RU2524238C2 - Borehole helical motor - Google Patents

Borehole helical motor Download PDF

Info

Publication number
RU2524238C2
RU2524238C2 RU2012135393/03A RU2012135393A RU2524238C2 RU 2524238 C2 RU2524238 C2 RU 2524238C2 RU 2012135393/03 A RU2012135393/03 A RU 2012135393/03A RU 2012135393 A RU2012135393 A RU 2012135393A RU 2524238 C2 RU2524238 C2 RU 2524238C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output shaft
rotor
stator
working bodies
screw
Prior art date
Application number
RU2012135393/03A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012135393A (en
Inventor
Дмитрий Федорович Балденко
Федор Дмитриевич Балденко
Денис Иванович Балетинских
Владимир Григорьевич Воробьев
Александр Вячеславович Лунев
Сергей Михайлович Селиванов
Алексей Сергеевич Смирнов
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Пермнефтемашремонт"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Пермнефтемашремонт" filed Critical Открытое акционерное общество "Пермнефтемашремонт"
Priority to RU2012135393/03A priority Critical patent/RU2524238C2/en
Publication of RU2012135393A publication Critical patent/RU2012135393A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2524238C2 publication Critical patent/RU2524238C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Rotary Pumps (AREA)
  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)

Abstract

FIELD: engines and pumps.
SUBSTANCE: invention relates to borehole helical motors. This motor consists of two, tope and bottom sections. Each of the latter comprises screw working members built around multistart gerotor mechanism with internal cycloidal engagement. Spindle with output shaft runs in axial and radial bearings. Hinge joint of rotor helical working members with output shaft and fluid passages. Helical working members stator of top section is fixed at drilling string. Bottom section output shaft is coupled with rock cutting tool. Top section output shaft is rigidly coupled with bottom section helical working member stator fitted in adapter bore coupling fixed bodies of spindles and concentrically spinning in adapter radial bearing.
EFFECT: enhanced power characteristics, particularly, higher output shaft rpm.
2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, а именно к технике и технологии бурения нефтяных и газовых скважин с использованием гидравлических забойных двигателей.The invention relates to the oil and gas industry, and in particular to equipment and technology for drilling oil and gas wells using hydraulic downhole motors.

Известны винтовые забойные двигатели (ВЗД) для привода породоразрушающего инструмента при бурении и капитальном ремонте скважин [Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Одновинтовые гидравлические машины, т.2. - М.: ИРЦ «Газпром», 2007]. Рабочим органом ВЗД является зубчатая косозубая пара с внутренним циклоидальным зацеплением, состоящая из металлического ротора и статора с эластичной обкладкой, между винтовыми поверхностями которых образуются рабочие камеры.Known downhole motors (VZD) for driving a rock cutting tool during drilling and workover [Baldenko DF, Baldenko FD, Gnoev AN Single-screw hydraulic machines, t.2. - M.: IRC Gazprom, 2007]. The working body of the VZD is a helical gear pair with internal cycloidal gearing, consisting of a metal rotor and a stator with an elastic lining, between which helical surfaces work chambers are formed.

При работе ВЗД ротор, обкатываясь внутри обкладки неподвижного статора, совершает планетарное движение (вращается относительно собственной оси, которая обращается в переносном движении вокруг неподвижной оси двигателя), а выходной вал, соединенный с ротором посредством шарнирного соединения, совершает концентричное вращение в радиальных опорах шпиндельной секции. Угловая скорость оси ротора в переносном движении в z2 раза больше угловой скорости ротора в абсолютном движении, которая соответствует угловой скорости выходного вала и породоразрушающего инструмента, что вследствие действия инерционных центробежных сил во многом определяет допускаемый скоростной режим ВЗД и ограничивает быстроходность многозаходных высокомоментных двигателей (z2>5) на уровне 100-200 об/мин.During the operation of the VZD, the rotor, running around inside the lining of the fixed stator, performs a planetary motion (rotates relative to its own axis, which rotates around the stationary axis of the motor in a portable motion), and the output shaft connected to the rotor by means of a swivel joint performs concentric rotation in the radial bearings of the spindle section . The angular velocity of the rotor axis in portable motion is z 2 times greater than the angular velocity of the rotor in absolute motion, which corresponds to the angular velocity of the output shaft and rock cutting tool, which, due to the action of inertial centrifugal forces, determines in many respects the permissible high-speed reverse-flow mode and limits the speed of multi-stroke high-torque engines (z 2 > 5) at the level of 100-200 rpm.

Вместе с тем в современных технологиях бурения в определенных горно-геологических условиях повышение эффективности строительства скважины может быть достигнуто только на основе использования моментоемких долот типа PDC с поликристаллическими или твердосплавными пластинами, для рациональной отработки которых требуется обеспечить средне- и высокооборотные режимы с частотой вращения не менее 300 об/мин.At the same time, in modern drilling technologies in certain geological conditions, an increase in the efficiency of well construction can be achieved only through the use of moment-intensive PDC bits with polycrystalline or carbide inserts, for the rational development of which it is necessary to provide medium- and high-speed modes with a rotation speed of at least 300 rpm

При использовании ВЗД стандартного конструктивного исполнения указанный скоростной режим может быть достигнут только за счет снижения рабочего объема двигателя путем перехода на винтовые пары с меньшей заходностью. Однако при этом требуемое снижение рабочего объема сопровождается снижением крутящего момента ВЗД, что не соответствует характеристикам долот типа PDC. В этой связи для создания ВЗД, одновременно отвечающего требованиям высокой частоты вращения и высокого крутящего момента, приходится существенно увеличивать перепад давления в рабочих органах, т.е. использовать удлиненные рабочие органы с целью обеспечения необходимого числа контактных линий, разделяющих вход и выход гидромашины, выбираемого по условию допускаемого межвиткового перепада давления между камерами ВЗД. Недостатком такого технического решения является увеличение осевого габарита ВЗД и усложнение технологии изготовления протяженных рабочих органов, что отрицательно сказывается на технико-экономических показателях применения ВЗД.When using the VZD of the standard design, the indicated high-speed mode can be achieved only by reducing the engine displacement by switching to screw pairs with a lower set-up. However, in this case, the required decrease in the working volume is accompanied by a decrease in the torque of the VZD, which does not correspond to the characteristics of PDC bits. In this regard, in order to create a VZD that simultaneously meets the requirements of a high speed and high torque, it is necessary to significantly increase the pressure drop in the working bodies, i.e. use elongated working bodies in order to ensure the necessary number of contact lines separating the inlet and outlet of the hydraulic machine, selected on the condition of the permissible inter-turn differential pressure between the chambers of the airway. The disadvantage of this technical solution is the increase in the axial dimension of the VZD and the complexity of the manufacturing technology of long working bodies, which negatively affects the technical and economic performance of the VZD.

Другим возможным техническим решением при разработке высокооборотного высокомоментного ВЗД является переход на нестандартную кинематическую схему его рабочих органов с дополнительной подвижностью одного из элементов (ротора или статора), в которой ни один из элементов винтовой пары не остается неподвижным в ходе рабочего процесса.Another possible technical solution in the development of a high-speed high-torque VZD is the transition to a non-standard kinematic scheme of its working bodies with additional mobility of one of the elements (rotor or stator), in which none of the elements of the screw pair remains stationary during the working process.

Ближайшим техническим решением, принятым за прототип, является схема ВЗД с нутирующим (совершающим переносное движение) ротором и вращающимся статором, в которой долото соединяется с совершающим концентричное вращение наружным элементом рабочих органов (статором), зубья которого обкатываются вокруг внутреннего элемента (ротора), шарнирно закрепленного на конце колонны бурильных труб [Tiraspolsky W. Hydraulic downhole drilling motors. Editions Technip, Paris, 1985].The closest technical solution adopted for the prototype is a VZD scheme with a nutting (performing a portable movement) rotor and a rotating stator, in which the bit is connected to an external element of the working bodies (stator) that performs concentric rotation, the teeth of which are rolled around an internal element (rotor), pivotally fixed at the end of the drill string [Tiraspolsky W. Hydraulic downhole drilling motors. Editions Technip, Paris, 1985].

Недостатком данной схемы применительно к рассматриваемой технической задаче, является относительно невысокая частота вращения выходного вала (статора), что не обеспечивает необходимые энергетические характеристики двигателя при бурении долотами типа PDC.The disadvantage of this scheme in relation to the technical problem under consideration is the relatively low speed of the output shaft (stator), which does not provide the necessary energy characteristics of the engine when drilling with PDC bits.

Задачей предложенного изобретения, представляющего собой гидравлический забойный двигатель, предназначенный для высокооборотных технологий бурения скважин с использованием долот типа PDC, является расширение функциональных возможностей ВЗД посредством реализации кинематической схемы с дополнительной подвижностью рабочих органов, обеспечивающей возможность увеличения частоты вращения выходного вала ВЗД при сохранении необходимого крутящего момента и допускаемого уровня инерционных нагрузок.The objective of the proposed invention, which is a hydraulic downhole motor designed for high-speed well drilling technologies using PDC bits, is to expand the functionality of the PDM by implementing a kinematic scheme with additional mobility of the working bodies, which provides the possibility of increasing the rotational speed of the output shaft of the PDM while maintaining the required torque and permissible level of inertial loads.

Поставленная задача осуществляется за счет того, что ВЗД выполнен по схеме двухсекционного двигателя, каждая секция (верхняя и нижняя) которого включает в свой состав винтовые рабочие органы на базе многозаходного героторного механизма с внутренним циклоидальным зацеплением, шпиндель с выходным валом, установленным на осевой и радиальных опорах, шарнирный узел соединения ротора винтовых рабочих органов с выходным валом и каналы для прохода жидкости, причем статор винтовых рабочих органов верхней секции неподвижно закреплен на колонне бурильных труб, выходной вал нижней секции связан с породоразрушающим инструментом, а выходной вал верхней секции посредством жесткой связи соединяется со статором винтовых рабочих органов нижней секции, установленным с зазором в расточке переводника, соединяющего неподвижные корпуса шпинделей секций, и совершающим концентричное вращение в радиальных опорах соединительного переводника, что позволяет обеспечить дополнительную подвижность ротора нижней секции, находящегося в зацеплении со статором нижней секции и совершающего планетарное движение, и тем самым реализовать высокооборотный режим отработки долота.The task is carried out due to the fact that the VZD is made according to the scheme of a two-section engine, each section (upper and lower) of which includes screw working bodies based on a multi-start gerotor mechanism with internal cycloidal engagement, a spindle with an output shaft mounted on axial and radial the bearings, the hinge connection of the rotor of the screw working bodies with the output shaft and channels for the passage of fluid, and the stator of the screw working bodies of the upper section is fixedly mounted on the column drill pipes, the output shaft of the lower section is connected to the rock cutting tool, and the output shaft of the upper section is connected via a rigid connection to the stator of the screw working bodies of the lower section, which is installed with a clearance in the bore of the sub connecting the stationary housings of the spindles of the sections and making concentric rotation in the radial bearings of the connecting sub, which allows for additional mobility of the rotor of the lower section, which is meshed with the stator of the lower section and makes the plan Container traffic, and thereby realize a high speed bit mining regime.

Принципиальная кинематическая особенность предложенной схемы заключается в том, что угол поворота ротора в переносном движении несущественно превышает угол поворота ротора в абсолютном движении, что обеспечивает преимущество в отношении действия инерционных сил и допускаемой быстроходности.The principal kinematic feature of the proposed scheme is that the angle of rotation of the rotor in a portable motion does not significantly exceed the angle of rotation of the rotor in absolute motion, which provides an advantage with respect to the action of inertial forces and permissible speed.

Для реализации режима концентричного вращения ротора нижней секции вокруг собственной оси рабочие объемы винтовых рабочих органов верхней и нижней секций назначают в соответствии с кинематическим отношением рабочих органов нижней секции.To implement the mode of concentric rotation of the rotor of the lower section around its own axis, the working volumes of the screw working bodies of the upper and lower sections are assigned in accordance with the kinematic ratio of the working bodies of the lower section.

На фиг.1 представлен общий вид заявленного винтового забойного двигателя, на фиг.2 изображены поперечные сечения рабочих органов секций ВЗД в случае их одинаковой геометрии, на фиг.3 - аналогичные поперечные сечения в случае различной геометрии рабочих органов верхней и нижней секции, на фиг.4 показано изменение относительного положения профилей ротора и статора нижней секции за один рабочий цикл героторного механизма с кинематическим отношением 3:4, а на фиг.5 - положения профилей ротора и статора для особого кинематического случая при неподвижном положении центра ротора. Для удобства восприятия кинематики профилей крупными точками на фиг.4 и фиг.5 отмечены фиксированные зубья ротора. Черным цветом заштриховано текущее положение площади камеры, изменяющейся от нуля до максимального значения и снова сокращающейся до нуля.Figure 1 presents a General view of the inventive downhole motor, figure 2 shows the cross-section of the working bodies of the sections of the VZD in the case of their identical geometry, figure 3 - similar cross-sections in the case of different geometry of the working bodies of the upper and lower sections, in Fig .4 shows the change in the relative position of the profiles of the rotor and stator of the lower section for one working cycle of the gerotor mechanism with a kinematic ratio of 3: 4, and Fig. 5 shows the positions of the profiles of the rotor and stator for a special kinematic case when the moving position of the center of the rotor. For ease of perception of the kinematics of the profiles, the fixed points of the rotor are marked by large dots in FIGS. 4 and 5. The current position of the camera’s area, shading from zero to its maximum value and shrinking to zero again, is shaded in black.

Винтовой забойный двигатель с дополнительной подвижностью представляет собой двухсекционный гидродвигатель, каждая секция которого включает в свой состав винтовые рабочие органы (2, 3 и 11, 12) на базе многозаходного героторного механизма с внутренним циклоидальным зацеплением (кинематической пары «металлический ротор - статор с эластичной обкладкой»), шпиндель с выходным валом (8 и 18), установленным на осевой (7 и 17) и радиальных (6 и 16) опорах, шарнирный узел (4 и 14) соединения ротора с выходным валом и каналы для прохода жидкости (а, б), причем верхняя секция выполнена по схеме планетарного механизма (с неподвижным статором), а нижняя секция - по схеме дифференциального механизма.The downhole screw motor with additional mobility is a two-section hydraulic motor, each section of which includes screw working bodies (2, 3 and 11, 12) based on a multi-start gerotor mechanism with internal cycloidal engagement (kinematic pair “metal rotor - stator with elastic lining »), A spindle with an output shaft (8 and 18) mounted on the axial (7 and 17) and radial (6 and 16) bearings, a hinge assembly (4 and 14) for connecting the rotor to the output shaft and channels for the passage of fluid (a, b), moreover, hnyaya section is arranged according to the scheme of the planetary train (fixed stator), while the lower section - of the differential mechanism scheme.

Статор 2 верхней секции неподвижно закрепляется на колонне бурильных труб 1, а выходной вал 18 нижней секции соединяется с породоразрушающим инструментом 19. Выходной вал 8 верхней секции посредством жесткой связи соединяется со статором 11 нижней секции, который размещается с зазором в расточке переводника 10, соединяющего неподвижные корпуса 5 и 15 шпинделей секций, и устанавливается в радиальной опоре 13 для возможности осуществления вращательного движения статора 11. Для уплотнения выходного вала 18 двигателя от перепада давления в рабочих органах нижней секции в расточке соединительного переводника 10 может быть установлен торцевой сальник 9 или герметизирующее устройство другого типа.The stator 2 of the upper section is fixedly mounted on the drill pipe string 1, and the output shaft 18 of the lower section is connected to the rock cutting tool 19. The output shaft 8 of the upper section is connected by a rigid connection to the stator 11 of the lower section, which is placed with a gap in the bore of the sub 10 connecting the fixed housings 5 and 15 of the spindles of the sections, and is installed in the radial support 13 for the possibility of the rotational movement of the stator 11. To seal the output shaft 18 of the engine from pressure drop in The edges of the lower section in the bore of the connecting sub 10 can be installed end seal 9 or a sealing device of another type.

Устройство работает следующим образом (фиг.1). При подаче бурового раствора через гидравлический канал бурильных труб 1 в верхнюю секцию рабочих органов совершается рабочий цикл, при котором ротор 3 совершает планетарное движение, обкатываясь по винтовым зубьям неподвижного статора 2 с эксцентриситетом ев, равным межосевому расстоянию винтового героторного механизма верхней секции. Вращение верхнего ротора 3 через шарнирное соединение 4 передается установленному в радиальных 6 и осевых 7 опорах шпинделя выходному валу 8 верхней секции, который, в свою очередь, приводит в движение статор 11 нижней секции, совершающий концентричное вращение внутри переводника 10 в радиальной опоре 13, чем обеспечивается дополнительная подвижность рабочих органов нижней секции, приводящей породоразрушающий инструмент 19. При вращении статора 11 сопряженный с ним ротор 12 нижней секции совершает планетарное движение, при котором ротор вращается вокруг собственной оси, а ось обращается вокруг оси подвижного статора 11 в обратном направлении с эксцентриситетом ен винтового героторного механизма нижней секции. Вращение нижнего ротора 12 через шарнирное соединение 14 передается выходному валу 18 нижней секции, установленному в радиальных 16 и осевых 17 опорах шпинделя.The device operates as follows (figure 1). When the drilling fluid is supplied through the hydraulic channel of the drill pipe 1 to the upper section of the working bodies, a working cycle is performed, in which the rotor 3 performs a planetary motion, rolling around the helical teeth of the fixed stator 2 with an eccentricity e в equal to the center distance of the screw gerotor mechanism of the upper section. The rotation of the upper rotor 3 through the swivel joint 4 is transmitted to the output shaft 8 of the upper section installed in the radial 6 and axial 7 spindle bearings, which, in turn, drives the stator 11 of the lower section, which performs concentric rotation inside the sub 10 in the radial support 13, which provides additional mobility of the working bodies of the lower section, leading the rock cutting tool 19. When the stator 11 rotates, the rotor 12 of the lower section conjugated with it performs a planetary motion, in which the rotor rotates tsya around its own axis and revolves around the axis in the opposite direction of the movable stator shaft 11 with an eccentricity e n screw gerotor mechanism for the lower section. The rotation of the lower rotor 12 through the swivel joint 14 is transmitted to the output shaft 18 of the lower section mounted in the radial 16 and axial 17 of the spindle bearings.

В результате выходной вал нижней секции, связанный с породоразрушающим инструментом, например с долотом типа PDC, вращается с частотой, зависящей от соотношения рабочих объемом винтовых пар верхней (Vв) и нижней (Vн) секций (фиг.2), а также расхода Q бурового раствора.As a result, the output shaft of the lower section associated with the rock cutting tool, for example, with a PDC bit, rotates with a frequency depending on the ratio of the working volume of the screw pairs of the upper (V in ) and lower (V n ) sections (Fig. 2), as well as the flow rate Q drilling mud.

Для осуществления вращения роторов верхней и нижней секций в одном направлении и тем самым сложения угловых скоростей на выходном валу ВЗД рабочие органы секций должны иметь одинаковое направление винтовых нарезок. Длина рабочих органов должна соответствовать заданному крутящему моменту и назначается в зависимости от допускаемого межвиткового перепада давления.To carry out the rotation of the rotors of the upper and lower sections in one direction and thereby add the angular velocities on the output shaft of the VZD, the working bodies of the sections must have the same direction of screw cuts. The length of the working bodies must correspond to a given torque and is assigned depending on the permissible inter-turn differential pressure.

В общем случае без учета объемных потерь частота вращения выходного вала ВЗД или абсолютная частота вращения ротора нижней секцииIn the general case, excluding volumetric losses, the rotational speed of the output shaft of the VZD or the absolute rotational frequency of the rotor of the lower section

n = n в + n отн ,                         (1)

Figure 00000001
n = n at + n rel , (one)
Figure 00000001

где nв - частота вращения выходного вала верхней секции, nв=Q/Vв;where n in - the frequency of rotation of the output shaft of the upper section, n in = Q / V in ;

nотн.н - относительная частота вращения ротора нижней секции, nотн.н=Q/Vн.n rel. n is the relative rotational speed of the rotor of the lower section, n rel. n = Q / V n .

Таким образом, частоту вращения выходного вала ВЗД можно представить как функцию частоты вращения ротора верхней секции и отношения рабочих объемов винтовых пар секций:Thus, the rotational speed of the output shaft of the VZD can be represented as a function of the rotational speed of the rotor of the upper section and the ratio of the working volumes of the screw pairs of the sections:

n = ( 1 + V в V н ) n в .                        (2)

Figure 00000002
n = ( one + V at V n ) n at . (2)
Figure 00000002

Кинематическим показателем, характеризующим рабочий процесс ВЗД с дополнительной подвижностью, является коэффициент мультипликации, равный отношению частот вращения выходного вала и ротора верхней секции:The kinematic indicator characterizing the workflow of the IDR with additional mobility is a multiplier equal to the ratio of the frequencies of rotation of the output shaft and the rotor of the upper section:

k = n n в .                            (3)

Figure 00000003
k = n n at . (3)
Figure 00000003

С учетом выражения (2) коэффициент мультипликации и отношение рабочих объемов винтовых пар связаны следующей зависимостью:Taking into account expression (2), the multiplication coefficient and the ratio of the working volumes of screw pairs are related by the following dependence:

k = 1 + V в V н .                        (4)

Figure 00000004
k = one + V at V n . (four)
Figure 00000004

В частном случае, когда рабочие органы верхней и нижней секций имеют одинаковые рабочие объемы (Vн=Vв), чего можно достичь применением идентичных винтовых пар (фиг.3) с одинаковым кинематическим отношением, эксцентриситетом и шагом винтовых поверхностей, частота вращения выходного вала ВЗДIn the particular case, when the working bodies of the upper and lower sections have the same working volumes (V n = V in ), which can be achieved by using identical screw pairs (Fig. 3) with the same kinematic ratio, eccentricity and pitch of the screw surfaces, the output shaft speed SZD

n = 2 n в ;   k = 2 .                (5)

Figure 00000005
n = 2 n at ; k = 2 . (5)
Figure 00000005

Таким образом, при использовании одинаковых винтовых пар в рассматриваемой схеме частота вращения выходного вала удваивается.Thus, when using the same screw pairs in the considered circuit, the frequency of rotation of the output shaft doubles.

Для любой кинематической схемы ВЗД с дополнительной подвижностью (статора или ротора) цикл рабочего процесса, в течение которого через рабочие органы с числом заходов статора и ротора соответственно z1 и z2 проходит объем жидкости, равный объему рабочих камер, осуществляется при повороте ротора в абсолютном движении на уголFor any kinematic VZD scheme with additional mobility (stator or rotor), the cycle of the working process, during which the fluid volume equal to the volume of the working chambers passes through the working bodies with the number of stator and rotor strokes z 1 and z 2 , respectively, is performed when the rotor rotates in absolute corner movement

Δ ϕ = 2 π z 2 + ϕ д о п = k k 1 2 π z 2 ,                 (6)

Figure 00000006
Δ ϕ = 2 π z 2 + ϕ d about P = k k - one 2 π z 2 , (6)
Figure 00000006

где φдоп - угол поворота, обусловленный дополнительным вращением, φдоп=2πnвt (t - время, соответствующее относительному углу поворота 2π/z2).where φ add - rotation angle due to additional rotation, φ add = 2πn in t (t is the time corresponding to a relative rotation angle of 2π / z 2 ).

Т.е. кратность действия ВЗД с дополнительной подвижностью, соответствующая числу рабочих циклов за один оборот выходного валаThose. the multiplicity of the action of the VZD with additional mobility, corresponding to the number of duty cycles per revolution of the output shaft

j = 2 π Δ ϕ = k 1 k z 2 .                              (7)

Figure 00000007
j = 2 π Δ ϕ = k - one k z 2 . (7)
Figure 00000007

Характеристики и работоспособность элементов конструкции ВЗД с дополнительной подвижностью во многом зависят от соотношения угловых скоростей абсолютного и переносного движения ротора.The characteristics and operability of the structural elements of the VZD with additional mobility largely depend on the ratio of the angular velocities of the absolute and figurative motion of the rotor.

В общем случае угол поворота центра элемента (ротора или статора), совершающего планетарное движение в ВЗД с дополнительной подвижностью (соответственно статора или ротора) определяется следующим образомIn the General case, the angle of rotation of the center of the element (rotor or stator), making planetary motion in the VZD with additional mobility (respectively, the stator or rotor) is determined as follows

ϕ п е р = ± z п л а н ϕ о т н + ϕ д о п ,                     (8)

Figure 00000008
ϕ P e R = ± z P l but n ϕ about t n + ϕ d about P , (8)
Figure 00000008

где zплан - число заходов планетарно движущегося элемента рабочих органов (внутреннего z2 или наружного z1); φотн - угол поворота центра в относительном движении по отношению к концентрично вращающемуся элементу, повернувшегося на угол φдоп.where z plan is the number of visits of the planetary moving element of the working bodies (internal z 2 or external z 1 ); φ Rel - the angle of rotation of the center in relative motion with respect to the concentric rotating element, rotated by an angle φ add .

Знак плюс относится к случаю планетарно движущегося статора, знак минус - к случаю планетарно движущегося ротора как в рассматриваемом изобретении. Здесь угол поворота φдоп соответствует углу поворота выходного вала верхней секции: φдопв.The plus sign refers to the case of a planetary moving stator, the minus sign refers to the case of a planetary moving rotor as in the present invention. Here, the rotation angle φ add corresponds to the rotation angle of the output shaft of the upper section: φ add = φ in .

ПосколькуInsofar as

ϕ îòí = ϕ - ϕ д о п ,                                (9)

Figure 00000009
ϕ îòí = ϕ - ϕ d about P , (9)
Figure 00000009

то соотношение угловых перемещений переносного и абсолютного движения получает видthen the ratio of the angular displacements of the portable and absolute motion takes the form

ϕ п е р ϕ = ± z п л а н + ϕ д о п ϕ о т н 1 + ϕ д о п ϕ о т н .                          (10)

Figure 00000010
ϕ P e R ϕ = ± z P l but n + ϕ d about P ϕ about t n one + ϕ d about P ϕ about t n . (10)
Figure 00000010

Т.к.Because

ϕ д о п ϕ о т н = 1 k 1 ,                                      (11)

Figure 00000011
ϕ d about P ϕ about t n = one k - one , (eleven)
Figure 00000011

то выражение (10) окончательно принимает следующий видthen expression (10) finally takes the following form

ϕ п е р ϕ = ± z п л а н ( k 1 ) + 1 k .                           (12)

Figure 00000012
ϕ P e R ϕ = ± z P l but n ( k - one ) + one k . (12)
Figure 00000012

Для рассматриваемого изобретения с планетарно движущимся ротором (внутренним элементом рабочих органов) углы поворота ротора в переносном и абсолютном движении относятся какFor the invention under consideration with a planetary moving rotor (an internal element of the working bodies), the rotation angles of the rotor in a portable and absolute motion are related as

ϕ п е р ϕ = z 2 ( k 1 ) + 1 k = ( z 2 z 1 k ) .                           (12a)

Figure 00000013
ϕ P e R ϕ = - z 2 ( k - one ) + one k = - ( z 2 - z one k ) . (12a)
Figure 00000013

Отметим, что в данном случае ротор и центр ротора, также как и в типовой схеме ВЗД с неподвижным статором, поворачиваются в противоположных направлениях. Принципиальная кинематическая особенность предложенной схемы заключается в том, что угол поворота ротора в переносном движении всегда меньше чем в z2 раза превышает угол поворота ротора в абсолютном движении, что выгодно отличает схему в отношении действия инерционных сил и допускаемой быстроходности по сравнению с другой возможной схемой с планетарно движущимся статором, а также вариантом типового ВЗД.Note that in this case, the rotor and the center of the rotor, as well as in the typical scheme of the VZD with a fixed stator, rotate in opposite directions. The principal kinematic feature of the proposed scheme is that the angle of rotation of the rotor in portable motion is always less than z 2 times the angle of rotation of the rotor in absolute motion, which distinguishes the scheme with respect to the action of inertial forces and permissible speed compared to another possible scheme with planetary moving stator, as well as a variant of a typical VZD.

В качестве примера рассмотрим кинематику ВЗД с дополнительной подвижностью за счет вращения статора, принимая кинематическое отношение 3:4 (z2=3; z1=A) и коэффициент мультипликации k=2 (фиг.4).As an example, consider the kinetics of the VZD with additional mobility due to the rotation of the stator, taking the kinematic ratio of 3: 4 (z 2 = 3; z 1 = A) and the multiplier k = 2 (figure 4).

Кратность действия винтового механизма j=3/2, цикл рабочего процесса данной кинематической схемы осуществляется при повороте ротора на угол φ=Δφ=2π/j=240°, при этом статор поворачивается на угол 120°, а ось ротора в переносном движении на угол φпер=-(3-2)∙×240=-240°.The multiplicity of the action of the screw mechanism j = 3/2, the cycle of the working process of this kinematic scheme is carried out when the rotor is rotated through an angle φ = Δφ = 2π / j = 240 °, while the stator rotates through an angle of 120 °, and the rotor axis is rotated through an angle φ per = - (3-2) ∙ × 240 = -240 °.

При выполнении условияWhen the condition is met

k = z 1 / z 2                       (13)

Figure 00000014
переносная скорость ротора становится равной нулю (φпер=0), т.е. в этом особом случае ротор совершает концентричное вращение вокруг собственной неподвижной оси (малая точка на фиг.5), что превращает рабочие органы нижней секции в бироторный механизм. Для соблюдения условия (13) необходимо, чтобы рабочие объемы винтовых пар верхней и нижней секций назначались в соответствии с кинематическим отношением рабочих органов нижней секции согласно зависимости k = z one / z 2 (13)
Figure 00000014
portable rotor speed becomes equal to zero (φ per = 0), i.e. in this special case, the rotor performs a concentric rotation around its own fixed axis (small point in Fig. 5), which turns the working bodies of the lower section into a birotor mechanism. To comply with condition (13), it is necessary that the working volumes of screw pairs of the upper and lower sections are assigned in accordance with the kinematic ratio of the working bodies of the lower section according to the dependence

V в V н = z 1 z 2 1.                   (14)

Figure 00000015
V at V n = z one z 2 - one. (fourteen)
Figure 00000015

Согласно принятой классификации предложенная компоновка ВЗД относится к варианту кинематической схемы винтового героторного механизма типа Б-I, в котором дополнительная подвижность осуществляется за счет вращения статора, а выходной вал, связанный с ротором, и статор совершают вращение с различными угловыми скоростями [Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Одновинтовые гидравлические машины, т.1.- М.: ИРЦ «Газпром», 2005, стр.28].According to the accepted classification, the proposed VZD arrangement relates to a variant of the kinematic scheme of a screw gerotor mechanism of type B-I, in which additional mobility is due to the rotation of the stator, and the output shaft associated with the rotor and the stator rotate at different angular velocities [Baldenko D.F. ., Baldenko F.D., Gnoev A.N. Single-screw hydraulic machines, t.1.- M .: IRC "Gazprom", 2005, p. 28].

Технический результат и экономический эффект от использования предлагаемого устройства достигается за счет повышения эффективности бурения долотами типа PDC в связи возможностью реализации оптимальных скоростных режимов их отработки.The technical result and the economic effect of using the proposed device is achieved by increasing the efficiency of drilling with PDC bits due to the possibility of implementing optimal high-speed modes of their development.

Claims (2)

1. Винтовой забойный двигатель, состоящий из двух секций - верхней и нижней, каждая из которых включает в свой состав винтовые рабочие органы, выполненные на базе многозаходного героторного механизма с внутренним циклоидальным зацеплением, шпиндель с выходным валом, установленным на осевой и радиальных опорах, шарнирный узел соединения ротора винтовых рабочих органов с выходным валом и каналы для прохода жидкости, причем статор винтовых рабочих органов верхней секции неподвижно закреплен на колонне бурильных труб, а выходной вал нижней секции связан с породоразрушающим инструментом, отличающийся тем, что выходной вал верхней секции посредством жесткой связи соединен со статором винтовых рабочих органов нижней секции, установленным с зазором в расточке переводника, соединяющего неподвижные корпуса шпинделей секций, и совершающим концентричное вращение в радиальной опоре соединительного переводника.1. A downhole screw motor, consisting of two sections - upper and lower, each of which includes screw working bodies made on the basis of a multi-start gerotor mechanism with internal cycloidal engagement, a spindle with an output shaft mounted on axial and radial bearings, articulated the connection node of the rotor of the screw working bodies with the output shaft and channels for the passage of fluid, and the stator of the screw working bodies of the upper section is fixedly mounted on the drill pipe string, and the output shaft of the lower projections associated with the rock cutting tool, characterized in that the output shaft of the upper section is connected through a rigid connection to the stator screw bottom section working bodies mounted with clearance in the bore of the sub, which connects the fixed spindle housing sections, and committing concentric rotation in the radial bearing of the connecting sub. 2. Винтовой забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочие объемы винтовых рабочих органов верхней и нижней секций назначают в соответствии с кинематическим отношением рабочих органов нижней секции согласно зависимости
V в V н = z 1 z 2 1,
Figure 00000016

где Vв,Vн - рабочий объем соответственно верхней и нижней секций;
z1, z2 - число заходов соответственно статора и ротора нижней секции.
2. The downhole screw motor according to claim 1, characterized in that the working volumes of the screw working bodies of the upper and lower sections are assigned in accordance with the kinematic ratio of the working bodies of the lower section according to the dependence
V at V n = z one z 2 - one,
Figure 00000016

where V in , V n - the working volume of the upper and lower sections, respectively;
z 1 , z 2 - the number of visits, respectively, of the stator and rotor of the lower section.
RU2012135393/03A 2012-08-17 2012-08-17 Borehole helical motor RU2524238C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012135393/03A RU2524238C2 (en) 2012-08-17 2012-08-17 Borehole helical motor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012135393/03A RU2524238C2 (en) 2012-08-17 2012-08-17 Borehole helical motor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012135393A RU2012135393A (en) 2014-02-27
RU2524238C2 true RU2524238C2 (en) 2014-07-27

Family

ID=50151521

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012135393/03A RU2524238C2 (en) 2012-08-17 2012-08-17 Borehole helical motor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2524238C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2651862C1 (en) * 2017-02-13 2018-04-24 Сергей Анатольевич Устинов Method of bottomhole cleaning
RU217542U1 (en) * 2022-07-22 2023-04-04 Перфобур Инк. Gerotor mechanism of the working bodies of a volumetric hydraulic machine

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3912426A (en) * 1974-01-15 1975-10-14 Smith International Segmented stator for progressive cavity transducer
US3982858A (en) * 1973-11-14 1976-09-28 Smith International Corporation, Inc. Segmented stator for progressive cavity transducer
SU717270A1 (en) * 1975-09-08 1980-02-25 Всесоюзный Ордена Трудового Красного Знамени Научно-Исследовательский Институт Буровой Техники Borehole-drilling apparatus
SU943389A1 (en) * 1977-07-04 1982-07-15 Пермский Филиал Всесоюзного Ордена Трудового Красного Знамени Научно-Исследовательского Института Буровой Техники Screw-type hole-bottom motor
SU943387A1 (en) * 1976-10-05 1982-07-15 Пермский Филиал Всесоюзного Ордена Трудового Красного Знамени Научно-Исследовательского Института Буровой Техники Hole-bottom motor
SU1384702A1 (en) * 1983-09-27 1988-03-30 Всесоюзный Научно-Исследовательский Институт Буровой Техники Gyratory machine

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3982858A (en) * 1973-11-14 1976-09-28 Smith International Corporation, Inc. Segmented stator for progressive cavity transducer
US3912426A (en) * 1974-01-15 1975-10-14 Smith International Segmented stator for progressive cavity transducer
SU717270A1 (en) * 1975-09-08 1980-02-25 Всесоюзный Ордена Трудового Красного Знамени Научно-Исследовательский Институт Буровой Техники Borehole-drilling apparatus
SU943387A1 (en) * 1976-10-05 1982-07-15 Пермский Филиал Всесоюзного Ордена Трудового Красного Знамени Научно-Исследовательского Института Буровой Техники Hole-bottom motor
SU943389A1 (en) * 1977-07-04 1982-07-15 Пермский Филиал Всесоюзного Ордена Трудового Красного Знамени Научно-Исследовательского Института Буровой Техники Screw-type hole-bottom motor
SU1384702A1 (en) * 1983-09-27 1988-03-30 Всесоюзный Научно-Исследовательский Институт Буровой Техники Gyratory machine

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
БАЛДЕНКО Д.Ф. и др., Винтовые забойные двигатели: Справочное пособие, Москва, ОАО "Издательство Недра", 1999, стр.38,286,358 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2651862C1 (en) * 2017-02-13 2018-04-24 Сергей Анатольевич Устинов Method of bottomhole cleaning
RU217542U1 (en) * 2022-07-22 2023-04-04 Перфобур Инк. Gerotor mechanism of the working bodies of a volumetric hydraulic machine

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012135393A (en) 2014-02-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20110129375A1 (en) Work extraction from downhole progressive cavity devices
US8888474B2 (en) Downhole motors and pumps with asymmetric lobes
RU2629315C2 (en) Rotor bearing for downhole drilling motor with moving cavity
US8602127B2 (en) High temperature drilling motor drive with cycloidal speed reducer
CN107060638B (en) Power device for changing drill bit movement
RU2524238C2 (en) Borehole helical motor
CN204476321U (en) The helicoid hydraulic motor that a kind of rotating speed is controlled
US8535028B2 (en) Downhole positive displacement motor
CN204532058U (en) Screw drilling tool motor and there is the helicoid hydraulic motor of this motor
CN110056309B (en) Fixed-shaft rotary positive displacement power tool
CN210152547U (en) Double-channel hydraulic turbine percussion drill
CN106639882A (en) While-drilling micro hole opener in sliding drilling mode
CN104695853A (en) Motor for screw drill tool and screw drill tool provided with motor
CN205172436U (en) Under slip mode of creeping into along with boring little reamer
RU2309237C1 (en) Gerotor mechanism for hydraulic screw-rotor machine
AU2013405890A1 (en) Nutating fluid-mechanical energy converter
RU2513057C2 (en) Rotary hydraulic machine
CN202926271U (en) Hydraulic type under well resistance reducing and adhesion proofing vibrator
WO2009105957A1 (en) Linkage variable-capacitor machine for positive displacement fluid mechanism
RU2387783C1 (en) Screw downhole motor
RU2318108C2 (en) Downhole gyrator screw-rotor hydraulic machine
CN115162943B (en) Coiled tubing drilling downhole planetary gear reducer
CN203835612U (en) Gear shaft type motor
RU113298U1 (en) BOTTOM HYDRAULIC LOADER
CN116464391A (en) Pulse oscillation generating device