RU2334073C2 - Bottom-hole motor - Google Patents
Bottom-hole motor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2334073C2 RU2334073C2 RU2006125790/03A RU2006125790A RU2334073C2 RU 2334073 C2 RU2334073 C2 RU 2334073C2 RU 2006125790/03 A RU2006125790/03 A RU 2006125790/03A RU 2006125790 A RU2006125790 A RU 2006125790A RU 2334073 C2 RU2334073 C2 RU 2334073C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- flexible shaft
- elements
- rotor
- motor
- engine
- Prior art date
Links
Landscapes
- Motor Or Generator Frames (AREA)
- Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к устройствам (машинам) для бурения скважин забойными двигателями.The invention relates to devices (machines) for drilling wells using downhole motors.
Известен винтовой забойный двигатель (см. а.с. СССР №926208 или обзорную информацию "Винтовые героторные гидравлические машины", Д.Ф.Балденко, ЦНИИНТИ, серия ХМ-4, 1983, стр.25...27, рис.14в, 15) с несоосным ротором двигателя и нижерасположенным шпиндельным валом, соединенным между собой кинематически гибким валом, имеющим соотношение между его длиной и диаметром 10...60. Недостатком этого двигателя, особенно при использовании многошаговых рабочих органов с полым ротором, является чрезмерный поперечный прогиб длинного, расположенного в полом роторе двигателя гибкого вала из-за вибраций двигателя и сил инерции, приводящих к поперечным перемещениям гибкого вала относительно двигателя, к дополнительной знакопеременной нагрузке самого гибкого вала и смежных с ним элементов двигателя, поломкам, снижению надежности двигателя. При этом тенденция на удлинение винтовых рабочих органов осложнила и даже исключила применение гибких валов в этих двигателях. Недостаточная продольная устойчивость длинных гибких валов, вызывает необходимость увеличения диаметра (массы) гибкого вала, что усугубляет предыдущие недостатки (прототип).The downhole screw motor is known (see AS USSR No. 926208 or overview information "Screw gyratory hydraulic machines", D.F. Baldenko, TsNIINTI, KhM-4 series, 1983, pp. 25 ... 27, Fig. 14c , 15) with a misaligned rotor of the engine and a spindle shaft below, connected to each other by a kinematically flexible shaft, having a ratio between its length and diameter of 10 ... 60. The disadvantage of this engine, especially when using multi-step working bodies with a hollow rotor, is the excessive lateral deflection of a long flexible shaft located in the hollow rotor of the engine due to engine vibrations and inertia forces leading to lateral movements of the flexible shaft relative to the engine, to an additional alternating load of flexible shaft and related engine components, breakdowns, reduced engine reliability. At the same time, the tendency to lengthen screw working bodies complicated and even excluded the use of flexible shafts in these engines. The insufficient longitudinal stability of long flexible shafts necessitates an increase in the diameter (mass) of the flexible shaft, which exacerbates the previous disadvantages (prototype).
Известен винтовой забойный двигатель (патент РФ №2185488) с эксцентричным, несоосным шпиндельному валу ротором, содержащий дополнительную радиальную опору, установленную на соединительной муфте шпинделя, связанной с ротором посредством узла их кинематического соединения, в частности посредством гибкого вала. Эта конструкция практически не предусматривает уменьшения динамических нагрузок и деформаций на узел кинематического соединения, а лишь их частичную локализацию.A downhole screw motor is known (RF patent No. 2185488) with an eccentric, misaligned spindle shaft rotor containing an additional radial support mounted on the spindle coupling connected to the rotor by means of a kinematic connection unit, in particular by means of a flexible shaft. This design practically does not provide for the reduction of dynamic loads and strains on the kinematic connection unit, but only their partial localization.
Известен гидравлический забойный двигатель (патент РФ №1756525) с несоосным ротором и шпиндельным валом, соединенными гибким валом, имеющим увеличенный момент инерции в его средней части. Эта конструкция позволяет увеличить продольную устойчивость гибкого вала, но не решает задачу кардинального уменьшения динамических нагрузок на гибкий вал и смежные с ним узлы двигателя.Known hydraulic downhole motor (RF patent No. 1756525) with an off-axis rotor and spindle shaft connected by a flexible shaft having an increased moment of inertia in its middle part. This design allows to increase the longitudinal stability of the flexible shaft, but does not solve the problem of drastically reducing the dynamic loads on the flexible shaft and adjacent engine components.
Известен забойный двигатель с несоосными ротором и шпиндельным валом, соединенными между собой валом-муфтой, снабженным в своей средней по длине части упругой радиальной опорой (см. патент РФ №1385685). Органическим недостатком забойного двигателя является то, что при работе двигателя вал-муфта по всей своей длине совершает переносное движение по окружности, радиус которой плавно уменьшается от эксцентриситета "е" в месте соединения с ротором до нуля в месте соединения со шпиндельным валом. То есть образуется центробежная (инерционная) сила, величина которой не зависит от наличия упругой радиальной опоры, которая функционально опорой не является, а служит лишь упругим передаточным элементом этой силы на корпус двигателя, препятствующей отвороту резьбы. Кроме того, следствием высокой жесткости вала-муфты является наличие больших перекашивающих сил, действующих на смежные с валом-муфтой элементы двигателя - опору, вал шпинделя, ротор двигателя.Known downhole motor with misaligned rotor and spindle shaft, interconnected by a coupling shaft, equipped in its middle part along the length of the elastic radial support (see RF patent No. 1385685). An organic disadvantage of the downhole motor is that when the motor is running, the shaft coupling makes a portable movement along the entire circumference, the radius of which gradually decreases from the eccentricity "e" at the junction with the rotor to zero at the junction with the spindle shaft. That is, a centrifugal (inertial) force is formed, the value of which does not depend on the presence of an elastic radial support, which is not a functional support, but serves only as an elastic transmission element of this force to the engine housing, which prevents the thread from opening. In addition, the consequence of the high stiffness of the shaft-coupling is the presence of large skew forces acting on adjacent to the shaft-coupling elements of the engine - support, spindle shaft, rotor of the engine.
Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи предотвращения поломок гибкого вала и смежных с ним деталей двигателя от его поперечных деформаций за счет повышения продольной устойчивости, уменьшения отрицательного воздействия динамических и вибрационных нагрузок на гибкий вал, перекашивающих сил.The present invention is aimed at solving the problem of preventing breakdown of the flexible shaft and adjacent engine parts from its transverse deformations by increasing longitudinal stability, reducing the negative impact of dynamic and vibration loads on the flexible shaft, distorting forces.
Решение указанной задачи достигается тем, что в забойном двигателе, включающем корпусные элементы со статором, роторные элементы с несоосными между собой ротором двигателя и нижерасположенным по ходу потока жидкости шпиндельным валом, кинематически связанные между собой гибким валом посредством концевых заделок, согласно предлагаемому техническому решению двигатель снабжен промежуточными радиальными опорами, обеспечивающими увеличение продольной устойчивости и ограничивающими радиальное (поперечное) перемещение гибкого вала относительно роторных элементов двигателя и/или его корпусных элементов в интервале нижней трети гибкого вала.The solution to this problem is achieved by the fact that in a downhole motor, which includes hull elements with a stator, rotor elements with an off-rotor motor rotor and a spindle shaft downstream of the fluid flow kinematically connected by a flexible shaft by means of end seals, according to the proposed technical solution, the engine is equipped intermediate radial bearings providing an increase in longitudinal stability and limiting the radial (transverse) movement of the flexible shaft relative respect of rotary elements of the engine and / or housing elements in the range of the lower third of the flexible shaft.
Кроме того, по крайней мере, одну из промежуточных радиальных опор целесообразно выполнять упругой с возможностью допущения регламентированного радиального смещения гибкого вала, смягчения динамических и вибрационных нагрузок.In addition, at least one of the intermediate radial bearings, it is advisable to perform elastic with the possibility of admitting a regulated radial displacement of the flexible shaft, mitigate the dynamic and vibration loads.
На чертеже показан вариант двигателя в разрезе с несоосными ротором и шпиндельным валом, соединенными между собой кинематически гибким валом с установкой предлагаемых опор.The drawing shows a variant of the engine in section with an off-axis rotor and a spindle shaft, interconnected by a kinematically flexible shaft with the installation of the proposed supports.
Двигатель содержит статор 1, внутренняя винтовая рабочая резиновая обкладка которого находится в зацеплении с наружной винтовой рабочей поверхностью ротора 2 с возможностью его планетарного вращения, т.е. центральные оси 3 и 4 соответственно статора 1 и ротора 2 не совпадают.The engine comprises a stator 1, the inner screw working rubber lining of which is engaged with the outer screw working surface of the rotor 2 with the possibility of planetary rotation, i.e. the central axes 3 and 4, respectively, of the stator 1 and rotor 2 do not match.
Ротор 2 и шпиндельный вал 5 также несоосны, т.е. их оси соответственно 4 и 6 также не совпадают. Эта несоосность является результатом указанного выше эксцентричного расположения ротора 2 относительно статора 1, а также искривления корпусных элементов, например, соединительного переводника 7 в двигателе-отклонителе.The rotor 2 and the spindle shaft 5 are also misaligned, i.e. their axes 4 and 6, respectively, also do not coincide. This misalignment is the result of the above eccentric arrangement of the rotor 2 relative to the stator 1, as well as the curvature of the housing elements, for example, the connecting sub 7 in the motor-deflector.
Роторные элементы двигателя: ротор 2 и шпиндельный вал 5 соединены между собой кинематически гибким валом 8 посредством полумуфт 9 и 10 соответственно с верхней частью полого ротора 2 и шпиндельным валом 5.Rotor elements of the engine: rotor 2 and spindle shaft 5 are connected to each other by a kinematically flexible shaft 8 by means of coupling halves 9 and 10, respectively, with the upper part of the hollow rotor 2 and spindle shaft 5.
Вышеперечисленные роторные элементы и другие элементы, скрепленные с ними, образуют систему ротора.The above rotor elements and other elements bonded to them form a rotor system.
Полумуфты 9 и 10 согласно теории продольной устойчивости являются жесткими концевыми заделками (кинематическими связями) гибкого вала, как гибкого стержня, ограничивающими поперечно-линейные и угловые перемещения концов гибкого вала.The coupling halves 9 and 10, according to the theory of longitudinal stability, are rigid end terminations (kinematic bonds) of a flexible shaft as a flexible rod, restricting the transverse-linear and angular movements of the ends of the flexible shaft.
Отличительной особенностью двигателя является наличие в нем промежуточных радиальных опор (промежуточных кинематических связей), повышающих продольную устойчивость гибкого вала, а именно промежуточных радиальных опор 11, центрирующих гибкий вал 8 относительно других элементов системы ротора. В данном варианте они расположены в расточке ротора 2 винтового двигателя. Кроме того, двигатель снабжен промежуточной радиальной опорой (кинематической связью) 12, закрепленной в корпусном элементе, а именно в соединительном переводнике 7, и ограничивающей возможность радиального перемещения (поперечного прогиба) гибкого вала 8 относительно системы корпуса в нижней трети 13 общей гибкой части 14 гибкого вала 8. (Корпусными элементами являются статор 1, корпус шпинделя 19 и другие элементы двигателя, например соединительный переводник 7, скрепленные между собой в систему корпуса). Для повышения износостойкости при расположении опор 12 в корпусных элементах гибкий вал целесообразно оснастить втулкой радиальной опоры 15. Крепление промежуточных радиальных опор 11, центрирующих гибкий вал 8 относительно роторных элементов двигателя, осуществляется или на гибком валу, или в роторных элементах двигателя, например в полом роторе 2.A distinctive feature of the engine is the presence in it of intermediate radial bearings (intermediate kinematic links) that increase the longitudinal stability of the flexible shaft, namely intermediate radial bearings 11, centering the flexible shaft 8 relative to other elements of the rotor system. In this embodiment, they are located in the bore of the rotor 2 of the screw motor. In addition, the engine is equipped with an intermediate radial support (kinematic connection) 12, mounted in the housing element, namely in the connecting sub 7, and limiting the possibility of radial movement (lateral deflection) of the flexible shaft 8 relative to the housing system in the lower third 13 of the common flexible part 14 of the flexible shaft 8. (The housing elements are the stator 1, the spindle housing 19 and other motor elements, for example a connecting sub 7, fastened together in a housing system). To increase the wear resistance when the bearings 12 are located in the housing elements, it is advisable to equip the flexible shaft with a sleeve of the radial support 15. The intermediate radial bearings 11, centering the flexible shaft 8 relative to the rotor elements of the engine, are mounted either on the flexible shaft or in the rotor elements of the engine, for example, in a hollow rotor 2.
Гибкий вал 8 может центрироваться промежуточными радиальными опорами (кинематическими связями) относительно отцентрированных в корпусных элементах роторных элементов двигателя: в полом валу 5 нижерасположенного шпинделя, полом валу вышерасположенной турбинной двигательной секции (на чертеже не показаны) и/или в скрепленных с ними элементах. Причем, указанные валы в свою очередь отцентрированы относительно корпуса двигателя радиальными опорами (радиальными подшипниками). Так, на чертеже показана промежуточная радиальная опора 16 (кинематическая связь), расположенная в элементе системы ротора, а именно в полом удлинителе 17, скрепленном с полумуфтой 10 шпиндельного вала 5, который отцентрирован относительно корпусного элемента, а именно корпуса шпинделя 18, радиальными опорами (радиальными подшипниками) 19.The flexible shaft 8 can be centered by intermediate radial bearings (kinematic links) relative to the rotor elements of the engine centered in the housing elements: in the hollow shaft 5 of the downstream spindle, the hollow shaft of the upstream turbine engine section (not shown in the drawing) and / or in the elements attached to them. Moreover, these shafts, in turn, are centered relative to the motor housing with radial bearings (radial bearings). So, the drawing shows an intermediate radial support 16 (kinematic connection) located in the element of the rotor system, namely in the hollow extension 17, fastened to the coupling half 10 of the spindle shaft 5, which is centered relative to the housing element, namely the spindle housing 18, with radial bearings ( radial bearings) 19.
Как вариант исполнения возможно соединение одного или обоих концов гибкого вала не жесткими заделками (полумуфтами 9 и 10), а шарнирными соединениями, т.е. заделками (кинематическими связями), допускающими угловое перемещение концов гибкого вала относительно ротора 2 двигателя и шпиндельного вала 5.As an embodiment, it is possible to connect one or both ends of the flexible shaft not by rigid terminations (coupling halves 9 and 10), but by articulated joints, i.e. terminations (kinematic relationships) allowing the angular movement of the ends of the flexible shaft relative to the rotor 2 of the engine and spindle shaft 5.
Количество, месторасположение, вид, жесткость (упругость) промежуточных опор 11, 12, 16 устанавливается выбором оптимальных вариантов на основе расчета деформаций и напряжений в гибком валу как статически неопределимой балки с учетом действия центробежных сил инерции. Оптимальные варианты проверяются на продольно-поперечную устойчивость и уточняются по результатам работы двигателей.The number, location, type, rigidity (elasticity) of the intermediate supports 11, 12, 16 is established by choosing the best options based on the calculation of deformations and stresses in the flexible shaft as a statically indeterminate beam, taking into account the action of centrifugal inertia forces. Optimal options are checked for longitudinal-transverse stability and are specified according to the results of engine operation.
Отличительная особенность работы предлагаемого забойного двигателя заключается в том, что при вращении роторной системы промежуточные радиальные опоры 11, 12, 16 (кинематические связи) гибкого вала 8 предотвращают неконтролируемое, взаимообусловленное нарастание поперечного прогиба гибкого вала 8 и сил инерции, а следовательно, и напряжений в гибком валу 8. Опоры как закрепленные в корпусных элементах (опора 12), так и в роторных элементах, скрепленных со шпиндельным валом, например, в полом удлинителе 17 (опора 16) или с отцентрированным в корпусе турбинным валом (на чертеже не показана), практически полностью предотвращают образование инерционных сил, действующих на смежные с ним элементы, таких как удлинитель 17, полумуфту 10, вал 5 шпинделя, опору 19, а также переводник 7. Опоры 11, центрирующие гибкий вал 8 относительно ротора 2 винтового двигателя и жестко скрепленных с ним элементов, не исключают действие инерционных сил, так как ось 4 ротора 2 движется по окружности с радиусом, равным эксцентриситету, т.е. расстоянию между осью 3 статора 1 и осью 4 ротора 2, однако они предотвращают взаимообусловленный неконтролируемый рост поперечных деформаций и инерционных сил, а следовательно, напряжений в гибком вале 8 и инерционной нагрузки на резиновую обкладку статора 1.A distinctive feature of the proposed downhole motor is that during rotation of the rotor system the intermediate radial bearings 11, 12, 16 (kinematic connections) of the flexible shaft 8 prevent an uncontrolled, interdependent increase in the transverse deflection of the flexible shaft 8 and the inertia forces, and hence the stresses in flexible shaft 8. Supports both fixed in housing elements (support 12), and in rotor elements fastened to the spindle shaft, for example, in a hollow extension 17 (support 16) or centered in the housing e with a turbine shaft (not shown in the drawing), almost completely prevent the formation of inertial forces acting on adjacent elements, such as an extension 17, a coupling half 10, a spindle shaft 5, a support 19, and a sub 7. Supports 11, centering the flexible shaft 8 relative to the rotor 2 of the screw motor and the elements rigidly attached to it, do not exclude the action of inertial forces, since the axis 4 of the rotor 2 moves in a circle with a radius equal to the eccentricity, i.e. the distance between the axis 3 of the stator 1 and the axis 4 of the rotor 2, however, they prevent an interdependent uncontrolled increase in lateral deformations and inertial forces, and therefore, stresses in the flexible shaft 8 and inertial load on the rubber lining of the stator 1.
При использовании промежуточных радиальных опор 11 гибкого вала устраняется нежелательный эффект спиралеобразной деформации гибкого вала 8, т.е. отставание по фазе поперечных прогибов нижней части вала 8 от его верхней части.When using the intermediate radial bearings 11 of the flexible shaft, the unwanted effect of the spiral deformation of the flexible shaft 8, i.e. phase lag of the transverse deflections of the lower part of the shaft 8 from its upper part.
Продольная устойчивость гибкого вала в первом приближении увеличивается обратнопропорционально квадрату расстояния между промежуточными опорами 11, 12, 16. Поэтому, при установке даже одной промежуточной радиальной опоры продольная устойчивость гибкого вала увеличивается при работе двигателя в 2...4 раза. При этом соотношение lсв/d между свободной длиной lсв гибкого вала и ее диаметром d можно выдерживать в интервале 30...45, т.е. (см., например, график, приведенный в прототипе) иметь оптимальные комбинации значений жесткости, поперечной силы, запаса устойчивости и напряжений в гибком вале.To a first approximation, the longitudinal stability of the flexible shaft increases in inverse proportion to the square of the distance between the intermediate bearings 11, 12, 16. Therefore, when even one intermediate radial support is installed, the longitudinal stability of the flexible shaft increases by 2 ... 4 times. Moreover, the ratio l sv / d between the free length l sv of the flexible shaft and its diameter d can be maintained in the range 30 ... 45, i.e. (see, for example, the graph shown in the prototype) to have the optimal combination of stiffness, shear force, margin of safety and stress in a flexible shaft.
Варьируя количеством промежуточных радиальных опор гибкого вала, можно уменьшать его диаметр, минимизировать отрицательное влияние массы гибкого вала на поперечные вибрации двигателя, улучшить энергетическую характеристику двигателя.By varying the number of intermediate radial bearings of the flexible shaft, it is possible to reduce its diameter, minimize the negative effect of the mass of the flexible shaft on the transverse vibrations of the engine, and improve the energy performance of the engine.
При бурении на собственные вибрации винтового двигателя, вызванные неуравновешенной массой его ротора, налагаются зубковые вибрации долота. Для снижения отрицательного ударного воздействия зубковых вибраций в их высокочастотном спектре на опоры 11, 12, 16 двигатель целесообразно оснащать упругими промежуточными радиальными опорами.When drilling on the propeller’s own vibrations caused by the unbalanced mass of its rotor, the tooth vibrations of the bit are superimposed. To reduce the negative impact of tooth vibrations in their high-frequency spectrum on bearings 11, 12, 16, it is advisable to equip the engine with elastic intermediate radial bearings.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006125790/03A RU2334073C2 (en) | 2006-07-18 | 2006-07-18 | Bottom-hole motor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006125790/03A RU2334073C2 (en) | 2006-07-18 | 2006-07-18 | Bottom-hole motor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2006125790A RU2006125790A (en) | 2008-01-27 |
| RU2334073C2 true RU2334073C2 (en) | 2008-09-20 |
Family
ID=39109440
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006125790/03A RU2334073C2 (en) | 2006-07-18 | 2006-07-18 | Bottom-hole motor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2334073C2 (en) |
-
2006
- 2006-07-18 RU RU2006125790/03A patent/RU2334073C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| БАЛДЕНКО Д.Ф. и др. Винтовые забойные двигатели. - М.: Недра, 1999, с.69-71, 268-271. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2006125790A (en) | 2008-01-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10753159B1 (en) | Flexible coupling | |
| RU2629315C2 (en) | Rotor bearing for downhole drilling motor with moving cavity | |
| US9482223B2 (en) | Apparatus and method for controlling or limiting rotor orbit in moving cavity motors and pumps | |
| CN111201365B (en) | Vibration assembly and method | |
| US20120132470A1 (en) | Apparatus and method for controlling or limiting rotor orbit in moving cavity motors and pumps | |
| CN110410000B (en) | Well drilling assisting tool | |
| US20160040486A1 (en) | Drill Motor Connecting Rod | |
| NO871171L (en) | SCREW MACHINE. | |
| RU2017145614A (en) | MILLING MACHINE WITH SMALL-SIZE HYDRAULIC WAKING ENGINE | |
| CN102913165A (en) | Well-drilling downhole turbine-drive while-drilling vibrator | |
| CN104120971A (en) | Torsion generator for providing one-way impact | |
| US4449953A (en) | Articulated coupling | |
| EA001702B1 (en) | Downhole motor assembly | |
| CN205422537U (en) | Two effect water conservancy vibration drag reduction drilling tools of turbine powered | |
| RU2334073C2 (en) | Bottom-hole motor | |
| EA034469B1 (en) | Cv joint for drilling motor and method | |
| RU2726690C1 (en) | Spindle of screw downhole motor | |
| CN113767208A (en) | Wear resistant vibratory assembly and method | |
| RU2285781C1 (en) | Drive shaft to connect screw gerotor hydromachine with spindle | |
| RU2367761C2 (en) | Hydraulic downhole motor | |
| WO1998020228A1 (en) | Turbodrill with reduction gear | |
| RU2387783C1 (en) | Screw downhole motor | |
| RU2304688C2 (en) | Gerotor fluid drive or pump | |
| RU2011778C1 (en) | Screw face motor | |
| RU2405903C1 (en) | Drive shaft of hydraulic downhole motor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140719 |