RU2471076C2 - Screw hydraulic machine - Google Patents

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: screw hydraulic machine includes rotor and stator of screw shape without any elastomeric coating, which are installed with a gap. Stator is solid metal alloy ceramic or composite material. Rotor is directed on its ends with guide system to exclude direct contact to stator. In addition, rotor surface or stator surface have grooves.

EFFECT: improvement of screw machine design is provided.

16 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и, более конкретно, к конструкции и изготовлению роторной гидромашины объемного типа, различные варианты осуществления которой используются при бурении и эксплуатации нефтедобывающих скважин.The invention relates to mechanical engineering and, more specifically, to the design and manufacture of a volumetric rotary hydraulic machine, various embodiments of which are used in the drilling and operation of oil wells.

Двигатель объемного типа широко используется для направленного бурения во всем мире, и винтовой насос, имеющий ту же конструкцию, широко используется при механизированной эксплуатации скважин. Эти машины часто называют MOYNO системы, исходя из основного первоначального коммерческого применения таких машин.A volumetric type engine is widely used for directional drilling around the world, and a screw pump having the same design is widely used in mechanized well operation. These machines are often referred to as MOYNO systems, based on the main initial commercial use of such machines.

Для такой системы надежная и устойчивая работа является важной в течение длительного времени работы. Типичным сроком службы двигателя объемного типа при нормальных условиях бурения обычно считается полмесяца, который может уменьшиться до нескольких часов в случае тяжелых условий работы при интенсивном бурении. Скорость износа винтового насоса становится значительной при наличии высокого содержания песка или выбросе в скважину расклинивающего агента. Практика показывает, что большая часть поломок в указанных двигателях и насосах происходит из-за эластомера статора. Эластомерные статоры обычно ломаются из-за высокой механической нагрузки, износа из-за эрозии и абразивного истирания, несоответствия текучей среды, высокой температуры. При работе в условиях большого перепада давлений или с постепенной эрозией увеличиваются внутренние утечки, и производительность системы постепенно уменьшается.For such a system, reliable and stable operation is important for a long time. A typical engine life of a volumetric type engine under normal drilling conditions is usually considered to be half a month, which can be reduced to several hours in case of difficult operating conditions during intensive drilling. The wear rate of a screw pump becomes significant when there is a high sand content or a proppant is discharged into the well. Practice shows that most of the failures in these engines and pumps are due to the stator elastomer. Elastomeric stators usually break due to high mechanical stress, wear due to erosion and abrasion, fluid mismatch, and high temperature. When operating in conditions of a large pressure drop or with gradual erosion, internal leaks increase and system performance gradually decreases.

Настоящее изобретение направлено на снижение ухудшения производительности двигателя объемного типа/винтового насоса путем создания фиксированного положительного зазора между ротором и статором и дополнительных калиброванных каналов, обеспечивающих допустимую утечку текучей среды между гидравлическими камерами, обеспечивая замену эластомерных покрытий обычной системы более стойкими материалами.The present invention seeks to reduce the performance degradation of a volumetric motor / screw pump by creating a fixed positive clearance between the rotor and stator and additional calibrated channels that allow acceptable leakage of fluid between the hydraulic chambers, allowing the elastomeric coatings of the conventional system to be replaced with more resistant materials.

Компанией Шлюмберже были запатентованы (патент США № 6241494, Demosthenis G. Pafitis, 1998) и испытаны несколько гидравлических двигателей с неэластомерным статором. Двигатель этого типа работает с расчетным зазором 0,3-0,6 мм. При такой конструкции проблема закупоривания системы большими частицами, такими как материалы для борьбы с поглощением бурового раствора в некоторых конкретных условиях работы (например, остановка двигателя), должна быть решена для обеспечения правильной работы.Schlumberger has patented (US Pat. No. 6,241,494, Demosthenis G. Pafitis, 1998) and tested several hydraulic motors with a non-elastomeric stator. An engine of this type operates with a design clearance of 0.3-0.6 mm. With this design, the problem of clogging the system with large particles, such as materials to combat the absorption of drilling fluid in some specific operating conditions (for example, engine shutdown), must be solved to ensure proper operation.

Предшествующий уровень техникиState of the art

Винтовые гидромашины широко используются в нефтяной и газовой отраслях, и термин “MOYNO” часто связывают с некоторыми конструкциями машин.Helical hydraulic machines are widely used in the oil and gas industries, and the term “MOYNO” is often associated with some machine designs.

Одной областью применения таких устройств являются двигатели объемного типа, когда буровой раствор закачивается в бурильную колонну для преобразования энергии потока в механическую для привода бурового долота. Производительность такого двигателя зависит от конструкции двигателя, свойств бурового раствора (плотности, вязкости), условий окружающей среды в скважине (давление, температура, химический состав текучей среды) и режимов бурения (требуемый крутящий момент и усилие на долоте.One area of application for such devices is volumetric motors, when drilling fluid is pumped into the drill string to convert the flow energy into mechanical energy to drive the drill bit. The performance of such an engine depends on the design of the engine, the properties of the drilling fluid (density, viscosity), environmental conditions in the well (pressure, temperature, chemical composition of the fluid) and drilling conditions (required torque and force on the bit.

Второй областью использования того же принципа работы гидравлики является винтовой насос для подъема добываемых текучих сред из продуктивного пласта к поверхности через насосно-компрессорные трубы. Привод ротора для таких областей применения может осуществляться от погружного электродвигателя в скважине (для глубинного насоса) или от поверхностного узла, вращающего стержень, соединенный с ротором винтового насоса (последний вариант подходит для умеренной глубины). Винтовой насос имеет несколько преимуществ в сравнении с другими типами насосов: он состоит из двух основных узлов (ротор и статор), так что он надежен в работе, обеспечивает устойчивую скорость потока закачиваемой текучей среды, имеет легкоуправляемую скорость потока. Данный насос широко используется для закачивания сырой нефти и других высоковязких текучих сред даже с высоким процентным содержанием песка в текучей среде.The second area of use of the same principle of hydraulics is a screw pump for lifting produced fluids from the reservoir to the surface through tubing. The rotor drive for such applications can be carried out from a submersible electric motor in the well (for a deep pump) or from a surface unit that rotates a shaft connected to the rotor of a screw pump (the latter is suitable for moderate depth). A screw pump has several advantages in comparison with other types of pumps: it consists of two main components (rotor and stator), so it is reliable in operation, provides a stable flow rate of the injected fluid, and has an easily controlled flow rate. This pump is widely used for pumping crude oil and other highly viscous fluids even with a high percentage of sand in the fluid.

Благодаря его высокой производительности и надежности, данный насос широко используется при добыче сырой нефти.Due to its high performance and reliability, this pump is widely used in the extraction of crude oil.

Стандартная конструкция такой гидравлической системы (двигатель объемного типа и винтовой насос) представляет собой комбинацию металлического ротора, имеющего винтовую форму, и статора, внутренняя поверхность которого покрыта эластомерным материалом, обеспечивающую плотный, но гибкий контакт ротор-статор вдоль кривой контакта по всему двигателю. Фиг. 1 показывает подробно силовую секцию 18 двигателя объемного типа/винтового насоса. Силовая секция 18 в целом включает в себя корпус 22, в котором размещен статор 24, внутри которого установлен с возможностью вращения ротор 26 двигателя. Статор 24 имеет множество винтовых выступов 24а-24е, которые образуют соответствующее число винтовых полостей 24а'-24е'. Ротор 26 имеет множество винтовых выступов 26а-26d. Данный вариант относится к четырехзаходному ротору с 4 выступами. Такие системы (двигателя объемного типа/винтового насоса) считаются гидромашинами объемного типа. В идеальном случае поток пропорционален скорости вращения, при этом крутящий момент пропорционален перепаду давлений в системе.The standard design of such a hydraulic system (a displacement engine and a screw pump) is a combination of a metal rotor having a helical shape and a stator, the inner surface of which is covered with an elastomeric material, providing a tight but flexible rotor-stator contact along the contact curve throughout the motor. FIG. 1 shows in detail the power section 18 of a positive displacement motor / screw pump. The power section 18 as a whole includes a housing 22, in which a stator 24 is placed, inside which a rotor 26 of the engine is mounted for rotation. The stator 24 has a plurality of screw protrusions 24a-24e that form the corresponding number of screw cavities 24a'-24e '. The rotor 26 has a plurality of screw protrusions 26a-26d. This option relates to a four-starting rotor with 4 protrusions. Such systems (volumetric type engine / screw pump) are considered volumetric type hydraulic machines. In the ideal case, the flow is proportional to the speed of rotation, while the torque is proportional to the pressure drop in the system.

Однако современная конструкция промышленных двигателей объемного типа и винтового насоса налагает ограничения на их применение. Современная конструкция промышленных гидромашин для нефтяной отрасли основана на твердом роторе (металлическом или композитном) и статоре, содержащем металлический корпус, покрытый эластомерным материалом. Взаимодействие между выступами ротора и эластомерного статора в линиях контакта образует полости для захвата текучей среды, которая перемещается вдоль оси системы от входа к выходу за счет вращения машины. Для двигателя объемного типа перепад гидравлических давлений между полостями, образованными винтовым статором и винтовым ротором, приводит в движение ротор в требуемом направлении. В случае винтового насоса вращение ротора толкает текучую среду через насос, создавая перепад давления между последовательными камерами. Общепризнано, что эффективность такой конструкции зависит от плотности контакта (взаимодействие между выступами 24d и 24с, см. фиг. 1) между статором и ротором вдоль винтовой кривой контакта. Это создает сложные требования к свойствам эластомера. Он должен выдерживать перепад давлений в полостях для предотвращения утечек, при этом будучи достаточно гибким для плотного контакта, но достаточно прочным, чтобы быть устойчивым к износу вследствие скольжения ротора и эрозии. Он также должен быть устойчивым к тепловому удару вследствие трения, химическому старению из-за воздействия нефти или углеводородных элементов в широком диапазоне температур в скважине. Как следствие этих требований, данные эластомерные материалы являются дорогими, требуют специальных способов нанесения на футеровку для обеспечения высокой геометрической точности статора после формирования с учетом последующих усадки и набухания.However, the modern design of industrial volumetric engines and a screw pump imposes restrictions on their application. The modern design of industrial hydraulic machines for the oil industry is based on a solid rotor (metal or composite) and a stator containing a metal body coated with an elastomeric material. The interaction between the protrusions of the rotor and the elastomeric stator in the contact lines forms cavities for capturing a fluid that moves along the axis of the system from entrance to exit due to the rotation of the machine. For a volume type engine, the differential pressure between the cavities formed by the screw stator and the screw rotor drives the rotor in the desired direction. In the case of a screw pump, the rotation of the rotor pushes the fluid through the pump, creating a pressure differential between the successive chambers. It is generally recognized that the effectiveness of this design depends on the contact density (the interaction between the protrusions 24d and 24c, see Fig. 1) between the stator and the rotor along the helical contact curve. This creates complex requirements for the properties of the elastomer. It must withstand the differential pressure in the cavities to prevent leaks, while being flexible enough for tight contact, but strong enough to be resistant to wear due to slip of the rotor and erosion. It should also be resistant to thermal shock due to friction, chemical aging due to exposure to oil or hydrocarbon elements in a wide temperature range in the well. As a consequence of these requirements, these elastomeric materials are expensive, require special methods of application to the lining to ensure high geometric accuracy of the stator after formation, taking into account subsequent shrinkage and swelling.

Известная конструкция гидромашины объемного типа (более конкретно, буровые двигатели) предусматривает прочное положительное уплотнение, называемое положительное взаимодействие. Когда ожидаются высокие температуры в скважине, положительное взаимодействие уменьшается во время сборки для обеспечения возможности теплового расширения эластомера. Удельный вес бурового раствора и глубина по вертикали также должны учитываться, так как они влияют на гидростатическое давление, прилагаемое к эластомеру статора, что заставляет его сжиматься. Широко доступны буровые двигатели (такие как двигатели Powerpack™ компании Шлюмберже) с различными эластомерами статора. Выбор эластомера зависит от условий в скважине. Однако условия могут изменяться во время работы двигателя, поэтому желательно иметь пару статор-ротор, которая будет универсальной для стандартных и изменяющихся условий по температуре и давлению. Выбор взаимодействия можно осуществить путем расчета с помощью различных моделей: например, программное обеспечение компании Шлюмберже, называемое PowerFit, используется для вычисления требуемой посадки с натягом для управляемого двигателя PowerPack™.The known construction of a volumetric type hydraulic machine (more specifically, drilling motors) provides for a strong positive seal, called positive interaction. When high temperatures are expected in the well, positive interaction is reduced during assembly to allow thermal expansion of the elastomer. The specific gravity of the drilling fluid and the vertical depth should also be taken into account, since they affect the hydrostatic pressure applied to the stator elastomer, which causes it to compress. Drill motors (such as Schlumberger Powerpack ™ motors) with various stator elastomers are widely available. The choice of elastomer depends on the conditions in the well. However, the conditions can change during engine operation, so it is advisable to have a stator-rotor pair, which will be universal for standard and changing conditions in temperature and pressure. The choice of interaction can be made by calculation using various models: for example, Schlumberger software called PowerFit is used to calculate the required interference fit for a PowerPack ™ controlled engine.

Однако, рассмотрев типичную кривую производительности двигателя объемного типа (такой как управляемый двигатель PowerPack™), можно обнаружить, что в рабочем диапазоне перепада давлений присутствуют значительные утечки. Это означает, что часть линий уплотнения становятся открытыми во время работы, позволяя части потока утекать из полости в полость, вместо движения вместе с вращением полости и поступательного перемещения.However, looking at a typical volumetric engine performance curve (such as a PowerPack ™ controlled motor), you can find that there are significant leaks in the differential pressure range. This means that part of the seal lines become open during operation, allowing part of the flow to flow out of the cavity into the cavity, instead of moving along with the rotation of the cavity and translational movement.

Альтернативный способ использования пары статор-ротор с отрицательным взаимодействием (или положительным зазором) был описан в патенте США № 6241494 (Demosthenis Pafitis и др., 2001). Согласно этому патенту небольшой зазор между ротором и статором является совершенно допустимым для обеспечения хорошей производительности гидравлического двигателя. На фиг. 2 показаны принципиальные основы этой конструкции. Между выступами 126b, 126с, 126d и ротором имеется положительный зазор, но также имеется по меньшей мере одна линия контакта между ротором и статором, как это показано между 126а и 124а'. При вращении ротора он катится по статору, и линия контакта также перемещается. Эта конструкция была испытана и показала приемлемую производительность. Мелкие частицы проходят через систему без каких-либо проблем. Это относится в первую очередь к частицам, которые меньше зазора. Однако в некоторых областях применения присутствуют большие частицы: при бурении частицы материала для борьбы с поглощением бурового раствора обычно имеют большой размер (1 мм для частиц или несколько миллиметров для квадратных пластинок), при этом в других областях применения могут присутствовать песчаные частицы. Эти большие частицы могут привести к закупориванию полостей между ротором и статором, особенно если поток нагнетается в машину, когда она остановлена. В последнем случае гидромашина действует как фильтр для частиц.An alternative way to use a stator-rotor pair with a negative interaction (or a positive gap) has been described in US Pat. No. 6,241,494 (Demosthenis Pafitis et al., 2001). According to this patent, a small clearance between the rotor and the stator is perfectly acceptable to ensure good hydraulic motor performance. In FIG. 2 shows the basic principles of this design. There is a positive gap between the protrusions 126b, 126c, 126d and the rotor, but there is also at least one contact line between the rotor and the stator, as shown between 126a and 124a '. When the rotor rotates, it rolls along the stator, and the contact line also moves. This design has been tested and has shown acceptable performance. Fine particles pass through the system without any problems. This applies primarily to particles that are smaller than the gap. However, large particles are present in some applications: when drilling, particles of material to combat mud absorption are usually large (1 mm for particles or a few millimeters for square plates), while sand particles may be present in other applications. These large particles can clog the cavities between the rotor and the stator, especially if the flow is pumped into the machine when it is stopped. In the latter case, the hydraulic machine acts as a particle filter.

Минимальный контакт между двумя частями винтовой гидромашины уменьшает трение в паре ротор-статор, абразивный и эрозионный износ поверхностей, тем самым увеличивая срок службы двигателя или насоса: этот минимальный зазор может устанавливаться направляющей системой ротора, как будет пояснено позднее. В публикации, описывающей способы добычи сырой нефти [SPE 0059276], также делается особое ударение на то, что винтовой насос может достичь высокой эффективности без «посадки с натягом» между ротором и статором. Для закачивания текучей среды с высокой вязкостью (например, сырой нефти), конструкция, основанная на «свободной посадке», помогает защитить хромированную или борированную поверхность ротора. Это означает, что такой винтовой насос, содержащий твердый ротор и твердый статор, имеет низкое механическое истирание, низкую эрозию, при этом удерживая головку насоса на требуемом уровне. Зазор в несколько десятков микрометров является типично рекомендуемым для высоковязких текучих сред.The minimum contact between the two parts of the screw hydraulic machine reduces the friction in the rotor-stator pair, the abrasive and erosive wear of the surfaces, thereby increasing the life of the motor or pump: this minimum clearance can be set by the rotor guide system, as will be explained later. The publication describing crude oil production methods [SPE 0059276] also emphasizes that a screw pump can achieve high efficiency without an “interference fit” between the rotor and the stator. For pumping high viscosity fluids (such as crude oil), a “free-fit” design helps protect the chrome or boron surface of the rotor. This means that such a screw pump containing a solid rotor and a solid stator has low mechanical abrasion, low erosion, while keeping the pump head at the required level. A gap of several tens of micrometers is typically recommended for highly viscous fluids.

Использование пары металл-металл (или пары композит-композит) исключает относящиеся к химии проблемы эластомера: старение из-за бурового раствора/добываемой текучей среды, реакции с растворенными в нефти газами (H₂S, CO₂), резкого уменьшения сжатия эластомерного материала, насыщенного газами, после подъема устройства на поверхность.The use of a metal-metal pair (or a composite-composite pair) eliminates the chemistry-related problems of the elastomer: aging due to the drilling fluid / produced fluid, reactions with dissolved gases in the oil (H ₂ S, CO ₂ ), a sharp decrease in the compression of the elastomeric material saturated with gases after lifting the device to the surface.

При использовании стандартной конструкции винтового насоса/двигателя объемного типа часто сталкиваются с проблемой закупоривания полостей песком или материалами для борьбы с поглощением бурового раствора, растворенными в текучей среде. Эта проблема становится серьезной для пары металл-металл (или композит-композит) в гидравлической системе. Имеется способ ограничения и даже исключения закупоривания с помощью специального клапана (патент США № 6371206, Preventing of Sand Plugging of Oil Well Pumps, 2002). Когда скважинный насос не работает и существует риск осаждения растворенных частиц на верх неработающего насоса, насосно-компрессорные трубы перекрываются с помощью клапана. Когда этот клапан опять открывается, создается резкое изменение давления, которое удаляет скопившиеся частицы с верха. Но этот способ не решает проблему скопления частиц внутри насоса или накопления материала для борьбы с поглощением бурового раствора внутри полостей PDM. Путем экспериментов (например, проводимых Demos Pafitis и др. в компании Шлюмберже) было обнаружено, что концентрация материала для борьбы с поглощением бурового раствора может стать такой высокой (особенно во время остановки двигателя объемного типа), что становится невозможно вновь запустить двигатель после одного торможения двигателя.When using the standard design of a displacement screw pump / displacement motor, it is often a problem to clog cavities with sand or mud control materials dissolved in a fluid. This problem becomes serious for a metal-metal pair (or composite-composite) in a hydraulic system. There is a way to limit or even eliminate clogging using a special valve (US Patent No. 6371206, Preventing of Sand Plugging of Oil Well Pumps, 2002). When the well pump does not work and there is a risk of precipitation of dissolved particles on top of the idle pump, the tubing is blocked by a valve. When this valve opens again, a sharp change in pressure is created, which removes accumulated particles from the top. But this method does not solve the problem of the accumulation of particles inside the pump or the accumulation of material to combat the absorption of drilling fluid inside the PDM cavities. Through experiments (for example, conducted by Demos Pafitis et al. At Schlumberger), it was found that the concentration of the material to combat the absorption of drilling fluid can become so high (especially when the volumetric engine is stopped) that it becomes impossible to restart the engine after one braking engine.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Целью настоящего изобретения является улучшение конструкции двигателей объемного типа и винтовых насосов.The aim of the present invention is to improve the design of volumetric type engines and screw pumps.

Указанная цель достигается путем создания двигателя объемного типа, содержащего ротор и статор винтовой формы без эластомерного покрытия или футеровки, установленные с зазором, при этом статор является твердым с модулем упругости, превышающим в, по меньшей мере, 10 раз модуль упругости эластомеров, используемых в статорах, и зазор составляет 0,05-0,5 мм. Предпочтительно ротор и/или статор дополнительного покрыты износостойким покрытием. Двигатель может содержать множество секций, содержащих ротор и статор.This goal is achieved by creating a volumetric type engine containing a rotor and a stator of a helical shape without an elastomeric coating or linings installed with a gap, while the stator is solid with an elastic modulus exceeding at least 10 times the elastic modulus of the elastomers used in the stators and the clearance is 0.05-0.5 mm. Preferably, the rotor and / or stator is additionally coated with a wear resistant coating. An engine may comprise a plurality of sections comprising a rotor and a stator.

Также указанная цель достигается путем создания двигателя объемного типа, содержащего ротор и статор без эластомерного покрытия или футеровки, установленные с зазором, при этом выступы ротора имеют сквозные каналы, гидравлически соединяющие камеры, образованные выступами. Каналы в смежных выступах предпочтительно расположены не на одной линии. Предпочтительно ось по меньшей мере части каналов является изогнутой. Типично, диаметр каналов составляет 2-10 мм. Поверхность ротора может дополнительно иметь канавки шириной 5-10 мм и глубиной 0,5-10 мм в зависимости от условий работы. Типично, одна полость имеет по меньшей мере 2 канавки, и один шаг выступов имеет по меньшей мере два канала. Двигатель может также содержать множество секций, содержащих ротор и статор.Also, this goal is achieved by creating a volumetric type engine containing a rotor and a stator without an elastomeric coating or lining, installed with a gap, while the protrusions of the rotor have through channels hydraulically connecting the chambers formed by the protrusions. The channels in adjacent protrusions are preferably not on the same line. Preferably, the axis of at least a portion of the channels is curved. Typically, the diameter of the channels is 2-10 mm. The rotor surface may additionally have grooves of 5-10 mm wide and 0.5-10 mm deep, depending on the operating conditions. Typically, one cavity has at least 2 grooves, and one step of the protrusions has at least two channels. An engine may also comprise a plurality of sections comprising a rotor and a stator.

По конструктивной аналогии, подобные отверстия и каналы могут быть выполнены в статоре в гидравлически эквивалентной позиции.By structural analogy, such holes and channels can be made in the stator in a hydraulically equivalent position.

Кроме того, описанные выше каналы в роторе или статоре могут быть заменены спиральными канавками в роторе или в статоре. Канавка может проходить под углом в том же или противоположном направлении, что и компонент, в котором она образована. Однако шаг и число канавок должны быть такими, чтобы по меньшей мере одно отверстие имелось в линии уплотнения каждой полости между статором и ротором. При такой системе линия уплотнения каждой полости имеет отверстие для любого углового положения ротора, при этом отверстие «очевидно» перемещается в осевом направлении во время вращения ротора, обеспечивая очистку по всей длине уплотнения после одного поворота.In addition, the above-described channels in the rotor or stator can be replaced by spiral grooves in the rotor or in the stator. The groove may extend at an angle in the same or opposite direction as the component in which it is formed. However, the pitch and number of grooves must be such that at least one hole is present in the seal line of each cavity between the stator and the rotor. With such a system, the seal line of each cavity has a hole for any angular position of the rotor, while the hole "obviously" moves axially during rotation of the rotor, providing cleaning along the entire length of the seal after one rotation.

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, и, в частности, к области конструирования винтовых гидромашин. Предлагается конструкция гидромашины с небольшим положительным зазором между твердым ротором и твердым статором. Размер зазора зависит от свойств текучей среды, перемещаемой через машину. Минимальный зазор также выбирается с учетом процесса изготовления и сборки ротора в статоре. Также минимальный зазор является достаточным для прохождения большинства небольших частиц, ожидаемых в текучей среде, тем самым уменьшая закупоривание песком, абразивный и эрозионный износ, вызываемый потоком частиц, имеющим высокую скорость. Для частиц, размер которых превышает зазор, в выступах ротора или статора равномерно размещены несколько специальных сквозных каналов, гидравлически соединяющих смежные полости, расположенные с обеих сторон выступов. Поток проходит через зазор, но также и через эти каналы, промывая полости, во время работы двигателя. Другой альтернативой является формирование спиральных канавок в поверхности ротора или статора. Отверстие выступа обеспечивает прохождение через насос «кубических или сферических» больших частиц, тогда как поверхностные каналы или канавки обеспечивают протекание через насос «плоских» больших частиц.The invention relates to the oil and gas industry, and, in particular, to the field of construction of screw hydraulic machines. A hydraulic machine design with a small positive gap between the solid rotor and the solid stator is proposed. The size of the gap depends on the properties of the fluid moving through the machine. The minimum clearance is also selected taking into account the manufacturing process and assembly of the rotor in the stator. Also, a minimum clearance is sufficient to allow the passage of most of the small particles expected in a fluid, thereby reducing sand blockage, abrasive and erosive wear caused by a particle stream having a high speed. For particles, the size of which exceeds the gap, several special through channels are evenly placed in the protrusions of the rotor or stator, hydraulically connecting adjacent cavities located on both sides of the protrusions. The flow passes through the gap, but also through these channels, washing cavities during engine operation. Another alternative is the formation of spiral grooves in the surface of the rotor or stator. The protrusion hole allows “cubic or spherical” large particles to pass through the pump, while surface channels or grooves allow “large” flat particles to flow through the pump.

При нормальной работе большая часть потока проходит через насос за счет вращения полостей, при этом только частицы, относящиеся к объему утечки, должны проходить через зазор, отверстия выступов, каналы или спиральные канавки.During normal operation, most of the flow passes through the pump due to the rotation of the cavities, while only particles related to the leakage volume must pass through the gap, protrusion openings, channels or spiral grooves.

В остановленном режиме работы двигателя, весь поток становится утечкой через систему, больший объем частиц должен обрабатываться за счет закупоривания и блокирования двигателя. При ограниченной концентрации больших частиц размер отверстий выступов, каналов или спиральных канавок может обеспечить протекание потока даже во время остановленного режима. Для больших концентраций другие средства могут потребоваться, такие как перепускной клапан (установленный в полом роторе), который обеспечивает отвод части потока наружу от гидравлического двигателя. Также при нормальном режиме работы ротор имеет некоторое проскальзывание при качении/вращении. Небольшие частицы могут быть зажаты и увлечены в область уплотнения полости. Так как эта область непрерывно перемещается и перекрывает всю периферию после одного поворота, износ будет происходить по всей поверхности ротора и статора. Этот эффект можно предотвратить или ограничить путем использования направляющего механизма в конце гидравлической системы для обеспечения отсутствия прямого контакта ротора со статором.In the stopped mode of the engine, the entire stream becomes a leak through the system, a larger volume of particles must be processed by blocking and blocking the engine. With a limited concentration of large particles, the size of the openings of the protrusions, channels or spiral grooves can ensure the flow of the stream even during a stopped mode. For larger concentrations, other means may be required, such as a bypass valve (installed in the hollow rotor), which allows some of the flow to be diverted outward from the hydraulic motor. Also, during normal operation, the rotor has some slippage during rolling / rotation. Small particles can be pinched and entrained in the area of compaction of the cavity. Since this area continuously moves and covers the entire periphery after one rotation, wear will occur over the entire surface of the rotor and stator. This effect can be prevented or limited by using a guiding mechanism at the end of the hydraulic system to ensure that the rotor does not directly contact the stator.

Подробное описание изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Настоящее изобретение предлагает улучшенную конструкцию устройства, описанного в патенте США № 6241494 (Шлюмберже, Demos Pafitis, 2001), раскрывающего идею положительного зазора для гидравлического двигателя с неэластомерным статором. Настоящее изобретение основано на данном изобретении компании Шлюмберже, как основной идеи для дальнейшего улучшения конструкции и работы.The present invention provides an improved design of the device described in US Pat. No. 6,241,494 (Schlumberger, Demos Pafitis, 2001), disclosing the idea of a positive clearance for a non-elastomeric stator hydraulic motor. The present invention is based on this invention of Schlumberger, as the main idea for further improving the design and operation.

Аналогично основной идеи статор винтовой машины изготовлен из неэластомерного материала, что способствует исключению проблем, характерных для обычных эластомерных статоров (низкая прочность, сильная деформация при рабочих нагрузках, старение, чувствительность к химическим и температурным воздействиям, разбухание под действием газа, температурное расширение).Similarly to the main idea, the stator of a screw machine is made of non-elastomeric material, which helps to eliminate the problems characteristic of ordinary elastomeric stators (low strength, severe deformation under working loads, aging, sensitivity to chemical and temperature influences, swelling under the action of gas, thermal expansion).

Материалом для изготовления статора является металл, сплавы, керамика или композит, пригодные для работы при условиях в скважине. Материалом ротора является тот же или твердый материал с аналогичным коэффициентом температурного расширения в рабочем диапазоне.The material for the manufacture of the stator is metal, alloys, ceramics or composite, suitable for work under conditions in the well. The material of the rotor is the same or solid material with a similar coefficient of thermal expansion in the operating range.

Статор является жестким, его модуль упругости по меньшей мере в 10-100 раз больше, чем у типичных эластомеров, используемых для обычных статоров. Специальное тонкое покрытие может использоваться на статоре или/и роторе для увеличения их устойчивости к эрозии и износу.The stator is rigid, its modulus of elasticity is at least 10-100 times greater than that of typical elastomers used for conventional stators. A special thin coating can be used on the stator and / or rotor to increase their resistance to erosion and wear.

Так как устройство согласно изобретению не имеет эластомерных материалов, оно может использоваться для работы при высоких температурах (>140°С).Since the device according to the invention does not have elastomeric materials, it can be used for operation at high temperatures (> 140 ° C).

Ротор вращается в статоре с предварительно заданным и постоянным зазором ротор-статор. Указанный зазор задается таким образом, чтобы быть в 2-3 раза шире размера частиц, соответствующего самому большому из размеров частиц в рабочей текучей среде. Предпочтительно ширина зазора находится в диапазоне 0,05-0,5 мм.The rotor rotates in the stator with a predetermined and constant clearance of the rotor-stator. The specified gap is set so as to be 2-3 times wider than the particle size corresponding to the largest of the particle sizes in the working fluid. Preferably, the gap width is in the range of 0.05-0.5 mm.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Фиг. 1 изображает вид с местным разрезом двигателя/насоса, показывающий ротор и статор (левая сторона). Разрез по линии А-А показан с правой стороны. Верхняя схема иллюстрирует положительное взаимодействие между твердым ротором и покрытым эластомером статором (известная конструкция).FIG. 1 is a cutaway view of a motor / pump showing a rotor and a stator (left side). The section along the line AA is shown on the right side. The upper diagram illustrates the positive interaction between the solid rotor and the elastomer coated stator (known construction).

Фиг. 2 показывает вид другой модификации известного устройства с положительным зазором, подобный виду на фиг. 1.FIG. 2 shows a view of another modification of the known positive gap device, similar to that of FIG. one.

Фиг. 3 показывает вид в продольном разрезе пары ротор-статор согласно изобретению (левая сторона) и разрез по линии А-А (вариант осуществления 1).FIG. 3 shows a longitudinal sectional view of a rotor-stator pair according to the invention (left side) and a section along line AA (embodiment 1).

Фиг. 4 - вид в разрезе ротора согласно изобретению (вариант осуществления 2), иллюстрирующий расположение просверленных отверстий в теле ротора.FIG. 4 is a cross-sectional view of a rotor according to the invention (embodiment 2), illustrating the location of drilled holes in the rotor body.

Фиг. 5 - трехмерная проекция ротора согласно изобретению.FIG. 5 is a three-dimensional projection of a rotor according to the invention.

Фиг. 6 - типичные рабочие кривые для известного двигателя (эластомерный статор с положительным взаимодействием, изображенный на фиг. 1) и для пары твердый ротор-твердый статор с фиксированным зазором.FIG. 6 shows typical working curves for a known motor (positive interaction elastomeric stator shown in FIG. 1) and for a fixed rotor-solid stator pair with a fixed gap.

Фиг. 7 - типичная кривая механической мощности, как функции падения давления в силовой секции для известного двигателя (эластомерный статор с положительным взаимодействием) и двигателя согласно изобретению (пара твердый ротор-твердый статор с фиксированным зазором).FIG. 7 is a typical mechanical power curve as a function of the pressure drop in the power section for a known engine (positive interaction elastomeric stator) and the engine according to the invention (fixed rotor-solid stator pair with a fixed gap).

Вариант осуществления 1Embodiment 1

На фиг. 3 показаны две дополнительные секции 128 и 130, расположенные на обоих концах гидромашины. Две опорные секции на концах и гидромашина образуют гидравлическую секцию двигателя объемного типа или винтового насоса. Эта секция сама может быть двигателем или насосом, но альтернативно устройство для работы в скважине может содержать несколько секций, соединенных вместе. Это позволяет увеличить мощность, при этом, если указанные секции достаточно короткие, уменьшить стоимость каждой отдельной секции и снизить негативный эффект от изгиба скважины путем обеспечения гибких соединений между указанными секциями. Эти секции включают в себя специальный направляющий механизм, который обеспечивает согласованное вращение и нутацию ротора 126 внутри статора 124, и обеспечивают поддержку ротора 126 таким образом, что ротор не имеет контакта со статором внутри силовой секции между секциями 128 и 130.In FIG. 3 shows two additional sections 128 and 130 located at both ends of the hydraulic machine. Two supporting sections at the ends and a hydraulic machine form a hydraulic section of a volumetric type engine or screw pump. This section may itself be a motor or a pump, but alternatively, a device for working in a well may comprise several sections connected together. This allows you to increase power, while if these sections are short enough, reduce the cost of each individual section and reduce the negative effect of bending the well by providing flexible connections between these sections. These sections include a special guiding mechanism that provides consistent rotation and nutation of the rotor 126 inside the stator 124, and provides support for the rotor 126 so that the rotor does not contact the stator inside the power section between sections 128 and 130.

Разрез на фиг. 3 показывает расчетное положение ротора 126 внутри статора 124 с положительным зазором вдоль всего его периметра. Это позволяет исключить трение и абразивный износ внутри рассматриваемой секции и уменьшает фильтрацию небольших частиц, так как щель для них будет существовать по всей окружности.The section in FIG. 3 shows the design position of the rotor 126 within the stator 124 with a positive clearance along its entire perimeter. This eliminates friction and abrasion within the section under consideration and reduces the filtration of small particles, since a gap for them will exist around the entire circumference.

Направляющий механизм приводит во вращение ротор таким образом, что скорость вращения ротора вокруг его оси и скорость нутации вокруг оси статора находятся в следующем соотношении (W. Tiraspolsky, Hydraulic Downhole Drilling Motors, Editions Technip, Paris, 1985, p. 246):The guide mechanism drives the rotor in such a way that the rotor speed around its axis and nutation speed around the stator axis are in the following relation (W. Tiraspolsky, Hydraulic Downhole Drilling Motors, Editions Technip, Paris, 1985, p. 246):

n_nut=z₂*n_rot,n _nut = z ₂ * n _rot ,

где z₂ - количество выступов ротора.where z ₂ is the number of protrusions of the rotor.

Это может быть достигнуто путем использования специальной зубчатой передачи или просто повторением геометрии силовой секции, но с плотным зазором, близким к нулю.This can be achieved by using a special gear train or simply repeating the geometry of the power section, but with a tight gap close to zero.

Направляющий механизм в специальных секциях 128 и 130 не влияет на производительность двигателя и специально выполнен таким образом, чтобы иметь увеличенную стойкость к износу для удержания ротора в правильном положении относительно статора внутри силовой секции. Это может быть достигнуто путем защиты направляющего механизма от основной текучей среды и ее абразивных частиц, проходящих через двигатель, или путем использования специального материала или покрытия на подвергающихся износу поверхностях направляющего механизма. Для направляющей системы может использоваться карбид вольфрама.The guiding mechanism in special sections 128 and 130 does not affect engine performance and is specially designed to have increased wear resistance to keep the rotor in the correct position relative to the stator inside the power section. This can be achieved by protecting the guide mechanism from the main fluid and its abrasive particles passing through the engine, or by using a special material or coating on the exposed surfaces of the guide mechanism. Tungsten carbide can be used for the guide system.

Вариант осуществления 2Embodiment 2

В другом варианте осуществления проблема закупорки гидромашин решается путем размещения дополнительных, предпочтительно круглых, сквозных отверстий в выступах или ротора или статора (см. фиг. 4, 5 для отверстий в роторе). Сквозные отверстия смежных выступов ротора не должны быть прямыми для обеспечения промывающего эффекта (см. фиг. 5). Ось этих отверстий может не быть параллельной оси ротора или может быть изогнута, обеспечивая возможность хорошей обрабатываемости резанием.In another embodiment, the problem of plugging hydraulic machines is solved by placing additional, preferably round, through holes in the protrusions of either the rotor or stator (see Fig. 4, 5 for holes in the rotor). The through holes of the adjacent protrusions of the rotor should not be straight to ensure a flushing effect (see Fig. 5). The axis of these holes may not be parallel to the axis of the rotor or may be bent, providing the possibility of good machinability.

Диаметр отверстий является достаточно большим, чтобы позволить прохождение частиц материала для борьбы с поглощением бурового раствора или любых других частиц, размер которых больше зазора. Предпочтительный размер проходных отверстий составляет от 2 до 10 мм. При наличии пластинчатых частиц (возможный тип указанного материала) дополнительно к отверстиям на поверхности ротора или статора могут быть выполнены ряд канавок с типичной шириной 5-10 мм и глубиной 0,5-2 мм. Как и отверстия, канавки могут быть равномерно распределены вдоль ротора или статора, обеспечивая наличие по меньшей мере двух канавок вдоль длины одного шага винтового выступа системы.The diameter of the holes is large enough to allow the passage of particles of material to combat the absorption of drilling fluid or any other particles larger than the gap. The preferred size of the through holes is from 2 to 10 mm. In the presence of lamellar particles (a possible type of said material), in addition to the holes on the surface of the rotor or stator, a number of grooves with a typical width of 5-10 mm and a depth of 0.5-2 mm can be made. Like the holes, the grooves can be evenly distributed along the rotor or stator, providing at least two grooves along the length of one step of the screw projection of the system.

В качестве альтернативы указанных местных канавок на роторе или на статоре могут быть выполнены спиральные канавки путем обработки резанием. При практическом применении область уплотнения перемещается по периферии ротора/статора во время вращения ротора, при этом каждая точка ротора и статора будет закрыта областью уплотнения во время одного поворота. При правильном шаге спирали ограниченное количество отверстий имеется в области уплотнения для любого положения ротора. Спираль может быть направлена вперед или назад, но ее шаг должен быть соответствующим образом адаптирован. При такой конструкции отверстие в области уплотнения перемещается в осевом направлении во время вращения ротора, обеспечивая очистку зазора.As an alternative to these local grooves on the rotor or stator, spiral grooves can be made by machining. In practical applications, the seal area moves around the periphery of the rotor / stator during rotation of the rotor, with each point of the rotor and stator being covered by the seal area during one rotation. With the right pitch of the spiral, a limited number of holes are available in the seal area for any rotor position. The spiral can be directed forward or backward, but its step must be adapted accordingly. With this design, the hole in the seal area moves axially during rotation of the rotor, providing clearance clearance.

Отверстия равномерно расположены вдоль каждого выступа ротора или статора таким образом, что имеются по меньшей мере два отверстия на шаге выступов. Таким образом, при работающем двигателе всегда будет, по меньшей мере, один канал, соединяющий смежные камеры. При наличии проблемы фильтрации (когда большие частицы отфильтровываются зазором), предпочтительно, чтобы большая часть потока утечки проходила через эти отверстия, и меньшая часть загрязненной текучей среды или бурового раствора будет продавливаться через периферический зазор. Для достижения этой цели диаметр отверстий задается (на основе размера больших частиц) первым, а затем количество отверстий в одном выступе ротора на один шаг задается таким образом, чтобы достичь суммарной площади всех отверстий на каждую полость большей, чем площадь периферического зазора. Верхний предел количества отверстий задается общей площадью утечек и расчетной производительностью двигателя (большая площадь для утечки означает меньшую производительность для двигателя).The holes are evenly spaced along each protrusion of the rotor or stator so that there are at least two holes at the pitch of the protrusions. Thus, with the engine running, there will always be at least one channel connecting adjacent chambers. If there is a filtration problem (when large particles are filtered by a gap), it is preferable that most of the leakage stream pass through these openings, and a smaller part of the contaminated fluid or drilling fluid will be forced through the peripheral gap. To achieve this, the diameter of the holes is set (based on the size of large particles) first, and then the number of holes in one protrusion of the rotor is set by one step in such a way as to achieve a total area of all holes per cavity greater than the area of the peripheral gap. The upper limit of the number of holes is set by the total leakage area and the design capacity of the engine (a large area for leakage means less performance for the engine).

Эта идея иллюстрируется на фиг. 4. Отверстие 100с выполнено сквозным в выступе 126с, и отверстие 100d выполнено сквозным в выступе 126d. Взаимное расположение (углы а1 и а2) этих отверстий является одинаковым для каждого выступа, так что входное отверстие и выходное отверстие располагаются не на прямой линии вдоль оси ротора. Отверстия 100d и 100d' являются соседними вдоль полости и расположены на одной поверхности выступа 126d с винтовым шагом между ними а3, равным половине шага ротора. Фиг. 5 показывает те же отверстия в трехмерном виде с расчетным прохождением потока, промывающим полость между выступом 126а и 126d.This idea is illustrated in FIG. 4. The hole 100c is made through in the protrusion 126c, and the hole 100d is made through in the protrusion 126d. The relative position (angles a1 and a2) of these holes is the same for each protrusion, so that the inlet and outlet are not in a straight line along the axis of the rotor. The holes 100d and 100d 'are adjacent along the cavity and are located on the same surface of the protrusion 126d with a screw pitch a3 between them equal to half the pitch of the rotor. FIG. 5 shows the same openings in a three-dimensional view with a calculated flow passage washing the cavity between the protrusion 126a and 126d.

Данная схема расположения отверстий выступов обеспечивает промывающий поток из одной полости в другую. Дополнительные отверстия приводят к небольшим потерям производительности гидравлического двигателя, но позволяют поддержать работу в изменяющихся условиях без остановки (закупоривания).This arrangement of the projection holes provides a flushing flow from one cavity to another. Additional holes lead to small losses in the performance of the hydraulic motor, but allow you to maintain operation in changing conditions without stopping (clogging).

Комбинации отверстий выступов, каналов или спиральных канавок могут обеспечить оптимальную работу, когда текучая среда имеет широкий диапазон частиц.Combinations of protrusion openings, channels, or spiral grooves can provide optimum performance when the fluid has a wide range of particles.

Вариант осуществления 3Embodiment 3

Экстремальным случаем потока утечки является режим остановленного двигателя, при этом весь поток должен нагнетаться через зазор и отверстия выступов. Имеется риск уменьшения зазора из-за больших частиц, так как очищающего действия не происходит при отсутствии вращения. Тогда поток, нормально проходящий через зазор, перенаправляется в отверстия выступов, что увеличивает падение давления в двигателе, находящемся в остановленном состоянии в течение некоторого времени. Это может также привести к эрозии отверстий выступов. Альтернативным способом ограничения этих эффектов является установка клапана ограничения давления в двигателе, при этом, когда давление в двигателе увеличивается выше предварительно заданного предельного значения, клапан открывается и отводит часть потока наружу от зазора между ротором и статором. При практическом применении этот клапан может быть установлен внутри центрального осевого отверстия полого ротора. Эта установка может быть осуществлена аналогичным образом, что и обычное сопло ротора, используемое иногда, когда двигатели должны работать при экстремально высокой скорости потока. Клапан может представлять собой «обычный» клапан ограничения давления, такой как шарик, закрываемый с помощью пружины, противодействующей давлению. Когда такой клапан ограничения давления установлен в перепускном центральном отверстии ротора, он непосредственно подвергается воздействию перепада давлений в двигателе.An extreme case of leakage flow is the engine shutdown mode, while the entire flow must be pumped through the gap and openings of the protrusions. There is a risk of reducing the gap due to large particles, since the cleaning action does not occur in the absence of rotation. Then the flow, normally passing through the gap, is redirected to the holes of the protrusions, which increases the pressure drop in the engine, which is in a stopped state for some time. It can also lead to erosion of the protrusion holes. An alternative way to limit these effects is to install an engine pressure limiting valve, and when the pressure in the engine rises above a predetermined limit value, the valve opens and diverts part of the flow outward from the gap between the rotor and stator. In practical use, this valve can be installed inside the central axial hole of the hollow rotor. This installation can be carried out in a similar way to a conventional rotor nozzle, used sometimes when engines must operate at extremely high flow rates. The valve may be a “normal” pressure limiting valve, such as a ball that closes with a pressure spring. When such a pressure limiting valve is installed in the bypass central bore of the rotor, it is directly exposed to the differential pressure in the motor.

Можно использовать комбинацию первых двух указанных вариантов осуществления. Установлены направляющие системы для перераспределения фрикционного и абразивного истирания от пары ротор-статор к направляющей системе и обеспечения прохода мелких частиц через зазор постоянной ширины. Отверстия в теле выступа ротора или статора обеспечивают промывку для больших частиц, в то время как каналы и/или спиральные канавки обеспечивают промывку для плоских частиц.You can use a combination of the first two of these options for implementation. Guide systems were installed to redistribute friction and abrasion from the rotor-stator pair to the guide system and to ensure the passage of small particles through a gap of constant width. The holes in the body of the protrusion of the rotor or stator provide flushing for large particles, while the channels and / or spiral grooves provide flushing for flat particles.

Наконец третий вариант осуществления может быть добавлен к предыдущим вариантам осуществления для обеспечения возможности правильной работы в режиме остановленного двигателя, когда текучая среда содержит большой объем больших и/или плоских частиц. В этом случае определенный объем потока отводится наружу от полостей между ротором и статором.Finally, a third embodiment may be added to previous embodiments to enable proper operation in the stopped engine mode when the fluid contains a large volume of large and / or flat particles. In this case, a certain volume of flow is diverted outward from the cavities between the rotor and the stator.

Новая конструкция может включать в себя направляющий механизм или промывочные каналы или систему перепускного клапана по отдельности или в виде комбинации трех решений в одной конструкции. В любом варианте достигается полный диапазон описанных выше преимуществ благодаря использованию неэластомерного статора, который увеличивает надежность устройства.The new design may include a guide mechanism or flushing channels or a bypass valve system individually or as a combination of three solutions in one design. In any case, the full range of the above advantages is achieved through the use of a non-elastomeric stator, which increases the reliability of the device.

Пример 1Example 1

Для расчета эффективности двигателя с указанными дополнительными каналами в теле ротора использовался двигатель того же типа и размера, что и известный двигатель, описанный в патенте США № 6241494. В этом случае наружный диаметр статора составлял 6,75 дюйма (172 мм), и шаг статора составлял 27,8 дюйма (706 мм). Расчетная площадь потоков утечки через зазор 0,3 мм составляет 212 мм².To calculate the efficiency of the engine with these additional channels in the rotor body, an engine of the same type and size was used as the known engine described in US Pat. No. 6,241,494. In this case, the outer diameter of the stator was 6.75 inches (172 mm) and the stator pitch was 27.8 inches (706 mm). The estimated area of leakage flows through a 0.3 mm gap is 212 mm ² .

Если размер больших частиц составляет 4-6 мм, устройство согласно изобретению может иметь 2 отверстия диаметром 8,5 мм на каждую полость, что обеспечивает дополнительную площадь, составляющую 113 мм², которая составляет примерно половину области утечки в работающем двигателе указанного патента США. Таким образом, отбрасывая второстепенные гидравлические эффекты, для достижения приблизительно той же производительности, что была у известного двигателя, новая конструкция должна иметь зазор 0,15 мм (половина зазора в прототипе). Площадь зазора будет составлять 106 мм² (т.е. меньше площади отверстий), и большая часть утечек будет проходить через отверстия, предотвращая проблему закупоривания. Если размер больших частиц составляет только 1-2 мм, новая конструкция может иметь 16 отверстий диаметром 3 мм на каждую полость для достижения той же производительности и промывающих эффектов при том же зазоре 0,15 мм между твердым ротором и твердым статором.If the size of the large particles is 4-6 mm, the device according to the invention can have 2 holes with a diameter of 8.5 mm per cavity, which provides an additional area of 113 mm ² , which is about half the leakage area in the running engine of the specified US patent. Thus, discarding secondary hydraulic effects, to achieve approximately the same performance as the known engine, the new design should have a gap of 0.15 mm (half the gap in the prototype). The gap area will be 106 mm ² (i.e., smaller than the area of the holes), and most of the leaks will pass through the holes, preventing the problem of clogging. If the size of large particles is only 1-2 mm, the new design can have 16 holes with a diameter of 3 mm per cavity to achieve the same performance and flushing effects with the same gap of 0.15 mm between the solid rotor and the solid stator.

На фиг. 6 и фиг. 7 иллюстрируется сравнение теоретической расчетной производительности новой конструкции в сравнении с обычной конструкцией двигателя объемного типа с эластомерным статором. Точки графиков отображают типичные данные для двигателя (такого как двигатель PowerPak A675SP4548 компании Шлюмберже с нормальной посадкой с натягом 0,016 дюйма (0,406 мм)). Это обычный двигатель объемного типа с эластомерным статором. Сплошная кривая 1 является кривой, аппроксимирующей экспериментальные точки для обычного двигателя. Штриховые теоретические кривые 2 и 3 показывают расчетные данные для гидравлического двигателя с двумя каналами диаметром 8 мм на каждую полость и зазором 0,1 мм и 0,2 мм. Все кривые построены для одинаковой и постоянной скорости потока 300 гал/мин (0,02 м³/сек). Хотя точки на графиках относятся к конкретному двигателю, форма кривых для всех типов обычных гидравлических двигателей будет подобной изображенной на чертеже (PowerPack Steerable Motor Handbook, Schlumberger, 2004, page 99-192).In FIG. 6 and FIG. 7 illustrates a comparison of the theoretical design capacity of the new design in comparison with the conventional design of a volumetric motor with an elastomeric stator. The graph points represent typical data for an engine (such as a Schlumberger normal-fit PowerPak A675SP4548 engine with a tight fit of 0.016 inches (0.406 mm)). This is a conventional displacement engine with an elastomeric stator. Solid curve 1 is a curve approximating the experimental points for a conventional engine. Dashed theoretical curves 2 and 3 show the calculated data for a hydraulic motor with two channels with a diameter of 8 mm per cavity and a gap of 0.1 mm and 0.2 mm. All curves are plotted for the same and constant flow rate of 300 gal / min (0.02 m ³ / s). Although the dots on the graphs refer to a specific motor, the shape of the curves for all types of conventional hydraulic motors will be similar to that shown in the drawing (PowerPack Steerable Motor Handbook, Schlumberger, 2004, page 99-192).

На фиг. 6 кривая скорости вращения обычного двигателя понижается значительно, что отображает факт расширения зазора вследствие деформации в эластомерном покрытии (линейная модель увеличения зазора использовалась для наилучшего соответствия экспериментам). Так как новая конструкция устройства согласно изобретению имеет фиксированный зазор (статор и ротор выполнены твердыми), утечка происходит по другому закону. Существует точка, где утечки в конструкции с постоянным зазором становятся даже меньше, чем в двигателе с эластомерным статором (известный уровень техники) при том же падении давления на силовую секцию.In FIG. 6, the rotation curve of a conventional engine decreases significantly, which reflects the fact of the expansion of the gap due to deformation in the elastomeric coating (a linear model of increasing the gap was used to best fit the experiments). Since the new design of the device according to the invention has a fixed gap (the stator and rotor are solid), leakage occurs according to a different law. There is a point where leaks in a design with a constant gap become even less than in a motor with an elastomeric stator (prior art) with the same pressure drop on the power section.

Фиг. 7 показывает расчетную производительность новой конструкции в терминах полезной механической мощности. Эффективность уменьшается с увеличением зазора, но здесь имеется интервал падения давления (высокое падение давления), где устройство согласно изобретению более эффективно (зазор меньше, чем в двигателе со статором с эластомерным покрытием). Рассматривая зазор 0,1 мм, кривая показывает, что расчетная максимальная мощность будет оставаться такой же, какой она была в обычном двигателе, но расчетный момент для остановки двигателя будет на 40% выше, так что новый двигатель будет способен работать в режиме более интенсивного бурения. При зазоре, составляющем 0,2 мм, всегда будет меньше мощности в том же диапазоне работы, но диапазон и мощность могут быть увеличены просто путем увеличения скорости потока.FIG. 7 shows the design performance of the new design in terms of net mechanical power. Efficiency decreases with increasing gap, but there is a pressure drop interval (high pressure drop), where the device according to the invention is more efficient (the gap is smaller than in an engine with an elastomer-coated stator). Looking at the 0.1 mm gap, the curve shows that the calculated maximum power will remain the same as it was in a conventional engine, but the calculated moment to stop the engine will be 40% higher, so that the new engine will be able to work in a more intensive drilling mode . With a clearance of 0.2 mm, there will always be less power in the same operating range, but the range and power can be increased simply by increasing the flow rate.

Таким образом фиг. 6 и фиг. 7 показывают, что устройство согласно изобретению менее эффективно для работы при низком перепаде давлений, но будет лучше удовлетворять условиям интенсивного бурения, когда требуется высокий крутящий момент при том же размере инструмента.Thus, FIG. 6 and FIG. 7 show that the device according to the invention is less efficient for operating at a low pressure drop, but it will be better to satisfy intensive drilling conditions when high torque is required with the same tool size.

Выводы о низком трении, устойчивости к закупориванию, температурной выносливости и более длинном сроке службы являются справедливыми не только для винтового двигателя, иллюстрируемого в примере, но также для винтового насоса с неэластомерным статором.The conclusions about low friction, clogging resistance, thermal endurance and longer service life are valid not only for the screw motor illustrated in the example, but also for a screw pump with a non-elastomeric stator.

Claims (16)

1. Винтовая гидромашина, содержащая ротор и статор винтовой формы без эластомерного покрытия, установленные с зазором, составляющим 0,05-0,5 мм, при этом статор является твердым металлическим, сплавным, керамическим или композитным материалом, ротор направляется на его концах направляющей системой для исключения прямого контакта со статором, и поверхность ротора или поверхность статора дополнительно имеет канавки шириной, равной 5-10 мм, и глубиной, равной 0,5-10 мм.1. A screw hydraulic machine containing a rotor and a stator of a helical shape without an elastomeric coating, installed with a gap of 0.05-0.5 mm, the stator being a solid metal, alloy, ceramic or composite material, the rotor is guided at its ends by a guide system to exclude direct contact with the stator, both the rotor surface or the stator surface additionally has grooves with a width of 5-10 mm and a depth of 0.5-10 mm. 2. Винтовая гидромашина по п.1, в которой ротор и/или статор дополнительно покрыты износостойким покрытием.2. The screw hydraulic machine according to claim 1, in which the rotor and / or stator are additionally coated with a wear-resistant coating. 3. Винтовая гидромашина по п.1, дополнительно содержащая двигатель, включающий множество секций.3. The screw hydraulic machine according to claim 1, further comprising an engine comprising a plurality of sections. 4. Винтовая гидромашина по п.1, в которой одна полость имеет, по меньшей мере, две канавки.4. The helical hydraulic machine according to claim 1, in which one cavity has at least two grooves. 5. Винтовая гидромашина по п.1, в которой один шаг выступа имеет, по меньшей мере, два канала.5. The screw hydraulic machine according to claim 1, in which one step of the protrusion has at least two channels. 6. Винтовая гидромашина по п.1, в которой канавки проходят по спирали вокруг оси системы.6. The helical hydraulic machine according to claim 1, in which the grooves extend in a spiral around the axis of the system. 7. Винтовая гидромашина по п.1, в которой направляющая система образована короткой секцией с зазором, меньшим, чем зазор между ротором и статором.7. The screw hydraulic machine according to claim 1, in which the guide system is formed by a short section with a gap smaller than the gap between the rotor and the stator. 8. Винтовая гидромашина по п.9, в которой направляющая система образована зубчатой передачей.8. The helical hydraulic machine according to claim 9, in which the guide system is formed by a gear transmission. 9. Винтовая гидромашина по п.1, которая является двигателем объемного типа.9. The screw hydraulic machine according to claim 1, which is a volumetric type engine. 10. Винтовая гидромашина по п.1, содержащая перепускной клапан, отклоняющий поток наружу от гидромашины (пары ротор/статор), когда перепад давлений в гидромашине (паре ротор/статор) достигает предварительно заданного предельного значения.10. The screw hydraulic machine according to claim 1, comprising a bypass valve deflecting the outward flow from the hydraulic machine (rotor / stator pair) when the pressure drop in the hydraulic machine (rotor / stator pair) reaches a predetermined limit value. 11. Винтовая гидромашина по п.10, в которой перепускной клапан установлен в центральном отверстии полого ротора для обеспечения отвода потока с помощью центрального отверстия ротора.11. The screw hydraulic machine of claim 10, in which the bypass valve is installed in the Central hole of the hollow rotor to ensure the removal of flow using the Central hole of the rotor. 12. Винтовая гидромашина по п.1, которая является винтовым насосом.12. The screw hydraulic machine according to claim 1, which is a screw pump. 13. Винтовая гидромашина, содержащая ротор и статор без эластомерного покрытия, установленные с зазором, при этом выступы ротора или статора имеют сквозные каналы, гидравлически соединяющие камеры вокруг выступов.13. A screw hydraulic machine containing a rotor and a stator without an elastomeric coating installed with a gap, while the protrusions of the rotor or stator have through channels that hydraulically connect the chambers around the protrusions. 14. Винтовая гидромашина по п.16, в которой каналы в смежных выступах предпочтительно расположены не на одной линии.14. The helical hydraulic machine according to clause 16, in which the channels in adjacent protrusions are preferably not located on the same line. 15. Винтовая гидромашина по п.16, в которой ось, по меньшей мере, части каналов является изогнутой.15. The screw hydraulic machine according to clause 16, in which the axis of at least part of the channels is curved. 16. Винтовая гидромашина по п.16, в которой диаметр указанных каналов составляет 2-10 мм. 16. The screw hydraulic machine of claim 16, wherein the diameter of said channels is 2-10 mm.

Images