EA022524B1

EA022524B1 - Volumetric downhole motor

Info

Publication number: EA022524B1
Application number: EA201300055A
Authority: EA
Inventors: Токтамыс Нусипхулович Мендебаев
Original assignee: Товарищество С Ограниченной Ответственностью "Научно-Внедренческий Центр Алмас"
Priority date: 2012-09-10
Filing date: 2012-11-09
Publication date: 2016-01-29
Also published as: EA201300055A1

Abstract

The invention relates to well-drilling equipment, in particular to downhole hydraulic motors of vane type. The invention is aimed at improved operating reliability of the volumetric downhole motor. The technical result is achievement of an increased torque on the shaft and reduced hydrodynamic opposite resistance to rotation of vanes in the annular cavity. In the volumetric downhole motor comprising a body accommodating an axially disposed rotatable shaft that forms, together with the body, an annular cavity where semi-cylindrical vanes are located and secured to the shaft so that they are inclined along the direction of rotation, internal surfaces of vanes are rough and have protrusions and depressions transverse to the vane height in the form of arc convexly oriented downwards, the external surface of vanes is polished to full gloss, the bottom part of the shaft having a central channel and side radial holes entering the central channel from the annular cavity below the vanes in the direction of shaft rotation.

Description

Изобретение относится к средствам бурения скважин, а именно к забойным гидравлическим двигателям лопастного типа.The invention relates to a means of drilling wells, namely, downhole hydraulic motors of a blade type.

Известен объемный забойный двигатель, включающий цилиндрический корпус, переводник, установленный в полости корпуса вал с лопастями, патент Российской Федерации № 2049902, кл. Е21В 4/02, 1995.Known volume downhole motor, including a cylindrical body, a sub installed in the cavity of the body shaft with blades, patent of the Russian Federation No. 2049902, cl. ЕВВ 4/02, 1995.

В данной конструкции лопасти, закрепленные на валу силой пружины, прижаты к внутренней поверхности корпуса, из-за чего возникает рост силы трения вращению вала и появляется нестабильность в работе объемного забойного двигателя.In this design, the blades mounted on the shaft by the force of the spring are pressed against the inner surface of the housing, which causes an increase in the friction force to the rotation of the shaft and instability in the operation of the volumetric downhole motor.

За прототип принят объемный забойный двигатель, содержащий корпус, внутри которого с возможностью вращения соосно расположен вал, образующий с корпусом кольцевую полость, где размещены и наклонно по ходу вращения к валу прикреплены лопасти формой полуцилиндра, патент Российской Федерации № 2220270, кл. 7Е21В 4/02, 2001.The prototype is a volumetric downhole motor containing a housing, inside of which a shaft is rotatably coaxially disposed, forming an annular cavity with the housing, where the blades are mounted and are obliquely attached to the shaft by the shape of a half cylinder, patent of the Russian Federation No. 2220270, class. 7E21B 4/02, 2001.

Недостатки прототипа - низкие значения крутящего момента на валу и присутствие гидродинамического встречного сопротивления вращению лопастей в кольцевой полости, что снижает надежность работы объемного забойного двигателя.The disadvantages of the prototype are low values of torque on the shaft and the presence of hydrodynamic counter resistance to rotation of the blades in the annular cavity, which reduces the reliability of the operation of a volume downhole motor.

Задача изобретения - повышение надежности работы объемного забойного двигателя.The objective of the invention is to increase the reliability of the displacement downhole motor.

Технический результат - достижение усиленного крутящего момента на валу и снижение гидродинамического встречного сопротивления вращению лопастей в кольцевой полости.The technical result is the achievement of increased torque on the shaft and the reduction of hydrodynamic counter-resistance to rotation of the blades in the annular cavity.

Технический результат достигается тем, что в объемном забойном двигателе, содержащем корпус, внутри которого с возможностью вращения соосно расположен вал, образующий с корпусом кольцевую полость, где размещены и наклонно по ходу вращения к валу прикреплены лопасти формой полуцилиндра, согласно изобретению внутренняя поверхность лопастей выполнена шероховатой, имеющей поперечные к высоте лопастей выступы и впадины в виде дуги, выпукло ориентированные книзу, внешняя поверхность лопастей выполнена чистотой до зеркального блеска, при этом в нижней части вал снабжен центральным каналом и боковыми радиальными отверстиями, входящими в центральный канал из кольцевой полости ниже лопастей по направлению вращения вала.The technical result is achieved by the fact that in a volumetric downhole motor containing a housing, inside which a shaft is rotatably coaxially disposed, forming an annular cavity with the housing, where the blades are arranged half-cylinder and are attached obliquely to the shaft, according to the invention, the inner surface of the blades is roughened having protrusions and depressions transverse to the height of the blades in the form of an arc, convexly oriented downward, the outer surface of the blades is made clean to a mirror shine, at ohm at the bottom of the shaft is provided with a central bore and the lateral radial openings, outside the central passage of the annular space below the blade in the direction of shaft rotation.

Совокупности отличительных признаков изобретения - внутренняя поверхность лопастей выполнена шероховатой, имеющей поперечные к высоте лопастей выступы и впадины в виде дуги, выпукло ориентированные книзу, внешняя поверхность лопастей выполнена чистотой до зеркального блеска, при попадании в пространство между лопастями поток рабочей жидкостей меняет направление сообразно с наклоном лопастей, и одна боковая сторона потока соприкасается с шероховатой внутренней поверхностью, другая боковая сторона потока граничит с внешней поверхностью лопастей чистотой до зеркального блеска. В силу чего в кольцевой полости произойдет перераспределение давлений и скорости потока рабочей жидкости, наибольшее давление и наименьшая скорость наблюдаются у внутренней поверхности лопастей и наименьшее давление и наибольшая скорость - у внешней поверхности лопастей, чем обеспечивается создание усиленного крутящего момента лопастей, прикрепленных к валу.The set of distinguishing features of the invention is that the inner surface of the blades is transverse to the height of the blades of the protrusions and depressions in the form of an arc, convexly oriented downward, the outer surface of the blades is clean to a mirror shine, when the fluid flows between the blades, the direction of the working fluid changes direction according to the slope blades, and one side of the stream is in contact with a rough inner surface, the other side of the stream is adjacent to the outer surface Tew blades clean to a mirror finish. As a result of which in the annular cavity there will be a redistribution of pressures and flow rates of the working fluid, the highest pressure and lowest speed are observed at the inner surface of the blades and the lowest pressure and highest speed are at the outer surface of the blades, which ensures the creation of enhanced torque of the blades attached to the shaft.

Кроме того, часть потока рабочей жидкости протекает по внутренней шероховатой поверхности лопастей и, растекаясь к периферии по выступам и впадинам в виде дуги, выпукло ориентированным книзу, создает дополнительное давление на лопасти в направлении вращения вала и тем самым способствует повышению значений крутящего момента последнего.In addition, part of the flow of working fluid flows along the inner rough surface of the blades and, spreading to the periphery along the protrusions and depressions in the form of an arc, convexly oriented downward, creates additional pressure on the blades in the direction of rotation of the shaft and thereby increases the torque values of the latter.

К тому же, из-за высокой скорости потока рабочей жидкости у внешней поверхности лопастей чистотой до зеркального блеска создается пристенная зона разрежения, от внутренней шероховатой поверхности встречной лопасти поток рабочей жидкости отражается под меньшим углом и увлекается потоком высокой скорости без возможности проникновения в пристенную зону разрежения, чем достигается снижение гидродинамического встречного сопротивления вращению лопастей в кольцевой полости.In addition, due to the high velocity of the working fluid flow, a near-wall rarefaction zone is created at the outer surface of the blades with a cleanliness to a mirror shine, from the inner rough surface of the oncoming blade, the working fluid flow is reflected at a smaller angle and is carried away by the high-speed flow without the possibility of penetrating into the wall-mounted rarefaction zone what is achieved by reducing the hydrodynamic counter resistance to rotation of the blades in the annular cavity.

Признак изобретения - в нижней части вал снабжен центральным каналом и боковыми радиальными отверстиями, входящими в центральный канал из кольцевой полости ниже лопастей по направлению вращения вала, вращающийся совместно с валом поток рабочей жидкости при входе в радиальные отверстия поворачивается, и гидродинамическое давление в месте поворота у передней по направлению вращения стенки радиального отверстия повышается, у задней стенки снижается, что также ведет к повышению значений крутящего момента вала.A feature of the invention — in the lower part, the shaft is provided with a central channel and lateral radial holes that enter the central channel from the annular cavity below the blades in the direction of rotation of the shaft, the fluid flow rotates together with the shaft when entering the radial holes, and the hydrodynamic pressure at the turning point the front in the direction of rotation of the wall of the radial hole increases, at the rear wall decreases, which also leads to an increase in the torque of the shaft.

Существенные признаки изобретения имеют причинно-следственную связь, обеспечивают достижение технического результата и решение поставленной задачи изобретения.The essential features of the invention have a causal relationship, ensure the achievement of a technical result and the solution of the problem of the invention.

На фиг. 1 показан общий вид объемного забойного двигателя, на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1, на фиг. 3 - разрез по Б-Б на фиг. 1.In FIG. 1 shows a general view of a displacement downhole motor; FIG. 2 is a section along AA in FIG. 1, in FIG. 3 is a section along BB in FIG. one.

Объемный забойный двигатель содержит переводник 1 с промывочными каналами 2, соединенный с переводником 1 корпус 3, внутри которого с возможностью вращения относительно переводника 1 на верхнем 4 и нижнем 5 подшипниках расположен вал 6, образующий с корпусом 3 кольцевую полость 7.The downhole displacement motor contains an adapter 1 with flushing channels 2, a housing 3 connected to the adapter 1, inside which a shaft 6 is located on the upper 4 and lower 5 bearings, forming an annular cavity 7 with the housing 3.

При этом верхний подшипник 4 установлен в нижней половинке переводника 1, нижний подшипник 5 - в корпусе 3.In this case, the upper bearing 4 is installed in the lower half of the sub 1, the lower bearing 5 is in the housing 3.

В кольцевой полости 7 размещены и наклонно по ходу вращения к валу 6 прикреплены лопасти 8 формой полуцилиндра. Внутренняя поверхность 9 лопастей 8 выполнена шероховатой, имеющей попе- 1 022524 речные к высоте лопастей 8 выступы и впадины в виде дуги 10, выпукло ориентированные книзу. Внешняя поверхность 11 лопастей 8 выполнена чистотой до зеркального блеска.In the annular cavity 7 are placed and obliquely in the direction of rotation to the shaft 6 attached blades 8 in the form of a half cylinder. The inner surface 9 of the blades 8 is made rough, having protrusions and depressions transverse to the height of the blades 8 and arches in the form of an arc 10 convexly oriented downward. The outer surface 11 of the blades 8 is made clean to a mirror shine.

Вал 6 в нижней части снабжен центральным каналом 12 и боковыми радиальными отверстиями 13, входящими в центральный канал 12 из кольцевой полости 7 ниже лопастей 8 по направлению вращения вала 6.The shaft 6 in the lower part is provided with a central channel 12 and side radial holes 13 included in the Central channel 12 from the annular cavity 7 below the blades 8 in the direction of rotation of the shaft 6.

Объемный забойный двигатель работает следующим образом.Volume downhole motor works as follows.

Поток рабочей жидкости через промывочные каналы 2 переводника 1 поступает в кольцевую полость 7, образованную корпусом 3 и валом 6, и сообразно с наклоном лопастей 8 меняет направление, создавая наибольшую нагрузку от перепада давления и веса столба рабочей жидкости на внутреннюю шероховатую поверхность 9 лопастей 8, преобразуемую в крутящий момент вала 6, вращающегося на верхнем 4 и нижнем подшипниках 5 относительного переводника 1.The flow of the working fluid through the washing channels 2 of the sub 1 enters the annular cavity 7 formed by the housing 3 and the shaft 6, and in accordance with the inclination of the blades 8 changes direction, creating the greatest load from the pressure drop and the weight of the column of the working fluid on the inner rough surface of 9 blades 8, converted to the torque of the shaft 6, rotating on the upper 4 and lower bearings 5 of the relative sub 1.

Далее, часть потока рабочей жидкости протекает по внутренней шероховатой поверхности 9 и, растекаясь к периферии по выступам и впадинам в виде дуги 10, выпукло ориентированным книзу, создает дополнительное давление на лопасти 8, способствующее повышению значений крутящего момента на валу 6.Further, part of the flow of the working fluid flows along the inner rough surface 9 and, spreading to the periphery along the protrusions and depressions in the form of an arc 10, convexly oriented downward, creates additional pressure on the blades 8, which contributes to an increase in torque values on the shaft 6.

При этом данная часть потока отражается от внутренней шероховатой поверхности 9 под меньшим углом и увлекается другой частью потока рабочей жидкости, движущейся с высокой скоростью у внешней поверхности 11 лопастей 8, и характеризуется снижением силы гидродинамического встречного сопротивления вращению лопастей 8 в кольцевой полости 7.Moreover, this part of the flow is reflected from the inner rough surface 9 at a smaller angle and is carried away by the other part of the flow of the working fluid moving at high speed at the outer surface 11 of the blades 8, and is characterized by a decrease in the force of hydrodynamic counter resistance to rotation of the blades 8 in the annular cavity 7.

В дальнейшем, поток рабочей жидкости из кольцевой полости 7 поворотом по направлению вращения вала 6 через боковые радиальные отверстия 13 поступает в центральный канал 12, происходит усиление крутящего момента на валу 6, передаваемого на породоразрушающий инструмент (не показан).Further, the flow of the working fluid from the annular cavity 7 by rotation in the direction of rotation of the shaft 6 through the lateral radial holes 13 enters the Central channel 12, there is an increase in torque on the shaft 6, transmitted to the rock cutting tool (not shown).

Эксперименты, проведенные в лабораторных условиях по испытанию опытного образца объемного забойного двигателя, изготовленного в соответствии с формулой изобретения наружным диаметром корпуса 127 мм, показали, что при минимальных для этого диаметра расходах рабочей жидкости в пределах 120-160 л/мин достигнуты стабильные значения крутящего момента на валу, достаточные для бурения скважин по твердым и крепким горным породам.Experiments conducted in laboratory conditions to test a prototype of a volumetric downhole motor made in accordance with the claims with an outer diameter of the body of 127 mm showed that at a minimum flow rate of the working fluid within this range of 120-160 l / min, stable torque values were achieved on the shaft, sufficient for drilling wells on hard and strong rocks.

Claims

CLAIM

Volumetric downhole motor, comprising a housing within which a shaft coaxially is located coaxially, forming an annular cavity with the housing, where the blades of a semi-cylinder are attached and obliquely along the rotation to the shaft, characterized in that the inner surface of the blades is made rough, having transverse to height blades protrusions and hollows in the form of an arc, convexly oriented downwards, the outer surface of the blades is made clean to a mirror-like shine, while in the lower part the shaft is provided with scarlet and lateral radial openings, outside the central passage of the annular space below the blade in the direction of shaft rotation.