Результат интеллектуальной деятельности: ГЕРОТОРНЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к гидравлическим приводам для вращательного движения, в частности к устройствам для бурения наклонно-направленных скважин.

Известен винтовой забойный двигатель для наклонно-направленного бурения, включающий двигательную секцию, ротор и торсион которой связаны между собой в верхней части, и шпиндельную секцию, корпус которой соединен с корпусом двигательной секции переводником [1]. В известной конструкции двигатель снабжен шарнирным узлом, кинематически связанным с ведомой частью торсиона и шпиндельной секцией, при этом шарнирный узел выполнен в виде муфты, размещенной верхней частью в отверстии, выполненном в торсионе, полумуфты с отверстием, в котором размещена нижняя часть муфты, и двух размещенных во взаимно перпендикулярных плоскостях пальцев, установленных в отверстиях, выполненных в торсионе, муфте и полумуфте, причем отверстия торсиона и полумуфты, в которых размешена муфта, и концы муфты выполнены с коническими участками.

Недостатком известной конструкции является ограничение в передаче крутящего момента, снижение надежности и прочности торсиона вследствие повышенных радиальных нагрузок на шарнирный узел, размещенный на ведомом краю торсиона. Другим недостатком известной конструкции является неполное использование возможности уменьшения длины двигателя при увеличении отклонения его шпиндельной секции и сохранения момента на роторе. Это ограничивает возможность более интенсивного изменения зенитного угла при проходе ствола скважин, а также снижает проходимость, т.е. возможность беспрепятственного прохождения скважин с большей кривизной.

Наиболее близкой к заявленной конструкции является героторный двигатель, содержащий корпус, размещенный внутри этого корпуса многозаходный героторный механизм, включающий соосно расположенный статор и установленный внутри статора ротор, а также шпиндель, соединенный приводным валом с ротором и размещенный внутри корпуса шпинделя, причем корпуса двигателя и шпинделя соединены изогнутым переводником с резьбами на его краях, а ротор и шпиндель соединены с приводным валом посредством резьбовых переходников [2].

Недостатком известной конструкции является неполное использование возможности уменьшения длины двигателя с увеличенным углом отклонения шпиндельного вала относительно героторного двигателя. Это не позволяет повысить проходимость двигателя, т. е. возможность беспрепятственного прохождения скважины с большей кривизной, например с интенсивностью изменения зенитного угла при бурении скважины до значений 4 - 10^o на 10 метров проходки ствола.

Другим недостатком известной конструкции является неполное использование возможности увеличения ресурса героторного механизма двигателя за счет компенсации реактивного момента на роторе в центре отклонения шпиндельной секции ведущим шарнирным узлом приводного вала.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в уменьшении длины героторного двигателя при сохранении или увеличении длины приводного вала для интенсивности изменения зенитного угла при бурении до значений 4 - 10^o на 10 метров проходки в изогнутой скважине путем соединения резьбового переходника ротора с приводным валом и полым ротором со стороны входа в героторный механизм потока текучей среды.

Другой технической задачей является повышение ресурса героторного механизма двигателя за счет компенсации реактивного момента на роторе в центре отклонения шпиндельной секции ведущим шарнирным узлом приводного вала и уменьшения внецентроидности профилей по краям ротора при планетарной обкатке статора.

Сущность технического решения заключается в том, что в героторном гидравлическом двигателе, содержащем полый корпус, размещенный внутри него многозаходный героторный механизм, включающий соосно расположенный статор и установленный внутри статора полый ротор, а также шпиндель, причем ротор и шпиндель соединены резьбовыми переходниками с приводным валом, снабженным ведущим и ведомым шарнирными узлами, согласно изобретению резьбовой переходник ротора соединен с приводным валом и полым ротором со стороны входа в героторный механизм потока текучей среды, при этом ведущий шарнирный узел приводного вала расположен выше по потоку от входа героторного механизма или ниже по потоку от направленного к шпинделю торца резьбового переходника ротора.

Соединение резьбового переходника ротора с приводным валом и полым ротором со стороны входа в героторный механизм потока текучей среды уменьшает длину героторного двигателя при сохранении или увеличении длины приводного вала, улучшает проходимость двигателя в изогнутой скважине и увеличивает интенсивность изменения зенитного угла до значений 4 - 10^o на 10 метров проходки скважины. Такое выполнение позволяет отклонять шпиндель относительно ведомого, соединенного со шпинделем центра отклонения шарнирного узла приводного вала на больший по сравнению с известной конструкцией угол при меньшей длине героторного двигателя и его шпиндельной секции. Это достигается за счет компенсации реактивного момента на роторе в центре отклонения шпиндельной секции ведущим шарнирным узлом приводного вала, а также улучшенной центровкой профиля входной части ротора при его планетарной обкатке внутри статора и уменьшении относительной скорости скольжения сопряженных профилей ротора и статора.

Расположение ведущего шарнирного узла приводного вала выше по потоку от входа героторного механизма увеличивает диаметр ведущего шарнирного узла больше проходного отверстия полого ротора, а длину приводного вала - больше длины ротора. Это повышает прочность и надежность ведущего шарнирного узла приводного вала. Кроме того, такое расположение ведущего шарнирного узла увеличивает износостойкость героторного механизма путем уменьшения внецентроидности профиля входной части ротора при его планетарной обкатке внутри статора и уменьшения относительной скорости скольжения сопряженных профилей ротора и статора.

Расположение ведущего шарнирного узла ниже по потоку от направленного к шпинделю торца резьбового переходника ротора уменьшает длину героторного двигателя и его шпиндельной секции при сохранении длины приводного вала. Это позволяет еще больше по сравнению с известной конструкцией увеличить угол отклонения шпиндельной секции двигателя относительно корпуса (статора) двигателя, улучшить проходимость двигателя в изогнутой скважине при бурении, а также повысить интенсивность изменения зенитного угла при бурении до значений 4 - 10^o на 10 метров проходки скважины.

На фиг. 1 показан продольный разрез героторного двигателя, ведущий шарнирный узел в котором расположен выше по потоку от входа героторного механизма.

На фиг. 2 показан элемент I на фиг.1: ведущий шарнирный узел расположен выше по потоку от входа героторного механизма.

На фиг.3 показан продольный разрез героторного двигателя, ведущий шарнирный узел в котором расположен ниже по потоку от направленного к шпинделю торца резьбового переходника ротора.

На фиг.4 показан элемент II на фиг.3: ведущий шарнирный узел расположен ниже по потоку от направленного к шпинделю торца резьбового переходника ротора.

На фиг.5 показан поперечный разрез А-А героторного двигателя.

Ниже представлен наиболее предпочтительный вариант исполнения героторного двигателя.

Героторный гидравлический двигатель состоит из двух секций - двигательной 1 и шпиндельной 2 и содержит полый корпус 3, размещенный внутри него многозаходный героторный механизм, включающий соосно расположенный статор 4 и установленный внутри статора полый ротор 5, а также шпиндель 6, размещенный внутри корпуса 7. Полый ротор 5 и шпиндель 6 соединены резьбовыми переходниками 8 и 9 с приводным валом 10, снабженным ведущим шарнирным узлом 11 и ведомым шарнирным узлом 12. Резьбовой переходник 8 ротора 5 соединен с приводным валом 10 и полым ротором 5 со стороны входа 13 в героторный механизм потока 14 текучей среды (см. фиг.1). Ведущий шарнирный узел 11 приводного вала 10 может быть расположен выше по потоку 14 от входа 13 героторного механизма (см. фиг.2).

По меньшей мере часть 15 ведущего шарнирного узла 11 приводного вала 10 может быть расположена выше по потоку 14 от направленного к шпинделю 6 торца 16 резьбового переходника 8 ротора 5, а часть 17 резьбового переходника 8 ротора 5 расположена выше по потоку 14 от входа 13 героторного механизма (см. фиг.3).

Кроме того, на фиг.1 и 3 показано: 18 - центр отклонения ведомого шарнирного узла 12 шпиндельной секции 2 относительно двигательной секции 1; поз. 19 - радиальные (верхняя и нижняя) опоры шпинделя 6; поз. 20 - осевая опора шпинделя 6 внутри корпуса 7. На фиг.2 и 4: поз. 21 - шарики ведущего шарнирного узла 11; поз. 22 и 23 - узлы сферической осевой опоры торца приводного вала 10 в наконечнике 24 ведущего шарнирного узла 11; поз. 25 - уплотнитель ведущего шарнирного узла 11.

Героторный гидравлический двигатель работает следующим образом: промывочная жидкость под давлением по колонне буровых труб подается на вход 13 героторного механизма в винтовые каналы между ротором 5 и статором 4. Возникающий на роторе 5 крутящий момент вызывает его планетарное вращение внутри статора 4, которое при помощи ведущего шарнирного узла 11, приводного вала 10, ведомого шарнирного узла 12 преобразуется во вращение шпинделя 6, размещенного внутри корпуса 7 в опорах 19 и 20. Направление вращения шпинделя 6 противоположно планетарной обкатке ротора 5 по статору 4.

При бурении неоднородных пород на шпинделе 6 возникает реактивный изгибающий момент вследствие усилий резания на долоте (не показано). Вышеуказанный реактивный момент воспринимается в центре 18 отклонения ведомого шарнирного узла 12 шпиндельной секции 2 относительно двигательной секции 1. При соединении резьбового переходника 8 ротора 5 со стороны входа 13 в героторный механизм потока 14 текущей среды, ведущий шарнирный узел 11 приводного вала 10 располагается выше по потоку 14 от входа 13 героторного механизма, что уменьшает внецентроидность профиля входной части ротора 5 при планетарной обкатке его внутри статора 4, уменьшает износ героторного механизма за счет уменьшения относительной скорости скольжения сопряженных профилей ротора 5 и статора 4.

Предлагаемая конструкция героторного двигателя уменьшает его длину и увеличивает длину приводного вала, повышает проходимость в скважинах с высокой кривизной, а также повышает ресурс героторного механизма за счет уменьшения относительной скорости скольжения сопряженных профилей ротора и статора.

Источники информации
1. RU, патент 2081986, кл. Е 21 В 4/02, 1993.

2. RU, патент 2149971, кл. Е 21 В 4/02, 7/08, 1999.