Клапан для управления циркуляцией в бурильной колонне

Полезная модель относится к нефтегазовой промышленности и может быть применена для строительства глубоких нефтяных и газовых скважин, а именно к клапанам бурильной колонны, обеспечивающим управление направления бурового раствора.
Это устройство выборочной подачи текучей среды в ствол скважины, а именно к клапанам бурильной колонны, обеспечивающим управление направлением бурового раствора.
Известен циркуляционный переводник бурильной колонны (патент RU №2440482, МПК Е21В 21/10, опубл. 20.01.2012), включающий трубчатый корпус, снабженный внешним отверстием, ступенчатый золотник, установленный с возможностью скольжения внутри трубчатого корпуса, внутреннее расходное отверстие, проходящее через трубчатый корпус и ступенчатый золотник, через которое проходит первичная траектория движения текучей среды, при этом ступенчатый золотник имеет первое положение, в котором внешнее отверстие выполнено перекрываемым от первичной траектории движения текучей среды, и второе положение, в котором блокируется первичная траектория движения текучей среды и открывается внешнее отверстие для обхода указанной траектории между расходным отверстием и кольцевым зазором ствола скважины, и делительный механизм, установленный между трубчатым корпусом и ступенчатым золотником для направления золотника между первым и вторым положением.
В известной конструкции циркуляционного переводника бурильной колонны управление траекторией движения текучей среды происходит через уменьшение или прерывание потока бурового раствора (циркуляции) к скважинному инструменту, приводящее к переустановке делительного устройства и изменению направления подачи текучей среды при последующем увеличении или возобновлении циркуляции. Для создания необходимого для работы делительного механизма усилия от давления промывочной жидкости на золотнике используется шар, сбрасываемый или выпускаемый в бурильную колонну и переносимый буровым раствором до седла ступенчатого золотника.
Сбрасывание шара однократное - для перехода из транспортного положения в проходное (исходное). В последующем шар остается на седле инструмента до его извлечения.
Недостатком известной конструкции является необходимость учитывать количество изменений циркуляции, обязательно происходящей при наращивании бурильных труб, для определения текущего состояния делительного механизма и траектории подачи текучей среды.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому решению является циркуляционный переводник (см. патент RU №155225, МПК Е21В 21/10, опубл. 27.09.15 г.), который принят за прототип и содержит трубчатый корпус, снабженный внешними отверстиями, ступенчатый золотник с радиальными отверстиями, пружину, седло, пробки, внутреннее расходное отверстие, проходящее через трубчатый корпус и ступенчатый золотник, через которое проходит первичная траектория движения текучей среды, при этом ступенчатый золотник имеет первое положение, в котором внешние отверстия и радиальные отверстия перекрыты, и второе положение ступенчатого золотника, в котором блокируется первичная траектория движения текучей среды, а радиальные и внешние отверстия сообщаются для поступления всего объема текучей среды в кольцевой зазор ствола скважины. Шары содержат не менее одного деформируемого шара блокирования и не менее одного жесткого шара деактивации, при этом сечение деформируемого шара блокирования превышает сечение внешнего отверстия трубчатого корпуса на 3-15%, сечение жесткого шара деактивации на 0,8-15% больше сечения радиальных отверстий ступенчатого золотника, содержит устройство приема шаров, упор трубчатого корпуса, дроссельный диск между пружиной и торцом ступенчатого золотника.
Недостатками устройства-прототипа являются сложность конструкции и недостаточная долговечность уплотняющих элементов и, как следствие, недостаточная долговечность и надежность всей конструкции.
Техническая проблема, решаемая с помощью предлагаемой полезной модели, состоит в расширении арсенала средств определенного назначения решается путем создания технического решения, охарактеризованного в формуле полезной модели, альтернативного известному решению по патенту №155225.
Техническая проблема решается с помощью признаков указанных в 1 пункте формулы полезной модели, общих с прототипом, таких как клапан для управления циркуляцией в бурильной колонне, содержащий трубчатый корпус, снабженный внешними отверстиями, ступенчатый цилиндр с радиальными отверстиями, установленный с возможностью скольжения внутри корпуса, верхний конец цилиндра имеет седло под закрывающие элементы - сбрасываемые шары, внутреннее расходное отверстие, проходящее через корпус и цилиндр, уплотняющие элементы, пружину, пробки с осевыми отверстиями, устройство приема шаров, при этом через расходное отверстие ступенчатого цилиндра проходит первичная траектория движения бурового раствора, причем ступенчатый цилиндр имеет первое положение, в котором внешние отверстия и радиальные отверстия перекрыты, и второе положение ступенчатого цилиндра, в котором блокируется первичная траектория движения бурового раствора, а радиальные отверстия ступенчатого цилиндра и внешние отверстия трубчатого корпуса сообщаются для поступления всего объема бурового раствора в кольцевой зазор между буровой трубой и стенкой скважины, и отличительных, существенных признаков, таких как клапан содержит не менее одного деформируемого шара, сечение которого превышает сечение внутреннего отверстия седла на величину деформации, которая, в свою очередь, определяется материалом шара и действием на шар перепада давления бурового раствора между центральным отверстием буровой колонны и кольцевым зазором между буровой трубой и стенкой скважины, и металлических шаров в количестве не менее количества внешних отверстий трубчатого корпуса, причем предпочтительно сечение металлического шара больше сечения радиальных отверстий ступенчатого цилиндра, но на 5%-20% меньше диаметра внутреннего отверстия седла, при этом уплотняющие элементы установлены в двух поясах: на ступенчатом цилиндре выше радиальных отверстий и в трубчатом корпусе ниже внешних радиальных отверстий, при этом трубчатый корпус имеет две концевые и одну среднюю соединительные резьбы.
Согласно пункту 2 формулы полезной модели деформируемые шары выполнены из резины.
Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - упрощение конструкции, ее ремонтопригодность, упрощение управления траекторией подачи текучей среды, надежность и удобства в эксплуатации.
Ниже раскрывается причинно-следственная связь отличительных признаков полезной модели с достигаемым техническим результатом.
В предлагаемой полезной модели клапана для управления циркуляцией в бурильной колонне шары содержат не менее одного деформируемого шара первого типа, что позволяет удерживать ступенчатый поршень в положении, когда радиальные и внешние отверстия сообщаются, и повысить надежность работы устройства.
В предлагаемой полезной модели шары содержат шары второго типа в количестве не менее количества внешних отверстий, позволяющих создавать необходимый для продавливания шаров первого типа перепад давления, что повышает надежность работы устройства.
В предлагаемой полезной модели сечение шара первого типа превышает сечение осевого отверстия ступенчатого цилиндра на расчетную величину, зависящую от материала шара первого типа, действием на шар перепада давления бурового раствора между центральным отверстием буровой колонны и кольцевом зазором между буровой трубой и стенкой скважины, что позволяет до использования шаров второго типа давления удерживать шар седлом и повысить надежность работы устройства. Сечение деформируемого шара является оптимальным и выбрано опытным путем.
В предлагаемой полезной модели сечение шара второго типа больше сечения радиальных отверстий ступенчатого цилиндра, что обеспечивает прекращение циркуляции через внешние радиальные отверстия трубчатого корпуса и рост давления и повышает надежность работы устройства.
В предлагаемой полезной модели сечение шара второго типа на 5%-20% меньше сечения диаметра внутреннего отверстия седла, что обеспечивает беспрепятственное перемещение шаров второго типа через седло и осевое отверстие ступенчатого поршня при отсутствии шара первого типа и повышает надежность работы устройства. Сечение металлического шара является оптимальным и выбрано опытным путем.
В предлагаемой полезной модели уплотняющие элементы, предназначенные для исключения перетекания бурового раствора во внешние радиальные отверстия при первом положении ступенчатого цилиндра и перетекания бурового раствора ниже ступенчатого цилиндра при втором положении ступенчатого цилиндра, расположены в двух поясах: на ступенчатом цилиндре выше радиальных отверстий и в трубчатом корпусе ниже внешних радиальных отверстий, что исключает перемещение уплотняющих элементов через кромки внешних радиальных отверстий трубчатого корпуса при перемещении ступенчатого цилиндра между первым и вторым положением и повышает надежность работы устройства.
Предлагаемая конструкция клапана для управления циркуляцией в бурильной колонне позволяет повысить надежность работы путем установки уплотняющих элементов в двух поясах: на ступенчатом цилиндре выше радиальных отверстий и в трубчатом корпусе ниже внешних радиальных отверстий, что исключает перемещение уплотняющих элементов через кромки внешних радиальных отверстий трубчатого корпуса при перемещении ступенчатого цилиндра между первым и вторым положением, а также упростить управление траекторией подачи бурового раствора в скважину, сделав его независимым от количества изменений циркуляции.
Иное расположение уплотнений, чем в прототипе, увеличивает срок службы уплотнений и конструкцию клапана в целом.
Наличие средней соединительной резьбы корпуса упрощает эксплуатацию и ремонт клапана.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется следующими чертежами.
На фиг. 1 изображен клапан для управления циркуляцией в бурильной колонне в исходном положении.
На фиг. 2 изображен клапан для управления циркуляцией в бурильной колонне в активированном положении.
На фиг. 3 изображен клапан для управления циркуляцией в бурильной колонне на этапе деактивации.
На фиг. 4 изображен клапан для управления циркуляцией в бурильной колонне после перехода в исходное положение.
Клапан для управления циркуляцией в бурильной колонне (фиг. 1) содержит трубчатый корпус 1, снабженный внешними отверстиями 2, ступенчатый цилиндр 3 с радиальными отверстиями 4, установленный с возможностью скольжения внутри корпуса 1, верхний конец 6 цилиндра 3 имеет седло 5 под закрывающие элементы - сбрасываемые шары 13, 14 (фиг. 3), внутреннее расходное отверстие 9, проходящее через корпус и цилиндр, уплотняющие элементы 7, 8, пружину 10, пробки 11 с осевыми отверстиями 12, устройство приема шаров 15, при этом через расходное отверстие 9 ступенчатого цилиндра 3 проходит первичная траектория движения бурового раствора, причем ступенчатый цилиндр 3 имеет первое положение, в котором внешние отверстия и радиальные отверстия перекрыты, и второе положение ступенчатого цилиндра, в котором блокируется первичная траектория движения бурового раствора, а радиальные отверстия ступенчатого цилиндра и внешние отверстия трубчатого корпуса сообщаются для поступления всего объема бурового раствора в кольцевой зазор между буровой трубой и стенкой скважины.
Клапан содержит не менее одного деформируемого шара 13 из резины, сечение которого превышает сечение внутреннего отверстия седла 5 на величину деформации, которая, в свою очередь, определяется материалом шара и действием на шар перепада давления бурового раствора между центральным отверстием буровой колонны и кольцевым зазором между буровой трубой и стенкой скважины, и жестких, например, металлических шаров 14 в количестве не менее количества внешних отверстий 2 трубчатого корпуса 1, причем предпочтительно сечение металлического шара больше сечения радиальных отверстий 4 ступенчатого цилиндра, но на 5%-20% меньше диаметра внутреннего отверстия седла 5. Уплотняющие элементы 7, 8 установлены в двух поясах: на ступенчатом цилиндре выше радиальных отверстий 4 и в трубчатом корпусе ниже внешних радиальных отверстий 2. Уплотнения препятствуют утечкам бурового раствора в зазор между трубчатым корпусом 1 и большим диаметром ступенчатого цилиндра.
Трубчатый корпус 1 имеет две концевые 17, 18 и одну среднюю 19 соединительные резьбы и уступ 16. Для исключения проворачивания ступенчатого цилиндра 3 он имеет продольный паз 20, в который входит направляющий винт 21, закрепленный в трубчатом корпусе 1. Ход L - расстояние, проходимое ступенчатым цилиндром 3 до уступа 16 трубчатого корпуса 1 (фиг. 1).
Устройство приема шаров 15 представляет собой трубчатый накопитель, внутренний диаметр которого больше диаметра шаров, с обводным каналом.
При работе в клапане для управления циркуляцией в бурильной колонне образуются каналы А, В, С, D, Е, F (фиг. 1). Канал Е - обводной и позволяет обеспечить проток бурового раствора при заполнении устройства приема шаров управляющими шарами (фиг. 4). Канал G (фиг. 2) соединяется с кольцевым зазором между буровой трубой и стенкой скважины (не показан).
Клапан для управления циркуляцией в бурильной колонне (фиг. 1) состоит из трубчатого корпуса 1 с внешними радиальными отверстиями 2, проходящими через пробки с осевыми отверстиями. Сквозное внешнее отверстие 2 имеет самое минимальное сечение в пробке. Трубчатый корпус 1 имеет концевые 17, 18 присоединительные резьбы и среднюю соединительную резьбу 19. Внутри трубчатого корпуса 1 с возможностью скольжения установлен ступенчатый цилиндр 3. В ступенчатом цилиндре 3 ниже радиальных отверстий 4 установлено седло 5 с внутренним отверстием. На ступенчатом цилиндре 3 выше радиальных отверстий 4 и в трубчатом корпусе ниже внешних радиальных отверстий 2 установлены уплотнения 7, препятствующие утечкам бурового раствора в зазор между трубчатым корпусом 1 и большим диаметром ступенчатого цилиндра 3. Трубчатый корпус 1 имеет уступ 16. Пружина 10 установлена на малом диаметре ступенчатого цилиндра 3. Для исключения проворачивания ступенчатого цилиндра 4 он имеет продольный паз 20, в который входит направляющий винт 21, закрепленный в трубчатом корпусе 1. Ход L - расстояние, проходимое ступенчатым цилиндром 3 до уступа 16 трубчатого корпуса 1.
Управление клапана происходит при помощи управляющих шаров, выполненных в виде шара первого типа 13 (фиг. 2) и шаров второго типа 14 (фиг. 3). Ниже цилиндра по концевой резьбе прикреплено устройство приема шаров 15 (фиг. 1). При работе в клапане для управления циркуляцией в бурильной колонне образуются каналы А, В, С, D, Е, F (фиг. 1). Канал Е - обводной и позволяет обеспечить проток бурового раствора при заполнении устройства приема шаров управляющими шарами (фиг. 4). Канал G (фиг. 2) соединяется с кольцевым зазором между буровой трубой и стенкой скважины (не показан).
Клапан для управления циркуляцией в бурильной колонне работает следующим образом.
Клапан для управления циркуляцией в бурильной колонне, в ходе работы, может находиться в одном из трех состояний: исходное (фиг. 1), активированное (фиг. 2) и этап деактивации (фиг. 3), возвращающий клапан в исходное состояние (фиг. 4).
В исходном состоянии клапана для управления циркуляцией в бурильной колонне (фиг. 1) ступенчатый цилиндр 3 находится в первом положении, весь поток бурового раствора направлен на выход трубчатого корпуса 1 по каналу А-В-С и далее через устройство приема шаров 15 по каналам D-E-F на выход клапана, образуя первичную траекторию текучей среды, сообщение внутренней полости клапана с кольцевым зазором между буровой трубой и стенкой скважины (не показано) исключено. Для перехода в активированное положение, в бурильную колонну (не показано) сбрасывается шар первого типа 13 (фиг. 2), диаметр которого превышает диаметр внутреннего отверстия седла 5 на расчетную величину, зависящую от материала шара первого типа, действием на шар перепада давления бурового раствора между центральным отверстием буровой колонны и кольцевом зазором между буровой трубой и стенкой скважины, который переносится буровым раствором до седла 5 ступенчатого цилиндра 3, после посадки шара первого типа 13 на седло 5 отсекаются нижележащие каналы B-C-D-E-F, вызывая рост давления над седлом 5, приводящего к сжатию пружины 10 и перемещению ступенчатого цилиндра 3 до соприкосновения нижнего торца ступенчатого цилиндра 3 с уступом 16 трубчатого корпуса 1. При нахождении ступенчатого цилиндра 3 во втором положении радиальные отверстия 4 в ступенчатом цилиндре 3 и внешние радиальные отверстия 2 в трубчатом корпусе 1 соединяются, образуя канал A-G, соединяющий внутреннее пространство бурильных труб с кольцевым зазором между буровой трубой и стенкой скважины (не показано). Для возвращения клапана в исходное состояние применяют металлические шары второго типа 14 (фиг. 3, 4) в количестве, соответствующем количеству внешних радиальных отверстий 2 трубчатого корпуса 1, сбрасываемые в бурильную колонну и переносимые буровым раствором до радиальных отверстий 2 (фиг. 1) в ступенчатом цилиндре 3. При нахождении клапана в блокированном положении (фиг. 3) металлические шары второго типа 14 (фиг. 3) перекрывают радиальные отверстия 2 ступенчатого цилиндра 3 и вызывают рост давления, приводящий к проталкиванию шара первого типа 3 (фиг. 2) через седло 5. После прохода шара первого типа 13 через седло 5 и осевое отверстие ступенчатого цилиндра 3 давление бурового раствора над седлом 5 снижается, и пружина 10 возвращает ступенчатый цилиндр 3 в первое положение. Клапан переходит в исходное состояние. Металлические шары второго типа 14, сечение которых на 5%-20% меньше сечения внутреннего отверстия седла 5, под действием потока бурового раствора проходят через седло 5 и осевое отверстие ступенчатого цилиндра. Шары первого типа 13 (фиг. 4) и шары второго типа 14 проходят вниз по каналам B-C-D и задерживаются устройством приема шаров 15.
Устройство приема шаров 15 имеет обводной канал Е (фиг. 1). Прямой поток бурового раствора через каналы D-F, по мере смены режимов работы циркуляционного переводника, перекрывается управляющими шарами, и буровой раствор проходит по каналам D-E-F (фиг. 4).
При переходе ступенчатого цилиндра 3 между первым и вторым положением, уплотняющие элементы 7, исключающие перетекание бурового раствора во внешние радиальные отверстия 2 при первом положении ступенчатого цилиндра 3 и перетекания бурового раствора ниже ступенчатого цилиндра 3 при втором положении ступенчатого цилиндра, не перемещаются через кромки внешних радиальных отверстий 2 и не испытывают циклических изменений усилия сжатия уплотняющих элементов.
Из описания и практического применения настоящей полезной модели специалистам будут очевидны и другие частные формы ее выполнения. Данное описание и чертежи рассматриваются как материал, иллюстрирующий полезную модель, сущность которой и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле полезной модели, совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.