Винтовой забойный двигатель

(51) 21 4/02 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ упругое многослойное уплотнительное средство,причем упругие ленты, образующие слои в уплотнительном средстве, имеют замкнутые кольцеобразные формы и подобны поверхности, к которой они прикреплены, количество слоев уплотнительного средства не более шести, в слоях в качестве уплотнительных сред используются отдельно газ и/или жидкость, система уплотнения содержит узел разделения потоков бурового раствора, электрогенерирующую турбину, насосный узел для бурового раствора, узлы регулирования направления движения уплотнительной среды и бурового раствора, смеситель бурового раствора,систему автоматического управления, а также, в соответствие с применяемыми уплотнительными средами,резервуар-стабилизатор с газом,компрессор, теплообменник для охлаждения газа и/или резервуар-стабилизатор с жидкостью, насос,теплообменник для охлаждения жидкости.(57) Изобретение относится к буровой технике. Для получения технического результата - создания нового винтового забойного двигателя,обеспечивающего повышение КПД и ресурса работы двигателя, улучшающего показатели бурения, - в винтовом забойном двигателе,включающем статор с внутренней винтовой поверхностью, размещенный внутри статора ротор с наружной винтовой поверхностью,систему уплотнения,шпиндельный узел,согласно изобретению в качестве системы уплотнения используется система, которая содержит контактное Изобретение относится к буровой технике. Известны винтовые забойные двигатели,включающие корпус, закрепленный внутри корпуса статор, размещенный внутри статора ротор,шпиндельный узел, в которых в качестве контактного упругого уплотнительного средства между металлическим ротором и статором используют обкладку из эластомера, например из резины, с внутренней винтовой поверхностью,закрепленную на статоре (Балденко Д.Ф.,БалденкоФ.Д., Гноевых А.Н. Винтовые забойные двигатели Справочное пособие - М. ОАО Издательство Недра, 1999, с.375). Известен винтовой забойный двигатель,включающий корпус, закрепленный внутри корпуса статор, размещенный внутри статора ротор, у которого число винтовых зубьев на одно меньше,чем у статора, шпиндельный узел, в двигателе в качестве контактного упругого уплотнительного средства между статором и ротором используют обкладку из эластомера, например из резины,нанесенную на металлический остов ротора (Патент 2011778, МПК Е 21 В 4/02 от 30.04.1994). Наиболее близким аналогом является винтовой забойный двигатель,включающий корпус,закрепленный внутри корпуса статор, размещенный внутри статора ротор, у которого число винтовых зубьев на одно меньше, чем у статора, шпиндельный узел, в двигателе в качестве системы уплотнения используется система, выполненная следующим образом - на корпусе выфрезованы винтовые полости, в которые вкладываются специального профиля полые шланги, один конец шланга специального профиля заглушен, а другим они присоединены к общему коллектору, сверху шлангов, внутри корпуса, привулканизирован резиновый статор таким образом, что винтовые поверхности его совпадают с винтовыми полостями корпуса, полости шлангов через коллектор и вмонтированный в корпус обратный клапан заполняются маслом под давлением, тем самым до определенного предела заполненные маслом шланги служат для компенсации износа вершин статора(А.с. СССР 1717782 А 1, МПК Е 21 В 4/02 от 07.03.1992). Во всех этих известных объектах эластомеррезина, используемый для уплотнения, имеет такие неэффективные физико-механические показатели,например, в сравнении со сталью, как высокий коэффициент трения для пары резина-сталь и пары резина-резина, низкий предел прочности, низкую теплостойкость (Патент 2145012, МПК 16 15/00 от 27.01.2000 Химический энциклопедический словарь / Главный редактор И.Л. Кнунянц. - Москва Советская энциклопедия,1983. - с.791). Из-за неэффективных физико-механических показателей резины известные объекты имеют общие недостатки используемые в них уплотнительные средства характеризуются повышенным износом, пониженной прочностью,пониженной теплостойкостью,не широким диапазоном температур и давлений для 2 эксплуатации,невозможностью эффективного управления температурой уплотнительного средства для постоянного поддержания его рабочей температуры, невозможностью исключения его перегрева, приводящего к разрушению резины использование резины для уплотнения движущихся элементов в известных забойных двигателях снижает эффективность, КПД и ресурс работы двигателей, ухудшает показатели бурения. Технической задачей изобретения является создание нового винтового забойного двигателя,устраняющего указанные недостатки известных объектов,обеспечивающего повышение эффективности, КПД и ресурса работы двигателя,улучшающего показатели бурения. Для решения данной технической задачи в винтовом забойном двигателе, включающем статор с внутренней винтовой поверхностью, размещенный внутри статора ротор с наружной винтовой поверхностью, у которой число винтовых зубьев на одно меньше, чем у статора, систему уплотнения,шпиндельный узел, согласно изобретению в качестве системы уплотнения используется система,которая содержит контактное упругое многослойное уплотнительное средство, жестко соединенное или со статором, или с ротором, или содержит два уплотнительных средства, которые по отдельности жестко соединены один со статором, другой с ротором, причем упругие ленты из прочного материала, например, металла, образующие слои в уплотнительном средстве, имеют замкнутые кольцеобразные формы и подобны поверхности, к которой они прикреплены, количество слоев уплотнительного средства не более шести, в слоях в качестве уплотнительных сред используются отдельно газ и/или жидкость, система уплотнения содержит узел разделения потоков бурового раствора, электрогенерирующую турбину, насосный узел для бурового раствора, узлы регулирования направления движения уплотнительной среды и бурового раствора (например, обратные клапана),смеситель бурового раствора,систему автоматического управления (в дальнейшем САУ), а также,в соответствие с применяемыми уплотнительными средами, резервуар-стабилизатор с газом,компрессор,теплообменник для охлаждения газа и/или резервуар - стабилизатор с жидкостью, насос, теплообменник для охлаждения жидкости. Принципиальная конструкция и действие вышеуказанного контактного упругого многослойного уплотнительного средства описаны в источнике (Инновационный патент РК 23655,МПК 16 15/16 от 17.01.2012). Сущность изобретения поясняется графическими материалами в виде схем, описывающих один из лучших вариантов предлагаемого объекта,содержащий жестко соединенное со статором контактное упругое многослойное уплотнительное средство, в котором в слоях в качестве уплотнительных сред используются отдельно газ и жидкость в порядке последовательного чередования. Рассмотрение этих схем достаточно для понимания сущности изобретения. На фиг.1 дана общая схема предлагаемого винтового забойного двигателя. На фиг.2 - схема,содержащая часть контактного упругого многослойного уплотнительного средства, на фиг.3 и фиг.4 - разрезы А и В соответственно. Винтовой забойный двигатель включает статор 1, ротор 2, систему уплотнения, содержащую узел разделения потоков бурового раствора 3, контактное упругое многослойное уплотнительное средство 4,жестко соединенное со статором 1, причем упругие ленты 5, образующие слои в уплотнительном средстве 4, имеют замкнутые кольцеобразные формы и подобны поверхности, к которой они прикреплены, резервуар- стабилизатор с газом 6,компрессор 7, резервуар-стабилизатор с жидкостью 8, насос 9, теплообменник для охлаждения газа 10,теплообменник для охлаждения жидкости 11,электрогенерирующую турбину (электрогенератор) 12, насосный узел для бурового раствора 13, узлы регулирования направления движения уплотнительной среды и бурового раствора 14(например, обратные клапана), смеситель бурового раствора 15, САУ 16. (Здесь отметим, что в случае,когда используются два отдельных контактных упругих многослойных уплотнительных средства,один из которых жестко соединен со статором, а другой с ротором, буровой раствор движется между этими уплотнительными средствами.). При этом в винтовом забойном двигателе используются буровой раствор, обозначенный как 17, и уплотнительные среды - газ 18 и жидкость 19. Предлагаемый винтовой забойный двигатель работает следующим образом. Буровой раствор, подаваемый под большим давлением, попадает в узел разделения потоков бурового раствора 3 и разделяется на три потока. Первый поток формирует основной поток бурового раствора, расходуется непосредственно на работу винтового забойного двигателя, обеспечивая вращающий момент ротора 2 относительно статора 1. Второй поток направляется на электрогенерирующую турбину 12, третий поток на теплообменник для охлаждения газа 10 и теплообменник для охлаждения жидкости 11. Буровой раствор является рабочим телом электрогенерирующей турбины 12, проходя через которую вырабатывает электроэнергию для питания элементов устройства. Буровой раствор также используется в качестве хладагента в теплообменниках 10 и 11, применяемых для терморегулирования уплотнительных сред системы уплотнения предлагаемого винтового забойного двигателя. Узел разделения потоков бурового раствора 3 управляется САУ 16, которая увеличивает или уменьшает количество отбираемого бурового раствора для работы электрогенерирующей турбины 12 в зависимости от потребляемой мощности соответствующих потребителей предлагаемого устройства. Также под управлением САУ 16 узел разделения потоков бурового раствора 3,изменяя количество подаваемого бурового раствора в теплообменники 10 и 11, обеспечивает терморегулирование уплотнительных сред (газа и жидкости) в системе уплотнения. Под управлением САУ 16 резервуарыстабилизаторы 6 и 8, компрессор 7, насос 9,теплообменники 10 и 11 регулируют давление и расход уплотнительных сред (газа и жидкости),увеличивая или уменьшая проницаемость зазора между статором и ротором, тем самым позволяют регулировать крутящий момент винтового забойного двигателя и управлять процессом бурения, что имеет важное значение и существенно отличает предлагаемый объект от прототипа. САУ 16 помимо указанных действий регулирования и контроля обеспечивает продавливание бурового раствора через электрогенерирующую турбину 12,узлы регулирования направления движения уплотнительной среды и бурового раствора 14 и обеспечивает подачу отработавшего количества бурового раствора в насосный узел для бурового раствора 13 с последующим соединением с основным потоком бурового раствора. Резервуар-стабилизатор с газом 6 и резервуарстабилизатор с жидкостью 8 позволяют работать соответственно компрессору 7 и насосу 9 с различной производительностью в зависимости от изменения мощности на валу ротора 2 винтового забойного двигателя. Кроме того, конструкции резервуаров-стабилизаторов 6 и 8 обеспечивают наличие начального давления и обеспечивает возможность компенсации динамических импульсов и температурных расширений газа и жидкости в процессе работы и движения бурильной системы в горной породе, имеющей определенный градиент температуры. Резервуары-стабилизаторы 6 и 8 совместно с компрессором 7 и насосом 9 позволяют управлять системой уплотнения,создавая возможность управления крутящим моментом на роторе 2 в определенном диапазоне, то есть перепуская через контактное упругое многослойное уплотнительное средство 4 больше или меньше уплотнительной среды. Наличие компрессора 7 и насоса 9 обеспечивает постоянную прокачку уплотнительных сред через слои уплотнения 4, а также через теплообменники для газа и жидкости 10 и 11. Разогретые в процессе работы уплотнительные среды (газ и жидкость) поступают соответственно к теплообменникам 10 и 11. Теплосъем обеспечивается подачей бурового раствора в качестве хладагента по классической для такого типа оборудования схеме. Узлы регулирования направления движения уплотнительной среды и бурового раствора 14,применяемые в устройстве,препятствуют обратному ходу бурового раствора и уплотнительных сред (газа или жидкости),обеспечивают однонаправленность их движения. Смеситель бурового раствора 15 обеспечивает подачу отработанного бурового раствора после теплообменников 10 и 11 и электрогенерирующей турбины 12 обратно в основной поток бурового раствора и направляет его в насосный узел для бурового раствора 13. Далее буровой раствор 3 направляется непосредственно в полости рабочих камер героторного механизма, образованных статором 1 и ротором 2. Возникающий на роторе 2 крутящий момент вызывает его планетарное движение относительно статора 1, которое преобразуется во вращательное движение вала шпиндельного узла (на фигурах не показан). Из рабочих полостей буровой раствор попадает в породо-разрушающий инструмент и далее на забой скважины. На основе практических экспериментов по отработке термостатирования многослойного уплотнительного средства с целью поддержания его рабочей температуры целесообразно ограничить количество слоев уплотнительного средства числом не более шести. Условие для числа слоев не больше шести связано с тем, что при количестве слоев более шести эффективность теплообмена, связанного с уплотнительным средством,повышается незначительно, в частности, градиент температуры изменяется незначительно, и, следовательно,дальнейшее увеличение числа слоев нецелесообразно. Здесь также отметим, что как указывалось выше в предлагаемом объекте уплотнительные среды могут быть составлены из жидких и газообразных фаз, причем слои в уплотнительном средстве могут быть составлены из жидкостей одной или разной плотности и вязкости, могут содержать или не содержать слой с газовой фазой, - выбор уплотнительных сред зависит от поставленных задач. Одним из лучших вариантов предлагаемого объекта является вышерассмотренный случай, когда в контактном упругом многослойном уплотнительном средстве слои уплотнительных сред, содержащие отдельно газ и жидкость,последовательно чередуются,при такой последовательности слоев достигается оптимальная эффективность управления упругими теплообменными свойствами системы. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Винтовой забойный двигатель, включающий статор с внутренней винтовой поверхностью,размещенный внутри статора ротор с наружной винтовой поверхностью, у которой число винтовых зубьев на одно меньше, чем у статора, систему уплотнения, шпиндельный узел, отличающийся тем, что, в качестве системы уплотнения используется система, которая содержит контактное упругое многослойное уплотнительное средство,жестко соединенное или со статором, или с ротором,или содержит два уплотнительных средства,которые по отдельности жестко соединены один со статором, другой с ротором, причем упругие ленты из прочного материала, например, металла,образующие слои в уплотнительном средстве,имеют замкнутые кольцеобразные формы и подобны поверхности, к которой они прикреплены,количество слоев уплотнительного средства не более шести, в слоях в качестве уплотнительных сред используются отдельно газ и/или жидкость,система уплотнения содержит узел разделения потоков бурового раствора, электрогенерирующую турбину, насосный узел для бурового раствора, узлы регулирования направления движения уплотнительной среды и бурового раствора,смеситель бурового раствора,систему автоматического управления,а также,в соответствие с применяемыми уплотнительными средами,резервуар-стабилизатор с газом,компрессор, теплообменник для охлаждения газа и/или резервуар-стабилизатор с жидкостью, насос,теплообменник для охлаждения жидкости.