Винтовой забойный двигатель

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(1) с внутренней винтовой поверхностью, размещенный внутри статора (1) ротор (2) с наружной винтовой поверхностью, систему уплотнения, шпиндельный узел, согласно изобретению система уплотнения содержит контактное упругое многослойное уплотнительное средство (4), жестко соединенное или со статором (1), или с ротором (2). Причем упругие ленты (5), образующие слои в уплотнительном средстве (4), имеют замкнутые кольцеобразные формы и по форме соответствуют поверхности, к которой они прикреплены, причем количество слоев уплотнительного средства(4) не более шести, в слоях в качестве уплотнительных сред используются отдельно газ (18) и/или жидкость (19). Кроме того система уплотнения содержит узел (3) разделения потоков бурового раствора (17), электрогенерирующую турбину (12), узлы (14) регулирования направления движения уплотнительной среды и бурового раствора, смеситель (15) бурового раствора, насосный узел (13) для бурового раствора, систему автоматического управления (16), а также в соответствии с применяемыми уплотнительными средами резервуар-стабилизатор (6) с газом, компрессор (7),теплообменник (10) для охлаждения газа и/или резервуар-стабилизатор (8) с жидкостью, насос (9),теплообменник (11) для охлаждения жидкости.(71)(72)(73) Заявитель, изобретатель и патентовладелец: АХМЕДЖАНОВ АЛИБИ ХАКИМОВИЧ (KZ) 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.,Балденко Ф.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 RU2011778, 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 заглушн, 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 (Авторское свидетельство СССР 1717782 А 1, МПК Е 21 В 4/02 от 07.03.1992). Во всех этих известных объектах эластомер-резина, 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 RU2145012, МПК F16F 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 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 система уплотнения содержит контактное упругое многослойное уплотнительное средство, жестко соединенное или со статором, или с ротором, или содержит два уплотни-тельных средства, которые по отдельности жестко соединены одно со статором, другое с ротором. Причем упругие ленты, образующие слои в уплотнительном средстве (4), выполнены из прочного материала, например металла, и имеют замкнутые кольцеобразные формы и по форме соответствуют поверхности, к которой они прикреплены, причем количество слоев уплотнительного средства не более шести,в слоях в качестве уплотнительных сред используются отдельно газ и/или жидкость. Кроме того, система уплотнения содержит узел разделения потоков бурового раствора, электрогенерирующую турбину, узлы регулирования направления движения уплотнительной среды и бурового раствора (например, обратные клапана), смеситель бурового раствора, насосный узел для бурового раствора, систему автоматического управления (в дальнейшем САУ), а также, в соответствии с применяемыми уплотнительными средами,резервуар-стабилизатор с газом, компрессор, теплообменник для охлаждения газа и/или резервуарстабилизатор с жидкостью, насос, теплообменник для охлаждения жидкости. При этом узел разделения потоков бурового раствора выполнен с возможностью разделять подаваемый в упомянутый двигатель буровой раствор на три потока, однонаправленность которых обеспечивают узлы регулирования направления движения уплотнительной среды и бурового раствора, препятствующие обратному ходу бурового раствора и уплотнительных сред, при этом двигатель выполнен таким образом, что путь первого потока направлен к ротору для обеспечения вращающего момента ротора, необходимого для работы двигателя,второй поток направлен на электрогенерирующую турбину, вырабатывающую электроэнергию для элементов двигателя, третий поток направлен в качестве хладоагента в теплообменник для охлаждения газа и/или в теплообменник для охлаждения жидкости, применяемый для терморегулирования уплотнительных сред системы уплотнения. Система автоматического управления (САУ) выполнена с возможностью управлять и контролировать работу резервуара-стабилизатора с газом и/или резервуарастабилизатора с жидкостью, компрессора и насоса, теплообменника для охлаждения газа и/или теплообменника для охлаждения жидкости, с помощью которых регулируется давление, температура и расход уплотни-тельных сред газа и/или жидкости, прокачиваемых через слои уплотнительного средства, также система автоматического управления выполнена с возможностью направления бурового раствора через электрогенерирующую турбину, узлы регулирования направления движения уплотнительной среды и бурового раствора и обеспечивает подачу отработавшего количества бурового раствора в смеситель бурового раствора, в насосный узел для бурового раствора и далее в уплотнительное средство, образованное между статором и ротором. Принципиальная конструкция и действие вышеуказанного контактного упругого многослойного уплотнительного средства описаны в источнике (Инновационный патент РК 23655, МПК F16J 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 уплотнительно-го средства, на фиг. 3 и фиг. 4 разрезы А и В соответственно. Винтовой забойный двигатель включает статор 1, ротор 2, систему уплотнения, содержащую узел 3 разделения потоков бурового раствора, 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 по форме соответствуют поверхности, к которой они прикреплены, резервуар-стабилизатор 6 с газом, компрессор 7, резервуар-стабилизатор 8 с жидкостью,насос 9, теплообменник 10 для охлаждения газа, теплообменник 11 для охлаждения жидкости, электрогенерирующую турбину (электрогенератор) 12, насосный узел 13 для бурового раствора, узлы 14 регулирования направления движения уплотнительной среды и бурового раствора (например, обратные клапана), смеситель 15 бурового раствора, 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 уп-лотнительными средствами.). При этом в винтовом забойном двигателе используются буровой раствор, обозначенный как 17, и упло гнительные среды - газ 18 и жидкость 19. Предлагаемый винтовой забойный двигатель работает следующим образом. Буровой раствор, подаваемый под большим давлением, попадает в узел 3 разделения потоков бурового раствора 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 10 для охлаждения газа и теплообменник 11 для охлаждения жидкости. 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 3 разделения потоков бурового раствора 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 3 разделения потоков бурового раствора, изменяя количество подаваемого бурового раствора в теплообменники 10 и 11, обеспечивает терморегулирование уплотнительных сред (газа и жидкости) в системе уплотнения. Под управлением САУ 16 резервуары-стабилизаторы 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 электроге-нерирующую турбину 12, узлы 14 регулирования направления движения уплотнительной среды и бурового раствора и обеспечивает подачу отработавшего количества бурового раствора в насосный узел 13 для бурового раствора с последующим соединением с основным потоком бурового раствора. Резервуар-стабилизатор 6 с газом и резервуар-стабилизатор 8 с жидкостью 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-2 024018 стабилизаторов 6 и 8 обеспечивают наличие начального давления и обеспечивают возможность компенсации динамических импульсов и температурных расширений газа и жидкости в процессе работы и движения бурильной системы в горной породе, имеющей определенный градиент температуры. Резервуарыстабилизаторы 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 10 для газа и теплообменник 11 для жидкости. 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 14 регулирования направления движения уплотнительной среды и бурового раствора, применяемые в устройстве, препятствуют обратному ходу бурового раствора и уплотнительных сред (газа или жидкости), обеспечивают однонаправленность их движения. Смеситель 15 бурового раствора 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 13 для бурового раствора. Далее буровой раствор 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 породоразрушающий 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 и теплообменными свойствами системы. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Винтовой забойный двигатель, включающий статор (1) с внутренней винтовой поверхностью, размещенный внутри статора (1) ротор (2) с наружной винтовой поверхностью, у которой число винтовых зубьев на одно меньше, чем у статора (1), систему уплотнения, шпиндельный узел, отличающийся тем,что система уплотнения содержит контактное упругое многослойное уплотнительное средство (4), жестко соединенное или со статором (1), или с ротором (2), или содержит два уплотнительных средства (4),которые по отдельности жестко соединены одно со статором (1), другое с ротором (2), причем упругие ленты (5), образующие слои в уплотнительном средстве (4), выполнены из прочного материала, например металла, и имеют замкнутые кольцеобразные формы и по форме соответствуют поверхности, к которой они прикреплены, причем количество слоев уплотнительного средства (4) не более шести, в слоях в качестве уплотнительных сред используются отдельно газ (18) и/или жидкость (19), кроме того, система уплотнения содержит узел (3) разделения потоков бурового раствора (17), электрогенерирующую турбину (12), узлы (14) регулирования направления движения уплотнительной среды и бурового раствора, смеситель (15) бурового раствора, насосный узел (13) для бурового раствора, систему автоматического управления (16), а также в соответствии с применяемыми уплотнительными средами резервуарстабилизатор (6) с газом, компрессор (7), теплообменник (10) для охлаждения газа и/или резервуарстабилизатор (8) с жидкостью, насос (9), теплообменник (11) для охлаждения жидкости, при этом узел(3) разделения потоков бурового раствора выполнен с возможностью разделять подаваемый в упомянутый двигатель буровой раствор (17) на три потока, однонаправленность которых обеспечивают узлы (14) регулирования направления движения уплотнительной среды и бурового раствора, препятствующие обратному ходу бурового раствора (17) и уплотнительных сред, при этом двигатель выполнен таким образом, что путь первого потока направлен к ротору (2) для обеспечения вращающего момента ротора (2),необходимого для работы двигателя, второй поток направлен на электрогенерирующую турбину (12),вырабатывающую электроэнергию для элементов двигателя, третий поток направлен в качестве хладоа-3 024018 гента в теплообменник (10) для охлаждения газа и/или в теплообменник (11) для охлаждения жидкости,применяемый для терморегулирования уплотнительных сред (18, 19) системы уплотнения, система автоматического управления (16) выполнена с возможностью управлять и контролировать работу резервуарастабилизатора (6) с газом и/или резервуара-стабилизатора (8) с жидкостью компрессора (7) и насоса (9),теплообменника (10) для охлаждения газа и/или теплообменника (11) для охлаждения жидкости, с помощью которых регулируется давление, температура и расход уплотнительных сред газа (18) и/или жидкости (19), прокачиваемых через слои уплотнительного средства (4), также система автоматического управления (16) выполнена с возможностью направления бурового раствора (17) через электрогенерирующую турбину (12), узлы (14) регулирования направления движения уплотнительной среды и бурового раствора обеспечивает подачу отработавшего количества бурового раствора (17) в смеситель (15) бурового раствора, в насосный узел (13) для бурового раствора и далее в уплотнительное средство (4), образованное между статором (1) и ротором (2).