гидравлический забойный двигатель

Формула изобретения

Гидравлический забойный двигатель, содержащий корпус, имеющий элемент для соединения с бурильной колонной и полость для подачи промывочной жидкости, установленный с возможностью вращения в полости для подачи промывочной жидкости вал с закрепленным на нем по крайней мере одним турбинным колесом, имеющим спиральные лопасти, и закрепленный на корпусе в полости для подачи промывочной жидкости по крайней мере один статорный элемент с направляющими поток жидкости каналами и с внутренней поверхностью, охватывающей боковую внешнюю поверхность турбинного колеса, отличающийся тем, что спиральные лопасти выполнены в виде спиральных пазов на участке боковой внешней поверхности турбинного колеса протяженностью менее ее длины по образующей, а направляющие поток жидкости каналы выполнены в виде продольных пазов, расположенных двумя группами на внутренней поверхности каждого статорного элемента с образованием по периметру внутренней поверхности разделительного участка между группами, при этом количество продольных пазов, находящихся в одной плоскости поперечного сечения, не равно количеству спиральных пазов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области бурения, к гидравлическим приводам, размещаемым в скважине.

Известен гидравлический забойный двигатель, содержащий соединенный с бурильной колонной корпус, имеющий полость для подачи промывочной жидкости, установленный с возможностью вращения в полости для подачи промывочной жидкости вал с закрепленным на нем турбинным колесом, имеющим спиральные лопасти, и закрепленный на корпусе в полости для подачи промывочной жидкости статорный элемент с направляющими поток жидкости каналами и с внутренней поверхностью, охватывающей боковую внешнюю поверхность турбинного колеса (RU 2017921, Е 21 В 4/02, 1994 г.).

Недостатком известного гидравлического забойного двигателя является сравнительно низкая мощность, обусловленная техническим решением статора, возможным при размещении только одной турбины.

Более эффективным и наиболее близким аналогом заявляемому изобретению является гидравлический забойный двигатель, содержащий соединенный с бурильной колонной корпус, имеющий полость для подачи промывочной жидкости, установленный с возможностью вращения в полости для подачи промывочной жидкости вал с закрепленными на нем турбинными колесами, имеющими спиральные лопасти, и закрепленные на корпусе в полости для подачи промывочной жидкости статорные элементы с направляющими поток жидкости каналами и с внутренней поверхностью, охватывающей боковую внешнюю поверхность турбинного колеса (WO 0008293, 2000 г.).

Однако упомянутый аналог предусматривает технологически сложную форму турбинных колес и статорных элементов, что в конечном итоге увеличивает стоимость изготовления и препятствует достижению необходимой надежности.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание надежного и сравнительно недорогого забойного двигателя для бурения скважин.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в упрощении конструкции и технологии изготовления забойного двигателя.

Указанный технический результат достигается гидравлическим забойным двигателем, содержащим корпус, имеющий элемент для соединения с бурильной колонной, и полость для подачи промывочной жидкости, установленный с возможностью вращения в полости для подачи промывочной жидкости вал с закрепленным на нем, по крайней мере, одним турбинным колесом, имеющим спиральные лопасти, и закрепленный на корпусе в полости для подачи промывочной жидкости, по крайней мере, один статорный элемент с направляющими поток жидкости каналами и с внутренней поверхностью, охватывающей боковую внешнюю поверхность турбинного колеса, за счет того, что спиральные лопасти выполнены в виде спиральных пазов на участке боковой внешней поверхности турбинного колеса протяженностью менее ее длины по образующей, а направляющие поток жидкости каналы выполнены в виде продольных пазов, расположенных двумя группами на внутренней поверхности статорного элемента с образованием по периметру внутренней поверхности разделительного участка между группами, при этом количество продольных пазов, находящихся в одной плоскости поперечного сечения, не равно количеству спиральных пазов.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 показан общий вид гидравлического забойного двигателя;

на фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1 без корпуса;

на фиг. 3 - сечение Б-Б фиг. 2;

на фиг. 4 - сечение В-В фиг. 3;

на фиг. 5 - статорный элемент с продольным разрезом;

на фиг. 6 - турбинное колесо с продольным разрезом.

Гидравлический забойный двигатель содержит корпус 1, элемент 2 для соединения с бурильной колонной. В корпусе 1 имеется полость 3 для подачи промывочной жидкости. В полости 3 для подачи промывочной жидкости установлен вал 4 с закрепленными на нем турбинными колесами 5, имеющими спиральные лопасти, выполненные в виде спиральных пазов 6 на участке 7 боковой внешней поверхности 8 турбинного колеса 5 и протяженностью "l" участка 7 менее длины "L" боковой внешней поверхности 8 по образующей.

В полости 3 для подачи промывочной жидкости на корпусе 1 закреплены статорные элементы 9 с внутренней поверхностью 10, охватывающей боковую внешнюю поверхность 8 турбинного колеса 5. На поверхности 10 имеются направляющие поток жидкости каналы, выполненные в виде продольных пазов 11 и 12. Пазы 11 и 12 расположены двумя группами на внутренней поверхности 10 статорного элемента 9 с образованием по периметру внутренней поверхности 10 разделительного участка 13 между группами, при этом количество продольных пазов 11 или 12, находящихся в одной плоскости поперечного сечения, не равно количеству спиральных пазов 6.

Оптимизация режима и формирование направления потока промывочной жидкости обеспечиваются протяженностью "l" участка 7, равной величине 3/5 - 4/5 длины "L" по образующей боковой внешней поверхности 8, при выполнении спиральных пазов 6 с наклоном пазов к образующей под углом = 8-25^o и длиной "l₁" разделительного участка 13 на внутренней поверхности 10 статорного элемента 9, равной величине 1/5-2/5 длины "L" внутренней поверхности 10 статорного элемента 9 по образующей, и смещением положения поперечных сечений одной группы продольных пазов 11 перед участком 13 относительно положения поперечных сечений другой группы продольных пазов 12 после участка 13. Кроме того, для уменьшения гидравлического сопротивления продольные пазы 11 и 12, а также спиральные пазы 6 имеют наклонные концевые участки 14. При иных соотношениях указанных размеров и прочих равных условиях существенно снижаются момент силы и кпд двигателя.

Гидравлический забойный двигатель работает следующим образом.

Промывочная жидкость через элемент 2 для соединения с бурильной колонной подается в полость 3 корпуса 1. Из полости 3 поток промывочной жидкости входит в пространство группы продольных пазов 11 статорного элемента 9, откуда на сопряжении наклонных концевых участков 14 с разделительным участком 13 статорного элемента 9 попадает в пространство спиральных пазов 6 турбинного колеса 5 и, динамически воздействуя на наклонные поверхности спиральных пазов 6, создает момент силы на турбинном колесе 5. На сопряжении наклонных концевых участков 14 спиральных пазов 6 с пространством группы продольных пазов 12 поток промывочной жидкости смещается в пространство каналов статорного элемента 9. Далее через продольные пазы 11 последующего статорного элемента 9 поток осуществляет воздействие на соответствующее турбинное колесо 5 и упомянутым образом на все последующие колеса 5, заставляя вращаться вал 4 с обеспечением суммарного по количеству турбинных колес момента силы. Технологичная форма статорных элементов и турбинных колес с каналами и лопастями в виде соответствующих пазов на соответствующих поверхностях позволяет обеспечить эффективное использование как кинетической энергии струи потока, так и потенциальной энергии давления промывочной жидкости за счет уменьшения утечек при конструктивной минимизации радиального зазора и исключения влияния осевого смещения вала с турбинными колесами относительно статорных элементов под действием осевой нагрузки и иных случайных факторов.