RU2805348C1 - Gerotor hydraulic motor - Google Patents
Gerotor hydraulic motor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2805348C1 RU2805348C1 RU2022130452A RU2022130452A RU2805348C1 RU 2805348 C1 RU2805348 C1 RU 2805348C1 RU 2022130452 A RU2022130452 A RU 2022130452A RU 2022130452 A RU2022130452 A RU 2022130452A RU 2805348 C1 RU2805348 C1 RU 2805348C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotor
- stator
- profile
- helical
- helical teeth
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к гидравлическим приводам для вращательного бурения, размещаемым в скважине, а именно к героторным гидравлическим двигателям с парами металл-металл для направленного бурения нефтяных скважин.The invention relates to hydraulic drives for rotary drilling placed in a well, namely to gerotor hydraulic motors with metal-to-metal pairs for directional drilling of oil wells.
Нефтяная скважина обычно имеет подземный интервал, который бурят направленно, а именно наклонно под углом к вертикальному направлению и под наклоном, имеющим компасный курс или азимут.An oil well typically has a subterranean interval that is drilled directionally, namely at an angle to the vertical direction and at an inclination that has a compass heading or azimuth.
Направленное бурение скважин с горизонтальным интервалом в подземных пластах при разработке месторождений нефти осуществляют с использованием компоновки низа бурильной колонны (КНБК) с долотом вращением бурильной колонны от верхнего привода и/или от привода героторного гидравлического двигателя, содержащего закрепленную внутри корпуса обкладку из эластомера с внутренними винтовыми зубьями и эксцентрично расположенный ротор с наружными винтовыми зубьями, выполненными с возможностью планетарно-роторного вращения ротора при насосной подаче текучей среды (бурового раствора), прокачиваемой по бурильной колонне.Directional drilling of wells with horizontal intervals in underground formations during the development of oil fields is carried out using a bottom hole assembly (BHA) with a bit, rotating the drill string from the top drive and/or from the drive of a gerotor hydraulic motor containing an elastomer lining fixed inside the housing with internal screws. teeth and an eccentrically located rotor with external helical teeth, designed to allow planetary rotary rotation of the rotor when pumping fluid (drilling fluid) pumped along the drill string.
Для бурения криволинейных и прямолинейных интервалов скважин с целью обеспечения проектного изгиба КНБК для формирования криволинейных интервалов скважин используют героторный двигатель, снабженный регулируемым переводником с фиксированным углом перекоса.To drill curved and straight intervals of wells in order to ensure the design bending of the BHA to form curved intervals of wells, a gerotor motor is used, equipped with an adjustable sub with a fixed skew angle.
Для бурения криволинейного интервала скважины вращение бурильной колонны от верхнего привода прекращают, изгиб регулируемого переводника направляют в заданном направлении, а бурение скважины производят вращением долота с приводом от героторного двигателя.To drill a curved well interval, the rotation of the drill string from the top drive is stopped, the bending of the adjustable sub is directed in a given direction, and the well is drilled by rotating the bit driven by a gerotor motor.
После завершения проходки криволинейного интервала скважины для бурения прямолинейного интервала используют КНБК, содержащую изгиб, бурение скважины производят вращением бурильной колонны от верхнего привода и/или от привода героторного двигателя.After completion of drilling a curved interval of a well, a BHA containing a bend is used to drill a straight interval; the well is drilled by rotating the drill string from the top drive and/or from the gerotor motor drive.
С помощью данных способов формируют криволинейный интервал скважины, а далее производят бурение горизонтального интервала вращением бурильной колонны от верхнего привода и/или от привода героторного двигателя.Using these methods, a curved well interval is formed, and then a horizontal interval is drilled by rotating the drill string from the top drive and/or from the gerotor motor drive.
Практика показала, что большинство отказов существующих героторных гидравлических двигателей с обкладкой из эластомера в статоре происходит из-за износа и разрушения обкладки из эластомера в статоре.Experience has shown that most failures of existing gerotor hydraulic motors with an elastomer lining in the stator occur due to wear and destruction of the elastomer lining in the stator.
Обкладки из эластомера в статоре обычно выходят из строя (отказ двигателя - "резина в долоте", "отсутствие проходки") из-за высоких механических нагрузок, износа вследствие эрозии и истирания, несовместимости жидкостей, высокой температуры, длительной работы с максимальными вращающими моментами в твердых породах (в цокольном граните), шламования рабочих пар песком и/или парафинами.The elastomer linings in the stator usually fail (engine failure - “rubber in the bit”, “lack of penetration”) due to high mechanical loads, wear due to erosion and abrasion, incompatibility of fluids, high temperatures, long-term operation at maximum torques in hard rocks (in basement granite), slurry of working couples with sand and/or paraffins.
Вследствие этого не обеспечиваются свойства эластомера в конструкции, например, усталостной выносливости при знакопеременном изгибе с вращением (ГОСТ 10952-75), остаточной деформации и усталостной выносливости при многократном сжатии (ГОСТ20418-75), температурного предела хрупкости (ГОСТ7912-74), истирания при скольжении (ГОСТ426-77).As a result, the properties of the elastomer in the design are not ensured, for example, fatigue endurance during alternating bending with rotation (GOST 10952-75), residual deformation and fatigue endurance under repeated compression (GOST 20418-75), temperature limit of brittleness (GOST 7912-74), abrasion during sliding (GOST 426-77).
При работе с высоким перепадом давления и прогрессирующей эрозии внутренние утечки увеличиваются, выходная мощность героторной гидравлический пары "ротор-статор" снижается, а ресурс уменьшается.When operating with a high pressure drop and progressive erosion, internal leaks increase, the output power of the gerotor hydraulic rotor-stator pair decreases, and the service life decreases.
В 20-е годы XXI века в Канаде, США и ЕС появились героторные гидравлические двигатели с парами металл-металл, известные под названием "Metal on Metal Rotor Stators": InFocus Energy Services (Канада), EC-Profile B.V. (Нидерланды, www.ec-profile.com), Subtor, Baker Hughes (US), для высокой температуры (300°С) направленного бурения.In the 20s of the 21st century, gerotor hydraulic motors with metal-to-metal pairs, known as “Metal on Metal Rotor Stators”, appeared in Canada, the USA and the EU: InFocus Energy Services (Canada), EC-Profile B.V. (Netherlands, www.ec-profile.com), Subtor, Baker Hughes (US), for high temperature (300°C) directional drilling.
Особенностью работы героторных гидравлических двигателей является воздействие перекашивающих моментов ротора при планетарно-роторном вращении ротора на края статора, вследствие этого по краям статора и ротора с парами металл-металл, известных под названием "Metal on Metal Rotor Stators", образуется повышенный адгезивный, абразивный, ударный и усталостный износ, причем в условиях высокой турбулентности текучей среды (бурового раствора), что приводит к промыву рабочей пары, не обеспечивает сохранение крутящего момента двигателя для разных расходов и скоростей потока на уровне существующих двигателей на основе эластомеров.A feature of the operation of gerotor hydraulic motors is the impact of rotor distortion moments during planetary-rotor rotation of the rotor on the edges of the stator, as a result of which increased adhesive, abrasive, impact and fatigue wear, and in conditions of high turbulence of the fluid (drilling mud), which leads to flushing of the working couple, does not ensure the preservation of engine torque for different flow rates and flow rates at the level of existing elastomer-based engines.
Другой особенностью героторных гидравлических двигателей является изгиб статора двигателя при прохождении через радиусные интервалы ствола скважин, вследствие этого на края статора и ротора с парами металл-металл добавляется воздействие перекашивающих моментов ротора двигателя при планетарно-роторном вращении ротора в изогнутом статоре, при этом на краях статора и ротора образуется дополнительный адгезивный, абразивный, ударный и усталостный износ, причем в условиях высокой турбулентности текучей среды, прокачиваемой по бурильной колонне, что приводит к промыву рабочей пары, не обеспечивает сохранение крутящего момента двигателя для разных расходов и скоростей потока на уровне существующих двигателей на основе эластомеров.Another feature of gerotor hydraulic engines is the bending of the engine stator when passing through the radius intervals of the wellbore, as a result of which the impact of distorting moments of the engine rotor during planetary-rotor rotation of the rotor in a curved stator is added to the edges of the stator and rotor with metal-to-metal pairs, while at the edges of the stator and the rotor, additional adhesive, abrasive, impact and fatigue wear is formed, and in conditions of high turbulence of the fluid pumped through the drill string, which leads to flushing of the working pair, does not ensure the preservation of engine torque for different flow rates and flow rates at the level of existing engines at based on elastomers.
Адгезивный износ обусловлен переносом металла с одной поверхности на другую во время относительного движения благодаря процессу сварки в твердой фазе, при этом частицы, которые удалены с одной поверхности -временно или постоянно, присоединяются к другой поверхности между соприкасающимися и трущимися поверхностями ротора и статора.Adhesive wear is caused by the transfer of metal from one surface to another during relative motion due to the solid phase welding process, where particles that are removed from one surface, either temporarily or permanently, are attached to another surface between the contacting and rubbing surfaces of the rotor and stator.
Абразивный износ обусловлен царапающим или срезающим воздействием твердых частиц текучей среды-бурового раствора (песка, твердой фазы в тяжелых буровых растворах, пыли, грязи, продуктов износа - мельчайших опилок, стружки) между соприкасающимися и трущимися поверхностями ротора и статора.Abrasive wear is caused by the scratching or shearing effect of solid particles of the fluid - drilling fluid (sand, solid phase in heavy drilling fluids, dust, dirt, wear products - tiny sawdust, shavings) between the contacting and rubbing surfaces of the rotor and stator.
Ударный износ обусловлен ударными нагрузками от воздействия перекашивающих моментов ротора при планетарно-роторном вращении ротора на края ротора и статора, в результате образуется хрупкое разрушение рабочих поверхностей на краях ротора и статора.Impact wear is caused by impact loads from the impact of rotor warping moments during planetary-rotor rotation of the rotor on the edges of the rotor and stator, resulting in brittle destruction of the working surfaces at the edges of the rotor and stator.
Усталостный износ обусловлен длительной и сильной нагрузкой на металл между соприкасающимися и трущимися поверхностями ротора и статора, развитием усталостных явлений, имеющих термическую или контактную природу, а также развитием эрозионных процессов, явлением кавитации, изнашивания схватыванием.Fatigue wear is caused by long-term and strong load on the metal between the contacting and rubbing surfaces of the rotor and stator, the development of fatigue phenomena of a thermal or contact nature, as well as the development of erosion processes, the phenomenon of cavitation, and wear by adhesion.
Известен забойный буровой двигатель для использования в бурильной колонне, расположенной в подземном стволе скважины, содержащий статор без эластомера, имеющий первое множество спиральных выступов, и ротор без эластомера, имеющий второе множество спиральных кулачков, ротор расположен с возможностью вращения внутри статора, указанный ротор и указанный статор имеют размеры относительно друг друга для посадки с отрицательным натягом или посадки с нулевым натягом, а статор включает в себя множество секций, соединенных встык независимо от дополнительного соединителя (US 6241494, 05.06.2001).A downhole drilling motor is known for use in a drill string located in an underground wellbore, comprising an elastomer-free stator having a first plurality of helical protrusions, and an elastomer-free rotor having a second plurality of helical cams, the rotor rotatably positioned within the stator, said rotor and said the stator is sized relative to each other for a negative interference fit or a zero interference fit, and the stator includes a plurality of sections connected end to end independently of an additional connector (US 6241494, 06/05/2001).
В известной конструкции статор и ротор выполнены из металла, статор состоит из множества обработанных секций из нержавеющей стали, сваренных встык, двигатель содержит буровое долото и подшипниковый узел, буровое долото соединено с ротором подшипниковым узлом, двигатель содержит узел трансмиссии, буровое долото соединено с ротором с помощью подшипникового узла и узла трансмиссии, при этом двигатель содержит перепускной клапан, соединенный с двигателем, для регулирования потока бурового раствора между ротором и статором.In a known design, the stator and rotor are made of metal, the stator consists of a plurality of machined stainless steel sections butt welded, the motor contains a drill bit and a bearing assembly, the drill bit is connected to the rotor by a bearing assembly, the motor contains a transmission assembly, the drill bit is connected to the rotor with using a bearing assembly and a transmission assembly, the motor including a bypass valve connected to the motor to regulate the flow of drilling fluid between the rotor and the stator.
Недостатком известной конструкции является неполная возможность повышения ресурса и надежности гидравлического двигателя с парой металл-металл, а именно сохранение крутящего момента двигателя для разных расходов и скоростей потока текучей среды на уровне существующих двигателей на основе эластомеров, за счет пропускания через двигатель абразивных частиц, размеры которых превышают зазор по контактной кривой между винтовой поверхностью ротора и внутренней винтовой поверхностью статора, а также неполная возможность увеличения контактной поверхности краев ротора и статора и уменьшения адгезивного, абразивного, ударного и усталостного износа и утечек текучей среды героторной винтовой рабочей пары от воздействия перекашивающих моментов ротора при планетарно-роторном вращении ротора на края ротора и статора.The disadvantage of the known design is the incomplete possibility of increasing the service life and reliability of a hydraulic motor with a metal-to-metal pair, namely maintaining the motor torque for different flow rates and fluid flow rates at the level of existing elastomer-based motors, due to the passage of abrasive particles through the motor, the size of which exceed the gap along the contact curve between the helical surface of the rotor and the inner helical surface of the stator, as well as the incomplete possibility of increasing the contact surface of the edges of the rotor and stator and reducing adhesive, abrasive, impact and fatigue wear and fluid leaks of the gerotor screw working pair from the influence of rotor twisting moments at planetary rotary rotation of the rotor on the edges of the rotor and stator.
Известна гидравлическая машина с последовательной полостью, содержащая многолопастной ротор и статор спиралевидной формы без эластомерного покрытия, установленный с зазором, статор выполнен из твердого металла, сплава, керамики или композитного материала, зазор между ротором и статором составляет от 0,05 мм до 0,5 мм, при этом поверхность ротора или поверхность статора содержит канавку, размеры которой составляют ширину от 5 мм до 10 мм и глубину от 0,05 мм до 10 мм. (US9051780, 09.06.2015).A hydraulic machine with a sequential cavity is known, containing a multi-blade rotor and a spiral-shaped stator without an elastomeric coating, installed with a gap, the stator is made of solid metal, alloy, ceramic or composite material, the gap between the rotor and stator is from 0.05 mm to 0.5 mm, wherein the rotor surface or stator surface contains a groove whose dimensions range from 5 mm to 10 mm in width and from 0.05 mm to 10 mm in depth. (US9051780, 06/09/2015).
В известной конструкции ротор и/или статор дополнительно покрыты износостойким покрытием, указанная конструкция содержит множество секций, кулачки указанного ротора или статора содержат сквозные каналы, гидравлически соединяющие камеры, образованные указанными кулачками, при этом диаметр указанных каналов составляет от 2 мм до 10 мм.In the known design, the rotor and/or stator are additionally covered with a wear-resistant coating, the said structure contains a plurality of sections, the cams of the said rotor or stator contain through channels that hydraulically connect the chambers formed by the said cams, and the diameter of the said channels ranges from 2 mm to 10 mm.
В известной конструкции по меньшей мере один кулачок имеет отверстия и сквозной канал, который гидравлически соединяет первую камеру, образованную между ротором и статором, и вторую камеру, образованную между ротором и статором, при этом сквозной канал содержит ось, причем ось изогнута, а сквозной канал имеет диаметр от 2 до 10 мм.In a known design, at least one cam has holes and a through channel that hydraulically connects a first chamber formed between the rotor and the stator and a second chamber formed between the rotor and the stator, wherein the through channel includes an axle, the axis is curved, and the through channel has a diameter from 2 to 10 mm.
Для работы с частицами крупнее зазора через лопасти ротора или статора равномерно расположен ряд специальных каналов, гидравлически соединяющих соседние полости, расположенные по обеим сторонам лопастей. Поток проходит через зазор, но также проходит и по этим каналам, промывая полости при работе двигателя.To handle particles larger than the gap, a series of special channels are evenly spaced through the rotor or stator blades, hydraulically connecting adjacent cavities located on both sides of the blades. The flow passes through the gap, but also passes through these channels, flushing the cavities when the engine is running.
Недостатком известной конструкции является неполная возможность повышения ресурса и надежности гидравлического двигателя с парой металл-металл, а именно сохранение крутящего момента двигателя для разных расходов и скоростей потока текучей среды на уровне существующих двигателей на основе эластомеров, за счет пропускания через двигатель абразивных частиц, размеры которых превышают зазор по контактной кривой между винтовой поверхностью ротора и внутренней винтовой поверхностью статора, а также неполная возможность увеличения контактной поверхности краев ротора и статора и уменьшения адгезивного, абразивного, ударного и усталостного износа и утечек текучей среды героторной винтовой рабочей пары от воздействия перекашивающих моментов ротора при планетарно-роторном вращении ротора на края ротора и статора.The disadvantage of the known design is the incomplete possibility of increasing the service life and reliability of a hydraulic motor with a metal-to-metal pair, namely maintaining the motor torque for different flow rates and fluid flow rates at the level of existing elastomer-based motors, due to the passage of abrasive particles through the motor, the size of which exceed the gap along the contact curve between the helical surface of the rotor and the inner helical surface of the stator, as well as the incomplete possibility of increasing the contact surface of the edges of the rotor and stator and reducing adhesive, abrasive, impact and fatigue wear and fluid leaks of the gerotor screw working pair from the influence of rotor twisting moments at planetary rotary rotation of the rotor on the edges of the rotor and stator.
Известен статор винтовой героторной гидромашины, содержащий трубчатый корпус с внутренней поверхностью, выполненной с внутренними винтовыми зубьями, на каждом краю трубчатого корпуса выполнена внутренняя резьба, а также содержащий закрепленную в трубчатом корпусе обкладку из эластомера, прилегающую к внутренней поверхности трубчатого корпуса, обкладка из эластомера выполнена с внутренними винтовыми зубьями и совпадает по форме с внутренними винтовыми зубьями в трубчатом корпусе, а также содержащий во входной по потоку части трубчатого корпуса демпферную полость, расположенную ниже по потоку от края внутренних винтовых зубьев в трубчатом корпусе, направленного против потока, выполненную в виде кольцевой канавки внутри трубчатого корпуса, примыкающей к боковым поверхностям внутренних винтовых зубьев трубчатого корпуса, образованным упомянутой кольцевой канавкой, а обкладка из эластомера содержит в упомянутой демпферной полости входной демпфер из эластомера с собственными внутренними винтовыми зубьями, примыкающими к внутренним винтовым зубьям обкладки из эластомера, прилегающий к поверхности кольцевой канавки внутри трубчатого корпуса и боковым поверхностям внутренних винтовых зубьев трубчатого корпуса, образованным упомянутой кольцевой канавкой, с возможностью скрепления с обкладкой из эластомера, а также с кольцевой канавкой внутри трубчатого корпуса и боковыми поверхностями внутренних винтовых зубьев трубчатого корпуса, образованными упомянутой кольцевой канавкой, а также содержащий в выходной по потоку части трубчатого корпуса демпферную полость, расположенную выше по потоку от края внутренних винтовых зубьев в трубчатом корпусе, направленного по потоку, выполненную в виде кольцевой канавки внутри трубчатого корпуса, примыкающей к боковым поверхностям внутренних винтовых зубьев трубчатого корпуса, образованным кольцевой канавкой, а обкладка из эластомера содержит в упомянутой демпферной полости выходной демпфер из эластомера с собственными внутренними винтовыми зубьями, примыкающими к внутренним винтовым зубьям обкладки из эластомера, прилегающий к поверхности кольцевой канавки внутри трубчатого корпуса и боковым поверхностям внутренних винтовых зубьев трубчатого корпуса, образованным кольцевой канавкой, с возможностью скрепления с обкладкой из эластомера, а также с кольцевой канавкой внутри трубчатого корпуса и боковыми поверхностями внутренних винтовых зубьев трубчатого корпуса, образованными кольцевой канавкой, при этом внутренние винтовые зубья на внутренней поверхности трубчатого корпуса образованы множеством внутренних винтовых шлиц с круговым профилем поперечного сечения, а вершины внутренних винтовых шлиц сопряжены с огибающей упомянутых внутренних винтовых шлиц, идентичной теоретическому профилю поперечного сечения внутренних винтовых зубьев на внутренней поверхности трубчатого корпуса (RU2723595, 27.08.2019).A stator of a screw gerotor hydraulic machine is known, containing a tubular body with an internal surface made with internal helical teeth, on each edge of the tubular body there is an internal thread, and also containing an elastomer lining fixed in the tubular body, adjacent to the inner surface of the tubular body, the elastomer lining is made with internal helical teeth and coincides in shape with the internal helical teeth in the tubular body, and also contains in the upstream part of the tubular body a damper cavity located downstream from the edge of the internal helical teeth in the tubular body, directed against the flow, made in the form of an annular grooves inside the tubular body adjacent to the side surfaces of the internal helical teeth of the tubular body formed by the said annular groove, and the elastomer lining contains in the said damper cavity an input damper made of elastomer with its own internal helical teeth adjacent to the internal helical teeth of the elastomer lining adjacent to the surface of the annular groove inside the tubular body and the side surfaces of the inner helical teeth of the tubular body, formed by the said annular groove, with the possibility of fastening with the lining of the elastomer, as well as with the annular groove inside the tubular body and the side surfaces of the inner helical teeth of the tubular body, formed by the mentioned annular groove, and also containing in the downstream part of the tubular body a damper cavity located upstream from the edge of the internal helical teeth in the tubular body, directed downstream, made in the form of an annular groove inside the tubular body adjacent to the side surfaces of the internal helical teeth of the tubular body, formed an annular groove, and the elastomer lining contains in the said damper cavity an output damper made of elastomer with its own internal helical teeth adjacent to the internal helical teeth of the elastomer lining, adjacent to the surface of the annular groove inside the tubular body and the lateral surfaces of the internal helical teeth of the tubular body, formed by an annular groove, with the possibility of fastening with an elastomer lining, as well as with an annular groove inside the tubular body and the side surfaces of the internal helical teeth of the tubular body, formed by the annular groove, while the internal helical teeth on the inner surface of the tubular body are formed by a plurality of internal screw slots with a circular transverse profile sections, and the tops of the internal screw splines are associated with the envelope of the mentioned internal screw splines, identical to the theoretical cross-sectional profile of the internal screw teeth on the inner surface of the tubular body (RU2723595, 08/27/2019).
Известный статор винтовой героторной гидромашины, содержащий трубчатый корпус с внутренней поверхностью, выполненной с внутренними винтовыми зубьями (RU2723595, 27.08.2019, статор без эластомера, изображен на фиг. 2, 6, 7), был использован в компании "Радиус-Сервис" в героторном гидравлическом двигателе, содержащем упомянутый статор, имеющий внутреннюю поверхность в форме геликоида с винтовыми многозаходными зубьями, при этом внутренние винтовые зубья на внутренней поверхности трубчатого корпуса образованы множеством внутренних винтовых шлиц с круговым профилем поперечного сечения.The well-known stator of a screw gerotor hydraulic machine, containing a tubular body with an internal surface made with internal helical teeth (RU2723595, 08/27/2019, stator without elastomer, shown in Fig. 2, 6, 7), was used in the Radius-Service company in gerotor hydraulic motor containing the mentioned stator having an internal surface in the form of a helicoid with multi-start helical teeth, while the internal helical teeth on the inner surface of the tubular body are formed by a plurality of internal helical splines with a circular cross-section profile.
Недостатком известной конструкции является неполная возможность повышения ресурса и надежности гидравлического двигателя с парой металл-металл, а именно сохранение крутящего момента двигателя для разных расходов и скоростей потока текучей среды на уровне существующих двигателей на основе эластомеров, за счет пропускания через двигатель абразивных частиц, размеры которых превышают зазор по контактной кривой между винтовой поверхностью ротора и внутренней винтовой поверхностью статора, а также неполная возможность увеличения контактной поверхности краев ротора и статора и уменьшения адгезивного, абразивного, ударного и усталостного износа и утечек текучей среды героторной винтовой рабочей пары от воздействия перекашивающих моментов ротора при планетарно-роторном вращении ротора на края ротора и статора.The disadvantage of the known design is the incomplete possibility of increasing the service life and reliability of a hydraulic motor with a metal-to-metal pair, namely maintaining the motor torque for different flow rates and fluid flow rates at the level of existing elastomer-based motors, due to the passage of abrasive particles through the motor, the size of which exceed the gap along the contact curve between the helical surface of the rotor and the inner helical surface of the stator, as well as the incomplete possibility of increasing the contact surface of the edges of the rotor and stator and reducing adhesive, abrasive, impact and fatigue wear and fluid leaks of the gerotor screw working pair from the influence of rotor twisting moments at planetary rotary rotation of the rotor on the edges of the rotor and stator.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является скважинный инструмент, содержащий: прогрессивную полостную секцию со статором и ротором; в котором статор сформирован из единого цельного блока материала, и статор имеет длину не менее пятидесяти дюймов, определяемую между осевыми краями статора; в котором контактирующие с ротором поверхности статора и контактирующие со статором поверхности ротора являются жесткими и не изгибаются при использовании при забойных температурах; в котором контактные поверхности статора и ротора выполнены из металла; в котором статор формируется с помощью электрохимической обработки (ЭХО) для структурирования контактирующих с ротором поверхностей статора для достижения достаточно узкого зазора или посадки с отрицательным натягом с ротором для формирования эффективного насосного уплотнения без заедания прогрессивной секции полости при использовании (US 10676992, 09.06.2020).The closest to the claimed invention is a downhole tool containing: a progressive cavity section with a stator and a rotor; wherein the stator is formed from a single solid block of material and the stator has a length of at least fifty inches as measured between the axial edges of the stator; wherein the stator contacting surfaces with the rotor and the rotor contacting surfaces with the stator are rigid and do not bend when used at bottomhole temperatures; in which the contact surfaces of the stator and rotor are made of metal; in which the stator is formed by electrochemical machining (ECM) to structure the rotor-contacting surfaces of the stator to achieve a sufficiently narrow clearance or negative interference fit with the rotor to form an effective pump seal without seizing the progressive cavity section during use (US 10676992, 06/09/2020) .
В известном скважинном инструменте контактирующие с ротором поверхности статора и контактирующие со статором поверхности ротора подвергнуты термообработке с азотированием для повышения поверхностной твердости.In the known downhole tool, the rotor contacting surfaces of the stator and the stator contacting surfaces of the rotor are subjected to heat treatment with nitriding to increase surface hardness.
Недостатком известной конструкции является неполная возможность повышения ресурса и надежности гидравлического двигателя с парой металл-металл, а именно сохранение крутящего момента двигателя для разных расходов и скоростей потока текучей среды на уровне существующих двигателей на основе эластомеров, за счет пропускания через двигатель абразивных частиц, размеры которых превышают зазор по контактной кривой между винтовой поверхностью ротора и внутренней винтовой поверхностью статора, а также неполная возможность увеличения контактной поверхности краев ротора и статора и уменьшения адгезивного, абразивного, ударного и усталостного износа и утечек текучей среды героторной винтовой рабочей пары от воздействия перекашивающих моментов ротора при планетарно-роторном вращении ротора на края ротора и статора.The disadvantage of the known design is the incomplete possibility of increasing the service life and reliability of a hydraulic motor with a metal-to-metal pair, namely maintaining the motor torque for different flow rates and fluid flow rates at the level of existing elastomer-based motors, due to the passage of abrasive particles through the motor, the size of which exceed the gap along the contact curve between the helical surface of the rotor and the inner helical surface of the stator, as well as the incomplete possibility of increasing the contact surface of the edges of the rotor and stator and reducing adhesive, abrasive, impact and fatigue wear and fluid leaks of the gerotor screw working pair from the influence of rotor twisting moments at planetary rotary rotation of the rotor on the edges of the rotor and stator.
Технический результат, который обеспечивается изобретением, заключается в повышении ресурса и надежности героторного гидравлического двигателя с парой металл-металл за счет пропускания через двигатель абразивных частиц, размеры которых превышают зазор по контактной кривой между винтовой поверхностью ротора и внутренней винтовой поверхностью статора, за счет увеличения контактной поверхности краев ротора и статора и уменьшения адгезивного, абразивного, ударного и усталостного износа и утечек текучей среды героторной винтовой рабочей пары от воздействия перекашивающих моментов ротора при планетарно-роторном вращении ротора на края ротора и статора, а также за счет снижения вероятности образования усталостных трещин по краям статора.The technical result provided by the invention is to increase the service life and reliability of a gerotor hydraulic motor with a metal-to-metal pair by passing through the motor abrasive particles whose dimensions exceed the gap along the contact curve between the helical surface of the rotor and the inner helical surface of the stator, by increasing the contact surface of the edges of the rotor and stator and reducing adhesive, abrasive, impact and fatigue wear and fluid leakage of the gerotor screw working pair from the impact of rotor distortion moments during planetary rotor rotation of the rotor on the edges of the rotor and stator, as well as by reducing the likelihood of fatigue cracks forming along edges of the stator.
Сущность технического решения заключается в том, что в героторном гидравлическом двигателе, содержащем статор из твердого металла, размещенный внутри него многозаходный винтовой героторный механизм, включающий внутреннюю поверхность статора с внутренними винтовыми зубьями и эксцентрично расположенный ротор с наружными винтовыми зубьями, выполненными с возможностью планетарно-роторного вращения ротора при насосной подаче текучей среды, число наружных винтовых зубьев ротора на единицу меньше числа внутренних винтовых зубьев статора, а наружные винтовые зубья ротора способны входить в зацепление с внутренними винтовыми зубьями статора при планетарно-роторном вращении ротора, согласно изобретению внутренняя поверхность статора, выполненная с внутренними винтовыми зубьями, содержит множество винтовых канавок, при этом каждая из винтовых канавок выполнена с полукругым профилем поперечного сечения, а меридианная плоскость поперечного сечения каждой из винтовых канавок расположена по касательной к огибающей внутренней поверхности статора, идентичной теоретическому профилю поперечного сечения внутренней поверхности статора, вход винтовых канавок расположен на входных торцах внутренних винтовых зубьев статора, выход винтовых канавок расположен на выходных торцах внутренних винтовых зубьев статора, отношение глубины h винтовых канавок к радиусу R окружности впадин внутренних винтовых зубьев статора находится в диапазоне от 0,11 до 0,22, отношение расстояния t между соседними винтовыми канавками к глубине h винтовых канавок находится в диапазоне от 2,5 до 10,5, а зазор между винтовыми зубьями ротора и внутренними винтовыми зубьями статора находится в диапазоне от 0,33 до 0,88 мм, при этом поперечные сечения винтовых зубьев на краях ротора очерчены уменьшающимся в направлении ближнего торца ротора эквидистантным профилем, выполненным с возможностью смещения каждой точки профиля в радиальном направлении по вектору, соединяющему каждую точку профиля с центральной продольной осью ротора, длина L каждого участка винтовых зубьев на краях ротора, очерченного уменьшающимся в направлении ближнего торца ротора эквидистантным профилем, и радиус R наружной поверхности ротора на длине между упомянутыми участками связаны соотношением: L=(3,55÷5,55)R, при этом радиус Rт каждой точки профиля наружной поверхности ротора на длине каждого участка L на краях ротора, на котором поперечные сечения винтовых зубьев очерчены уменьшающимся в направлении ближнего торца ротора эквидистантным профилем, выполненным с возможностью смещения каждой точки профиля в радиальном направлении по вектору, соединяющему каждую точку профиля с центральной продольной осью ротора, и радиус Rc каждой точки профиля наружной поверхности ротора на длине между упомянутыми участками, соответствующий каждой точке профиля на длине между упомянутыми участками, соединяющему каждую точку профиля с центральной продольной осью ротора, связаны соотношением: Rt=(0,85÷0,95)Rc.The essence of the technical solution is that in a gerotor hydraulic motor containing a stator made of hard metal, a multi-start screw gerotor mechanism located inside it, including the inner surface of the stator with internal screw teeth and an eccentrically located rotor with external screw teeth, designed with the possibility of planetary-rotor rotation of the rotor during pumping supply of fluid, the number of external helical teeth of the rotor is one less than the number of internal helical teeth of the stator, and the outer helical teeth of the rotor are capable of engaging with the internal helical teeth of the stator during planetary rotor rotation of the rotor; according to the invention, the inner surface of the stator is made with internal helical teeth, contains a plurality of helical grooves, wherein each of the helical grooves is made with a semicircular cross-sectional profile, and the meridian cross-sectional plane of each of the helical grooves is located tangent to the envelope of the inner surface of the stator, identical to the theoretical cross-sectional profile of the inner surface of the stator, the input of the helical grooves is located at the input ends of the internal helical teeth of the stator, the output of the helical grooves is located at the output ends of the internal helical teeth of the stator, the ratio of the depth h of the helical grooves to the radius R of the circumference of the cavities of the internal helical teeth of the stator is in the range from 0.11 to 0.22, the ratio of the distance t between adjacent helical grooves to the depth h of the helical grooves is in the range from 2.5 to 10.5, and the gap between the rotor helical teeth and the internal stator helical teeth is in the range from 0.33 to 0.88 mm, while the cross sections of the helical teeth at the edges of the rotor are outlined by an equidistant profile decreasing in the direction of the near end of the rotor, made with the possibility of displacing each point of the profile in the radial direction along a vector connecting each point of the profile with the central longitudinal axis of the rotor, the length L of each section of the helical teeth at the edges of the rotor, outlined by an equidistant profile decreasing in the direction of the near end of the rotor, and the radius R of the outer surface of the rotor along the length between the mentioned sections are related by the relation: L=(3.55÷5.55)R, while the radius Rt of each point of the profile of the outer surface of the rotor along the length of each section L at the edges of the rotor, on which the cross sections of the helical teeth are outlined by an equidistant profile decreasing in the direction of the near end of the rotor, made with the possibility of displacing each point of the profile in the radial direction along a vector connecting each point of the profile with the central longitudinal axis of the rotor, and the radius Rc of each point profile of the outer surface of the rotor along the length between the mentioned sections, corresponding to each point of the profile along the length between the mentioned sections, connecting each point of the profile with the central longitudinal axis of the rotor, are related by the ratio: Rt=(0.85÷0.95)Rc.
Минимальное число ходов винтовой линии каждого внутреннего винтового зуба в статоре равно числу зубьев в статоре.The minimum number of helical strokes of each internal helical tooth in the stator is equal to the number of teeth in the stator.
Выполнение героторного гидравлического двигателя таким образом, что внутренняя поверхность статора, выполненная с внутренними винтовыми зубьями, содержит множество винтовых канавок, при этом каждая из винтовых канавок выполнена с полукругым профилем поперечного сечения, а меридианная плоскость поперечного сечения каждой из винтовых канавок расположена по касательной к огибающей внутренней поверхности статора, идентичной теоретическому профилю поперечного сечения внутренней поверхности статора, вход винтовых канавок расположен на входных торцах внутренних винтовых зубьев статора, выход винтовых канавок расположен на выходных торцах внутренних винтовых зубьев статора, отношение глубины h винтовых канавок к радиусу R окружности впадин внутренних винтовых зубьев статора находится в диапазоне от 0,11 до 0,22, отношение расстояния t между соседними винтовыми канавками к глубине h винтовых канавок находится в диапазоне от 2,5 до 10,5, а зазор между винтовыми зубьями ротора и внутренними винтовыми зубьями статора находится в диапазоне от 0,33 до 0,88 мм, при этом поперечные сечения винтовых зубьев на краях ротора очерчены уменьшающимся в направлении ближнего торца ротора эквидистантным профилем, выполненным с возможностью смещения каждой точки профиля в радиальном направлении по вектору, соединяющему каждую точку профиля с центральной продольной осью ротора, длина L каждого участка винтовых зубьев на краях ротора, очерченного уменьшающимся в направлении ближнего торца ротора эквидистантным профилем, и радиус R наружной поверхности ротора на длине между упомянутыми участками связаны соотношением: L=(3,55÷5,55)R, при этом радиус Rt каждой точки профиля наружной поверхности ротора на длине каждого участка L на краях ротора, на котором поперечные сечения винтовых зубьев очерчены уменьшающимся в направлении ближнего торца ротора эквидистантным профилем, выполненным с возможностью смещения каждой точки профиля в радиальном направлении по вектору, соединяющему каждую точку профиля с центральной продольной осью ротора, и радиус Rc каждой точки профиля наружной поверхности ротора на длине между упомянутыми участками, соответствующий каждой точке профиля на длине между упомянутыми участками, соединяющему каждую точку профиля с центральной продольной осью ротора, связаны соотношением: Rt=(0,85÷0,95)Rc, обеспечивает повышение ресурса и надежности героторного гидравлического двигателя с парой металл-металл за счет пропускания через двигатель абразивных частиц, размеры которых превышают зазор по контактной кривой между винтовой поверхностью ротора и внутренней винтовой поверхностью статора, за счет увеличения контактной поверхности краев ротора и статора и уменьшения адгезивного, абразивного, ударного и усталостного износа и утечек текучей среды героторной винтовой рабочей пары от воздействия перекашивающих моментов ротора при планетарно-роторном вращении ротора на края ротора и статора, а также за счет снижения вероятности образования усталостных трещин по краям статора.Constructing a gerotor hydraulic motor in such a way that the inner surface of the stator, made with internal helical teeth, contains a plurality of helical grooves, wherein each of the helical grooves is made with a semicircular cross-sectional profile, and the meridian cross-sectional plane of each of the helical grooves is located tangentially to the envelope internal surface of the stator, identical to the theoretical cross-sectional profile of the internal surface of the stator, the input of the helical grooves is located at the input ends of the internal helical teeth of the stator, the output of the helical grooves is located at the output ends of the internal helical teeth of the stator, the ratio of the depth h of the helical grooves to the radius R of the circle of the recesses of the internal helical teeth the stator is in the range from 0.11 to 0.22, the ratio of the distance t between adjacent helical grooves to the depth h of the helical grooves is in the range from 2.5 to 10.5, and the gap between the rotor helical teeth and the inner helical teeth of the stator is in range from 0.33 to 0.88 mm, while the cross sections of the helical teeth at the edges of the rotor are outlined by an equidistant profile decreasing in the direction of the near end of the rotor, made with the possibility of displacing each point of the profile in the radial direction along a vector connecting each point of the profile with the central longitudinal axis of the rotor, the length L of each section of the helical teeth at the edges of the rotor, outlined by an equidistant profile decreasing in the direction of the near end of the rotor, and the radius R of the outer surface of the rotor along the length between the mentioned sections are related by the relation: L=(3.55÷5.55)R, in this case, the radius Rt of each point of the profile of the outer surface of the rotor along the length of each section L at the edges of the rotor, on which the cross sections of the helical teeth are outlined by an equidistant profile decreasing in the direction of the near end of the rotor, made with the possibility of displacing each point of the profile in the radial direction along the vector connecting each profile point with the central longitudinal axis of the rotor, and the radius Rc of each profile point of the outer surface of the rotor along the length between the mentioned sections, corresponding to each profile point at the length between the mentioned sections, connecting each profile point with the central longitudinal axis of the rotor, are related by the relation: Rt=(0 ,85÷0.95)Rc, ensures an increase in the service life and reliability of a gerotor hydraulic motor with a metal-to-metal pair due to the passage through the motor of abrasive particles whose dimensions exceed the gap along the contact curve between the helical surface of the rotor and the inner helical surface of the stator, due to an increase contact surface of the edges of the rotor and stator and reducing adhesive, abrasive, impact and fatigue wear and fluid leakage of the gerotor screw working pair from the impact of rotor distortion moments during planetary rotor rotation of the rotor on the edges of the rotor and stator, as well as by reducing the likelihood of fatigue cracks along the edges of the stator.
Выполнение героторного гидравлического двигателя таким образом, что минимальное число ходов винтовой линии каждого внутреннего винтового зуба в статоре равно числу зубьев в статоре, повышает точность проходки наклонных и горизонтальных скважин, обеспечивает повышение темпа набора параметров кривизны скважин, а также улучшение проходимости, т.е. уменьшение сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны при прохождении через радиусные участки ствола скважины в условиях интенсивного трения по стволу скважины.Constructing a gerotor hydraulic motor in such a way that the minimum number of strokes of the helical line of each internal helical tooth in the stator is equal to the number of teeth in the stator, increases the accuracy of drilling inclined and horizontal wells, increases the rate of set of well curvature parameters, as well as improves permeability, i.e. reduction of resistance and stress in the bottom hole assembly of the drill string when passing through the radius sections of the wellbore under conditions of intense friction along the wellbore.
Ниже изображен героторный гидравлический двигатель DRU-120RP-MM (габарит 120 мм) для бурения направленных скважин с горизонтальным интервалом.Below is a gerotor hydraulic motor DRU-120RP-MM (dimension 120 mm) for drilling directional wells at horizontal intervals.
На фиг. 1 изображен продольный разрез героторного гидравлического двигателя.In fig. 1 shows a longitudinal section of a gerotor hydraulic motor.
На фиг. 2 изображен разрез А-А на фиг. 1 поперек средней части героторного гидравлического двигателя, отношение чисел зубьев ротор-статор равно 6/7.In fig. 2 shows section A-A in FIG. 1 across the middle part of the gerotor hydraulic motor, the rotor-stator tooth ratio is 6/7.
На фиг. 3 изображено поперечное сечения статора двигателя, множество винтовых канавок на внутренней поверхности статора.In fig. Figure 3 shows a cross-section of a motor stator, a plurality of helical grooves on the inner surface of the stator.
На фиг. 4 изображен элемент I на фиг. 3 одной из винтовых канавок на внутренней поверхности статора.In fig. 4 shows element I in FIG. 3 one of the helical grooves on the inner surface of the stator.
На фиг. 5 изображен ротор двигателя, поперечные сечения на краях ротора выполнены с уменьшающимся в направлении ближнего края ротора эквидистантным профилем.In fig. Figure 5 shows an engine rotor; the cross sections at the edges of the rotor are made with an equidistant profile decreasing towards the near edge of the rotor.
На фиг. 6 изображен разрез Б-Б на фиг.5 поперек ротора двигателя на длине каждого участка винтовых зубьев на краях ротора, очерченного уменьшающимся в направлении ближнего торца ротора эквидистантным профилем.In fig. Figure 6 shows a section B-B in Figure 5 across the engine rotor along the length of each section of helical teeth at the edges of the rotor, outlined by an equidistant profile decreasing in the direction of the near end of the rotor.
Героторный гидравлический двигатель 1 содержит статор 2 из твердого металла, а именно из стали 38Х2МЮА ГОСТ4543-2016, размещенный внутри него многозаходный винтовой героторный механизм 3, включающий внутреннюю поверхность 4 статора 2 с внутренними винтовыми зубьями 5 и эксцентрично расположенный ротор 6 из стали 38ХН3МФА ГОСТ 4543-2016, с наружными винтовыми зубьями 7, выполненные с возможностью планетарно-роторного вращения ротора 6 при насосной подаче текучей среды 8 (бурового раствора), число наружных винтовых зубьев 7 ротора 6 на единицу меньше числа внутренних винтовых зубьев 5 статора 2, а наружные винтовые зубья 7 ротора 6 способны входить в зацепление с внутренними винтовыми зубьями 5 статора 2 при планетарно-роторном вращении ротора 6, изображено на фиг. 1, 2, 3, 5, 6.The gerotor hydraulic motor 1 contains a
Нарезание винтовых зубьев 7 ротора 6 осуществляют на станках с программным управлением австрийской фирмы "Weingartner".The cutting of
На входном по потоку текучей среды 8 краю 9 статора 2 выполнена внутренняя трубная коническая резьба 10, предназначенная для соединения с нижней частью бурильной колонны (не показанной), а на выходном по потоку текучей среды 8 краю 11 статора 2 выполнена внутренняя трубная коническая резьба 12, предназначенная для соединения с регулятором угла перекоса двигателя 1, включающего узел трансмиссии и долото (не показанные), изображено на фиг. 1, 2, 3, 5, 6.At the inlet along the
Поверхность 4 статора 2 с внутренними винтовыми зубьями 5 и контактирующая со статором 2 поверхность ротора 6 с наружными винтовыми зубьями 7 подвергнуты термообработке с азотированием для повышения поверхностной твердости.The
Внутренняя поверхность 4 статора 2, выполненная с внутренними винтовыми зубьями 5, содержит множество винтовых канавок 13, при этом каждая из винтовых канавок 13 выполнена с полукругым профилем 14 поперечного сечения, а меридианная плоскость 15 поперечного сечения каждой из винтовых канавок 13 расположена по касательной 16 к огибающей 17 внутренней поверхности 4 статора 2, идентичной теоретическому профилю 18 поперечного сечения внутренней поверхности 4 статора 2, изображено на фиг. 2, 3, 4.The
Вход 19 винтовых канавок 13 расположен на входных торцах 20 внутренних винтовых зубьев 5 статора 2, выход 21 винтовых канавок 13 расположен на выходных торцах 22 внутренних винтовых зубьев 5 статора 2, отношение глубины 23, h винтовых канавок к радиусу 24, R окружности впадин внутренних винтовых зубьев 5 статора 2 находится в диапазоне от 0,11 до 0,22, отношение расстояния 25, t между соседними винтовыми канавками 13 к глубине 23, h винтовых канавок находится в диапазоне от 2,5 до 10,5, фиг. 1, 2, 3, 4.The input 19 of the helical grooves 13 is located at the input ends 20 of the internal
Внутреннюю поверхность 4 статора 2 с внутренними винтовыми зубьями 5 и множеством винтовых канавок 13, причем каждая из винтовых канавок 13 имеет полукругый профиль 14 поперечного сечения, формируют методом электрохимической обработки на установке ЭХО, компании "Радиус-Сервис" (RU), входящей в состав "Шлюмберже" (US), (патенты RU2578895, RU2710092, RU2774195).The
Зазор 26 между винтовыми зубьями 7 ротора 6 и внутренними винтовыми зубьями 5 статора 2 находится в диапазоне от 0,33 до 0,88 мм, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4.The
Кроме того, на фиг. 1, 2, 3, 6 изображено: поз.27 - центральная продольная ось статора 2; поз.28 - центральная продольная ось ротора 6; поз.29, е -эксцентриситет зубчатого зацепления ротора 6 с наружными винтовыми зубьями 7 относительно внутренних винтовых зубьев 5 статора 2; при этом поз.30 - множество аксиально расположенных камер между внутренней поверхностью 4 статора 2 с внутренними винтовыми зубьями 5 и профилем ротора 6 с наружными винтовыми зубьями 7, образующих при насосной подаче текучей среды 8 (бурового раствора), прокачиваемой по бурильной колонне, планетарно-роторное вращение ротора 6.In addition, in FIG. 1, 2, 3, 6 show: position 27 - central longitudinal axis of
Поперечные сечения наружных винтовых зубьев 31 на входном краю 32 ротора 6 очерчены уменьшающимся в направлении ближнего торца 33 ротора 6 эквидистантным профилем, выполненным с возможностью смещения каждой точки 34 профиля в радиальном направлении по вектору 35, соединяющему каждую точку 34 профиля с центральной продольной осью 28 ротора 6 (с началом координат), изображено на фиг. 1, 2, 5, 6.The cross sections of the outer helical teeth 31 at the
Поперечные сечения наружных винтовых зубьев 36 на выходном краю 37 ротора 6 очерчены уменьшающимся в направлении ближнего торца 38 ротора 6 эквидистантным профилем (изображен вариант выполнения выходного края 37 ротора 6 с диаметром, равным диаметру 39 зубьев 36 ротора 6 в плоскости 40), выполненным с возможностью смещения каждой точки 34 профиля в радиальном направлении по вектору 35, соединяющему каждую точку 33 профиля с центральной продольной осью 28 ротора 6 (с началом координат), при этом поз.41 - выходная часть наружных винтовых зубьев 36 на выходном краю 37 ротора 6, изображено на фиг. 1, 2, 5, 6.The cross sections of the outer helical teeth 36 on the
Длина L, 42 каждого участка винтовых зубьев 31, 36 на краях, соответственно, 32 и 37 ротора 6, очерченного уменьшающимся в направлении ближнего торца, соответственно 33 и 38 ротора 6 эквидистантным профилем, и радиус Rc, 43 наружной поверхности ротора 6 на длине 44 между упомянутыми участками 32 и 37 связаны соотношением: L, 42=(3,55÷5,55) Rc, 43, изображено на фиг. 1, 2, 5, 6.The length L, 42 of each section of the helical teeth 31, 36 at the edges, respectively, 32 and 37 of the
Радиус Rт, 45 каждой точки профиля наружной поверхности ротора 6 на длине, соответственно 32 и 37 каждого участка L, 42 на краях, соответственно 33 и 38 ротора 6, на котором поперечные сечения винтовых зубьев 31 и 36 очерчены уменьшающимся в направлении ближнего торца, соответственно 33 и 38 ротора 6 эквидистантным профилем, выполненным с возможностью смещения каждой точки 34 профиля в радиальном направлении по вектору 35, соединяющему каждую точку 34 профиля с центральной продольной осью 28 ротора 6, и радиус Rc, 43 каждой точки 34 профиля наружной поверхности ротора 6 на длине 44 между упомянутыми участками, соответственно 32 и 37, соответствующий каждой точке 34 профиля на длине 44 между упомянутыми участками 32 и 37, соединяющему каждую точку 34 профиля с центральной продольной осью 28 ротора 6, связаны соотношением: Rt, 45=(0,85÷0,95)Rc, 43, изображено на фиг. 1, 2, 5, 6.Radius Rt, 45 of each point of the profile of the outer surface of the
Длина L, 42 каждого участка наружных винтовых зубьев 31 и 36 на краях, соответственно, 32 и 37 ротора 6, очерченного уменьшающимся в направлении ближнего торца, соответственно, 33 и 38 ротора 6 эквидистантным профилем, и радиус Rc, 43 наружной поверхности ротора 6 на длине 44 между упомянутыми участками 32 и 37 связаны соотношением: L, 42=(3,55÷5,55) Rc, 43, изображено на фиг. 1, 2, 5, 6.The length L, 42 of each section of the external helical teeth 31 and 36 at the edges, respectively, 32 and 37 of the
Минимальное число ходов 46 винтовой линии каждого внутреннего винтового зуба 5 в статоре 2 равно числу зубьев в статоре 2, изображено на фиг.1.The minimum number of
Ход 46, Т (или шаг Pz) винтовой линии каждого внутреннего винтового зуба 5 в статоре 2 равен расстоянию по соосной поверхности между двумя положениями точки, образующей линию винтового зуба 5 в статоре 2, соответствующими ее полному обороту вокруг центральной продольной оси 27 статора 2, показано, например, в ГОСТ 16530-83, стр. 17, изображено на фиг. 1, 2.The
Ход 46, Т (или шаг Pz) винтовой линии каждого внутреннего винтового зуба 5 в статоре 2, например, в статоре двигателя DRU-120RF-MM, равен 700 мм, направление винтовых зубьев 5 в статоре 2 - левое, длина статора равна 6000 мм.The
Направленное бурение скважин с горизонтальным интервалом в подземных пластах при разработке месторождений нефти осуществляют с использованием компоновки низа бурильной колонны (КНБК) с долотом вращением бурильной колонны от верхнего привода и/или от привода героторного гидравлического двигателя 1, содержащего статор 2 из твердого металла, размещенный внутри него многозаходный винтовой героторный механизм 3, включающий внутреннюю поверхность 4 статора 2 с внутренними винтовыми зубьями 5 и эксцентрично расположенный ротор 6 с наружными винтовыми зубьями 7, выполненные с возможностью планетарно-роторного вращения ротора 6 при насосной подаче текучей среды 8 (бурового раствора).Directional drilling of wells with horizontal intervals in underground formations during the development of oil fields is carried out using a bottom hole assembly (BHA) with a bit, rotating the drill string from the top drive and/or from the drive of a gerotor hydraulic motor 1 containing a
Для бурения криволинейных и прямолинейных интервалов скважин с целью обеспечения проектного изгиба КНБК для формирования криволинейных интервалов скважин используют героторный двигатель 1, снабженный регулируемым переводником с фиксированным углом перекоса (не показанный).To drill curved and straight intervals of wells in order to ensure the design bending of the BHA to form curved intervals of wells, a gerotor motor 1 is used, equipped with an adjustable sub with a fixed skew angle (not shown).
Для бурения криволинейного интервала скважины вращение бурильной колонны от верхнего привода прекращают, изгиб регулируемого переводника направляют в заданном направлении, а бурение скважины производят вращением долота с приводом от героторного двигателя 1.To drill a curved well interval, the rotation of the drill string from the top drive is stopped, the bending of the adjustable sub is directed in a given direction, and the well is drilled by rotating the bit driven by the gerotor motor 1.
После завершения проходки криволинейного интервала скважины для бурения прямолинейного интервала используют КНБК, содержащую изгиб, бурение скважины производят вращением бурильной колонны от верхнего привода и/или от привода героторного двигателя 1.After completion of the drilling of a curved interval of the well, a BHA containing a bend is used to drill a straight interval; the well is drilled by rotating the drill string from the top drive and/or from the drive of the gerotor motor 1.
С помощью данных способов формируют криволинейный интервал скважины, а далее производят бурение горизонтального интервала вращением бурильной колонны от верхнего привода и/или от привода героторного двигателя 1.Using these methods, a curved well interval is formed, and then a horizontal interval is drilled by rotating the drill string from the top drive and/or from the drive of the gerotor motor 1.
Героторный гидравлический двигатель DRU-120RF-MM для бурения направленной скважины с горизонтальным интервалом (окончанием) в компоновке низа бурильной колонны работает следующим образом: на входном по потоку текучей среды 8 краю 9 статора 2 выполнена внутренняя трубная коническая резьба 10, при помощи которой статор 2 соединяют с нижней частью бурильной колонны (не показанной), а на выходном по потоку текучей среды 8 краю 11 статора 2 выполнена внутренняя трубная коническая резьба 12, при помощи которой статор 2 соединяют с регулятором угла перекоса двигателя 1, включающего узел трансмиссии и долото (не показанные), изображено на фиг. 1, 2, 3, 5, 6.The DRU-120RF-MM gerotor hydraulic motor for drilling a directional well with a horizontal interval (termination) in the bottom hole assembly of the drill string operates as follows: on the inlet along the
Поток бурового раствора 8 под давлением, например, 25÷35 МПа, по колонне бурильных труб подают через внутренние полости бурильной колонны на вход двигателя 1, содержащего статор 2 из твердого металла, а именно из стали 38Х2МЮА, размещенный внутри него многозаходный винтовой героторный механизм 3, включающий внутреннюю поверхность 4 статора 2 с внутренними винтовыми зубьями 5 и эксцентрично расположенный ротор 6 из стали 38ХН3МФА с наружными винтовыми зубьями 7, выполненные с возможностью планетарно-роторного вращения ротора 6 при насосной подаче текучей среды 8 (бурового раствора), число наружных винтовых зубьев 7 ротора 6 на единицу меньше числа внутренних винтовых зубьев 5 статора 2, а наружные винтовые зубья 7 ротора 6 способны входить в зацепление с внутренними винтовыми зубьями 5 статора 2 при планетарно-роторном вращении ротора 6, изображено на фиг. 1, 2, 3, 5, 6.The flow of
При насосной подаче текучая среда 8 (буровой раствор) подается во множество аксиально расположенных камер поз.30 между внутренней поверхностью 4 статора 2 с внутренними винтовыми зубьями 5 и профилем ротора 6 с наружными винтовыми зубьями 7, образующих при насосной подаче текучей среды 8 (бурового раствора), прокачиваемой по бурильной колонне, планетарно-роторное вращение ротора 6.When pumping, the fluid 8 (drilling fluid) is supplied to a plurality of axially located chambers pos. 30 between the
Возникающий на роторе 6 вращающий момент приводит его в планетарно-роторное вращение внутри внутренней поверхности 4 статора 2, выполненной с внутренними винтовыми зубьями 5, которое при помощи верхней и нижней полумуфт и карданного вала преобразуется во вращение (в противоположном направлении относительно планетарного вращения ротора 6) вала шпиндельной секции, установленного в осевой опоре, выполненной в виде упорно-радиального многорядного подшипника, а также в верхней и нижней радиальных опорах скольжения внутри корпуса шпиндельной секции, причем на валу шпиндельной секции закреплено долото для бурения скважины (не показанные), осуществляя бурение наклонно-направленных и/или горизонтально-направленных скважин в напряженных условиях работы (при бурении в твердых породах), причем в условиях высокой турбулентности бурового раствора, который имеет плотность до 1500 кг/м3, содержит до 2% песка и до 10% нефтепродуктов, при расходе 38 л/с (1800 л/мин) и дифференциальном перепаде 40 атм (4 МПа), содержание твердой фазы низкой плотности (LGS), например, бентонита, полимеров и бурового шлама, не превышает 8% объемных процентов.The torque arising on the
Выполнение героторного гидравлического двигателя таким образом, что внутренняя поверхность 4 статора 2, выполненная с внутренними винтовыми зубьями 5, содержит множество винтовых канавок 13, при этом каждая из винтовых канавок 13 выполнена с полукругым профилем 14 поперечного сечения, а меридианная плоскость 15 поперечного сечения каждой из винтовых канавок 13 расположена по касательной 16 к огибающей 17 внутренней поверхности 4 статора 2, идентичной теоретическому профилю 18 поперечного сечения внутренней поверхности 4 статора 2, при этом вход 19 винтовых канавок 13 расположен на входных торцах 20 внутренних винтовых зубьев 5 статора 2, выход 21 винтовых канавок 13 расположен на выходных торцах 22 внутренних винтовых зубьев 5 статора 2, отношение глубины 23, h винтовых канавок к радиусу 24, R окружности впадин внутренних винтовых зубьев 5 статора 2 находится в диапазоне от 0,11 до 0,22, отношение расстояния 25, t между соседними винтовыми канавками 13 к глубине 23, h винтовых канавок находится в диапазоне от 2,5 до 10,5, при этом внутренняя поверхность 4 статора 2 с внутренними винтовыми зубьями 5 и множеством винтовых канавок 13, причем каждая из винтовых канавок 13 имеет полукругый профиль 14 поперечного сечения, при этом зазор 26 между винтовыми зубьями 7 ротора 6 и внутренними винтовыми зубьями 5 статора 2 находится в диапазоне от 0,33 до 0,88 мм, обеспечивает повышение ресурса и надежности героторного гидравлического двигателя с парой металл-металл за счет пропускания через двигатель абразивных частиц, размеры которых превышают зазор по контактной кривой между винтовой поверхностью ротора и внутренней винтовой поверхностью статора, и уменьшения адгезивного, абразивного, ударного и усталостного износа и утечек текучей среды героторной винтовой рабочей пары от воздействия перекашивающих моментов ротора при планетарно-роторном вращении ротора на края ротора и статора.Design of the gerotor hydraulic motor in such a way that the inner surface 4 of the stator 2, made with internal helical teeth 5, contains a plurality of helical grooves 13, and each of the helical grooves 13 is made with a semicircular cross-sectional profile 14, and the meridian plane 15 of the cross-section of each helical grooves 13 are located tangent 16 to the envelope 17 of the inner surface 4 of the stator 2, identical to the theoretical profile 18 of the cross section of the inner surface 4 of the stator 2, while the input 19 of the helical grooves 13 is located at the input ends 20 of the internal helical teeth 5 of the stator 2, the output 21 helical grooves 13 are located at the output ends 22 of the internal helical teeth 5 of the stator 2, the depth ratio is 23, h of the helical grooves to the radius 24, R of the circumference of the depressions of the internal helical teeth 5 of the stator 2 is in the range from 0.11 to 0.22, the distance ratio is 25, t between adjacent helical grooves 13 to a depth of 23, h of the helical grooves is in the range from 2.5 to 10.5, while the inner surface 4 of the stator 2 with internal helical teeth 5 and a plurality of helical grooves 13, each of the helical grooves 13 having semicircular profile 14 of cross section, while the gap 26 between the helical teeth 7 of the rotor 6 and the internal helical teeth 5 of the stator 2 is in the range from 0.33 to 0.88 mm, provides an increase in the service life and reliability of the gerotor hydraulic motor with a metal-to-metal pair for by passing through the engine abrasive particles whose dimensions exceed the gap along the contact curve between the helical surface of the rotor and the inner helical surface of the stator, and reducing adhesive, abrasive, impact and fatigue wear and fluid leaks of the gerotor screw working pair from the influence of rotor distortion moments during planetary rotor rotation of the rotor on the edges of the rotor and stator.
Выполнение героторного гидравлического двигателя таким образом, что поперечные сечения наружных винтовых зубьев 31 на входном краю 32 ротора 6 очерчены уменьшающимся в направлении ближнего торца 33 ротора 6 эквидистантным профилем, выполненным с возможностью смещения каждой точки 34 профиля в радиальном направлении по вектору 35, соединяющему каждую точку 34 профиля с центральной продольной осью 28 ротора 6 (с началом координат), при этом поперечные сечения наружных винтовых зубьев 36 на выходном краю 37 ротора 6 очерчены уменьшающимся в направлении ближнего торца 38 ротора 6 эквидистантным профилем, выполненным с возможностью смещения каждой точки 34 профиля в радиальном направлении по вектору 35, соединяющему каждую точку 33 профиля с центральной продольной осью 28 ротора 6 (с началом координат), длина L, 42 каждого участка винтовых зубьев 31, 36 на краях, соответственно, 32 и 37 ротора 6, очерченного уменьшающимся в направлении ближнего торца, соответственно 33 и 38 ротора 6 эквидистантным профилем, и радиус Rc, 43 наружной поверхности ротора 6 на длине 44 между упомянутыми участками 32 и 37 связаны соотношением: L, 42=(3,55÷5,55) Rc, 43, при этом радиус Rт, 45 каждой точки профиля наружной поверхности ротора 6 на длине, соответственно 32 и 37 каждого участка L, 42 на краях, соответственно 33 и 38 ротора 6, на котором поперечные сечения винтовых зубьев 31 и 36 очерчены уменьшающимся в направлении ближнего торца, соответственно 33 и 38 ротора 6 эквидистантным профилем, выполненным с возможностью смещения каждой точки 34 профиля в радиальном направлении по вектору 35, соединяющему каждую точку 34 профиля с центральной продольной осью 28 ротора 6, и радиус Rc, 43 каждой точки 34 профиля наружной поверхности ротора 6 на длине 44 между упомянутыми участками, соответственно 32 и 37, соответствующий каждой точке 34 профиля на длине 44 между упомянутыми участками 32 и 37, соединяющему каждую точку 34 профиля с центральной продольной осью 28 ротора 6, связаны соотношением: Rт, 45=(0,85÷0,95)Rc, 43, при этом длина L, 42 каждого участка наружных винтовых зубьев 31 и 36 на краях, соответственно, 32 и 37 ротора 6, очерченного уменьшающимся в направлении ближнего торца, соответственно, 33 и 38 ротора 6 эквидистантным профилем, и радиус Rc, 43 наружной поверхности ротора 6 на длине 44 между упомянутыми участками 32 и 37 связаны соотношением: L, 42=(3,55÷5,55) Rc, 43, обеспечивает повышение ресурса и надежности героторного гидравлического двигателя с парой металл-металл за счет за счет увеличения контактной поверхности краев ротора и статора и уменьшения адгезивного, абразивного, ударного и усталостного износа и утечек текучей среды героторной винтовой рабочей пары от воздействия перекашивающих моментов ротора при планетарно-роторном вращении ротора на края ротора и статора, а также за счет снижения вероятности образования усталостных трещин по краям статора.Execution of the gerotor hydraulic motor in such a way that the cross sections of the outer helical teeth 31 at the input edge 32 of the rotor 6 are outlined by an equidistant profile decreasing in the direction of the near end 33 of the rotor 6, made with the possibility of displacing each point 34 of the profile in the radial direction along a vector 35 connecting each point 34 profiles with a central longitudinal axis 28 of the rotor 6 (with the origin of coordinates), while the cross sections of the outer helical teeth 36 at the output edge 37 of the rotor 6 are outlined by an equidistant profile decreasing in the direction of the near end 38 of the rotor 6, made with the possibility of displacing each point 34 of the profile in radial direction along the vector 35 connecting each point 33 of the profile with the central longitudinal axis 28 of the rotor 6 (with the origin), the length L, 42 of each section of the helical teeth 31, 36 at the edges, respectively, 32 and 37 of the rotor 6, outlined decreasing in the direction the near end, respectively 33 and 38 of the rotor 6 with an equidistant profile, and the radius Rc, 43 of the outer surface of the rotor 6 at a length 44 between the mentioned sections 32 and 37 are related by the ratio: L, 42=(3.55÷5.55) Rc, 43, in this case, the radius Rt, 45 of each point of the profile of the outer surface of the rotor 6 along the length, respectively 32 and 37 of each section L, 42 at the edges, respectively 33 and 38 of the rotor 6, on which the cross sections of the helical teeth 31 and 36 are outlined decreasing in the direction of the near end , respectively 33 and 38 of the rotor 6 with an equidistant profile, made with the possibility of displacing each point 34 of the profile in the radial direction along the vector 35 connecting each point 34 of the profile with the central longitudinal axis 28 of the rotor 6, and the radius Rc, 43 of each point 34 of the profile of the outer surface of the rotor 6 at a length 44 between the mentioned sections, respectively 32 and 37, corresponding to each point 34 of the profile at a length 44 between the mentioned sections 32 and 37, connecting each point 34 of the profile with the central longitudinal axis 28 of the rotor 6, are related by the ratio: Rt, 45=(0 ,85÷0,95)Rc, 43, while the length L, 42 of each section of the external helical teeth 31 and 36 at the edges, respectively, 32 and 37 of the rotor 6, outlined decreasing in the direction of the near end, respectively, 33 and 38 of the rotor 6 equidistant profile, and the radius Rc, 43 of the outer surface of the rotor 6 at a length 44 between the mentioned sections 32 and 37 are related by the ratio: L, 42=(3.55÷5.55) Rc, 43, provides an increase in the service life and reliability of the gerotor hydraulic motor with a metal-to-metal pair due to the increase in the contact surface of the edges of the rotor and stator and the reduction of adhesive, abrasive, impact and fatigue wear and fluid leakage of the gerotor screw working pair from the impact of rotor distortion moments during planetary-rotor rotation of the rotor on the edges of the rotor and stator, and also by reducing the likelihood of fatigue cracks forming along the edges of the stator.
Выполнение героторного гидравлического двигателя таким образом, что ход 46, Т (или шаг Pz) винтовой линии каждого внутреннего винтового зуба 5 в статоре 2 равен расстоянию по соосной поверхности между двумя положениями точки, образующей линию винтового зуба 5 в статоре 2, соответствующими ее полному обороту вокруг центральной продольной оси 27 статора 2, обеспечивает повышение темпа набора параметров кривизны скважин, а также улучшение проходимости, т.е. уменьшение сопротивления и напряжений в компоновке низа бурильной колонны при прохождении через радиусные участки ствола скважины в условиях интенсивного трения по стволу скважины.Execution of the gerotor hydraulic motor in such a way that the
Героторный гидравлический двигатель DRU-120RF-MM (габарит 120 мм) с парой металл-металл, известный под названием "Metal on Metal Rotor Stators", показал при испытаниях коммерчески жизнеспособную эффективность.The DRU-120RF-MM (120mm) metal-on-metal gerotor hydraulic motor, known as "Metal on Metal Rotor Stators", has demonstrated commercially viable performance in testing.
Изобретение повышает ресурс и надежность героторного гидравлического двигателя с парой металл-металл за счет пропускания через двигатель абразивных частиц, размеры которых превышают зазор по контактной кривой между винтовой поверхностью ротора и внутренней винтовой поверхностью статора, а также за счет увеличения контактной поверхности краев ротора и статора и уменьшения адгезивного, абразивного, ударного и усталостного износа и утечек текучей среды героторной винтовой рабочей пары от воздействия перекашивающих моментов ротора при планетарно-роторном вращении ротора на края ротора и статора, а также за счет снижения вероятности образования усталостных трещин по краям статора.The invention increases the service life and reliability of a gerotor hydraulic motor with a metal-to-metal pair by passing through the motor abrasive particles whose dimensions exceed the gap along the contact curve between the helical surface of the rotor and the inner helical surface of the stator, as well as by increasing the contact surface of the edges of the rotor and stator and reducing adhesive, abrasive, impact and fatigue wear and fluid leakage of the gerotor screw working pair from the impact of rotor distortion moments during planetary-rotor rotation of the rotor on the edges of the rotor and stator, as well as by reducing the likelihood of fatigue cracks forming along the edges of the stator.
Claims (2)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2805348C1 true RU2805348C1 (en) | 2023-10-16 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2318134C2 (en) * | 2002-09-27 | 2008-02-27 | Вильхельм Кехеле Гмбх Эластомертехник | Eccentric inclined archimedean screw pump with enlarged temperature range |
| US8905733B2 (en) * | 2011-04-07 | 2014-12-09 | Robbins & Myers Energy Systems L.P. | Progressing cavity pump/motor |
| US9051780B2 (en) * | 2007-01-09 | 2015-06-09 | Schlumberger Technology Corporation | Progressive cavity hydraulic machine |
| US10676992B2 (en) * | 2017-03-22 | 2020-06-09 | Infocus Energy Services Inc. | Downhole tools with progressive cavity sections, and related methods of use and assembly |
| RU2723595C1 (en) * | 2019-08-27 | 2020-06-16 | Общество с ограниченной ответственностью "Фирма "Радиус-Сервис" | Stator of screw gerotor hydraulic machine |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2318134C2 (en) * | 2002-09-27 | 2008-02-27 | Вильхельм Кехеле Гмбх Эластомертехник | Eccentric inclined archimedean screw pump with enlarged temperature range |
| US9051780B2 (en) * | 2007-01-09 | 2015-06-09 | Schlumberger Technology Corporation | Progressive cavity hydraulic machine |
| US8905733B2 (en) * | 2011-04-07 | 2014-12-09 | Robbins & Myers Energy Systems L.P. | Progressing cavity pump/motor |
| US10676992B2 (en) * | 2017-03-22 | 2020-06-09 | Infocus Energy Services Inc. | Downhole tools with progressive cavity sections, and related methods of use and assembly |
| RU2723595C1 (en) * | 2019-08-27 | 2020-06-16 | Общество с ограниченной ответственностью "Фирма "Радиус-Сервис" | Stator of screw gerotor hydraulic machine |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2602856C2 (en) | Volume type engine with radially limited rotor engagement | |
| US6241494B1 (en) | Non-elastomeric stator and downhole drilling motors incorporating same | |
| US9482223B2 (en) | Apparatus and method for controlling or limiting rotor orbit in moving cavity motors and pumps | |
| US10161187B2 (en) | Rotor bearing for progressing cavity downhole drilling motor | |
| US6494621B2 (en) | Bushing and bearing assembly | |
| WO2012122321A2 (en) | Bearing / gearing section for a pdm rotor / stator | |
| US9051780B2 (en) | Progressive cavity hydraulic machine | |
| CN109505728B (en) | Dynamic pushing type rotary motor | |
| EP2753778A2 (en) | Downhole motors and pumps with asymmetric lobes | |
| US20150125329A1 (en) | Progressing cavity pump/motor | |
| RU2318135C1 (en) | Stator of screw gerotor hydraulic machine | |
| RU2805348C1 (en) | Gerotor hydraulic motor | |
| CA2719121C (en) | Progressive cavity hydraulic machine | |
| RU2689014C1 (en) | Stator of screw gerotor hydraulic machine | |
| RU2710338C1 (en) | Hydraulic downhole motor | |
| RU2800620C1 (en) | Screw gerotor pump stator | |
| RU2745677C1 (en) | Stator of screw gerotor hydraulic machine | |
| RU2652725C1 (en) | Stator of screw gyratory hydraulic machine | |
| RU2688824C1 (en) | Hydraulic downhole motor | |
| RU2723595C1 (en) | Stator of screw gerotor hydraulic machine | |
| RU2375583C1 (en) | Helical stator of hydraulic machine | |
| RU2285823C1 (en) | Stator for screw gerotor hydraulic machine | |
| US20230098010A1 (en) | Reaming tool | |
| RU2365726C1 (en) | Helical downhole motor | |
| RU2361997C1 (en) | Helical stator of gerotor hydraulic machine |