RU2023848C1

RU2023848C1 - Bottom hole engine lubrication protection system

Info

Publication number: RU2023848C1
Authority: RU
Inventors: Ю.Р. Иоанесян; Б.В. Кузин; В.С. Лапавок; Г.М. Таиров; В.А. Филимонов
Original assignee: Иоанесян Юрий Роленович; Кузин Борис Владимирович; Лапавок Владимир Саулович; Таиров Гасан Мурадович; Филимонов Виктор Алексеевич
Priority date: 1991-03-07
Filing date: 1991-03-07
Publication date: 1994-11-30

Abstract

FIELD: drilling. SUBSTANCE: lubrication protection system has body 2, that forms lubricant filled chamber 1. Its lower part has gaskets 4 and 5, over which piston 9 of lubricator 3 is mounted with protecting block, made as spring-loaded auxiliary piston 12 with gasketing member. Piston 12 is placed in piston 9, which has conjugating cylindrical and conical reducing surfaces and conical surface faces over piston cavity 10. Auxiliary piston 12 is mounted in piston of lubricator and is capable to arrange communication of lubricant filled chamber 1 with over piston cavity 10, that is connected with lubricant running cavity 8 by canal 11. EFFECT: bottom hole engine lubrication protection system is used in drilling of deep and superdeep wells for gas and oil. 4 dwg

Description

Изобретение относится к буровой технике, а именно к забойным двигателям для бурения глубоких и сверхглубоких скважин. The invention relates to drilling equipment, namely to downhole motors for drilling deep and superdeep wells.

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. A well-known oil protection system for a downhole motor is provided, including a housing forming an oil-filled chamber located in its lower part of the seal and a piston lubricator mounted above the seals, the over-piston cavity of which is connected to the flow cavity by a channel, in the lubricator piston between the sealing elements there is a radial hole, the lubricator cylinder on the inner surface in the upper part has a bore, and the piston is spring loaded and / or has a check valve installed with the possibility of overlapping it for ceiling elements holes.

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. However, when the engine is operating in the well, its piston lubricator contacts the drilling fluid, which contains a large number of chemicals, under the influence of which the piston sealing element can swell. When the engine is reentered into the well, the spring force may not be sufficient to overcome the resistance when the swollen sealing element enters the cylinder mirror. As a result of this, as the engine is lowered into the well, the hydrostatic pressure in the well becomes equalized not through the lubricator of the oil system, but through the sealing surfaces of the oil seals forced to open. Drilling fluid will enter the oil system, which adversely affects the working bodies of the gear mechanism.

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. When the engine starts down again, when the lubricator piston is in the cylinder mirror, centrifugal forces on the upper part of the cylinder mirror in contact with the drilling fluid precipitate dense particles of cuttings. When the engine is turned on at the beginning of its operation as a result of heating the oil, the pressure in the chamber rises. Since it is difficult for the piston to move the dense crust, the “spell” of the piston comes off, that is, it stops moving upwards, then the increase in pressure will put an additional burden on the stuffing box, and this may affect their durability. In addition, the piston “spell” does not allow refueling (full or partial change of used oil in the crankcase) of the engine with oil at the drilling site.

Указанные недостатки системы маслозащиты приводят к снижению надежности и долговечности двигателя. These disadvantages of the oil protection system lead to a decrease in the reliability and durability of the engine.

Цель изобретения - повышение надежности системы и облегчение эксплуатации двигателя. The purpose of the invention is to increase the reliability of the system and facilitate the operation of the engine.

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. This goal is achieved by the fact that in the oil protection system of a downhole motor, including a housing forming an oil-filled chamber located in its lower part of the seal and a lubricator piston with a safety assembly located above the seals, the supra-piston cavity communicating with the cavity by a channel, the safety assembly is made in the form spring-loaded additional piston with a sealing element located in the piston of the lubricator, in which the mating cylindrical and conical seals are made body surface, the tapered surface facing in the cavity above the piston and the auxiliary piston is installed in the piston lubricator to communicate with the oil-filled chambers above the piston cavity.

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. In FIG. 1 shows an embodiment of an oil protection circuit of a multiplier (gear mechanism) of a downhole motor, in which a safety assembly is located in the piston of the lubricator coaxially with the motor shaft; in FIG. 2 is a section AA in FIG. 1; in FIG. 3 and 4 - node I in FIG. 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). The system includes an oil-filled chamber 1, in which are sealed engine assemblies (not shown). The chamber 1 is limited by the gear housing 2, which is a high-speed shaft (carrier body), on top of the piston lubricator 3, on the bottom seals (seals) 4 and 5; it includes a slow-moving hollow shaft 6. The entire system is located in the downhole motor housing 7. Between the motor housing 7 and the gear housing 2 an annular space (flow cavity) 8 is formed along which the working fluid moves (the direction of its movement is shown by arrows).

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. The piston 9 of the lubricator 3 with its outer end faces the mortar (supra-piston) cavity 10, which is connected with the channel 11 with the flow cavity 8. A safety unit is located in the piston 9 of the lubricator 3.

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. The safety assembly consists of a piston 12 with a sealing element 13 and a spring 14, which presses the piston 12 against the baffle 15, in which there are holes 16. In the lower part of the piston 12 there are longitudinal grooves 17. At a certain position of the piston 12, thanks to the longitudinal grooves 17 in it and the holes 16 in the partition 15 oil-filled chamber 1 and the mortar cavity 10 communicate with each other.

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. The sealing cylindrical surface in the piston 9, commensurate in width with the sealing element 13 and equal to l, in the upper part facing the mortar cavity 10 passes into the conical sealing surface 18.

Система работает следующим образом. The system operates as follows.

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. The gearbox chamber 1 is filled with oil in the vertical position (with the lubricator end up) through the oil filling unit (not shown) located in the lower part of the hollow low-speed shaft 6. Before filling, the piston 9 of the lubricator 3 is in its intermediate position, and the piston 12 of the safety unit is the elastic force of the spring 14 is pressed against the partition 15 and with its sealing element 13 seals the cylindrical surface of the piston 9 of width 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. When oil is pumped into the chamber 1, the piston 9 of the lubricator 3 begins to move upward, overcoming the friction resistance of the piston 9 against the cylinder wall of the lubricator 3. Only after the piston 9 of the lubricator 3 reaches its extremely upper position, the piston 12 of the safety unit comes into motion , since the selected elastic force of the spring 14 creates a specific pressure on the piston 12, greater than the necessary pressure on the piston 9 of the lubricator 3, to overcome the resistance to movement of the piston 9 along the mirror of the cylinder of the lubricator Ator 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. After the sealing element 13 of the piston 12 from the piston 9 exits, the oil from the chamber 1 through the holes 16 in the baffle 15 and the longitudinal grooves 17 in the piston 12 enters the solution cavity 10. At this, the injection of the chamber 1 with oil is stopped. Immediately after the oil injection ceases, the elastic force of the spring 14 returns the piston 12 to the piston 9. The piston 12 with a sealing element 13 seals the surface of the piston 9 with a width l, then the chamber 1 and the solution cavity 10 are reliably separated.

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. When the engine is lowered into the well, the abrasive working fluid contained in it, from the flowing cavity 8 formed by the motor housing 7 and the gear housing 2, fills the solution cavity 10 through the channel 11. The fluid through the piston 9 of the lubricator 3 acts on the oil-filled chamber 1, aligning it the pressure to hydrostatic in the well, therefore, the pressure on the sealing surfaces of the seals 4 and 5, both from the external, from the side of the flow cavity 8, and from the internal, from the oil-filled chamber 1, are equalized (optimally condition for seals - besperepadnoe). At this stage of operation of the engine, the piston 12 of the safety assembly is pressed against the baffle 15 by the elastic force of the spring 14, reliably separating the chamber 1 and the cavity 10, since two other forces from hydrostatic pressure are equal in magnitude and acting on the ends of the piston 12 from the side of the cavity 10 and the chamber 1 are directed towards each other.

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. When the engine is running when the working fluid is supplied, the sealing units and gear shafts of the downhole motor are driven, the oil in the chamber 1 begins to warm up and expand. Due to the thermal expansion of the oil, an excess pressure appears in the oil protection system with respect to the pressure of the working fluid in the flow cavity 8. The piston 9 of the lubricator 3 moves to the upper position. After that, as the pressure increases in the chamber 1, when the force from it becomes more than the elastic force of the spring 14, the piston 12 of the safety unit starts to move up. The force of resistance to movement of the piston 12 can be ignored, since it is negligible in comparison with the elastic force of the spring 14 of the safety unit. As soon as the sealing element 13 leaves the piston 9, the heated oil from the chamber 1 through the holes 16 in the baffle 15, the groove 17 in the piston 12 enters the cavity 10. Due to this, the pressure in the chamber 1 does not increase.

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. As soon as the operating mode of the engine is established and the heating of the oil is stopped, the oil overflow from the chamber 1 will also stop. The pressure of the heated oil in the chamber 1 and the pressure in the flow chamber 8 will equalize and under the action of the spring 14 the piston 12 will again enter the housing, sealing its surface with a width l , and the chamber 1 will be reliably isolated from the abrasive working fluid. Consequently, the optimal condition for the operation of gaskets 4 and 5 (equal pressure on the sealing surfaces of the gaskets from both the inside and the outside) will not be violated.

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. When the supply of the working fluid is stopped and the engine is stopped, the oil cools and decreases in volume and the oil pressure in the chamber 1 starts to fall. Since the hydrostatic pressure in the flow cavity 8 is greater, it will be transmitted through the channel 11 to the solution cavity 10, acting on the piston 9 of the lubricator 3, which will begin to fall down. The pressure in the chamber 1 and the solution cavity 10 are equalized. In this case, the piston 12 of the safety assembly is stationary, the elastic force of the spring 14 is pressed against the partition 15, and the sealing element 13 divides the chamber 1 and the cavity 10.

В процессе работы двигателя в результате влияния химреагентов, содержащихся в буровом растворе, уплотнительный элемент 13 набухает, увеличиваясь в размерах. In the process of engine operation as a result of the influence of chemicals contained in the drilling fluid, the sealing element 13 swells, increasing in size.

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. When the engine is re-launched into the well, the piston 12 with an enlarged compared to the original sealing element 13, for example, after overflowing the superheated oil, can no longer enter the cylindrical sealing surface of the housing, since the elastic force of the spring 14 is not enough. Then the piston 12 with the enlarged sealing element 13, as it were, hangs on the conical surface 18. After that, in all operating modes of the safety unit (refueling, hydrostatics, engine operation, refueling), the sealing surface for the piston 12 with the sealing element 13 is the conical surface 18. When when the engine is turned on and off again, the indicated cycles (monitoring the pressure equalization using the lubricator 3 and the safety unit) are repeated.

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.Thus, during operation of the engine, depending on the state of its sealing element 13 in the piston 9, the sealing surface is at the beginning a cylindrical surface of width l equal to the width of the sealing element 13, and then conical with an angle α at an apex lying in the range 0 <α <90 ^° , and these two surfaces in the piston 9 of the safety unit are arranged so that the cylindrical goes into conical, and the latter faces into the mortar cavity 10. The combination of two sealing surfaces, their location is op timally.

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. At the beginning of engine operation, when the conical surface in the housing of the safety unit is free, it is possible for the abrasive particles to settle from the solution. However, before the conical surface becomes sealing, it is abundantly washed by a stream of a heated stream of oil from the chamber, which flushes abrasive particles from its surface, as if preparing it for official purposes. The width l of the sealing cylindrical surface is chosen so as to avoid a free initial surface (for example, what happens when the lubricator piston is in the intermediate position during engine operation), on which the abrasive crust may settle out of solution.

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. The optimum angle at the apex within the specified range of the conical sealing surface is selected from the operating conditions of the engine, i.e., the temperature regime, the composition of the drilling fluid, the material of the sealing element.

Claims

BOTTOM ENGINE OIL PROTECTION SYSTEM, including a housing forming an oil-filled chamber located in its lower part of the seal and a lubricator piston with a safety assembly located above the seals, the over-piston cavity being connected to the flow cavity by a channel, characterized in that, in order to increase the reliability of the system and facilitate operation of the engine, the safety unit is made in the form of a spring-loaded additional piston with a sealing element located in the piston of the lubricator, in which m are made conical and cylindrical mating sealing surface, the tapered surface facing in the cavity above the piston and the auxiliary piston is installed in the piston lubricator to communicate with the oil-filled chambers above the piston cavity.