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.

Известна система маслозащиты забойного двигателя, включающая корпус, образующий маслонаполненную камеру, расположенные в ее нижней части уплотнения и поршневой лубрикатор, установленный над уплотнениями, надпоршневая полость которого соединена с проточной полостью каналом, в поршне лубрикатора между уплотнительными элементами имеется радиальное отверстие, цилиндр лубрикатора на внутренней поверхности в верхней части имеет расточку, а поршень подпружинен и/или имеет обратный клапан, установленный с возможностью перекрытия его радиального отверстия.

Однако при работе двигателя в скважине его поршневой лубрикатор контактирует с буровым раствором, в котором содержится большое количество химреагентов, под действием которого уплотнительный элемент поршня может набухать. При повторном спуске двигателя в скважину усилия пружины может оказаться недостаточным для того, чтобы преодолеть сопротивление при входе набухшего уплотнительного элемента в зеркало цилиндра. В результате этого по мере спуска двигателя в скважину происходит выравнивание гидростатического давления в скважине не через лубрикатор маслосистемы, а через вынужденные раскрыться уплотнительные поверхности сальников. В маслосистему попадет буровой раствор, что отрицательно сказывается на рабочих органах редукторного механизма.

При повторных спусках двигателя, когда поршень лубрикатора находится в зеркале цилиндра, под действием центробежной силы на верхней части зеркала цилиндра, контактирующей с буровым раствором, осаждаются плотной коркой частицы выбуренной породы. При включении двигателя в начале его работы в результате разогрева масла давление в камере повышается. Так как поршню трудно сдвинуть плотную корку, сходит "заклинка" поршня, т. е. он перестает двигаться вверх, тогда повышение давления ляжет дополнительной нагрузкой на сальник, а это может отразиться на их долговечности. Кроме того, "заклинка" поршня не позволяет произвести дозаправку (полная или частичная смена отработанного масла в картере) двигателя маслом на буровой.

Указанные недостатки системы маслозащиты приводят к снижению надежности и долговечности двигателя.

Цель изобретения - повышение надежности системы и облегчение эксплуатации двигателя.

Указанная цель достигается тем, что в системе маслозащиты забойного двигателя, включающей корпус, образующий маслонаполненную камеру, расположенные в ее нижней части уплотнения и поршень лубрикатора с предохранительным узлом, расположенный над уплотнениями, причем надпоршневая полость сообщена с проточкой полостью каналом, предохранительный узел выполнен в виде подпружиненного дополнительного поршня с уплотнительным элементом, расположенного в поршне лубрикатора, в котором выполнены сопрягаемые цилиндрическая и коническая уплотнительные поверхности, причем коническая поверхность обращена в надпоршневую полость, а дополнительный поршень установлен в поршне лубрикатора с возможностью сообщения маслонаполненной камеры с надпоршневой полостью.

На фиг. 1 представлен вариант выполнения схемы маслозащиты мультипликатора (редукторного механизма) забойного двигателя, в котором предохранительный узел расположен в поршне лубрикатора соосно валу двигателя; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 и 4 - узел I на фиг. 1.

Система включает маслонаполненную камеру 1, в которой размещены герметизируемые узлы двигателя (не показаны). Камера 1 ограничена корпусом 2 редуктора, являющимся быстроходным валом (корпус-водило), сверху поршневым лубрикатором 3, снизу уплотнениями (сальниками) 4 и 5; в нее входит тихоходный полый вал 6. Вся система размещена в корпусе забойного двигателя 7. Между корпусом двигателя 7 и корпусом 2 редуктора образовано кольцевое пространство (проточная полость) 8, по которому движется рабочая жидкость (направление ее движения показано стрелками).

Поршень 9 лубрикатора 3 своим наружным торцом обращен в растворную (надпоршневую) полость 10, которая с проточной полостью 8 сообщена каналом 11. В поршне 9 лубрикатора 3 расположен предохранительный узел.

Предохранительный узел состоит из поршня 12 с уплотнительным элементом 13 и пружины 14, которая прижимает поршень 12 к перегородке 15, в которой имеются отверстия 16. В нижней части поршня 12 имеются продольные пазы 17. При определенном положении поршня 12 благодаря продольным пазам 17 в нем и отверстиям 16 в перегородке 15 маслонаполненная камера 1 и растворная полость 10 сообщаются друг с другом.

Уплотнительная цилиндрическая поверхность в поршне 9, соразмерная по ширине уплотнительному элементу 13 и равная l, в верхней части, обращенной в растворную полость 10, переходит в коническую уплотнительную поверхность 18.

Система 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 6. Перед заправкой поршень 9 лубрикатора 3 находится в своем промежуточном положении, а поршень 12 предохранительного узла под действием упругой силы пружины 14 прижат к перегородке 15 и своим уплотнительным элементом 13 уплотняет цилиндрическую поверхность поршня 9 шириной l.

При закачке по мере поступления масла в камеру 1 поршень 9 лубрикатора 3 начинает перемещаться вверх, преодолевая сопротивление трения поршня 9 о стенку цилиндра лубрикатора 3. Только после того, как поршень 9 лубрикатора 3 достигнет своего крайне верхнего положения, приходит в движение поршень 12 предохранительного узла, так как выбранная упругая сила пружины 14 создает удельное давление на поршень 12, большее, чем необходимое давление на поршень 9 лубрикатора 3, для преодоления силы сопротивления перемещению поршня 9 по зеркалу цилиндра лубрикатора 3.

После выхода уплотнительного элемента 13 поршня 12 из поршня 9 масло из камеры 1 через отверстия 16 в перегородке 15 и продольные пазы 17 в поршне 12 попадает в растворную полость 10. На этом закачку камеры 1 маслом прекращают. Сразу же после прекращения закачки маслом упругая сила пружины 14 возвращает поршень 12 в поршень 9. Поршень 12 уплотнительным элементом 13 уплотняет поверхность поршня 9 шириной l, тогда камера 1 и растворная полость 10 надежно разобщаются.

При спуске двигателя в скважину абразивная рабочая жидкость, содержащаяся в ней, из проточной полости 8, образованной корпусом двигателя 7 и корпусом 2 редуктора, по каналу 11 заполняет растворную полость 10. Жидкость через поршень 9 лубрикатора 3 воздействует на маслонаполненную камеру 1, выравнивая в ней давление до гидростатического в скважине, следовательно, давления на уплотнительных поверхностях сальников 4 и 5 как с внешней, со стороны проточной полости 8, так и с внутренней, со стороны маслонаполненной камеры 1, выравниваются (оптимальное условие для работы сальников - бесперепадное). На этой стадии эксплуатации двигателя поршень 12 предохранительного узла прижат к перегородке 15 упругой силой пружины 14, надежно разобщая камеру 1 и полость 10, так как две другие силы от гидростатического давления, равные по величине и действующие на торцы поршня 12 со стороны полости 10 и камеры 1, направлены навстречу друг другу.

При работе двигателя при подаче рабочей жидкости приводятся в действие герметизирующие 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 8. Поршень 9 лубрикатора 3 перемещается в верхнее положение. После этого по мере нарастания давления в камере 1, когда усилие от него станет больше упругой силы пружины 14, поршень 12 предохранительного узла начинает двигаться вверх. Силу сопротивления перемещению поршня 12 можно не учитывать, поскольку она пренебрежимо мала по сравнению с силой упругости пружины 14 предохранительного узла. Как только уплотнительный элемент 13 выйдет из поршня 9, разогретое масло из камеры 1 через отверстия 16 в перегородке 15, паз 17 в поршне 12 попадает в полость 10. Благодаря этому давление в камере 1 не повышается.

Как только установится рабочий режим двигателя и разогрев масла прекратится, то прекратится и перелив масла из камеры 1. Давление разогретого масла в камере 1 и давление в проточной полости 8 выравнятся и под действием пружины 14 поршень 12 опять войдет в корпус, уплотнив его поверхность шириной l, и камера 1 будет надежно изолирована от абразивной рабочей жидкости. Следовательно, оптимальное условие для работы сальников 4 и 5 (равенство давлений на уплотнительных поверхностях сальников как с внутренней, так и с внешней стороны) не будет нарушено.

При прекращении подачи рабочей жидкости и остановке двигателя масло охлаждается и уменьшается в объеме и давление масла в камере 1 начнет падать. Поскольку гидростатическое давление в проточной полости 8 больше, то оно станет по каналу 11 передаваться в растворную полость 10, воздействуя на поршень 9 лубрикатора 3, который начнет опускаться вниз. Давления в камере 1 и растворной полости 10 выравниваются. При этом поршень 12 предохранительного узла неподвижен, упругой силой пружины 14 прижат к перегородке 15, а уплотнительный элемент 13 разобщает камеру 1 и полость 10.

В процессе работы двигателя в результате влияния химреагентов, содержащихся в буровом растворе, уплотнительный элемент 13 набухает, увеличиваясь в размерах.

При повторных спусках двигателя в скважину поршень 12 с увеличенным по сравнению с первоначальным уплотнительным элементом 13, например, после перепуска перегретого масла войти в цилиндрическую уплотнительную поверхность корпуса уже не может, так как упругой силы пружины 14 недостаточно. Тогда поршень 12 с увеличенным уплотнительным элементом 13 как бы зависает на конической поверхности 18. После этого на всех режимах работы предохранительного узла (заправка, гидростатика, работа двигателя, повторная дозаправка) уплотняющей поверхностью для поршня 12 с уплотнительным элементом 13 является коническая поверхность 18. При повторном включении и выключении двигателя указанные циклы (отслеживание выравнивания давления с помощью лубрикатора 3 и предохранительного узла) повторяется.

Таким образом, в процессе эксплуатации двигателя в зависимости от состояния его уплотнительного элемента 13 в поршне 9 уплотняемой поверхностью является в начале цилиндрическая поверхность шириной l, равная ширине уплотнительного элемента 13, а затем - коническая с углом α при вершине, лежащей в диапазоне 0 <α<90^о, причем эти две поверхности в поршне 9 предохранительного узла расположены так, что цилиндрическая переходит в коническую, а последняя обращена в растворную полость 10. Сочетание двух уплотнительных поверхностей, их расположение - оптимально.

В начале эксплуатации двигателя, когда коническая поверхность в корпусе предохранительного узла свободна, на ней возможно оседание абразивных частиц из раствора. Однако перед тем, как коническая поверхность станет уплотнительной, она обильно омывается струей разогретого потока масла из камеры, которая смывает абразивные частицы с ее поверхности, как бы подготавливая ее для служебного назначения. Ширина l уплотнительной цилиндрической поверхности выбрана так, чтобы избежать свободной первоначальной поверхности (например, то, что имеет место, когда поршень лубрикатора в процессе работы двигателя находится в промежуточном положении), на которой возможно оседание абразивной корки из раствора.

Оптимальный угол при вершине в пределах указанного диапазона конической уплотнительной поверхности выбирается из условия эксплуатации двигателя, т. е. температурного режима, состава бурового раствора, материала уплотнительного элемента.

Использование: бурение глубоких и сверхглубоких скважин на нефть и газ. Сущность изобретения: система содержит корпус 2, образующий маслонаполненную камеру 1. В ее нижней части расположены уплотнения 4 и 5, над которым установлен поршень 9 лубрикатора 3 с предохранительным узлом, выполненный в виде подпружиненного дополнительного поршня 12 с уплотнительным элементом. Поршень 12 размещен в поршне 9, в котором выполнены сопрягаемые цилиндрическая и коническая уплотнительные поверхности, причем последняя обращена в надпоршневую полость 10. Дополнительный поршень 12 установлен в поршне лубрикатора с возможностью сообщения маслонаполненной камеры 1 с надпоршневой полостью 10, последняя сообщена с проточной полостью 8 каналом 11. 4 ил.

СИСТЕМА МАСЛОЗАЩИТЫ ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ, включающая корпус, образующий маслозаполненную камеру, расположенные в ее нижней части уплотнения и поршень лубрикатора с предохранительным узлом, расположенный над уплотнениями, причем надпоршневая полость соединена с проточной полостью каналом, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности системы и облегчения эксплуатации двигателя, предохранительный узел выполнен в виде подпружиненного дополнительного поршня с уплотнительным элементом, расположенного в поршне лубрикатора, в котором выполнены сопрягаемые цилиндрическая и коническая уплотнительные поверхности, причем коническая поверхность обращена в надпоршневую полость, а дополнительный поршень установлен в поршне лубрикатора с возможностью сообщения маслонаполненной камеры с надпоршневой полостью.