RU2715777C2

RU2715777C2 - Volumetric downhole motor

Info

Publication number: RU2715777C2
Application number: RU2018118003A
Authority: RU
Inventors: Токтамыс Нусипхулович Мендебаев
Original assignee: Товарищество с ограниченной ответственностью "Научно-внедренческий центр "Алмас"
Priority date: 2018-05-15
Filing date: 2018-05-15
Publication date: 2020-03-03
Also published as: RU2018118003A3; RU2018118003A

Abstract

FIELD: soil or rock drilling; mining.

SUBSTANCE: invention relates to drilling of wells, namely, to downhole hydraulic motors. Volumetric downhole motor includes housing consisting of upper and lower parts, detachably rigidly connected to each other, annular cavity with bottom and semi-cylindrical blades. Upper and lower parts of the housing have coaxial central channels. Upper part represents cylinders placed one into another and connected by semi-cylindrical blades and forming annular cavity communicating with central channel of upper part of housing by means of through holes made on inner cylinder above bottom of annular cavity. Below the through holes the surface of the central channel is made with polar ledges longitudinally facing in the direction of rotation of the housing, on the lower part of which there are grooves passing from the central channel, in the form of a spiral passing along the axial line of the housing along the periphery and going out opposite to rotation of the latter.

EFFECT: elimination of contact friction, increased value of starting torque of volumetric downhole motor to operation and increased value of torque of housing for drilling of wells, that is improved power characteristics and reliability of operation of the three-dimensional downhole motor.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области бурения скважин, а именно к забойным гидравлическим двигателям.The invention relates to the field of drilling, namely, downhole hydraulic motors.

Известен объемный забойный двигатель, содержащий корпус, полуцилиндрические лопасти, кольцевую полость и центральный канал. Патент Российской Федерации №2220270, кл. Е21В 4/02, 2001.Known for a downhole motor comprising a housing, semi-cylindrical blades, an annular cavity and a central channel. Patent of the Russian Federation No. 2220270, cl. ЕВВ 4/02, 2001.

Недостатки аналога - наличие трения между корпусом и полуцилиндрическими лопастями, низкие значения пускового момента в работу объемного забойного двигателя.The disadvantages of the analogue are the presence of friction between the casing and the semi-cylindrical blades, low starting torque values for the operation of the volumetric downhole motor.

Прототипом выбран объемный забойный двигатель, содержащий корпус, состоящий из верхней и нижней части, разъемно жестко соединенных между собой, кольцевую полость с дном и полуцилиндрические лопасти. Патент Республики Казахстан №30291, кл. Е21В 4/02, 2015.The prototype is a volumetric downhole motor containing a housing consisting of an upper and lower part, releasably rigidly interconnected, an annular cavity with a bottom, and semi-cylindrical blades. Patent of the Republic of Kazakhstan No. 30291, cl. ЕВВ 4/02, 2015.

Недостатки прототипа те же, что и в аналоге, наличие контактных трений между внутренней поверхностью корпуса и полуцилиндрическими лопастями, присутствие гидродинамических сопротивлений вращению в полости корпуса, низкие значения пускового момента объемного забойного двигателя в работу, что в совокупности снижают энергетические характеристики и надежность работы.The disadvantages of the prototype are the same as in the analogue, the presence of contact friction between the inner surface of the casing and the semi-cylindrical blades, the presence of hydrodynamic resistance to rotation in the cavity of the casing, low starting torque of the downhole displacement motor into operation, which together reduce the energy characteristics and reliability.

Задача изобретения - повышение энергетических характеристик и надежности работы объемного забойного двигателя.The objective of the invention is to increase the energy characteristics and reliability of the volumetric downhole motor.

Технический результат - устранение контактных трений, повышение значений пускового момента объемного забойного двигателя в работу и увеличение величины крутящего момента корпуса для бурения скважин.The technical result is the elimination of contact friction, increasing the starting torque of the volumetric downhole motor in operation and increasing the magnitude of the torque of the body for drilling wells.

Технический результат достигается тем, что в объемном забойном двигателе, содержащий корпус, состоящий из верхней и нижней частей, разъемно жестко соединенных между собой, кольцевую полость с дном и полуцилиндрические лопасти, согласно изобретению, верхняя и нижняя части корпуса имеют соосные центральные каналы, верхняя часть представляет собой цилиндры, помещенные один в другой, связанные полуцилиндрическими лопастями и образующие кольцевую полость, сообщающуюся с центральным каналом верхней части корпуса посредством сквозных отверстии, выполненных на внутреннем цилиндре выше дна кольцевой полости, при этом ниже сквозных отверстии поверхность центрального канала представлена полярными уступами, продольно обращенными по направлению вращения корпуса, на нижней части которого проведены канавки, исходящие из центрального канала, в виде спирали обгонно проходящие относительно осевой линии корпуса по периферии и выходящие противоположно вращению последнего.The technical result is achieved by the fact that in a volumetric downhole motor, comprising a housing consisting of upper and lower parts detachably rigidly interconnected, an annular cavity with a bottom and semi-cylindrical vanes, according to the invention, the upper and lower parts of the housing have coaxial central channels, the upper part represents cylinders placed one into the other, connected by semi-cylindrical blades and forming an annular cavity communicating with the central channel of the upper part of the housing by means of through holes the parts made on the inner cylinder above the bottom of the annular cavity, while below the through holes the surface of the central channel is represented by polar benches, longitudinally facing in the direction of rotation of the housing, on the lower part of which grooves emanating from the central channel are made, in the form of a spiral, passing bypass relative to the axial line Corps on the periphery and going opposite to the rotation of the latter.

Отличительными признаками - верхняя и нижняя части корпуса имеют соосные центральные каналы, верхняя часть представляет цилиндры, помещенные один в другой, связанные полуцилиндрическими лопастями, обеспечивается совместное вращение цилиндров с полуцилиндрическими лопастями как одно целое, тем самым исключаются контактные трения между ними, потери крутящего момента.Distinctive features - the upper and lower parts of the case have coaxial central channels, the upper part represents cylinders placed one into the other, connected by semi-cylindrical blades, the joint rotation of the cylinders with the semi-cylindrical blades is ensured as a whole, thereby eliminating contact friction between them, loss of torque.

Совокупностью отличительных признаков - образующие кольцевую полость, сообщающуюся с центральным каналом посредством сквозных отверстий, выполненных на внутреннем цилиндре выше дна кольцевой полости, в момент подачи рабочей жидкости по кольцевой полости достигается задержание потока у внутренней поверхности полуцилиндрических лопастей, сопровождающееся ростом давлений на них, следовательно повышением силы пускового момента объемного забойного двигателя в работу и величины крутящего момента корпуса.A set of distinctive features - forming an annular cavity communicating with the central channel through through holes made on the inner cylinder above the bottom of the annular cavity, at the moment of supply of the working fluid through the annular cavity, flow retention is achieved at the inner surface of the semi-cylindrical blades, accompanied by an increase in pressure on them, hence an increase the starting torque of the downhole displacement motor into operation and the magnitude of the housing torque.

Признаком - ниже сквозных отверстий поверхность центрального канала представлена полярными уступами, продольно обращенными по направлению вращения корпуса, появляется возможность преобразования разности скорости вращения корпуса и превышающей скорости рабочей жидкости в центральном канале в крутящий момент, приложением скоростного напора на уступы, что особенно ощутимо в момент замедления вращения корпуса, и сохранении скорости вращения рабочей жидкости, позволяющие повысить надежность работы объемного забойного двигателя.As a sign - below the through holes, the surface of the central channel is represented by polar benches, longitudinally facing in the direction of rotation of the housing, it becomes possible to convert the difference between the rotational speed of the housing and the speed of the working fluid in the central channel to torque by applying a high-pressure head to the ledges, which is especially noticeable at the time of deceleration rotation of the body, and maintaining the rotation speed of the working fluid, which allows to increase the reliability of the operation of the volumetric downhole motor.

Признаком - на нижней части которого проведены канавки, исходящие из центрального канала и в виде спирали обгонно проходящие относительно осевой линии корпуса по периферии, выходящие противоположно вращению последнего, достигается увеличение радиуса закругления канавки, оказанием наибольшего давления рабочей жидкости на внешние стенки канавки, удлинение пути пробега канавки и плеча моментов реактивных сил истечения, что совокупно обеспечивает рост значений энергетических характеристик и повышение надежности работы объемного забойного двигателя.A sign - on the lower part of which grooves are made, emanating from the central channel and in the form of a helix passing around the periphery of the housing axis along the periphery, which are opposite to the rotation of the body, an increase in the radius of the groove is achieved by exerting the greatest pressure of the working fluid on the outer walls of the groove, and the path grooves and shoulder moments of reactive forces of the expiration, which together provides an increase in the values of energy characteristics and increase the reliability of the work th engine.

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

На фиг. 1 изображен общий вид объемного забойного двигателя, на фиг. 2 и фиг. 3 разрез, соответственно по А-А и Б-Б на фиг. 1.In FIG. 1 shows a general view of a volumetric downhole motor; FIG. 2 and FIG. 3 section, respectively, aa and bb in FIG. 1.

Объемный забойный двигатель содержит корпус, состоящий из верхней и нижней части, верхняя часть представляет наружный цилиндр 1 и в него помещен внутренний цилиндр 2, связанные полуцилиндрическими лопастями 3, и образующими кольцевую полость с дном 4, сообщающуюся с центральным каналом 5 через сквозные отверстия 6, выполненные на внутреннем цилиндре 2 выше дна 4 кольцевой полости.The downhole engine comprises a housing consisting of an upper and lower part, the upper part is an outer cylinder 1 and an inner cylinder 2 is placed in it, connected by semi-cylindrical blades 3, and forming an annular cavity with a bottom 4, communicating with the central channel 5 through through holes 6, made on the inner cylinder 2 above the bottom 4 of the annular cavity.

Ниже сквозных отверстий 6 поверхность центрального канала 5 представлена полярными уступами 7, продольно обращенными по направлению вращения корпуса.Below the through holes 6, the surface of the central channel 5 is represented by polar ledges 7, longitudinally facing in the direction of rotation of the housing.

При этом наружный цилиндр 1 вверху через опору скольжения 8 связан с невращающимся переводником 9 с каналами 10, а в нижнем окончании соединен с нижней частью корпуса 11 с центральным каналом 12, соосным с центральным каналом 5 верхней части корпуса. На нижней части корпуса 11 проведены канавки 13, исходящие из центрального канала 12, и в виде спирали обгонно проходящие относительно осевой линии корпуса по периферии, выходящие противоположно вращению последнего.In this case, the outer cylinder 1 at the top through the sliding support 8 is connected with a non-rotating sub 9 with channels 10, and at the lower end is connected to the lower part of the housing 11 with a central channel 12, coaxial with the central channel 5 of the upper part of the housing. On the lower part of the housing 11, grooves 13 are drawn, emanating from the central channel 12, and in the form of a spiral passing overtaking relative to the axial line of the housing along the periphery, coming out opposite to the rotation of the latter.

Объемный забойный двигатель работает следующим образом. Направлением рабочей жидкости по каналам 10 переводника 9 по направлению вращения корпуса под острым углом на дно 4 кольцевой полости, образованной наружным 1 и внутренним 2 цилиндрами, за счет веса и давлений рабочей жидкости появляется выталкивающая сила, преобразуемая в крутящий момент корпуса, усиленный последующим воздействием скоростного напора на внутренние поверхности полуцилиндрических лопастей 3.Volume downhole motor works as follows. By the direction of the working fluid along the channels 10 of the sub 9 in the direction of rotation of the housing at an acute angle to the bottom 4 of the annular cavity formed by the outer 1 and inner 2 cylinders, due to the weight and pressure of the working fluid, a buoyant force appears, which is converted to the torque of the housing, reinforced by the subsequent action of the speed pressure on the inner surfaces of semi-cylindrical blades 3.

При этом происходит задержание движении рабочей жидкости, сопровождающееся ростом давлений на внутренней поверхности полуцилиндрических лопастей 3, повышением значений пускового момента, и корпус объемного забойного двигателя совершает вращательное движение на опоре скольжения 8 вокруг невращающегося переводника 9.When this occurs, the movement of the working fluid is delayed, accompanied by an increase in pressure on the inner surface of the semi-cylindrical blades 3, an increase in the starting torque, and the body of the volume downhole motor rotates on the sliding support 8 around a non-rotating sub 9.

Далее, рабочая жидкость из кольцевой полости через сквозные отверстия 6 перетекает в центральный канал 5 верхней части корпуса, где при превышении скорости вращения рабочей жидкости над скоростью вращения корпуса напор рабочей жидкости будет приложен на полярные уступы 7, увеличивая значение крутящего момента.Further, the working fluid from the annular cavity through the through holes 6 flows into the central channel 5 of the upper part of the housing, where when the working fluid rotates above the rotational speed of the housing, the working fluid pressure will be applied to the polar ledges 7, increasing the torque value.

Из центрального канала 5 рабочая жидкость поступает в соосный с ним центральный канал 12 нижней части корпуса 11, и по канавкам 13 выходит в затрубное пространство с образованием дополнительного крутящего момента реактивным истечением рабочей жидкости.From the central channel 5, the working fluid enters the center channel 12 coaxial with it of the lower part of the housing 11, and through the grooves 13 it enters the annulus with the formation of additional torque by reactive outflow of the working fluid.

Эксперименты, проведенные по испытанию и выявлению ресурсных возможностей опытного образца объемного забойного двигателя диаметром корпуса 195 мм, изготовленного в соответствии с изложенной формулой изобретения, показали, что при меньших значениях габаритных размеров по длине и расходах рабочей жидкости для данного диаметра, достигнуты значения энергетических характеристик, обеспечивающие бурение скважин в твердых и крепких горных породах 9-11 категории по буримости.The experiments conducted to test and identify the resource capabilities of a prototype volumetric downhole motor with a diameter of 195 mm, made in accordance with the above claims, showed that with smaller values of the overall dimensions along the length and flow rate of the working fluid for a given diameter, the energy characteristics were achieved, providing drilling in hard and hard rocks of the 9-11 category of drillability.

Claims

A downhole engine comprising a housing consisting of upper and lower parts detachably rigidly interconnected, an annular cavity with a bottom and semi-cylindrical blades, characterized in that the upper and lower parts of the housing have coaxial central channels, the upper part is a cylinder placed one in another, connected by semi-cylindrical blades and forming an annular cavity communicating with the central channel of the upper part of the body through through holes made on the inner cylinder above the bottom to of the face of the cavity, while below the through holes the surface of the central channel is represented by polar ledges longitudinally facing in the direction of rotation of the housing, on the lower part of which grooves are emanating from the central channel and in the form of a spiral pass overtaking relative to the axial line of the housing along the periphery, coming out opposite to the rotation of the latter .