клапанное устройство винтового забойного двигателя

Формула изобретения

1. Клапанное устройство винтового забойного двигателя, содержащее полый корпус с боковыми отверстиями, установленную внутри полого корпуса гильзу, выполненную с седлом, радиальными переточными каналами, центральным каналом, выходящим на подпружиненный до упора золотник, установленный с возможностью осевого перемещения и снабженный обтекателем, поршневыми кольцами для перекрытия центрального канала и гайкой, ограничивающей перемещение золотника, отбойную втулку, отличающееся тем, что клапанное устройство снабжено верхним переводником и резиновой манжетой, имеющей на наружной поверхности канавку, в которую установлен отбойник, при этом манжета имеет на одном конце конусный кольцевой выступ, который вместе с отбойником прижат к гильзе и полому корпусу регулировочным кольцом и упорным диском при помощи резьбового соединения верхнего переводника с полым корпусом, а другой конец манжеты свободно расположен внутри гильзы с кольцевым зазором в зоне радиальных переточных каналов и седла гильзы, причем золотник установлен внутри гильзы, в нижней части которой ниже ступени, выполненной на ее наружной поверхности, выполнены проточные каналы, выходящие в кольцевой зазор, образованный отбойной втулкой, установленной на наружную ступень гильзы, и нижней частью гильзы.

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, диаметр и площадь проходного сечения которых превышают соответственно величину диаметра и площади 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 резиновой манжетой выполнена равной или меньше площади проходного сечения боковых отверстий полого корпуса.

4. Клапанное устройство по п.1, отличающееся тем, что на резиновой манжете в зоне седла выполнен диффузор.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано при бурении нефтяных и газовых скважин в составе винтовых 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 (US, патент №4,298,077, дата приоритета 1981.11.03, патентообладатель: Smith International Inc, Newport Beach, Calif). Клапанное устройство содержит полый корпус с радиальными перепускными каналами, подпружиненный плунжер с центральным входным и образованным совместно с полым корпусом выходным проточным каналом, кольцевые уплотнения.

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, что снижает эффективность работы клапанного устройства.

Известен «Переливной клапан объемного забойного двигателя» (RU, патент №34196, дата приоритета 2002,12,06, патентообладатель ОАО НПО «Буровая техника»). Устройство содержит корпус с отверстиями, втулки, расположенные внутри корпуса, и подпружиненный запорный элемент, имеющий радиальные отверстия, на торцах поршня выполнены уплотнения.

Недостатком этого аналога является то, что резиновые уплотнения омываются промывочной жидкостью и, периодически перемещаясь, пересекают острые кромки радиальных каналов. Это приводит к быстрому разрушению уплотнений, нарушению герметичности клапанного устройства и досрочному ремонту устройства.

Известно «Клапанное устройство бурильной колонны» (RU, патент №2035581, дата приоритета 1992.12.03, патентообладатель Вальдман И.Я. и др.). Клапанное устройство бурильной колонны снабжено закрепленным в корпусе и размещенным под эластичной манжетой седлом. Заполненный клапан выполнен подпружиненным тарельчатым и установлен в седле, в котором выполнены выходные каналы.

Недостатком известного аналога является то, что в нем имеются полости для возможного накопления шлама из затрубного пространства, что препятствует перемещению тарелки клапана и приводит клапанное устройство в негодность.

Также к недостатку известного аналога можно отнести недостаточную герметичность корпуса, при этом просачивающаяся промывочная жидкость размывает детали клапанного устройства.

Эти недостатки полностью исключают возможность использования известного аналога в составе забойных двигателей.

Известно «Клапанное устройство забойного двигателя» (RU, патент №2224866, дата приоритета 2002.07.29, патентообладатель Щелконогов Г.А.). Устройство содержит полый корпус с радиальными перепускными каналами, установленную внутри полого корпуса гильзу с седлом и с радиальными перепускными каналами, подпружиненный плунжер с центральным входным проточным каналом и образованным совместно с полым корпусом выходным проточным каналом с радиальными каналами, кольцевые уплотнения. Это клапанное устройство является наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату заявленного изобретения и поэтому взято за прототип заявленного изобретения.

В прототипе частично устранены некоторые недостатки известных клапанных устройств. Существенным недостатком прототипа 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.

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 винтовых забойных двигателей.

Задачей заявленного изобретения является повышение надежности работы клапанного устройства винтового забойного двигателя за счет обеспечения герметичности и снижения износа деталей и за счет снижения гидравлического сопротивления протеканию промывочной жидкости.

Поставленная задача в заявленном клапанном устройстве винтового забойного двигателя решается за счет известного клапанного устройства забойного двигателя, содержащего полый корпус с боковыми отверстиями, установленную внутри полого корпуса гильзу, выполненную с седлом, радиальными каналами и центральным каналом, выходящим на подпружиненный до упора золотник, установленный с возможностью осевого перемещения и снабженный обтекателем и поршневыми кольцами для перекрытия центрального канала, согласно изобретению клапанное устройство снабжено отбойной втулкой, переводником и резиновой манжетой, имеющей на наружной поверхности кольцевую канавку, в которую установлен отбойник, при этом манжета имеет на одном конце кольцевой выступ, который жестко соединен с гильзой прижатием регулировочного кольца и упорного диска при помощи резьбового соединения переводника с полым корпусом, а другой конец манжеты свободно расположен внутри гильзы с кольцевым зазором в зоне радиальных каналов и седла гильзы, при этом золотник установлен внутри гильзы, на наружной поверхности которой выполнена ступень, причем на ступень установлена отбойная втулка с зазором и с возможностью взаимодействия с радиальными каналами гильзы, при этом в гильзе в местах сопряжения с боковыми отверстиями полого корпуса выполнена наружная кольцевая проточка, а радиальные каналы выполнены в виде местных поперечных щелей, диаметр и площадь проходного сечения которых превышают соответственно величину диаметра и площади проходного сечения боковых отверстий полого корпуса, а площадь проходного сечения в кольцевом зазоре между гильзой и резиновой манжетой выполнена равной или меньше площади проходного сечения боковых отверстий полого корпуса, причем на резиновой манжете в зоне седла выполнен диффузор.

Для пояснения сущности предлагаемого изобретения представлены чертежи:

На фиг.1 изображено клапанное устройство винтового забойного двигателя - общий вид, продольное сечение.

На фиг.2 изображено клапанное устройство винтового забойного двигателя - поперечное сечение по радиальным 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, причем в гильзе 3 ниже седла 4 выполнена внутренняя ступень 19, при этом в полом корпусе 1 установлена отбойная втулка 20, а ступень 21 выполнена на гильзе 3 с наружной стороны, 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, диаметр 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, имеющий форму в виде «ласточкиного хвоста» 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 упорный диск 27, верхний переводник 28 и регулировочное кольцо 29, 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".

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.

Клапанное устройство винтового забойного двигателя внутренней замковой резьбой 31 верхнего переводника 28 подсоединяется к бурильным трубам, а наружной замковой резьбой 30 полого корпуса 1 оно 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 (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 (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 17 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 заявленном клапанном устройстве 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).

Таким образом, 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 значительного перепада 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 заявленном клапанном устройстве винтового забойного двигателя выходящий поток промывочной жидкости формируется с малым гидравлическим сопротивлением, благодаря чему обеспечивается снижение износа, истирания и предотвращение размыва и досрочного разрушения деталей клапанного устройства.

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.

Благодаря конструкции конусного кольцевого выступа 26 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 устройства 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 повышается КПД клапанного устройства и винтового забойного двигателя, повышается 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 диаметр 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, 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.

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;

- повышение герметизации клапанного устройства за счет плотного прижатия свободного конца резиновой манжеты к седлу гильзы;

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