КЛАПАННОЕ УСТРОЙСТВО ВИНТОВОГО ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Предлагаемая полезная модель относится к буровой технике и может быть использована при бурении скважин в составе винтовых забойных двигателей (ВЗД) для заполнения промывочной жидкостью колонны бурильных труб и слива ее из труб в процессе спускоподъемных операций, а также для предотвращения перегрузок героторного механизма ВЗД при бурении путем возможного сброса через предохранительный узел клапана части промывочной жидкости в затрубное пространство со снижением давления над двигателем и последующим восстановлением допустимых параметров режима нагружения ВЗД.
Известна компоновка винтового забойного двигателя (Патент РФ №2120018, 6Е21В 34/02), включающая разделитель потока промывочной жидкости, установленный между ВЗД и колонной бурильных труб, выполненный в виде подпружиненного плунжера с центральным каналом и совмещенного с ним поршнем, размещенных в полости корпуса с, возможностью осевого перемещения и сообщения центрального канала поршня с затрубным пространством посредством радиального проточного отверстия в стенке корпуса в случае необходимости усиленной промывки скважины при работающем двигателе.
Недостатком известной конструкции является быстрый износ и нестабильное перемещение поршня для сообщения центрального канала поршня с затрубным пространством через радиальное проточное отверстие в стенке корпуса в случае шламования всех полостей между корпусом, плунжером и поршнем, что приведет к заеданию плунжера или поршня и не позволит достичь оптимального режима работы ВЗД и вести интенсивную промывку скважины.
Другим недостатком разделителя потока в компоновке с ВЗД является то, что он функционально не может обеспечить слив и заполнение промывочной жидкостью колонны бурильных труб в процессе спускоподъемных операций, создавая тем самым условия гидродинамического воздействия на стенки скважины при спуске ВЗД и разлива промывочной жидкости на площадку буровой при подъеме инструмента.
Известен предохранительный клапан, используемый в компоновке с винтовым забойным двигателем при установке его на верхнем крае полого ротора, обеспечивающий циркуляцию промывочной жидкости через предохранительный клапан и канал в роторе героторного механизма на забой скважины в случае затормаживания вала двигателя (Одновинтовые героторные машины: в 2 т./ Д.Ф.Балденко и др. М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2007. Т.2. Винтовые забойные двигатели. С.97-98.).
Недостатком известного предохранительного клапана ВЗД с уменьшенными диаметральными размерами является нестабильность его срабатывания из-за недостаточного осевого усилия, требуемого для перемещения ступенчатого золотника увеличенной длины и открытия клапана под давлением промывочной жидкости для пропуска ее через радиальные перепускные отверстия корпуса, золотника, а также каналы в золотнике и роторе с целью исключения гидроабразивного износа зубьев ротора и статора героторного механизма в случае затормаживания вала двигателя.
Известен переливной клапан бурильной колонны с ВЗД (патент РФ №2204688, Е21В 34/02, Е21В 21/10), который по техническому решению наиболее близок к заявляемой полезной модели, включающий корпус, плунжер, седло и установленную между ними пружину, причем плунжер размещен внутри седла и образует с ним клапанную ступенчатую пару, имеющую два пояса скольжения различного диаметра, а корпус, седло и плунжер имеют радиальные перепускные отверстия для сообщения центрального канала плунжера с затрубным пространством.
Существенным недостатком известного переливного клапана ВЗД является затормаживание ступенчатого плунжера в седле на поясах скольжения вверх после отключения бурового насоса прижатыми к плунжеру манжетами за счет остаточного перепада давления между внутренней полостью клапана и затрубным пространством до момента выхода радиальных перепускных отверстий плунжера за пределы нижнего пояса скольжения в полость, где размещается пружина, для полной разгерметизации клапанной пары. Это приведет к снижению надежности срабатывания переливного клапана, что к моменту его открытия на ступенчатый плунжер, кроме сил трения манжет о плунжер, действуют неуравновешенные силы, возникающие на торцах ступенчатого плунжера из-за разности давлений промывочной жидкости, находящейся во внутренней полости клапана и в затрубном пространстве. Результирующая сила направлена на плунжер сверху вниз и препятствует действию пружины для перемещения плунжера вверх до упора для открытия клапана.
Другим недостатком известного переливного клапана в компоновке с ВЗД является то, что он функционально не может обеспечить открытие клапана при достижении предельно допустимого перепада давления на героторном механизме ВЗД при его перегрузке для пропуска через радиальные перепускные отверстия корпуса, седла и плунжера промывочной жидкости с целью исключения гидроабразивного износа зубьев ротора и статора героторного механизма в случае затормаживания вала двигателя и необходимостью последующего восстановления допустимого режима нагружения ВЗД.
Предлагаемое техническое решение направлено на обеспечение надежного функционирования клапанного устройства в процессе спускоподъемных операций колонны бурильных труб с ВЗД, предупреждения шламования, а также предотвращения перегрузок героторного ВЗД при бурении путем возможного сброса через предохранительный узел клапана части промывочной жидкости в затрубное пространство со снижением давления над двигателем и последующим восстановлением допустимых параметров режима нагружения ВЗД.
Поставленная задача решается за счет того, что клапанное устройство винтового забойного двигателя, содержащее корпус, седло и плунжер с выполненными в каждом из них радиальными перепускными отверстиями, пружину плунжера, манжеты, уплотнительные кольца и фильтры, согласно полезной модели снабжено золотником и взаимодействующей с ним пружиной золотника, установленными на плунжере и размещенными во внутренней полости седла с возможностью осевого перемещения подпружиненного золотника между упорами относительно седла и плунжера.
Кроме того, в клапанном устройстве согласно полезной модели сопряженные цилиндрические поверхности золотника с седлом выполнены ступенчатыми, причем ступень золотника с меньшей площадью торца взаимодействует с пружиной золотника, а по краям золотника выполнены наружные и внутренние канавки с установленными в них уплотнениями, например манжетами, кроме того, между уплотнениями выполнены радиальные перепускные отверстия, имеющие выход к радиальным перепускным отверстиям, выполненным на корпусе, седле и плунжере.
Размещение подпружиненного золотника, установленного с уплотнениями на плунжере и размещенного во внутренней ступенчатой полости седла с возможностью осевого перемещения между упорами относительно седла и плунжера позволяет в случае превышения допустимого давления над клапаном исключить дальнейшую перегрузку героторного механизма ВЗД при бурении путем перемещения ступенчатого золотника вниз по отношению седла и плунжера до момента сообщения внутренней полости плунжера через промывочные отверстия плунжера и образовавшуюся щель между торцом золотника с радиальными перепускными отверстиями седла со сбросом части промывочной жидкости в затрубное пространство, при этом существенно снизить степень гидроабразивного размыва зубьев статора и ротора заторможенного героторного механизма из-за уменьшения объема прокачиваемой через него промывочной жидкости, тем самым повысить долговечность зубчатой пары «ротор-статор».
На фиг,1 представлен наиболее предпочтительный вариант исполнения клапанного устройства винтового забойного двигателя.
Клапанное устройство винтового забойного двигателя содержит корпус 1 с резьбами 2 и 3 на его краях, седло 4, установленное в корпусе 1, золотник 5, плунжер 6, пружину плунжера 7, манжеты 8, уплотнительные кольца 9, фильтры 10. На золотнике 5 выполнен уступ 11, а на седле 4 упорный уступ 12. Золотник 5 имеет два пояса скольжения с торцом большего диаметра 13 и с торцом меньшего диаметра 14, который взаимодействует с пружиной золотника 15. Пружина золотника 15 удерживается в корпусе 1 шайбой 21. В верхней части плунжера 6 выполнены промывочные отверстия 16 с установленными на нем кольцом 17 и пружиной плунжера 7, которая сопряжена с диском 18.
Седло 4 и втулка 19 закреплены в корпусе 1 гайкой 20. Пружина золотника 15 расположена в расточке корпуса 1 между торцом наименьшего диаметра 14, золотника 5 и шайбой 21.
На плунжере 6, золотнике 5, седле 4 и корпусе 1 соответственно выполнены радиальные перепускные отверстия 22, 23, 24 и 25. Кроме того, на седле 4 образован упорный торец 26 для ограничения хода плунжера 6 вниз.
Клапанное устройство винтового забойного двигателя работает следующим образом.
Для заполнения колонны бурильных труб промывочной жидкостью при спуске ВЗД клапанное устройство включено и поток промывочной жидкости из скважины под давлением поступает во внутреннюю полость труб через радиальные перепускные отверстия корпуса, седла, золотника, плунжера и фильтры. При этом холостого вращения ВЗД и возможности к шламованию не происходит.
При подаче насосом в колонну бурильных труб промывочной жидкости плунжер под давлением перемещается вниз и перекрывает радиальные перепускные отверстия золотника, клапан закрывается, а переток промывочной жидкости в затрубное пространство исключается наличием уплотнений.
При дальнейшем возрастании давления над героторным механизмом происходит запуск ВЗД для осуществления процесса бурения.
В случае, когда момент сопротивления на долоте возрастает под действием осевой нагрузки или в результате перехода в слои породы с большой моментоемкостью для их разрушения соответственно происходит рост перепада давления на героторном механизме, преобразующем гидравлическую энергию потока промывочной жидкости в механическую для преодоления момента сопротивления на долоте. При этом ВЗД может быть перегружен и промывочная жидкость, перетекая через героторный механизм в прежнем объеме под давлением, приведет к утечкам через образовавшиеся щели между зубьями ротора и эластичными зубьями статора, что вызовет гидроабразивный износ зубчатых поверхностей с изменением их геометрической формы и, следовательно, к снижению работоспособного состояния ВЗД.
В предлагаемой полезной модели в случае перегрузки ВЗД под действием осевой силы, возникающей на торце золотника с большей площадью, золотник перемещается вниз до упора в седле, создавая возможность перетоку части промывочной жидкости в образовавшуюся щель между верхним торцом золотника и радиальными перепускными отверстиями седла, снижая тем самым скорость потока абразивной промывочной жидкости через героторный механизм с предотвращением гидроабразивного износа зубьев ротора и статора. При последующем изменении момента сопротивления на долоте с переходом двигателя на рабочий режим в пределах допустимого перепада давления на героторном механизме золотник под действием пружины перемещается относительно плунжера и седла вверх до упора в диск, перекрывая переток жидкости через радиальные перепускные отверстия седла и сливные отверстия плунжера в затрубное пространство. ВЗД переходит на установившийся режим работы.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет осуществлять процесс бурения винтовым забойным двигателем с исключением работы героторного механизма в режиме перегрузок за счет сброса части промывочной жидкости через клапанное устройство в затрубное пространство для последующего восстановления допустимого режима нагружения ВЗД, что значительно увеличивает долговечность ВЗД.