ШАРОВОЙ КРАН БОКОВОГО ПОРТА НЕПРЕРЫВНОЙ ПРОМЫВКИ СКВАЖИН
BALL VALVE OF CONTINUOUS WELL FLUSHING SIDE PORT

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин, в том числе наклонно направленных и горизонтальных, строительство которых производится на суше и на море.
Непрерывная промывка скважин, предполагающая циркуляцию бурового раствора не только в процессе бурения скважины, но и при наращивании и подъеме бурильной колонны, является в настоящее время востребованным технологическим режимом. Особенно она эффективна при наличии или риске осложнений в стволе скважины, при бурении длинных горизонтальных стволов и наклонных скважин с большим отходом от вертикали, при бурении с контролем давления, бурении на депрессии и в других случаях.
Для организации непрерывной промывки скважины используется встроенный в колонну бурильных труб специальный переводник (Переводник для Непрерывной Промывки - ПНП), в котором размещается клапан (или несколько клапанов-кранов), перенаправляющий и перераспределяющий поток бурового промывочного раствора, а в боковой стенке этого переводника имеется отверстие - боковой порт, через которое эпизодически производится промывка скважины. Чтобы обеспечить непрерывную циркуляцию, модифицируется также гидравлическая система промывки - кроме обычной (основной) линии промывки, когда буровой раствор поступает в скважину через вертлюг на верхнем конце бурильной колонны (через верхнюю трубу), создается байпасная линия промывки, для подачи бурового раствора в скважину через боковой порт.
Одна из таких систем непрерывной промывки (СНП) разработана компанией Managed Operations International Ltd (МРО) - Non Stop Driller Continuous Circulation System и представлена на сайте компании www.managed-pressure.com. В этой системе, рассматриваемой в качестве аналога, ПНП оборудован двумя клапанами - шаровой запорный кран перекрывает поток бурового раствора через верхнюю трубу, а другой кран, конструкция которого напоминает заслонку, открывает-закрывает боковой порт, обеспечивая подачу бурового раствора в скважину через байпасную линию промывки. В процессе бурения кран бокового порта закрыт, верхний шаровой запорный кран открыт и промывка скважины производится через верхнюю трубу бурильной колонны. При наращивании (или при подъеме, когда труба удаляется из бурильной колонны) к боковому порту ПНП подсоединяется байпасная линия, открывается кран бокового порта, а запорным шаровым краном перекрывается поток промывочной жидкости через верхнюю трубу, которую можно теперь отсоединить от бурильной колонны и произвести наращивание. Промывка скважины при этом не прерывается и производится через байпасную линию. После наращивания краны в ПНП в обратном порядке переводятся в прежнее положение, байпасная линия отсоединяется и промывка скважины возобновляется через верхнюю трубу бурильной колонны.
Наиболее существенный недостаток рассмотренного аналога - сложная конструкция и низкая эксплуатационная надежность крана бокового порта в сравнении, например, с шаровым запорным краном в том же ПНП.
Наиболее близкое техническое решение к заявляемому, принятое за прототип, представлено в патенте US 8201804 В2 от 19 июня 2012 года, автора Semen J Strazhgorodskiy, где описывается трехходовой шаровой кран, совмещающий в себе функции обоих кранов, рассмотренных в аналоге выше. Принцип действия этого шарового крана в составе ПНП 1 иллюстрируется Фиг. 1. Основой крана является шар 2 с двумя отверстиями - сквозным осевым и боковым отверстием, перпендикулярным осевому и соединенным с ним. При бурении шар 2 находится в положении 1 (см. Фиг. 1а), промывка скважины производится через верхнюю трубу, через сквозное осевое отверстие шара. Боковое отверстие шара при этом заглушено; так же заглушен поверхностью шара боковой порт ПНП 3. При наращивании к боковому порту ПНП 3 подводится байпасная линия промывки 4, шар 2 переводится в положение 2 (см. Фиг. 16), перекрывая поток бурового раствора через верхнюю трубу и одновременно открывая боковой порт, через который продолжается промывка скважины из байпасной линии. После наращивания, производя эти же действия в обратной последовательности - соединяя верхнюю трубу с ПНП и подавая через нее буровой раствор, переводя шаровой кран в положение1, прекращая подачу бурового раствора через боковой порт и отсоединяя байпасную линию, восстанавливается режим бурения без прерывания промывки скважины.
Основные недостатки прототипа связаны с конструкцией шарового крана, которая схематично показана на Фиг. 2 (рисунок скопирован из соответствующего патента).
Шаровой кран собирается в ПНП 1, в котором имеется боковой порт 3 и отверстие 5 для управления через него механизмом поворота шара 6. В отверстие бокового порта 3 закручивается заглушка-пробка 7, исключающая неконтролируемую утечку из него бурового раствора при нарушении герметичности шарового крана. Шар 2 вставляется в цилиндрический корпус 8 и располагается там между шайбами 9 и 10, на торцах которых, обращенных к шару, имеются кольцевые уплотнители, плотно прилегающие к гладкой поверхности шара и обеспечивающие герметичность этих соединений как в статике, так и при вращении шара в корпусе 8. Шайбы, кольцевые уплотнители и упругие элементы 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 и 17 обеспечивают целостность сборки шарового крана в ПНП 1 и требуемый прижим кольцевых уплотнителей к поверхности шара 2, обеспечивающий герметичность шарового крана.
Принципиальный недостаток этого шарового крана - необходимость размещения шара 2 внутри цилиндрического корпуса 8, поэтому внутренний диаметр корпуса должен быть больше диаметра шара (иначе он туда ни сверху ни снизу не пролезет). Поэтому, чтобы герметизировать боковые отверстия в шаре, используются специальные накладки 18 и 19, внутренняя поверхность которых выполнена в виде шарового углубления, на поверхности которых имеются кольцевые канавки, куда вставляются кольцевые уплотнители. Внешняя поверхность этих накладок цилиндрическая и вписывается в цилиндрическую стенку корпуса 8; накладки крепятся к корпусу упругими разрезными кольцами 20 и 21. При достаточном прижиме гладкая поверхность шара будет плотно прилегать к кольцевым уплотнителям в шаровых углублениях на внутренних стенках накладок, обеспечивая герметичность шарового крана со стороны бокового порта ПНП 3. Герметичность зазоров между внешней стороной накладок и внутренней стенкой ПНП 1 обеспечивается специальными резиновыми уплотнителями, канавки под которые имеются на внешней стороне накладок. Надежность такой "ступенчатой" герметизации, особенно герметизации внешней, цилиндрической стороны накладок, при длительном функционировании ПНП при высоком давлении бурового раствора, больших скоростях потока, наличии в нем песка и твердой фазы, в широком диапазоне температуры, при непрерывном ударном и вибрационном механическом воздействии будет недостаточной для длительной эксплуатации этого шарового крана. Кроме этого, за счет многофункциональности рассмотренного шарового крана, т.е. совмещения в нем функций двух кранов - обычного запорного шарового крана и крана для бокового порта, его конструкция значительно усложнилась, что также приводит к снижению его эксплуатационной надежности.
Для устранения указанных недостатков прототипа предлагается использовать в ПНП шаровой кран бокового порта, в котором для упрощения конструкции и повышения эксплуатационной надежности шар выполнен усеченным, ограниченным сверху и снизу параллельными плоскостями, расположенными перпендикулярно оси сквозного отверстия по обе стороны от бокового отверстия в шаре, и составным из трех частей - двух шаровых сегментов, диаметрально расположенных по краям шара, в одном из которых располагается боковое отверстие, и центральной части, в которой располагается осевое сквозное отверстие, причем боковая поверхность центральной части ограничена цилиндром, диаметр которого не превышает диаметр основания шаровых сегментов, поверхности, разделяющие составные части шара друг от друга, параллельны друг другу и коаксиальны оси сквозного отверстия, а герметизирующие накладки выполнены как диаметрально расположенные части боковой поверхности цилиндрического корпуса, в котором имеется боковое отверстие, ось которого совпадает с осью углубления шаровой формы в стенке корпуса. Кроме этого, составной шар крана располагается в корпусе таким образом, что ось его сквозного отверстия совпадает с осью цилиндра корпуса, а привод шара обеспечивает его поворот вокруг этой оси. В дополнении к этому, с целью обеспечения надежной герметизации крана в зазоры между составными частями шара размещаются упругие элементы, обеспечивающие прижим поверхностей шаровых сегментов к углублениям шаровой формы в стенке корпуса.
Фиг. 3 - Фиг. 6 иллюстрируют принцип построения, конструкцию, сборку и функционирование заявляемого шарового крана бокового порта непрерывной промывки.
На Фиг. 3 представлен усеченный составной шар и его составные части, образующие основу заявляемого устройства. 22 и 23 - диаметрально расположенные шаровые сегменты, 24 - центральная часть шара с осевым сквозным отверстием 25, 26 - боковое отверстие в шаровом сегменте 22, которое через отверстие 27 соединяется с осевым сквозным отверстием в центральной части шара. В верхней части фигуры показан вид сверху на шар, вдоль осевого сквозного отверстия, в нижней части - вид спереди, перпендикулярно оси этого отверстия. Фиг. З иллюстрирует также параллельность и коаксиальность поверхностей, отделяющих составные части шара друг от друга.
На Фиг. 4 детально показан состав заявляемого шарового крана бокового порта непрерывной промывки, а на Фиг. 5 - этот же шаровой кран в сборе в ПНП 1. 22, 23 и 24 - это составные части усеченного шара, 22 и 23 - шаровые сегменты с боковым отверстием 26 в сегменте 22, которое соединяется отверстием 27 с осевым сквозным отверстием в центральной части 24. Эта часть видоизменена (по сравнению с аналогичной частью на Фиг. 3) за счет увеличения вверх и вниз осевого центрального отверстия, заключенного в трубу 28. Боковая часть центральной части, расположенная между плоскостями, усекающими шар, осталась без изменений. Снизу на трубе центральной части располагаются цилиндрические ступенчатые утолщения 29 и 30, причем нижняя сторона основания цилиндра 30 выполнена в виде зубчатой шестеренки, через которую производится поворот центральной части (и составного шара в целом) относительно оси сквозного отверстия в нем.
Перед сборкой на центральную часть надеваются нижние крышки цилиндра корпуса 31 и 32 с центральными круговыми отверстиями и со специальными прорезями, позволяющими их продеть через боковые стороны 24 центральной части и через окружность ступенчатого цилиндрического утолщения 29. Туда же устанавливается упругий элемент 33 (пружина) специальной формы. Упругие элементы 34 и 35 располагаются на боковых сторонах центральной части усеченного шара в зазорах между составными частями шара. В цилиндрическом корпусе 8 имеются шаровые углубления 36 и 37 с кольцевыми канавками 38 и 39 в каждой, расположенными соосно с углублениями, а в углублении 37 (также соосно с ним) располагается боковое отверстие в стенке цилиндра 40, являющееся частью бокового порта ПНП. На внешней стенке цилиндра 8 располагаются кольцевые канавки 41 и 42 для размещения в них кольцевых уплотнителей, для герметизации бокового порта ПНП. Верхняя крышка цилиндра 43 имеет центральное круговое отверстие, в которое вставляется верхний подшипник 44, а между их плоскостями располагается упругий элемент - кольцевая пружина 45. Гайка 46 при сборке шарового крана наворачивается на резьбу 47 и завершает сборку сверху верхнее упорное цилиндрическое кольцо 48, кольцевая пружина 49 и шайба 50.
Снизу устанавливаются два цилиндрических кольца 51 и 52 с перегородками внутри. В перегородках имеются полукруглые отверстия для размещения в них оси приводной шестеренки 53, которая, вращаясь, входит в зацепление с шестеренкой 30 и поворачивает составной шар крана вокруг оси его сквозного отверстия относительно корпуса 8.
Перед сборкой внутрь кольцевых канавок 38, 39, 41 и 42 устанавливаются кольцевые уплотнители O-ring. Сборка шарового крана начинается с размещения внутри корпуса 8 один за другим двух шаровых сегментов 22 и 23, затем, раздвигая их до упора шаровых поверхностей сегментов в кольцевые уплотнители, расположенные в канавках 38 и 39 в шаровых углублениях в стенке корпуса. В образовавшийся зазор между ними вставляется центральная часть шара 24 с предварительно установленными на ней двух нижних крышек корпуса 31 и 32, кольцевой пружины 33 и упругих элементов 34 и 35 (таких упругих элементов всего четыре, два из которых располагаются симметрично на невидимой части чертежа). Эта центральная часть шара вставляется в зазор до упора ступенчатого цилиндрического утолщения 29 в нижнюю плоскость усеченных шаровых сегментов 22 и 23.
Далее на выступающую сверху из корпуса 8 трубу 28 центральной части усеченного шара устанавливается верхняя крышка корпуса 43 с центральным круговым отверстием, в зазор между этим отверстием и трубой 28 вставляется втулка-подшипник верхний 44, а между плоскостями верхней крышки 43 и подшипника 44 устанавливается кольцевая пружина 45. Вся сборка стягивается гайкой 46, наворачиваемой на резьбу 47 до упора подшипника 44 в верхнюю плоскость усеченных шаровых сегментов 22 и 23. Верхняя 43 и нижние 31 и 32 крышки прижимаются к нему пружинами 33 (снизу) и 45 (сверху) с силой, определяемой только их упругостью и высотой зазоров, где они располагаются, и не зависящей, например, от момента закручивания гайки 46. Центральная часть усеченного шара 24 совместно с шаровыми сегментами 22 и 23 может вращаться вокруг оси сквозного отверстия, скользя, через кольцевые пружины по крышкам корпуса. Сила сжатия кольцевых пружин противодействует вертикальному смещению составного шара внутри корпуса 8.
Окончательная сборка заявляемого шарового крана производится в специальном переводнике 1 (который является частью ПНП) и показана на Фиг. 5. В нем имеется боковое отверстие 3 - боковой порт, которое при бурении закрыто герметичной предохранительной заглушкой 7. Еще одно отверстие в боковой стенке переводника 5 предназначено для установки в нем штока управления 54 шаровым краном, через который вращение передается на приводную шестеренку крана 53; герметичность этого отверстия и штока управления обеспечивается специальной гильзой 55 с внешними и внутренними уплотнителями.
Снизу к корпусу прижимаются два цилиндрических кольца - нижнее кольцо 51 и нижнее упорное кольцо 52, между ними устанавливается приводная шестеренка 53, которая при отсутствии зазоров между кольцами фиксируется в пространстве между ними с возможностью ее вращения вокруг собственной оси. Кольцо 52 в процессе сборки прижимается своей верхней цилиндрической кромкой к нижней кромке корпуса цилиндра 51, а высота этих колец и диаметр шестеренки 53 подобраны таким образом, что в сборе зубчатая поверхность шестеренки 53 совмещается и входит в зацепление с шестеренкой 30, передавая вращение от штока управления 54 шаровому крану.
Сверху к верхней кромке корпуса 8 прижимается верхнее упорное кольцо 48, а поверх него - кольцевая пружина 49 и шайба 50. Все эти элементы - между верхней шайбой 50 и нижним упорным кольцом 52 устанавливаются через ниппельную часть в переводнике 1 до посадки нижнего упорного кольца 52 на кольцевой выступ 56 в теле переводника, после чего прижимаются переводником 57 до упора. Сжатие всей конструкции производится по стенкам цилиндрических колец 48, 51, 52 и стенки корпуса 8 до кольцевого выступа 56 и не воздействует на вращающиеся элементы крана.
Все кромки цилиндрических стенок корпуса и колец выполнены в виде чередующихся выступов и углублений. При сборке выступы на одних кромках попадают в соответствующие углубления на других, что исключает их взаимный поворот и облегчает сборку. Также выступы имеются и на нижней кромке нижнего упорного кольца, а на кольцевом выступе 56 - соответствующие углубления, что обеспечивает точную "фазировку" элементов шарового крана относительно отверстий в переводнике 1. Боковое отверстие 40 в корпусе 8 совпадает с отверстием 3 в стенке переводника 1 (боковой порт), а отверстие 5 под гильзу 55 располагается таким образом, что оси штока управления 54 и приводной шестеренки 53 располагаются на одной прямой (или вблизи нее), что обеспечивает их стыковку и вращение шарового крана через шток 54.
В заявляемом шаровом кране всегда обеспечивается свободное движение жидкости через его осевое сквозное отверстие. В нормальном состоянии шаровые сегменты 22 и 23 установлены таким образом, что отверстие 3, а также боковое отверстие 40 полностью перекрывается шаровой поверхностью сегмента 22, причем герметичность перекрытия обеспечивается уплотнительными кольцами O-ring в кольцевых канавках 38, 41 и 42. Вращая управляющий шток 54, шаровые сегменты 22 и 23 поворачиваются вплоть до положения, когда оси отверстия 40 в корпусе 8 (и отверстие 3 бокового порта) и отверстия 26 в шаровом сегменте совпадут. В этом положении шаровой кран полностью открыт и жидкость из бокового порта попадает в осевое сквозное отверстие крана, причем герметичность его обеспечивается теми же уплотнительными кольцами. Такая герметизация бокового порта проще и надежней, чем в прототипе. Симметричное расположение шарового сегмента 23 (по отношении к сегменту 22) и уплотнительного кольца 39 (по отношению к кольцу 38) обеспечивает равновесное состояние усеченного шара под воздействием внешних и внутренних сил. Функциональная простота заявляемого крана обеспечила и простоту его конструкции по сравнению с прототипом, что является залогом его более высокой эксплуатационной надежности.
Работа заявляемого шарового крана в системе непрерывной промывки иллюстрируется на Фиг. 6.
В ПНП, состоящем из двух переводников 1 и 57, размещаются два крана - обычный запорный шаровой кран 58, перекрывающий поток промывочной жидкости из верхней трубы, и заявляемый шаровой кран 59, управляющий потоком промывочной жидкости из байпасной линии промывки 4 через боковой порт ПНП 3. При бурении (Фиг. 6b), когда буровой раствор в скважину подается через верхнюю трубу, запорный шаровой кран 58 находится в открытом состоянии (положении 1), а заявляемый шаровой кран 59 - в закрытом состоянии (положение 1), перекрывая отверстие бокового порта 3 и пропуская поток бурового раствора через свое осевое сквозное отверстие. При наращивании - Фиг. 6б (или при подъеме, удаляя трубу из бурильной колонны), промывка скважины производится через байпасную линию промывки 4, подсоединенную к боковому порту ПНП 3. При этом заявляемый шаровой кран 59 переводится в положение 2, открывая боковой порт 3 для подачи в бурильную колонну бурового раствора из байпасной линии промывки 4, а запорный шаровой кран 58 переводится в положение 2, перекрывая промывку через верхнюю трубу - теперь она может быть удалена без прекращения циркуляции бурового раствора в скважине. После наращивания (или после удаления трубы при подъеме) восстанавливается прежнее состояние ПНП в обратной последовательности - подается промывка через верхнюю трубу, запорный шаровой кран 58 открывается (переводится в положение 1), заявляемый шаровой кран 59 закрывается (переводится в положение 1), байпасная линия промывки 4 отсоединяется от бокового порта 3. Промывка через верхнюю трубу восстанавливается без прекращения циркуляции и продолжается бурение скважины.
Замена трехходового шарового крана, сложного, многофункционального и поэтому недостаточно надежного, на два, один из которых - запорный шаровой кран представляет собой традиционное, высоконадежное буровое оборудование, давно и успешно использующееся в бурении, а другой - заявляемый шаровой кран, конструктивно и функционально проще и поэтому надежней прототипа, повышает надежность системы непрерывной промывки скважины в целом.