СИСТЕМА МАСЛОЗАЩИТЫ ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1994 года по МПК E21B4/00 

Изобретение относится к буровой технике, а именно к забойным двигателям для бурения глубоких и сверхглубоких скважин.

Цель изобретения - упрощение и облегчение эксплуатации двигателя.

На фиг. 1 изображена система маслозащиты забойного двигателя с подпружиненным поршнем лубрикатора; на фиг. 2 - то же, с обратным клапаном; на фиг. 3 - то же, с подпружиненным поршнем и обратным клапаном.

Система включает маслонаполненную камеру 1, в которой размещены герметизируемые узлы двигателя (не показаны). Камера 1 ограничена корпусом редуктора 2, являющимся быстроходным валом (корпус - водило), сверху поршневым лубрикатором, снизу уплотнениями (сальниками) 3 и 4; в нее входит тихоходный полый вал 5. Цилиндр 6 лубрикатора в верхней части имеет внутреннюю поверхность (расточку) диаметром D₁, большую, чем его уплотняемая поверхность (зеркало цилиндра) диаметром D_ц, т. е. D₁>D_ц. В поршне 7 лубрикатора выполнено радиальное отверстие 8, расположенное между уплотнительными элементами 9. Наружный торец поршня 7, обращенный в растворную (надпоршневую) полость 10, опирается в пружину 11. Причем при приближении подпружиненного поршня 7 к верхнему положению его крайний уплотнительный элемент 9 выходит из уплотняемой поверхности (зеркала) цилиндра 6.

Вся система размещена в корпусе забойного двигателя 12.

Между корпусом двигателя 12 и корпусом редуктора 2 образовано кольцевое пространство (проточная полость) 13, по которому движется рабочая жидкость; направление ее движения показано стрелками.

Растворная (надпоршневая) полость 10 и проточная полость 13 каналом 14 связаны друг с другом.

На фиг. 1-3 изображены частные случаи следующих элементов: поверхность цилиндра показана ступенчатой (D₁>D_ц); неуплотняемая поверхность цилиндра может быть образована сочетанием различных поверхностей, например уплотняемой (зеркалом) и пазом вдоль образующей цилиндра, т. е. сумма двух поверхностей - периметр больше поверхности зеркала цилиндра; поршень подпружинен - пружина сжатия расположена в растворной полости.

Возможны и другие варианты, например один конец пружины растяжения прикреплен к поршню к его внутреннему торцу, обращенному к маслонаполненной камере. Причем сила упругости пружины в рабочем состоянии больше силы трения перемещения поршня по зеркалу цилиндра.

Возможно выполнение, когда поршень 7 не подпружинен, т. е. не применяют пружину 11 и поршень 7 снабжают обратным клапаном, установленным в его радиальном отверстии 8. Один из вариантов обратного клапана - упругая эластичная втулка 15, которая с натягом размещена на поверхности поршня 7.

Для большей надежности герметизации маслонаполненной камеры 1 от попадания рабочей жидкости в нее возможно следующее выполнение: подпружиненный поршень 7 и обратный клапан, установленный с возможностью перекрытия радиального отверстия 8 поршня.

Система с подпружиненным поршнем без обратного клапана работает следующим образом.

Заправка камеры 1 редуктора маслом производится в вертикальном положении (лубрикаторным концом вверх) через маслозаправочный узел (не показан), расположенный в нижней части полого тихоходного вала 5. Перед заправкой поршень 7 под действием силы упругости пружины 11 находится в промежуточном положении и оба его уплотнительные элементы 9 располагаются в зоне зеркала цилиндра 6 (поверхность диаметром D_ц).

При закачке по мере поступления масла в камеру 1 поршень 7 начинает перемещаться вверх, сжимая пружину 11. При приближении поршня 7 к своему верхнему положению его крайний уплотнительный элемент 9 выходит из зеркала цилиндра 6 - поверхность диаметром D_ц - и входит в неуплотняемую его поверхность диаметром D₁. Так как поверхность диаметром D₁ больше поверхности диаметром D_ц, то происходит сообщение камеры 1 и надпоршневой (растворной) полости 10 через радиальное отверстие 8, при этом масло начинает перетекать в растворную полость 10. После заполнения растворной полости 10 масло переливается наружу из канала 14. На этом закачку камеру 1 маслом прекращают.

Сразу же после прекращения закачки маслом упругая сила пружины 11, которая в рабочем состоянии больше силы трения перемещения поршня 7 по зеркалу цилиндра 6, возвращает поршень 7 вниз настолько, что его крайний уплотнительный элемент 9 входит в уплотняемую поверхность диаметром D_ц (зеркало) цилиндра 6, и тогда камера 1 и растворная полость 10 будут надежно разобщены.

При спуске двигателя в скважину абразивная рабочая жидкость, содержащаяся в ней, из проточной полости 13, образованной корпусом двигателя 12 и корпусом редуктора 2, по каналу 14 заполняет растворную полость 10. Жидкость через поршень 7 воздействует через маслонаполненную камеру 1, выравнивая в ней давление до гидростатического в скважине, следовательно, давления на уплотнительных поверхностях сальников 3 и 4 как с внешней, со стороны проточной полости 13, так и с внутренней, со стороны маслонаполненной камеры 1, будут выравнены (оптимальное условие для работы сальников - бесперепадное).

При подаче рабочей жидкости приводятся в действие герметизируемые узлы и валы редуктора забойного двигателя; масло в камере 1 начинает разогреваться и расширяться. За счет теплового расширения масла появляется избыточное давление в системе маслозащиты по отношению к давлению рабочей жидкости в проточной полости 13, и поршень 7, сжимая пружину 11 и вытесняя рабочую жидкость из растворной полости 10 по каналу 14, перемещается вверх.

При приближении поршня 7 к своему верхнему положению его крайний уплотнительный элемент 9 выходит из зеркала цилиндра 6, благодаря радиальному отверстию 8 происходит сообщение камеры 1 и полости 10 и начинается перелив разогретого масла в полость 10. Как только установится рабочий режим двигателя и разогрев масла прекращается, заканчивается и перелив масла из камеры 1; давление разогретого масла в камере 1 и давление в проточной полости 13 выравнивается и под действием пружины 11 поршень 7 опять перемещается вниз, в результате оба его уплотнительных элемента 9 оказываются в зеркале цилиндра 6 и опять камера 1 будет надежно изолирована от абразивной рабочей жидкости. Следовательно, оптимальное условие для работы сальников 3 и 4 (равенство давлений на уплотнительных поверхностях сальников как с внутренней, так и внешней стороны, не нарушается.

При прекращении подачи рабочей жидкости и остановке двигателя масло охлаждается и уменьшается в объеме, а давление масла в камере 1 начинает падать. Одновременно, поскольку гидростатическое давление в проточной полости 13 больше, то оно станет по каналу 14 передаваться в растворную полость 10, воздействуя на подпружиненный поршень 7, который опускается. Давления в камере 1 и проточной полости 13 выравниваются. Опять оптимальные условия для работы сальников 3 и 4 сохраняются.

При повторном включении и выключении двигателя весь цикл "дыхания" поршня 7 повторяется. "Дыхание" поршня - отслеживание, выравнивание давления с помощью поршня как со стороны проточной полости, так и со стороны маслонаполненной камеры на всех режимах (заправка системы маслом, гидростатика скважины, а также температурные колебания в процессе работы двигателя).

При выполнении поршня с обратным клапаном, без пружины, система работает следующим образом.

При закачке маслом камеры 1 и приближении поршня 7 к своему верхнему положению его крайний уплотнительный элемент 9 также выходит из зеркала цилиндра 6. Под действием давления масла через радиальное отверстие 8 в поршне 7, преодолевая упругость втулки 15, масло начинает вылавливаться в полость 10, затем по каналу 14 - наружу. Поршень 7 после заправки остается в этом верхнем положении.

В процесс работы двигателя в результате разогрева масла появляется избыточное давление в камере 1, которое преодолевает упругость втулки 15 и сообщает камеру 1 и полость 10 через радиальное отверстие 8 поршня 7 между собой. Как только давления в камере 1 и полости 10 выровняться, втулка 15 благодаря упругости плотно перекроет радиальное отверстие 8 поршня 7 и надежно изолирует камеру 1 от попадания в нее рабочей жидкости.

В процессе работы двигателя благодаря воздействию гидродинамического перепада давлений поршень 7 весь, т. е. обеими уплотнительными элементами 9, войдет в зеркало цилиндра 6 и надежность герметизации будет обеспечена.

В остальном работа устройства аналогична работе устройства в первом случае.

При выполнении подпружиненного поршня с обратным клапаном система работает следующим образом.

Как в процессе заправки камеры 1 маслом, так и в процессе работы двигателя выравнивание давления - "дыхание" поршня 7 осуществляется в тот момент, когда поршень 7 под действием избыточного давления масла, преодолев упругую силу пружины 11, перемещается вверх, его крайний уплотнительный элемент выходит из уплотняемой поверхности цилиндра, давление масла преодолевает упругость эластичной втулки 15 и происходит сообщение полостей - маслонаполненной и растворной.

После того как давления в полостях выравнятся, благодаря упругости эластичная втулка 15 надежно перекрывает радиальное отверстие 8, разобщив полости. Поскольку давления по обе стороны поршня 7 выравнены, то упругая сила пружины 11 перемещает поршень 7 в уплотнительную поверхность цилиндра 6.

Изобретение относится к буровой технике и позволяет упростить и облегчить эксплуатацию двигателя. Система маслозащиты содержит корпус, образующий маслонаполненную камеру 1. В ее нижней части размещены уплотнения и установленный над ними поршневой лубрикатор с уплотнениями 9. Надпоршневая полость 10 лубрикатора сообщена с проточной полостью 13 каналом 14. В поршне (П) 7 лубрикатора между уплотнениями 9 имеется радиальное отверстие 8. На внутренней поверхности цилиндра (Ц) 6 лубрикатора в верхней части выполнена расточка. П 7 подпружинен пружиной 11 и/или имеет обратный клапан - эластичную втулку (ЭВ) 15, установленную с возможностью перекрытия отверстия 8. При перемещении П 7 под действием избыточного давления масла его крайнее уплотнение 9 выходит из уплотняемой поверхности Ц 6. Давление масла преодолевает упругость ЭВ 15 и происходит сообщение полости 10 и полости камеры 1, при этом давление в этих полостях выравнивается. За счет упругости ЭВ 15 надежно перекрывает отверстие 8. Т.к. давления по обе стороны П 7 выравнены, то упругой силой пружины 11 он перемещается в уплотнительную поверхность Ц 6. 3 ил.

СИСТЕМА МАСЛОЗАЩИТЫ ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ, включающая корпус, образующий маслонаполненную камеру, расположенные в нижней части камеры уплотнения, размещенный в камере над уплотнениями поршневой лубрикатор с уплотнениями, надпоршневая полость которого сообщена с проточной полостью при помощи канала, и радиальное отверстие, выполненное в поршне между уплотнениями, отличающаяся тем, что, с целью упрощения и облегчения эксплуатации двигателя, на внутренней цилиндрической поверхности лубрикатора в верхней части выполнена расточка, а поршень лубрикатора подпружинен и/или снабжен обратным клапаном, установленным с возможностью перекрытия радиального отверстия поршня.