Результат интеллектуальной деятельности: СТАТОР ВИНТОВОЙ ГЕРОТОРНОЙ ГИДРОМАШИНЫ

Изобретение относится к героторным механизмам винтовых забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин, к винтовым насосам для добычи нефти из скважин, а также к винтовым гидромоторам и гидронасосам общего назначения.

Известен статор винтового забойного двигателя ДВРЗ-176, в котором к толстостенному корпусу привулканизована обкладка с винтовыми зубьями, выполненная из резины (журнал "Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море", Москва, ОАО "ВНИИОЭНГ", №9, 2003, стр.10, рис.4).

Недостатком известной конструкции является неполное использование возможности повышения энергетических характеристик, ресурса и надежности винтового забойного двигателя, повышения максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимой осевой нагрузки на буровое долото в стволе скважины.

Недостатки известной конструкции объясняются, в основном, циклическим нагружением, выполненных из эластомера винтовых зубьев в обкладке статора, которые подвергаются деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора внутри статора, что приводит к тепловыделению внутри материала зубьев.

При этом температура в эластомерной обкладке 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, что приводит к нарушению уплотнения в рабочей паре и разрушению зубьев в эластомерной обкладке статора.

Для известной конструкции существует ограничение между перепадом давления (межвитковым, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности и величиной натяга зубьев ротора в зубьях статора, а перепад давления в режиме максимальной мощности составляет, по существу 10...13 МПа, что не позволяет повышать момент силы на выходном валу в режиме максимальной мощности, снижать темп износа рабочих поверхностей, не обеспечивает возможности отработки рабочих пар до больших зазоров, при этом средний ресурс рабочей пары не превышает 250 часов.

Известен эксцентриковый винтовой насос или эксцентриковый винтовой двигатель, содержащий оболочку (остов) 21 с наружной и внутренней поверхностями, выполненными в форме геликоида с полностью облицованным статором, в котором на торцовых краях 41, 42 содержатся уплотнения 26 и стопорные кольца 28, которые монолитно переходят в облицовку из эластомера 39 металлической оболочки 21 (US 6666668 B1, F 01 С 1/10, 23.12.2003).

Известная конструкция скрепляется шпильками 17, гайками 19 и фланцами 12, 15 снаружи остова 21, а используется в наземном оборудовании, например, для героторных винтовых насосов, где нет ограничений по наружным габаритам.

Недостатком известной конструкции является невозможность ее использования в скважинах, в обсадных и бурильных трубах, например, для многозаходных героторных гидравлических двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин.

Это объясняется увеличенной по диаметру входной со стороны 44, а также выходной со стороны 42, части оболочки 21, уплотнений 26 и стопорных колец 28, которые монолитно переходят в облицовку 39, выполненную из эластомера.

Для героторных механизмов винтовых забойных двигателей, размещаемых в нефтяных и газовых скважинах, использование известной конструкции не обеспечивает существенных преимуществ.

Известен статор винтового героторного гидромотора, содержащий полый корпус, установленную в нем статорную гильзу с внутренними винтовыми многозаходными зубьями (или с внутренней и наружной поверхностью, выполненной в форме геликоида), а также закрепленную в статорной гильзе обкладку с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, выполненную из эластомера, например, из резины (US 5171138, F 01 С 1/10, 15.12.1992).

В известной конструкции статорная гильза 16 выполнена в виде штампованной металлической трубчатой оболочки с внутренними и наружными винтовыми многозаходными зубьями (или с внутренней и наружной поверхностью, выполненной в форме геликоида).

Недостатком известной конструкции является неполное использование возможности повышения энергетических характеристик, ресурса и надежности винтового героторного гидромотора с использованием заявляемого статора, по существу, повышения максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимой осевой нагрузки (на долото) при повышении максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности.

Недостатки известной конструкции объясняются малой жесткостью статорной трубчатой гильзы в пределах ее упругой деформации, ее плохой свариваемостью с массивным полым корпусом, что определяет недостаточную усталостную выносливость (ресурс) статорной гильзы для обеспечения максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности.

Недостатки известной конструкции объясняются также релаксацией напряжений в материале штампованной металлической статорной гильзы, которые искажают профиль сопряжения рабочей пары ротор-статор, вследствие чего уменьшается герметичность рабочей пары и возможность обеспечения энергетических характеристик, ресурса и надежности винтового героторного гидромотора с использованием заявляемого статора при максимальном перепаде давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности.

Недостатки известной конструкции объясняются также циклическим нагружением выполненных из эластомера винтовых зубьев в обкладке статора, а также статорной трубчатой гильзы с внутренними и наружными винтовыми многозаходными зубьями, обладающими малой жесткостью, которые подвергаются высокой деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора внутри статора, что приводит к тепловыделению внутри материала зубьев, а также к отслоению эластомерной обкладки от статорной гильзы.

При этом температура в эластомерной обкладке может повышаться более интенсивно за счет ее меньшей массы, например, до 80°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, по существу, 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.

Наиболее близким к заявляемой конструкции является статор эксцентрикового винтового насоса, содержащий оболочку (остов) статора 12 с внутренней поверхностью, выполненной в форме геликоида, и облицовку 26 из эластомера на внутренней поверхности статора 12, в котором каждый из концов 20 соединен с фланцами 32, 34 соединительными элементами (резьбовыми тягами) 40 и разъемными хомутами 46, 48 при помощи разрывных болтов 50, а оболочка статора 12 выполнена, по меньшей мере, с одной зоной разъема 14 по винтовой линии, проходящей через всю ее длину (US 5318416, F 04 С 2/107, 07.06.1994).

Известная конструкция используется, по существу, в технологических блоках машин-экструдерах для упруговязких жидкостей, например, при заливке желеобразным твердым топливом корпусов ракетных двигателей, с целью обеспечения безопасности конструкции, чтобы снизить давление, прежде чем опасность взрыва может развиться.

Недостатком известной конструкции является невозможность ее использования в скважинах, в обсадных и бурильных трубах, например, для многозаходных героторных гидравлических двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин, что объясняется увеличенными в поперечном сечении габаритами: разъемными хомутами 46, 48, диаметром входной, а также выходной частей кожуха и фланцев 32, 34, а также уплотнений и защитных колец, которые монолитно переходят в эластомерную облицовку кожуха.

Техническим результатом изобретения является возможность его использования в скважине, например, для многозаходного героторного гидравлического двигателя для бурения нефтяных и газовых скважин, а также повышение его энергетических характеристик, ресурса и надежности с использованием заявляемого статора, по существу, повышение максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимой осевой нагрузки за счет повышения максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности, увеличения контактных поверхностей рабочей пары, а также повышения усталостной выносливости эластомерной обкладки.

Сущность технического решения заключается в том, что в статоре винтовой героторной гидромашины, содержащем полый корпус с внутренней поверхностью, выполненной в форме геликоида, по существу, с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, закрепленную в корпусе обкладку из эластомера, например, из резины, выполненную в форме геликоида, по существу, с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, а также два соединительных модуля, расположенных по краям корпуса, согласно изобретению каждый из соединительных модулей выполнен за одно целое с корпусом в виде концевых частей корпуса, при этом в обкладке из эластомера толщины Δ_вп впадин и, соответственно, толщины Δ_выс выступов внутренних винтовых многозаходных зубьев связаны соотношением: Δ_вп=(1,25±0,15)Δ_выс, а толщины Δ_вп впадин и, соответственно, толщины Δ_выс выступов внутренних винтовых многозаходных зубьев, выполнены в пределах ±5%.

Твердость обкладки с внутренними винтовыми зубьями, выполненной из резины, составляет 65...70 ед. Шор А.

Толщины стенок ΔR_кор полого корпуса вдоль впадин внутренних винтовых многозаходных зубьев и толщины Δ_вп впадин внутренних винтовых зубьев в обкладке из эластомера связаны соотношением:

ΔR_кор=(1,618...1,833)ΔR_вп.

Каждая из концевых частей корпуса, образующих соединительный модуль, выполнена с внутренней конической резьбой.

В заявляемой конструкции за счет того, что каждый из соединительных модулей выполнен за одно целое с корпусом в виде концевых частей корпуса, при этом в обкладке из эластомера толщины Δ_вп впадин и, соответственно, толщины Δ_выс выступов внутренних винтовых многозаходных зубьев связаны соотношением:

Δ_вп=(1,25±0,15)Δ_выс, а толщины Δ_вп впадин и, соответственно, толщины Δ_выс выступов внутренних винтовых многозаходных зубьев выполнены в пределах ±5%, обеспечивается возможность использования ее в скважине, например, для многозаходного героторного гидравлического двигателя для бурения нефтяных и газовых скважин, а также обеспечивается возможность повышения энергетических характеристик, ресурса и надежности с использованием заявляемого статора, по существу, повышения максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимой осевой нагрузки за счет повышения максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности, увеличения контактных поверхностей рабочей пары, а также повышения усталостной выносливости эластомерной обкладки. При этом увеличение контактных поверхностей рабочей пары осуществляется за счет большей толщины эластомерной обкладки во впадинах зубьев по сравнению с ее толщиной на выступах зубьев, и увеличения радиуса кривизны во впадинах зубьев.

За счет того, что твердость обкладки с внутренними винтовыми зубьями, выполненной из резины, составляет 65...70 ед. Шор А, обеспечивается повышенная усталостная выносливость (ресурс) - не менее 100 тыс. циклов, повышенная стойкость: абразивная и в среде нефтепродуктов, а также высокая упругость, эластичность и надежность уплотнения рабочей пары ротор-статор в режиме максимальной мощности.

За счет того, что толщина стенок ΔR_кор полого корпуса вдоль впадин внутренних винтовых многозаходных зубьев и толщины Δ_вп впадин внутренних винтовых зубьев в обкладке из эластомера связаны соотношением: ΔR_кор=(1,618...1,833)ΔR_вп, обеспечиваются технологические преимущества при изготовлении корпусов длиной 5...6 метров с внутренними винтовыми многозаходными зубьями, формообразование которых осуществляется, по существу, на вихревых (героторных) фрезерных и сверлильных станках.

За счет того, что каждая из концевых частей корпуса, образующих соединительный модуль, выполнена с внутренней конической резьбой, наружные габариты соединительных модулей не превышают диаметральных размеров корпуса, обеспечивается ее использование в компоновке низа бурильной колонны, включающей многозаходный героторный гидравлический двигатель для бурения нефтяных и газовых скважин.

При использовании заявляемой конструкции статора повышаются энергетические характеристики винтового забойного двигателя, ресурс и надежность, по существу, повышается максимальная мощность, момент силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимая осевая нагрузка на долото.

При использовании заявляемой конструкции статора повышается ресурс рабочей пары ротор - статор на 30...50%, а механическая скорость на 30...50% больше. За счет увеличения ресурса и механической скорости проходка на рабочую пару ротор - статор увеличивается в 1,2 раза.

Ниже представлен лучший вариант осуществления конструкции статора винтового забойного двигателя для бурения нефтяных скважин.

На фиг.1 показан продольный разрез статора винтового забойного двигателя.

На фиг.2 показан разрез А-А на фиг.1 поперек статора и ротора винтового забойного двигателя.

На фиг.3 показан разрез Б-Б на фиг.1 поперек статора винтового забойного двигателя.

Статор винтовой героторной гидромашины содержит полый корпус 1 с внутренней поверхностью 2, выполненной в форме геликоида, по существу, с внутренними винтовыми многозаходными зубьями 3, а также закрепленную в корпусе 1 обкладку 4 из эластомера, например, из резины, выполненную в форме геликоида, по существу, с внутренними винтовыми многозаходными зубьями 5, а также два соединительных модуля 6, 7, расположенных по краям 8, 9 корпуса 1, показаны на фиг.1-3.

Статор предназначен для винтового забойного двигателя, где поз.10 - ротор, поз.11 - ось ротора 10, поз.12 - ось статора, а поз.13 - величина эксцентриситета ротора 10, установленного в эластомерной обкладке 4 корпуса 1, показаны на фиг.1, 2.

Каждый из соединительных модулей 6, 7 выполнен за одно целое с корпусом 1 в виде концевых частей 14, 15 корпуса 1, при этом в обкладке 4 с внутренними винтовыми зубьями 5 толщины 16, Δ_вп впадин винтовых зубьев 5 и толщины 17, Δ_выс выступов винтовых зубьев 5 связаны соотношением: Δ_вп=(1,25±0,15)Δ_выс, а толщины 16, Δ_вп впадин и, соответственно, толщины 17, Δ_выс внутренних винтовых многозаходных зубьев выполнены в пределах ±5%, показано на фиг.2.

Каждая из концевых частей 14, 15 корпуса 1 выполнена с внутренней конической резьбой 18, 19, показаны на фиг.1.

Твердость обкладки 4 с внутренними винтовыми зубьями 5, выполненной из резины, составляет 65...70 ед. Шор А.

Толщины стенок 20, ΔR_кор полого корпуса 1 вдоль впадин внутренних винтовых многозаходных зубьев 3 и толщины 16, Δ_вп впадин внутренних винтовых зубьев 5 в обкладке 4 из эластомера связаны соотношением: ΔR_кор=(1,618...1,833)ΔR_вп.

Кроме того, на фиг.2 показано: поз.21 - многозаходные винтовые камеры между зубьями ротора 10 и зубьями 5 эластомерной обкладки 4; на фиг.1 показано: поз.22 - направление потока рабочей жидкости (бурового раствора).

Конструкция статора при ее использовании в винтовом забойном двигателе работает следующим образом: поток бурового раствора 22 под давлением, например, 25...30 МПа в режиме максимальной мощности по колонне бурильных труб подается в многозаходные винтовые камеры 21 между зубьями ротора 10 и зубьями 5 эластомерной обкладки 4 и образует область высокого давления и момент от гидравлических сил, который приводит в планетарно-роторное вращение ротор 10 внутри эластомерной обкладки 4, закрепленной в полом корпусе 1.

Винтовые зубья 5 эластомерной обкладки 4, закрепленной в полом корпусе 1, подвергаются сложной деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора 10 внутри статора.

Винтовые камеры 21 между зубьями ротора 10 и зубьями 5 эластомерной обкладки 4 имеют переменный объем и периодически перемещаются по потоку 22 бурового раствора, который имеет плотность до 1500 кг/м³, содержит до 2% песка и до 5% нефтепродуктов.

Эластомерная обкладка 4, выполненная, например, из резины ИРП-1226-5, работает в напряженных условиях: при наличии в рабочей паре (ротор 10 - обкладка 4) необходимого натяга контактное давление составляет 4...6 МПа, скорость скольжения 0,5...4,0 м/с, частота нагружения до 30 Гц и гидростатическое давление до 60 МПа.

За счет того, что каждый из соединительных модулей 6, 7 выполнен за одно целое с корпусом 1 в виде концевых частей 14, 15 корпуса 1, при этом в обкладке 4 с внутренними винтовыми зубьями 5 толщины 16, Δ_вп впадин винтовых зубьев 5 и толщины 17, Δ_выс выступов винтовых зубьев 5 связаны соотношением: Δ_вп=(1,25±0,15)Δ_выс, а толщины 16, Δ_вп впадин и, соответственно, толщины 17, Δ_выс внутренних винтовых многозаходных зубьев выполнены в пределах ±5%, обеспечивается возможность использования заявляемой конструкции в скважине, например, для многозаходного героторного гидравлического двигателя для бурения нефтяных и газовых скважин, а также повышение его энергетических характеристик, ресурса и надежности, по существу, повышение максимальной мощности, момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимой осевой нагрузки за счет повышения максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности, увеличения контактных поверхностей рабочей пары, а также повышения усталостной выносливости эластомерной обкладки.

Изобретение повышает энергетические характеристики, ресурс и надежность винтового забойного двигателя с использованием заявляемого статора, по существу, повышает максимальную мощность, момент силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимую осевую нагрузку, при этом обеспечивается повышенный максимальный перепад давление (межвитковый, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности, который составляет, по существу, 25...30 МПа при меньшем уровне напряженно-деформированного состояния эластомерных зубьев.