29 ротора 27, связаны соотношением: R(50, 54)=(0,85÷0,98)R (63), изображено на фиг. 5, 6, 7, 8, 9.
Гидравлический забойный двигатель (вариант 1) содержит во входной по потоку 4 части 5 трубчатого корпуса 1 с закрепленной в нем обкладкой 2 из эластомера пояс 65 пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки 66 трубчатого корпуса 1 уменьшенной толщиной 67, расположенный между краем 68 обкладки 2 из эластомера, направленным против потока 4, и полным последним витком 69 внутренней резьбы 6 во входной по потоку 4 части 5 трубчатого корпуса 1, а в выходной по потоку 4 части 7 трубчатого корпуса 1 содержит пояс 70 пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки 66 трубчатого корпуса уменьшенной толщиной 71, расположенный между краем 72 обкладки 2 из эластомера, направленным по потоку 4, и полным последним витком 73 внутренней резьбы 8 в выходной по потоку 4 части 7 трубчатого корпуса 1, при этом отношение уменьшенной толщины 67, 71 стенок 66 трубчатого корпуса 1 во входной по потоку 4 части 5 трубчатого корпуса 1, а также в выходной по потоку 4 части 7 трубчатого корпуса 1 к наружному диаметру 74 трубчатого корпуса 1 составляет 0,05÷0,09, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4.
Гидравлический забойный двигатель (вариант 2) содержит во входной по потоку 4 части 18 трубчатого корпуса 15 с закрепленным в нем входным демпфером 38, обкладкой 22 и выходным демпфером 41, все из эластомера, пояс 75 пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки 76 трубчатого корпуса 15 уменьшенной толщиной 77, расположенный между краем 78 обкладки 22, включающей входной демпфер 38 из эластомера, направленным против потока 4, и полным последним витком 79 внутренней резьбы 19 во входной по потоку 4 части 18 трубчатого корпуса 15, а в выходной по потоку 4 части 20 трубчатого корпуса 15 содержит пояс 80 пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки 76 трубчатого корпуса 15 уменьшенной толщиной 81, расположенный между краем 82 обкладки 2 из эластомера, направленным по потоку 4, и полным последним витком 83 внутренней резьбы 21 в выходной по потоку 4 части 20 трубчатого корпуса 15, при этом отношение уменьшенной толщины 77, 81 стенок 76 трубчатого корпуса 15 во входной по потоку 4 части 18 трубчатого корпуса 15, а также в выходной по потоку 4 части 20 трубчатого корпуса 15 к наружному диаметру 84 трубчатого корпуса 1 составляет 0,05÷0,09, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4.
В современных системах направленного бурения обычно используется бурильная колонна, содержащая расположенное на забое долото, которое вращается двигателем объемного действия (забойным), при этом гидравлический забойный двигатель включает силовую секцию, содержащую статор, и ротор, размещенный в этом статоре.
Статор включает металлический трубчатый корпус, содержащий внутри обкладку из эластомера, имеющую винтовой профиль зубьев.
Ротор имеет спиральный профиль с винтовыми зубьями, выполненными из металла.
Текучая среда (буровой раствор) закачивается под давлением в перемещающиеся изолированные полости, образованные между винтовыми зубьями ротора и обкладки из эластомера в статоре.
Усилие, оказываемое буровым раствором, закачиваемым под давлением в перемещающиеся изолированные полости, вынуждает ротор прижиматься к обкладке из эластомера и вращаться, совершая движение планетарного типа.
При этом крутящий момент на роторе двигателя, соединенном с карданным валом, шпинделем и долотом, создается в направлении, противоположном планетарному вращению ротора внутри обкладки из эластомера в статоре.
Обкладка из эластомера в статоре обеспечивает уплотнение между винтовыми зубьями статора и ротора, а также опору для ротора и находится под высокой нагрузкой во время работы гидравлического забойного двигателя.
Эксплуатацию гидравлического забойного двигателя (вариант 1) осуществляют следующим образом:
Гидравлический забойный двигатель, содержащий статор, представляющий собой трубчатый корпус 1 с закрепленной в нем обкладкой 2 из эластомера, с внутренними винтовыми зубьями 3, на входном по потоку текучей среды 4 краю 5 трубчатого корпуса 1 выполнена внутренняя коническая трубная резьба 6, например, РКТ154x6,35x1:9,6 СТП 001-2007, на выходном по потоку текучей среды 4 краю 7 трубчатого корпуса 1 выполнена внутренняя коническая трубная резьба 8, например, РКТ154x6,3 5x1:9,6 СТП 001-2007, а также расположенный внутри статора ротор 9 с наружными винтовыми зубьями 10, число которых на единицу меньше числа зубьев 3 обкладки 2, ходы винтовых зубьев 3 обкладки 2 и винтовых зубьев 10 ротора 9 пропорциональны их числам зубьев (не показаны), а центральная продольная ось 11 ротора 9 и центральная продольная ось 12 обкладки 2 смещены между собой на величину эксцентриситета 13, при этом поз. 14 - перемещающиеся по потоку текучей среды 4 (бурового раствора) изолированные винтовые камеры между зубьями 10 ротора 9 и зубьями 3 в обкладке 2 из эластомера, входит в модуль двигательной секции гидравлического забойного двигателя для направленного бурения нефтяных скважин, включающего карданный вал, шпиндельную секцию, регулятор угла перекоса между двигательной и шпиндельной секциями, и долото (не изображенные).
Винтовые зубья 102 на наружной поверхности ротора 9 выполняют левого вращения для осуществления левого планетарно-роторного вращения ротора 9 внутри обкладки 2 из эластомера, закрепленной в трубчатом корпусе 1.
3
Рабочая пара ротор-обкладка из эластомера в статоре находится в напряженных условиях работы (при бурении в твердых породах): при наличии в рабочей паре между ротором 9 и обкладкой 2 трубчатого корпуса 3 необходимого натяга контактное давление составляет 2,5÷3 МПа, скорость скольжения составляет 0,5÷2,5 м/с, гидростатическое давление может достигать 50 МПа, а момент силы на выходном валу в режиме максимальной мощности может достигать 30 кН⋅м, причем в условиях высокой турбулентности бурового раствора, который имеет плотность до 1500 кг/м, содержит до 2% песка и до 5% нефтепродуктов.
Гидравлический забойный двигатель для бурения направленных нефтяных скважин работает следующим образом: поток бурового раствора 4 под давлением, например, 25÷35 МПа по колонне бурильных труб подается в многозаходные винтовые камеры 14 между зубьями 10 ротора 9 и зубьями 3 обкладки 2 из эластомера, закрепленной внутри трубчатого корпуса 1, образует область высокого давления и вращающий момент от гидравлических сил, который приводит в планетарно-роторное вращение ротор 9 внутри обкладки 9 из эластомера, закрепленной в трубчатом корпусе 1.
3
Многозаходные винтовые камеры 14 между зубьями 10 ротора 9 и зубьями 10 обкладки 9 из эластомера, закрепленной внутри трубчатого корпуса 1, имеют переменный объем и периодически перемещаются по потоку текучей среды - бурового раствора 4, который имеет плотность до 1500 кг/м, содержит до 2% песка и до 10% нефтепродуктов.
Планетарно-роторное вращение (левое) ротора 9 внутри обкладки 2 из эластомера, закрепленной внутри трубчатого корпуса 1, осуществляет передачу вращающего момента вправо через приводной (карданный) вал, вал шпиндельной секции, на долото, закрепленное в муфтовой резьбе вала шпиндельной секции (не изображенные), осуществляя направленное бурение скважины.
-1
В режиме максимальной мощности частота вращения вала шпиндельной секции и долота составляет, например, (1,8÷2,5)с; момент силы на валу шпиндельной секции составляет (9÷14)кН⋅м; перепад давления (межвиткового, на зубьях обкладки 2 из эластомера в корпуса 1) в режиме максимальной мощности составляет 17÷28 МПа; максимальная осевая нагрузка (на долото) составляет 250 кН.
Винтовые обкладки 2 из эластомера, закрепленной внутри трубчатого корпуса 1, подвергаются сложной деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора 9 внутри обкладки 2 из эластомера, закрепленной в трубчатом корпусе 1.
Вследствие особенности работы гидравлического забойного двигателя по краям обкладки 2 из эластомера в корпусе 1 статора вырабатывается и сохраняется повышенное количество тепла от действия перекашивающих моментов ротора 9 при его планетарно-роторном вращении внутри зубьев 3 обкладки 2 из эластомера в корпусе 1 статора в режиме максимальной мощности.
Вследствие другой особенности работы гидравлического забойного двигателя при бурении наклонных и горизонтальных интервалов скважин по краям обкладки 2 из эластомера в корпусе 1 статора вырабатывается и сохраняется повышенное количество тепла вследствие изгиба трубчатого корпуса 1 двигателя при прохождении через радиусные интервалы ствола скважины, имеющие участки малого и среднего радиуса 30÷300 м, в условиях интенсивного трения по стволу скважины.
В заявляемой конструкции за счет того, что поперечные сечения наружных винтовых зубьев 10 на краю 47 ротора 9 очерчены уменьшающимся в направлении ближнего торца 48 ротора 9 эквидистантным профилем, выполненным с возможностью смещения каждой точки 49 профиля в радиальном направлении по вектору 50, соединяющему каждую точку 49 профиля с центральной продольной осью 11 ротора 9 (с началом координат), при этом поперечные сечения наружных винтовых зубьев 10 на краю 51 ротора 9 очерчены уменьшающимся в направлении ближнего торца 52 ротора 9 эквидистантным профилем (изображен вариант выполнения выходного края ротора 9 с диаметром, равным диаметру зубьев 10 ротора 9), выполненным с возможностью смещения каждой точки 53 профиля в радиальном направлении по вектору 54, соединяющему каждую точку 53 профиля с центральной продольной осью 11 ротора 9 (с началом координат), обеспечивается повышение ресурса и надежности гидравлического забойного двигателя для бурения нефтяных скважин путем предотвращения растрескивания, отслоения и вырывов кусков обкладки 2 из эластомера в корпусе 1 статора по краям L, 56 обкладки 2 из эластомера, по существу, на участках, где вырабатывается и сохраняется повышенное количество тепла от действия перекашивающих моментов ротора 9 при планетарно-роторном вращении ротора 9 внутри зубьев 3 обкладки 2 из эластомера в корпусе 1 статора, что позволяет уменьшить напряжения по краям L, 56 обкладки из эластомера в корпусе 1 статора при знакопеременном изгибе с вращением и многократном сжатии.
т
т
т
т
с
т
т
т
с
3
В заявляемой конструкции за счет того, что длина L, 56 каждого участка наружных винтовых зубьев 50 и 54 на краях, соответственно, 47 и 51 ротора 9, очерченного уменьшающимся в направлении ближнего торца, соответственно, 48 и 52, ротора 9 эквидистантным профилем, и радиус R, 57 наружной поверхности ротора 9 на длине 58 между упомянутыми участками 47 и 51 связаны соотношением: L, 56=(3,55÷5,55)R, 57, при этом радиус R, 50 каждой точки 49 профиля наружной поверхности ротора 9 на длине участка L, 56 на краю 47 ротора 9 и радиус R, 54 каждой точки 53 профиля наружной поверхности ротора 9 на длине участка L, 56 на краю 51 ротора 9, на которых поперечные сечения наружных винтовых зубьев 10 очерчены уменьшающимся в направлении ближнего торца 48 и, соответственно, 52 ротора 9 эквидистантным профилем, выполненным с возможностью смещения каждой точки 49 и, соответственно, 53 профиля в радиальном направлении (к началу координат, по существу - к центральной продольной оси 11 ротора 9) по вектору R, 50, соединяющему каждую точку 49 профиля с центральной продольной осью 11 ротора 9, а также по вектору R, 54, соединяющему каждую точку 53 профиля с центральной продольной осью 11 ротора 9, и радиус R, 61 каждой точки 62 профиля наружной поверхности ротора 9 на длине 58 между упомянутыми участками L, 56, соответствующий каждой точке 49, 53 профиля на длине каждого участка L, 56, на краях 47 и, соответственно, 51 ротора 9, по вектору R, 50 и, соответственно, по вектору R, 54 соединяющему каждую точку 49 и, соответственно, 53 профиля с центральной продольной осью 11 ротора 9, связаны соотношением: R (50, 54)=(0,85÷0,98)R (61), обеспечиваются лучшие свойства эластомера в конструкции, по существу, усталостная выносливость при знакопеременном изгибе с вращением (ГОСТ 10952-75), остаточная деформация и усталостная выносливость при многократном сжатии (ГОСТ 20418-75), температурный предел хрупкости (ГОСТ 7912-74), истирание при скольжении (ГОСТ 426-77), за счет этого обеспечивается повышение ресурса и надежности гидравлического забойного двигателя в условиях высокой турбулентности бурового раствора, который имеет плотность до 1500 кг/м, содержит до 2% песка и до 10% нефтепродуктов, при этом предотвращается закупорка промывочного узла бурового долота и устраняется основной отказ компоновки низа бурильной колонны при бурении скважин по причине - "резина в долоте", вследствие этого требуемый интервал скважины может быть добурен до конца, повышается наработка на отказ, обеспечиваются экономические преимущества заявляемой конструкции.
В заявляемой конструкции за счет того, что гидравлический забойный двигатель содержит во входной по потоку 4 части 5 трубчатого корпуса 1 с закрепленном в нем обкладкой 2 из эластомера пояс 65 пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки 66 трубчатого корпуса 1 уменьшенной толщиной 67, расположенный между краем 68 обкладки 2 из эластомера, направленным против потока 4, и полным последним витком 69 внутренней резьбы 6 во входной по потоку 4 части 5 трубчатого корпуса 1, а в выходной по потоку 4 части 7 трубчатого корпуса 1 содержит пояс 70 пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки 66 трубчатого корпуса уменьшенной толщиной 71, расположенный между краем 72 обкладки 2 из эластомера, направленным по потоку 4, и полным последним витком 73 внутренней резьбы 8 в выходной по потоку 4 части 7 трубчатого корпуса 1, при этом отношение уменьшенной толщины 67, 71 стенок 66 трубчатого корпуса 1 во входной по потоку 4 части 5 трубчатого корпуса 1, а также в выходной по потоку 4 части 7 трубчатого корпуса 1 к наружному диаметру 74 трубчатого корпуса 1 составляет 0,05÷0,09, повышается точность проходки наклонных и горизонтальных скважин, темп набора параметров кривизны скважин, а также улучшается проходимость, т.е. уменьшаются сопротивления и напряжения компоновки низа бурильной колонны путем изгиба корпуса двигателя при прохождении через радиусные интервалы ствола скважины в условиях интенсивного трения по стволу скважины, а также снижается вероятность образования усталостных трещин по краям корпуса при наработке ресурса.
Использование гидравлического забойного двигателя для бурения нефтяных скважин повышает его ресурс и надежность путем уменьшения напряжений по краям обкладки при знакопеременном изгибе с вращением и многократном сжатии, за счет этого предотвращаются растрескивания, отслоения и вырывы кусков обкладки из эластомера в корпусе статора по краям обкладки, где вырабатывается и сохраняется повышенное количество тепла от действия перекашивающих моментов ротора при планетарно-роторном вращении ротора внутри обкладки в корпусе статора, а также предотвращается закупорка промывочного узла бурового долота, вследствие этого требуемый интервал скважины может быть добурен до конца, обеспечиваются экономические преимущества при направленном бурении скважин.
Использование гидравлического забойного двигателя повышает также точность проходки при бурении направленных скважин, темп набора параметров кривизны скважин, а также улучшает проходимость, т.е. уменьшает сопротивления и напряжения в компоновке низа бурильной колонны за счет уменьшения жесткости корпуса, обеспечения изгиба корпуса при прохождении через радиусные интервалы ствола скважины в условиях интенсивного трения по стволу скважины, а также снижает вероятность образования усталостных трещин по краям корпуса.