КЛАПАННОЕ УСТРОЙСТВО ВИНТОВОГО ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2008 года по МПК E21B4/02 

Клапанное устройство винтового забойного двигателя относится к буровой технике и может быть использовано при бурении нефтяных и газовых скважин в составе бурильной колонны и непосредственно в составе забойных двигателей для заполнения и опорожнения бурильной колонны промывочной жидкостью и для предотвращения шламования винтовых забойных двигателей и исключения аварийного выброса из продуктивного пласта.

Известно клапанное устройство бурильной колонны, содержащее полый корпус с боковыми отверстиями, установленную внутри полого корпуса гильзу с седлом, с проточными и переточными каналами, установленный с возможностью осевого перемещения подпружиненный клапан и резиновые манжеты (см., например, патент RU №2035581 от 20.05.1995 г. Е21В 4/00).

Недостатком известного клапанного устройства бурильной колонны является то, что в нем имеются полости для возможного накопления шлама из затрубного пространства, которые, заполняясь оседающим шламом, препятствуют перемещению тарелки клапана и приводят известное клапанное устройство в негодность.

Другим недостатком известного клапанного устройства является то, что оно имеет значительное гидравлическое сопротивление перетоку и протоку промывочной жидкости из-за существенных препятствий, создаваемых деталями, находящимися на пути движения промывочной жидкости, и резкими изменениями площади проходного сечения каналов и направления движения промывочной жидкости.

Также к недостатку известного клапанного устройства бурильной колонны можно отнести недостаточную герметичность корпуса и реальную возможность гидравлического сообщения внутренней полости с затрубным пространством, просачивания промывочной жидкости и размыва деталей клапанного устройства.

Эти недостатки полностью исключают возможность использования известного клапанного устройства бурильной колонны в составе забойных двигателей.

Известно клапанное устройство забойного двигателя, содержащее полый корпус с радиальными перепускными каналами, установленную внутри полого корпуса гильзу с седлом и с радиальными перепускными каналами, подпружиненный плунжер с центральным входным и образованным совместно с полым корпусом выходным проточным каналом и радиальными проточными каналами (см., например, патент США №4,298,077, М. Кл.³ Е21В 4/02, опубл. 03.11.1981 г.).

В известном клапанном устройстве забойного двигателя устранены некоторые недостатки известного клапанного устройства бурильной колонны и достигается возможность частичного снижения гидравлического сопротивления протеканию промывочной жидкости. Однако это приводит к необходимости более точного и тонкого регулирования потока промывочной жидкости, создающего гидравлическую нагрузку на подпружиненный плунжер, что затрудняет управление процессом бурения.

Недостатком известного клапанного устройства забойного двигателя является то, что оно не обеспечивает запирания канала ствола бурильной колонны при обратном перепаде давления, особенно при выбросе из продуктивного пласта. Это создает возможность шламования винтовых забойных двигателей, в состав которых включено известное клапанное устройство, и не предотвращает возможность аварийных ситуаций при выбросе из продуктивного пласта. Другим недостатком известного клапанного устройства забойного двигателя является то, что плунжер, осуществляя осевое поступательное и частично возвратно-вращательное движение в среде промывочной жидкости, подвергается гидроабразивному износу, интенсивно истирается, повышенно изнашивается и преждевременно приходит в негодность, нарушая процесс бурения скважин и приводя к добавочным спуско-подъемным операциям.

Существенным недостатком известного клапанного устройства забойного двигателя является то, что в полости, омываемой промывочной жидкостью и жидкостью из затрубного пространства, содержащей шлам (мелкие высокоабразивные частицы выбуренной породы), может накапливаться шлам, там цементироваться и препятствовать перемещению плунжера. Это может привести к нарушению работы клапана и неоправданной потере промывочной жидкости.

Также существенным недостатком известного клапанного устройства забойного двигателя является то, что резиновые кольцевые уплотнения омываются промывочной жидкостью и, периодически перемещаясь, пересекают острые кромки радиальных каналов. Это приводит к ускоренному разрушению уплотнений, нарушению герметичности клапанного устройства и досрочному направлению его в ремонт.

Эти и другие недостатки известного клапанного устройства забойного двигателя не позволяют в полной мере обеспечить длительную безаварийную работу и не дают возможности широко использовать его при бурении скважин в составе винтовых забойных двигателей, ограничивая его применение только для специальных работ.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является клапанное устройство забойного двигателя, содержащее полый корпус с боковыми отверстиями, установленную внутри полого корпуса подвижную гильзу с седлом, с радиальными переточными и проточными каналами и проточным седлом, установленный с возможностью осевого перемещения подпружиненный до упора золотник с обтекателем вверху и с выходящими на проточное седло поршневыми кольцами (см., например, патент RU №2224866 С1, М. Кл.⁷ Е21В 4/02, 34/10, опубл. 27.02.2004 г. Бюл. №6). Это техническое решение принято за прототип.

В известном клапанном устройстве забойного двигателя устранены некоторые недостатки известных клапанных устройств и создается возможность частичного снижения гидравлического сопротивления протеканию промывочной жидкости, обеспечивается надежное срабатывание клапанного устройства при значительных перепадах давления, предотвращается возможность шламования клапанного устройства и забойного двигателя. Вместе с общими существенными признаками предлагаемого и известного клапанного устройства забойного двигателя это позволяет принять его в качестве прототипа. Существенным недостатком известного клапанного устройства забойного двигателя является то, что в нем недостаточно эффективно используется площадь поперечного сечения для протока промывочной жидкости с наименьшим гидравлическим сопротивлением. Подпружиненная подвижная гильза со скользящим эластичным (резиновым) уплотнением, с дополнительной втулкой, установленная в полом корпусе, занимает достаточно много места и значительно сокращает возможную площадь проходного сечения проточного канала. Это снижает потенциальную возможность для уменьшения гидравлического сопротивления протеканию промывочной жидкости через клапанное устройство забойного двигателя и препятствует сокращению потерь напора промывочной жидкости.

Одним из основных недостатков известного клапанного устройства забойного двигателя является то, что гильза с радиальными переточными каналами выполнена подвижной и в связи с этим при работе острые кромки радиальных переточных и проточных каналов перемещаются по резиновым уплотнительным кольцам. Это приводит к местному разрушению (срезанию) уплотняющих кромок уплотнительных колец, нарушению герметизации, к последующему размыву деталей и преждевременному выходу из строя всего известного клапанного устройства забойного двигателя.

Другим недостатком известного устройства забойного двигателя является то, что резиновые уплотнения, установленные на подвижной гильзе, работают в среде промывочной жидкости, содержащей мелкие абразивные частицы, и подвергаются гидроабразивному износу: перемещаясь, интенсивно истираются, изнашиваются и преждевременно разрушаются, нарушая герметичность клапанного устройства.

Недостатком известного клапанного устройства забойного двигателя является и то, что полый корпус не защищен от размыва. Струя промывочной жидкости под избыточным давлением с большой скоростью из проточных каналов, выполненных в виде щелей, бьет в полый корпус. В результате полый корпус подвергается местному интенсивному гидроабразивному износу, ускоренному истиранию и досрочному направлению в ремонт.

Эти и другие недостатки известного клапанного устройства забойного двигателя повышают затраты времени, труда и средств на эксплуатацию, снижают его надежность и долговечность, сдерживают возможность широкого использования их в составе винтовых забойных двигателей, уменьшают экономическую эффективность и привлекательность применения винтовых забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин.

Задачами предлагаемого изобретения являются устранение имеющихся недостатков известного клапанного устройства забойного двигателя и снижение гидравлического сопротивления протоку промывочной жидкости, исключение возможности интенсивного истирания и ускоренного износа деталей, предотвращение возможности шламования, сохранение на более длительный период в работоспособном состоянии и в конечном счете повышение надежности, долговечности и экономической эффективности предлагаемого клапанного устройства винтового забойного двигателя.

Поставленные задачи решаются за счет того, что известное клапанное устройство забойного двигателя, содержащее полый корпус с боковыми отверстиями, установленную внутри полого корпуса гильзу с седлом, с радиальными переточными и проточными каналами и проточным седлом, установленный с возможностью осевого перемещения подпружиненный до упора золотник с обтекателем вверху и с выходящими на проточное седло поршневыми кольцами для перекрытия образованного в гильзе центрального проточного канала, согласно изобретению оно снабжено закрепленной одним концом в полом корпусе резиновой манжетой с отбойником посредине, установленной свободным концом в гильзе в зоне радиальных переточных каналов и седла с кольцевым зазором для взаимодействия с расположенным в зоне седла обтекателем золотника и с выполненной в гильзе ниже седла внутренней ступенью, и в полом корпусе установлена отбойная втулка для возможности взаимодействия с обтекателем золотника, с радиальными проточными каналами гильзы и с выполненной на гильзе наружной ступенью, причем между отбойной втулкой и гильзой выполнен кольцевой зазор, а между радиальными переточными каналами и наружной ступенью гильзы выполнено кольцевое уплотнение;

- в гильзе в местах сопряжения с боковыми отверстиями полого корпуса выполнена наружная кольцевая проточка, а радиальные переточные каналы выполнены в виде местных поперечных щелей, длина и площади проходного сечения которых превышают соответственно величину диаметра и площадь проходного сечения боковых отверстий полого корпуса;

- площадь проходного сечения в кольцевом зазоре между гильзой и свободным концом резиновой манжеты с отбойником выполнена равной или меньше площади проходного сечения боковых отверстий полого корпуса;

- на свободном конце резиновой манжеты в зоне седла выполнен диффузор, а на другом конце выполнен расширяющийся к периферии конусный кольцевой выступ для взаимодействия с полым корпусом, отбойником и охваченным резиновой манжетой упорным диском.

В результате того, что предлагаемое клапанное устройство винтового забойного двигателя, содержащее полый корпус с боковыми отверстиями, установленную внутри полого корпуса гильзу с седлом, с радиальными переточными и проточными каналами и проточным седлом, установленный с возможностью осевого перемещения подпружиненный до упора золотник с обтекателем вверху и с выходящими на проточное седло поршневыми кольцами для перекрытия образованного в гильзе проточного канала, снабжено закрепленной одним концом в полом корпусе резиновой манжетой с отбойником посредине, установленной свободным концом в гильзе в зоне радиальных переточных каналов и седла с кольцевым зазором для взаимодействия с расположенным в зоне седла обтекателем золотника и с выполненной в гильзе ниже седла внутренней ступенью, и в полом корпусе установлена отбойная втулка для возможности взаимодействия с обтекателем золотника, с радиальными проточными каналами гильзы и с выполненной на гильзе наружной ступенью, причем между отбойной втулкой и гильзой выполнен кольцевой зазор, а между радиальными переточными каналами и наружной ступенью гильзы выполнено кольцевое уплотнение, достигается снижение гидравлического сопротивления протоку промывочной жидкости путем увеличения площади поперечного сечения проточного канала за счет более рационального и эффективного использования площади поперечного сечения клапанного устройства винтового забойного двигателя, исключается возможность интенсивного истирания и ускоренного износа деталей за счет исключения скольжения деталей с острыми кромками по резиновым уплотнениям, осуществляется защита полого корпуса от вредного воздействия движущейся с повышенной скоростью струи промывочной жидкости, предотвращается возможность шламования и сохраняется на более длительный период в работоспособном состоянии клапанное устройство и винтовой забойный двигатель. Это позволяет повысить КПД клапанного устройства, снизить непроизводительный расход промывочной жидкости при бурении скважин, повысить производительность бурового инструмента.

В результате того, что в предлагаемом клапанном устройстве винтового забойного двигателя в гильзе в местах сопряжения с боковыми отверстиями полого корпуса выполнена наружная кольцевая проточка, а радиальные переточные каналы выполнены в виде местных поперечных щелей, длина и площади проходного сечения которых превышают соответственно величину диаметра и площадь проходного сечения боковых отверстий полого корпуса, достигается частичная фильтрация промывочной жидкости и отделение крупных кусочков выбуренной породы и обеспечивается более четкое срабатывание переливного клапана за счет более равномерного распределения промывочной жидкости по всему периметру кольцевого зазора между гильзой и резиновой манжетой с отбойником.

В результате того, что в предлагаемом клапанном устройстве винтового забойного двигателя площадь проходного сечения в кольцевом зазоре между гильзой и свободным концом резиновой манжеты с отбойником выполнена равной или меньше площади проходного сечения боковых отверстий полого корпуса, достигается четкое срабатывание переливного клапана при подаче промывочной жидкости под избыточным давлением от буровых насосов. Это предотвращает непроизводительный расход промывочной жидкости и сокращает время запуска в работу винтового забойного двигателя.

В результате того, что в предлагаемом клапанном устройстве винтового забойного двигателя на свободном конце резиновой манжеты в зоне седла выполнен диффузор, а на другом конце выполнен расширяющийся к периферии конусный кольцевой выступ для взаимодействия с полым корпусом, отбойником и охваченным резиновой манжетой упорным диском, достигается надежная герметизация места закрепления резиновой манжеты в полом корпусе и обеспечивается четкая работа клапанного устройства винтового забойного двигателя. Это обеспечивает снижение расхода промывочной жидкости, исключает возможность интенсивного истирания, ускоренного износа, размыва и разрушения деталей.

Таким образом, реализация отличительных признаков в сочетании и в совокупности с известными в предлагаемом клапанном устройстве винтового забойного двигателя создает возможность ликвидировать недостатки, присущие известному клапанному устройству забойного двигателя, и обеспечить снижение гидравлического сопротивления протоку промывочной жидкости, исключить возможность интенсивного истирания, ускоренного износа, размыва и преждевременного разрушения деталей, предотвратить возможность шламования и сохранить на более длительный период в работоспособном состоянии, а в конечном счете повысить надежность, долговечность и экономическую эффективность предлагаемого клапанного устройства винтового забойного двигателя.

Для пояснения сущности предлагаемого изобретения представлены чертежи.

На фиг.1 показано клапанное устройство винтового забойного двигателя, общий вид, продольный разрез. На фиг.2 изображен общий вид клапанного устройства винтового забойного двигателя, поперечный разрез А-А по радиальным переточным каналам.

Клапанное устройство винтового забойного двигателя содержит полый корпус 1 с боковыми отверстиями 2, установленную внутри полого корпуса 1 гильзу 3 с седлом 4, с радиальными переточными каналами 5 и радиальными проточными каналами 6 и проточным седлом 7, установленный в гильзе 3 с возможностью осевого перемещения подпружиненный пружиной 8 до упора 9 золотник 10 с обтекателем 11 в верхней части золотника 10 и с выходящими на проточное седло 7 поршневыми кольцами 12 для перекрытия образованного в гильзе 3 центрального проточного канала 13. Клапанное устройство винтового забойного двигателя снабжено закрепленной одним верхним концом 14 в полом корпусе 1 резиновой манжетой 15 с отбойником 16 посредине, установленной другим, свободным концом 17 в гильзе 3 в зоне "а" радиальных переточных каналов 5 и в зоне "b" седла 4 с кольцевым зазором 18 между гильзой 3 и резиновой манжетой 15 с отбойником 16 для взаимодействия с расположенным в зоне "b" седла 3 обтекателем 11 золотника 10 и с выполненной в гильзе 3 ниже седла 4 внутренней ступенью 19, в полом корпусе 1 установлена отбойная втулка 20 для возможности взаимодействия с обтекателем 11 золотника 10, с радиальными проточными каналами 6 гильзы 3 и с выполненной на гильзе 3 наружной ступенью 21, причем между отбойной втулкой 20 и гильзой 3 выполнен кольцевой зазор 22, а между радиальными переточными каналами 5 и наружной ступенью 21 гильзы 3 выполнено кольцевое уплотнение 23.

В предлагаемом клапанном устройстве винтового забойного двигателя в гильзе 3 в местах сопряжения с боковыми отверстиями 2 полого корпуса 1 выполнена наружная кольцевая проточка 24, а радиальные переточные каналы 5 выполнены в виде местных поперечных щелей, длина и площади проходного сечения которых превышают соответственно величину диаметра и площадь проходного сечения боковых отверстий 2 полого корпуса 1.

В предлагаемом клапанном устройстве винтового забойного двигателя площадь проходного сечения в кольцевом зазоре 18 между гильзой 3 и свободным концом 17 резиновой манжеты 15 с отбойником 16 выполнена равной или меньше площади проходного сечения боковых отверстий 2 полого корпуса 1.

В предлагаемом клапанном устройстве винтового забойного двигателя на свободном конце 17 резиновой манжеты 15 в зоне "b" седла 4 гильзы 3 выполнен диффузор 25 (расширение), а на другом, верхнем конце 14 резиновой манжеты 15, выполнен расширяющийся к периферии конусный кольцевой выступ 26 для взаимодействия с полым корпусом 1, отбойником 16 и охваченным резиновой манжетой 15 упорным диском 27.

Для закрепления резиновой манжеты 15 и герметизации ее в полом корпусе 1 используется верхний переводник 28, регулировочное кольцо 29 и упорный диск 27, прижимающие конусный кольцевой выступ 26 резиновой манжеты 15 с отбойником 16 к гильзе 3 и к полому корпусу 1. Конусный кольцевой выступ 26 выполнен расширяющимся к периферии в виде "ласточкина хвоста".

Для повышения износоустойчивости поверхность обтекателя 11 золотника 10 и внутреннюю поверхность отбойной втулки 20 целесообразно упрочнить твердосплавными композиционными материалами.

На полом корпусе 1 снизу нарезана наружная замковая резьба 30, а в верхнем переводнике 28 выполнена внутренняя замковая резьба 31. Перемещение золотника 10 в гильзе 3 ограничено гайкой 32 с осевыми отверстиями 33.

Возможны другие конструктивные варианты исполнения предлагаемого клапанного устройства винтового забойного двигателя. Клапанное устройство винтового забойного двигателя внутренней замковой резьбой 31 верхнего переводника 28 подсоединяется к бурильным трубам, а наружной замковой резьбой 30 полого корпуса 1 подсоединяется к винтовому забойному двигателю (на чертеже бурильные трубы и винтовой забойный двигатель не показаны).

Работает предлагаемое клапанное устройство винтового забойного двигателя следующим образом.

При спуске клапанного устройства винтового забойного двигателя в скважину (в составе бурильной колонны) промывочная жидкость, вытесняемая из скважины, под небольшим избыточным давлением поступает в боковые отверстия 2 полого корпуса 1, частично очищается от крупных кусочков шлама, растекается по всему периметру наружной кольцевой проточки 24, омывает радиальные переточные каналы 5 в зоне "а" гильзы 3, проходит через них и ударяется в отбойник 16, которым направляется в кольцевой зазор 18. Омывая с наружной стороны свободный конец 17 в зоне седла 4 резиновую манжету 15, под избыточным (небольшим) давлением промывочная жидкость частично расширяет кольцевой зазор 18 и тем самым создает условия для снижения гидравлического сопротивления перетоку.

Вытекая из кольцевого зазора 18, промывочная жидкость внутренней ступенью 19 и обтекателем 11 направляется внутрь клапанного устройства и труб бурильной колонны до тех пор, пока действует перепад давления, и заполняет внутреннюю полость клапанного устройства (его верхнюю часть) и бурильные трубы (на чертеже не показаны).

Золотник 10 своей нижней частью перекрывает радиальные проточные каналы 6 в гильзе 3 и удерживается сжатой пружиной 8 в верхнем положении, прижатым к упору 9.

Поршневые кольца 12, взаимодействуя с проточным седлом 7 гильзы 3 и с золотником 10, предотвращают утечки промывочной жидкости к винтовому забойному двигателю (на чертеже не показан).

При включении буровых насосов промывочная жидкость под избыточным давлением поступает в верхний переводник 28 клапанного устройства, омывает изнутри регулировочное кольцо 29, упорный диск 27 и резиновую манжету 15. В связи с малым проходным сечением скорость движения промывочной жидкости в кольцевом зазоре 18 резко возрастает, давление падает. Избыточным давлением промывочная жидкость, воздействуя на резиновую манжету 15 изнутри, растягивает ее и приводит к расширению свободного конца 16 в зоне "b" седла 4, сначала у нижнего торца в месте наибольшего расширения диффузора 25, затем всего свободного конца 17 резиновой манжеты 15 в зоне "b". Это приводит к полному перекрытию кольцевого зазора 18. При дальнейшем повышении перепада давления резиновая манжета 15 заклинивается в кольцевом зазоре 18 между гильзой 3 и отбойником 16 и полностью предотвращает возможные утечки промывочной жидкости.

Под избыточным давлением промывочная жидкость поступает в центральный проточный канал 13, воздействует на обтекатель 11 и, сжимая пружину 8, перемещает золотник 10 вниз до упора в гайку 32. Находящаяся под золотником 10 промывочная жидкость через осевые отверстия 33 в гайке 32 вытекает из замкнутого объема.

Промывочная жидкость обтекателем 11 направляется с минимальным гидравлическим сопротивлением в радиальные проточные каналы 6 в гильзе 3, в кольцевой зазор 22, образованный отбойной втулкой 20 и нижней частью (ниже наружной ступени 21) гильзы 3, и далее на выход из клапанного устройства к винтовому забойному двигателю.

При работе забойных механизмов в клапанном устройстве винтового забойного двигателя промывочная жидкость под избыточным давлением, протекая с малым гидравлическим сопротивлением через центральную часть в кольцевой зазор 22, одновременно воздействует на свободный конец 17 резиновой манжеты 15 в зоне "b" седла 4 гильзы 3 и, стремясь расширить диффузор 25, прижимает и удерживает свободный конец 17 резиновой манжеты 15, плотно прижатым к седлу 4 гильзы 3, тем самым осуществляя надежную герметизацию клапанного устройства винтового забойного двигателя.

Таким образом, в результате взаимодействия резиновой манжеты 15, обтекателя 11 золотника 10, внутренней ступени 19 гильзы 3 при протекании промывочной жидкости через клапанное устройство винтового забойного двигателя в зоне "b" седла 4 гильзы 3 поддерживается необходимое и достаточное избыточное давление и обеспечивается реальная возможность снижения непроизводительного расхода промывочной жидкости и повышения производительности бурового инструмента (винтового забойного двигателя).

При прекращении подачи промывочной жидкости в клапанное устройство винтового забойного двигателя (при выключении буровых насосов) золотник 10 под действием пружины 8 поднимается вверх до упора 9, перекрывает центральный проточный канал 13, а поршневые кольца 12 герметизируют проточный канал, взаимодействуя с гильзой 3 по проточному седлу 7. Золотник 10 перекрывает радиальные проточные каналы 6, а промывочная жидкость через осевые отверстия 33 в гайке 32 снизу заполняет закрытую полость под золотником 10. Давление промывочной жидкости внутри клапанного устройства и снаружи его выравнивается (или разница давлений становится незначительной). Под действием сил упругости резиновая манжета 15 сжимается и, возвращаясь в исходное положение, открывает кольцевой зазор 18 для свободного перетока промывочной жидкости в обоих направлениях.

При подъеме клапанного устройства винтового забойного двигателя из скважины промывочная жидкость из бурильной колонны свободно сливается через открывшийся гидравлический канал в затрубное пространство.

При подъеме клапанного устройства винтового забойного двигателя из скважины промывочная жидкость под избыточным давлением, связанным с изменением высоты расположения уровня ее внутри бурильной колонны и уровня в скважине, протекает в верхнюю часть клапанного устройства. Обтекателем 11 и внутренней ступенью 19 гильзы 3 она направляется в открытый кольцевой зазор 18. Омывая внутреннюю и внешнюю стороны свободного конца 17 резиновой манжеты 15 с различной скоростью, промывочная жидкость с различной силой воздействует на внутреннюю и внешнюю сторону.

При достижении определенного перепада давления и последующего его увеличения на свободном конце 17 резиновой манжеты 15 перепадом давления резиновая манжета 15 может растягиваться, расширяя диффузор 25, и увеличиваться в диаметре, полностью перекрывать кольцевой зазор 18 и плотно прижиматься к гильзе 3 в зоне "b" седла 4. Этот перепад давления создается буровыми насосами при подаче промывочной жидкости под избыточным давлением к забойным механизмам (винтовому забойному двигателю). (Он недостаточен при выполнении спуско-подъемных операций).

В результате взаимодействия резиновой манжеты 15 с расположенным в зоне "b" седла 4 гильзы 3 обтекателем 11 золотника 10 и с выполненной в гильзе 3 внутренней ступенью 19 резиновая манжета 15 на своем свободном конце 17 более чутко реагирует на небольшие изменения перепада давления внутри и снаружи клапанного устройства винтового забойного двигателя и после достижения определенного предела перепада давления перекрывает гидравлический переточный канал путем расширения свободного конца 17 резиновой манжеты 15 и прижатия его к седлу 4 гильзы 3 силами увеличивающегося перепада давления.

В результате взаимодействия резиновой манжеты 15 с внутренней ступенью 19 при значительном перепаде давления (при работе винтового забойного двигателя) перепадом давления свободный конец 17 резиновой манжеты 15 удерживается в расширенном состоянии и плотно прижатым к седлу 4 гильзы 3. Кроме того, частично деформированный свободный конец 17 резиновой манжеты 15 заклинивает кольцевой зазор 18 между гильзой 3 и отбойником 16, повышая герметизацию клапанного устройства винтового забойного двигателя.

В результате взаимодействия кольцевого уплотнения 23, отбойной втулки 20 с обтекателем 11 золотника 10 с радиальными проточными каналами 6 и наружной ступенью 21 гильзы 3 с малым гидравлическим сопротивлением формируется выходящий поток промывочной жидкости, обеспечиваются снижение износа, истирания, предотвращение размыва и досрочного разрушения деталей клапанного устройства винтового забойного двигателя.

При значительном обратном перепаде давления (например, при выбросе из продуктивного пласта) промывочная жидкость под избыточным давлением воздействует на наружную ступень 21 гильзы 3, от нее отражается и движения промывочной жидкости вверх не происходит. Повышенным давлением через осевые отверстия 33 в гайке 32 промывочная жидкость воздействует на золотник 10 и плотнее прижимает его к упору 9. Поршневые кольца 12, взаимодействуя с золотником 10 и проточным седлом 7 гильзы 3, препятствуют просачиванию и протеканию промывочной жидкости в верхнюю часть клапанного устройства винтового забойного двигателя. Центральный проточный канал 13 перекрыт золотником 10 и препятствует движению промывочной жидкости вместе с возможным шламом из скважины вверх.

В результате взаимодействия полого корпуса 1, конусного кольцевого выступа 26, расширяющегося к периферии и выполненного в виде "ласточкина хвоста" на верхнем конце 14 резиновой манжеты 15, в совокупности с отбойником 16 и с упорным диском 27 при затяжке крепежной резьбы верхнего переводника 28 с регулировочным кольцом 29, достигается возможность надежной герметизации и закрепления деталей в полом корпусе 1 и осуществляется возможность необходимого взаимного расположения резиновой манжеты 15, гильзы 3 и обтекателя 11 в полом корпусе 1. Наружная замковая резьба 30 служит для подсоединения к винтовому забойному двигателю, а внутренняя замковая резьба 31 - к трубам бурильной колонны.

В связи с тем, что клапанное устройство снабжено закрепленной одним верхним концом 14 в полом корпусе 1 резиновой манжетой 15 с отбойником 16 посредине, установленной свободным концом 17 в гильзе 3 в зоне "а" радиальных переточных каналов 5 и седла 4 с кольцевым зазором 18, исключается возможность пагубного воздействия острых кромок радиальных переточных каналов 5 гильзы 3 и боковых отверстий 2 полого корпуса 1 на резиновую манжету 15, освобождается центральная часть клапанного устройства для более эффективного ее использования - для протока промывочной жидкости. Это позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление клапанного устройства, повысить надежность и долговечность.

В связи с расположением обтекателя 11 золотника 10 в зоне "b" седла 4 гильзы 3 в совокупности с выполненной в гильзе 3 ниже седла 4 внутренней ступенью 19 уменьшается гидравлическое сопротивление и снижаются потери промывочной жидкости при перетоке ее из внутренней полости клапанного устройство в затрубное пространство и обратно. Это повышает КПД клапанного устройства, сохраняет его в работоспособном состоянии на более длительный период.

Отбойная втулка 20, установленная в полом корпусе 1, предохраняет полый корпус 1 от пагубного воздействия движущейся с высокой скоростью струи промывочной жидкости. Это сохраняет корпус на более длительный период в работоспособном состоянии. А во взаимодействии с обтекателем 11, с радиальными проточными каналами 6, гильзой 3 и выполненной на гильзе 3 наружной ступенью 21 и, в совокупности с выполненным кольцевым уплотнением 23, отбойная втулка 20 отражает, формирует и направляет выходящий поток промывочной жидкости с наименьшими гидравлическими потерями в винтовой забойный двигатель. При этом повышаются КПД клапанного устройства и винтового забойного двигателя, надежность и долговечность клапанного устройства, снижаются производственные затраты на бурение нефтяных и газовых скважин.

Наружная кольцевая проточка 24, выполненная на гильзе 3, и радиальные переточные каналы 5, выполненные в виде местных поперечных щелей, в сочетании с боковыми отверстиями 2 полого корпуса 1 препятствуют прохождению крупных кусков выбуренной породы из затрубного пространства в кольцевой зазор 18. Это предотвращает шламование и снижает износ деталей.

В связи с тем, что длина и площадь проходного сечения радиальных переточных каналов в виде местных поперечных щелей превышает соответственно величину диаметра и площадь проходного сечения боковых отверстий 2 полого корпуса 1, увеличивается проходное сечение, уменьшается гидравлическое сопротивление перетоку жидкости и не допускается попадания крупных кусков выбуренной породы в кольцевой зазор 18.

В связи с тем, что площадь проходного сечения в кольцевом зазоре 18 выполнена равной или меньше площади проходного сечения боковых отверстий 2 полого корпуса 1, повышается чувствительность клапанного устройства к изменениям перепада давления, достигается более четкое и быстрое срабатывание, снижаются непроизводительный расход и потери промывочной жидкости.

Диффузор 25 повышает чувствительность резиновой манжеты 15 и обеспечивает перекрытие кольцевого зазора 18, начиная у нижнего торца резиновой манжеты 15, в месте наибольшего расширения.

В результате четкого срабатывания и более надежной герметизации предложенного клапанного устройство винтового забойного двигателя снижаются непроизводительные потери промывочной жидкости, более полно используется энергия движущегося потока промывочной жидкости для разрушения горных пород в скважине на забое. Все это сокращает время запуска винтового забойного двигателя, повышает КПД клапанного устройства и винтового забойного двигателя, увеличивает его производительность, повышает экономическую эффективность.

Таким образом, реализация отличительных признаков предлагаемого клапанного устройства винтового забойного двигателя в сочетании и в совокупности с известными создает возможность ликвидировать недостатки, присущие известному клапанному устройству забойного двигателя, и обеспечить достижение положительного технического результата:

- снижение гидравлического сопротивления протоку промывочной жидкости за счет более рационального и эффективного использования площади поперечного сечения;

- исключение возможности интенсивного истирания и ускоренного износа деталей за счет исключения скольжения деталей с острыми кромками по резиновым уплотнениям и предотвращения возможности просачивания и последующего размыва деталей;

- предотвращение возможности шламования за счет исключения обратного протока промывочной жидкости;

- снижение непроизводительных потерь промывочной жидкости за счет более четкого срабатывания более эффективной и более надежной герметизации клапанного устройства винтового забойного двигателя и устранения возможности размыва деталей;

- повышение КПД и производительности клапанного устройства и винтового забойного двигателя за счет снижения потерь промывочной жидкости и более эффективного использования энергии движущегося потока;

- сохранение на более длительный период в работоспособном состоянии и в конечном счете повышение надежности, долговечности и экономической эффективности предлагаемого клапанного устройства винтового забойного двигателя.

Все это позволяет уменьшить потери и сократить непроизводительный расход промывочной жидкости, повысить надежность и долговечность, снизить производственные затраты на бурение нефтяных и газовых скважин и повысить экономическую эффективность использования клапанного устройства винтового забойного двигателя, т.е. позволяет решить поставленные в изобретении задачи.

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано при бурении нефтяных и газовых скважин в составе бурильной колонны и забойных двигателей. Устройство содержит полый корпус с боковыми отверстиями, установленную в нем гильзу с седлом, с радиальными переточными и проточными каналами и проточным седлом, установленный с возможностью осевого перемещения подпружиненный до упора золотник с обтекателем вверху и с выходящими на проточное седло поршневыми кольцами для перекрытия образованного в гильзе центрального проточного канала. Устройство снабжено закрепленной верхним концом в полом корпусе резиновой манжетой с отбойником посредине, установленной нижним свободным концом в гильзе, в зоне радиальных переточных каналов и в зоне седла с кольцевым зазором между гильзой и резиновой манжетой с отбойником для взаимодействия с обтекателем, расположенным в зоне седла, и с выполненной в гильзе ниже седла внутренней ступенькой, в полом корпусе установлена отбойная втулка для возможности взаимодействия с обтекателем золотника, с радиальными проточными каналами гильзы и с выполненной на гильзе наружной ступенью, причем между отбойной втулкой и гильзой выполнен кольцевой зазор, а между радиальными переточными каналами и наружной ступенью гильзы выполнено кольцевое уплотнение. Это позволяет снизить потери промывочной жидкости, повысить КПД, надежность и долговечность клапанного устройства винтового забойного двигателя. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Клапанное устройство винтового забойного двигателя, содержащее полый корпус с боковыми отверстиями, установленную внутри полого корпуса гильзу с седлом с радиальными переточными и проточными каналами и проточным седлом, установленный с возможностью осевого перемещения подпружиненный до упора золотник с обтекателем вверху и с выходящими на проточное седло поршневыми кольцами для перекрытия образованного в гильзе центрального проточного канала, отличающееся тем, что оно снабжено закрепленной одним концом в полом корпусе резиновой манжетой с отбойником посредине, установленной свободным концом в гильзе в зоне радиальных переточных каналов и седла с кольцевым зазором для взаимодействия с расположенным в зоне седла обтекателем золотника и с выполненной в гильзе ниже седла внутренней ступенью, и в полом корпусе установлена отбойная втулка для возможности взаимодействия с обтекателем золотника, с радиальными проточными каналами гильзы и с выполненной на гильзе наружной ступенью, причем между отбойной втулкой и гильзой выполнен кольцевой зазор, а между радиальными переточными каналами и наружной ступенью гильзы выполнено кольцевое уплотнение.2. Клапанное устройство по п.1, отличающееся тем, что в гильзе в местах сопряжения с боковыми отверстиями полого корпуса выполнена наружная кольцевая проточка, а радиальные переточные каналы выполнены в виде местных поперечных щелей, длина и площади проходного сечения которых превышают соответственно величину диаметра и площадь проходного сечения боковых отверстий полого корпуса.3. Клапанное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что площадь проходного сечения в кольцевом зазоре между гильзой и свободным концом резиновой манжеты с отбойником выполнена равной или меньше площади проходного сечения боковых отверстий полого корпуса.4. Клапанное устройство по п.1, отличающееся тем, что на свободном конце резиновой манжеты в зоне седла выполнен диффузор, а на другом конце выполнен расширяющийся к периферии конусный кольцевой выступ для взаимодействия с полым корпусом, отбойником и охваченным резиновой манжетой упорным диском.