забойный гидравлический двигатель

Формула изобретения

Забойный гидравлический двигатель, содержащий турбинную секцию, шпиндель, винтовую секцию, состоящую из статора и полого ротора, клапан, расположенный в полости ротора винтовой секции и распределяющий поток бурового раствора между полым ротором и винтовой секцией на различных режимах работы забойного двигателя, узел соединения полого ротора винтовой секции и вала турбинной секции в виде шарнирного соединения, отличающийся тем, что в нижней части ротора выполнены проточка, на которой установлена пружина, и подвижное соединение, например шлицевое, взаимодействующие с верхней головкой шарнирного соединения, при этом подвижное соединение обеспечивает передачу вращающего момента с полого ротора винтовой секции на вал турбинной секции, а полый ротор винтовой секции установлен с возможностью перемещения в осевом направлении относительно находящегося с ним в контакте статора винтовой секции.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к техническим средствам для бурения и ремонта нефтяных и газовых скважин, а именно к забойным гидравлическим двигателям для привода породоразрушающего инструмента.

Известен забойный двигатель, состоящий из винтовой и турбинной секций, патрубка, гидравлически связывающего между собой корпуса винтовой и турбинной секций, валы которых соединены между собой кинематически (А.с. СССР № 346967, кл. Е21В 03/12, 1978 г.).

Конструкция указанного двигателя обладает недостатком, снижающим его конкурентноспособность по сравнению с серийным винтовым забойным двигателем, а именно большой осевой габарит (20-26 метров), что не позволяет использовать его в современных технологиях наклонно-направленного и горизонтального бурения.

Ближайшим техническим решением, выбранным за прототип, является забойный гидравлический двигатель, содержащий турбинную секцию, винтовую секцию, состоящую из статора и полого ротора, клапана, расположенного в полости ротора винтовой секции и распределяющего при пуске двигателя поток бурового раствора, шпиндель, узел соединения полого ротора винтовой секции и вала турбинной секции в виде шарнирного соединения (Патент РФ № 2248436, кл. Е21В 4/02, 2004 г.).

Однако это устройство имеет следующий недостаток. В момент пуска двигателя в контакте находится вся поверхность рабочей пары ротор - статор, что приводит к поломке механической части двигателя.

Задачей изобретения является повышение надежности работы двигателя за счет снижения пускового момента винтовой секции.

Поставленная задача осуществляется за счет того, что в забойном гидравлическом двигателе, содержащем турбинную секцию, винтовую секцию, состоящую из статора и полого ротора, клапана, расположенного в полости ротора винтовой секции и распределяющего поток бурового раствора между полым ротором и винтовой секцией на различных режимах работы забойного двигателя, шпиндель, узел соединения полого ротора винтовой секции и вала турбинной секции в виде шарнирного соединения, в нижней части полого ротора выполнены проточка, на которой установлена пружина и подвижное соединение, например шлицевое, взаимодействующие с верхней головкой шарнирного соединения, при этом подвижное соединение обеспечивает передачу вращающего момента с полого ротора винтовой секции на вал турбинной секции, а полый ротор винтовой секции установлен с возможностью перемещения в осевом направлении относительно находящегося с ним в контакте статора винтовой секции.

В транспортном и рабочем положении до запуска винтовой секции ротор двигателя занимает верхнее положение и контактирует со статором, например, на половине своей длины.

В результате существенно снижаются затраты момента на запуск винтовой пары турбинной секцией, играющей роль стартера.

Турбинная секция может быть выполнена компактной с минимальным количеством турбин.

Таким образом, уменьшается общая длина двигателя, что позволяет эффективно эксплуатировать его как на интервалах бурения с набором кривизны скважины, так и горизонтальных участках.

На фиг.1 показана общая компоновка забойного гидравлического двигателя; на фиг.2 - разрез забойного двигателя в месте установки подвижного ротора винтовой секции.

Забойный гидравлический двигатель (фиг.1) состоит из винтовой секции 1, турбинной секции 2 и шпинделя 3.

Винтовая секция (фиг.2) включает корпус 4 и статор 5. Внутри статора установлен полый ротор 6, в полости которого размещен клапан 7. В данном описании не детализируется устройство клапана 7, так как он полностью по устройству и назначению соответствует клапану, описанному в патенте № 2248436.

Ротор винтовой секции в нижней части 8 заканчивается шлицевым соединением 9. Верхняя головка 10 шарнирного соединения (на фиг.2 не показана) имеет проточку 11 и внутреннее шлицевое соединение 12. В проточке 11 размещена пружина сжатия 13, своим нижним концом контактирующая с ее торцом, а верхним - с упором 14 ротора 6.

Забойный гидравлический двигатель работает следующим образом.

При спуске двигателя в скважину его внутренние полости через полый ротор 6 и клапан 7 заполняются буровым раствором. Пружина 13 находится в разжатом состоянии, удерживая ротор 6 в верхнем положении относительно статора 5. При включении буровых насосов буровой раствор поступает по бурильным трубам в забойный двигатель. Через клапан 7 буровой раствор, минуя пространство между ротором и статором винтовой секции, беспрепятственно поступает в турбинную секцию, в которой турбины, в небольшом количестве (20-30 ступеней), вырабатывают вращающий момент.

Так как контакт ротора со статором винтовой секции происходит на укороченной длине, турбинная секция, выполняя функцию стартера-активатора, легко приводит во вращение ротор винтовой секции.

При увеличении расхода бурового раствора до значения рабочего повышается перепад давления в клапане 7, через полость ротора 6 прекращается проход бурового раствор, и он поступает в пространство между ротором 6 и статором 5 винтовой секции, после чего винтовая секция переходит в двигательный режим.

По мере нагружения забойного двигателя в процессе бурения происходит повышение перепада давления на винтовой секции. Указанный перепад давлений создает на роторе 6 гидравлическое давление, направленное вниз и, преодолевая усилие пружины, ротор 6 перемещается вниз на величину хода Н относительно статора по направляющим поверхностям шлицевых соединений 9, 12 до тех пор, пока торец ротора 14 не достигнет ограничителя хода 15. После этого ротор и статор контактируют на максимальной длине и генерируют момент вращения, необходимый для эффективного ведения буровых работ.

При остановке насосов перепад давлений на винтовой секции роторе 6 уменьшается, гидравлическое усилие на нем становится меньше осевого усилия пружины, что обеспечивает перемещение ротора 6 относительно статора 5 вверх на величину хода Н.

Введение в конструкцию забойного двигателя подвижного ротора обеспечивает снижение пускового момента винтовой секции, позволяет уменьшить количество турбин и укоротить длину турбинной секции, что в конечном итоге позволит уменьшить и общую длину забойного двигателя.