RU2673479C1 - Винтовой забойный двигатель для бурения скважин - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к буровой технике, а именно к винтовым забойным двигателям. Винтовой забойный двигатель для бурения скважин содержит шпиндель, в вал которого ввинчен породоразрушающий инструмент, карданный вал, регулятор угла изгиба двигателя, рабочий орган, состоящий из ротора и статора, причем статор состоит из цилиндрической металлической гильзы и снабжен внутри гильзы эластичной обкладкой с внутренними винтовыми зубьями для взаимодействия с ротором, размещенным внутри статора и снабженным наружными винтовыми зубьями, количество которых на единицу меньше числа зубьев статора. Эластичная обкладка статора выполнена из полиуретановой композиции Уникспур 2B092S с твердостью от 92 единиц по Шору А до 75 единиц по Шору Д, с условной прочностью при разрыве 50 МПа, с относительным удлинением при разрыве от 450% до 700%, с истираемостью 20-25 м/тДж, обеспечивающей длительную устойчивую работу двигателя в буровом растворе при температуре до 120°С. Обеспечивается повышение энергетических характеристик, ресурса и надежности двигателя при увеличении крутящего момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности. 2 ил.

Description

Изобретение относится к буровой технике, а именно к винтовым забойным двигателям (ВЗД), предназначенным для бурения и ремонта нефтяных и газовых скважин.

Известен винтовой забойный двигатель (Pat. №3112801 USA Clark W. Well drilling apparatus. 1963), представляющий собой обращенный винтовой насос Муано (R. Moineau), включающий рабочий орган (в дальнейшем «РО») «статор-ротор» (статор с металлическим трубчатым корпусом и резиновой внутренней его обкладкой с двухзаходной внутренней резьбой; металлический ротор, размещенный внутри статора, с однозаходной наружной резьбой, причем резьбы ротора и статора образуют замкнутые камеры, число которых равно числу витков резьбы ротора), карданный вал и шпиндель с осевыми и радиальными опорами. По сравнению с другими забойными двигателями этот двигатель позволял более оперативно управлять траекторией скважины,

Недостатком данного забойного двигателя является высокая скорость вращения вала и недостаточный крутящий момент, что не позволяло обеспечить большую проходку на каждое долото.

Известен другой винтовой двигатель (Авт. св. №237596 СССР Забойный винтовой гидравлический двигатель. Гусман М.Т., Никомаров С.С. и др. 1966 г.), в котором ротор выполнен многозаходным, причем число зубьев ротора на единицу меньше, чем у статора. В этом устройстве, работающем как двигатель с зубчатой передачей, кратно увеличился передаваемый крутящий момент и снизилась скорость вращения. Показатели бурения (проходка на долото и рейсовая скорость, учитывающая затраты времени на спуско-подъемные операции для замены изношенных долот) значительно увеличились. Однако прогресс в технике и технологии бурения(особенно в создании новых моментоемких долот) показал, что жесткость и прочность зубьев резиновой обкладки статоров в новых условиях уже недостаточны. Конфигурация резиновой обкладки, характеризующаяся многократной разницей толщины резины на выступах и впадинах зубьев, при повышенных перепадах давлений на зубе, характерных для новой технологии бурения, приводит к деформации резинового зуба, нарушению герметичности в зацеплении РО, снижению крутящего момента и скорости бурения скважин. Для снижения напряжений увеличивают длину статора, что приводит к повышению материалоемкости, трудоемкости изготовления, но не всегда позволяет получить нужный результат.

Прогресс в совершенствовании технологии и техники бурения показал необходимость дальнейшего совершенствования ВЗД, в частности, направленного на увеличение жесткости и прочности зубьев резиновой обкладки статоров.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является ВЗД, описанный в монографии Д.Ф. Балденко и др. «Одновинтовые гидравлические машины» том 2 «Винтовые забойные двигатели» стр. 67-68, М. 2007 г. В этом известном двигателе для повышения жесткости зубьев статора на внутренней поверхности остова выполнены внутренние металлические зубья, на которые наносится эластичная обкладка с расчетным профилем зуба. Металлическая часть зуба позволяет значительно уменьшить толщину резиновой обкладки, что увеличивает жесткость зуба, уменьшает деформацию и разогрев резины, позволяет передавать на долото более высокий крутящий момент. Изготовление внутреннего металлического зуба в длинномерных остовах статоров осуществляется различными методами: радиальной ковкой остова, элекроэррозией, изготовлением металлических вкладышей с внутренним зубом, закрепляемых в остове сваркой или другими способами. Это повышает параметры характеристики ВЗД, но такие двигатели имеют и свои недостатки. Одним из недостатков является высокая стоимость рабочего органа «ротор-статор» (как минимум, вдвое дороже обычных РО одинаковых размеров) из-за больших затрат на изготовление внутреннего металлического зуба. Другим недостатком является то, что увеличение параметров характеристики и стоимости рабочего органа не обеспечивает сохранения необходимой долговечности двигателя из-за ухудшения условий крепления резины к сложной зубчатой поверхности остова. При использовании металлических вкладышей с внутренним зубом усложняется процесс сборки статора, имеются случаи отказов по причине ненадежного крепления вкладышей в остове статора.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение энергетических характеристик, ресурса и надежности винтового забойного двигателя при увеличении крутящего момента силы на выходном валу в режиме максимальной мощности.

Для достижения указанного результата в предлагаемом изобретении эластичная обкладка статора ВЗД выполнена из полиуретановой композиции Уникспур 2B092S, компоненты которой придают эластику ряд необходимых физико-механических свойств, практически недостижимых для резин. В частности, высокую твердость (от 92 единиц по Шору А до 75 по Шору Д; твердость резин, используемых в ВЗД, составляет 71-77 единиц по Шору А) в сочетании с эластичностью (повышенное относительное удлинение при разрыве до 700%, у наиболее эластичных резин 250-400%), высокую прочность при разрыве (50 Мпа, у резин 20-25 Мпа), минимальную истираемость (20-25 м³/тДж, у резин 30-60), а также способность работать в гидроабразивной среде в присутствии неконцентрированных растворов солей, кислот, щелочей и нефтепродуктов. Температура, при которой длительно сохраняется работоспособность композиции, достигает 120°C. Ввиду того, что твердость полиуретановой композиции Уникспур 2B092S значительно выше, чем у резин, используемых в ВЗД, обеспечивается более высокая, чем у резинового зуба, и не менее, чем у профилированного, жесткость зуба. Поэтому отпадает необходимость в использовании внутреннего металлического зуба статора, что позволяет при высоких значениях параметров характеристик полиуретановой композиции Уникспур 2B092S получить надежную и долговечную, с высокими техническими характеристиками, сравнительно простую и технологичную в изготовлении конструкцию статора (а, следовательно, и всего двигателя), значительно снизить себестоимость и повысить эффективность применения ВЗД.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами:

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

На фиг. 2 - показан продольный разрез рабочего органа.

Винтовой забойный двигатель, включает шпиндель 1, в вал которого ввинчивается породоразрушающий инструмент (долото, на чертеже не показано), вал карданный 2 и регулятор 3 угла изгиба двигателя, а также рабочий орган 4 двигателя. Статор, состоит из металлической гильзы 5 с цилиндрической внутренней поверхностью, а также скрепленную с этой поверхностью эластичную обкладку 6, с внутренней многозаходной винтовой поверхностью, выполненной из полиуретановой композиции Уникспур 2B092S (ТУ2292-013-55180710-2009), обладающей всеми указанными выше свойствами по твердости, эластичности, прочности, минимальной истираемости и работоспособной в химически агрессивной жидкости, в статоре расположен многозаходный винтовой ротор 7, число заходов которого на единицу меньше, чем в обкладке 6 статора.

Нанесение полиуретановой композиции Уникспур 2B092S на внутреннюю поверхность остова статора осуществляется аналогично нанесению резиновой обкладки, за некоторыми исключениями. Используется специальный клей (на основе адгезива «Силбонд»), который наносится на внутреннюю обезжиренную поверхность гильзы. В гильзу 5 вводится сердечник (как и при запрессовке сырой резины, на чертежах не показан), имеющий на наружной поверхности винтовую нарезку, формирующую будущую форму винтовой поверхности обкладки 6, Сердечник центрируется в гильзе по его концам специальными втулками. Для заливки полиуретановой композиции Уникспур 2B092S не требуется мощного прессового оборудования, т.к. заливаемая полиуретановая композиция представляет собой жидкость с невысокой вязкостью. После полимеризации эластомера сердечник извлекается, а эластомер продолжает упрочняться при определенных температурных условиях.

Работа винтового двигателя со статором с полиуретановой обкладкой (5, 6) осуществляется, как и в прототипе, в комплекте с ротором 7, карданным валом 2 и шпинделем 1. При подаче жидкости ротор 7 приводится в сложное планетарное вращение, которое передается на вал шпинделя 1 и долото. С увеличением нагрузки на долото увеличивается крутящий момент, повышается давление прокачиваемой жидкости, возрастают нагрузки на зубья ротора 7 и статора 6. Зуб статора, выполненный из полиуретановой композиции Уникспур 2B092S, благодаря другому химическому составу и температурной стойкости по сравнению с резиной и другими полиуретановыми композициями позволяет передать повышенный крутящий момент за счет увеличения осевой нагрузки, что обеспечивает повышение показателей бурения. Прочностные характеристики полиуретановой композиции способствуют повышению температурной стойкости, долговечности и надежности двигателя, и обладают работоспособностью в химически агрессивной жидкости позволяют работать в гидроабразивной среде в присутствии растворов солей, кислот, щелочей и нефтепродуктов.

ООО «Гидробур-сервис» совместно с НПП «Уником-Сервис», изготовлена партия двигателей диаметром 106 мм с внутренней многозаходной винтовой поверхностью, выполненной из полиуретановой композиции Уникспур 2B092S (Unikspur 2B092S) (ТУ2292-013-55180710 -2009), обладающей всеми указанными выше свойствами по твердости, эластичности, прочности, минимальной истираемости и работоспособнсти в химически агрессивной жидкости.

Промышленная партия предлагаемых двигателей успешно прошла стендовые испытания, показав более высокие, по сравнению с другими двигателями тех же размеров, характеристики: высокий крутящий момент на выходном валу, более устойчивую скорость вращения, повышенная химическая стойкость, высокий КПД. В настоящее время двигатели этой партии работают на месторождениях Урало-Поволжья и в Западной Сибири с высокими показателями бурения. Изобретение позволяет повысить долговечность и надежность двигателя при снижении материалоемкости, трудоемкости изготовления и себестоимости.

Claims (1)

1. Винтовой забойный двигатель для бурения скважин, содержащий шпиндель, в вал которого ввинчивается породоразрушающий инструмент, карданный вал, регулятор угла изгиба двигателя, рабочий орган, состоящий из ротора и статора, причем статор состоит из цилиндрической металлической гильзы, снабженный внутри гильзы эластичной обкладкой с внутренними винтовыми зубьями для взаимодействия с ротором, размещенным внутри статора и снабженным наружными винтовыми зубьями, количество которых на единицу меньше числа зубьев статора, отличающийся тем, что эластичная обкладка статора выполнена из полиуретановой композиции Уникспур 2B092S с твердостью от 92 единиц по Шору А до 75 единиц по Шору Д, с условной прочностью при разрыве 50 МПа, с относительным удлинением при разрыве от 450% до 700%, с истираемостью 20-25 м³/тДж, обеспечивающей длительную устойчивую работу двигателя в буровом растворе при температуре до 120°С.

Images