Результат интеллектуальной деятельности: ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

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, а корпус статора выполнен в виде монолитного жесткого трубчатого элемента, имеющего цилиндрическую внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, а также имеющую винтовые зубья, при этом упомянутый механизм содержит гибкий слой, выполненный из эластомера, имеющий равномерную толщину на внутренней поверхности корпуса (US 2005/0079083 А1, 14.04.2005).

В известном гидравлическом механизме гибкий слой из эластомера, имеющий равномерную толщину, подвергается деформации и изгибу при планетарно-роторной обкатке ротора внутри статора, что приводит к образованию на выступах и впадинах зубьев зон, отличающихся друг от друга величинами контактного давления, сдвиговой прочности, твердости (упругости) и теплопроводности.

Температура внутри эластомерной обкладки может повышаться, например, до 60°С, а увеличение натяга в рабочей паре может составлять до 0,05 мм на диаметр на каждые 10°С повышения температуры.

Недостатком известной конструкции является неполное использование возможности повышения надежности и ресурса винтового гидравлического механизма при его использовании в винтовом забойном двигателе, а также повышения 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 из обкладки к потоку бурового раствора внутри корпуса, а также сквозь стенки корпуса к потоку бурового раствора в затрубном пространстве, образованию в центрах профиля эластомерной обкладки зон деструкции материала от воздействия градиента температуры и увеличению натяга в рабочей паре.

В результате центр профиля становится менее гибким (хрупким и ломким), механические свойства эластомера, например, 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 могут деформироваться, растрескиваться и отрываться от корпуса.

Известен статор винтового героторного гидравлического насоса или двигателя, содержащий корпус с внутренней поверхностью, выполненной с внутренними винтовыми зубьями, закрепленные в корпусе охватываемую и охватывающую обкладки из эластомера, при этом охватываемая обкладка выполнена с внутренними винтовыми зубьями, предназначенными для размещения ротора, имеющего наружную поверхность с винтовыми зубьями, охватывающая обкладка скреплена с охватываемой обкладкой и с внутренней поверхностью корпуса, а число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев корпуса (US 6881045 А, 23.12.2004).

Известный гидравлический механизм содержит гибкий слой из эластомера, имеющий равномерную толщину, что приводит к образованию 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.

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 в затрубном пространстве, образованию в центрах профиля эластомерной обкладки зон деструкции материала от воздействия градиента температуры и увеличению натяга в рабочей паре.

В результате центр профиля становится менее гибким (хрупким и ломким), механические свойства эластомера, например, 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 могут деформироваться, растрескиваться и отрываться от корпуса.

Недостатком известной конструкции является также низкая прочность корпуса статора и потеря его устойчивости при осевой нагрузке на долото и вследствие релаксации растягивающих напряжений от работы гидравлического яса в составе компоновки низа бурильной колонны (КНБК) в скважине, например, при прохождении через радиусные интервалы ствола скважины, что объясняется тем, что он выполнен составным: из корпуса - гладкой трубы, охватываемой и охватывающей обкладок из эластомера, выполненных с внутренними винтовыми зубьями.

Эластомерную охватываемую обкладку равномерной толщины выполняют из материала, например, Ultra-Flex 114, а дополнительную охватывающую обкладку с внутренней поверхностью в форме геликоида, с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, выполняют из более твердого и прочного материала.

При этом известный статор при использовании его в винтовом забойном двигателе не обеспечивает существенных преимуществ, например, максимального темпа набора кривизны вследствие разрушения корпуса, например, при прохождении через радиусные интервалы ствола скважины и бурении бокового ствола скважины с ударными нагрузками и ударными импульсами от работы гидравлического яса, а также вследствие релаксации растягивающих напряжений в изогнутой колонне бурильных труб, в которой установлен статор забойного двигателя.

Недостатки известного статора объясняются также циклическим нагружением винтовых зубьев, выполненных из эластомеров разной сдвиговой прочности, твердости и теплопроводности, которые подвергаются деформации и изгибу при планетарно-роторной обкатке ротора внутри статора, что приводит к выделению тепла внутри материала зубьев, нарушению натяга в рабочей паре, растрескиванию, отслоению и вырывам кусков обкладки из эластомера, а также к расслоению между эластомерными обкладками.

При этом температура внутри эластомерной обкладки может повышаться, например, до 85°С, а увеличение натяга в рабочей паре может составлять 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.

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, например, 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 (US 6604921 В1, 14.04.2005).

Недостатком известной конструкции является неполное использование возможности повышения надежности и ресурса винтового забойного двигателя, максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и усталостной выносливости (ресурса) эластомерной обкладки - не менее 100 тысяч циклов.

Так как эластомер характеризуется высокими изоляционными свойствами, он задерживает передачу тепла в большей степени вдоль выступов винтовых зубьев по сравнению с впадинами этих винтовых зубьев.

Температура внутри обкладки из эластомера может повышаться, например, до 85°С, а увеличение натяга в рабочей паре может составлять 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 известного статора для винтовой героторной гидромашины объясняются неполным использованием возможности 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-роторной обкатке ротора внутри статора, что приводит к повышенному градиенту температуры при выделении тепла внутри материала зубьев и нарушению натяга в рабочей паре, к ухудшению отвода внутреннего тепла из эластомерной обкладки к потоку бурового раствора внутри корпуса, а также сквозь стенки наружной трубы к буровому раствору в затрубном пространстве.

Из-за внутреннего тепла, образуемого в центрах зубьев обкладки из эластомера, происходит вторичная полимеризация: молекулярная сшивка эластомера (резины), что приводит к деструкции материала, вследствие этого центр профиля обкладки становится негибким (хрупким и ломким), механические свойства эластомера на этих участках значительно ухудшаются, при этом давление, действующее в камерах между ротором и статором, может превысить предел сдвиговой прочности эластомера, вершины обкладки растрескиваются и деформируются, а обкладка отрывается от корпуса статора.

Наиболее близким к заявляемой конструкции является статор винтовой героторной гидромашины, 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).

Основные преимущества известного статора с равномерной 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).

Недостатком известной конструкции является неполная возможность повышения надежности и ресурса статора винтовой героторной гидромашины при использовании в гидравлическом забойном двигателе для бурения нефтяных скважин вследствие негативного влияния погрешностей изготовления по кривизне и толщине обкладки из эластомера в статоре на работу двигателя, а вследствие этого - неполная возможность повышения усталостной выносливости, абразивной стойкости, упругости и герметичности уплотнения рабочей пары: ротор-обкладка из эластомера в статоре, преимущественно при изготовлении статоров с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall) длиной 5000÷7000 мм.

Неполная возможность увеличения надежности и ресурса объясняется возможностью появления дефектов в известной конструкции, в которой статор выполнен с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall): растрескивание, отслоение, а также вырывы кусков обкладки из эластомера (резины) по краям - во входной и выходной по потоку частях обкладки из эластомера в статоре, а также в местах минимальной толщины обкладки из эластомера в напряженных условиях работы: 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 кНм, причем в условиях высокой турбулентности бурового раствора, который имеет плотность до 1500 кг/м³, содержит до 2% песка и до 5% нефтепродуктов, что приводит к прекращению циркуляции, при этом основная причина отказа в компоновке низа бурильной колонны, в которой установлена двигательная секция со шпинделем и долотом - "резина в долоте".

Для обкладки статора допустимое отклонение от прямолинейности составляет, например, 0,15÷0,25 мм на 1000 мм длины обкладки статора, при отклонении от прямолинейности оси обкладки статора, например, более 0,55 мм на 1000 мм длины обкладки или при отклонении от прямолинейности оси обкладки статора более 3,85 мм на длине обкладки статора, равной 5600 мм, двигатель в скважине не запускается или не развивает момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности.

Развитию упомянутых дефектов способствуют высокие рабочие перепады давления, внутреннее выделение тепла в материале эластомера - обкладки статора, торможение рабочей пары при работе, высокий натяг в рабочей паре.

Увеличение длины секции рабочих пар позволяет значительно снизить уровень контактных нагрузок в зацеплении рабочей пары и предотвратить преждевременное разрушение обкладки из эластомера по краям и местах минимальной толщины обкладки изогнутого статора, по существу, в местах максимального прогиба под действие силы тяжести сердечника пресс-формы, имеющего многозаходные винтовые зубья, длиной 5000÷7000 мм.

Одновременно повышаются энергетические характеристики двигателя, надежность и ресурс. Однако увеличение длины рабочих пар ротор-статор ухудшает проходимость компоновки низа бурильной колонны при прохождении через радиусные интервалы ствола скважины при бурении боковых стволов.

В известном гидравлическом механизме гибкий слой из эластомера, имеющий равномерную толщину, подвергается деформации и изгибу при планетарно-роторной обкатке ротора внутри статора, что приводит к образованию на выступах и впадинах зубьев зон, отличающихся друг от друга величинами контактного давления, сдвиговой прочности, твердости (упругости) и теплопроводности.

Вследствие особенности работы героторных механизмов винтовых гидромашин, по краям обкладки из эластомера вырабатывается и сохраняется дополнительное количество внутреннего тепла внутри зубьев обкладки статора из эластомера от воздействия перекашивающих моментов, действующих по краям ротора, при планетарно-роторной обкатке ротора внутри зубьев обкладки статора.

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 растрескиваются, деформируются и 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).

Другим недостатком известной конструкции является неполная возможность увеличения надежности и ресурса за счет обеспечения равнопрочных и герметичных резьбовых соединений трубчатого корпуса статора с переводником и/или переходником в условиях интенсивного трения и вращения в стволе скважины, с использованием в колонне бурильных труб гидравлического яса, с ударными нагрузками и ударными импульсами от яса, а также при релаксации растягивающих напряжений в изогнутой колонне бурильных труб, в которой установлен статор винтовой героторной гидромашины.

Упомянутый недостаток известной конструкции объясняется повышенной жесткостью 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 резьбовых соединений трубчатого корпуса при использовании в горизонтальных управляемых компоновках низа бурильной колонны, в интервалах изменения кривизны наклонной скважины, преимущественно в режиме максимальной мощности.

Вследствие повышенной жесткости трубчатого корпуса не полностью обеспечивается возможность повышения точности проходки наклонных и горизонтальных 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 забойного двигателя при прохождении через радиусные интервалы ствола скважины.

Технический результат, который обеспечивается изобретением, заключается в повышении надежности и ресурса гидравлического забойного двигателя, в котором трубчатый корпус выполнен с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall), путем устранения негативного влияния погрешностей изготовления по кривизне и толщине обкладки из эластомера в корпусе на работу двигателя, за счет выполнения в средней части трубчатого корпуса трех резьбовых отверстий, равнорасположенных по окружности в поперечном сечении трубчатого корпуса и на расстоянии друг относительно друга вдоль центральной продольной оси трубчатого корпуса с возможностью симметричного расположения каждого из резьбовых отверстий относительно профиля внутреннего винтового зуба в трубчатом корпусе, по существу, за счет центрирования сердечника пресс-формы упорными винтами в упомянутых резьбовых отверстиях в винтовых зубьях трубчатого корпуса при изготовлении обкладки из эластомера.

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 при использовании в гидравлическом забойном двигателе за счет уменьшения жесткости трубчатого корпуса - выполнения стенки корпуса во входной, выходной и в средней части корпуса поясов пониженной жесткости, характеризующихся уменьшенной толщиной, с возможностью изгиба корпуса при прохождении через радиусные интервалы ствола скважины.

Сущность технического решения заключается в том, что гидравлический забойный двигатель, содержащий трубчатый корпус с внутренней поверхностью, выполненной в форме геликоида с внутренними многозаходными 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 многозаходными винтовыми зубьями и совпадает по форме с внутренними многозаходными 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 многозаходных винтовых зубьев в обкладке из эластомера, согласно изобретению содержит в средней части трубчатого корпуса три резьбовые отверстия, равнорасположенные по окружности в поперечном сечении трубчатого корпуса и на расстоянии друг относительно друга вдоль центральной продольной оси трубчатого корпуса с возможностью симметричного расположения каждого из резьбовых отверстий относительно профиля внутреннего винтового зуба в трубчатом корпусе.

Резьбовые отверстия в средней части трубчатого корпуса выполнены с возможностью размещения в них упорных винтов для обеспечения центрирования их торцами сердечника пресс-формы, имеющего многозаходные винтовые зубья, при изготовлении обкладки из эластомера, при этом в средней части трубчатый корпус содержит два пояса пониженной жесткости, расположенных симметрично относительно трех равнорасположенных по окружности резьбовых отверстий, характеризующихся выполнением стенки трубчатого корпуса уменьшенной толщиной, первый пояс пониженной жесткости расположен между краем внутренних винтовых зубьев трубчатого корпуса, направленных против потока, и ближним к нему резьбовым отверстием, а второй пояс пониженной жесткости расположен между краем внутренних винтовых зубьев трубчатого корпуса, направленных по потоку, и ближним к нему резьбовым отверстием, при этом отношение уменьшенной толщины стенок трубчатого корпуса к наружному диаметру трубчатого корпуса составляет 0,035÷0,055.

Гидравлический забойный двигатель содержит во входной части трубчатого корпуса пояс пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки трубчатого корпуса уменьшенной толщиной, расположенным между ближним краем внутренних винтовых зубьев трубчатого корпуса и полным последним витком внутренней резьбы, а в выходной части трубчатого корпуса содержит пояс пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки трубчатого корпуса уменьшенной толщиной, расположенным между ближним краем внутренних винтовых зубьев трубчатого корпуса и полным последним витком внутренней резьбы, при этом отношение уменьшенной толщины стенки трубчатого корпуса во входной и выходной частях трубчатого корпуса к наружному диаметру трубчатого корпуса составляет 0,065÷0,095.

Резьбовые отверстия в средней части трубчатого корпуса выполнены с возможностью размещения в них резьбовых пробок для обеспечения герметизации эластомера при вулканизации обкладки из эластомера в пресс-форме.

Выполнение гидравлического забойного двигателя таким образом, что он содержит в средней части трубчатого корпуса три резьбовые отверстия, равнорасположенные по окружности в поперечном сечении трубчатого корпуса и на расстоянии друг относительно друга вдоль центральной продольной оси трубчатого корпуса с возможностью симметричного расположения каждого из резьбовых отверстий относительно профиля внутреннего винтового зуба в трубчатом корпусе, при этом резьбовые отверстия в средней части трубчатого корпуса выполнены с возможностью размещения в них резьбовых пробок для обеспечения герметизации эластомера при вулканизации обкладки из эластомера в пресс-форме, обеспечивает повышение надежности и ресурса гидравлического забойного двигателя для бурения нефтяных скважин, в котором трубчатый корпус выполнен с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall), путем устранения негативного влияния погрешностей изготовления по кривизне и толщине обкладки из эластомера в корпусе на работу двигателя, а также обеспечивает повышение усталостной выносливости, абразивной стойкости, упругости и герметичности уплотнения рабочей пары: ротор-обкладка из эластомера в корпусе за счет возможности центрирования сердечника пресс-формы, имеющего многозаходные винтовые зубья (длиной 5500÷7000 мм), обеспечивает возможность центрирования винтового сердечника пресс-формы, имеющего многозаходные винтовые зубья, при изготовлении методом литья под давлением обкладки из эластомера за счет собственного внутреннего давления эластомера, создаваемого при формообразовании в пресс-форме.

Выполнение гидравлического забойного двигателя таким образом, что трубчатый корпус двигателя содержит два пояса пониженной жесткости, расположенных симметрично относительно трех равнорасположенных по окружности резьбовых отверстий, характеризующихся выполнением стенки трубчатого корпуса уменьшенной толщиной, первый пояс пониженной жесткости расположен между краем внутренних винтовых зубьев трубчатого корпуса, направленных против потока, и ближним к нему резьбовым отверстием, а второй пояс пониженной жесткости расположен между краем внутренних винтовых зубьев трубчатого корпуса, направленных по потоку, и ближним к нему резьбовым отверстием, при этом отношение уменьшенной толщины стенок трубчатого корпуса к наружному диаметру трубчатого корпуса составляет 0,035÷0,055, обеспечивает повышение точности проходки наклонных и горизонтальных интервалов скважин, повышение темпа набора параметров кривизны скважин, а также улучшение проходимости, т.е. уменьшение сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны при использовании в гидравлическом забойном двигателе за счет уменьшения жесткости трубчатого корпуса с возможностью его изгиба при прохождении через радиусные интервалы ствола скважины.

Выполнение гидравлического забойного двигателя таким образом, что он содержит во входной части трубчатого корпуса пояс пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки трубчатого корпуса уменьшенной толщиной, расположенным между ближним краем внутренних винтовых зубьев трубчатого корпуса и полным последним витком внутренней резьбы, а в выходной части трубчатого корпуса содержит пояс пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки трубчатого корпуса уменьшенной толщиной, расположенным между ближним краем внутренних винтовых зубьев трубчатого корпуса и полным последним витком внутренней резьбы, при этом отношение уменьшенной толщины стенки трубчатого корпуса во входной и выходной частях трубчатого корпуса к наружному диаметру трубчатого корпуса составляет 0,065÷0,095, повышает надежность и ресурс за счет обеспечения равнопрочных и герметичных резьбовых соединений трубчатого корпуса с переводником и/или переходником в условиях интенсивного трения и вращения в стволе скважины, с использованием в колонне бурильных труб гидравлического яса, с ударными нагрузками и ударными импульсами от яса, а также при релаксации растягивающих напряжений в изогнутой колонне бурильных труб, в которой установлен гидравлический забойный двигатель.

Ниже представлен лучший вариант гидравлического забойного двигателя ДРУ2-172 PC для бурения нефтяных скважин, в котором трубчатый корпус выполнен с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall).

На фиг. 1 показан продольный разрез корпуса гидравлического забойного двигателя с внутренними винтовыми многозаходными зубьями и установленный внутри корпуса сердечник пресс-формы, имеющий наружные винтовые многозаходные зубья.

На фиг. 2 показан элемент А на фиг. 1 корпуса двигателя с внутренними винтовыми многозаходными зубьями и установленный внутри корпуса сердечник пресс-формы, имеющий наружные винтовые многозаходные зубья.

На фиг. 3 показан разрез Б-Б на фиг. 2 поперек корпуса двигателя с внутренними винтовыми многозаходными зубьями и установленный внутри корпуса сердечник пресс-формы, имеющий наружные винтовые многозаходные зубья, а также первое резьбовое отверстие с упорным винтом.

На фиг. 4 показан разрез В-В на фиг. 2 поперек корпуса двигателя с внутренними винтовыми многозаходными зубьями и установленный внутри корпуса сердечник пресс-формы, имеющий наружные винтовые многозаходные зубья, а также второе резьбовое отверстие с упорным винтом.

На фиг. 5 показан разрез Г-Г на фиг. 2 поперек корпуса двигателя с внутренними винтовыми многозаходными зубьями и установленный внутри корпуса сердечник пресс-формы, имеющий наружные винтовые многозаходные зубья, а также третье резьбовое отверстие с упорным винтом.

На фиг. 6 показан продольный разрез двигательной секции, включающей ротор, установленный внутри корпуса гидравлического забойного двигателя с обкладкой из эластомера.

На фиг. 7 показан разрез Д-Д на фиг. 6 поперек двигательной секции, включающей входной демпфер обкладки из эластомера и ротор.

На фиг. 8 показан разрез Е-Е на фиг. 6 поперек двигательной секции, включающей корпус с обкладкой из эластомера и ротор.

На фиг. 9 показан разрез Ж-Ж на фиг. 6 поперек двигательной секции, включающей корпус с обкладкой из эластомера и ротор, а также второй резьбовой пробкой.

На фиг. 10 показан разрез И-И на фиг. 6 поперек двигательной секции, включающей корпус с обкладкой из эластомера и ротор, а также третьей резьбовой пробкой.

На фиг. 11 показан разрез К-К на фиг. 6 поперек двигательной секции, включающей выходной демпфер обкладки из эластомера и ротор.

Гидравлический забойный двигатель содержит трубчатый корпус 1 с внутренней поверхностью 2, выполненной в форме геликоида, по существу, с внутренними винтовыми зубьями 3, на входном по потоку текучей среды 4 краю 5 трубчатого корпуса 1 выполнена внутренняя коническая трубная резьба 6, например, РКТ154×6,35×1:9,6 СТП 001-2007, на выходном по потоку текучей среды 4 краю 7 трубчатого корпуса 1 выполнена внутренняя коническая трубная резьба 8, например, РКТ154×6,35×1:9,6 СТП 001-2007, а также содержит закрепленную в трубчатом корпусе 1 обкладку 9, например, из резины ИРП-1226-5, прилегающую к внутренней поверхности 2 трубчатого корпуса 1, при этом обкладка 9 из эластомера выполнена с внутренними винтовыми зубьями 10 и совпадает по форме с внутренними винтовыми зубьями 3 в трубчатом корпусе 1, а толщина 11 обкладки 9 является максимальной на ее зубьях 10, радиально направленных внутрь, по сравнению с толщиной 12 впадин 13 вдоль внутренней винтовой поверхности 14 упомянутой обкладки 9, изображено на фиг. 1, 6, 8, 9.

В трубчатом корпусе 1 максимальная толщина 12 обкладки 9 из эластомера вдоль впадин 13 ее внутренней винтовой поверхности 14, расположенных на максимальном радиальном удалении 15, равна половине высоты 16 ее внутренних винтовых зубьев 10, при этом минимальная толщина 17 стенки трубчатого корпуса 1 вдоль радиально направленных наружу впадин 18 ее внутренней винтовой поверхности 2 равна высоте 16 внутренних винтовых зубьев 10 в обкладке 9 из эластомера, изображено на фиг. 1, 6, 8, 9.

Трубчатый корпус 1 содержит в средней части 19 три резьбовые отверстия 20, 21, и 22, равнорасположенные по окружности в поперечном сечении трубчатого корпуса 1, а в резьбовых отверстиях 20, 21, и 22 размещены упорные винты, соответственно 23, 24 и 25 с возможностью центрирования торцами, соответственно 26, 27 и 28 упорных винтов 23, 24 и 25 сердечника 29 пресс-формы, имеющего многозаходные винтовые зубья 30, при изготовлении обкладки 9, например, из резины ИРП-1226-5, в пресс-форме, изображено на фиг. 1-5.

Резьбовые отверстия 20, 21, и 22 расположены друг относительно друга вдоль центральной продольной оси 31 трубчатого корпуса 1 на расстоянии 32, L с возможностью симметричного расположения каждого из резьбовых отверстий 20, 21, и 22 относительно профиля внутреннего винтового зуба, соответственно 33, 34 и 35 в трубчатом корпусе 1, при этом 32, L - расстояние между резьбовыми отверстиями 20, 21, и 22 во внутренних винтовых многозаходных зубьях, соответственно 33, 34 и 35 трубчатого корпуса 1 вдоль его центральной продольной оси 31, поз. 36 - ход винтовой линии внутренних винтовых многозаходных зубьев, соответственно 33, 34 и 35 трубчатого корпуса 1, а поз. 37 - наружный диаметр трубчатого корпуса 1, изображено на фиг. 1, 6.

При этом 36, Р, мм - ход винтовой линии внутренних винтовых многозаходных зубьев, соответственно 33, 34 и 35 трубчатого корпуса 1 равен расстоянию по сосной поверхности между двумя положениями точки, образующей линию винтового зуба, соответственно 33, 34 и 35, соответствующими ее полному обороту вокруг оси зубчатого колеса или вокруг центральной продольной оси 31 трубчатого корпуса 1, показано в ГОСТ 16530-83, стр. 17, изображено на фиг. 1, 6.

Трубчатый корпус 1 в средней части 19 содержит два пояса 38 и 39 пониженной жесткости, расположенных симметрично вдоль центральной продольной оси 31 трубчатого корпуса 1 относительно трех равнорасположенных по окружности резьбовых отверстий, соответственно 20, 21, 22, характеризующихся выполнением стенки 40 трубчатого корпуса 1 уменьшенной толщиной, первый пояс 38 пониженной жесткости расположен между краем 41 внутренних винтовых зубьев 3 трубчатого корпуса 1, направленных против потока 4, и ближним к нему резьбовым отверстием 20, а второй пояс 39 пониженной жесткости расположен между краем 42 внутренних винтовых зубьев 3 трубчатого корпуса 1, направленных по потоку 4, и ближним к нему резьбовым отверстием 22, при этом отношение уменьшенной толщины 43, 44 стенки 40 трубчатого корпуса 1 к наружному диаметру 37 трубчатого корпуса 1 составляет 0,035÷0,055, изображено на фиг. 1-5.

Трубчатый корпус 1 содержит во входной по потоку текучей среды 4 части 5 трубчатого корпуса 1 пояс 45 пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки 40 трубчатого корпуса 1 уменьшенной толщиной 46, расположенным между ближним краем 41 внутренних винтовых многозаходных зубьев 3 трубчатого корпуса 1 и полным последним витком 47 внутренней резьбы 6, а в выходной части 7 трубчатого корпуса 1 содержит пояс 48 пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки 40 трубчатого корпуса 1 уменьшенной толщиной 49, расположенным между ближним краем 42 внутренних винтовых многозаходных зубьев 3 трубчатого корпуса 1 и полным последним витком 50 внутренней резьбы 8, изображено на фиг. 1, 2, 6.

Отношение уменьшенной толщины 46, 49 стенки 40 трубчатого корпуса 1 во входной и выходной частях, соответственно 5 и 7 трубчатого корпуса 1 к наружному диаметру 37 трубчатого корпуса 1 составляет 0,065÷0,095, изображено на фиг. 1, 2, 6.

В резьбовых отверстиях 20, 21 и 22 в средней части 19 трубчатого корпуса 1 установлены резьбовые пробки 51, 52, 53 с возможностью герметизации эластомера при вулканизации обкладки 9 из эластомера, например, из резины ИРП-1226-5 в пресс-форме, изображено на фиг. 6, 8, 9, 10.

Кроме того, обкладка 9 из эластомера содержит во входной по потоку 4 части 5 трубчатого корпуса 1, выше по потоку 4 от края 41 внутренних винтовых многозаходных зубьев 3 в трубчатом корпусе 1, направленного против потока 4, входной демпфер 54 из эластомера с собственными внутренними винтовыми многозаходными зубьями 55, примыкающими к внутренним винтовым зубьям многозаходным 10 обкладки 9 из эластомера, прилегающий к внутренней поверхности 56 входной по потоку 4 части 5 трубчатого корпуса 1, изображено на фиг. 1, 6, 7.

Кроме того, ниже по потоку 4 от края 42 внутренних винтовых многозаходных зубьев 3 трубчатого корпуса 1 в выходной по потоку 4 части 7 трубчатого корпуса 1 обкладка 9 из эластомера содержит выходной демпфер 57 из эластомера с собственными внутренними винтовыми многозаходными зубьями 58, примыкающими к внутренним винтовым многозаходным зубьям 10 обкладки 9 из эластомера, прилегающий к внутренней поверхности 59 выходной по потоку 4 части 7 трубчатого корпуса 1, изображено на фиг. 1, 6, 11.

В состав двигательной секции входит ротор 60, имеющий винтовые многозаходные зубья 61, число зубьев 61 ротора 60 на единицу меньше числа зубьев 10 обкладки 9 из эластомера, отношение чисел зубьев ротор 60 - обкладка 9 из эластомера, а также ротор 60 - входной демпфер 54 из эластомера, а также ротор 60 - выходной демпфер 57 из эластомера равно 6/7, при этом поз. 62 - центральная продольная ось ротора 60, при этом поз. 31 - центральная продольная ось обкладки 9 из эластомера, закрепленной внутри трубчатого корпуса 1, а также входного демпфера 54 из эластомера, а также выходного демпфера 57 из эластомера, при этом поз. 63 - величина эксцентриситета ротора 60, установленного в обкладке 9 из эластомера внутри трубчатого корпуса 1, а также установленного во входном демпфере 54 из эластомера, а также установленного в выходном демпфере 57 из эластомера, изображено на фиг. 6-9.

Кроме того, поз. 64 - многозаходные винтовые камеры между зубьями 61 ротора 60 и зубьями 55 входного демпфера 54 из эластомера, поз. 65 - многозаходные винтовые камеры между зубьями 61 ротора 60 и зубьями 10 обкладки 9 из эластомера, поз.66 - многозаходные винтовые камеры между зубьями 61 ротора 60 и зубьями 58 выходного демпфера 57 из эластомера изображено на фиг. 6-11.

Трубчатый корпус 1 с равномерной толщиной обкладки 9 из эластомера (R-Wall) входит в модуль двигательной секции гидравлического забойного двигателя для бурения нефтяных скважин, включающего карданную трансмиссию и шпиндельную секцию с долотом для бурения скважин (не изображенными).

Гидравлический забойный двигатель для бурения нефтяной скважины работает следующим образом: поток бурового раствора 4 под давлением, например, 25-35 МПа по колонне бурильных труб подается в многозаходные винтовые камеры 64 между зубьями 61 ротора 60 и зубьями 55 входного демпфера 54 из эластомера во входной по потоку текучей среды - бурового раствора 4 части 5 трубчатого корпуса 1, далее - в многозаходные винтовые камеры 65 между зубьями 61 ротора 60 и зубьями 10 обкладки 9 из эластомера, закрепленной внутри трубчатого корпуса 1, далее - в многозаходные винтовые камеры 65 между зубьями 61 ротора 60 и зубьями 58 выходного демпфера 57 в выходной по потоку текучей среды 4 части 7 трубчатого корпуса 1, изображено на фиг. 6-11.

Многозаходные винтовые камеры 64 между зубьями 61 ротора 60 и зубьями 55 входного демпфера 54 из эластомера во входной по потоку текучей среды - бурового раствора 4 части 5 трубчатого корпуса 1, многозаходные винтовые камеры 65 между зубьями 61 ротора 60 и зубьями 10 обкладки 9 из эластомера, закрепленной внутри трубчатого корпуса 1, а также многозаходные винтовые камеры 66 между зубьями 61 ротора 60 и зубьями 58 выходного демпфера 57 в выходной по потоку текучей среды 4 части 7 трубчатого корпуса 1, имеют переменный объем и периодически перемещаются по потоку текучей среды 4 - бурового раствора, который имеет плотность до 1500 кг/м³, содержит до 2% песка и до 5% нефтепродуктов, при этом образуется область высокого давления и вращающий момент от гидравлических сил, который приводит в планетарно-роторное вращение ротор 60 внутри входного демпфера 54 из эластомера с собственными внутренними винтовыми зубьями 55, примыкающими к внутренним винтовым зубьям 10 обкладки 9 из эластомера во входной по потоку 4 текучей среды части 5 трубчатого корпуса 1, внутри обкладки 9 из эластомера с внутренними винтовыми зубьями 10, а также внутри выходного демпфера 57 из эластомера с собственными внутренними винтовыми зубьями 58 в выходной по потоку 4 части 7 трубчатого корпуса 1, изображено на фиг. 6-11.

Ротор 60 под действием насосной подачи текучей чреды передает вращающий момент на вал шпиндельной секции с долотом в противоположном направлении относительно собственного планетарно-роторного вращения внутри входного демпфера 54 из эластомера во входной по потоку 4 части 5 трубчатого корпуса 1, внутри обкладки 9 из эластомера, закрепленной в трубчатом корпусе 1, а также внутри выходного демпфера 57 из эластомера с собственными внутренними винтовыми зубьями 58 в выходной по потоку 4 части 7 трубчатого корпуса 1, осуществляя бурение скважины.

Винтовые зубья 55 входного демпфера 54 из эластомера во входной по потоку 4 части 5 трубчатого корпуса 1, винтовые зубья 10 обкладки из эластомера, закрепленной внутри трубчатого корпуса 1, а также винтовые зубья 58 выходного демпфера 57 в выходной по потоку 4 части 7 трубчатого корпуса 1 подвергаются сложной деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора 60 внутри входного демпфера 54 из эластомера во входной по потоку текучей среды - бурового раствора 4 части 5 трубчатого корпуса 1, внутри обкладки 9 из эластомера, закрепленной в трубчатом корпусе 1, а также внутри выходного демпфера 57 из эластомера с внутренними винтовыми зубьями 58 в выходной по потоку 4 части 7 трубчатого корпуса 1.

В заявляемой конструкции за счет того, трубчатый корпус содержит в средней части 19 три резьбовые отверстия 20, 21, и 22, равнорасположенные по окружности в поперечном сечении трубчатого корпуса 1, а в резьбовых отверстиях 20, 21, и 22 размещены упорные винты, соответственно 23, 24 и 25 с возможностью центрирования торцами, соответственно 26, 27 и 28 упорных винтов 23, 24 и 25 сердечника (пуансона) 29 пресс-формы (не показанной), имеющего многозаходные винтовые зубья 30, при изготовлении обкладки 9 из эластомера, например, из резины ИРП-1226-5, при этом резьбовые отверстия 20, 21, и 22 расположены относительно друг друга вдоль центральной продольной оси 31 трубчатого корпуса 1 на расстоянии 32, L с возможностью симметричного расположения каждого из резьбовых отверстий 20, 21, и 22 относительно профиля внутреннего винтового зуба, соответственно 33, 34 и 35 в трубчатом корпусе 1, обеспечивается повышение надежности и ресурса гидравлического забойного двигателя, в котором корпус выполнен с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall), для бурения нефтяных скважин путем устранения негативного влияния погрешностей изготовления по кривизне и толщине обкладки из эластомера в корпусе на работу двигателя, а также повышается усталостная выносливость, абразивная стойкость, упругость и герметичность уплотнения рабочей пары: ротор-обкладка из эластомера в корпусе.

Вследствие этого повышаются упругопрочностные свойства эластомера в конструкции: 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), снижается вероятность растрескивания, отслоения и вырывов кусков обкладки из эластомера во входной и выходной по потоку части обкладки из эластомера в корпусе, предотвращается закупорка промывочного узла бурового долота, устраняется основной отказ компоновки низа бурильной колонны (КНБК) при бурении скважин по причине - "резина в долоте", при этом требуемый интервал скважины может быть добурен до конца, повышается наработка на отказ, обеспечиваются экономические преимущества заявляемой конструкции.

В заявляемой конструкции за счет того, что трубчатый корпус 1 в средней части 19 содержит два пояса 38 и 39 пониженной жесткости, расположенных симметрично вдоль центральной продольной оси 31 трубчатого корпуса 1 относительно трех равнорасположенных по окружности резьбовых отверстий, соответственно 20, 21, 22, характеризующихся выполнением стенки 40 трубчатого корпуса 1 уменьшенной толщиной, первый пояс 38 пониженной жесткости расположен между краем 41 внутренних винтовых зубьев 3 трубчатого корпуса 1, направленных против потока 4, и ближним к нему резьбовым отверстием 20, а второй пояс 39 пониженной жесткости расположен между краем 42 внутренних винтовых зубьев 3 трубчатого корпуса 1, направленных по потоку 4, и ближним к нему резьбовым отверстием 22, при этом отношение уменьшенной толщины 43, 44 стенки 40 трубчатого корпуса 1 к наружному диаметру 37 трубчатого корпуса 1 составляет 0,035÷0,055, обеспечивается повышение точности проходки наклонных и горизонтальных интервалов скважин, повышение темпа набора параметров кривизны скважин, а также улучшение проходимости, т.е. уменьшение сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны за счет уменьшения жесткости трубчатого корпуса, выполнение стенки корпуса во входной и выходной частях, а также в средней части корпуса поясов пониженной жесткости, характеризующихся уменьшенной толщиной, с возможностью изгиба корпуса при прохождении через радиусные интервалы ствола скважины.

В заявляемой конструкции за счет того, трубчатый корпус содержит во входной по потоку текучей среды 4 части 6 пояс 45 пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки 40 трубчатого корпуса 1 уменьшенной толщиной 46, расположенным между ближним краем 41 внутренних винтовых многозаходных зубьев 3 трубчатого корпуса 1 и полным последним витком 47 внутренней резьбы 6, а в выходной части 7 трубчатого корпуса 1 содержит пояс 48 пониженной жесткости, характеризующийся выполнением стенки 40 трубчатого корпуса 1 уменьшенной толщиной 49, расположенным между ближним краем 42 внутренних винтовых многозаходных зубьев 3 трубчатого корпуса 1 и полным последним витком 50 внутренней резьбы 8, повышается надежность и ресурс за счет обеспечения равнопрочных и герметичных резьбовых соединений трубчатого корпуса с переводником и/или переходником в условиях интенсивного трения и вращения в стволе скважины, с использованием в колонне бурильных труб гидравлического яса, с ударными нагрузками и ударными импульсами от яса, а также при релаксации растягивающих напряжений в изогнутой колонне бурильных труб, в которой установлен гидравлический забойный двигатель.

В заявляемой конструкции за счет того, что в резьбовых отверстиях 20, 21 и 22 в средней части 19 трубчатого корпуса 1 установлены резьбовые пробки 51, 52, 53 с возможностью герметизации эластомера при формировании обкладки 9 из эластомера, например, из резины ИРП-1226-5, обеспечивается возможность центрирования винтового сердечника пресс-формы, имеющего многозаходные винтовые зубья, при формировании обкладки из эластомера за счет собственного давления эластомера внутри пресс-формы, образуемого при нагреве пресс-формы.

Изобретение повышает надежность и ресурс гидравлического забойного двигателя с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall) путем устранения негативного влияния погрешностей изготовления по кривизне и толщине обкладки из эластомера на работу двигателя, а также повышает усталостную выносливость, абразивную стойкость, упругость и герметичность уплотнения рабочей пары: ротор-обкладка из эластомера в корпусе, предотвращает растрескивания, отслоения и вырывы кусков эластомера, за счет этого предотвращает закупорку промывочного узла бурового долота, повышает наработку на отказ, обеспечивает экономические преимущества заявляемой конструкции при бурении нефтяных скважин.

Изобретение повышает также точность проходки наклонных и горизонтальных 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 с возможностью его изгиба при прохождении через радиусные интервалы ствола скважины.