Статор винтового забойного двигателя
Предложен статор винтового забойного двигателя, применяемого при бурении глубоких нефтяных и газовых скважин. Статор содержит корпус, в расточке которого установлена тонкостенная металлическая оболочка, имеющая концевые участки кругового сечения и профильную среднюю часть, на которой выполнены винтовые зубья. К внутренней поверхности профильной части прикреплена эластомерная обкладка примерно постоянной толщины. На одном из концевых участков оболочки выполнена коническая отбортовка, то есть его наружная и внутренняя поверхности имеют форму конусов. Внутри концевого участка оболочки установлена распорная втулка с наружной конусной поверхностью. В корпусе статора выполнена внутренняя конусная расточка и коническая резьба с той же конусностью, причем конусная поверхность, в которой расположены винтовые ленточки вершин профиля конической резьбы, и конусная расточка корпуса имеют общую образующую. При осевом перемещении распорной втулки относительно корпуса концевая часть оболочки зажимается между конусными поверхностями корпуса и распорной втулки, в результате чего обеспечивается надежное закрепление оболочки от проворота внутри корпуса под действием реактивного момента двигателя.
Полезная модель относится к технике бурения нефтяных и газовых скважин, а более конкретно - к винтовым забойным двигателям, применяемым в процессе строительства скважин. Эти двигатели содержат статор с внутренними винтовыми зубьями и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора.
Широко распространена традиционная конструкция статора винтового забойного двигателя, содержащего металлический корпус с цилиндрической расточкой, к которой прикреплена обкладка из упруго-эластичного материала, чаще всего, из резины [1]. На обкладке выполнены внутренние винтовые зубья статора, взаимодействующие с зубьями ротора. Эластомерная обкладка статора имеет переменную толщину, принимающую максимальное значение на выступе зуба статора и минимальное - во впадине зуба. Недостатком известного статора является малая изгибная жесткость зубьев статора, в результате чего под действием крутящего момента происходит их значительная деформация, приводящая к искажениям расчетной геометрии зацепления, увеличению утечек жидкости, повышению механических потерь на трение в паре «ротор-статор» винтового двигателя и, в конечном счете, к уменьшению долговечности статора. Кроме того, циклическое нагружение зубьев обкладки статора с высокой частотой приводит к интенсивному саморазогреву резины вследствие ее низкой теплопроводности, что также ведет к снижению долговечности статора.
Недостаток известного статора устранен в техническом решении, описанном в статье [2]. Статор винтового забойного двигателя содержит стальной толстостенный корпус, на внутренней поверхности которого выполнены винтовые зубья, покрытые слоем эластомера постоянной толщины. За счет уменьшения толщины резины значительно снижается уровень деформации обкладки, повышаются энергетические параметры винтового двигателя (крутящий момент, мощность, КПД), уменьшается саморазогрев резины статора, повышается надежность и долговечность двигателя. Недостатком этой конструкции статора является сложность выполнения внутренних винтовых зубьев на корпусе статора, требующего дорогостоящего металлообрабатывающего или
прокатного оборудования. Другой недостаток - сложность повторного использования корпуса после износа статора.
Эти недостатки устранены в статоре винтового забойного двигателя [3], который является наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели.
Статор выполнен составным и содержит металлический толстостенный корпус с цилиндрической расточкой, внутри которой установлена тонкостенная металлическая оболочка со стенкой постоянной толщины, имеющая концевые участки кругового сечения и профильную среднюю часть, на которой выполнены винтовые зубья. К внутренней винтовой поверхности оболочки прикреплена эластомерная обкладка постоянной толщины. Один из концевых участков оболочки имеет внутреннюю конусную поверхность, внутри которой размещена распорная втулка с конусной наружной поверхностью. Распорная втулка имеет наружную цилиндрическую резьбу, взаимодействующую с внутренней резьбой, выполненной на концевом участке цилиндрической расточки корпуса. При вращении распорной втулки относительно корпуса она перемещается в осевом направлении по отношению к внутреннему конусу концевого участка оболочки, при этом наружная конусная поверхность распорной втулки деформирует концевой участок оболочки в радиальном направлении до контакта наружной поверхности концевого участка оболочки с цилиндрической расточкой корпуса и создания в этом сопряжении некоторого натяга. Момент сил трения от натяга в этом сопряжении препятствует провороту оболочки внутри корпуса под действием реактивного момента, возникающего в статоре при работе винтового забойного двигателя.
Известное техническое решение не обеспечивает надежность крепления тонкостенной оболочки внутри корпуса статора по следующим причинам,
- необходимость создания значительного по величине осевого усилия на оболочку для деформирования ее в радиальном направлении внутри корпуса нежелательна в связи с тем, что при этом происходит деформирование оболочки в осевом направлении и может нарушиться геометрия зубьев статора, в частности, шаг винтовой линии зубьев статора,
- ввод наружной конусной поверхности распорной втулки во внутреннюю конусную поверхность оболочки статора происходит с вращением этих поверхностей относительно друг друга, что при больших контактных нагрузках может привести к задирам этих поверхностей, в результате чего желаемый
результат - создание распорной радиальной нагрузки на концевую часть оболочки - не будет достигнут.
Задачей настоящей полезной модели является создание статора винтового забойного двигателя, в котором устранены указанные недостатки и обеспечено повышение надежности крепления сменной оболочки.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном статоре винтового забойного двигателя, содержащем корпус с цилиндрической расточкой, установленную внутри корпуса тонкостенную оболочку со стенкой постоянной толщины, имеющую концевые участки кругового сечения и профильную среднюю часть, на которой выполнены винтовые зубья, к внутренней поверхности которых прикреплена эластомерная обкладка, причем один из концевых участков оболочки имеет конусную внутреннюю поверхность, внутри которой размещена распорная втулка с конусной наружной поверхностью для взаимодействия с внутренней конусной поверхностью концевого участка оболочки, согласно полезной модели, концевой участок оболочки с конусной внутренней поверхностью имеет наружную конусную поверхность, а на концевой части корпуса выполнена внутренняя конусная расточка для взаимодействия с наружной конусной поверхностью концевого участка оболочки.
Такое выполнение статора позволяет повысить надежность крепления оболочки статора внутри корпуса, поскольку концевая часть оболочки с внутренней и наружной конусными поверхностями, представляющая собой конусную отбортовку, зажимается между конусными поверхностями корпуса и распорной втулки без передачи осевого усилия на профильную часть оболочки и без вращения распорной втулки внутри оболочки. При малой конусности К взаимодействующих поверхностей корпуса, оболочки и распорной втулки (обычно конусность К принимается равной от 1:8 до 1:32) сравнительно небольшая величина осевой силы, прилагаемой к распорной втулке, приводит к созданию радиальной силы, в 2/К раза превышающей величину исходной осевой силы, за счет чего обеспечивается создание большого момента трения во фрикционном соединении и надежное закрепление оболочки в корпусе.
Другим отличием предложенного статора является то, что концевая часть корпуса с конусной расточкой снабжена конической резьбой, имеющей ту же величину конусности, что и конусная расточка корпуса, а конусная поверхность, в которой расположены винтовые ленточки вершин профиля конической резьбы, и
конусная расточка корпуса имеют общую образующую. За счет этого упрощается изготовление статора.
На прилагаемых фигурах иллюстрируется сущность полезной модели.
На фиг.1 показано устройство статора винтового забойного двигателя в продольном разрезе. На фиг.2 приведено поперечное сечение статора по линии А-А, а на фиг.3 представлена в увеличенном масштабе часть продольного сечения статора в месте крепления оболочки статора с корпусом, отмеченном литерой В на фиг.1.
Статор винтового забойного двигателя содержит корпус 1, в цилиндрической расточке 2 которого размещена металлическая тонкостенная оболочка 3 со стенкой постоянной толщины 
, имеющая концевые участки 4 и 5 кругового сечения и профилированную среднюю часть 6, на которой выполнены винтовые зубья. К внутренней профилированной винтовой поверхности 7 оболочки 3 прикреплена обкладка 8 из упруго-эластичного материала, например, из резины. Обкладка 8 имеет постоянную или незначительно изменяющуюся толщину (на фигурах показана постоянная толщина резины 
). На концевой части корпуса статора 1 выполнена коническая резьба 9 и конусная расточка 10, имеющие одинаковую величину конусности.
Концевой участок 4 оболочки 3 выполнен с внутренней конусной поверхностью 11 и наружной конусной поверхностью 12. Внутри концевого участка 4 оболочки 3 установлена распорная втулка 13 с конусной наружной поверхностью 14, имеющей ту же величину конусности, что и внутренняя 11 и наружная 12 конусные поверхности оболочки 3. В резьбу 9 корпуса 1 ввернут переводник 15 (показан пунктирной линией) для осуществления осевого перемещения распорной втулки 11. Для упрощения изготовления корпуса статора 1 конусная расточка 10 и конусная поверхность, в которой расположены винтовые ленточки вершин профиля конической резьбы 9, имеют общую образующую, в результате чего эти конусные поверхности выполняются за одну операцию в процессе нарезания резьбы.
При сборке статора оболочка 3 вводится в цилиндрическую расточку 2 корпуса статора 1 до соприкосновения наружной конусной поверхности 12 оболочки 3 с внутренней конусной расточкой 10. Во внутреннюю конусную поверхность 11 оболочки 3 устанавливается распорная втулка 13, и при ввинчивании переводника 15 в резьбу 9 корпуса 1 производится осевое перемещение распорной втулки 13 относительно концевой части 4 оболочки 3.
При этом возникают распорные радиальные усилия со стороны втулки 13 на внутреннюю конусную поверхность 11 оболочки 3 и, в свою очередь, со стороны наружной конусной поверхности 12 оболочки 3 на конусную расточку 10 корпуса 1. Возникающие силы трения на конусных поверхностях 12 и 10 обеспечивают надежное закрепление оболочки 3 относительно корпуса 1 при восприятии реактивного крутящего момента, возникающего на оболочке 3 статора при его эксплуатации.
Статор работает следующим образом. Внутри эластомерной обкладки 8 оболочки статора установлен ротор (на фигурах не показан) с винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, а профили зубьев статора и ротора выполнены взаимоогибаемыми. Своим верхним концом статор присоединен через переводник 15 к колонне бурильных труб (на фигурах не показана), а нижним концом - к корпусу опорного узла. Ротор связан с валом опорного узла посредством универсального шарнирного соединения. К нижнему концу вала опорного узла присоединен породоразрушающий инструмент - долото.
При подаче рабочей жидкости с поверхности по колонне бурильных труб ротор приводится во вращение, обкатываясь по зубьям статора, и приводит во вращение долото. Реактивный момент, возникающий на оболочке статора, передается на корпус статора посредством конусного сопряжения, включающего распорную втулку 13, внутреннюю 11 и наружную 12 конусные поверхности концевой части оболочки статора 3 и внутреннюю конусную расточку 10 корпуса статора 1.
В отличие от прототипа, в нашем случае воздействию осевой силы при закреплении оболочки 3 в корпусе 1 подвергается только концевая часть оболочки, а ее профилированная часть от этих нагрузок освобождена, что позволяет избежать искажений геометрии статора. Кроме того, распорная втулка 13 при ее осевом перемещении внутри оболочки 3 не вращается, поскольку момент сил трения, возникающих в зоне контакта наружной конусной поверхности 14 втулки 13 с внутренней конусной поверхностью 11 оболочки 3, заведомо превышает момент силы трения в зоне контакта соприкасающихся торцев втулки 13 и переводника 15 при завинчивании последнего в резьбу 9 корпуса 1. Это повышает надежность закрепления оболочки 3 в корпусе 1 при сборке и эксплуатации статора.
Библиография
1. Гусман М.Т., Балденко Д.Ф., Кочнев A.M., Никомаров С.С. «Забойные винтовые двигатели для бурения скважин», М., Недра, 1981.
2. М.McGurk «New PDM motor improves performance, operating range», Oil&Gas Journal, 01.04.2002 (с.48-49).
3. Международная заявка WO 01/44615, кл. Е 21 В, приоритет от 10.22.1999 (фиг.8).
1. Статор винтового забойного двигателя, содержащий корпус с цилиндрической расточкой, установленную внутри корпуса тонкостенную оболочку со стенкой постоянной толщины, имеющую концевые участки кругового сечения и профильную среднюю часть, на которой выполнены винтовые зубья, к внутренней поверхности которых прикреплена эластомерная обкладка примерно постоянной толщины, причем один из концевых участков оболочки имеет конусную внутреннюю поверхность, внутри которой размещена распорная втулка с конусной наружной поверхностью для взаимодействия с внутренней конусной поверхностью концевого участка оболочки, отличающийся тем, что концевой участок оболочки с конусной внутренней поверхностью имеет наружную конусную поверхность, а на концевой части корпуса выполнена внутренняя конусная расточка для взаимодействия с наружной конусной поверхностью концевого участка оболочки.
2. Статор по п.1, отличающийся тем, что концевая часть корпуса с конической расточкой снабжена конической резьбой, имеющей ту же величину конусности, что и конусная расточка, а конусная поверхность, в которой расположены винтовые ленточки вершин профиля конической резьбы, и конусная расточка корпуса имеют общую образующую.
