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 и перекачивания жидкостей, а также к винтовым гидромоторам общего назначения.

Известен статор винтового забойного двигателя ДВР3-176, в котором к толстостенному корпусу привулканизована обкладка с винтовыми зубьями, выполненными из упругоэластичного материала, например из резины (Журнал "Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море". - М.: 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.

Другим недостатком известной конструкции является неполное использование возможности снижения темпа падения частоты вращения ротора со шпинделем и долотом при увеличении осевой нагрузки на долото в режиме максимальной мощности.

Недостатки известной конструкции объясняются в основном кинематической особенностью рабочей пары с монолитно выполненными из упругоэластичного материала винтовыми зубьями в обкладке статора, а также механизмом напряженно-деформированного состояния и изгиба зубьев из резины. В известной конструкции винтовые зубья статора подвергаются сложной деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора внутри статора. Для обеспечения герметичности рабочей пары требуется определенный натяг зубьев металлического ротора в резиновых зубьях статора, который составляет величину, например, 0,75...0,95 мм. 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 упругоэластичную облицовку 39 оболочки 21 (US 6666668 B1, F 01 C 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 наружному диаметру.

Недостатком известной конструкции является невозможность ее использования в скважинах, в обсадных или бурильных трубах, например, для многозаходных многоступенчатых 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 упругоэластичного материала. Для героторных механизмов винтовых забойных двигателей, размещаемых в нефтяных и газовых скважинах, использование известной конструкции не обеспечивает существенных преимуществ.

Известен статор эксцентрикового винтового насоса или винтового двигателя, содержащий оболочку (остов) 19 с наружной и внутренней поверхностями, выполненными в форме геликоида с полностью облицованным по внутренней поверхности остовом, в котором на торцовых краях 33, 34 оболочки 19 содержатся уплотнения 23, 24 и стопорные кольца 28, которые монолитно переходят в упругоэластичную облицовку 32 оболочки 19 (DE 19950257 A1, F 04 C 2/107, 26.04.2001).

Известная конструкция используется по существу в наземном оборудовании, например, для героторных винтовых насосов, где нет существенных ограничений по наружному диаметру. Недостатком известной конструкции является невозможность ее использования в скважинах, в обсадных или бурильных трубах, например, для многозаходных многоступенчатых героторных гидравлических двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин. Это объясняется увеличенной по диаметру входной, а также выходной частями кожуха, а также уплотнений и защитных колец, которые монолитно переходят в упругоэластичную облицовку кожуха. Для героторных механизмов винтовых забойных двигателей, размещаемых в нефтяных и газовых скважинах, использование известной конструкции также не обеспечивает существенных преимуществ.

Наиболее близким к заявляемой конструкции является статор забойной героторной машины, включающий корпус, установленную в нем с образованием кольцевой полости рабочую гильзу, имеющую внутреннюю винтовую поверхность и содержащую металлическую основу, и связанный с корпусом резьбовым соединением переводник (RU 2018620 C1, E 21 B 4/02, 30.08.1994 - прототип).

В известной конструкции металлическая основа выполнена в виде тонкостенной втулки, кольцевая полость изолирована от внешней среды, отношение толщины втулки в ее средней части к наружному диаметру гильзы составляет 0,02...0,09, а отношение радиального размера полости к толщине втулки в ее средней части - в пределах 0,02...0,15, при этом втулка может быть выполнена со сквозными отверстиями и связана с переводником резьбовым соединением.

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

Другим недостатком известной конструкции является неполное использование возможности снижения темпа падения частоты вращения ротора со шпинделем и долотом при увеличении осевой нагрузки на долото в режиме максимальной мощности.

В известной конструкции монолитные винтовые зубья статора подвергаются сложной деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора внутри статора. Для обеспечения герметичности рабочей пары требуется определенный натяг зубьев металлического ротора в резиновых зубьях статора, который составляет величину по существу 0,85...0,95 мм. Для известной конструкции существует ограничение между перепадом давления (межвитковым, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности и величиной натяга зубьев ротора в зубьях статора. При этом максимальный перепад давления (межвитковый, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности, например, на зубьях двигателя ДР-95 (производимого в Российской Федерации) составляет 9...14 МПа, см. стр.8 [1].

Недостатки известной конструкции не позволяют более повышать момент силы на выходном валу в режиме максимальной мощности, снижать темп износа рабочих поверхностей, не обеспечивают возможности отработки рабочих пар до больших зазоров, при этом средний ресурс рабочей пары не превышает 260 часов.

Недостатки известной конструкции объясняются в основном кинематической особенностью рабочей пары с монолитно выполненными из упругоэластичного материала винтовыми зубьями в обкладке статора по существу механизмом напряженно-деформированного состояния и изгиба зубьев из резины. В известной конструкции винтовые зубья статора подвергаются сложной деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора внутри статора. Для обеспечения герметичности рабочей пары требуется повышенный натяг зубьев металлического ротора в резиновых зубьях статора, который составляет величину, например, превышающую 1 мм.

Недостатком варианта известной конструкции является сложность винтового и продольного технологического ориентирования сквозных отверстий 9 тонкостенной втулки 2 относительно корпуса 1, а также относительно винтового профиля формообразующего сердечника пресс-формы при заливке и вулканизации обкладки статора из эластомера 3.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение энергетических характеристик, ресурса и надежности винтовой героторной гидромашины при использовании ее в качестве винтового забойного двигателя 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.

Другой технической задачей является снижение темпа падения частоты вращения ротора при увеличении крутящего момента на долоте за счет повышения максимального перепада давления (межвиткового, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности.

Сущность технического решения заключается в том, что в статоре винтовой героторной гидромашины, содержащем полый корпус, установленную в нем статорную гильзу, образующую с полым корпусом изолированную от внешней среды кольцевую полость, при этом в статорной гильзе закреплена обкладка с винтовыми зубьями, выполненная из упругоэластичного материала, например из резины, согласно изобретению полый корпус выполнен составным из статорной секции и, по меньшей мере, из двух трубчатых секций, соединенных со статорной гильзой, при этом статорная гильза выполнена в виде трубчатой оболочки с наружными и внутренними винтовыми зубьями, скрепленной каждым краем, например торцом, с двумя краями, например с торцами статорной и трубчатой секции полого корпуса при помощи кольцевого сварного шва, упругоэластичная обкладка выполнена с наружной винтовой поверхностью и скреплена с внутренними винтовыми зубьями трубчатой оболочки, толщина Δ_выс упругоэластичной обкладки вдоль выступов винтовых зубьев и толщина Δ_вп упругоэластичной обкладки вдоль впадин винтовых зубьев связаны соотношением: Δ_выс=(1,05...1,35)Δ_вп, а толщина Δ_то трубчатой оболочки составляет (0,41...0,61)h, где h - радиальная высота винтовых зубьев в обкладке из упругоэластичного материала, при этом кольцевая полость между наружными винтовыми зубьями трубчатой оболочки и статорной секцией полого корпуса заполнена твердым и (или) упругоэластичным материалом, и (или) жидкостью, и (или) газом.

Кольцевая полость между наружными винтовыми зубьями трубчатой оболочки и статорной секцией полого корпуса может быть заполнена упругоэластичным материалом, из которого формируется обкладка статора, например резиной, а также металлом.

Толщина Δ_выс упругоэластичной обкладки вдоль выступов винтовых зубьев составляет (0,91...1,15)H, где H - радиальная высота внутренних винтовых зубьев трубчатой оболочки.

Толщина стенок каждой из трубчатых секций полого корпуса выполнена равной сумме толщин стенок статорной секции полого корпуса и трубчатой оболочки с наружными и внутренними винтовыми зубьями в пределах ±10%.

Анализ причин уменьшения ресурса винтовых героторных гидромашин, в частности винтовых забойных двигателей, показывает, что основной причиной отказа является разрушение резины статора. Это происходит вследствие высоких контактных нагрузок в зацеплении ротор-статор, больших скоростей потока абразивного бурового раствора, высокого перепада давления, возникающего при перегрузках и торможении двигателя. Известно, что увеличение длины секции рабочих органов позволяет значительно снизить уровень контактных нагрузок в зацеплении ротор-статор и предотвратить преждевременное разрушение резиновой обкладки статора. Одновременно значительно повышаются энергетические характеристики двигателя, надежность и ресурс работы. Однако увеличение длины рабочих органов ротор-статор ухудшает "проходимость" компоновки низа бурильной колонны при бурении наклонно направленных скважин.

В заявляемой конструкции за счет того, что полый корпус выполнен составным из статорной секции и, по меньшей мере, из двух трубчатых секций, соединенных со статорной гильзой, при этом статорная гильза выполнена в виде трубчатой оболочки с наружными и внутренними винтовыми зубьями, скрепленной каждым краем, например торцом, с двумя краями, например с торцами статорной и трубчатой секции полого корпуса при помощи кольцевого сварного шва, упругоэластичная обкладка выполнена с наружной винтовой поверхностью и скреплена с внутренними винтовыми зубьями трубчатой оболочки, толщина Δ_выс упругоэластичной обкладки вдоль выступов винтовых зубьев и толщина Δ_вп упругоэластичной обкладки вдоль впадин винтовых зубьев связаны соотношением: Δ_выс=(1,05...1,35)Δ_вп, а толщина Δ_то трубчатой оболочки составляет (0,41...0,61) h, где h - радиальная высота винтовых зубьев в обкладке из упругоэластичного материала, обеспечивается повышенный максимальный перепад давления (межвитковый, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности, который составляет по существу 19...23 МПа.

В заявляемой конструкции за счет того, что обеспечивается повышенный максимальный перепад давления (межвитковый, на зубьях статора) в режиме максимальной мощности, который составляет по существу 19...23 МПа, дополнительно снижается темп падения частоты вращения ротора при увеличении крутящего момента на буровом долоте в стволе скважины преимущественно на 20...40%.

В заявляемой конструкции за счет того, что кольцевая полость между наружными винтовыми зубьями трубчатой оболочки и статорной секцией полого корпуса заполнена упругоэластичным материалом, например материалом, из которого формируется обкладка статора, или металлом, дополнительно повышается надежность крепления рабочей гильзы в полом корпусе, обеспечивается ее демпфирование при планетарно-роторном вращении ротора внутри статора, дополнительно повышаются ресурс и надежность рабочей пары ротор-статор за счет большей усталостной прочности материала рабочей гильзы.

При использовании заявляемой конструкции статора в винтовом забойном двигателе повышаются его энергетические характеристики, ресурс и надежность, по существу повышается максимальная мощность, момент силы на выходном валу в режиме максимальной мощности и допустимая осевая нагрузка на долото. Кроме того, снижается темп падения частоты вращения ротора при увеличении крутящего момента на долоте.

Технические преимущества заявляемой конструкции объясняются в основном кинематической особенностью рабочей пары с винтовыми зубьями в обкладке статора, выполненной из упругоэластичного материала, по существу механизмом напряженно-деформированного состояния и изгиба зубьев из резины за счет того, что винтовые зубья статора подвергаются меньшей деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора внутри статора.

При использовании заявляемой конструкции статора повышается ресурс рабочей пары ротор-статор на 50...80% по сравнению с винтовым забойным двигателем ДВР3-176, а механическая скорость на 30...50% больше. За счет увеличения ресурса и механической скорости проходка на рабочую пару ротор-статор увеличивается в 1,5...2,5 раза.

В заявляемой конструкции за счет того, что толщина Δ_выс упругоэластичной обкладки вдоль выступов винтовых зубьев составляет (0,91...1,15)Н, где Н - радиальная высота внутренних винтовых зубьев трубчатой оболочки, многократно уменьшается масса резиновой смеси, необходимой для формирования упругоэластичной обкладки статора, повышается выход годных изделий при формировании упругоэластичной обкладки, а также обеспечивается возможность изготовления обрезиненных статоров длиной 5...6 метров.

В заявляемой конструкции за счет того, что толщина стенок каждой из трубчатых секций полого корпуса выполнена равной сумме толщин стенок статорной секции полого корпуса и трубчатой оболочки с наружными и внутренними винтовыми зубьями в пределах ±10%, обеспечиваются технологические преимущества по прочности и герметичности кольцевых сварных швов, а также снижается металлоемкость статора.

На фиг.1 показан продольный разрез статора винтовой героторной гидромашины.

На фиг.2 показан разрез А-А на фиг.1 поперек статора и ротора винтовой героторной гидромашины.

На фиг.3 показан разрез Б-Б на фиг.1 поперек статора винтовой героторной гидромашины.

Статор винтовой героторной гидромашины содержит полый корпус 1, установленную в нем статорную гильзу 2, образующую с полым корпусом 1, изолированную от внешней среды, затрубного пространства 3 кольцевую полость 4, при этом в статорной гильзе 2 закреплена обкладка 5 с винтовыми зубьями 6, выполненная из упругоэластичного материала, например из резины, показано на фиг.1, 2, 3.

Статор винтовой героторной гидромашины предназначен по существу для винтового забойного двигателя, где поз.7 - ротор, поз.8 - ось ротора 7, поз.9 - ось статора, а поз. 10 - величина эксцентриситета ротора 7, установленного в статоре, показано на фиг.1, 2, 3.

Полый корпус 1 выполнен составным из статорной секции 11 и, по меньшей мере, из двух трубчатых, с резьбами секций 12, 13, соединенных со статорной гильзой 2, при этом статорная гильза 2 выполнена в виде трубчатой оболочки 14 с наружными и внутренними винтовыми зубьями, соответственно 15 и 16, скрепленной каждым краем, например торцом 17, с двумя краями, например, с торцом 18 статорной секции 11 и торцом 19 трубчатой секции 13 полого корпуса 1 при помощи кольцевого сварного шва 20, показано на фиг.1.

Упругоэластичная обкладка 5 выполнена с наружной винтовой поверхностью и скреплена с внутренними винтовыми зубьями 16 трубчатой оболочки 2, 14, показано на фиг.1,3.

Толщина 21, Δ_выс упругоэластичной обкладки 5 вдоль выступов винтовых зубьев 6 и толщина 22, Δ_вп упругоэластичной обкладки 5 вдоль впадин винтовых зубьев 6 связаны соотношением: Δ_выс=(1,05...1,35)Δ_вп, а толщина 23, Δ_то трубчатой оболочки 2, 14 составляет (0,41...0,61)h, где h, поз. 24 - радиальная высота винтовых зубьев 6 в обкладке 5 из упругоэластичного материала, показано на фиг.2.

Толщина 21, Δ_выс упругоэластичной обкладки 5 вдоль выступов винтовых зубьев 6 составляет (0,91...1,15)Н, где Н, поз.25 - радиальная высота внутренних винтовых зубьев 16 трубчатой оболочки 2, 14, показано на фиг.2, 3.

Кольцевая полость 4 между наружными винтовыми зубьями 15 трубчатой оболочки 2, 14 и статорной секцией 11 полого корпуса 1 может быть заполнена твердым материалом 26 или упругоэластичным материалом 27, например, может быть заполнена упругоэластичным материалом 27, из которого формируется обкладка 5 статора, а также может быть заполнена металлом 26, показано на фиг.2, 3.

Толщина 28 стенок каждой из трубчатых секций 12, 13 полого корпуса 1 выполнена равной сумме толщин стенки 29 статорной секции 11 полого корпуса 1 и стенки 30 трубчатой оболочки 2, 14 с наружными 15 и внутренними 16 винтовыми зубьями в пределах ±10%, показано на фиг.1, 2, 3.

Кроме того, на фиг.2 показано: поз. 31 - винтовые камеры между зубьями ротора 7 и зубьями 6 упругоэластичной обкладки 5; на фиг.1 показано: поз. 32 - направление потока промывочной жидкости.

Конструкция статора при ее использовании в винтовом забойном двигателе работает следующим образом: поток промывочной жидкости 32 под давлением, например 19...23 МПа в режиме максимальной мощности, по колонне бурильных труб подается в винтовые камеры 31 между зубьями ротора 7 и зубьями 6 упругоэластичной обкладки 5 и образует область высокого давления и момент от гидравлических сил, который приводит в планетарно-роторное вращение ротор 7 внутри статорной гильзы 2 с закрепленной в ней обкладкой 5. Винтовые зубья 6 упругоэластичной обкладки 5 статора подвергаются сложной деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора 7 внутри статора. Винтовые камеры 31 между зубьями ротора 7 и зубьями 6 упругоэластичной обкладки 5 имеют переменный объем и периодически перемещаются по потоку 32 промывочной жидкости.

В заявляемой конструкции за счет того, что толщина 21, Δ_выс упругоэластичной обкладки 5 вдоль выступов винтовых зубьев 6 и толщина 22, Δ_вп упругоэластичной обкладки 5 вдоль впадин винтовых зубьев 6 связаны соотношением: Δ_выс=(1,05...1,35)Δ_вп; а толщина 23, Δ_то трубчатой оболочки 2, 14 составляет (0,41...0,61)h, где h, поз. 24 -радиальная высота винтовых зубьев 6 в обкладке 5 из упругоэластичного материала, обеспечивается повышенный максимальный перепад давления (межвитковый, на зубьях 6 статора) в режиме максимальной мощности, который составляет по существу 19...23 МПа при меньшем уровне напряженно-деформированного состояния и изгиба зубьев 6 из резины, а также многократно уменьшается внутренний нагрев зубьев.

В заявляемой конструкции за счет того, что толщина 21, Δ_выс упругоэластичной обкладки 5 вдоль выступов винтовых зубьев 6 составляет (0,91...1,15)H, где H, поз.25 - радиальная высота внутренних винтовых зубьев 16 трубчатой оболочки 2, 14, дополнительно снижается уровень напряженно-деформированного состояния и изгиба зубьев 6 из резины, уменьшается их внутренний нагрев за счет того, что винтовые зубья 6 статора подвергаются меньшей деформации и изгибу при планетарно-роторном вращении ротора 7 внутри статора.

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, а также снижает темп падения частоты вращения ротора при увеличении крутящего момента на долоте.